DE69219809T2 - Integrierter elektronischer Kriegsführungsempfänger mit integraler Antenne - Google Patents
Integrierter elektronischer Kriegsführungsempfänger mit integraler AntenneInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Radiofrequenzantennen und insbesondere eine Radiofrequenzantenne, die mit einem Empfänger integriert ist.
- Bei heutigen elektronischen Militär-Systemen sind Radiofrequenzantennen und Empfänger separate Komponenten, die durch Koaxialkabel miteinander verbunden sind. Die Antenne ist normalerweise eine Wendelantenne, und ihre eigene symmetrische Impedanz wird unter Verwendung eines Symmetriegliedes auf die unsymmetrische charakteristische 50-Ohm-Impedanz des Koaxialkabels transformiert, durch welches die Antenne mit dem Empfänger verbunden ist. An dem Empfänger wird wieder ein Symmetrieglied verwendet, um die 50-Ohm-Impedanz des Verbindungs-Koaxialkabels zu transformieren, um es zu ermöglichen, daß der Empfänger symmetrisch mit dem Kabel und der Antenne verbunden ist. Durch jede Symmetrieglied-Transformation wird die Leistung des Antennen/Empfänger-Systems vermindert, da Leistungsverluste und Impedanzfehlanpassungen auftreten. Verluste können ebenfalls entstehen, wenn die von der Antenne empfangene Leistung im Koaxial-Verbindungskabel verlorengeht. Diese Verluste bewirken Phasengleichlauffehler und führen zu Signalverlusten, wodurch die Empfindlichkeit des Empfängers vermindert wird.
- Folglich besteht Bedarf an einer Antennen/Empfänger-Anordnung, durch die die negativen Auswirkungen der Symmetrieglied-Transformationen und Impedanzverluste vermindert werden, wodurch die Empfindlichkeit der Antenne und des Empfängers verbessert wird.
- In der US-E-32,369 ist ein monolithischer integrierter Mikrowellen-Schaltkreis offenbart, der ein integriertes Antennenfeld enthält. Die Antennenelemente, das in Phasen bringende Netzwerk, das Versorgungsnetzwerk und andere Komponenten sind auf einem einzelnen halbleitenden GaAs-Träger enthalten.
- Die EP-A-0 346 125 zeigt eine Antennen-Umsetzer-Anordnung für einen Satelliten-Rundfunk-Empfänger, der ein Gehäuse mit einer Strahlungsöffnung hat, um ein Mikrowellensignal zu empfangen.
- Die Erfindung betrifft eine integrierte Antennen/Empfänger-Einheit, bei der die Einheit eine RF-Antenne mit einer Anzahl von Antennenelementen, einen RF-Empfänger mit einer der Anzahl der Antennenelemente entsprechenden Anzahl von RF-Eingängen und eine zumindest der Anzahl der Antennenelemente entsprechende Anzahl von RF-Verstärkern aufweist, gekennzeichnet durch:
- eine gemeinsame ZF-Ausgabe- und lokale Oszillatoreingangssignalleitung, und Einrichtungen zur Kopplung der Antennenelemente mit einem zugehörigen RF-Verstärker, um so zwischen den RF-Antennenelementen und dem RF-Empfänger eine symmetrische Leitungsimpedanz beizubehalten.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Empfänger mit der Antenne integriert, um die nachteiligen Auswirkungen auf die Antennen/Empfänger-Empfindlichkeit zu vermeiden, die durch die Symmetrieglied-Transformationen und die Kabelverluste entstehen, die für Antennen/Empfänger-Anordnungen gemäß Stand der Technik charakteristisch sind. Bei der integrierten Antennen/Empfänger- Anordnung der vorliegenden Erfindung sind die Empfängerschaltkreise direkt mit den Antennenanschlüssen gekoppelt, wodurch eine integrierte Antennen/Empfänger-Einheit geschaffen wird, die von der Antenne bis durch den Empfänger eine symmetrische Leitungsimpedanz hat.
