DE4230252A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer breitbandigen phasengesteuerten Gruppenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Be­ treiben einer breitbandigen phasengesteuerten Gruppenan­ tenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine phasengesteuerte Gruppenantenne besteht aus mehreren, im allgemeinen matrixförmig angeordneten Einzelantennen, die als Sende- und/oder Empfangsantennen ausgebildet sind. Wird nun beispielsweise an diese Einzelantennen ein ge­ meinsames Sendesignal gelegt, so ist die Richtung des von der Gruppenantenne ausgesandten Sendesignales (Sendekeule) von den zwischen den Einzelantennen eingestellten elektri­ schen Phasendifferenzen abhängig. Entsprechendes gilt für die sogenannte Empfangskeule der Gruppenantenne beim Emp­ fang elektromagnetischer Signale.

In einigen Anwendungsfällen, z. B. in der Richtfunk- und/oder Radartechnik, ist es erforderlich, die Sende- und/oder Empfangskeule schwenkbar zu gestalten. Die dafür erforderliche Veränderung der Phasendifferenzen wird mit einstellbaren Phasenstellgliedern vorgenommen. Weiterhin ist es oftmals erforderlich, die Gruppenantenne möglichst breitbandig zu gestalten, so daß in einem möglichst breitem Sende- und/oder Empfangsband gesendet und/oder empfangen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Schaltungsanordnung anzugeben, die es ermöglicht, mit einem kostengünstig herstellbarem und genau einstellbarem Phasenstellglied die Herstellung einer möglichst breitban­ digen Gruppenantenne mit einer hochgenau schwenkbaren Sende- und/oder Empfangskeule zu verwirklichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Phasenstellglied verwendet wird, das im wesentlichen auf eine Frequenz abgestimmt ist. Ein solches Phasenstellglied ist kostengünstig und zuverlässig herstellbar insbesondere in einer industriellen Massenfertigung und besitzt in re­ produzierbarer Weise eine hohe Phasen- und Amplituden­ genauigkeit.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß beim Verstellen des Phasenstellgliedes möglicherweise entstehende Amplitu­ denänderungen allenfalls vernachlässigbare Veränderungen der Sende- und/oder Empfangskeule bewirken.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Sende- und/oder Empfangskeule (Richtcharakteristik) der Gruppenantenne hochgenau und mit einem hohem Haupt- zu Nebenzipfelver­ hältnis eingestellt werden kann und daß diese Einstellung im wesentlichen im ganzen Schwenkbereich der Sende- und/oder Empfangskeule erhalten bleibt.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß mit einer einzigen Gruppenantenne mehrere Sende- und/oder Empfangskeulen un­ abhängig voneinander schwenkbar sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Fi­ guren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vorgeschlagene Schaltungsanordnung mit einen breitbandig arbeitenden Phasenstellglied;

Fig. 2-5 Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt eine vorgeschlagene Schaltungsanordnung, die mit einem breitbandig arbeitenden Phasenstellglied arbei­ tet, die in monolithischer Technologie herstellbar ist und die insbesondere zum Betreiben einer aktiven (Sende- und/oder Empfangs-) Einzelantenne geeignet ist. Eine sol­ che aktive Einzelantenne besteht aus einer passiven Sende- und/oder Empfangseinzelantenne, die auf das zu sendende und/oder zu empfangende Frequenzband, z. B. den Frequenzbe­ reich von 11 GHz bis 13 GHz, abgestimmt ist. An diese ist in unmittelbarer räumlicher Nähe ein Sende- und/oder Emp­ fangsverstärker angekoppelt. Eine solche beispielhaft an­ gegebene aktive Einzelantenne kann an den im folgenden mit P4 bezeichneten Ein-/Ausgangsport angeschlossen werden.

Zur Erläuterung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird angenommen, daß an dem weiteren Ein- /Ausgangsport P1 ein zu sendendes Signal in einem ersten Zwischenfrequenzbereich, der z. B. eine Mittenfrequenz von 3 GHz und eine Bandbreite von 2 GHz besitzt, anliegt. Die­ ses Zwischenfrequenzsignal gelangt über ein daran ange­ paßtes Bandpaßfilter BPZF auf einen Eingang eines ersten Mischers M1, der z. B. als bidirektionaler Mischer, z. B. als Diodenmischer, ausgebildet ist. An einem weiteren Ein­ gang des ersten Mischers M1 liegt ein von einem Oszillator OSC erzeugtes Oszillatorsignal an, das z. B. eine Frequenz von 9 GHz besitzt. In dem ersten Mischer M1 erfolgt eine sogenannte Aufwärtsmischung, so daß ein Signal in dem be­ reits erwähnten ersten Zwischenfrequenzbereich entsteht. Dieses Signal gelangt über ein daran angepaßtes weiteres Bandpaßfilter BPA und ein Phasenstellglied PH an den be­ reits erwähnten Ein-/Ausgangsport P4 und kann an eine ak­ tive Einzelantenne angeschlossen werden.

