DE4341295A1 - Vorrichtung und Verfahren zur elektronischen Strahlschwenkung mit mehreren bündelnden Antennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektronischen Strahlschwenkung bei Antennengruppen. Da­ bei kann es sich sowohl um über Richtstrahlnetzwerke zusam­ mengefaßte Einzelantennen handeln als auch um Gruppen bün­ delnder Einzelantennen, wie z. B. LP-, Yagi- oder Horn-Anten­ nen. Falls es sich um Einzelantennen mit Rundcharakteristik handelt, werden diese vorzugsweise kreisförmig angeordnet sein. Bei Antennen mit Richtcharakteristik sind sowohl linear als auch nichtlinear angeordnete Gruppen denkbar. Der Anschaulichkeit halber wird das Verfahren anhand einer Kreisgruppe aus Einzelantennen beschrieben.

Es ist bekannt, daß bei Kreisgruppenantennen für den HF-, VHF- und UHF-Bereich für die Peilung mechanische, rotierende Goniometer verwendet werden. Dabei steht auf dem Stator für jede Antenne je ein Anschluß zur Verfügung. Auf dem Rotor wird in einem oder mehreren Richtstrahlnetzwerken eine An­ zahl von benachbarten Antennenspannungen kapazitiv ausgekop­ pelt und zusammengefaßt, d. h. die Spannungen werden addiert und die durch die kreisförmige Anordnung entstehenden Lauf­ zeitdifferenzen durch Laufzeitglieder ausgeglichen. Die Aus­ gangsspannung des Richtstrahlnetzwerkes wird über Schleifringe ausgekoppelt und in einem Peilempfänger mit Sichtrohr angezeigt.

Es entsteht eine rotierende Antennenkeule, die in Verbindung mit einem Referenzsignal zur Richtungsbestimmung benutzt wird. Aufgrund seiner mechanischen Trägheit rotiert das Go­ niometer i.a. mit konstanter Umdrehungszahl, z. B. 10 U/sec. Drehzahländerungen sind nur bedingt, verzugslose Richtungs­ änderungen der Keule gar nicht möglich.

Ein ganz wesentlicher Nachteil derartiger Goniometer besteht unter anderem auch darin, daß die technische Realisierung für Frequenzen oberhalb ca. 200 MHz zunehmend problemati­ scher wird.

Diese Nachteile können durch elektronische Goniometer ver­ mieden werden.

Hierfür sind zwei Lösungsansätze bekannt. Bei der analogen Version wird das mechanische Goniometer durch elektronische Bauteile nachgebildet. Nachteilig ist der große Aufwand an elektronischen Bauteilen und die damit verbundene Ausfall­ wahrscheinlichkeit.

Bei der digitalen Lösung wird die Frequenz der Ausgangsspan­ nung jeder Antenne in einem Vorverstärker/Mischer auf eine geeignete Zwischenfrequenz herabgesetzt und diese ZF-Span­ nung in einem A/D-Wandler digitalisiert. Die Richtungsbe­ stimmung erfolgt per Software in einem geeigneten Rechen­ werk. Der Nachteil der letztgenannten Lösung besteht eben­ falls in dem hohen Aufwand, da mindestens jedem Einzelricht­ strahl (Keule) ein eigener Empfangskanal mit den in der Peiltechnik allgemein bekannten strengen Forderungen an Amplituden- und Phasengleichlauf zugeordnet werden muß.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrich­ tung zur elektronischen Strahlschwenkung zur Verfügung zu stellen, die auf der HF/VHF/UHF-Ebene arbeitet, die vorher genannten Nachteile nicht aufweist und eine verzugslose Richtungsänderung des Richtstrahls ermöglicht, praktisch frequenzunabhängig in Frequenzbereichen von MHz bis GHz ein­ gesetzt werden kann und darüber hinaus eine Anpassung an die Einzelrichtdiagramme gestattet.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird aus jeweils mehreren benachbarten Antennen z. B. einer Antennengruppe in bekannter Weise mittels eines Netzwerkes ein Richtstrahl gebildet. Durch Einsatz von Leistungsteilern kann jede Einzelantenne an mehreren Richtstrahlen (Keulen) beteiligt sein. Dadurch können bei einer Antennengruppe, vorzugsweise einer Kreis­ gruppe, N Richtstrahlen erzeugt werden, wobei N vorzugsweise eine gerade Zahl ist (Fig. 1). In einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform handelt es sich dabei um eine Gruppe von N bün­ delnden Einzelantennen. Diese Richtstrahlen werden von 1 bis N durchnumeriert und die Ausgangsspannungen der Richtstrahl­ netzwerke an eine Schaltmatrix-Anordnung mit zwei Schaltma­ trizen mit je N/2 Eingängen und einem Ausgang, getrennt nach geradzahligen und ungeradzahligen Keulen, angeschlossen, so daß die Signale benachbarter Keulen nicht an die gleiche Schaltmatrix angeschlossen sind. Die Ausgangsspannungen der beiden Schaltmatrizen mit je N/2 Schaltern werden über Dämp­ fungsglieder geführt, addiert und in einem Peilempfänger weiter verarbeitet. Sowohl die Schalter auch auch die Dämp­ fungsglieder sind elektronische Bauteile und entsprechend gesteuert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform bei einer Antennenkreisgruppe,

