DE3813858C2 - Anordnung von injektionssynchronisierten Oszillatoren für ein Antennenarray - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von injektonssynchroni­ sierten Oszillatoren für ein Antennenarray gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist bereits aus dem Artikel von K. D. Stephan: "Inter-Injection-Locked Oscillators für Power Combi­ ning and Phased Arrays"; in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-34, No. 10, October 1986, Sei­ ten 1017 bis 1025.

Ein solches Antennenarray besteht aus einer Vielzahl von Ein­ zelantennen, die in der Praxis häufig in Form von Schwingkrei­ sen mit passiven Bauelementen realisiert werden und die alle bei annähernd gleicher Frequenz schwingen und in ihrer Phase unabhängig voneinander einstellbar sind. Antennenarrays dieser Art sind jedoch nicht sehr leistungsstark. Dazu kommt, daß her­ kömmliche Phasenschieber insbesondere im Millimeterwellenbe­ reich stark verlustbehaftet sind.

Die aus dem eingangs genannten Artikel von K. D. Stephan bekann­ te Anordnung von injektionssynchronisierten Oszillatoren ist Teil eines Antennenarrays für den Mikrowellenbereich, das aus einer Vielzahl von Einzelantennen besteht, die von den Oszilla­ toren gespeist werden. Die Oszillatoren schwingen jeweils auf der gleichen Frequenz und sind in ihrer Phase jeweils unabhän­ gig voneinander einstellbar.

Aus dem Artikel von H. Barth: "Fundamental Wave Injection Locked 2nd Harmonic Gunn Osciallators at 94 GHz"; in: IEEE MTT-S Digest 1984, Seiten 391 bis 393 ist ein bei 94 GHz arbei­ tendes kohärentes Radar Frontend bekannt, das einen Gunn-Oszil­ lator enthält, der auf der Grundwelle bei 47 GHz injektionssyn­ chronisiert ist und als Ausgangssignal die zweite Harmonische dieser Grundwelle bei 94 GHz liefert.

Aus dem Artikel von B. R. Hatcher: "Collimation of Row-and- Columm Steered Phased Arrays"; in: Proceedings of the IEEE, Vol. 56, No. 11, November 1968, Seiten 1787 bis 1790 ist ein auf optischem Wege gespeistes Antennenarray bekannt, bei dem die Speiseenergie von einem oder mehreren Hornstrahlern auf die einzelnen Antennenelemente gestrahlt wird und von diesen pha­ senverschoben wieder abgestrahlt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung von in­ jektionssynchronisierten Oszillatoren für ein Antennenarray zu schaffen, das leistungsstark ist und dessen Einzelantennen in einem weiten Phasenschwenkbereich einstellbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 beschrie­ ben. Die übrigen Patentansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sowie bevor­ zugte Anwendungen der Erfindung.

Die Oszillatoren sind vorzugsweise varaktorabstimmbare Ober­ schwingungsoszillatoren mit Grundschwingungsausgang, die bei ihrer Grundschwingung injektionssynchronisiert werden. (Im Millimeterwellenbereich oberhalb von ca. 60 GHz können hierzu vorteilhaft Gunn-Oszillatoren verwendet werden).

Varaktorabstimmbare Oberschwingungsoszillatoren haben den Vor­ teil, daß

• a) ihr maximaler Phasenschwenkbereich nicht wie bei Grund­ schwingungsoszillatoren auf annähernd ± 90° beschränkt ist, sondern sich bei der ersten Oberschwingung auf an­ nähernd ± 180° und bei der n-ten Oberschwingung auf an­ nähernd ± (n + 1) 90° erstreckt und
• b) jeder beliebige Phasenwert in diesem Bereich einstell­ bar ist.

Somit ist bei varaktorabstimmbaren Oberschwingungsoszillato­ ren bei der ersten Oberschwingung eine analoge (stufenlose) wie auch digitale (in Stufen erfolgende) Phasendrehung im gesamten Phasenschwenkbereich von ca. ± 180° möglich, die zudem noch schnell und nahezu verlustfrei durchführbar ist.

