DE69113493T2

DE69113493T2 - Aktives Antennensystem in gedruckter Schaltungstechnik mit hohem Wirkungsgrad für ein gesteuertes Weltraum-Radargerät.

Info

Publication number: DE69113493T2
Application number: DE69113493T
Authority: DE
Inventors: Gerard Caille; Jean-Louis Cazaux; Olivier Remondiere
Original assignee: Alcatel Espace Industries SA
Current assignee: Alcatel Espace Industries SA
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2011-03-05
Also published as: FR2659501B1; EP0445694A1; JP2991528B2; DE69113493D1; EP0445694B1; FR2659501A1; CA2037841A1; CA2037841C; ES2078364T3; JPH0750521A; US5206655A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Antennensystem in Druckschaltungstechnik mit hohem Wirkungsgrad für ein frequenzagiles Satelliten-Radargerät.
Ein Satelliten-Radargerät, das auf dem Prinzip der Seitenpeilung und der Synthese des Öffnungswinkels beruht (sogenanntes SAR oder Synthetic Aperture Radar) und die Auswertung der Echos durch den Dopplereffekt erlaubt, um eine sehr hohe Bildauflösung trotz der großen Entfernung zwischen Radargerät und beobachteter Zone zu erzielen, erfordert eine Antenne sehr großer Abmessungen mit einer zweidimensionalen elektronischen Agilität, so daß nacheinander in zwei zueinander senkrecht stehenden linearen Polarisationsebenen gesendet und empfangen werden kann.
Eine typische Mission im Band X erfordert mehr als 6000 Phasensteuerungen auf einer Antenne mit den Abmessungen 2 m 8 m.
Ein zentralisiertes Verstärkungssystem hätte unerträglich große Verluste und wäre nur beschränkt zuverlässig.
Ein Aufsatz "Avenir des antennes-réseaux actives" von J.L. Pourailly und Claude Guerin, der in der Zeitschrift L'Onde Electrique, März/April 1989, Vol. 69, No 2, Seiten 7 bis 14 erschienen ist, beschreibt aktive Radaratennen mit hohem Wirkungsgrad für eine künftige Generation von Flugzeug-Radargeräten, die im Impulsbetrieb arbeiten und tausende von mikroelektronischen Sende-Empfangsmoduln in MMIC- Technologie (microwave monolithic integrated circuit) über die ganze Antenne verteilt aufweisen, wobei jeder Modul an ein strahlendes Element in Druckschaltungstechnik angeschlossen ist. Der Anwendungsbereich des in dieser Druckschrift beschriebenen Radargeräts liegt in der Überwachung und Führung von Geschossen, wobei Mehrfachziele gleichzeitig erfaßt und/oder geortet werden können, indem ggf. örtliche gezielte oder ungewollte Störquellen neutralisiert werden.
Antennen für Satelliten-SAR sind bereits bekannt, die zwei Arten von strahlenden Elementen verwenden:
- die Antenne des Satelliten ERS1 der Europäischen Weltraumagentur besteht aus Schlitzleitern im Band C, die mit einer einzigen Polarisation V arbeiten (pseudo-vertikale Polarisation senkrecht zur Senkrechten auf der Antennenfläche). Diese Antenne wurde in dem Aufsatz "The planar array antennas for ERS1 beschrieben, der in den Proceedings of IGARSS 1988 veröffentlicht wurde. Der Strahl ist aber ortsfest und kann nicht elektronisch ausgelenkt werden.
- Die Antennen der amerikanischen Satelliten SEASAT, SIRA und B bestehen aus "Flecken", d.h. leitenden Bereichen, die durch Ätzen einer Wabenform erhalten wurden und im Band L mit einer einzigen Polarisation H schwingen (horizontal, senkrecht zur Senkrechten auf der Antennenebene). Diese Antennen wurden in dem Aufsatz "SEASAT and SIRA microstrip antennas" beschrieben, der in den Proceedings of the Workshop on Printed Antennas Technology: Las Cruces, 1979, veröffentlicht wurde. Aber ihr Strahl ist ortsfest.
- Das Radar SIR.C (Shuttle Imerging Radar) vom Typ SAR ist für das amerikanische Raumschiff vorgesehen, das 1991 oder 1992 startbereit sein soll. Dieses Radargerät ist in dem Aufsatz "Heading for space C. Band phased array" beschrieben, der in der April-Ausgabe 1986 der Zeitschrift Microwave and RF veröffentlicht wurde. Dieses Radargerät enthält
- eine passive Antenne im Band X auf der Basis von nur eine Polarisationsrichtung übertragenden Schlitzleitern,
- zwei aktive Antennen mit zwei Polarisationen in den Bändern L und C.
Es gibt also keine aktive Antenne im Band X und noch weniger eine mit zwei Polarisationsrichtungen.
Die aktiven Antennen im Band L und C gemäß dem Stand der Technik können nur in einer Ebene (Elevationsrichtung) elektronisch abgelenkt werden.
Außerdem sind die Erfordernisse hinsichtlich der Masse, der thermischen Kontrolle und der Zuverlässigkeit beim amerikanischen Raumschiff weniger streng. Beispielsweise sind die Sendeverstärker in Hybrid-Technik und nicht monolithisch ausgeführt. Diese erstgenannte Technik führt zu einem deutlich höheren Gewicht.
Satelliten-Radargeräte vom Typ SAR, die in Frankreich insbesondere für die Beobachtung der Ressourcen auf der Erde entworfen wurden (Vegetation, Hydrologie, Ozeanographie) müssen im Band X (zwischen 9,5 und 9,8 GHz) in der horizontalen und in der vertikalen Polarisationsrichtung betrieben werden können.