Das Oszillatorsignal wird über eine Verzweigung VER weite­ ren Sende-/Empfangsmodulen zur Verfügung gestellt, damit die Phasenkohärenz gewährleistet ist. Dieses ist in Fig. 1 durch die von der Verzweigung VER ausgehenden Verbindungs­ linien dargestellt.

Die Schaltungsanordnung ist auch in umgekehrter Richtung nutzbar, daß heißt, aus einem an dem Ein-/Ausgangsport P4 anliegendes Empfangssignal wird durch eine sogenannte Ab­ wärtsmischung in dem ersten Mischer M1 in den ersten Zwi­ schenfrequenzbereich umgesetzt und liegt dann zur Weiter­ verarbeitung an dem Ein-/Ausgangsport P1 an.

Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß das Pha­ senstellglied PH sehr breitbandig sein muß, das heißt zu­ mindest den ganzen Frequenzbereich der Sende- bzw. Empfangsfrequenz umfassen muß. Außerdem sollte bei der Verstellung des Phasenstellgliedes PH eine hohe Amplitu­ den- und Phasengenauigkeit erreicht werden. Diese Forde­ rungen sind gleichzeitig allenfalls mit einem hohen Ko­ stenaufwand zu erfüllen und erfordern einen hohen Schal­ tungs- und Raumbedarf für das Phasenstellglied PH. Weiter­ hin ist ein hoher Aufwand für die Kalibrierung, d. h. die Kompensation möglicher Phasen- und Amplitudenfehler in den Einzelmodulen nötig.

Diese Nachteile sind vermeidbar durch eine Schaltungsan­ ordnung entsprechend Fig. 2. Diese unterscheidet sich von derjenigen entsprechend Fig. 1 dadurch, daß das Phasen­ stellglied PH im Oszillatorpfad angeordnet ist. Ein dem Phasenstellglied PH nachgeschalteter Verstärker V dient lediglich zur Impedanzanpassung und/oder zur Entkopplung der Signale sowie zur Erzeugung der notwendigen Leistung zur Ansteuerung des Mischers M1. Diese scheinbar geringfü­ gige Änderung hat jedoch erhebliche Vorteile. Denn das Phasenstellglied braucht vorteilhafterweise nur noch auf eine Frequenz, nämlich die Oszillatorfrequenz abgestimmt werden. Ein solches Phasenstellglied PH kann z. B. als schaltbare Filterstruktur gemäß Fig. 5 ausgebildet sein. Ein derartiges Phasenstellglied hat notwendiger Weise min­ destens einen Phasenhub von 360°. Weiterhin wirken sich bei einer Phasenverstellung möglicherweise entstehende Am­ plitudenänderungen der Amplitude des Oszillatorsignals al­ lenfalls vernachlässigbar aus, da während der Mischung in dem ersten Mischer M1 notwendigerweise eine Amplitudenbe­ grenzung vorhanden ist.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der im Oszilla­ torpfad kein Phasenstellglied PH entsprechend den Fig. 2 und 5 benötigt wird. Das dem ersten Mischer M1 zuge­ führte Oszillatorsignal wird ebenfalls durch eine Mischung erzeugt. Dazu wird in dem Oszillator OSC ein Signal z. B. mit einer Frequenz von 6 GHz erzeugt. Dieses wird einem ersten Eingang eines zweiten Mischers M2, der z. B. eben­ falls ein Diodenmischer ist, zugeführt. Weiterhin wird das Signal des Oszillators OSC auch allen anderen aktiven Sende/Empfangsmodulen zur Verfügung gestellt, damit die Phasenkohärenz gewährleistet ist. Der Synthetisierer DDS erzeugt ein Signal, z. B. bei einer fest Frequenz von 3 GHz, das an die Frequenz und die Phase eines von einem Re­ ferenz-Oszillator REF ausgesandten Signals gekoppelt ist. Dieses Signal ist allen S/E-Modulen gemeinsam (Kohärenz). Das von dem Synthetisierer DDS erzeugte Ausgangssignal wird an einen zweiten Eingang des zweiten Mischers M2 ge­ legt. An dessen Ausgang entsteht dann das eigentliche Os­ zillatorsignal, das z. B. eine Frequenz von 9 GHz besitzt. Aufgrund dieser Mischung ist daher dieses eigentliche Os­ zillatorsignal in weiten Grenzen sowohl in der Frequenz, z. B. von 8 GHz bis 10 GHz, als auch in der Phasenlage, hochgenau veränderbar. Dieses eigentliche Oszillatorsignal wird dann über ein Bandpaßfilter BPOS sowie einen (Trei­ ber-)Verstärker V dem ersten Mischer M1 zugeführt.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 ermöglicht in vor­ teilhafter Weise eine genau wiederholbare und schnelle Einstellung der Frequenz- und der Phasenlage des eigentli­ chen Oszillatorsignals, z. B. mit Hilfe einer nicht darge­ stellten Datenverarbeitungsanlage (Mikroprozessor), durch welche z. B. der Synthetisierer DDS und der Oszillator OSC verstellt wird. Mit einer solchen Schaltungsanordnung ist z. B. ein schneller Wechsel der Frequenz des eigentlichen Oszillatorsignals möglich, so z. B. ein sogenannter Multibeambetrieb im Zeitmultiplexbetrieb möglich ist.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer einzigen (aktiven) Einzelantenne EA mit beispielsweise drei verschiedenen Zwischenfrequenzsignalen ZF1 bis ZF3, die sich durch ihre Mittenfrequenz unterscheiden und die an den Eingängen P1 bis P3 anliegen. Diese Zwischenfrequenzsignale gelangen über zugehörige Bandpaßfilter BPZF 1 bis BPZF 3 an erste Eingänge der ersten Mischer M11 bis M13. An deren zweiten Eingängen (Oszillatoreingängen) liegen nun Oszillatorsignale OS 1 bis OS 3 an, die von dem Ausgangssignal eines einzigen Os­ zillators OSC abgeleitet sind. Die Oszillatorsignale OS 1 bis OS 3 besitzen daher alle dieselbe Frequenz, jedoch un­ terschiedliche Phasenlagen, die durch die Phasenstellglie­ der PH 1 bis PH 3 einstellbar sind. Die Verstärker V 1 bis V 3 dienen, entsprechend Fig. 2, zur Entkopplung und Ver­ stärkung der Signale. Die Ausgangssignale der ersten Mi­ scher M 11 bis M 13 gelangen über zugehörige Bandpässe BPA 1 bis BPA 3 auf ein Koppelglied KO, z. B. eine aus mehreren Kopplern bestehende Verzweigungsanordnung. An dessen Aus­ gang P4 ist die Einzelantenne EA angeschlossen.