Die Phase der einzelnen Oszillatoren wird über die Varaktor­ spannungen so eingestellt, daß sich die Ausgangssignale der Oszillatoren in geeigneter Weise überlagern, um so das gewünschte Antennendiagramm zu formen. Durch Variation der Varaktorspannungen kann das Antennendiagramm auch geschwenkt werden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin daß durch die Verwendung aktiver Oszillatoren das Antennenarray hohe Ausgangsleistungen erzeugen kann und daß mit diesem Anten­ nenarray durch entsprechende Wahl der einzelnen Varaktor­ spannungen das Antennendiagramm in den vorgegebenen Grenzen beliebig geformt und geschwenkt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung von Oberschwingungs­ oszillatoren, die gegenüber klassischen Grundschwingungsos­ zillatoren mit ca. ± 180° einen nahezu doppelt so großen Phasenschwenkbereich aufweisen. Der Einsatz von Varaktordio­ den hat z B. gegenüber den klassischen PIN-Dioden den Vor­ teil, daß die Abstimmung nahezu verlustfrei, schnell und stufenlos (analog) erfolgt (wobei eine Abstimmung in Stufen bei einer Varaktordiode auch möglich ist).

Die Erfindung wird nun anhand der Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform eines aktiven 360°-Phasenschiebers für den Millimeterwellenbereich mit einem injektions­ synchronisierten, phasenmodulierbaren Oberschwin­ gungsoszillator mit Grundschwingungsausgang;

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 1 gezeigten Oberschwingungsoszillators;

Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Antennenarrays in perspektivischer Dar­ stellung.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 näher erläuterten aktiven 360°-Pha­ senschiebers handelt es sich um eine Anordnung gemäß einer weiteren Anmeldung (DE 38 13 865 A1) oder Anmelderin, die am gleichen Tag wie die hier vorliegende Anmeldung ange­ meldet worden ist.

Der aktive 360°-Phasenschieber für den Millimeterwellenbe­ reich in Fig. 1 besteht aus einem ersten Oberschwingungsos­ zillator (1a), der die Frequenzen fm mit der Leistung Pm (Grundschwingung) und 2 fm mit der Leistung Pref (erste Oberschwingung) erzeugt, und einem zweiten Oberschwingungs­ oszillator (1b), vorzugsweise des gleichen Typs, der die freischwingenden, d. h. ohne äußeren Einfluß schwingenden Frequenzen fs mit der Leistung Ps (Grundschwingung) und 2 fs mit der Leistung Psig (erste Oberschwingung) erzeugt. Dem Grundschwingungsausgang des "Slave"-Oszillators ist eine Varaktor-Diode (3) vorgeschaltet, die mit einer veränderba­ ren Spannung (V_V + ΔV) angesteuert wird. Die Varaktor-Diode (3) ist andererseits mit einem U-Band-Hohlleiterzug (5) an den Grundschwingungsausgang des ersten Oszillators (1a) angeschlossen. Der Hohlleiterzug (5) enthält eine Richt­ leitung (Isolator) (4). An die Oberschwingungsausgänge der beiden Oszillatoren (1a, 1b) ist jeweils ein W-Band-Hohl­ leiterzug (6) angeschlossen.

Der erste Oszillator (1a) dient bei der Grundschwingung (fm) als Generator eines Synchronisiersignals ("Master"-Oszilla­ tor), mit dem der zweite, jedoch zusätzlich mit der Varak­ tor-Diode (3) abstimmbare Oszillator (1b) über seinen Grund­ schwingungsausgang injektionssynchronisiert wird ("Slave"-Os­ zillator). Der Oberschwingungsausgang des "Master"-Oszil­ lators dient als Referenzsignal, während der Oberschwin­ gungsausgang des "Slave"-Oszillators (1b) das phasenmodu­ lierte Signal anbietet.

Die Phasendrehung kommt zustande, wenn der "Slave"-Oszilla­ tor mit der an der Varaktor-Diode (3) angelegten Spannung (V_V + ΔV) frequenzmoduliert wird und damit eine vom "Master"-Oszillator um Δf abweichende Freischwing-Frequenz fs = fm ± Δf annimmt. Durch die Synchronisation nimmt das Signal des "Slave"-Oszillators die Frequenz des "Master"-Os­ zillators an, hat dann jedoch eine Phasendifferenz (Δζ bei der Grundschwingung bzw. 2 Δζ bei der Oberschwingung bezogen auf das Referenzsignal). Der maximale Phasenschwenk­ bereich beträgt bei der ersten Oberschwingung annähernd ± 180° (bei der n-ten Oberschwingung annähernd ± (n + 1) 90°).

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 1 gezeigten Oberschwingungsoszillators (1b) zusammen mit der Varaktor-Diode (3) in der Seitenansicht mit teilweise ent­ ferntem Gehäuse.

