DE3931400A1

DE3931400A1 - Strahlungsfeldsensor

Info

Publication number: DE3931400A1
Application number: DE3931400A
Authority: DE
Inventors: Huw David Malvern Rees; Geoffrey Lewis Malvern Moule
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 2009-12-17
Also published as: IT8948363A0; GB2458723A; GB8918885D0; GB8822011D0; GB2458723B

Abstract

Ein Strahlungsfeldsensor (10, 30, 40) weist eine auf ein Substrat aufgebrachte dipolare Antennenanordnung (30) auf, auf die Mikrowellenstrahlung über eine Linse (12) eingekoppelt ist. Jede Antenne (26) hat zwei Dipolschenkel (26a, 26b), die miteinander über entsprechende Schottky-Barrieren-Detektordioden (28) verbunden sind. Niederfrequente Mischerausgangssignale werden in entsprechende Signalkanäle gespeist, die jeweils einen Videoverstärker (42), einen Analog-Digital-Wandler bzw. ADC (44) und ein Multiplizierglied (46) aufweisen. Ein Nurlesespeicher bzw. ROM (48) speichert Koeffizientensätze, die durch Kalibrierung des Sensors (30, 40) mit Strahlung bekannter Parameter wie Richtung, Frequenz und/oder Polarisation kalibriert sind. Das Multiplizierglied (46) empfängt entsprechende Koeffizienten von aufeinanderfolgenden Koeffizientensätzen. Jeder Koeffizientensatz erzeugt einen entsprechenden Satz von Multiplizierglied-Ausgangsprodukten, die durch einen Addiererbaum (56, 58, 60) aufaddiert werden. Ein Computer (64) ermittelt, welcher Koeffizientensatz die maximale Summe der Produkte erzeugt, d. h. den maximalen Korrelationsgrad mit den Antennenanordnungs-Ausgangssignalen. Die Identifizierung des bestkorrelierten Koeffizientensatzes gibt vorbestimmte Strahlungsparameter an. Die Antennen (26) in der Anordnung (30) können zueinander parallel oder mit einer Vielzahl von Neigungswinkeln zueinander angeordnet sein, um eine Empfindlichkeit gegenüber der Strahlpolarisierung ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsfeldsensor und insbesondere einen Sensor zur Erfassung von einem oder mehreren der Parameter Richtung, Leistung, Frequenz und Polarisation eines einfallenden Mikrowellenstrahls.
Geräte zur Bestimmung solcher Parameter wie Leistung, Richtung, Frequenz oder Polarisation eines Mikrowellensignals bzw. -strahls sind bekannt. Ein solches Gerät enthält eine Anordnung von Mikrowellenhornantennen, die jeweils mit entsprechend Mischern ausgerüstet sind. Die Mischerausgangssignale werden verarbeitet um ein oder mehrere der erforderlichen Einfallsstrahlparameter zu erhalten. Jede Hornantenne hat im allgemeinen eine quadratische Signaleingangsöffnung mit einer Kantenlänge von 5 λ wobei λ die Betriebswellenlänge ist und weitet sich kegelig auf bis auf 10 λ oder mehr am Antennenausgang. Das Ausgangssignal der Antenne wird normalerweise in einen Wellenleiter gespeist und anschließend in ein Koaxialkabel zum Anschluß an die Verarbeitungsschaltungen. Bei 10 GHz, d. h. λ = 3 cm hat jede Hornantenne in der Anordnung wenigstens einen Querschnitt von 15 cm und ein konisches Rohrstück von 30 cm Länge. Die Hornantenne wiegt 1 bis 3 kg, je nach verwendetem Metall, z. B. Messing oder Aluminium. Zur adäquaten Charakterisierung eines 10 GHz-Mikrowellenstrahls würde eine quadratische Anordnung von 9 oder 16 Hornantennen zusammen mit Ausgangswellenleitern usw. verwendet. Eine Neun-Antennen-Anordnung hätte mindestens eine Stirnfläche von 45 × 45 cm und würde sich 30 cm nach hinten erstrecken. Die Ausgangswellenleiter würden sich um weitere 3 cm nach hinten erstrecken. Wenn diese Anordnung in Messing ausgebildet würde, würde diese ungefähr 30 kg wiegen. Das Volumen der Anordnung würde mehr als 6 × 10⁴ cm³ betragen und die Stirnfläche wäre größer als 2 × 10³ cm².
Diese Mikrowellenhornantennenanordnung nach dem Stand der Technik ist für viele Anwendungen zu sperrig und unakzeptabel für die Verwendung in beispielsweise Raketensteuerungssystemen. Eine mögliche Ausführungsform eines Raketensteuerungssystems weist eine Radarstrahlerfassungsvorrichtung auf um die Lokalisierung einer Rakete im Raum bezüglich einer Bodenkontrollstation zu erfassen. Die Raketen bzw. Geschoßkonstruktion erfordert sehr kleine Querschnittsflächen um hohe Raketengeschwindigkeiten zu erreichen. Eine Hornantennenanordnung des oben beschriebenen Typs könnte aus Platzmangel somit nicht an eine übliche Raketenform angepaßt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Vorrichtung zur Bestimmung von Mikrowellenstrahlungsparametern anzugeben.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Der erfindungsgemäße Strahlungsfeldsensor weist auf:

a) ein Substrat mit einer Dipolantennenanordnung und jeweils für jede Antenne zugehörige Mischer;
b) ein dielektrisches Linsenmodul, das dicht benachbart zum Substrat derart angeordnet ist, daß die einzelnen Antennenmittenlagen in der Anordnung den jeweiligen Strahlrichtungen der auf die Linse einfallenden Strahlung entsprechen und wobei die Linsen- und Substratabmessungen sowie die dielektrischen Konstanten so kombiniert sind, daß jede Antenne überwiegend Strahlung einkoppelt, die die Linse passiert hat und
c) eine Signalverarbeitungsvorrichtung, die anspricht auf den Korrelationsgrad zwischen den Ausgangssignalen der Mischer und vorbestimmten Koeffizientensätzen, die bekannten Einfallsstrahlungsparametern entsprechen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß ein Strahl durch ein Koeffizientenanpassungsverfahren gekennzeichnet wird, was eine leicht durchführbare Signalverarbeitung darstellt. Es wird nur eine Eingangsöffnung benötigt, im Gegensatz zu einer Anordnung von Hornöffnungen gemäß dem Stand der Technik und die Öffnung wird durch die Linse definiert. Das Strahlungsmuster das durch den Strahldurchgang durch die Linse erzeugt wird, wird von der Antennenanordnung empfangen und die Form der Strahlung wird mit Hilfe vorbestimmter Koeffizienten bestimmt, die sich aus der Kalibrierung des Sensors mit bekannten Strahlparametern ergeben.
Es ist nicht erforderlich einen oder mehrere der Strahlparameter wie Frequenz oder Phase vorher zu kennen oder unabhängig zu messen um andere Parameter wie Strahlrichtung und/oder Polarisation zu bestimmen.
Die Antennenanordnung kann innerhalb der Linsenbrennweite liegen um eine maximale Empfindlichkeit hinsichtlich der Strahlrichtungsmessung zu erzielen.
