DE60303798T2

DE60303798T2 - Vorrichtung zur genauen bereichseinstellung bei puls-doppler-radarsystemen

Info

Publication number: DE60303798T2
Application number: DE60303798T
Authority: DE
Inventors: Edward Steven Tucson HUETTNER; Craig Steven Oro Valley REIN; Richard Douglas Tucson BAKER
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: DE60303798D1; US20040001020A1; EP1512194B1; US6707417B2; EP1512194A1; IL165380A0; AU2003239927A1; WO2003105272A1; ATE319196T1; IL165380A

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Führungs- bzw. Leitsysteme für antiballistische Raketen erfordern extrem genaue Sprengkopfzünder. Ein Radarzündsystem auf einer Rakete verwendet sehr kurze Impulsbreiten und HF-Impulse mit extrem schnellen Anstiegs/Abfallzeiten, um die Entfernung und die Entfernungsrate des Ziels zu erfassen. Ein Empfänger/Sender (RX/TX) System wird eingesetzt, um die HF-Radarimpulse und die Ziel-Rücksignale zu verarbeiten. In einem taktischen Modus werden Radarimpulse von einem Hochleistungssender/Empfänger verstärkt und dann zum Ziel rundgesendet. Das Ziel gibt den Impuls zurück, der über die Antenne in den Sender/Empfänger gelangt, und von dem Empfänger verstärkt und abwärts gewandelt wird.
Zur Entfernungskalibrierung sollte das System einen alternativen Signalpfad von dem Sender zu dem Empfänger bereitstellen, der die Antenne umgeht, um es dem System zu ermöglichen, seine eigene Zeitverzögerung zu messen. In einem Kalibrierungsmodus sollte der alternative Signalpfad drei Eigenschaften behalten. Erstens sollte er die Radarimpulssignalleistung innerhalb eines kleinen Amplitudenfensters bedeutend dämpfen, um das kleine Radarrücksignal von einem Ziel mit einer akzeptablen IF-Ausgangsleistung zu simulieren, während der Empfänger weit unter seinem Sättigungspegel gehalten wird, aber oberhalb des Systemgrundrauschens. Zweitens sollte die Integrität der wichtigen Radarimpulseigenschaften erhalten werden, einschließlich der Anstiegs/Abfallzeiten und der Impulsbreite. Drittens sollte eine Gruppenverzögerung vorgesehen werden, die nahezu identisch zu der Gruppenverzögerung eines gesendeten/empfangenen Impulses ist, der von einem theoretischen Ziel in einer festen nahen Entfernung reflektiert wird. Die Toleranz gegenüber der Betriebs- bzw. Arbeitsfrequenz, Temperatur, Erregerleistung und von Einheit zu Einheit der Gruppenverzögerungsdifferenz zwischen dem Kalibrierungsmodussignalpfad und dem taktischen Modussignalpfad bestimmt die Genauigkeit, mit der die Entfernung eines Ziels bestimmt werden kann.
Ein schaltbarer Zirkulator mit zwei Übergängen wurde verwendet, um einen Kalibrierungsmoduspfad einzurichten. Der erste Übergang wurde verwendet, um die Senderausgangssignalleistung während des Kalibrierungsmodus zu dämpfen, während der zweite Übergang die Antenne während der Kalibrierung umgangen hat und den Radarimpuls direkt zu dem Empfänger geleitet hat. Dieser Lösungsweg ermöglichte es der Senderverstärkerkette, während der Kalibrierung bei voller Ausgangsleistung zu arbeiten, so dass die wichtige Impulseigenschaft der Anstiegs/Abfallszeit und der Impulsbreite erhalten wurden. Das schlechte Frequenzverhalten des ersten Zirkulatorübergangs im Kalibrierungsmodus hat jedoch einen unerwünschten Effekt auf die Impulsanstiegs/abfallszeit, da der dominante Signalpfad durch diesen Übergang im Kalibrierungsmodus in der umgekehrten Richtung des normalen Signalflusses verläuft. Dieser Signalpfad umgekehrter Richtung besitzt ein Frequenzansprechverhalten ähnlich dem eines Kerbfilters, der eine große Variation in der Signalamplitude und der Gruppenverzögerung über den Bereich der Frequenzen besitzt, die durch das gepulste HF-Signal dargestellt werden. Dieses Fehlen an Amplituden-/ und Verzögerungsflachheit im Frequenzbereich liefert eine schlechte Signalgenauigkeit (beispielsweise Änderungen der Impulsanstiegs/abfallszeit, ein Überschwingen und Abklingen) im Zeitbereich. Ein Paar von SPST-Schaltern innerhalb der Empfängerkette reduziert weiter die Kalibrierungsmodussignalamplitude innerhalb des Empfängers, hat allerdings eine unvorhersehbare Gruppenverzögerungsvariation aufgrund von Leck-Pfadeffekten, die sich aus dem dominanten Signalpfad im Empfänger im Kalibrierungsmodus ergeben, einschließlich eines Verlusts durch diese SPST-Schalter in ihren Aus-Positionen. Diese Schalter haben keine Anforderungen bezüglich Amplituden- oder Verzögerungsflachheit mit Bezug auf die Frequenz in ihren Aus-Positionen. Typischerweise zeigen diese Schalter in der Aus-Position große Variationen in der Amplitude und der Gruppenverzögerung mit Bezug auf die Frequenz. Ähnlich zu den umgekehrten Zirkulatorübergängen führen die Amplituden und Verzögerungsvariationen, die diese Schalter im Frequenzbereich zeigen, zu schlechter Signalgenauigkeit im Zeitbereich.