- Die integrierte Antennen/Empfänger-Einheit der vorliegenden Erfindung hat eine Anzahl von Radiofrequenz (RF) Verstärkern, die je mit einem Antennenanschluß verbunden sind. Ein RF-ZF- Mischer ist zum Abwärtsmischen und Addieren der empfangenen und verstärkten RF-Signale zu einem Zwischenfrequenz (ZF) Signal mit den RF-Verstärkerausgängen gekoppelt. Die ZF-Signalausgabe von dem Mischer wird weiter verstärkt, bevor sie zur Verarbeitung ausgegeben wird. Da die Antenne und der Verstärker benachbart zueinander angeordnet und direkt miteinander gekoppelt sind, sind die Impedanz transformierende Symmetrieglieder und Koaxial- Verbindungskabel nicht erforderlich. Daher werden durch die integrierte Antennen/Empfänger-Einheit der vorliegenden Erfindung die Signalverluste vermindert, die durch die Symmetrieglieder und Kabel der Vorrichtungen gemäß Stand der Technik erzeugt werden, wodurch eine bessere Grenzempfindlichkeit erreicht wird.
- Zusätzlich zur besseren Grenzempfindlichkeit wird durch die Frequenzumsetzung nahe der Antenne die Empfängerempfindlichkeit weiter verbessert, indem Signalverluste vermindert werden, die durch Signalabschwächungen verursacht werden, die bei der Übertragung durch das Kabel entstehen, durch welches die Antenne mit der RF-Verstärkerstufe verbunden ist. Durch den geringen Abstand zwischen der Antenne und dem Punkt der Abwärtsmischung in dem integrierten Empfänger werden außerdem Phasengleichlauffehler vermindert, die infolge der langen Übertragungswege zwischen der Antenne und dem Empfänger für die Vorrichtungen gemäß Stand der Technik charakteristisch sind.
- Zum besseren Verständnis der integrierten Antennen/Empfänger- Einheit der vorliegenden Erfindung, deren Vorteile und Anwendungen wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen:
- Figur 1 zeigt einen elektrischen Stromlaufplan der Systemarchitektur eines elektronischen Militär-Antennen/Empfänger- Systems gemäß Stand der Technik; und
- Figur 2 zeigt einen elektrischen Stromlaufplan einer elektronischen integrierten Militär-Antennen/Empfänger-Einheit, die die vorliegende Erfindung verkörpert.
- In Figur 1 ist ein elektronisches Militär-Antennen/Empfänger- System 100 gemäß Stand der Technik gezeigt. Das System 100 gemäß Stand der Technik hat zwei getrennte Komponenten, eine Antenneneinheit 101 und eine Empfängereinheit 103. Die Antenneneinheit 101 und die Empfängereinheit 103 sind durch ein Kabel 105 miteinander gekoppelt. Das Kabel 105 ist normalerweise ein Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm, kann aber auch ein anderes zur Übertragung von RF-Signalen geeignetes Kabel sein. Die Antenneneinheit 101 hat eine Wendel-Antenne 107 mit zwei Antennenelementen 109 bzw. 111. Die Antenne 107 wird von dem System 100 dazu verwendet, elektromagnetische RF-Signale zu empfangen, um diese zu verarbeiten.
- Die charakteristische Impedanz der Antenne 107 ist nicht gleich der des Koaxialkabels 105. Folglich sind die Antennenelemente 109 und 111 über ein Symmetrieglied (Balun) 113 mit dem Kabel 105 verbunden. Das Symmetrieglied 113 transformiert die symmetrische Eigenimpedanz der Antenne 107 auf die unsymmetrische charakteristische 50-Ohm-Impedanz des Koaxialkabels 105. Durch eine solche Transformation wird allgemein das von der Antenne 107 empfangene Signal vermindert, wodurch Signalverluste und Rauschen entstehen.