Die Signalverarbeitungsvorrichtungen können entsprechende Verstärker, Analog-Digitalwandler (ADC) und Multiplizierglieder für jedes Anordnungsausgangssignal aufweisen. Jedes Multiplizierglied kann so ausgelegt sein, daß es entsprechende digitalisierte Anordnungsausgangssignale mit einem entsprechenden Koeffizienten in jeder der Reihen von Koeffizientensätzen multipliziert, um Produktwerte zu erzeugen. Addierglieder können vorgesehen sein, um die Multipliziergliederausgangsprodukte, die den entsprechenden einzelnen Koeffizientensätzen entsprechen, aufzuaddieren. Die Addierglieder können mit Vergleichern verbunden sein, die so angeordnet sind, daß sie den Koeffizientensatz bestimmen, der die maximale Summe der Multipliziergliederprodukte bestimmt und die zugehörigen Strahlparameter angibt. Die Vergleicher können einen Rechner aufweisen, der die Ausgangssignale der Addierglieder miteinander vergleicht. Die Signalverarbeitungsvorrichtung kann ebenfalls einen Speicher aufweisen, der Koeffizientensätze bei entsprechenden Adressen speichert, wobei die Adressen abgefragt werden, um diese in den Multiplizierer einzugeben. Die Adressen des Speichers können durch einen Zähler abgefragt werden, der in Reaktion auf den Empfang eines Signals durch die Antennenanordung aktiviert wird.
Die Antennenanordnung kann jeweils zur Erleichterung einer dichten Packung paarweise parallel angeordnete Dipole zur Bestimmung der Strahlrichtung und/oder Frequenz aufweisen. Die Anordnung kann alternativ dazu separate Dipole aufweisen, mit verschiedenen Neigungswinkeln relativ zueinander, um eine Meßempfindlichkeit hinsichtlich der Strahlpolarisation zu schaffen. Als eine weitere Alternative kann jeder Dipol von zwei weiteren Dipolen gekreuzt werden, die zueinander schräg sind und jeweils entsprechende Mischerdioden aufweisen, wobei jeder der gekreuzten Dipole vorzugsweise empfindlich auf Strahlung reagiert, die parallel zu seiner Erstreckung verläuft. Um empfindlich gegenüber zirkular polarisierter Strahlung zu sein, kann die Antennenanordnung stattdessen Paare gekreuzter Dipole die im allgemeinen S-förmig sind aufweisen, wobei ein Dipol jedes Paares dem Spiegelbild des anderen entspricht und diese relativ zueinander gedreht sind.
Die Linse und das Substrat können ähnliche dielektrische Konstanten aufweisen, z. B. eine Aluminiumoxidlinse (ϵ = 9,8) kann verwendet werden mit einem Siliziumsubstrat (ϵ = 11,7) oder einem Aluminiumoxidsubstrat. Die Dipole der Antennenanordnung können aus Metall sein, das auf der von der Linse abgelegenen Substratseite niedergeschlagen ist, dabei wirkt das Substrat als eine Verlängerung der Linse, die die Strahlung passiert. Getrennte Detektordioden oder integrierte Schaltungen mit Detektordioden sind mit entsprechenden Metallantennenschichten verbunden. Ein Siliziumsubstrat kann eine integrierte Schaltung, Detektordioden, Niederfrequenzverstärker und Diodenvorspannschaltungen aufweisen. Alternativ kann das Substrat auf beiden Oberflächen Elemente aufweisen, z. B. die Antennendipolschichten können auf einer Seite angeordnet sein und Detektordioden und zugehörige Schaltungen auf der anderen Seite, wobei die Verbindung zwischen den Dioden und den Antennen durch die Substratdicke hindurch erfolgen.
Bei dieser Ausführungsform sind die Antennen zwischen der Linse und dem Substrat geschichtet und die Linse hat eine höhere dielektrische Konstante als das Substrat, um zu bewirken, daß die Strahlungseinkopplung an den Antennen überwiegend durch die Linsen erfolgt. Die dielektrische Konstante der Linse ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die des Substrats. Ein Aluminiumoxidsubstrat kann verwendet werden mit einer Linse aus Bariumnontitanat (Ba₂Ti₉O₂₀, ϵ = 39).
Die Erfindung kann einen Teil eines Leitsystems für ein Geschoß bzw. für eine Rakete sein. Bei dieser Ausführung weist die Antennenanordnung Dipole mit einer Vielzahl von Orientierungen auf um gegenüber der Strahlungspolariation empfindlich zu sein. Der erfindungsgemäße Sensor ist am hinteren Ende der Rakete angeordnet, um Strahlung aus einem Baumwinkelbereich um die Rückwärtsrichtung der Rakete herum zu empfangen. Die Antennenanordnung empfängt polarisierte Signale von einer Kontrollstation, die drei sich überlappende Strahlen aussendet, um Ziele zu erfassen und um die Antennenanordnung mit Empfangssignalen zu versorgen. Jeder Strahl hat einen entsprechenden Modulationscode, der ihn kennzeichnet. Die Signalverarbeitungsschaltung an Bord der Rakete berechnet den Abstand von der Kontrollstation und seine Richtung und Höhe bezüglich der Koordinaten, die durch die übermittelten Strahlrichtungen und Polarisationen definiert werden. Die Strahlungsbündel sind ebenfalls mit Signalen codiert, die geeignet sind Zielpositioniersinformationen an die Rakete weiterzugeben.
Unter Verwendung dieser Information steuert ein Computer in der Rakete dessen Flug um das Ziel zu treffen. Herkömmliche Vorrichtungen für diesen Zweck weisen Gyroskope auf, die teurer und sperriger sind und ferner die Einsatzfähigkeit der Raketen aufgrund ihrer begrenzten Robustheit stark begrenzen.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Mikrowellenempfängereinheit für einen erfindungsgemäßen Sensor;
2 Antennenanordnungen der Einheit gemäß 1;
3 ein Schaltungsdiagramm einer Signalverarbeitungsvorrichtung für die Einheit gemäß 1;
4 bis 9 Strahlungsmuster in der Brennebene der Einheit gemäß 1 wobei der Effekt variierender Richtungen und Frequenzen der einfallenden Strahlung angegeben sind;
10 bis 12 detailliertere Antennenpositionen und Schaltungen zur Verwendung bei einer Einheit gemäß 1;
13 bis 15 Querschnitte durch alternative Mikrowellenempfängereinheiten für einen erfindungsgemäßen Sensor;
16 eine Mikrowellenempfängereinheit zur Erfassung der Polarisation einfallender Strahlung und
17 bis 19 gekreuzte Dipolantennenelemente zur Verwendung in einer Mikrowellenempfängereinheit.
1 bis 3 illustrieren schematisch den Mikrowellenstrahlungsfeldsensor nach der Erfindung. Teile dieser Zeichnung, die mehrfach vorkommen, tragen die selben Bezugszeichen.