Die Abmessungen der erforderlichen strahlenden Fläche (Höhe 2 bis 3 in und Länge 7 bis 10 in) schließen eine Anbringung mehrerer unterschiedlicher Antennen auf einem Satelliten aus, nämlich eine Antenne je Polarisation oder eine Sendeantenne sowie eine Empfangsantenne.
Das Radargerät arbeitet gepulst und verschachtelt in seinem Zeitdiagramm das Aus senden eines Impulses mit waagrechter Polarisation oder H, den Empfang der Echos eines solchen Impulses H, das Aussenden eines linpulses in vertikaler Polarisation oder V, und den Empfang der Echos eines solchen Impulses V gemäß dem Beispiel in Figur 1.
Die Verwendung einer einzigen Antenne mit elektronischer Abtastung in zwei Ebenen, wobei die gesamte Oberfläche für jede der vier obengenannten Betriebsarten aktiv ist, läßt sich mit Hilfe eines doppelten Schaltsystems verwirklichen:
- die gedruckten strahlenden Elemente (ERl) strahlen ein entweder horizontal (H) oder vertikal (V) polarisiertes elektrisches Feld ab oder empfangen ein solches Feld, je nachdem, ob man den Zugang zu einer der beiden die Flecken anregenden Mikrostreifenleitungen durchschaltet;
- die Umschaltung zwischen den Sendeverstärkern (hohe Leistung) und Empfangsverstärkern (rauscharm) erlaubt es, die gleichen steuerbaren Phasenschieber einzusetzen, die die Strahlablenkung und die Strahlbildung der Antenne gewährleisten.
Verwendet man, wie dies in den meisten bekannten Radargeräten vom SAR-Typ der Fall ist, eine zentralisierte Verstärkung, so ergeben sich unzulässige Verluste in den Verteilschaltungen zwischen der Plattform und den strahlenden Elementen, in den Phasenschiebern und dem doppelten Schaltsystem. Diese Verluste verschlechtern den Rauschfaktor im Empfangsbetrieb, und im Sendebetrieb müssen während der Impulse 3 bis 6 kW je nach der Mission abgestrahlt werden. Die obigen Verluste führen fast zu einer Verdopplung der am Ausgang der Wanderfeldröhre verfügbaren Leitung. Eine solche Röhre mit 6 bis 12 kW für einen Impulsbetrieb im Band X gibt es derzeit aber noch nicht. Selbst wenn es sie gäbe, wäre ihre Zuverlässigkeit begrenzt.
Daher schlägt die Erfindung ein aktives Antennensystem in Druckschaltungstechnik mit hohem Wirkungsgrad für ein agiles Satelliten-Radarsystem vor, das im Pulsbetrieb und mit elektronischer Strahlpeilung in zwei Ebenen betrieben wird, wobei das System mehrere tausend mikro-elektronische Sende-Empfangsmoduln in MMIC-Technologie besitzt, die über die Antenne verteilt sind und je an ein strahlendes gedrucktes Element angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das System sowohl hinsichtlich Strahlrichtung als auch Polarisation agil ist und jedes strahlende gedruckte Element mehrere quadratische, in zwei Polarisationen wirksame Flecken enthält, die durch Mikrostreifenleitungen verbunden sind, durch die sie mit gleicher Amplitude und gleicher Phase über zwei zueinander senkrechte Zugänge angeregt werden, wobei die Umschaltung auf den einen oder den anderen dieser beiden Zugänge die Aussendung bzw. den Empfang in waagrechter oder senkrechter Polarisation gewährleistet und wobei das Zeitdiagramm des Systems die Sendephase eines Impulses in waagrechter Polarisation, die Empfangsphase der Echos eines vorhergehenden Impulses in waagrechter Polarisation, die Sendephase eines Impulses in senkrechter Polarisation und den Empfang der Echos eines vorhergehenden Impulses in senkrechter Polarisation miteinander verschachtelt.
Das so vorgeschlagene Antennensystem kann abhängig von den besonderen Erfordernissen eines Satelliten, nämlich Masse, Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und Anbringung unter einer Haube optimiert werden.
Die Verwendung von lauter gleichen MMIC-Bausteinen ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads und die Minimierung ihrer Spitzenleistung. Außerdem ist die Großserienfertigung solcher Bauteile zu günstigen Preisen möglich.
Vorzugsweise betrifft die Erfindung ein Antennensystem für eine Strahlablenkung in zwei Dimensionen (Elevation und Azimut).
Vorzugsweise verwendet man sehr leichte und ausreichend steife Materialien in Verbindung mit einem thermoelastisch entkoppelnden Verbindungssystem zwischen primären und sekundären mechanischen Strukturen, so daß die Verformungen auf weniger als 2 mm für eine Antenne von mehr als 8 2m begrenzt werden können.
Vorzugsweise erfolgt eine thermische Kontrolle, indem eine Superisolierung an der Rückseite und den Seitenbereichen angebracht wird und indem eine weiße Schutzhaube verwendet wird, die den Strahlungsaustausch nach vorne ermöglicht, so daß eine homogene und über einen Satellitenumlauf wenig sich verändernde Temperatur an der Antenne beibehalten werden kann.
Vorzugsweise erfolgt eine Kontrolle der Antennenverformungen mit Hilfe einer Lasermessung, und diese Verformungen werden durch eine Steuerung der in großer Zahl über die Antenne verteilten Phasenschieber kompensiert. Erfindungsgemäß verteilt man die Verstärkung auf aktive Sende- und Empfangsmoduln (Transmission Reception Module), bei denen es sich um MMIC-Bausteine auf einem Aluminiumoxid-Substrat handelt, die die Phasenverschiebung, die Verstärkung und die Umschaltungen im Sende- und im Empfangsbetrieb bewältigen und sehr geringe Abmessungen und Masse aufgrund der MMIC-Technik besitzen, sowie direkt hinter den strahlenden Elementen sitzen.