Der Hohlleiter eines Halters (17b) einer Gunn-Diode (10) ist für die Grundschwingung und die erste Oberschwingung durch­ lässig. Der auf der einen Seite des Halters (17b) mit einem Flansch (14b) angeschlossene W-Band-Hohlleiter (13b) reflek­ tiert die Grundschwingungen. Der U-Band-Hohlleiter (11b) auf der gegenüberliegenden Seite ist für die Grundschwingung und die erste Oberschwingung durchlässig. Um die Ausgangslei­ stung der Oberschwingungen zu optimieren, ist gemäß einem Artikel von H. Barth "A High Q Cavaty Stabilized Gunn- Oscillator at 94 GHz" in IEEE MTT-S Digest (1986) in einem bestimmten Abstand von der Gunn-Diode (10) eine Resonanz­ blende (16b) angeordnet, die mit einem U-Band-Hohlleiter­ zwischenstück (15b) in ihrer Lage justiert ist. Die Resonanz­ blende (16b) reflektiert die Oberschwingung in starkem Maße, während die Grundschwingung nahezu ohne Dämpfung durchge­ lassen wird.

Die Steuerspannung wird über einen SMA-Anschluß (180b), der mittels eines Flansches (18b) und zweier Schrauben (181b) an dem Gunn-Dioden-Halter (17b) befestigt ist, und ein Filter (19b) zur Gunn-Diode (10b) geführt.

Mit (30) ist die in der Halterung (37) befindliche Varaktor-Di­ ode, mit (31) ist der U-Band-Hohlleiter im U-Band-Flansch (32), mit (33) ist ein weiterer U-Band-Hohlleiter in einem U-Band-Hohlleiterzwischenstück (35) und mit (38) ein SMA-Flansch mit SMA-Anschluß (380) und Befestigungsschrauben (381) bezeichnet.

Fig. 3 schließlich zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennenarrays in perspektivischer Darstellung.

Das Array besteht aus einer Vielzahl von Einzelantennen, von denen in der Figur beispielhaft 6 Stücke gezeigt sind. Die Antennen sind identisch im Aufbau und in dem gewählten Beispiel räumlich gleich ausgerichtet.

Jede dieser Antennen besteht aus einem phasenmodulierbaren Oberschwingungsoszillator (2) mit einem Oberschwingungsaus­ gang an der Vorderseite und einem Grundschwingungsausgang an der Rückseite, wobei an dem Grundschwingungsausgang ein Hohlleiter (5) mit seinem einen Ende angeschlossen ist. An dem anderen Ende des Hohlleiters (5) ist eine Hornantenne (52) angebracht. In einiger Entfernung von den Hornantennen (52) des Antennenarrays befindet sich eine weitere Hornan­ tenne (50), die über einen Hohlleiter (5) an einen weiteren Oszillator (1a) angeschlossen ist und die räumlich so ange­ ordnet ist, daß sie elektromagnetische Schwingungen des weiteren Oszillators (1a) in die Hornantennen (52) des Antennenarrays einstrahlen kann.

Ähnlich wie bei dem Phasenschieber in Fig. 1 dient der weitere Oszillator (1a) als Generator eines Synchronisier­ signals ("Master"-Oszillator), mit dem die Oszillatoren des Antennenarrays über die rückseitig angebrachten Grundschwin­ gungsausgänge injektionssynchronisiert werden ("Slave"-Os­ zillatoren).

Der "Master"-Oszillator (1a) ist vorzugsweise auch ein Oberschwingungsoszillator mit Grundschwingungsausgang, bei dem das Synchronisiersignal bei der Grundschwingung erzeugt wird, so daß der Oberschwingungsausgang des Oszillators (1a) als Referenzsignal, beispielsweise für die phasenmodulierten Oberschwingungssignale der Oszillatoren (1b) des Antennen­ arrays, genutzt werden kann.

Werden in dem Antennenarray varaktorabstimmbare Oberschwin­ gungsoszillatoren z. B. gemäß Fig. 2 eingesetzt, erfolgt die Phasendrehung bei den einzelnen Oszillatoren (1b) gemäß Fig. 1. Dabei werden die Phasen der einzelnen Oszillatoren (1b) über die Varaktorspannungen (V_V + ΔV) so eingestellt, daß sich die Oberschwingungs-Ausgangssignale der Oszillato­ ren (1b) in geeigneter Weise überlagern und auf diese Art und Weise das gewünschte Antennendiagramm formen. Durch Variation der Varaktorspannungen ist auch eine Diagramm­ schwenkung möglich.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Wissen und Können auf vielerlei Art und Weise weitergebildet und abgeändert sowie an andere Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle nähert erläutert werden müßte.