Ein früherer Lösungsweg der Anmelderin umfasste einen Umgehungs- bzw. Bypasspfad im Sender anstelle eines Schaltens des ersten Übergangs des Zirkulators mit zwei Übergängen, um die gesendete Impulsamplitude zu dämpfen. Dieses Schema liefert eine verbesserte Gruppenverzögerungsgenauigkeit, aber behält nicht genau die Impulsanstiegs/Abfallzeiten und Impulsbreite bei, da die nicht linearen Elemente der Senderkette bei zwei komplett unterschiedlichen Bedingungen im taktischen Modus und im Kalibrierungsmodus arbeiten. Die Genauigkeit dieses Lösungswegs wurde als hochgradig abhängig von der Temperatur und der Eingangsleistung erkannt. Das Hinzufügen eines gesteuerten Dämpfungsbypasspfads im Empfänger verbesserte die Gruppenverzögerung und die Frequenzansprecheigenschaften des RX/TX. US-A-4590477 offenbart eine Empfänger-Zeitverzögerungskalibrierungsvorrichtung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Radarsystem mit einem taktischen Modus und einem Kalibrierungsmodus. Ein Senderabschnitt bzw. Senderteil liefert eine Hochleistungsverstärkung einer HF-gepulsten Wellenform von einem Erreger während des taktischen Modus und des Kalibrierungsmodus. Ein Zirkulatorsystem mit drei Übergängen besitzt einen Eingangsanschluss, der mit einem Ausgang des Senderteils verbunden ist und umfasst ein Hochleistungsdämpfungsglied. Das Zirkulatorsystem liefert einen Sendesignalpfad für den taktischen Modus und einen Sendesignalpfad für den Kalibrierungsmodus von taktisch identischer elektrischer Pfadlänge für ein Senderausgangssignal. Der taktische Pfad verläuft durch den ersten, den zweiten und den dritten Übergang in einer ersten Richtung zu einem Antennen I/O (Eingang/Ausgang) Anschluss. Der Kalibrierungspfad läuft durch den ersten, den zweiten und den dritten Übergang in einer zweiten Richtung und durch das Hochleistungsdämpfungsglied zu einem Ausgangsanschluss. Ein Empfängerabschnitt bzw. Empfängerteil ist mit dem Ausgangsanschluss verbunden und umfasst einen Empfangssignalpfad für den taktischen Modus, der durch einen rauscharmen Verstärker (LNA), einen Mischer und einen Zwischenfrequenz (IF) Verstärker zu einem IF-Ausgangsanschluss zur Abwärtswandlung eines Radarsignals verläuft. Der Empfängerteil umfasst ferner einen Empfangskalibrierungssignalpfad durch ein Dämpfungsglied, der den LNA umgeht und durch den Mischer und den IF-Verstärker zu dem IF-Ausgangsanschluss läuft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, in denen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Radar-Sender/Empfängersystems ist, das die Erfindung verkörpert, und in einem taktischen Modus konfiguriert ist;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung des Systems von 1 ist, aber in einem Kalibrierungsmodus konfiguriert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Ein Zweck einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine genaue Entfernungskalibrierungstechnik für gepulste Dopplerradarsysteme bereitzustellen. Bei einem Radarentfernungsmesssystem wird der Abstand durch Umwandeln der Zeit gemessen, die ein gesendetes HF-Signal benötigt, um von einem Ziel reflektiert zu werden und zu dem Empfänger des Radars zurückzukehren. Die Genauigkeit der Zeitmessung wird somit in die Genauigkeit der Abstandsmessung umgewandelt. Bei einem Radarsystem wird die Zeitgenauigkeit durch eine Kalibrierungsmessung bestimmt. Beispielsweise wird bei einer Lichtgeschwindigkeit von 3 × 10¹⁰ cm/sek ein Radar, das in der Lage ist, ein Zielrücksignal von 100 Picosekunden aufzulösen, eine Entfernungsgenauigkeit von 1,5 cm liefern. Dies ist ein Ziel einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die in den 1 und 2 dargestellt ist, obgleich andere Anwendungen, die die Erfindung verkörpern, geringere oder größere Entfernungsgenauigkeit haben können.