1 zeigt eine Mikrowellenempfängereinheit 10 im Schnitt, 2 ist eine Draufsicht auf eine Antennenanordnung 30, die in der Einheit 10 eingebaut ist und 3 ist ein Blockdiagramm der Schaltung 40 zur Verarbeitung von Ausgangssignalen der Anordnung 30. Die Empfängereinheit 10 hat einen modularen Aufbau und enthält Aluminiumoxidlinsenmodule 12, die eine sphärische Oberfläche 14, eine kegelstumpfförmige Fläche 16 und eine ebene Fläche 18 haben. Der halbe Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Oberfläche 16 beträgt etwa 30°. Vorzugsweise sollte der halbe Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Fläche 16 jedoch 50° betragen. Ein scheibenförmiges Substrat aus Aluminiumoxid 20 ist auf der ebenen Linsenfläche 18 angebracht, wobei das Substrat 20 eine ebene Oberfläche 22 hat, die an die entsprechende Fläche der Linse angrenzt. Das Substrat 20 hat eine Rückseite 24, die ebene Metallpolantennen 26 aufweist, von denen zwei gezeigt sind. Jede Dipolantenne 26 hat zwei Schenkel 26a und 26b, die über eine entsprechende Mikrowellendetektordiode 28 verbunden sind. Die Detektordioden 28 sind separate Schottky-Barrieren-Dioden, die mit den Antennen 26 verbunden sind. Die Antennen 26 sind in der Brennebene der Linse 12 (oder mindestens innerhalb der Tiefe des Fokus, d. h. dort wo das Einkuppeln von einfallender Strahlung in die Antenne in einem Bereich von 3 dB unter dem Optimum bis zum Optimum liegt).
Aus verschiedenen Richtungen einfallende parallele Strahlung ist durch Kettenlinien 32 und gepunktete Linien 34 gekennzeichnet und fällt auf die sphärische Oberfläche 14 der Linse ein. Das Licht wird durch die Linse 12 auf die jeweiligen Antennen 26 durch die Dicke des Substrats 20 hindurch fokussiert. Jede Mittenlage einer Antenne in der Linsenbrennebene entspricht einer entsprechenden auf die Linse 12 einfallenden Strahlungsrichtung und das Substrat 14 dient als Verlängerung der Linse.
Wie man aus 2 erkennt, weist die Antennenanordnung 30 14 Dipolantennen 26 (nicht alle mit Bezugszeichen versehen) auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind. Jede Antenne 26 hat eine entsprechende Detektordiode 28, die zwischen ihren Schenkeln – wie in 1 gezeigt – angeschlossen ist. Die Dioden sind in 2 nicht gezeigt, um die Komplexität der Darstellung zu vermindern. Die gezeigten Antennen 26 weisen ein Gitter 36 auf, das in beiden Erstreckungen (vertikal) und azimutal (horizontal) von 40° bis –40° unterteilt ist. Jedes Quadrat, wie bei 38 dargestellt, entspricht somit 10°. Das Gitter 36 stellt das Winkelblickfeld der Linse 12 dar. Die Antennenmittellage auf dem Gitter 36 entspricht einer Strahlung, die aus Richtungen einfällt, die durch die entsprechenden Gitterpositionen angegeben ist. So ist z. B. die unterste Antenne 26 bei –24° vertikal und 0° azimutal zentriert, was die Richtung der auf die Linse 12 einfallende und anschließend zur Mitte der Antenne hin gebrochenen Strahlung angibt. Es versteht sich von selbst, daß in der Praxis Antennen eine begrenzte Strahlweite haben und jede Antenne auf Strahlung aus einem bestimmten Richtungsbereich reagiert.
Niederfrequente Ausgangssignale von Detektordioden 28 werden in die Verarbeitungsschaltung 40 gemäß 3 geleitet. Die Schaltung 40 weist jeweils einen Signalkanal für jede der 14 Antennen 26 auf. Bezugszeichen sind lediglich am obersten Kanal angebracht, um die Komplexizität zu vermindern. Jede Antenne 26 ist mit einem entsprechenden Videoverstärker 42, einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 44 und einem Multiplizierglied 46 verbunden. Jede Diode 28 ist zwischen dem entsprechenden Antennenausgang und der Masse geschaltet. Jeder ADC 44 ist eine sample-and-hold-Vorrichtung, die durch ein Stroboskopsignal aktiviert wird und ein 12-Bit-Signal an das entsprechende Multiplizierglied 46 abgibt. Ein Nurlesespeicher (ROM) 48 ist mit jedem Multiplizierglied 46 verbunden. Der ROM 48 hat jeweils einen 12-Bit-Datenausgang für jeden der Multiplizierglieder 46. Die Datenausgänge sind zusammen mit 52 bezeichnet. Der ROM 48 hat einen 168-Bit-Ausgang, von dem das erste Multiplizierglied 46 die Bits 0 bis 11 erhält, das zweite die Bits 12 bis 23 usw. Jeder 168-Bit-Ausgang entspricht daher einem entsprechendem Satz von 14 12-Bit-Koeffizienten. Der ROM hat einen 8-Bit-Adressenraum, der 256 Koeffizientensätze liefert. Die Ausgänge 52 sind so kombiniert, daß sie einen Koeffizentenbus 54 bilden, der an jedem der Multiplizierglieder 46 angeschlossen ist. Die Ausgangssignale der Multiplizierglieder werden einem ”Addierbaum” zugeführt, der in 4 vertikalen Rängen angeordnete Volladdierer aufweist. Jedes benachbarte Paar von Multipliziergliedern 46 liefert Eingangssignale zu einem jeweiligen Erstrangaddierer 56, von denen es sieben gibt. Die drei obersten Paare von Erstrangaddierern 56 liefern Eingänge zu drei Zweitrangaddierern 58. Ein oberer Drittrangaddierer 60 summiert Signale von dem oberen Paar der Zweitrangaddierer 58 und ein unterer Drittrangaddierer 60 addiert die Signale von den untersten Erst- und Zweitrangaddierern 56 und 58. Ein einzelner Viertrangaddierer 52 addiert die Signale der Drittrangaddierer.
Ausgangssignale von dem Viertrangaddierer 62 werden zu einem Mikroprozessor (μP) 64 geführt, der einen Stroboskopsignalausgang 64a, einen Strahlcharakterisierungsausgang 64b und einen Start/Nullstell-Ausgang 64c aufweist. Der Stroboskopausgang 64a ist mit jedem der ADCs 44 verbunden. Der Start/Rückstellausgang 64c ist mit dem gleichen Eingang eines Zählers 66 verbunden, der über einen Adressenbus 68 mit Adresseneingängen 70 und 72 des Mikroprozessors 64 und des ROMs 48 jeweils verbunden ist.
Der in den 1 bis 3 gezeigte Strahlungsfeldsensor arbeitet wie folgt. Jede Antenne 26 empfängt Mikrowellenstrahlung über die Linse 12 und hat einen entsprechenden Strahl im freien Raum, der einem durch die Linse 12 modifizierten Dipol entspricht, wobei die Linse 12 einen Durchmesser von ungefähr 2,5 Wellenlängen hat. Die von der Antenne 26 empfangene Strahlung wird durch die zugehörige Detektordiode 28 gleichgerichtet. Die Mikrowellenstrahlung wird in Pulsen erzeugt und empfangen, so daß jede Diode 28 einen Puls mit einer niederfrequenten Ölfrequenz in Antwort auf den Empfang des Antennensignals erzeugt. Die Diodenausgangssignale werden durch Verstärker 44 verstärkt, die auf die Modulationsfrequenzen, typischerweise im Bereich von 0,1 bis 10 MHz ansprechen. Diese werden üblicherweise als Videoverstärker bezeichnet.