So ist es z. B. möglich, anstelle der Hornantennen in Fig. 3 andere Strahler, wie z. B. Schlitzstrahler, zu verwenden. Weiterhin kann es in manchen Anwendungen erforderlich sein, daß das Antennenarray anstelle der ebenen Fläche in Fig. 3 eine gekrümmte Fläche (z. B. kreis-, zylinder-, kegel- oder halbkugelförmig) bildet. Schließlich kann es (z. B. bei den eine gekrümmte Fläche bildenden Antennenarrays) erforderlich sein, anstelle eines "Master"-Oszillators gemäß Fig. 3 mehrere "Master"-Oszillatoren zu verwenden, die die erzeug­ ten elektromagnetischen Schwingungen über verschiedene Strahler in verschiedene Raumrichtungen strahlen.

Claims (10)

1. Anordnung von injektionssynchronisierten Oszillatoren für ein Antennenarray für den Mikrowellen-, vorzugsweise Millimeter­ wellenbereich, wobei die Oszillatoren jeweils auf gleicher Frequenz schwingen, in ihrer Phase jeweils unabhängig voneinan­ der einstellbar sind und eine Vielzahl von Einzelantennen des Antennenarrays speisen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Oszillatoren Oberschwingungsoszillatoren (1b) mit einem maximalen Phasenschwenkbereich von mindestens ± 180° sind;
• - daß jeder dieser Oberschwingungsoszillatoren (1b) eine über einen ersten Ausgang (11b) auskoppelbare Grundschwingung (fs) und mindestens eine über einen zweiten Ausgang (13b) auskoppel­ bare Oberschwingung (2 fs, . . .) erzeugt;
• - daß jeder dieser Oberschwingungsoszillatoren (1b) mittels einer dem ersten Ausgang (11b) vorgeschalteten Varaktordiode (3) stufenlos oder stufenweise phasenmodulierbar ist und
• - daß die Oberschwingungsoszillatoren über ihren ersten Ausgang (11b) durch ein Synchronisierungssignal (fm) auf die Grund­ schwingung (fs) injektionssynchronisiert werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Varakterdiode (3) über ein erstes Hohlleiter-Zwi­ schenstück (32) an einen Hohlleiter (5) angeschlossen ist und über ein kurzes, zweiteiliges zweites Hohlleiter-Zwischen­ stück (15b, 35) an den ersten Ausgang (11b) des Oszillators (1b) angeschlossen ist und daß zwischen den beiden Teilen (15b, 35) des zweiteiligen zweiten Hohlleiter-Zwischenstücks eine die Oberschwingungen des Oszillators (1b) reflektierende Resonanz­ blende (16b) angebracht ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Oberschwingungsoszillatoren (1b) jeweils über ihre Grundschwingung (fs) injektionssyn­ chronisierbar sind und daß zur Erzeugung eines Synchronisie­ rungssignals (fm) ein weiterer Oszillator (1a) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Übertragung des Synchronisierungssignals (fm) von dem erzeugenden Oszillator (1a) zu den einzelnen injek­ tionssynchronisierten Oszillatoren (1b) über Hohlleiteranor­ dnungen (5) erfolgt und daß jede dieser Hohlleiteranordnungen (5) an mindestens einer Stelle durch eine Übertragungsstrecke (51) im freien Raum unterbrochen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den feien Enden der Hohlleiter (5) Hornan­ tennen (50, 52) angebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den freien Enden der Hohlleiter (5) Schlitz­ strahler angebracht sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in jeder der Hohlleiteranordnungen (5) zwischen injektionssynchronisiertem Oszillator (1b) und Hornantenne (52) oder Schlitzstrahler jeweils eine Richtungs­ leitung (Isolator) (4) und/oder Zirkulator eingefügt ist.

8. Antennenarray mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ schwingungsoszillatoren (1b) auf einer ebenen Fläche angeordnet sind.

9. Antennenarray mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ schwingungsoszillatoren (1b) auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.

10. Antennenarray nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekenn­ zeichnet durch seine Anwendung als Strahler mit räumlich/zeit­ lich veränderbarem Strahlungsfeld.