DE3723179C2 - Gruppenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Gruppenantennen mit serieller Speisung sind beispielsweise beschrieben in IEEE Transactions AP-16, No. 4, Juli 1968 Seite 436 bis 440. Von einem Speisepunkt, der üblicherweise in Zeilen­ mitte liegt, führt als Signalverteilung ein gemeinsamer Hohlleiter zu den einzelnen Strahlern einer Antennenzeile, die über Richtkoppler der Hohlleiterwelle Leistung ent­ nehmen und abstrahlen bzw. im Empfangsfall die aufgenommene Leistung über die Richtkoppler und den Hohlleiter zum Speisepunkt führen. Diese Gruppenantennen sind aber un­ flexibel im Einsatz, da Phase und Amplitude an den Einzelstrahlern durch den Aufbau fest vorgegeben sind.

Variabel hinsichtlich Form und Ausrichtung des Diagramms sind die phasengesteuerten Antennen, bei welchen die Phase der Einzelstrahler individuell elektronisch einstellbar und veränderbar ist. Nachteilig an diesen Antennen ist das aufwendige Verteilungsnetzwerk zur Spei­ sung der Einzelstrahler, das auch erhebliche Dämpfungsverluste verur­ sacht.

Aus der Druckschrift WALDRON, T.P. u. a.: Distributed Beamsteering Control of Phased Array Radar; In: Microwave Journal, Sept. 1986, Seiten 133, 134, 136, 140, 142 bis 144, 146, ist eine Gruppenantenne bekannt, die aus einer Vielzahl von Modulen bestehen kann. Jeder Mo­ dul kann an ein zugehöriges Sende-/Empfangsstrahlerelement angekoppelt werden und enthält im wesentlichen einen Sendepfad mit einem Sende­ verstärker, einen Empfangspfad mit einem Empfangsverstärker, mehrere steuerbare Schalter zur Umschaltung des Moduls von Sende- auf Emp­ fangsbetrieb, einen digital arbeitenden Modul-Controller, welcher eine Steuerung der steuerbaren Schalter bewirkt, einen Steuereingang, an welchen der Modul-Controller angeschlossen ist, sowie einen Singal­ ein-/Ausgang, an welchen die hochfrequenten Signale des Sende-/Emp­ fangspfades ankoppelbar sind. Derartige Module können zeilen- oder matrixförmig angeordnet sein. Dafür werden die zugehörigen, digital arbeitenden Steuerungen beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach auf­ gebaute, flexibel einsetzbare Gruppenantenne anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung.

Die Erfindung macht vorteilhaften Gebrauch von aktiven Strahlerele­ menten in Verbindung mit einem einfach aufgebauten Verteilernetzwerk. Von wesentlicher Bedeutung bei der Erfindung ist, daß alle Module identisch aufgebaut sind und eine gewünschte Phasen- und Amplituden­ belegung der Apertur allein durch die individuelle elektronische Ein­ stellung der auf den Modulen befindlichen steuerbaren Mittel zur Pha­ sen- und Amplitudenbeeinflussung erzielt wird, und daß die Signalver­ teilungen einschließlich der Richtkoppler in die Module integriert sind. Neben der hohen Flexibilität beim Einsatz der Gruppenantenne durch die individuelle Steuerung der einzelnen Elemente und den ge­ ringen Signalverlusten durch Verteilung und Steuerung bei kleinen Signalpegeln ergeben sich durch den Aufbau aus identischen, die Signalverteilung mit enthaltenden Modulen besondere Vorteile bei der Konstruktion, Wartung, Zuver­ lässigkeit, Gewicht und Preis. Durch beliebige Austausch­ barkeit kann die Ersatzteil-Bevorratung minimal gehalten werden. Die Integration der Verteilungskomponenten in die Module reduziert, insbesondere bei Verwendung von Mehrfach­ modulen, die Zahl von Verbindungselementen und Leitungen und führt so zu einer erheblichen Verringerung von Gewicht und Kosten bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit.