Die beschriebene Schaltungsanordnung besteht also aus ei­ ner Kopplung mehrerer, hier drei, Schaltungsanordnungen ge­ mäß Fig. 2 an eine Einzelantenne EA. Werden nun mehrere derart angesteuerte Einzelantennen zu einer eingangs er­ wähnten Gruppenantenne zusammengefaßt, so kann diese vor­ teilhafterweise gleichzeitig mit drei verschiedenen Sende- und/oder Empfangskeulen betrieben werden. Diese sind vor­ teilhafterweise völlig unabhängig voneinander und können daher z. B. in drei verschiedenen Richtungen gleichzeitig senden und/oder empfangen. In diesem Fall ist lediglich eine einmalige Einstellung der Phasenstellglieder erfor­ derlich. Eine solche Gruppenantenne ist z. B. als Richtfun­ kantenne verwendbar, mit der gleichzeitig in drei ver­ schiedene fest eingestellte Richtungen unabhängig vonein­ ander gesendet und/oder empfangen werden kann, sofern die ersten Mischer M 11 bis M 13 als bidirektionale Mischer ausgebildet sind.

Werden diese dagegen zeitabhängig verändert, so ist z. B. ein voneinander unabhängiges Schwenken der beispielhaft erwähnten drei Sende- und/oder Empfangskeulen möglich. Mit einer solchen Gruppenantenne, die als Radarantenne ausge­ bildet ist, kann z. B. ein vorgebbarer Raumbereich mit von­ einander unabhängigen Antennenkeulen (Richtdiagrammen) in verschiedenen Frequenzbereichen überwacht werden.

Es ist ersichtlich, daß das Beispiel gemäß Fig. 4 wahl­ weise auch auf eine andere Anzahl von unabhängigen Mischa­ nordnungen abwandelbar ist.

In dem Beispiel entsprechend Fig. 4 werden Mischanordnun­ gen entsprechend Fig. 2 verwendet. Alternativ dazu ist eine Verwendung von Mischanordnungen entsprechend Fig. 3 möglich. In diesem Fall werden insbesondere für eine Ra­ daranlage, bedingt durch die Verwendung von digitalen Syn­ thetisierern DDS, sehr hohe Phasenauflösungen, z. B. <1°, möglich sowie ein hochgenaues sogenanntes Nulling des An­ tennendiagramm. Das bedeutet, daß allenfalls vernachläs­ sigbare Nebenzipfel vorhanden sind, so daß eine hervorra­ gende Störsignalunterdrückung erreicht wird. Eine derart ausgerüstete Radaranlage ist daher vorteilhaft in sehr vielseitiger Weise einsetzbar.