Die Verluste der Verteiler und Phasenschieber spielen eine untergeordnete Rolle in der Verbindungsbilanz des Radargeräts, da sie vor der letzten Verstärkerstufe in Senderichtung und nach der ersten, rauscharmen Verstärkerstufe in Empfangsrichtung auftreten.
Voll werden nur wirksam:
- die Verluste in den Elementen ERl, die gering sind, da die Wegstrecken des Mikrowellensignals in der strahlenden Ebene unter 8 cm liegen,
- die Verluste des DPDT-Schalters (doppelter Eingang/doppelter Ausgang), der das doppelte Schaltsystem mit nur einem einzigen Feldeffekttransistor in MMIC-Technik verwirklicht. Dieser Transistor liegt parallel zu jeder Strecke und hat damit weniger Verluste als zwei SPDT-Schalter (ein Eingang/doppelter Ausgang) in Serienschaltung.
Die Leistungsverstärker HPA (High Power Amplifier), die in MMIC-Technik auf der Basis von Galliumarsenid zu günstigen Preisen angeboten werden, liefern nur schwer im Band X eine Ausgangsleistung über ein W. Diese Größenordnung ist mit der Gesamtleistung kompatibel, die von der Antenne abgestrahlt werden soll, sofern die Verstärker aller aktiven Sende-Empfangsmoduln die gleiche Leistung liefern.
Würde diese Gesamtleistung mit der Zeit und der Lage auf der Antenne variieren, dann müßten die am meisten beanspruchten Verstärker wesentlich höhere Leistung liefern, was ihre Serienherstellung sehr kritisch gestalten würde. Außerdem hätten die Verstärker, die eine geringere Leistung liefern müssen, einen schlechteren Wirkungsgrad Pout-Pin/PDC), d.h. daß der Verbrauch der Antenne ansteigen würde. Hier handelt es sich aber um einen der kritischsten Parameter eines solchen Satelliten-Radarsystems.
Man verwendet daher ein Verfahren zur Synthese der Diagramme, mit dem die Hauptkeule der Antenne die Beobachtungszone überstreichen kann, indem sie auf dem Boden einen Bereich konstanter Größe bestrahlt, d.h. eine variable Keulenbreite besitzt:
- mit einer gleichförmigen Abstrahlung in Senderichtung,
- durch Voreinstellung nur eines Dämpfungsglieds, das hinter dem rauscharmen Empfangsverstärker liegt, auf vier Pegel (Dynamik 2,8 dB), je nach der Stelle des Moduls auf der Antenne,
- durch vorübergehende Steuerung nur der Phasenschieber mit 4 Bits.
Die Wahl einer Lösung mit Verstärkern, die alle die gleiche Leistung besitzen und gleichmäßig verteilt sind, erleichtert stark die thermische Kontrolle, die ein weiterer kritischer Punkt von derartigen Antennen ist. Die Wärmeerzeugung ist nämlich über die ganze Antenne gleichmäßig (die in den Empfangs-Dämpfungsgliedern umgesetzte Energie ist vernachlässigbar aufgrund des niedrigen Pegels des Signals und des Rauschens, der an der Antenne empfangen wird). Dies würde nicht gelten:
- bei einer Lösung, bei der der Verstärkungsgrad der Sendekette der Antenne verändert würde,
- oder bei einer Lösung, bei der man Verstärker gleicher Leistung ungleichmäßig über die Antenne verteilen würde. Man verwirklicht dann das Amplitudengesetz (das für ein Diagramm mit niedrigem Seitenkeulenanteil unerläßlich ist), indem man einen aktiven Modul an mehr oder weniger Flecken anschließt, je nach der Antennenzone.
Mit den über die ganze Antenne verteilten Phasenschiebern kann man ggf. sofort die Antennenverformungen korrigieren, nachdem sie in einer optischen Vorrichtung oder durch Ermittlung der Laufzeit des Mikrowellensignals bis zu einer vor der Antenne liegenden Sonde gemessen wurden.
Das erfindungsgemäße System erlaubt die Abstrahlung von 4 bis 6 kW Spitzenleistung, verteilt auf Verstärker, die je weniger als 1 W liefern. Dadurch ergibt sich ein ausgezeichneter Rauschfaktor beim Empfang. Aufgrund der natürlichen Redundanz ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit. Eine modulare Unterteilung in Teilpaneele erleichtert die Herstellung, den Zusammenbau, die Tests und die eventuellen Reparaturen am Boden.
Die Synthese der Diagramme mit variabler Richtung und Form wird durch die steuerbaren Phasenschieber und die in Empfangsrichtung voreingestellten Dämpfungsglieder erzielt. Die Verwendung von identischen aktiven Moduln, deren Verstärker alle mit der gleichen Sendeleistung arbeiten, führt zu einer Verringerung der Kosten und des Verbrauchs, indem die Leistung der einzelnen Moduln verringert und der Wirkungsgrad optimiert wird.
Die Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
Figur 1 und 2 zeigen die Betriebsweise eines Radargeräts vom SAR-Typ.
Figur 3 zeigt den allgemeinen Aufbau des erfindungsgemäßen Antennensystems.
Die Figuren 4 bis 13 zeigen verschiedene Teile dieses Antennensystems.