Der Mikroprozessor 64 hält den Start/Rückstellausgang 64c anfangs auf niedrigem Pegel, wodurch der Zähler 66 auf 0 gestellt wird. Die entsprechende Adresse auf dem Adreßbus 68 ist 0...0. Bei dieser Adresse speichert der ROM 48 vierzehn Koeffizienten, von denen jeder eins in digitaler Form ist, d. h. 0...01. (Es können natürlich einige andere Werte ungleich 0 verwendet werden). Während der Ausgang 64c auf niedrigem Pegel liegt, liefert der Mikroprozessor 64 eine Serie von Stroboskoppulsen zu jedem der ADCs 44. Der Abstand der Stroboskoppulse ist ausreichend groß, um sich der Zeit anzupassen, die erforderlich ist, um Signale durch den Mikroprozessor 64 zu empfangen und zu analysieren.
Jeder Stroboskoppuls löst ein ADC-Sampling und die Abgabe an ein entsprechendes Multiplizierglied 46 zur Multiplikation mit dem Einheitwert aus. Die Ausgangssignale der Multiplizierglieder werden in dem Addiererbaum 56 usw. addiert. Der Ausgangswert des Viertrangaddierers 62 zum Mikroprozessor 64 ist proportional zu dem Strahlungsleistungspegel, der durch die Antennenanordnung 30 empfangen wird aufgrund der Multiplikation der einzelnen ADC-Ausgangswerte mit dem Einheitswert. Dies liefert eine Leistungsmessung.
Der Mikroprozessor 64 liefert Strobskoppulse an die ADCs 44 bis er ein Ausgangssignal vom Addierer 62 erhält, das eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, die einen signifikaten empfangenen Strahlungspegel anzeigt. Die Stroboskoppulse werden dann beendet, wobei jeder ADC 44 auf seinem bestehenden Ausgangswert belassen wird. Der Mikroprozessor 64 schaltet den Start/Rückstelleingang des Zählers 66 auf den hohen Pegel um eine Zählung zu beginnen. Der ursprüngliche Zählwert ändert sich von 0...0 zu 0...01 und die unter der ROM-Adresse 0...01 gespeichert sind werden den entsprechenden Multipliziergliedern 44 zugeführt. Der Viertrangaddierer erzeugt konsequenterweise eine gewichtete Summe von ADC-Ausgangssignalen, wobei die Wichtung durch den Koeffizientensatz erfolgt, der im ROM 48 unter den entsprechenden Adressen gespreichert ist. Die gewichtete Summe wird durch den Mikroprozessor 64 empfangen, der ebenso die entsprechende ROM-Adresse über den Adressenbus 68 empfängt. Der Mikroprozessor 64 vergleicht die gewichtete Summe mit einem bestehenden gespeicherten Wert (ursprünglich 0). Wenn die gewichtete Summe größer als der gespeicherte Wert ist ersetzen die Summe und die entsprechende ROM-Adresse den gespeicherten Wert und dessen im Mikroprozessor ursprünglich gespeicherte Adresse. Der Zähler 66 zählt anschließend in Einheitsschritten jeden der ROM-Adressen durch während die durch die ADCs 44 abgetasteten und gehaltenen Signale unverändert bleiben. Wenn der Zähler 66 alle ROM-Adressen durchgezählt hat stoppt er und wird durch den Mikroprozessor 64 auf 0 rückgestellt. Wenn der Mikroprozessor 64 den maximalen Zählwert oder die letzte ROM-Adresse (256) erhalten hat und wenn er die Vergleichs-/Ersetzungsoperation ausgeführt hat enthält sein interner Speicher die ROM-Adresse, die dem Koeffizientensatz entspricht, der die maximale Summe der Multipliziergliedausgangssignale wiedergibt. Die Adresse des Koeffizientensatzes kann durch den Mikroprozessor 64 ausgegeben werden. Alternativ dazu kann der Mikroprozessor 64 eine interne Nachschlagtabelle aufweisen, in der Parameter der einfallenden Strahlung auf entsprechenden Adressen gespeichert sind und am Ausgang 65 ausgegeben werden wenn sie adressiert werden. Wie im folgenden detaillierter beschrieben wird, kann die Identifizierung der besten Koeffizientenkorrelation verwendet werden, um eine oder mehrere der Parameterpolarisation, Frequenz und Richtung des auf die Anordnung einfallenden Strahls zu messen. Die Koeffizientensätze werden durch eine frühere Kalibrierung der Empfängereinheit 10 erhalten und zu jedem Satz gehören entsprechende Strahlungsmuster, die durch die Antennenanordnung 30 empfangen werden. Die höchste Korrelation, die durch den Mikroprozessor 64 bestimmt wird gibt somit die am nächsten kommende Anpassung an ein vorbestimmtes Strahlungsmuster an. Nach einem passenden Zeitintervall kann der Mikroprozessor 64 ein gepulstes Schalten der ADCs erneut starten um den folgenden Strahlungsverlauf zu charakterisieren.
Die 4, 5, und 6 zeigen Änderungen in der Strahlungsintensität in der Brennebene der Linse 12 (also der Lage der Antennenanordnung) in verschiedenen Strahlungsrichtungen von Strahlung die auf die Linse 12 einfällt. Die Strahlungsintensität und Frequenz ist in allen drei Abbildungen konstat. Die Strahlform ist die normale sogenannte sync²-Funktion, d. h. im Querschnitt geteilt durch das Strahlmaximum ist das Profil in jedem Fall (Sinus x : x) zum Quadrat wobei x ein Maß für das Strahlmaximus ist. In 4 ist ein Strahlmaximum 80 im unteren linken Bereich der Figur zentriert. Die 5 und 6 zeigen Strahlmaxima 82 und 84, die in der Mitte bzw. auf mittlerer Höhe rechts liegen. Die Lagen der Maxima 80, 82 und 84 entsprechen verschiedenen Einfallsstrahlungsrichtungen.
Die 7, 8 und 9 zeigen die Wirkung von Änderungen in der Frequenz der einfallenden Strahlung für zentral (entlang der Ziellinie) auf die Linse 12 und die Antennenanordnung 30 einfallende Strahlung. Die Strahlungsfrequenz steigt von 7 bis 9, was einer sich vermindernden Brechungsmaximusweite entspricht.
Obwohl die 4 bis 9 sich auf Strahlungsmuster in der Linsenbrennebene beziehen, ist es nicht wesentlich, die Antennenanordnung 30 in dieser Ebene anzuordnen. Die Empfindlichkeit bezüglich einfallender Strahlrichtungen wird durch eine Anordnungsplazierung in der Brennebene verbessert. Aber dies ist nicht notwendigerweise für die anderen Parameter wie z. B. die Frequenz der Fall. Es ist erforderlich, daß die einfallende Strahlung ein Muster auf der Antennenanordnung erzeugt, das mit vorbestimmten Mustern assoziiert kann, für die Antennenausgangssignale durch Kalibrieren erhalten wurden. Abweichungen der Lage der Antennenanordnung 30 von der Brennebene und optische Unzulänglichkeiten der Linse 12 oder deren Umgebung oder Abweichungen von dem optischen Ideal werden durch Kalibrierung kompensiert. Im Fall einer Strahlung mit verhältnismäßig kurzer Wellenlänge, die ein Hauptbrechungsmaximum erzeugt, das von einer Antenne empfangen wird, falls die Strahlung auf diese fokussiert ist, ist es vorteilhaft, das System so zu defocussieren, daß das Maximum von mehreren Antennen empfangen wird.