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Sender/Empfängersystems 20 ist in den schematischen Diagrammen von 1 und 2 in jeweiligen taktischen und Kalibrierungsmodi gezeigt. Das System 20 umfasst drei prinzipielle Teilanordnungen. Der Sender 30 liefert eine Hochleistungsverstärkung der HF-gepulsten Wellenform von dem Radarerreger. Das Zirkulatorsystem 40 umfasst eine Kombination aus drei schaltbaren Übergängen C1, C2 und C3 und einem Hochleistungsdämpfungsglied 46. Dieses liefert zwei Signalpfade für das gesendete Signal. Ein Pfad 42 durchläuft drei Zirkulatoren C1, C2 und C3 zu dem Antennen E/A bzw. I/O-Anschluss 70. Der zweite Pfad 44 läuft durch C1, das Hochleistungsdämpfungsglied 46, C2 und C3. Diese Pfade 42, 44 sind aus praktischen Gründen identisch bezüglich der elektrischen Länge, aber ein Pfad (42) hat nahezu null Verlust während der andere (44) eine merkbare Dämpfung besitzt. Die Pfade 42, 44 liefern auch nahezu identische Gruppenverzögerungen zwischen dem Kalibrierungs- und dem taktischen Modus, und eine sehr stabile Gruppenverzögerungsdifferenz zwischen diesen Modi.
Das System 20 umfasst ferner einen Empfänger 50, der einen Empfangssignalpfad für den taktischen Modus 72 umfasst, der durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) 54, einen Mischer 58 und einen IF-Verstärker 60 zur Abwärtswandlung eines Radarsignals läuft, indem ein LO-Signal an einem LO-Anschluss 66 verwendet wird. Der Empfänger 50 liefert ebenfalls einen Empfangskalibrierungsbypass-Signalpfad 74 mit wesentlicher Dämpfung durch Verwendung von einpoligen, (SPDT) HF-Umschaltern 52 und 56. Die Pfade 72, 74 liefern auch eine nahezu identische Gruppenverzögerung zwischen dem Kalibrierungs- und dem taktischen Modus und eine sehr stabile Gruppenverzögerungsdifferenz zwischen diesen Modi. Andere untergeordnete Funktionen, die typischerweise ein Sender/Empfängersystem umfasst, welches Senderfrequenz-Aufwärtswandler, Sendertastschalter und HF-Filter nicht ausschließlich enthält, sind nicht gezeigt, aber sind typischerweise in einem System enthalten, das die Erfindung verkörpert, entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
Während einem taktischen Modus des Systems (1), arbeitet der Sender 30 mit voller Leistung und verstärkt den HF-Impuls von dem Erreger, der am Eingangsanschluss 22 empfangen wird, und liefert ihn an das Zirkulatorsystem 40, den Anschluss C1-1 des Zirkulators C1. Das Zirkulatorsystem 40 wird geschaltet, so dass der verlustarme Pfad 42 zwischen den Zirkulatorübergängen C1 und C2 gewählt wird, wobei das Signal von den Anschlüssen C1-1 bis C1-2 des Zirkulatorübergangs C1 zu dem Anschluss C2-1 des Zirkulatorübergangs C2, zum Anschluss C3-1 des Zirkulatorübergangs C3, zum Anschluss C3-2 des Zirkulatorübergangs C3 läuft. Der Signalpfad 42 ist der Sendesignalpfad im taktischen Modus. Das Signal wird an den Antennen I/O-Anschluss 70 über den Zirkulatorübergang C3 mit extrem geringem Leistungsverlust ausgegeben. In der Zeit zwischen den Sendeimpulsen wird das Signal von dem Ziel reflektiert und gelangt zurück zu dem Antennenanschluss 70, wo der Zirkulatorübergang C3 dieses an den Empfänger 50 weitergibt, wobei das Signal von dem Anschluss C3-2 zu dem Anschluss C3-3 des Zirkulatorübergangs C3 läuft. Innerhalb des Empfängers lenken die HF-Schalter 42 und 56 das empfangene Signal durch den rauscharmen Hochleistungs-Verstärkerpfad 72, und es wird abwärtsgewandelt im Mischer 58 und an den IF-Ausgangsanschluss 68 ausgegeben. Der Signalpfad 72 ist ein Empfangssignalpfad für den taktischen Modus.