Die Figuren 14 bis 22 zeigen Sende- und/oder Empfangsdiagramme (im Teil A) zum Betrieb des erfindungsgemäßen Antennensystems sowie Anregungskurven der entsprechenden Quellen (im Teil B).
Figur 23 zeigt eine Variante eines aktiven Moduls des erfindungsgemäßen Antennensystems. Figur 1 zeigt ein Zeitdiagramm für den Betrieb eines Radargeräts vom SAR-Typ. Der Empfangsteil 10 enthält
- einen H-Impuls 11 von 40 bis 50 us entsprechend der Aussendung 12 mit horizontaler Polarisation H,
- einen V-Impuls 13 von 40 bis 50 us entsprechend der Aussendung 14 mit vertikaler Polarisation V und einer Wiederholperiode
Tr = 1/PRF (≈ 2hz) ≈ 500 s
Der Empfangsteil 15 enthält
- ein Zielecho des y-ten vorhergehenden Impulses,
- ein Nutzecho mit H-Polarisation 17 des x-ten vorhergehenden Impulses (verteilt entlang der 20 km des nutzbaren Bereichs zwischen 55 Ps (minimaler Einfall) und 170 us (maximaler Einfall)),
- ein weiteres Echo 18 des Ziels,
- ein Nutzecho 19 des x-ten vorhergehenden Impulses in V-Polarisation.
Figur 2 zeigt schematisch die elektronische Abtastung mit einem Beobachtungsradargerät vom SAR-Typ.
Der Satellit 20 befindet sich im Orbit 21 in einem Abstand d beispielsweise von 680 km von der Erde 22, wobei der Punkt N den Fußpunkt definiert (Richtung auf den Erdmittelpunkt).
In Elevationsrichtung ergibt sich beispielsweise ein Abtastwinkel von 78ºl: δM = 54ºl auf einer Seite und δM' = 24º auf der anderen Seite der Richtung zwischen Satellit und Fußpunkt. Die bestrahlte Fläche 23 hat etwa einen Durchmesser von 20 km.
Figur 3 zeigt das allgemeine Schema der gedruckten aktiven Antenne gemäß der Erfindung.
Die genauen Abmessungen gehören zu einer besonderen Mission im Band X (Breite des Bands des Radarsignals 100 MHz um 9,65 GHz herum). Dabei erfolgt eine praktisch kontinuierliche elektronische Strahlablenkung bis zu 45º zur Antennenachse in der Elevationsebene (senkrechte Ebene, die durch die Normalrichtung zur Antennenebene verläuft), sowie eine Ablenkung von ±1º15 zu beiden Seiten der Visierachse in der zur Elevationsebene senkrechten Ebene.
Der Pegel der Sekundärkeulen ist mit -18 dB angegeben. Aufgrund der Amplituden-, Phasen- und Verformungsfehler, die manche Sekundärkeulen anheben, ist das Ziel für die theoretischen Diagramme ohne Fehler, daß die Sekundärkeulen bei -20 dB liegen.
Diese Angaben führen zu einer Antenne 30 mit einer Höhe 31 von 2,28 in und einer Länge 32 von 8,16 in mit 128 Zeilen 33 von je 51 zweifach polarisierten strahlenden Elementen 34, die je mit einem aktiven Modul 35 verbunden sind. Die Einheit aus strahlenden Elementen 34 und aktiven Moduln 35 sind gleichmäßig über die Antenne verteilt und besetzen je eine Oberfläche von 1,88 cm 16 cm.
Die Erfindung wird an diesem besonderen Fall hinsichtlich der Zahlenangaben und Abmessungen beschrieben. Das Prinzip kann aber auch bei anderen Missionen angewendet werden.
Um die Leistungsverstärkung zu verteilen und den Rauschfaktor beim Empfang zu verbessern, sind die mikroelektronischen Moduln 35 in MMIC-Technologie über die Antenne verteilt. Hierbei handelt es sich um integrierte Mikrowellenschaltungen, die die auf Siliziumbasis bekannten logischen integrierten Schaltungen auf Galliumarsenid-Basis übertragen. Sie erlauben die Miniaturisierung und Serienherstellung zu günstigen Preisen, indem sie die Phasenverschiebung, die Verstärkung und die Umschaltungen (zwischen Senden und Empfangen und zwischen den verschiedenen Polarisationen) gewährleisten. Jeder Modul ist an ein aufgedrucktes strahlendes Element 34 mit acht quadratischen Flecken 36 für beide Polarisationen angeschlossen. Diese Flecken können durch Fotoätzen zu günstigem Preis auf einer großen Oberfläche produziert werden.
Diese quadratischen Flecken 36 für beide Polarisationen sind leitende Bereiche auf einem dielektrischen Substrat. Sie sind in Gruppen von acht über Mikrostreifenleitungen 37 miteinander verbunden, die sie mit jeweils gleicher Amplitude und gleicher Phase an zwei zueinander senkrechten Punkten 38 und 39 anregen. Die Umschaltung von einem zum anderen der beiden Zugänge bewirkt die Abstrahlung (oder den Empfang) in horizontaler oder vertikaler Polarisation mit einem Kreuzpolarisationsgrad unter -20 dB im ganzen Bereich. Jeder aktive Modul 35 enthält in vier Chips zusammengefaßte Funktionen wie folgt
- der erste Chip enthält einen Phasenschieber 40 mit zwei digitalen Bits für 180º und 90º, der in Verbindung mit einem durch eine analoge Spannung gesteuerten Phasenschieber von 0 bis 90º und einem Eingangsschalter 41 betrieben wird,
- der zweite Chip enthält die verschiedenen Stufen eines Leistungsverstärkers HPA 42,
- der dritte Chip enthält einen Ausgangsschalter 43,
- der vierte Chip enthält die verschiedenen Stufen eines rauscharmen Verstärkers 44 und eines voreinstellbaren Dämpfungsglieds 45.