Die Antennenanordnung 30 erzeugt das Mikrowellenäquivalent von einzelnen Pixelsignalen in einem Strahlungsfeld wie es in den 4 bis 9 gezeigt ist. Jede Antenne 26 hat einen entsprechenden Strahlungsstrahl zentriert um eine entsprechende mittlere Richtung von Strahlen, die auf die Linse einfällt. Die Antennenstrahlen überlappen sich notwendigerweise etwas aber jede Antenne 26 empfängt eine entsprechende Strahlungsintensität. Die Antennenanordnung 30 erzeugt somit 14 Meßwerte eines Strahlungsfeldes in der Brennebene der Linse. Dies reicht aus um Strahlungsfeldmuster mit hoher Genauigkeit für die mit Bezug auf 3 beschriebene Signalverarbeitung zu erfassen. Insbesondere wurde eine Ausführung der Erfindung gemäß den 1 und 2 für einen Frequenzbereich von 7 bis 17 GHz erstellt. Es verwendet einen Computer um die in 3 erläuterten Funktionen zu erfüllen. Diese Ausführungsform erwies sich in der Lage, die Richtung der Einfallsstrahlen mit einer Genauigkeit besser als 1% der Strahlweite der Linsen/Antennenkombination zu bestimmen. Diese Genaugigkeit wurde über das Gesichtsfeld der Antennenanordnung 30 durch die Linse 12 beibehalten und ist vergleichbar mit dem eines hochqualitativen Monopulsempfängers, der als Verfolgungsradar verwendet wird. Diese Ausführungsform erwies sich ebenso in der Lage Frequenzen mit einer Genauigkeit bis zu ±0,5 GHz zu messen.
Der erfindungsgemäße Sensor kann so ausgebildet sein, daß er gleichzeitig die Frequenz und die Richtung der einfallenden Strahlung messen kann. Dies macht erforderlich, daß der ROM 48 zweidimensional arbeitet. Dieser würde einen jeweiligen Satz von Koeffizienten für jede Strahlmaximuslage bei jeder Frequenz speichern. Der Zähler 66 würde noch einmal die Koeffizientensätze sequentiell durchzählen oder adressieren. Wo jedoch das die Frequenzen enthaltende Intervall ausreichend schmal ist, kann die Strahlrichtung wie zuvor angegeben bei einer Frequenz in der Mitte des Intervalls bestimmt werden. Die Frequenz wird anschließend durch Korrelation mit Koeffizientensätzen gemessen, die einer konstanten Einfallsstrahlrichtung entsprechend, die jedoch verschiedene Frequenzen haben. Dies würde die für die Korrelierung erforderliche Zeit stark verkürzen. Die Strahlrichtung kann anschließend durch Prüfen des Korrelationsgrades mit den Koeffizientensätzen, die einer konstanten Frequenz und einer Einfallsstrahlrichtung entsprechen, die nahe den ursprünglich bestimmten liegen, überprüft werden. Dies ist eine sukzessive Näherung. Dies erfordert, daß der Mikroprozessor 64 die Steuerung der Adressierung des ROMS 48 nach einer ursprünglichen Strahlrichtungsschätzung übernimmt, so daß ein zusätzlicher Adressenbus erforderlich ist.
10 zeigt eine Konstruktionszeichnung einer Antennenanordnung 30 in der Anordnungsebene etwa 3 mal so groß wie die tatsächliche Größe für eine Mittenfrequenz von 10 GHz. In der vorigen Beschreibung schon erwähnte Teile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Einzelne Antennen 26 sind 1 mm breit und 6 mm lang. Sie werden hergestellt durch Auftragen dicker Goldfilme auf einem Aluminiumoxidsubstrat 20. Die Antennen 26 haben entsprechende Chipdioden 28, die durch Rechtecke angedeutet sind. Jede Diode 28 ist jeweils auf einem Dipolschenkel angeordnet und mit diesem verbunden. Sie ist mit dem jeweils anderen Schenkel durch eine Leitung 90 verbunden. Ein Dipolschenkel einer jeder Antenne 26 ist über eine Leitung wie z. B. 92 geerdet und die Erdverbindung wird im Fall innerer Antennen durch entsprechende äußere Antennen gewährleistet. Der jeweils andere Antennenschenkel jeder Antenne ist mit einem entsprechenden Niederfrequenzsignalausgang wie z. B. bei 94 mit einer Leitung wie z. B. 96 ausgeführt. Die Leitungen 96 von den inneren Antennen verlaufen durch die Mitten entsprechender äußerer Antennen unter den Diode/Antennenleitungen 90 hindurch gegenüber dem diese isoliert sind. Ein Vieleck 98, das einen Kreis annähert, gibt den Umfang des Bereiches der Brennebene der darüber liegenden Linse 12 an, der im wesentliche frei von optischen Verzerrungen ist.
Die Antennenanordnung 30 aus 10 wird durch eine Standard-Dickschicht-Niederschlagstechnik auf einem Aluminiumoxidsubstrat hergestellt. Dickschichtverfahren sind hinreichend bekannt und werden nicht im einzelnen beschrieben.
Die Antennen 26 in der Anordnung 30 sind zueinander parallel ausgerichtet und haben eine maximale Strahlungsempfindlichkeit gegenüber Strahlung die parallel zu ihrer Erstreckung polarisiert ist. Sie haben eine niedrige (theoretisch = 0) Empfindlichkeit gegenüber senkrecht polarisierter Strahlung. 11 ist eine Konstruktionszeichnung einer Antennenanordnung 100, die der in 10 gezeigten entspricht, außer daß es Antennen wie bei 102 einschließt, mit verschiedenen Orientierungen. Die Anordnung 100 weist zwölf Antennen 102 auf, die in inneren und äußeren Ringen angeordnet sind, die gegenüber ihren benachbarten Antennen um 60° geneigt sind. Es sind zwei Antennen weniger vorhanden als bei der entsprechenden Anordnung 30, da es schwierig ist Raum für coplanare niederfrequente Ausgangsleitungen 104 zu schaffen. In anderer Hinsicht ist die Anordnung 100 zu der in 10 gezeigten äquivalent.
Die Antennenanordnung 100 weist vier zueinander parallele Antennen 102 und acht weitere Antennen 102 auf, die in zueinander parallelen Paaren angeordnet sind, die in zueinander parallelen Paaren angeordnet sind, die jeweils gegenüber den verbleibenden zehn Antennen geneigt sind. Unabhängig von der Polarisation der einfallenden Strahlung wird diese mindestens bei acht Antennen 102 einkoppeln. Dies sorgt für eine hinreichende Anzahl von unabhängigen Signalen, um die Richtung, die Polarisation und die Leistung zu bestimmen wie mit Bezug auf 3 beschrieben ist. Die Anordnung 100 ist insbesondere geeignet zur Bestimmung der Richtung und der linearen Polarisation eines Einfallsstrahls.