Während eines Kalibrierungsmodus des Systems, der in 2 dargestellt ist, werden alle Zirkulatorübergänge im Vergleich zu dem taktischen Modus umgekehrt, und die Schalter 52 und 56 sind in ihrem entgegengesetzten Zustand. Genau wie im taktischen Modus arbeitet der Sender 30 bei voller Leistung, verstärkt die HF-Impulse am Anschluss 22 von dem Erreger und liefert sie an das Zirkulatorsystem 40. Innerhalb des Zirkulatorsystems 40 lenken die Übergänge C1 und C2 das Signal durch den Senderpfad des Kalibrierungsmodus 44 an das Hochleistungsdämpfungsglied 46, wo es wesentlich gedämpft wird. Somit läuft das Signal von dem Anschluss C1-1 bis C1-3 des Zirkulatorübergangs C1, durch das Dämpfungsglied 46 zu dem Anschluss C2-3 zum Anschluss C2-2 des Zirkulatorübergangs C2, zum Anschluss C3-1 des Zirkulatorübergangs C3, zum Anschluss C3-3 des Zirkulatorübergangs C3. Der Übergang C3 umgeht folglich den Antennenanschluss 70 und liefert die reduzierte (gedämpfte) Sendewellenform direkt an den Empfänger 50. Innerhalb des Empfängers werden die Schalter 52 und 56 gesetzt, um das Signal um den LNA 54 über den Empfangssignalpfad des Kalibrierungsmodus 74 und das Dämpfungsglied 56 herumzuführen, was eine Sättigung des Empfängers verhindert und zu einer deutlich reduzierten Empfängerverstärkung beiträgt, so dass eine akzeptable Kalibrierungsmodus IF-Ausgangsleistung bereitgestellt wird.
Schaltbare Zirkulatorübergänge, die für diesen Zweck als Übergänge C1, C2 und C3 geeignet sind, sind kommerziell verfügbar. Beispielsweise vermarktet EMS Technologies, Norcross, GA, Wellenleiterzirkulatoren mit schaltbaren Übergängen.
Die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung liefert eine extrem genaue Entfernungsmessungskalibrierung aufgrund der folgenden Merkmale:

1. Der Sendehochleistungsverstärker 30 wird bei voller HF-Leistung während des taktischen und des Kalibrierungsmodus betrieben, um somit die Sendeimpulsanstiegs- und Abfallzeit und die Impulsbreiteneigenschaft aufrechtzuerhalten.
2. Das schaltbare Zirkulatorsystem mit dreifachem Übergang 40 stellt einen Hochleistungsdämpfungsbypasspfad 44 im Kalibrierungsmodus bereit, um den Senderimpuls ohne Beeinflus sung des Frequenzverhaltens zu dämpfen, und stellt eine nahezu identische Gruppenverzögerung zwischen dem taktischen und dem Kalibrierungssignalpfad 40, 42 bereit. Das System 40 leitet ebenfalls das gedämpfte Sende (TX) Signal direkt an den Empfänger während des Kalibrierungsmodus.
3. Ein Bypasspfad 74 im Empfänger wird verwendet, um die RX/TX-Pfadverstärkung weiter zu reduzieren und ist entworfen, um eine vernachlässigbare Gruppenverzögerungsdifferenz zwischen dem taktischen und dem Kalibrierungsmodus und einen akkuraten IF-Ausgangssignalleistungspegel während der Kalibrierung zu erzeugen.
4. Die Amplituden- und Verzögerungsflachheit der Bypasspfade sowohl im Zirkulator mit Dreifachübergang als auch im Empfänger kann gesteuert werden, wodurch die Signalgenauigkeit im Kalibrierungsmodus aufrechterhalten wird. Die Pfadamplitude und die Verzögerungsflachheit werden gesteuert, indem eine flache Frequenzbandbreite über einer ausreichenden Bandbreite spezifiziert wird. Innerhalb des Zirkulator- und des Empfangsbypasspfads wird ein flaches Frequenzverhalten über eine breite Bandbreite leicht erreichbar für einen Fachmann für die Herstellung von HF-Dämpfungsgliedern. Ferner wird die Toleranz der Gruppenverzögerungsdifferenz zwischen dem taktischen und dem Kalibrierungszustand gut gesteuert, indem enge Abmessungstoleranzen während des Aufbaus des Zirkulators und des Empfängers verwendet werden.

