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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem,
dessen Antennenelemente räumlich
in drei Dimensionen angeordnet sind und das häufig als Vogelnestantenne (Crow's Nest Antenna (CNA))
bezeichnet wird, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Ein
solches phasengesteuertes Gruppenantennensystem ist von H. Wilden,
The crow's nest
radar-an omni directional phased array system, IEEE International
Radar Conference, Arlington, 1980, Seiten 253–258, bekannt.
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Wie
es bei allen Antennensystemen der Fall ist, so ist auch die CNA
empfindlich bezüglich
Interferenzquellen, wobei Signale von diesen in den Seiten-Keulen
des Antennenmusters empfangen werden. Bei militärischen Systemen werden Interferenzsignale
von dem Feind erzeugt, um Interkommunikationen oder Zielpositionsmessungen
unmöglich
zu machen. Bei zivilen Systemen wird eine solche Interferenz durch
benachbarte Sendestationen oder durch Reflektionen von nahegelegenen
Objekten bewirkt.
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Wenn
bei Verwendung von herkömmlichen Radarantennensystemen
die Position der Interferenzquelle nicht bekannt ist, dann kann
zum Zweck der Unterdrückung
solcher Interferenzen oder der Begrenzung des Interferenzpegels
von sogenannten adaptiven Nullifizierungssystemen Gebrauch gemacht
werden, wobei eine oder mehrere zusätzliche Antennen in der Nähe der Hauptantenne
angeordnet sind. Wenn eine Interferenzquelle vorhanden ist, dann
ist eine zusätzliche
Antenne ausreichend. Das Muster der Hauptantenne wird durch eine
starke Hauptkeule und eine große
Anzahl von schwachen Seitenkeulen gebildet; das Antennenmuster der
zusätzlichen
Antenne wird durch eine breite Keule gebildet, die sich zumindest über das
gesamte Winkelintervall von dem Muster von der Hauptantenne erstreckt,
das heißt, über das
gesamte Sichtfeld der Hauptantenne, hat aber eine Stärke, die
sehr viel kleiner ist als die der Hauptkeule von dem Muster der Hauptantenne.
In dem Fall einer ausreichend starken Interferenzquelle können die
Interferenzsignale, die über
die Seitenkeulen von dem Muster der Hauptantenne empfangen werden,
stärker
sein als die Reflektionssignale des reflektierten Radarstrahls,
der darin empfangen wird. Über
die zusätzliche
Antenne wird praktisch immer ein Interferenzsignal empfangen, das
stärker
ist als das Signal, das von einem Ziel kommt. Es ist bekannt, das
Zielsignal, das durch die Hauptantenne in der Hauptkeule empfangen
wird, unter Verwendung von dafür
entwickelten Algorithmen von den Zielsignalen und Interferenzsignalen
zu extrahieren, die von den beiden Antennen empfangen werden, wobei
für diesen
Zweck ein sogenannter Nullifizierungsprozessor verwendet wird. Es
ist außerdem
bekannt, wenn es mehrere Interferenzquellen gibt, mehrere zusätzliche
Antennen zu verwenden. Um eine maximale Signalkorrelation und die höchstmögliche Interferenzunterdrückung zu
erreichen, ist es bei diesen bekannten Systemen wichtig, dass die
zusätzlichen
Antennen nahe der Hauptantenne angeordnet sind und dass sie alle
das gleiche Sichtfeld der Hauptantenne überdecken. Bei planaren und
linearen phasengesteuerten Gruppenantennen wird dies erreicht, indem
die zusätzlichen
Antennen in der gleichen Ebene oder in der gleichen Linie wie die
Hauptantenne angeordnet werden. Bei einer CNA ist dies nicht möglich, da
es keine Ebene gibt, die alle Antennenelemente beinhaltet. Eine
mögliche Lösung für die Unterdrückung von
Interferenzen von einer unbekannten Interferenzquelle würde darin
bestehen, eine große
Anzahl von zusätzlichen
Antennen um die CNA herum anzuordnen. Jede zusätzliche Antenne erfordert jedoch