Fig. 2a-2d die Bewegung eines Richtstrahls in der Antennen­ kreisgruppe gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform ermit­ telte Richtdiagramme.

Die Funktionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können im einzelnen anhand von Fig. 1 erläutert werden. Von N vorhan­ denen Antennenkeulen sind die geradzahligen an die linke Schaltmatrix 22 und die ungeradzahligen an die rechte Schaltmatrix 24 angeschlossen. In der Darstellung sind die Keulen 3 und 4 aktiv, d. h. die zugehörigen Schalter werden geschlossen und die resultierende Keule soll im Uhrzeiger­ sinn geschwenkt werden. Zu Beginn dieses Vorganges stehen die Regler der Dämpfungsglieder (zur Veranschaulichung sche­ matisch dargestellt) am rechten Anschlag, so daß von Keule 3 die maximale und von Keule 4 keine Spannung auf die Addi­ tionsstufe gelangt.

Mit der gewünschten Umlaufgeschwindigkeit werden nun die Regler vom rechten zum linken Anschlag bewegt (Fig. 2a-c), so daß in der Mittelstellung von beiden Keulen (Fig. 2b) gleich große Spannungsanteile addiert werden und am linken Anschlag die Spannung von Nr. 4 maximal und Nr. 3 gleich Null (Fig. 2c) ist.

Zu diesem Zeitpunkt wird Schalter 3 geöffnet und Schalter 5 geschlossen (Fig. 2d), und der gleiche Vorgang wiederholt sich für Keule 4 und 5, nach dessen Abschluß Schalter 4 ge­ öffnet und Schalter 6 geschlossen wird usw.

Gleichzeitig bedeutet das, daß zwischen zwei aufeinanderfol­ genden Schaltvorgängen der Richtstrahl im Azimut kontinuier­ lich von Stellung α₁ nach α₂ geschwenkt wurde (Fig. 3). In dieser Darstellung sind die nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren berechneten Richtdiagramme einer Antennenkreisgruppe dargestellt. Jede Keule entsteht durch Zusammenfassung von 12 Einzelstrahlern, der Winkel zwischen zwei benachbarten Keulen ist 10°. Die Diagramme wurden für eine Frequenz von 3,5 MHz berechnet, die Elevation ist 50°. Um in der Phase des Übergangs von α₁ nach α₂ eine genaue Richtungsbestimmung durchführen zu können, ist die Kenntnis des frequenzabhängi­ gen Antennendiagramms erforderlich. Ebenso darf, um ein op­ timales Summendiagramm zu erhalten, die Änderung der Dämp­ fung in den beiden Gliedern nicht proportional, sondern muß in Abhängigkeit von dem bekannten Einzelrichtdiagramm erfol­ gen. Der gleiche Vorgang kann natürlich auch entgegen dem Uhrzeigersinn ablaufen, ebenso ist ein verzugsloses Springen in beliebige Azimutpositionen möglich. Grundsätzlich ist die Umlaufgeschwindigkeit nur durch den maximal möglichen Takt der Steuerelektronik begrenzt, tatsächlich wird die Ober­ grenze jedoch durch die Bandbreite, d. h. die Einschwingzeit des Peilempfängers vorgegeben. Ebenfalls ist in Abhängigkeit von Umlaufgeschwindigkeit und Laufzeit, um "Schleppfehler" zu vermeiden, im Empfänger eine Korrektur des Peilwertes durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zweifach angeord­ net werden. Dann werden gleichzeitig zwei sich überlappende schwenkbare Richtdiagramme aufgenommen und als Differenz­ schaltung dem Empfänger zugeführt. Die Vorrichtung kann auch zwei separate Empfangskanäle aufweisen, wobei die Differenz­ bildung der Richtdiagramme erst am Empfängerausgang erfolgt.

