EP0056984B1 - Phasengesteuerte Gruppenantenne - Google Patents

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EP0056984B1
EP0056984B1 EP82100406A EP82100406A EP0056984B1 EP 0056984 B1 EP0056984 B1 EP 0056984B1 EP 82100406 A EP82100406 A EP 82100406A EP 82100406 A EP82100406 A EP 82100406A EP 0056984 B1 EP0056984 B1 EP 0056984B1
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EP
European Patent Office
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phase
antenna
individual
aerial
radiator
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EP82100406A
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English (en)
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EP0056984A1 (de
Inventor
Ulrich Dr.-Ing. Petri
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CESSIONE;TELEFUNKEN SYSTEMTECHNIK GMBH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Definitions

  • the present invention relates to a phase-controlled group antenna of the type specified in the preamble of patent claim 1.
  • Such antennas are used advantageously in particular as radar antennas for airspace surveillance.
  • ⁇ n is the size of the phase of the n-th radiator element to be set
  • sin 9 is the sine of the angle of the radiation direction against the normal on the antenna surface
  • x " is the coordinate of the antenna element in the direction parallel to the plane, which is defined by normal and Beam direction is formed
  • 10 0 is the operating wavelength.
  • phase control In the case of radar antennas for airspace surveillance, it is also common to use the phase control not only for beam pivoting, but also for widening the antenna lobe (beam spoiling).
  • a second value cp is added to the control phase ⁇ n, which has the effect that the wave field excited by the antenna elements no longer has a flat phase front, but a curved phase front.
  • a course of this beam broadening phase ⁇ p proportional to the cosine of the distance from the antenna center has proven to be particularly suitable
  • D is the diameter of the group antenna in the x direction and x is measured from the center of the antenna area.
  • Such a group antenna with adjustable phase shifters for pivoting and shaping the directional diagram is known for example from GB-A 2032723.
  • the setting values for the phase shifters are stored in a read memory.
  • phase-controlled group antennas show deviations of the relative phase positions of the individual radiator elements from their target phase value due to manufacturing tolerances or under the influence of temperature fluctuations and when the operating frequency changes.
  • phase deviations it is known from GB-A 1 353617 to determine phase correction values in a computer and to compensate for the phase errors using adjustable phase shifters.
  • the implementation of widened main lobes of group antennas often leads to unsatisfactory results in practice, since the diagrams widened by the curvature of the phase front are sensitive to incorrect deviations in the amplitude of the antenna elements.
  • the curvature of the phase front namely has the effect that the power radiated from the antenna surface is no longer preferably radiated only in one spatial direction, but rather that each antenna element radiates preferably in the direction perpendicular to the phase front at the respective location of the element.
  • the course of the amplitude of the main lobe of the antenna pattern is thus an approximation of the amplitude course of the antenna area.
  • the object of the present invention is to provide a phase-controlled group antenna which eliminates the disruptive effects of the tolerance-related amplitude errors on the diagram without major additional outlay, without having to accept additional power losses.
  • the solution according to the invention is given in the case of an antenna of the type described in the preamble of patent claim 1 by the characterizing features of patent claim 1. Claims 2 and 3 indicate favorable developments of the invention.
  • phase-controlled group antenna already has the necessary phase shifters, only an additional function of the computer used to control the phase shifters (beam stearing unit) is required for the antenna according to the invention.
  • the aim of this synthesis is to find the phase profile for a given distribution of the RF power over the antenna cross section P A (x), which causes this power to be radiated in the far field according to a desired distribution function P F (9), that is to say that an antenna diagram with the desired profile as a function of the direction angle is achieved in the sectional planes under consideration. Because of the reciprocity, all versions also apply analogously to the receiving antenna.
  • D is the diameter of the antenna and the direction in which the desired radiation should begin.
  • the distribution of the power over the antenna cross-section can be determined by measurement on the mounted antenna. Either you measure it at the inputs of the exciter - in this case the integral has to be replaced by the sum of the power of the exciter - or directly in front of the exciter on a near field measuring station.
  • the mean power of a row of elements is to be taken in each case across the planes of the radiation direction under consideration.
  • the desired power distribution in the far field depends on the application.
  • a sector diagram is often required: However, because of the diffraction effects, this ideal desired diagram leads to implementations with an oscillating diagram. It is therefore advisable to choose a similar one instead of the ideal sector function (4), which has no sharp jumps. If the use of antennas does not require a different power distribution in the far field, a different desired diagram should be selected accordingly (e.g. cosecans in the square).
  • a radiation direction 8 (x) can be assigned by numerically integrating (3) each coordinate value x on the antenna aperture.