- Die Empfängereinheit 103 des Systems 100 hat einen symmetrischen RF-Verstärker 115. Ein erstes Symmetrieglied 117 des Verstärkers 115 koppelt das über das Koaxialkabel 105 empfangene Signal mit zwei RF-Verstärkern 119, indem die 50-Ohm-Impedanz des Kabels an die Eingangsimpedanz der Verstärker 119 (Amp) angepaßt wird. Durch ein zweites Symmetrieglied 121 werden die Ausgänge der beiden RF-Verstärker gekoppelt, und auf der Leitung 123 wird eine RF-Verstärkerausgabe erzeugt. Das Ausgabesignal von dem RF-Verstärker auf Leitung 123 wird einem Symmetrieglied 125 zugeführt, in dem das Signal vor der RF-ZF-Abwärtsmischung in zwei RF-Komponenten auf den Leitungen 127 und 129 aufgespalten wird. Ein Mischer 131 erhält die RF-Signalkomponenten von den Leitungen 127 und 129 sowie ein lokales Oszillatorsignal von Leitung 133 zur Abwärtsmischung der RF-Signale in ein ZF-Signal. Das vom Mischer 131 erzeugte ZF-Signal wird durch den ZF-Verstärker 135 verstärkt und über Leitung 137 auf einen ZF-Ausgabeanschluß 139 ausgegeben. Das Ausgangssignal am Anschluß 139 wird dann weiter verarbeitet, um das von der Antenne 107 empfangene elektromagnetische Eingangssignal rückzugewinnen.
- Vor der Verarbeitung durch den symmetrischen RF-Verstärker 115 des Empfängers 103 wird das empfangene Signal im allgemeinen durch ein Dämpfungsglied gedämpft und durch einen Selektor geleitet. Ein Kopplungsglied ist ebenfalls vorgesehen, um es zu ermöglichen, daß dem Empfänger 103 ein RF-Testsignal zugeführt wird, um den Schaltkreis zu testen und zu kalibrieren.
- Anschließend wird auf Figur 2 Bezug genommen, in der eine integrierte Antennen/Empfänger-Einheit 200 der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Eine Wendelantenne 201 mit einem Paar von Antennenelementen 203 und 205 ist über ein Paar von Antennenleitungen 209 bzw. 211 mit einem integrierten Empfänger 207 gekoppelt. In dem Empfänger 207 sind die Leitungen 209 und 211 jeweils mit Strahlungsgewinn-Steuerelementen 213 und 215 gekoppelt. Die Strahlungsgewinn-Steuerelemente 213 und 215 sind miteinander gekoppelt, wie allgemein bei 217 dargestellt ist, um einen symmetrischen Strahlungsgewinn der von der Antenne 201 empfangenen RF-Signale zu erreichen.
- Die Ausgänge der Strahlungsgewinn-Steuerelemente 213 und 215 sind jeweils mit Selektor-Schaltkreisen 219 und 221 gekoppelt. Die Ausgänge der Selektor-Schaltkreise 219 und 221 erzeugen die Eingabe für ein Paar von RF-Verstärkern 223 und 225, die das symmetrische RF-Signal von den Antennenleitungen 209 und 211 verstärken. Der Mischer 227 mischt die Ausgabe von den RF-Verstärkern 223 und 225 auf ein ZF-Signal herunter, das wiederum einem ZF-Verstärker 229 zugeführt wird. Das verstärkte ZF-Signal wird über den ZF-Verstärker 229 einem ZF-Ausgabeanschluß 231 zugeführt.