12 zeigt eine weitere Antennenanordnung 110, die äquivalent zu der Anordnung 30 gemäß 10 ist, außer daß die Anordnung 110 parallele Antennen wie beispielsweise 112, 114, 116 und 118 mit unterschiedlicher Länge aufweist. Die Anordnung 110 ist auf einem Substrat 120 angebracht, das etwa drei mal so groß wie in Wirklichkeit dargestellt ist. Wie bei der Anordnung 30 beträgt die Antennenbreite 1 mm, jedoch die Antennenlänge sind 7,6 mm, 5,8 mm, 4,5 mm und 1,9 mm für die Antennen 112 bis 118. Wie später im einzelnen beschrieben wird, wird die effektive Antennenlänge hinsichtlich des Strahlungsempfangs durch die dielektrischen Konstanten der benachbarten Medien beeinträchtigt. Im vorliegen Beispiel sind die Antennen zwischen Luft (ϵ = 1) und einem Aluminiumoxidsubstrat (ϵ = 9,8) angeordnet, was für die Antennen 112 bis 118 bedeutet, daß diese halbwellenlängenresonant bei Frequenzen von 8 GHz, 10,7 GHz, 13,3 GHz und 16 GHz sind.
Aufgrund der verschiedenen Längen der Antennen 112 bis 118 hängt die an den einzelnen Antennen angekoppelte Leistung von der Frequenz zusätzlich zu der Lage in der Anordnung und der einfallenden Strahlrichtung ab. Bei tieferen Frequenzen unterhalb von 10 GHz erfolgt die Strahlungsein kopplung überwiegendend durch die längste Antrenne 112. Wenn die Frequenz steigt, steigt die Anzahl der einkoppelnden Antennen entsprechend. Die Packungsdichte der gekoppelten Antennen steigt mit der Frequenz.
Die Antennen/Substratanordnung, die mit Bezug auf die 1, 2 und 10 bis 12 beschrieben wurde, ist vorgesehen für die Linse 12 und ein Substrat 20, die aus gleichem Material (Aluminiumoxid) sind und die die gleiche Dielektrizitätskonstante aufweisen. Darüber hinaus erstreckte sich das Substrat zwischen der Linse 12 und der Dioden/Antennenschaltung. Das Substrat 20 wirkte entsprechend als eine Weitererstreckung der Linse 12 und die Antennen 26 waren an einer Seite an Aluminiumoxid (ϵ = 9,8) und auf der anderen Seite an Luft (ϵ = 1) gekoppelt. Für Antennen 26 ist es vorteilhaft, in einer Anordnung 30 dicht gepackt zu sein, um an einem großen Anteil einfallender Strahlungsleistung anzukoppeln unabhängig von der Einfallsrichtung. Es kann gezeigt werden, daß der Mittelpunkt-zu-Mittelpunkts-Abstand benachbarter Antennen (gleicher Länge) etwa 0,5 λ_e betragen soll, um eine gute Kopplungseffizienz für Antennen zu bewirken, die auf einem Substrat angebracht sind, dessen dielektrische Konstante größer als 5 ist. Hier ist λ_ϵ eine effektive Strahlungswellenlänge, die abgeleitet wurde Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften der an die Antenne 26 angrenzenden Medien. Sie ist gegeben durch λe = λo/ne (1)wobei λ₀ die freie Wegwellenlänge und n_e ein effektiver Brechungsindex ist, gegeben durch
ϵ₁ und ϵ₂ sind entsprechende dielektrischen Konstanten der beiden an die Antennenanordnung 30 angrenzenden Medien, z. B. Luft und Aluminiumoxid. Die Resonanzfrequenz f_r für eine Dipolantenne ist so, daß deren Länge L gleich der halben effektiven Wellenlänge λ_e ist, d. h.: fr = c/λene = c/2Lne, (3)wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft bzw. Aluminiumoxid mit ϵ₁ = 1 und ϵ₂ = 9,8 ist, was ergibt n_e = 2,43. Für einen Antennendipol mit 5 mm Länge ist f_r ungefähr 13 GHz. Dies ignoriert die Wirkung eines endlichen Dipolbreiten- zu -längenverhältnisses. Eine Erhöhung dieses Verhältnisses reduziert die Resonanzfrequenz.
In den 13 bis 15 sind alternative Konstruktionen von Linsen/Substratanordnungen zur Verwendung bei Strahlungsfeldsensoren gemäß der Erfindung gezeigt. In 13 sind eine Linse 120, ein Substrat 122 und Antennen 124 wie in 1 angeordnet. Auf der Antennen 124 ist jedoch ein entsprechender integrierter Schaltungschip (IC 126), der eine Detektordiode, eine Diodenvorspannungsschaltung und einen nicht gezeigten Videoverstärker beinhaltet. Der IC-Chip 126 ist leicht zugänglich für eine Verarbeitungsschaltung der in 3 gezeigten Art. In 14 ist eine Linse 130 an einem Siliziumsubstrat 132 befestigt, in der Dioden 134 integriert sind und auf dem Antennen 136 durch planare Metallbeschichtung aufgebracht sind. Das Substrat 132 hat einen hohen Widerstand (ρ ≥ 100 Ohm·cm) um die Strahlungsabsorption, die durch das Substrat strahlt zu verringern. Videoverstärker und deren Vorspannungsschaltungen (nicht gezeigt) sind in dem Substrat integriert. Die aktiven Komponenten (Dioden, Verstärker, Vorspannungsschaltungen) sind in einer Schicht von 1 bis 3 μm Dicke des Substrats 132, angrenzend an der Oberfläche auf der die Antennen angebracht sind, angeordnet. Diese Konstruktionsart ist sehr geeignet Frequenzen von 30 GHz oder mehr. Silizium hat eine dielektrische Konstante von 11,7, was ungefähr mit der von Aluminiumoxid zusammenpaßt, so daß Reflexionen an der Linsen-Substrat-Grenzfläche nicht wesentlich sind. Das Substrat 132 kann alternativ auch aus GaAs sein.
In 15 ist eine Linse 140 und ein Antennenträgersubstrat 142 aus Aluminiumoxid so angeordnet, daß die Antennen 144 auf der Substratoberfläche zwischen der Linse und dem Substrat geschichtet sind. Integrierte Schaltungen 146, die die entsprechenden Detektordioden, Vorspannschaltungen und Videoverstärker (nicht gezeigt) enthalten, sind auf der gegenüberliegenden Seite 148 des Substrats 142 angeordnet. Zwischen den Antennen 144 und den Schaltungen 146 sind plattierte Durchverbindungen 150 auf den Seitenwänden von Durchlöchern durch das Substrat 142 ausgebildet. Das Substrat 142 ist dementsprechend auf beiden Seiten belegt mit den Antennen 144 auf der der Linse 140 gegenüberliegenden Seite und die Schaltung auf der anderen Seite. Dies hat den Vorteil, daß Verbindungen (nicht gezeigt) zu Signalverarbeitungsschaltungen (z. B. ADCs 44 etc. aus 3) auf der Substratfläche angebracht werden können, ohne mit den Antennenmetallmustern in Konflikt zu geraten. Dies erlaubt eine dichtere Antennenpackung und vermeidet Störungen der Antennenstrahlungsmuster durch zusätzliche leitende Spuren in der Antennenanordnungsebene.