  • the numerical integration of (5) provides the setting value for the control phase of the element at location x n .
  • phase values are stored as a constant in the computer used to control the phase shifter.
  • the phase values for each frequency must be determined and saved separately.
  • Fig. 1 shows an example of a linear group of dipoles 1-6 with the coordinates X 1 -X 6 ' which are excited by a transmitter T via a feed line Sp.
  • the phases ⁇ 1 - ⁇ 6 can be set by electronic phase shifters PS.
  • FIG. 2A shows the optical beam path and curves of the same phase in front of the group antenna according to FIG. 1.
  • the phase setting emits a curved wavefront from the antenna aperture.
  • the radiated power runs parallel to the optical beams S, which are perpendicular to the curves of the same phase Ph, in the spatial direction 9.
  • the angular position of the beams 9 (x) must be such that the power density per angular unit corresponds to the required profile P F ( 9) corresponds.
  • FIG. 2B An example of such a desired power distribution in the far field, a sector diagram, is shown in FIG. 2B.
  • FIG. 3A shows (in a Cartesian representation) a cross section through a diagram of a serially fed group antenna without the correction according to the invention of the amplitude errors via the setting of the control phases.
  • the asymmetrical diagram distortions are clearly visible, which can lead to considerable angle measurement errors when the antenna is operated.
  • 3B shows the diagram corrected using the concept of the invention on the same antenna.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine phasengesteuerte Gruppenantenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Derartige Antennen finden insbesondere als Radarantennen für Luftraumüberwachung vorteilhafte Anwendung.
  • Es ist bekannt, dass sich die Richtung der Antennenkeule von Gruppenantennen durch Veränderung der Phase der Antennenelemente trägheitslos verändern lässt. Bei einem ebenen oder linearen Array sind die Werte der Phasen der Ströme in den einzelnen Antennenelementen nach der folgenden bekannten Formel einzustellen:
    Figure imgb0001
  • In dieser Formel ist ϕn die Grösse der einzustellenden Phase des n-ten Strahlerelements, sin 9 ist der Sinus des Winkels der Abstrahlrichtung gegen die Normale auf der Antennenfläche, x" ist die Koordinate des Antennenelementes in der Richtung parallel zur Ebene, die durch Normale und Abstrahlrichtung gebildet wird, und 100 ist die Betriebswellenlänge.
  • Bei Radarantennen zur Luftraumüberwachung ist es darüber hinaus üblich, die Phasensteuerung nicht nur zur Strahlschwenkung, sondern auch zur Verbreiterung der Antennenkeule (beam spoiling) zu benutzen. Dabei wird der Steuerungsphase ϕn ein zweiter Wert cp hinzuaddiert, der bewirkt, dass das von den Antennenelementen angeregte Wellenfeld nicht mehr eine ebene Phasenfront, sondern eine gekrümmte Phasenfront aufweist. Als besonders geeignet hat sich z.B. ein Verlauf dieser Keulenverbreiterungsphase ϕp proportional dem Cosinus des Abstandes von der Antennenmitte erwiesen
    Figure imgb0002
  • Dabei ist D der Durchmesser der Gruppenantenne in x-Richtung und x werde von der Mitte derAntennenfläche aus gemessen.
  • Eine derartige Gruppenantenne mit einstellbaren Phasenschiebern zur Schwenkung und Formung des Richtdiagramms ist beispielsweise aus GB-A 2032723 bekannt. Die Einstellwerte für die Phasenschieber sind in einem Lesespeicher abgelegt.
  • Die Speisenetzwerke von phasengesteuerten Gruppenantennen zeigen infolge von Fertigungstoleranzen oder unter dem Einfluss von Temperaturschwankung sowie beim Wechsel der Betriebsfrequenz Abweichungen der relativen Phasenlagen der einzelnen Strahlerelemente von ihrem Sollphasenwert. Zur Kompensation dieser Phasenabweichungen ist es aus GB-A 1 353617 bekannt, in einem Rechner Phasenkorrekturwerte zu ermitteln und über einstellbare Phasenschieber die Phasenfehler auszugleichen.