- Der ZF-Ausgabeanschluß 231 dient ebenfalls als der lokale Oszillatorsignaleingang. Durch einen Diplexer 233 werden das lokale Oszillatorsignal und das verstärkte ZF-Signal getrennt, so daß die RF-Verkabelung zu der Antenne minimiert ist. Die Leitung 235 koppelt das lokale Oszillatorsignal von dem Diplexer 233 mit dem Mischer 227. Um eine Kalibrierung der Phase und der Amplitude zu ermöglichen und um außerdem einen Selbsttest der integrierten Antennen/Empfänger-Einheit 200 durchführen zu können, kann ein RF-Testsignal mit dem Anschluß 237 gekoppelt werden, um mit den Antennenleitungen 209 und 211 zusammenzuwirken, wie allgemein bei 239 gezeigt ist. Zum Testen und Kalibrieren wird dann das RF-Testsignal am Anschluß 237 gemessen. Dadurch kann die integrierte Antennen/Empfänger-Einheit 200 in Amplituden- und/oder Phasengleichlaufsystemen verwendet werden.
- Die integrierte Antennen/Empfänger-Einheit 200 kann zu einem integrierten Gerät 243 zusammengefaßt werden, und ihre Schaltkreise können unter Verwendung einer bekannten Gallium-Arsenid- MMIC-Technik auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis-Chip implementiert sein. Durch die Verwendung eines integrierten Geräts 243 sind die Antenne 205 und der Empfänger 207 nahe beieinander angeordnet, wodurch Verluste und Rauschentstehung von Antennen und getrennten Empfänger vermindert werden, bei denen Verbindungskabel und Symmetrieglieder erforderlich sind. Das Gerät 243 ist mit drei Anschlüssen versehen. Zwei der drei Anschlüsse sind die Anschlüsse 231 und 237 für den getrennten ZF-Signalausgang, den lokalen Oszillatorleistungseingang und den RF-Testsignaleingang. Der dritte Anschluß am Anschluß 241 wird dazu verwendet, um den Schaltkreis mit Gleichstrom und um außerdem die Strahlungsgewinn-Steuerelemente 213 und 215 mit Steuersignalen zu versorgen.
- Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, den Schutzbereich auf diese besondere Ausgestaltung zu beschränken, es ist im Gegenteil beabsichtigt, solche Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente mit zu umfassen, die im Schutzbereich der Erfindung enthalten sind, der durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt ist.
Claims (6)
1. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit, wobei die Einheit
eine RF-Antenne (201) mit einer Anzahl von Antennenelementen
(203, 205), einen RF-Empfänger (207) mit einer der Anzahl
der Antennenelemente (203, 205) entsprechenden Anzahl von
RF-Eingängen (209, 211) und eine zumindest der Anzahl der
Antennenelemente (203, 205) entsprechende Anzahl von
RF-Verstärkern (223, 225) aufweist, die gekennzeichnet durch:
eine gemeinsame ZF-Ausgabe- und lokale
Oszillatoreingangssignalleitung (231), und Einrichtungen zur Kopplung der
Antennenelemente (203, 205) mit einem zugehörigen
RF-Verstärker (223, 225), um zwischen den RF-Antennenelementen
(203, 205) und dem RF-Empfänger (207) eine symmetrische
Leitungsimpedanz beizubehalten.
2. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit nach Anspruch 1,
wobei die RF-Antenne (201) und der RF-Empfänger (207) auf
einem einzelnen integrierten Schaltkreis-Chip angeordnet
sind.
3. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit nach Anspruch 2,
wobei der integrierte Schaltkreis-Chip einen Gallium-
Arsenid-MMIC-Chip enthält.
4. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit nach Anspruch 1,
wobei die RF-Antenne (201) eine Wendelantenne ist.
5. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit nach Anspruch 1, die
außerdem einen Strahlungsgewinn-Steuerschaltkreis (213, 215)
aufweist, der zwischen den Antennenelementen (203, 205) und
den RF-Verstärkern (223, 225) gekoppelt ist.
6. Integrierte Antennen/Empfänger-Einheit nach Anspruch 1, die
außerdem einen Diplexer-Schaltkreis (233) aufweist, um das
lokale Oszillatoreingangssignal von der gemeinsamen
ZF-Ausgabe- und lokalen Oszillatoreingangssignalleitung (231) zu
trennen.
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