Die Erfindung verwendet eine Linse wie z. B. 140, um eine gerichtete Strahlung auf die Dipolantennenanordnung zu führen, die sonst bei Abwesenheit einer Linse im wesentlichen omnidirektional wäre. Die Anordnung gemäß 15 erfordert eine Strahlungseinkopplung auf die Antennenanordnung, die überwiegend über die Linse 140 erfolgt, im Gegensatz zu einer Einkopplung über das Substrat 142. Dies erfordert, daß die dielektrische Konstante der Linse ein Zwei- oder Mehrfaches der dielektrischen Konstante des Substrats zumindest in dem Linsenbereich der an den Antennenbereich angrenzt, beträgt. Ein Aluminiumoxidsubstrat 142 (ϵ = 9,8) kann mit einer Linse 140 aus Barium-nonatitanat-Keramik (Ba₂Ti₉O₂₀, ϵ = 39) verbunden sein. Die Linse 140 kann alternativ eine zusammengesetzte Linse sein mit einem Bereich mit hoher dielektrischer Konstante, der an den Antennenbereich angrenzt und einen Bereich mit niedriger dielektrischer Konstante, der relativ weit von der Antennenanordnung entfernt ist.
16 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform 160 der Erfindung, die geeignet ist zur Erfassung der Strahlungspolarisation. Die Vorrichtung 160 umfaßt eine Linse 162, die an einen dielektrischen Block 164 angrenzt, der entlang einer Diagonale geteilt ist. Die diagonale Teilung umfaßt einen polarisations-selektiven Spiegel 168. Zwei Antennenanordnungsträgersubstrate 170 und 172 sind so angeordnet, daß sie vom Spiegel 168 reflektierte bzw. transmittierte Strahlung aufnehmen. Antennen und Schaltungskomponenten, die mit den Substraten 170 und 172 verbunden sind, sind nicht gezeigt, diese können jedoch wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen angeordnet sein. Die dielektrischen Konstanten der Linse, des Blocks und des Substrats sind so gewählt, daß sie für beide Antennenanordnungen jeweils Strahlung vorzugsweise über die Linse 162 auf die Antennenanordnung einkoppeln. Der Spiegel 168 besteht aus parallelen Metallstreifen (nicht gezeigt), die sich senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Senkrecht zu den Streifen polarisierte Strahlung wird zum Substrat 172 durchgelassen, wohingegen parallel zu den Streifen polarisierte Strahlung zum Substrat 170 reflektiert wird. Strahlung mit einer Polarisation zwischen diesen beiden Lagen wird zum Teil transmittiert und zum Teil reflektiert und wir somit von beiden Substraten 170 bzw. 172 empfangen. Signale von den Antennenanordnungen, die mit den Substraten verbunden sind, können wie mit Bezug auf 3 beschrieben, verarbeitet werden.
Die 17, 18 und 19 zeigen verschiedene zusammengesetzte Antennenstrukturen schematisch, die jeweils alternative Mittel zur Erfassung der Strahlungspolarisation aufweisen. In 17 ist ein Paar orthogonal gekreuzter Antennendipole 180 gezeigt, die jeweils mit einer entsprechenden Diode 182 versehen sind. Die Diodenausgänge sind gleich für zwei verschiedene elektrische Vektorpolarisationen, die gleich mit 45° bezüglich der Dipole geneigt sind.
Diese Polarisationen sind durch Kettenlinien E₁ und E₂ angegeben. Es ergibt sich dementsprechend eine zweifache Zweideutigkeit hinsichtlich der Richtung der Polarisation. Diese Zweideutigkeit kann durch eine in 18 gezeigte Anordnung aufgelöst werden, die drei Antennendipole 190 mit entsprechenden Dioden 192 zeigt. Die Dipole sind gegeneinander um 60° geneigt und liefern zusammen eine einzige Kombination dreier Signale für jede lineare Polarisation einfallender Strahlung.
19 zeigt zwei überlappte und im allgemeinen S-förmige Antennendipole 200 und 202 mit zugehörigen Dioden 204 und 206. Die Antennen 200 und 202 sind zueinander spiegelsymmetrisch und gegeneinander um 90° gedreht. Beide koppeln zirkular polarisierte Strahlung. Die Antenne 200 jedoch koppelt Strahlung, die sich im entgegengesetzten Drehsinn dreht, wie die, an die die Antenne 202 koppelt.
Die Antennenkonfiguration gemäß der 17 bis 19 werden vervielfältigt, um Anordnungen gleicher Bestandteile oder Multipolantennenelemente auf Substraten zu bilden, wie vorher für einzelnen Antennendipole beschrieben wurde. Sie werden mit Signalverarbeitungsschaltungen, wie in 3 ausgeführt, verwendet, bei denen ein ROM 48 erforderlich ist, um einen entsprechenden Satzkoeffizienten für jede Einfallsstrahlrichtung bei jeder Strahlpolarisierung zu speichern. Dies entspricht der Speicherung von Koeffizienten für verschiedene Frequenzen oder zur gleichzeitigen Bestimmung von Lage und Frequenz wie oben beschrieben. Jede einzelne Antenne und jede zugehörige Mischerdiode jedes zusammengesetzten Antennenelements ist mit einem zugehörigen Signalkanal versehen, der einen Videoverstärker 42, ein ADC 44 und ein Multiplizierglied 46 zusammen mit einem Eingang in den ”Addiererbaum” 56 etc. aufweist. Jede Anordnung zusammengesetzter Antennenelemente der in den 17, 18 oder 19 angezeigten Art erfordert dementsprechend mehr Signalkanäle als die entsprechenden oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die Verarbeitungsschaltung 40 aus 3 führt eine Korrelationsoperation aus, um Parameter des Einfallsstrahls zu bestimmen. Einzel verstärkte und digitalisierte Antennensignale werden mit entsprechenden Koeffizienten in jeder Reihe gespeicherter Koeffizientensätze multipliziert entsprechend vorkalibrierter Einfallsstrahlparameter. Die Multiplizierglieder 46 und Addierer 56 usw. können durch einen digitale Korrelatorschaltung bekannter Art ersetzt werden. Die Korrelierungsprozedur ist mathematisch äquivalent einer ”least square fit”-Operation mit ADC-Ausgangssignalen und Kalibrierungskoeffizentensätzen. Die Quadrate der Fehler e_n, die zwischen den ADC-Ausgangssignalen und dem n-ten Satz von Koeffizienten erhalten wird ist gegeben durch
wobei

v_i: = Ausgangssignal für den i-ten ADC 44;
r_ni: = i-te Koeffizient des n-ten Koeffizientensatzes ausgedrückt als ein Bruchteil,
b: = ein zu bestimmender Parameter der proportional zur von der Antennenanordnung empfangenen Leistung ist; und
m: = Anzahl der Antennensignalkanäle.

Die Werte von n und b, die e 2 / n minimieren, sind erforderlich; b bestimmt die empfangene Signalleistung und n bestimmt den Koeffizientensatz, der der besten Anpassung entspricht, wodurch Strahlungsparameter, wie Richtung, Polarisation und/oder Frequenz angegeben werden. Es ist sinnvoll, die Kalibrierungskoeffizienten zu skalieren, um so die Summe der Quadrate der Koeffizienten gleich 1 zu setzen, d. h.