  • Darüber hinaus führt die Realisierung verbreiterter Hauptkeulen von Gruppenantennen in der Praxis vielfach zu unbefriedigenden Ergebnissen, da die durch Krümmung der Phasenfront verbreiterten Diagramme empfindlich bezüglich fehlerhaften Abweichungen der Amplitude der Antennenelemente sind. Die Krümmung der Phasenfront bewirkt nämlich, dass die von der Antennenfläche abgestrahlte Leistung nicht mehr vorzugsweise nur in eine Raumrichtung abgestrahlt wird, sondern dass jedes Antennenelement vorzugsweise in die Richtung der Senkrechten auf die Phasenfront am jeweiligen Ort des Elements strahlt. Damit ist der Verlauf der Amplitude der Hauptkeule des Antennendiagramms angenähert ein Abbild des Amplitudenverlaufs über die Antennenfläche. Nun weisen Leitungssysteme zur Speisung der Antennenelemente vielfach toleranzbedingte oder sogar systematische Fehler auf, insbesondere die wegen ihrer Kompaktheit bevorzugten seriellen Speisungen, vor allem bei breitbandiger Verwendung. Dies hat zur Folge, dass die erzielten Antennenkeulen verformt sind, welches wiederum in der Radaranwendung zu fehlerhaften Richtungsbestimmungen führt.
  • Eine Einschränkung der Toleranzen würde zu einem erheblichen Aufwand in der Entwicklung und Produktion solcher Speisungen führen. Eine nachträgliche Korrektur der Amplitudenwerte, beispielsweise über ein aus der DE-A 2113856 bekanntes steuerbares Speisenetzwerk in Form sogenannter Matrixsysteme, mit dem eine Änderung der Aperturbelegung einer Gruppenantenne möglich ist, wäre mit erheblichem Aufwand verbunden und nur durch zusätzliche Leistungsverluste zu erkaufen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine phasengesteuerte Gruppenantenne anzugeben, die ohne grösseren zusätzlichen Aufwand die störenden Auswirkungen der toleranzbedingten Amplitudenfehler auf das Diagramm beseitigt, ohne zusätzliche Leistungsverlsute in Kauf nehmen zu müssen. Die erfindungsgemässe Lösung ist bei einer Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Ansprüche 2 und 3 geben günstige Weiterbildungen der Erfindung an.
  • Wesentlich an der Erfindung ist also die Kompensation der Auswirkung der fehlerhaften Amplituden durch Einstellung der Steuerphasen nach Massgabe der gemessenen Amplitudenverteilung. Nachdem die phasengesteuerte Gruppenantenne ohnehin über die dazu notwendigen Phasenschieber verfügt, ist für die erfindungsgemässe Antenne nur eine zusätzliche Funktion des zur Steuerung der Phasenschieber verwendeten Rechners (Beam Stearing Unit) nötig.
  • Im folgenden wird eine besonders vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Abbildungen eingehend beschrieben.
  • Grundlage der nachfolgenden Herleitung einer Beziehung zwischen gemessenem Amplitudenverlauf und Einstellwerten für die Phaseneinstellung ist die Anwendung der geometrischen Optik auf die Synthese von Antennendiagrammen durch Gestaltung des Phasenverlaufs, wie sie z.B. für die Berechnung von Reflektorantennen üblich und z.B. in S. Silver: Microwave Antenna Theory and Design, McGraw-Hill 1949, pp. 497 ff. beschrieben ist.
  • Ziel dieser Synthese ist es, zu einer gegebenen Verteilung der HF-Leistung über den Antennenquerschnitt PA (x) den Phasenverlauf zu finden, der bewirkt, dass diese Leistung gemäss einer gewünschten Verteilungsfunktion PF (9) im Fernfeld abgestrahlt wird, d.h., dass in den betrachteten Schnittebenen ein Antennendiagramm mit gewünschtem Verlauf in Abhängigkeit zum Richtungswinkel erzielt wird. Wegen der Reziprozität gelten grundsätzlich alle Ausführungen auch analog für die Empfangsantenne.
  • Da, wie bereits dargelegt, bei diesem Verfahren der Diagrammsynthese jede Zone der Antenne hauptsächlich in eine bestimmte Raumrichtung strahlt, kann aus dem Energierhaltungssatz folgende Zuordnung der Querschnittskoordinaten x zum Winkel gefunden werden
    Figure imgb0003
  • D sei der Durchmesser der Antenne und die Richtung, bei der die gewünschte Abstrahlung beginnen soll. Die Verteilung der Leistung über den Antennenquerschnitt lässt sich durch Messung an der montierten Gruppenantenne bestimmen. Entweder misst man sie an den Eingängen der Erreger - in diesem Fall ist das Integral durch die Summe über die Leistung der Erreger zu ersetzen - oder direkt vor den Erregern auf einem Nahfeldmessplatz.
  • Falls es sich nicht um eine lineare Antennengruppe, sondern um ein zweidimensionales Array handelt, ist jeweils die mittlere Leistung einerZeile von Elementen quer zu Ebenen der betrachteten Abstrahlrichtung zu nehmen.