Durch die dezentrale Anordnung, daß heißt jeweils ein di­ gitaler Synthetisierer pro Einzelantenne, kann die weitere Signalverarbeitung, insbesondere diejenige des empfangenen Signals, vorteilhafterweise wesentlich vereinfacht werden. Beispielsweise kann der vorhandene ansonsten sehr aufwen­ dige Signalprozessor durch eine kostengünstigere Ausfüh­ rung ersetzt werden.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen insbe­ sondere bei mit hohen Frequenzen, z. B. 12 GHz, arbeitenden Radaranlagen in unmittelbarer räumlicher Nähe einer (Einzel-)Antenne eine vorteilhafte Frequenzumsetzung in eine niedrigere ZF-Frequenzlage, z. B. 3 GHz. Dadurch wird die weitere Signalverarbeitung, z. B. Aufbereitung von Sende- und/oder Empfangssignalen, stark vereinfacht, denn störende Auswirkungen von möglicherweise vorhandenen Pha­ senfehlern treten allenfalls in vernachlässigbarer Form auf. In der niedrigen ZF-Frequenzlage ist vorteilhafter­ weise eine kostengünstigere Herstellung der erwähnten Si­ gnalverarbeitungsanlage möglich, da die benötigten Bauele­ mente sowie Baugruppen kostengünstiger sind.

Derartige Schaltungsanordnungen sind vorteilhafterweise monolithisch auf einem Chip integrierbar, so daß räumlich kompakte und mechanisch robuste Baueinheiten herstellbar sind, die zuverlässig und reproduzierbar arbeiten.

Fig. 5 zeigt Ausführungsbeispiele für ein Phasenstellglied PH (Fig. 2, Fig. 4), das für eine Frequenz von 5 GHz bis 6 GHz und einen Phasenhub von 360° geeignet ist und das außerdem monolithisch integriert werden kann. Die Ausführungsbeispiele zeigen geschaltete Filterstrukturen (linker Teil der Fig. 5), die Feldeffekttransistoren ent­ halten und damit sowohl als Hochpaß HP als auch als Tief­ paß LP verwendbar sind. Die Umschaltung erfolgt durch Schaltspannungen U₁, U₂. Im rechten Teil der Fig. 5 sind die zugehörigen Funktionsprinzipien dargestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer breitbandigen phasengesteuerten Gruppenantenne, die aus mehreren breit­ bandigen Einzelantennen besteht, wobei an jede Einzelan­ tenne ein zugehöriges Antennensignal anlegbar ist und wo­ bei sich bei benachbarten Einzelantennen diejenigen Anten­ nensignale, die zu einer Frequenz gehören, durch eine Pha­ sendifferenz unterscheiden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeder Einzelantenne eine Mischeranordnung, zu­ mindest bestehend aus einem Mischer (M1), der mit jeweils einem Ende eines Zwischenfrequenzpfades (P1, BPZF, M1), eines Oszillatorpfades (OSC, PH, V, M1) sowie eines Antennenpfades (M1, BPA, P4) verbunden ist, zugeordnet ist,
• - daß in der Mischeranordnung eine Amplitudenbegren­ zer-Schaltung vorhanden ist und
• - daß im Oszillatorpfad (OSC, PH, V, M1) ein ent­ sprechend der Phasendifferenz einstellbares Pha­ senstellglied (PH) vorhanden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Phasenstellglied (PH) mindestens eine geschaltete Filterstruktur enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Phasenstellglied (PH) vorhanden ist, zu­ mindest bestehend aus

• - einem zweiten Mischer (M2), dessen erster Eingang mit dem Oszillator (OSC) des Oszillatorpfades ver­ bunden ist und dessen Ausgang an den Oszilla­ toreingang des ersten Mischers (M1) ankoppelbar ist, und
• - einem Hilfsoszillator (DDS), der an den zweiten Eingang des zweiten Mischers (M2) angeschlossen ist und dessen Frequenz- und Phasenlage einstellbar und mit denjenigen als Os­ zillators (OSC) gekoppelt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hilfsoszillator (DDS) als digitaler Syn­ thesizer ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mehrere Zwischenfrequenzpfade vorhanden sind;
• - daß zu jedem Zwischenfrequenzpfad eine Mischanord­ nung vorhanden ist;
• - daß die Oszillatorpfade der Mischanordnungen zu­ sammengefaßt und an einen Oszillator (OSC) ange­ schlossen sind und
• - daß die Antennenpfade der Mischanordnungen über ein Koppelglied (KO) zusammengefaßt sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Mischer (M1) als bidirektionaler Mischer ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischanordnung als monolithische Schaltungsanordnung ausgebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne als Radarantenne ausgebildet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne als Richtfunkantenne ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne für einen Multifrequenzbetrieb ausgelegt ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zwischenfre­ quenzen für den Radarbereich ausgelegt ist.