Die Erfindung sieht ausdrücklich auch die Möglichkeit vor, in der Art eines Monopulsverfahrens lediglich einen beliebig vorgebbaren Teilsektor zu überwachen, wobei unter Berück­ sichtigung der jeweiligen Richtdiagrammform(en) zur Verbes­ serung der Peilschärfe und/oder zur Erzielung einer ge­ wünschten Azimutabhängigkeit die Einstellung der Dämpfungs­ glieder über die sonst angewandte Gewichtung eine zusätzlich überlagerte Gewichtung vorgenommen wird.

Erfindungsgemäß wird für die Vorrichtung eine gerade Anzahl von Richtstrahlen empfohlen. Selbstverständlich könnte vom Prinzip her auch von einer ungeraden Zahl von Richtstrahlen ausgegangen werden, wobei sich allerdings dann der Aufwand vergrößert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur elektronischen Strahlschwenkung mit meh­ reren bündelnden Antennen (10₁, 10₂, . . . 10 _N), gekenn­ zeichnet durch die Kombination

• a) einer Schaltmatrix-Anordnung (20), der die Signale aller Antennen (10₁, 10₂, . . . 10 _N) zugeführt werden und die mindestens jeweils die Signale von zwei be­ nachbarten Antennen durchschaltet,
• b) eine Amplitudengewichtungseinrichtung (30), die die Amplituden der durchgeschalteten Antennensignale entsprechend einer gewünschten Strahlschwenkung quasi kontinuierlich gewichtet, und
• c) einer Summiereinrichtung (40), die die gewichteten Antennensignale summiert und einem Peilempfänger zu­ führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmatrix-Anordnung (20) zwei Schaltmatrizen (22, 24) aufweist, die jeweils N/2 Eingänge und einen Ausgang aufweisen und getrennt mit geradzahligen (10₂, 10₄ . . . ) bzw. ungeradzahligen (10₁, 10₃ . . . ) Antennen verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Amplitudengewichtungseinrichtung (30) min­ destens zwei Amplitudensteller (32, 34) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vorgenannte Vorrichtung zweimal vor­ handen ist, so daß gleichzeitig zwei sich überlappende, schwenkbare Richtdiagramme gebildet werden, deren Sig­ nale in Differenz geschaltet dem Empfänger zugeführt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate Empfangskanäle vorge­ sehen werden, und die Differenzbildung der Signale erst am Empfängerausgang vorgenommen wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine über mehrere Einzelricht­ strahlen hinausgehende, insbesondere den gesamten Azi­ mutbereich überstreichende Strahlschwenkung, die Anten­ nenweiterschaltung in der jeweiligen Schaltmatrix (20) ohne Rückstellung der zugehörigen Amplitudensteller (32, 34), sondern durch einfachen Rücklauf, also durch Umkehr der Laufrichtung der Amplitudensteller (32, 34) ohne sprunghafte Rückstellung quasi kontinuierlich erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Amplitudengewichtung insofern schwenkwinkelbezogen nichtlinear vorgenommen wird, daß gegebenenfalls eine aufgrund der Form der Einzelricht­ diagramme auftretende Mißweisung bezüglich des Peilwin­ kels linearisiert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung des Gesamtricht­ diagramms kontinuierlich oder sprunghaft vorgenommen wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkung des Gesamtricht­ diagramms im Stil eines Monopulsverfahrens lediglich über einen Teilsektor des Gesamtazimuts vorgenommen wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Einstellung der Amplitudensteller (32, 34) die vorgegebene Amplitudenge­ wichtung (Dämpfung) mit einer weiteren Gewichtung über­ lagert wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schaltmatrix gleichzeitig die Signale von mehreren Antennenpaaren durchgeschaltet wer­ den.

12. Verfahren unter Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.