Während bei herkömmlichen elektronisch steuerbaren Gruppen­ antennen mit "passiven" Strahlerelementen die gesamte Sendeleistung zentral in einem Sender erzeugt und über das Verteilungsnetzwerk und die Phasenschieber den Strahler­ elementen zugeführt wird, wird bei Verwendung von aktiven Strahlerelementen als Einzelstrahler diesen lediglich ein Treibersignal zugeführt und die Sendeleistung in einem Leistungsverstärker direkt am Strahler erzeugt. Im Em­ pfangsfall wird unmittelbar hinter dem Strahlerelement eine rauscharme Empfangsvorverstärkung vorgenommen. Die Phasen- und Amplitudeneinstellung der Sendesignale der einzelnen Strahlerelemente erfolgt vor den Leistungsverstärkern bei niedrigen Signalpegeln, die der Empfangssignale in Signal­ flußrichtung hinter den Empfangsverstärkern. Dadurch können bei geringerer Belastung dieser Einstellmittel erheblich höhere relative Verluste (Dämpfung) in Kauf genommen werden und die Einstellung kann mit höherer Bitzahl wesentlich feiner erfolgen als bei den mit der vollen Sendeleistung des Strahlerelements beaufschlagten Phasenschiebern bei den konventionellen phasengesteuerten Antennen. Mit der feineren Einstellung der Phasen und Amplituden können nicht nur Aperturbelegungen genauer eingestellt, sondern auch Her­ stellungstoleranzen der einzelnen aktiven Strahlerelemente ausgeglichen werden. Die Einstellbarkeit der Amplituden durch Steuersignale ermöglicht in Verbindung mit der Phaseneinstellung auch eine weitergehende Variation des Antennendiagramms (Nebenzipfel, Gewinn) je nach Erforder­ nissen der Situation (Ziele, Störer, Clutter usw.) ein­ schließlich verschiedener Diagrammformen (Spoiled Beam, Shaped Beam, Pencil, Beam, Multibeam etc.) und effektiver Verfahren zur Ausrichtung von Nullstellen im Strahlungs­ diagramm (Adaptive Nulling).

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch weiter veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Strahlerzeile

Fig. 2 den Verlauf der Wellenamplituden entlang einer Strahlerzeile.

Im in Fig. 1 skizzierten Beispiel sind Zweifach-Module, d. h. Module mit jeweils zwei Strahlerelementen St eingesetzt, die eine mittengespeiste Strahlerzeile bilden. Dabei ist eine an sich bekannte doppelte Serienspeisung für Monopuls­ betrieb der Antenne vorgesehen mit einer ersten Signalver­ teilung V mit einem Speisepunkt Σ für die Zuführung der Treiberleistung und die Zusammenfassung der dem Empfang über das Summendiagramm entsprechenden Empfangsleistungen und einer zweiten Signalverteilung V′, die allein zur optimalen Erzeugung des Zeilen-Differenzdiagramms dient. Dazu wird mit separaten einstellbaren Dämpfungsgliedern D′ zwischen den beiden Verteilungsleitungen die für die ange­ strebte Differenzdiagramm-Charakteristik erforderliche Amplitudenbelegung eingestellt. Die nicht benutzten Aus­ gänge der Richtkoppler RK′ sind in gebräuchlicher Weise mit Absorbern R reflexionsfrei abgeschlossen. Für das weitere Verständnis der Erfindung genügt die Betrachtung einer Signalverteilung, weshalb im folgenden im wesentlichen nur die vom Summenspeisepunkt Σ ausgehende Signalverteilung V betrachtet ist.

Die Mehrfach-Module bestehen aus einem Gehäuse für mehrere, im gezeichneten Beispiel zwei Schaltungsketten, wobei jede Schaltungskette ein einstellbares Dämpfungsglied D, einen einstellbaren Phasenschieber Ph, eine Sende-Empfangs-Um­ schaltanordnung U, einen Leistungsverstärker PA für das Sendesignal, einen rauscharmen Empfangsverstärker LNA für die Empfangssignale und ein Strahlerelement St enthält. Die Kombination aus Verstärker und Strahlerelement wird als aktives Strahlerelement bezeichnet. Über zusätzliche Steuersignaleingänge SE werden die Dämpfungsglieder D, D′ und die Phasenschieber Ph eingestellt und die Schalter U betätigt. Die Versorgungsleitungen für die Verstärker sind nicht extra eingezeichnet. Die Schaltungsketten sind über Richtkoppler RK an die Verteilungsleitung der Signalver­ teilung gekoppelt, die gleichfalls abschnittsweise auf den Modulen integriert ist. Benachbarte Module einer Zeile sind mittels koaxialer Verbindungselemente K miteinander ver­ bunden. Die Module können also unmittelbar ohne zusätzliche Verteilungskomponenten zusammengeschaltet werden. Bei einer Gruppenantenne mit mehreren Zeilen werden lediglich für die Verteilung der Signale auf die mehreren Zeilen Spalten-Ver­ teilnetzwerke benötigt. Wesentlich ist auch, daß alle Module identisch aufgebaut sind. Dabei sind die Module auf verschiedenen Seiten des Speisepunktes Σ umgekehrt einge­ baut wegen der Richtwirkung der Richtkoppler RK. Das im Speisepunkt Σ im Sendefall eingekoppelte Sendesignal, das lediglich als Treibersignal für die Leistungsverstärker PA der aktiven Strahlerelemente dient, wird auf die Signalver­ teilung zu beiden Seiten des Speisepunktes aufgeteilt. An jedem Richtkoppler wird ein Teil der Treiberleistung ausge­ koppelt und der angeschlossenen Schaltungskette zugeführt.