Die verschiedenen Chips sind auf ein Substrat aus Aluminiumoxid aufgeklebt und durch Thermokompression von Golddrähten eines Durchinessers von 17 Um und einer Länge unterhalb 50 Um miteinander verbunden.
Die logischen Chips auf Siliziumbasis bilden die Schnittstellen zwischen den Speise- und Steuerschaltungen einerseits und den Mikrowellenfunktionen andererseits und sind ebenfalls in demselben Gehäuse mit Abmessungen 18 40 50 mm integriert.
Eine speziell entworfene Schnittstelle ergibt die doppelte koaxiale Verbindung zum strahlenden Element sowie die gegenseitige mechanische Befestigung.
Die anderen Schaltungen in Figur 3 sind:
- ein Schalter 46, gefolgt von mehreren Verteilern 47 auf die Teilpaneele. Dieser Schalter empfängt in der Sendephase die Radarimpulse und liefert in der Empfangsphase die Echos,
- ein Rechner 48 zur Peilsteuerung,
- eine Steuerschaltung 49 für die Schalter,
- ein Eingang 63 für die Gleichstromversorgung.
Wie Figur 4 zeigt, sind die strahlenden Elemente nämlich auf Teilpaneelen 51 zusammengefaßt, die je drei Spalten 52 der Elemente und 32 Zeilen 53 der Elemente enthalten. Außerdem wird die Länge 32 der Antenne 30 in drei faltbare Paneele 54, 55, 56 aufgeteilt. So liegt hinter jedem Teilpaneel ein Verteiler 47, der also 96 aktiven Moduln entspricht.
Das Radargerät wird abwechselnd in Sende- und Empfangsrichtung sowie waagrechter und senkrechter Polarisation betrieben. Dies erfordert zwischen den Verstärkern und Sender-Empfängern zweier aufeinanderfolgender Schaltvorrichtungen (oder einer Isolationsvorrichtung für den ersten Verstärker)
- einen Sende-Empfangsschalter oder Zirkulator,
- einen Polarisationsschalter H/V.
Für die aktive Antenne ist es besonders günstig, wenn die Verstärker möglichst nahe bei den strahlenden Elementen liegen, um die Verluste zwischen den beiden in Grenzen zu halten, die nur den erforderlichen Verstärkungsgrad und die Leistung in der Sendephase sowie den Rauschfaktor in der Empfangsphase erhöhen würden.
Zugleich bilden diese beiden Vorrichtungen kritische Punkte, da:
- die Zirkulatoren nicht in MMIC-Technik in ihrer klassischen Form integriert werden können, da die Eigenschaften der Ferrite nicht reziprok sind,
- die integrierten Schalter erhebliche Verluste aufweisen und schwer alle zugleich hinsichtlich ihres Leistungspegels (Sendephase) und des Rauschfaktors (Empfangsphase) optimiert werden können.
Drei Architekturen sind möglich, um diese doppelte Schaltfunktion zu gewährleisten, wie sie in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellt sind:
- Die beiden ersten Lösungen, die zwei (57, 58) oder vier Schalter (59, 60, 61, 62) mit einem Eingang und zwei Ausgängen verwenden, haben zusätzliche Verluste der eingefügten beiden einfachen Schalter in der Sende- und der Empfangsphase zur Folge.
- Die dritte Lösung, die originell ist und einen Schalter 43 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen besitzt (im englischen DPDP), führt nur zu Verlusten, die denen eines einfachen Schalters für jede Betriebsstrecke ähneln.
In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform beruhen die Verluste hauptsächlich auf der unvollkommenen Isolierung des Feldeffekttransistors, der parallel zur Hauptstrecke an Masse liegt. Die drei auf den anderen Zweigen sitzenden Feldeffekttransistoren sind leitend und isolieren die beiden nicht verwendeten Tore. In dieser Figur 8 dienen vier Feldeffekttransistoren T1, T2, T3 und T4, die an Masse liegen, als Unterbrecher (im stromführenden oder blockierten Zustand, je nach der an das Gate angelegten Spannung). W&sub1; und W&sub2; sind die Breiten der Verbindungsleitungen (auf Galliumarsenid). Z&sub1; und Z&sub2; sind Anpassungsimpedanzen.
Ein solcher Schalter ist vollkommen geeignet für eine Integration in monolithischer Technologie (MMIC).
Der Verteiler 47 ist ein Dreiplatten-Verteiler, der die verschiedenen aktiven Sende-Empfangsmoduln 35 über eine Serie von fotogeätzten Spuren zwischen zwei dielektrischen Schichten und zwei Masseebenen verbindet. Jeder Verteiler enthält Verzweigungen in Form von 3 dB-Kopplern und ein belastetes Tor, das einen Teil der Störreflexionen absorbiert.
Es gibt sechs Dreiplattenverteiler, die hinter jedem Teilpaneel liegen. Drei dieser Verteiler werden im Normalbetrieb (Verteilung in Senderichtung und Summierung in Empfangsrichtung) und drei zu Eichzwecken verwendet werden (Summierung von im Sendebetrieb von -30 dB-Kopplern am Ausgang der aktiven Sende-Empfangsmoduln entnommenen Signalen).
Die Erfindung erlaubt es, die Antenne in Teilpaneele auf modulare Weise zu zerlegen.