ihren eigenen Empfänger
mit Impuls kompressionseigenschaft, Doppler-Verarbeitung, usw., so
dass die Kosten einer solchen Lösung
extrem hoch werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Konstruktion
von einem volumetrischen phasengesteuerten Gruppenantennensystem zur
Verfügung
zu stellen, so dass in einer relativ einfachen Weise und zu relativ
geringen Kosten eine wirksame Unterdrückung von Interferenzen realisiert werden
kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist das phasengesteuerte Gruppenantennensystem gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente in gegenseitig
beabstandeten, konformen, gekrümmten,
virtuellen Flächen
angeordnet sind, die den gleichen Krümmungsmittelpunkt bzw. die
gleichen Krümmungsmittelpunkte
haben, eine Vielzahl von phasengesteuerten Gruppenunterantennen
gebildet ist, jede mit Antennenelementen, die räumlich in drei Dimensionen
angeordnet sind, wobei jede Kombinationen von Antennenelementen
in einer oder mehreren Flächen
zusammen Teil einer jeweiligen der Vielzahl von phasengesteuerten
Gruppenunterantennen ist.
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Insofern,
da diese Flächen
ein und denselben Krümmungsmittelpunkt
haben, bilden die bezeichneten virtuellen Flächen sphärische Schalen oder Teile davon.
Daher können
beispielsweise sechs solcher sphärischen
Schalen vorgesehen sein, wobei jede sphärische Schale möglicherweise
zehn bis Hunderte von Antennenelementen enthält. Wenn diese sphärischen
Schalen mit 1 bis 6 vom Umfang zur Mitte numeriert
werden, bedeutet dies beispielsweise, dass die Antennenelemente
in der äußersten Schale
(Schale 1) eine Antenne für einen schwachen und schmalen
Strahl bilden, das die Antennenelemente in der innersten Schale
(Schale 6) eine Antenne für einen schwachen und breiten
Strahl bilden, und dass die Antennenelemente in beispielsweise den äußersten
vier Schalen (Schalen 1–4)
eine Antenne für
einen starken und schmalen Strahl bilden, und die Antennenelemente
der innersten vier Schalen (Schalen 3–6) eine Antenne für einen
starken und breiten Strahl bilden. Es ist offensichtlich, dass alle Arten
von Kombinationen von Schalen möglich
sind. Daher kann beispielsweise eine Hauptantenne auch durch Kombinieren
der Antennenelemente in den Schalen 1–5 erhalten werden, und
für den
Zweck der Interferenzunterdrückung
kann eine zusätzliche
Antenne durch Kombinieren von beispielsweise den Antennenelementen
in den Schalen 5 und 6 erhalten werden. In all
diesen Kombinationen ist es auch möglich, wie in den planaren
Gruppensystemen, Antennenmuster mit mehreren Strahlen zu erzeugen,
die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind.
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Die
Antennenelemente, die in der gleichen virtuellen Fläche angeordnet
sind, sind über
ein T/R-Modul mit einer einzigen Kombinationseinheit verbunden,
wohingegen für
ein zu bildendes Antennenmuster eine Anzahl dieser Kombinationseinheiten
mit einer weiteren Kombinationseinheit verbunden sind. Wenn die
Antennenelemente beispielsweise zwei Antennenmuster bilden sollen,
wobei üblicherweise
zwei diskrete Antennen verwendet werden müssen, dann sind auch zwei von
diesen weiteren Kombinationseinheiten vorhanden. Auf diese Weise ist
es möglich,
eine feste Kombination von Antennenmustern zu bilden, beispielsweise
ein Hauptantennenmuster und, für
den Zweck der Interferenzunterdrückung,
zwei zusätzliche
Antennenmuster. In einer solchen Situation werden separate Radarempfänger für Frequenz-Abwärtskonvertierung
und Erfassung der Radarsignale mit weiteren Kombinationseinheiten
verbunden, wonach die so erfassten Signale in einem Nullifizierungsprozessor
weiter verarbeitet werden können.