Da alle Module identisch aufgebaut sind, sind auch die Auskoppelkonstanten in allen Modulen und vorzugsweise auch innerhalb eines Moduls an allen Richtkopplern gleich. Es wird also nicht wie bei bekannten seriengespeisten Gruppen­ antennen zur Erzielung einer bestimmten Apertur-Amplituden­ belegung ein von Richtkoppler zu Richtkoppler unter­ schiedlicher Leistungsanteil in feiner Abstufung aus der Serienverbindungsleitung ausgekoppelt, sondern in jedem Richtkoppler ein gleicher relativer Leistungsanteil. Die Einstellung der gewünschten Amplitudenbelegung wird viel­ mehr durch Einstellung der Dämpfungsglieder D mittels entsprechender Steuersignale bewirkt. (Der einstellbaren Dämpfung in der Wirkung gleichwertig wäre auch eine Ein­ stellung des Verstärkungsgrads des Leistungsverstärkers). Die Abdämpfung des ausgekoppelten Signals in den Dämpfungs­ gliedern D ist bei Verwendung der aktiven Strahlerelemente nicht kritisch, da dies bei vergleichsweise geringer Leistung erfolgt, so daß weder die Dämpfungsglieder für hohe Verlustleistung ausgelegt noch die Leistungsbilanz der Antenne nennenswert beeinträchtigt wird. Die mehr oder weniger stark gedämpften ausgekoppelten Treibersignalan­ teile werden über die einstellbaren Phasenschiebern Ph und die Umschalter U den Eingängen der Leistungsverstärker PA zugeführt. Die Phasenbeeinflussung erfolgt wiederum bei niedrigen Signalpegeln, so daß die in den Phasenschiebern auftretenden Leistungsverluste ohne Problem im Pegel des zugeführten Treibersignals berücksichtigt werden können.

Bei angenommenem konstanten und für alle Leistungsverstärker gleichen Verstärkungsfaktor sind die Sendesignalamplituden an den Strahlerelementen St proportional den Signal­ amplituden an den Eingängen der Leistungsverstärker, so daß auch diese Signalamplituden bereits die Amplitudenbelegung der Antennenapertur repräsentieren. Durch die Einstellung der Dämpfungsglieder können aber auch durch eine Kalibra­ tion festgestellte Herstellungstoleranzen in den Ver­ stärkungen der Leistungsverstärker ausgeglichen werden.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Signalamplituden längs einer Zeile vom Speisepunkt ausgehend skizziert, wobei die Amplitude der in die Serien-Verbindungsleitung einge­ speisten Treibersignalleistung als Bezug (0 dB) genommen ist. Bei gleichen Auskoppelkonstanten aller Richtkoppler ergibt sich für das Treibersignal eine konstante (relative) Abdämpfung an jedem Richtkoppler. Bei einer angenommenen Auskoppeldämpfung der Richtkoppler von 10 dB vermindert sich die Amplitude des Treibersignals auf der Signalver­ teilung V um ca. 0,4 dB pro Richtkoppler (Kurve (1)). Die Amplituden der ausgekoppelten Leistungsanteile (Kreise in der unteren Diagrammhälfte) sind diesem Verlauf um 10 dB abgesenkt proportional. Zur Formung von wählbaren Amplituden-Belegungsfunktionen wird die Dämpfung a_i der einzelnen Dämpfungsglieder von Schaltungskette zu Schaltungskette unterschiedlich über die Steuersignalein­ gänge so eingestellt, daß sich der der gewünschten Amplitudenbelegung proportionale Verlauf in den Amplituden am Eingang der Leistungsverstärker ergibt. Die Signal­ dämpfung in den Phasenschiebern kann für diese Betrachtung vernachlässigt werden. Kurve (2) zeigt für eine konstante Amplitudenbelegung den Verlauf der Signalamplituden der Speisesignale für die Verstärker PA mit der Länge der eingezeichneten Pfeile als Maß für die in den jeweiligen Dämpfungsgliedern einzustellende Dämpfung. Es wird deutlich, daß außer beim letzten Element alle Signal­ amplituden abgedämpft werden müssen. Damit trotzdem alle Verstärker PA ihre maximale Leistung abgeben können, muß die Treibersignalleistung entsprechend hoch gewählt werden.