Das elektrische Schema eines Teilpaneels ist in Explosionsdarstellung in Figur 9 gezeigt. Man erkennt:
- Flecken 36,
- strahlende Elemente 34,
- Koaxialkabel 65,
- aktive Moduln 35,
- die Dreiplattenverteiler 47,
- die Stromversorgungen 66,
- Steuerungen 67.
Die Abmessungen der Teilpaneele betragen etwa 50 50 cm aus folgenden Gründen:
- die verkupferten und geschichteten dielektrischen Substrate mit diesen Abmessungen können in einem Stück fotogeätzt werden, was die Herstellung der strahlenden Ebene und des Dreiplattenverteilers erleichtert:
- ein Teilpaneel, das nur ein Sostel bis zu einem loostel der Gesamtantenne darstellt, ist preiswert. Man kann einige Reserveexemplare herstellen für Reparaturen in letzter Minute während der Integration;
- ein Zwischenverstärkungsniveau (man spricht von Primärmoduln) wird am hinteren Eingang eines Teilpaneels gebildet, was die Herstellung der Sekundärmoduln vereinfacht, indem der Verstärkungsgrad der Verstärker auf 35 dB für den Leistungsverstärker und auf 25 dB für den rauscharmen Verstärker begrenzt wird.
Die gleichen in Serie nach der MMIC-Technologie hergestellten Chips für die Sekundärmoduln (hinter den Flecken) können für die Primärmoduln (hinter den Teilpaneelen) wiederverwendet werden, mit Ausnahme des Phasenschiebers 40, der nur in den Primärmoduln benötigt wird, und des Dämpfungsglieds 45, dessen Dynamik größer sein muß.
Eine Störung in einem Primärmodul, die zu einem kohärenten Loch im Strahlungsfeld der Antenne führt, beeinträchtigt deutlich stärker das Antennendiagramm als Störungen von Sekundärnmoduln, die zufällig über die Antenne verteilt sind. So sind die Primärmoduln in kleiner Zahl (68 im gewählten Beispiel) redundant vorgesehen. Dies ist nicht für die Sekundärmoduln erforderlich, bei denen man bis zu 5 oder 10% zufällige Ausfälle tolerieren kann.
Die Teilpaneele sind miteinander über einen koaxialen Priinärverteiler 70 verbunden, der in den Figuren 10 und 11 in einer waagrechten bzw. senkrechten Schnittdarstellung zu sehen ist. Dieser Verteiler enthält vier Sätze von steuerbaren Verzögerungsleitungen 71, die einen Peilfehler des Strahls während der Frequenzmodulation vermeiden, wenn die Beobachtung weit von der Lotlinie der Antenne erfolgt.
Figur 12 zeigt die elektrische Schaltung der in Figur 3 dargestellten Antenne.
Hier sieht man schematisch:
- einen Primärverteiler 70,
- 68 aktive Primärmoduln 72 (73), die keine Phasenschieber enthalten (diese Moduln liegen in Überzahl vor),
- 68 Sekundärverteiler 47 (74),
- 6528 Sekundärmoduln 35, die direkt hinter den Flecken liegen (75),
- 6528 strahlende Elemente 34 (76).
Nun wird die mechanische Struktur betrachtet:
- Die Wahl von besonders leichten Materialien (die aber für die mechanischen Strukturen starr sein müssen) erlaubt es, die Masse der aktiven Antenne entsprechend den oben angegebenen Abmessungen auf 700 kg zu begrenzen, was mit den folgenden Satellitenbedingungen vereinbar ist:
strahlende Ebenen und Dreiplattenverteiler aus Glas-Teflon-Keramik einer Dicke von 0,8 mm, die auf einem wabenförmigen Sandwich-Paneel aus Aluminium mit Aluminiumhaut aufliegen,
. Sekundärstruktur mit Kohlefaserplatten und dazwischenliegenden Aluminiumwaben,
. Primärstruktur aus Kohlenfaserstäben.
- Die Ausrichtung der Ebene für jedes Paneel wird durch eine gerippte mechanische Struktur 80 gewährleistet, die in Figur 13 zu sehen ist. Diese Struktur trägt starr die oben beschriebenen Teilpaneele, aber ein (aus thermoelastischer Sicht) nachgiebiges Verbindungssystem zwischen diesen beiden Strukturen ermöglicht es, daß Ausdehnungen der einen Struktur sich nicht auf die andere übertragen und daß die Ebenheit der Antenne gewährleistet ist, die unerläßlich ist, damit das Diagramm nicht beschädigt wird.
- Die Teilpaneele sind in Paneele zusammengefaßt, die beim Start gefaltet und im Orbit entfaltet werden: Im gewählten Beispiel gibt es drei faltbare Paneele 54, 55, 56, die mit der Plattform des Satelliten und der Hülle der Ariane 5 kompatibel sind.
- Die Mikrowellen-Verbindung der Paneele mit der Plattform erfolgt über verlustarme flexible Koaxialkabel, die die Entfaltung der Paneele mitmachen.
In Figur 13 sind die verschiedenen oben beschriebenen elektrischen Organe schematisch durch die Bezugszeichen 84, 85 und 86 angedeutet.
Für die Wärmekontrolle gibt es eine Kühlung der aktiven Moduln durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung innerhalb der Unterpaneele sowie durch Wärmestrahlung in Richtung zur Vorderseite der Antenne mit Hilfe einer weißgestrichenen, sehr feinen Thermohaube, die vor der strahlenden Ebene liegt.
Dagegen sind die Seiten und die Rückseite der Antenne mit einer Superisolation bedeckt, da ihre Sonnenbestrahlung während eines sonnensynchronen Umlaufs vom Typ 9h30/21h30 (Sonnenstunden des Durchgangs über dem Äquator) sehr variabel ist, insbesondere aufgrund der Schattenbildung der Plattform und der Strukturen.