Schwieriger ist die Situation, wenn die Wahl der Anzahl von zu bildenden
Antennenmustern und deren Eigenschaften noch nicht feststehen. Die weitere
Kombinationseinheit wird dann durch eine Matrixschalteinheit zum
Bilden einer Anzahl von Antennenmustern gebildet, die nach Wunsch
eingestellt wird, mit Strahleigenschaften, die nach Wunsch eingestellt
werden. Diese Maßnahme
bedeutet daher, dass die diskreten Kombinationseinheiten nach Wunsch
gruppiert werden. Diese Auswahl kann naturgemäß beispielsweise von dem Ausmaß der Interferenzunterdrückung in
dem Nullifizierungsprozessor abhängen.
Eine Folge dieser Einstellung ist jedoch, dass die diskreten Kombinationseinheiten
direkt mit einem Radarempfänger
zur Frequenz-Abwärtskonvertierung
und Erfassung der Radarsignale verbunden werden müssen, bevor
diese der Matrixschalteinheit zugeführt werden, wodurch die Kosten
für das gesamte
Radarsystem nach all diesem wieder ansteigen können. In der Praxis ist jedoch
bei einem Interferenzunterdrückungssystem
mit einem Hauptantennenmuster und mit einem oder zwei zusätzlichen Antennenmustern
eine feste Gruppierung von Kombinationseinheiten ausreichend.
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Durch
die Maßnahmen
gemäß der Erfindung werden
die folgenden weiteren Vorteile erreicht. Da die Hauptantenne und
die zusätzlichen
Antennen zu einem integrierten Ganzen zusammengesetzt sind, wird
dadurch eine korrekte Korrelation der über diese Antennen erhaltenen
Signale erreicht, und damit eine korrekte Interferenzunterdrückung. Die
Anzahl der zusätzlichen
Antennen kann nach Wunsch eingestellt werden. Die zusätzlichen
Antennen können
so gewählt
werden, um in einem beträchtlichen
Ausmaß zum
gleichen Antennengewinn in allen Richtungen und somit zur gleichen
Interferenzunterdrückung
in virtuell allen Richtungen zu führen. Wenn die Position von
einer Interferenzquelle bekannt ist, dann kann der zusätzlichen
Antenne ein erhöhter
Antennengewinn in Richtung der Interferenzquelle verliehen werden,
und zwar durch Lenken mittels eines Strahl-Lenk-Computers, wodurch eine
weiter verbesserte Interferenzunterdrückung erreicht wird.
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Zusätzlich zur
Verwendung bei der Unterdrückung
von Interferenzen in militärischen
und zivilen Radarsystem kann die vorliegende Erfindung auch für Kommunikationszwecke
verwendet werden.
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Wenn
beispielsweise in einem Kommunikationssystem zwei Benutzer an deutlich
abweichenden Distanzen gleichzeitig von der gleichen Kommunikationsstation
bedient werden sollen, dann können durch
unterschiedliche Auswahl von Kombinationsschalen von Antennenelementen
zwei Strahlen in Richtung der jeweiligen Benutzer gleichzeitig erhalten
werden, so dass die Station ausreichend empfindlich für die beabstandeten
Benutzer ist, aber keine Sättigungseffekte
bei dem nahegelegenen Benutzer hervorruft; mit anderen Worten, der
dynamische Bereich des Empfangssystems der Station mit einer Antennenkonstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann beträchtlich
begrenzt werden.
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Wenn
in einem anderen Beispiel in einem Kommunikationssystem die Betreuung
eines mobilen Benutzers von einer ersten Station durch eine zweite Station übernommen
wird, dann ist es nach der Übernahme
durch die zweite Station in der ersten Station mit Hilfe eines Nullifizerungssystems
darin möglich, die
erste Station in Richtung des mobilen Benutzers unempfindlich zu
machen, und somit in der Richtung der zweiten Station.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigt.