Claims

Radarsystem mit einem taktischen Modus und einem Kalibrierungsmodus, aufweisend: einen Senderabschnitt (30) zum Bereitstellen einer Hochleistungsverstärkung einer HF-gepulsten Wellenform von einem Erreger während des taktischen Modus und des Kalibrierungsmodus; ein Zirkulatorsystem (40) mit einem Eingangsanschluss, der mit einem Ausgang des Senderabschnitts verbunden ist und eine erste, eine zweite und eine dritte schaltbare Verbindung (c1, c2, c3) aufweist, und einem Hochleistungsdämpfungsglied (46), wobei das Zirkulatorsystem einen taktischen Modussendesignalpfad (42) und einen Kalibrierungsmodussendesignalpfad (44) von im Wesentlichen gleicher elektrischer Pfadlänge für ein Sendeausgangssignal aufweist, wobei der taktische Modussendepfad die erste, die zweite und die dritte Verbindung in einer ersten Richtung zu einem Antennen E/A-Anschluss (70) passiert, der Kalibrierungsmodussendesignalpfad die erste, die zweite und die dritte Verbindung in einer zweiten Richtung passiert und durch das Hochleistungsdämpfungsglied zu einem Ausgangsanschluss verläuft; und einen Empfängerabschnitt (50), der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einen taktischen Modusempfangssignalpfad (72) durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) (54), einen Mischer (58) und einen Zwischenfrequenz (IF) Verstärker (60) zu einem IF-Ausgangsanschluss aufweist, um ein Radarsignal abwärts zu wandeln, wobei der Empfängerabschnitt ferner aufweist einen Kalibrierungsmodusempfangssignalpfad (74) durch ein Empfängerdämpfungsglied (76), der den LNA überbrückt und durch den Mischer und den IF-Verstärker zu dem IF-Ausgangsanschluss verläuft.
System nach Anspruch 1, wobei das Hochleistungsdämpfungsglied zwischen Anschlüssen der ersten und der zweiten Zirkulatorverbindung (c1, c2) in dem Kalibrierungsmodussendesignalpfad (44) verbunden ist.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein zweiter Anschluss (c1-2) der ersten Zirkulatorverbindung mit einem ersten Anschluss (c2-1) der zweiten Zirkulatorverbindung über ein erstes Sendeleitungssegment verbunden ist, das einen Bereich des taktischen Modussendesignalpfads bildet, und ein dritter Anschluss (c1-3) der ersten Zirkulatorbindung mit einem dritten Anschluss (c2-3) der zweiten Zirkulatorverbindung über das Hochleistungsdämpfungsglied und ein zweites Sendeleitungssegment verbunden ist.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der taktische Modussendesignalpfad und der Kalibrierungssendesignalpfad nahezu identische Gruppenverzögerungen zwischen dem Kalibrierungs- und dem taktischem Modus haben.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Empfangsabschnitt einen ersten HF-Schalter (52) und einen zweiten HF-Schalter (56) zum selektiven Überbrücken des taktischen Modusempfangssignalpfads umfasst und zum Auswählen des Kalibrierungsmodusempfangssignalpfads während des Kalibrierungsmodus, wobei der Kalibrierungsmodusempfangssignalpfad eine nahezu identische Gruppenverzögerung bezüglich einer Gruppenverzögerung des taktischen Modusempfangssignalspfad liefert.
System nach Anspruch 5, wobei das Empfängerdämpfungsglied in dem Kalibrierungsmodusempfangssignalpfad zwischen dem ersten HF-Schalter und dem zweiten HF-Schalter verbunden ist.
System nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der erste HF-Schalter in einem Eingangssignalpfad angeordnet ist, der zu einem Eingang des LNA führt, und der zweite HF-Schalter in einem Ausgangssignalpfad angeordnet ist, der von einem Ausgang des LNA zu einem Eingang des Mischers führt.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der erste HF-Schalter ein einpoliger Umschalter (SPDT) und der zweite HF-Schalter ein zweiter SPDT-Schalter ist.
System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kalibrierungsmodus ein Entfernungskalibrierungsmodus ist, und der Sendeabschnitt ein nicht linearer Hochleistungssendeabschnitt zum Bereitstellen einer Hochleistungsverstärkung einer HF-gepulsten Wellenform ist, der Sendeabschnitt bei voller HF-Leistung während des taktischen Modus und des Entfernungskalibrierungsmodus arbeitet, um damit die Sendeimpuls-Anstiegs/Abfall-Zeit und die Impulsbreiten-Eigenschaften zu erhalten.