Man erreicht somit eine Begrenzung der thermischen Gradienten an der Antenne in einem gegebenen Augenblick auf höchsten 5ºC, was unerläßlich ist, um Verformungen des Diagramms aufgrund der Veränderungen des Verstärkungsgrads und der Einfügungsphase der aktiven Moduln abhängig von der Temperatur zu vermeiden.
Während des Umlaufs ändert sich die Temperatur der MMIC-Moduln zwischen -10ºC (aufgrund einer Erwärmung am Ende der Wachperioden) und +14ºC, was für den Rauschfaktor und die Zuverlässigkeit sehr gut ist.
Um zu verhindern, daß Temperaturgradienten, die die vorgesehenen überschreiten und Verformungen der Antenne bewirken, die Diagramme allzu sehr beeinträchtigen, ist eine elektronische Kompensation der Verformungen vorgesehen (Planfehler), wie folgt:
- eine Lasermessung erfolgt von der Plattform bis zu kleinen Spiegeln, die über die Antenne geschickt verteilt sind,
- ein zentraler Rechner korrigiert die Steuerung der Phasenschieber, um die durch diese Verformungen induzierten Phasenfehler zu korrigieren.
Die Figuren 14 bis 22 zeigen in ihrem Teil A nacheinander Sende-, Empfangs- und Sende/Empfangsdiagramme. Ihr Teil B zeigt die Anregung der entsprechenden Quellen (N Zeilen von Flecken). Sie zeigen typische Diagramme für das Strahlungsgesetz gleicher Amplitude in der Sendephase und voreingestellter Dämpfung in der Empfangsphase auf nur vier Pegel für die Sekundärmoduln.
Die Kurven 80 und 81, die in den Teilen A dieser verschiedenen Figuren dargestellt sind, stellen äußere bzw. innere Sollgrenzen dar, die vorgegeben sind.
Die Figuren 14 und 15 zeigen die feinsten Sende- und Empfangsdiagramme Ge bzw. Gr in Elevationsrichtung, die durch eine Beleuchtung mit gleicher Phase erhalten werden. Figur 16 zeigt das gemeinsame äquivalente Diagramm [GeGr] für Sende-Empfang, das die gleichen Eigenschaften für das Radargerät gewährleistet.
Für einen Pegel der Sekundärkeulen in der Nähe von -20 dB besitzt dieses Diagramm eine feinere Hauptkeule an der Basis als die besten Diagramme, die man mit einer identischen Beleuchtung in Sende- und Empfangsrichtung erzielen kann. Dies erlaubt es, bei einem gegebenen Nutz-Öffnungswinkel (in diesem Beispiel 0041 bei -0,9 dB) eine geringfügig kürzere Antenne zu verwenden, und führt zu einer Verringerung der Zweideutigkeiten des Radarsignals.
Fügt man ein parabolisches Phasengesetz hinzu, dann kann man breitere Keulen erzeugen, ohne die Amplitudengesetze ändern zu müssen. Die Figuren 17 bis 19 geben Beispiele einer Keule mit einer Nutzbreite von 1069, d.h. 4,15 mal breiter als die feine Keule. Diese Modulation der Keulenbreite erlaubt es, die beleuchtete Bodenfläche konstant zu halten (die Breite des vom Nutzteil der Keule erfaßten Bodenstreifens), wenn sich der Visierwinkel aufgrund der elektronischen Peilsteuerung in Elevationsrichtung verandert. Dies geschieht durch Hinzufügung einer linearen Phase über die Höhe der Antenne.
Die Diagramme in Azimutrichtung sind stets so fein wie möglich (Figuren 20 bis 22), so daß die Länge der Antenne geringgehalten werden kann. Sie ergeben sich mit einer konstanten Dämpfung je Teilpaneel, mit dem gleichen Schritt (0,93 dB) wie über die Höhe der Antenne.
Dies erlaubt es, auf der Antennenfläche eine "trennbare" Beleuchtung zu erreichen, die ein Produkt des horizontalen und des vertikalen Gesetzes ist. Diese Gesetze bleiben also in jeder Schnittebene der Antenne parallel zu ihren Achsen konstant.
Innerhalb eines Teilpaneels braucht man nur vier Dämpfungspegel gemäß Figur 15; die verringerte Dynamik (2,8 dB) vermeidet es, daß das Phasengesetz verzerrt wird, wenn die Dämpfungsglieder nachgestellt werden.
Eine Drehung um 180º in der Antennenebene ermöglicht eine Umwandlung eines Teilpaneels des Typs SP1 in ein Teilpaneel des Typs SP4 und eines Teilpaneels des Typs SP2 in ein Teilpaneel des Typs SP3.
Die Regelung des Dämpfungsglieds des aktiven Moduls des Teilpaneels abhängig von seiner Stellung auf der Antenne ermöglicht es, von einem Teilpaneel SP2 auf ein Teilpaneel SP1 oder von einem Teilpaneel SP3 auf ein Teilpaneel SP4 (-3,72 dB) überzugehen, sowie das Beleuchtungsgesetz über die Länge der Antenne aufzustellen.
Dieses Dämpfungsglied der Primärmoduln muß über 12 Pegel einstellbar sein (Dynamik 10,2 dB). Die eventuellen Veränderungen der Einfügungsphase aufgrund dieser Regelung sind geeicht und werden durch den Bordrechner berücksichtigt sowie den Peilfehlerphasen und Erweiterungsphasen für die Steuerung der Phasenschieber hinzugefügt.