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1 ein planares Gruppenantennensystem mit
einer Hauptantenne und einer zusätzlichen
Antenne an jeder Seite davon;
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2 das Empfangsmuster von
der Hauptantenne und den zusätzlichen
Antennen aus 1;
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3 ein volumetrisches phasengesteuertes
Gruppenantennensystem; und
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4 ein volumetrisches phasengesteuertes
Gruppenantennensystem, bei dem die Antennen-Systeme in einer Schalenstruktur
angeordnet und pro Schale kombiniert sind.
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1 und 2 beziehen sich auf ein Antennensystem
gemäß Stand
der Technik, mit einer Hauptantenne 1 sowie zwei zusätzlichen
Antennen 2 und 3. Die Antennen sind vom Typ einer
planaren phasengesteuerten Gruppenantenne und sind angeordnet, um
so nahe wie möglich
zueinander angeordnet zu sein. Lediglich über die Hauptantenne 1 wird
ein Strahl abgestrahlt. Das Empfangsstrahlmuster der Antenne 1 ist
in 2 dargestellt und
umfasst eine Hauptkeule 4 und eine große Anzahl von Seitenkeulen 5.
Die Signale, die von einem Ziel stammen und in der schmalen Hauptkeule
empfangen werden, sind relativ stark; die Signale von dem Ziel,
die außerhalb der
Hauptkeule empfangen werden, nehmen bezüglich ihrer Stärke mit
zunehmender Winkelabweichung schnell ab. Das Empfangsstrahlmuster 6 der
zusätzlichen
Antennen überdeckt
das gesamte Sichtfeld der Hauptantenne, und mit zunehmender Winkelabweichung
verlieren die von dem Ziel empfangenen Signale nur wenig an Stärke. Außerdem ist
in 2 eine Interferenzquelle 7 gezeigt.
Die Signale, die von dem Ziel stammen, und die Signale, die von
der Interferenzquelle stammen, werden sowohl von der Hauptantenne
als auch von den beiden zusätzlichen Antennen
empfangen und in Empfängern
(nicht gezeigt) einer Frequenz-Abwärtskonvertierung unterzogen
und erfasst. Die erhaltenen Signale werden in einer Verarbeitungseinheit
verarbeitet, insbesondere ein Nullifizierungsprozessor 8,
wodurch die unerwünschten
Interferenzsignale unterdrückt
werden.
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Wie
bereits vorstehend erläutert,
arbeitet das System bei einer volumetrischen phasengesteuerten Gruppenantenne
nicht zufriedenstellend. Eine solche Antenne ist in 3 dargestellt. In dieser Figur ist lediglich
eine begrenzte Anzahl von räumlich
angeordneten Antennenelementen 9 dargestellt. In der Praxis ist
diese Anzahl sehr viel größer, sogar
bis zu einigen Tausend. Die Antennenelemente 9 sind über einer Basis 10 angeordnet.
Die Abstützung
der Antennenelemente wird durch Koaxial-Verbindungen 11 erreicht.
Durch diese Koaxial-Verbindungen ist jedes Antennenelement 9 mit
einem T/R-Modul 12 verbunden. Diese T/R-Module wiederum
sind mit einem Sender 13 und einem Empfänger 14 verbunden.
Die Signale werden über
den Sender 13, die T/R-Module 12 und die damit
verbundenen Antennenelemente 9 gesendet, und Signale werden über die
Antennenelemente 9, die T/R-Module 12 und den
Empfänger 14 empfangen.
Bei Vorhandensein der Interferenzquelle 7 aus 2 werden sowohl Signale,
die durch das Ziel reflektiert werden, als auch Signale, die von
der Interferenzquelle stammen, empfangen. Um noch in der Lage zu
sein, die Interferenzsignale zu unterdrücken, wird wieder von den diskreten
zusätzlichen
Antennen Gebrauch gemacht, wie in 1 gezeigt, wenn
nicht spezielle Maßnahmen
durchgeführt
werden. Diese Maßnahmen
erfordern eine spezielle Weise der Positionierung der Antennenelemente 9.