Gleichung 4 kann umgeschrieben werden in:
wenn definiert wird, daß
(Summe der quadrierten ADC-Ausgangssignale) und
(Summe der gewichteten ADC-Ausgangssignale, erzeugt durch den Vierter-Rang-Addierer 62) dargestellt, dann ist e2n = S – 2bxn + b2 (7)
Für jedes gegebene n, e 2 / n in Gleichung (7) ergibt sich ein Minimum, wenn b = x_n. Das Minimum e 2 / n ist gegeben durch e2n = S – x2n (8)
Der Wert von n, der den besten ”least-square-fit” angibt, ist der, für den x_n maximal ist, d. h., wenn das Ausgangs signal des Addiers 62 maximal ist. Entsprechend gibt die mit Bezug auf 3 beschriebene Signalverarbeitungsprozedur den Koeffizientensatz oder Wert n an, der den ”least-square-fit” liefert. Der beste Wert von b ist gleich dem Maximum x_n.
Falls erforderlich, kann die Einstrahlungsleistung aus dem Wert für b = x_n geschätzt werden. Zusätzlich kann die in 3 gezeigte Schaltung 40 modifiziert werden durch Einschalten der Multiplizierglieder 46 derart, daß diese entsprechende ADC-Signale auf beiden Eingängen empfangen und entsprechende Werte von v 2 / n zur Summierung im Addiererbaum einen Wert S liefern. Da der Mikroprozessor 64 x_n bestimmt, kann e 2 / n in Gleichung 8 bestimmt werden. Dieser quadrierte Fehler kann mit einem voreingestellten Wert durch den Mikroprozessor 64 verglichen werden und verworfen werden, wenn er unzureichend gering ist, was eine nicht ausreichende Näherung bedeutet. Dies kann z. B. bei einer Strahlung auftreten, die Signalparameter außerhalb des Bereiches aufweist, für die die vorbestimmten Kalibrierungskoeffizientensätze verfügbar sind.
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um einen Teil eines Raktenführungsssystems zu bilden. Diese Ausführungsform weist eine Antennenanordnung 100 (siehe 11) auf mit Dipolen 102, angeordnet in einer Vielzahl von Orientierungen, um eine Polarisationsempfindlichkeit aufzuweisen. Die Anordnung 100 ist an der Rückseite einer Rakete angeordnet, um Strahlung aus einem Bereich von Raumwinkeln um die rückwärtige Richtung herum empfangen zu können. Eine Radargrundstation übermittelt polarisierte Strahlung für den Empfang durch die Anordnung 100 und zur Bestimmung der Anordnungsorientierun bezüglich der Richtung der Polarisation des Radarstrahls wie oben beschrieben. Nachdem die Anordnung an der Rakete befestigt ist, dient dies ebenso dazu, die Raketen- bzw. Geschoßhöhe relativ zum Radarstrahl zu bestimmen. Dies vermeidet die Notwendigkeit eines Höhenkontrollgyrometers an Bord der Rakete.
Die Bodenstation kann drei oder mehrere überlappende Radarstrahlen senden, die jeweils das Geschoß bzw. die Rakete und ein interessierendes Ziel anstrahlen. Die Strahlenmitten sind im Bereich einer halben Strahlweite voneinander beabstandet. Radarstrahlung, die vom Ziel zurückgeworfen wird, wird von der Bodenstation empfangen, die somit die Zielweite, -höhe und -richtung bestimmt. Die Bodenstation übermittelt anschließend diese Zielinformation an die Rakete durch Codierung bzw. Modulation der Radarstrahlen. Die Strahlen haben ebenfalls verschiedene Modulationscode zu Identifizierungszwecken. Die Rakete empfängt die drei Radarstrahlen und bestimmt der relative Amplituden. Dies bestimmt die Raketenlage bezüglich der Linie zwischen der Bodenstation und dem Ziel. Die Raketenhöhe wird, wie im Zusammenhang zur Bestimmung der Polarisation des transmittierten Radarstrahls besprochen, bestimmt. Nachdem die Lage und Höheninformation erhalten worden sind, kann ein Computer Flugwegkorrekturen berechnen, um einen Zielflug durchzuführen. Eine solche Rakete benötigt keine Bordgyrometer.

Claims

Strahlungsfeldsensor mit einer Anordnung (30) von Antennen (26), jeweils einem entsprechenden Mischer (28), wobei jeder Mischer (28) so ausgebildet ist, daß er hochfrequente Antennensignale mischt und niederfrequente Ausgangssignale erzeugt und mit Signalverarbeitungsvorrichtungen (40) zum Verarbeiten der Ausgangssignale der Mischer (28), dadurch gekennzeichnet, daß a) die Antennenanordnung (30) Dipole (26) aufweist, die auf einem Substrat (20) angeordnet sind, b) eine dielektrische Linse (12) dicht angrenzend an das Substrat (20) angeordnet ist, derart, daß die einzelnen Antennen Mittenlagagen in der Anordnung (30) den Strahlrichtungen der Strahlung (32, 34), die auf die Linse (12) auffällt, entsprechen und die Ausmaße der Linse und des Substrats und die dielektrischen Eigenschaften in Kombination derart sind, daß jede Antenne (26) hauptsächlich eine Strahlung koppelt, die durch die Linse (12) hindurchgeht, und c) die Signalverarbeitungsvorrichtung (40) auf den Grad der Korrelation zwischen den Ausgangssignalen der Mischer und vorbestimmten Sätzen von Koeffizienten anspricht, die bekannten Einfallsstrahlungs-Strahlparametern entsprechen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung (30) innerhalb der Brennweite der Linse liegt.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung (40) einen Verstärker (42) und Analog-Digital-Wandler (44) für jeden Mischer (28), Multiplizierglieder (46) zum Multiplizieren eines jeden Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers mit einem entsprechenden Koeffizienten in jeder Reihe von Koeffizientensätzen, um Produktwerte zu erzeugen, Vorrichtungen (56–62) zum Addieren der Produktwerte und Vorrichtungen (64) zum Bestimmen des Koeffizientensatzes, der die maximale Summe der Produkte und die zugehörigen Strahlparameter bildet, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Antennen (26) zueinander parallel angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antenne (102) mindestens bezüglich einigen anderen Antennen (102) in der Anordnung (100) schräg angeordnet ist, um eine Empfindlichkeit gegenüber der Polarisation der einfallenden Strahlung zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antenne (190) mit zwei weiteren Antennen (190) überlappt ist, die gegenüber den ersten schräg angeordnet sind, mit einem Winkel von im wesentlichen 60°.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (12) und das Substrat (20) ähnliche oder gleiche dielektrische Konstanten haben und die Linse (12) so angeordnet ist, daß sie Strahlung in die Antennenanordnung (30) über die Substratdicke hindurch einkoppelt.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischerdioden (28) in das Substratmaterial integriert sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (144) zwischen dem Substrat (142) und der Linse (140) geschichtet und mit der Schaltung (146) über Verbinder verbunden sind, die durch die Schichtdicke verlaufen.