Dieses System ermöglicht also die Verwendung der identischen Teilpaneele mit nur zwei unterschiedlichen Typen von Regelungen der Dämpfungsglieder in den senkrechten Spalten der aktiven Sende-Empfangsmoduln. Nur die Regelung des hinten liegenden Primärmoduls muß bei Ersatz eines Teilpaneels durchgeführt werden.
Das aktive Antennensystem in Druckschaltungstechnik mit hohem Wirkungsgrad wurde im einzelnen anhand einer bestimmten Mission im Band X erläutert.
Die gleichen Prinzipien und die gleiche Architektur können auf andere Mikrowellenbänder und andere Diagrammspezifikationen angewendet werden. Dabei ändern sich nur die Abmessungen und die Anzahl der aktiven Moduln.
Anstatt eines Dämpfungsglieds mit passivem Feldeffekttransistor hinter dem rauscharmen Verstärker 91 kann man die letzte Stufe dieses Verstärkers durch einen Feldeffekttransistor mit zwei Gates ersetzen. Die Regelung der Spannung des zweiten Gates erlaubt die Einstellung seines Verstärkungsgrads.
Diese Lösung verringert die Veränderungen der Einfügungsphase gemäß den Dämpfungsfaktoren und ergibt eine höhere Verstärkungsdynamik (bis zu 20 dB), wenn dies erwünscht ist.
Beim gegenwärtigen Wissensstand überschreitet die Ausgangsleistung der Leistungsverstärker 42 in MMIC-Technologie nicht 1 bis 3 Watt. Braucht man eine größere Leistung aufgrund der Anzahl der aktiven Sende/Empfangsmoduln, dann kann man eine letzte sogenannte hybride Stufe 88 hinzufügen,
d.h. eine Stufe, die auf einem besonderen Substrat mit eigenen Anpassungsschaltungen realisiert wird.
In diesem Fall kann die Herstellung des Schalters mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen ein Problem darstellen wegen der in Senderichtung zu übertragenden Leistung. Man verwendet dann gemäß Figur 23 vorzugsweise einen Zirkulator 89, auf den ein Schalter 90 mit einem Eingang und zwei Ausgängen auf der Basis von PIN-Dioden folgt. Der rauscharme Verstärker 44 muß dann durch einen Begrenzer 91 gegen die Energie geschützt werden, die von der hybriden Stufe 88 kommt und an den strahlenden Elementen reflektiert wird, wenn diese nicht perfekt angepaßt sind.
Die Regelung des Verstärkungsgrads im Empfangskanal kann entweder durch ein Dämpfungsglied 45 oder durch einen rauscharmen Verstärker 44 mit variablem Verstärkungsgrad erfolgen, wie oben angegeben.
Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben und dargestellt. Man könnte die Elemente dieses Ausführungsbeispiels durch äquivalente Elemente ersetzen, ohne deswegen den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Aktives Antennensystem in Druckschaltungstechnik mit hohem Wirkungsgrad für ein agiles Satelliten-Radargerät, das im Pulsbetrieb und mit elektronischer Strahlpeilung in zwei Ebenen betrieben wird, wobei das System mehrere tausend mikroelektronische Sende-Empfangsmoduln (35) in MMIC-Technologie besitzt, die über die Antenne verteilt sind und je an ein strahlendes gedrucktes Element (34) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das System sowohl hinsichtlich Strahlrichtung als auch Polarisation agil ist und jedes strahlende gedruckte Element (34) mehrere quadratische, in zwei Polarisationen wirksame Flecken enthält, die durch Mikrostreifenleitungen (37) verbunden sind, durch die sie mit gleicher Amplitude und gleicher Phase über zwei zueinander senkrechte Zugänge (38, 39) angeregt werden, und daß das System Schaltmittel zum Anschluß an den einen oder den anderen dieser beiden Zugänge besitzt, um die Aussendung bzw. den Empfang in waagrechter oder senkrechter Polarisation zu gewährleisten, wobei das Zeitdiagramm des Systems die Sendephase eines Impulses in waagrechter Polarisation (H), die Empfangsphase der Echos eines vorhergehenden Impulses in waagrechter Polarisation (H), die Sendephase eines Impulses in senkrechter Polarisation (V) und den Empfang der Echos eines vorhergehenden Impulses in senkrechter Polarisation miteinander verschachtelt.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sende/Empfangsmodul (35) in MMIC-Technologie eine Leistung von höchstens 1 Watt aussendet.

3. Antennensystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne modular in Teilpaneele (51) zerlegt ist, die getrennt zusammengebaut werden können.

4. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangsmoduln der Teilpaneele (51) und die Sende/Empfangsmoduln (35) in MMIC-Technologie, die direkt hinter den strahlenden Elementen (34) liegen, einander gleichen.

5. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Schalter mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen (43) aufweisen, um die doppelte Umschaltung vom Sende- auf Empfangsbetrieb und von der waagrechten zur senkrechten Polarisation zu gewährleisten.

6. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem aktive Leistungsmoduln in Hybridtechnologie enthält, die einen Ausgangszirkulator (89) aufweisen.

7. Antennensystem nach Anspruch 1, wobei die aktive Antenne eine Vorderseite, eine Rückseite und eine Schmalseite zwischen diesen Seiten auf dem ganzen Umfang enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Superisolation auf der Rückseite und der Schmalseite und eine weiße Haube an der Vorderseite vorgesehen ist, um den Strahlungsaustausch nach vorne zu bewirken.

8. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl von Phasenschiebern zur Kompensation von Verformungen aufweist, die über die Oberfläche der Antenne in ausreichender Zahl verteilt sind, um eine solche Kompensation sicherzustellen.