Gemäß der Erfindung
sind daher die Antennenelemente im vorliegenden Ausführungsbeispiel
so angeordnet, um in konzentrischen virtuellen Flächen einer
Sphäre zu
liegen; wobei diese Flächen
von einer Sphäre
anschließend
als Schalen bezeichnet werden. In 4 sind
vier solcher Schalen 15–18 gezeigt.
Wenn die Gesamtzahl der Antennenelemente auf einige Tausend ansteigt,
dann kann die Anzahl der Schalen auch beträchtlich größer sein. Mit jedem der Antennenelemente
ist wieder ein T/R-Modul 12 verbunden. Die T/R-Module der
Antennenelemente 9, die zu einer Schale gehören, sind
mit einer Kombinationseinheit verbunden. Folglich gibt es so viele
Kombinationseinheiten wie es Schalen gibt. In 4 sind lediglich die Kombinationseinheiten 19 und 20 dargestellt, die
mit den T/R-Modulen für
die Antennenelemente 9 in den Schalen 15 und 18 verbunden
sind. Ein Sendesignal wird durch den Sender 13 über die
Verteilungseinheit 21, die T/R-Module 12 und die
Antennenelemente 9 gesendet. Die Signale, die von den Antennenelementen 9 und
den T/R-Modulen 12 empfangen werden, werden pro Schale
in den Kombinationseinheiten kombiniert. In der Matrixschalteinheit 22 werden
die Informationen von den separaten Einheiten kombiniert. Um für eine Hauptantenne
ein Strahlmuster zu erhalten, werden beispielsweise alle Schalen
in der Matrixschalteinheit 22 kombiniert. Das bedeutet,
dass die Signale von allen Kombinationseinheiten zusammen das Signal
darstellen, das von dieser Hauptantenne empfangen wird. Dieses Signal wird
dem Hauptantennenempfänger 23 zugeführt, um
frequenzkonvertiert und erfasst zu werden. Um eine zusätzliche
Antenne zu erhalten, werden beispielsweise die Schalen 17 und 18 in
der Matrixschalteinheit 22 kombiniert. Das bedeutet, dass
die Signale von lediglich zwei Kombinationseinheiten zusammen das
Signal darstellen, das von dieser zusätzlichen Antenne empfangen
wird. Dieses Signal wird dem zusätzlichen
Antennenempfänger 24 zugeführt, um
auf ähnliche
Weise frequenzkonvertiert und erfasst zu werden. Die so erfassten
Signale werden von den Empfängern 23 und 24 zu
dem Nullifizierungsprozessor 8 geführt, um alle Interferenzsignale zu
unterdrücken.
Obwohl in dieser beispielhaften Ausführung die Matrixschalteinheit 22 auf
eine bestimmte Schalenkombination zugeschnitten ist, kann sie auch
zu jeder Zeit eingestellt werden, nämlich jedes Mal, wenn ein diskretes
Antennenmuster ausgewählt
wird, das auf eine spezielle Anwendung zugeschnitten ist, und zwar
durch eine entsprechende Kombination von Schalen. Wenn eine große Anzahl von
Schalen gegeben ist, dann ist eine große Vielzahl von Kombinationen
von Schalen möglich.
In diesem Fall ist es bevorzugt, einen Empfänger an der Ausgabe von jeder
Kombinationseinheit vorzusehen und die frequenzkonvertierten und
erfassten Signale in der Matrixschalteinheit 22 zu kombinieren.
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Die
Erfindung ist nicht auf das unter Bezugnahme auf 4 beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
beinhaltet alle Arten von Modifikationen davon, natürlich insofern,
als sie in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen. Es
sei hier angemerkt, dass der Nullifizierungsprozessor Teil einer
Signalverarbeitungseinheit bildet, in der zusätzlich zur Interferenzunterdrückung eine
weitere Videosignalverarbeitung stattfinden kann.