Bei einer zu niedrigen Nebenzipfelpegeln des Diagramms führenden, zum Rand der Apertur stark abfallenden Ampli­ tudenbelegung (Kurve (3)) zeigt sich, daß hier die Dämpfungsglieder eine wesentlich geringere Signaldämpfung einfügen müssen, so daß insgesamt eine geringere Treiber­ signalleistung benötigt wird.

Die serielle Verbindungsleitung ist nach dem letzten Modul reflexionsfrei abgeschlossen, d. h. die nach dem letzten Richtkoppler verbleibende Leistung auf der Verbindungs­ leitung wird vernichtet. Diese Verlustleistung ist aber bei dem niedrigen Pegel der Treiberleistung nicht gravierend und dieser Nachteil wird durch die genannten Vorteile der identisch aufgebauten Module bei weitem aufgehoben.

Für den Empfangsfall werden die Sende-Empfangs-Umschalter U umgeschaltet, so daß die von den Strahlerelementen aufge­ nommenen Signale an die Eingänge der rauscharmen Empfangs­ verstärker LNA geführt werden. Die Verstärkerausgangs­ signale werden über die Phasenschieber Ph, die Dämpfungs­ glieder D und die Richtkoppler RK in die Verbindungsleitung eingekoppelt und über den Speiseanschluß Σ dem Eingang eines Empfängers zugeleitet. Durch Ansteuern der Phasen­ schieber Ph und der Dämpfungsglieder D kann die für ein gewünschtes Empfangsdiagramm erforderliche Amplituden- und Phasenbelegung der Antenne eingestellt werden. Die Aus­ gangssignale der rauscharmen Verstärker weisen ebenso wie die Treibersignale im Sendefall einen geringen Leistungs­ pegel auf, so daß die auftretende Verlustleistung keine besonderen Probleme aufwirft.

Mittels der weiteren Dämpfungsglieder D′ kann, wie bereits erwähnt, das mit Hilfe der zweiten Signalverteilung V′ erzeugte Zeilen-Differenz-Diagramm eingestellt werden. Während bei den bekannten Gruppenantennen mit doppelter Serienspeisung wegen der angestrebten Verlustarmut der Netzwerke mit fest abgestuften Koppelkonstanten der Richt­ koppler gearbeitet wird und damit keine Austauschbarkeit von Teilen des Netzwerks und vor allem keine Einstell­ barkeit des Diagramms gegeben ist, wird im vorliegenden Fall bewußt eine Signaldämpfung in Kauf genommen, dadurch aber die Möglichkeit der einfachen Optimierung des Differenzdiagramms erreicht.

Claims (3)

1. Gruppenantenne mit einer Mehrzahl von in einer oder mehreren Zeilen angeordneten Einzelstrahlern, wobei zumindest

• - die Einzelstrahler jeweils an einen Modul ankoppelbar und alle Module identisch aufgebaut sind,
• - der Modul einen Sende- und einen Empfangsverstärker enthält sowie steuerbare Mittel zur Phasen- und/oder Amplitudenbeeinflussung sowie zur Umschaltung der Sende- und Empfangssignale,
• - der Modul einen Steuersignal-Eingang für die steuerba­ ren Mittel besitzt,
• - der Modul einen Signalanschluß besitzt zur Einkopplung eines zu verstärkenden Sendesignals sowie zur Auskopp­ lung eines verstärkten Empfangssignals, und
• - ein Verteilernetzwerk, an das die Signalanschlüsse aller Module anschließbar sind, vorhanden ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Verteilernetzwerk innerhalb jeder Zeile eine serielle Signalverteilung des Sende- und/oder Emp­ fangssignals bezüglich eines der Zeile zugeordneten Speisepunktes durchführt,
• - daß das Verteilernetzwerk innerhalb jeder Zeile als doppelte Serienspeisung mit einer ersten und einer zweiten Signalverteilung (V, V′) ausgebildet ist zur Bildung eines Summen- und eines Differenzdiagramms,
• - daß die erste und die zweite Signalverteilung (V, V′) abschnittsweise auf jedem Modul vorhanden sind,
• - daß die abschnittsweisen Signalverteilungen (V, V′) benachbarter Module über Verbindungselemente (K) kop­ pelbar sind,
• - daß auf jedem Modul zwischen den abschnittsweisen Sig­ nalverteilungen (V, V′) ein einstellbares Dämpfungs­ glied (D′) vorhanden ist zur Einstellung des Diffe­ renzdiagramms und
• - daß auf jedem Modul mindestens zwei Richtkoppler (RK, RK′) vorhanden sind zum Anschluß der steuerbaren Mit­ tel (D, Ph, U) an die abschnittsweisen Signalvertei­ lungen (V, V′).

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrelement-Modulen alle Richtkoppler mit gleichen Auskoppelkonstanten ausgeführt sind.