  • Die gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld hängt vom Anwendungszweck ab. Vielfach wird ein Sektordiagramm gefordert:
    Figure imgb0004
    Dieses ideale Wunschdiagramm führt allerdings wegen der Beugungseffekte zu Realisierungen mit oszillierendem Diagrammverlauf. Daher empfiehlt es sich, anstelle der idealen Sektorfunktion (4) eine dieser ähnliche zu wählen, die keine scharfen Sprünge aufweist. Wenn die Antennenverwendung keine andere Leistungsverteilung im Fernfeld erfordert, ist entsprechend ein anderes Wunschdiagramm zu wählen (etwa Cosecans im Quadrat).
  • Sind beide Funktionen PA und PF gegeben, so lässt sich durch numerische Integration von (3) jedem Koordinatenwert x auf der Antennenapertur eine Abstrahlrichtung 8(x) zuordnen. Die gesuchten Phasen ϕ B = (p (xn) ergeben sich aus der Tatsache, dass die Abstrahlrichtung senkrecht auf der Phasenfront steht, d.h. bei Zählung des Winkels von der Normalen auf die x-Richtung aus ist die Ableitung der Phase nach den Koordinaten x gleich dem Tangens des Winkels
    Figure imgb0005
    Die numerische Integration von (5)
    Figure imgb0006
    liefert direkt den Einstellwert für die Steuerphase des Elements am Ort xn.
  • Diese Phasenwerte werden in dem zur Steuerung des Phasenschiebers verwendeten Rechner als Konstante gespeichert.
  • Soweit die Radaranlage in mehreren Frequenzen betrieben wird und die Strahlungsamplituden der Elemente sich über die Frequenz erheblich ändern, sind die Phasenwerte für jede Frequenz gesondert zu bestimmen und abzuspeichern.
  • Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine lineare Gruppe von Dipolen 1-6 mit den Koordinaten X1-X6' die von einem Sender T über eine Speiseleitung Sp angeregt werden. Die Phasen ϕ1-ϕ6 können durch elektronische Phasenschieber PS eingestellt werden. Vor den Dipolen ergibt sich eine Verteilung der HF-Leistung PA(x), die z.B. mit einem Testempfänger R gemessen werden kann.
  • Fig. 2A zeigt den optischen Strahlengang und Kurven gleicher Phase vor der Gruppenantenne nach Fig. 1. Durch die Phaseneinstellung geht von der Antennenapertur eine gekrümmte Wellenfront aus. Die abgestrahlte Leistung verläuft parallel zu den optischen Strahlen S, die senkrecht auf den Kurven gleicher Phase Ph stehen, in die Raumrichtung 9. Die Winkellage der Strahlen 9(x) hat so zu erfolgen, dass die Leistungsdichte pro Winkeleinheit dem geforderten Verlauf PF(9) entspricht. Ein Beispiel für eine solche gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld, ein Sektordiagramm, ist in Fig. 2B dargestellt.
  • Die Fig.3A zeigt (in kartesischer Darstellung) einen Querschnitt durch ein Diagramm einer seriell gespeisten Gruppenantenne ohne die erfindungsgemässe Korrektur der Amplitudenfehler über die Einstellung der Steuerphasen. Deutlich erkennbar sind die asymmetrischen Diagrammverzerrungen, die beim Betrieb der Antenne zu beträchtlichen Winkelmessfehlern führen können. Fig. 3B zeigt demgegenüber das unter Anwendung des Erfindungsgedankens auf dieselbe Antenne korrigierte Diagramm.

Claims (3)

1. Phasengesteuerte Gruppenantenne mit einer Vielzahl einzelner Strahlerelemente oder Zeilen von Strahlerelementen mit je einem steuerbaren Phasenschieber (PS), die über ein Verteilernetzwerk mit einer gemeinsamen Speiseleitung (Sp) verbunden sind, wobei die Soll-Belegung der relativen Amplituden der einzelnen Strahlerelemente (1 bis 6) durch den Ort (X1 bis Xe) des einzelnen Strahlerelements innerhalb der Strahlergruppe und durch das gewünschte Antennendiagramm festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lesespeicher für die individuelle Einstellung der steuerbaren Phasenschieber Einstellwerte gespeichert sind, die nach Massgabe der Abweichung des gemessenen Verlaufs der tatsächlichen relativen Amplituden der einzelnen Strahlerelemente (1 bis 6) von der Soll-Belegung so bemessen sind, dass der Einstellwert ϕzur Steuerung der Phasen des n-ten Strahlerelements mit der gemessenen Amplitudenbelegung PA(x) in der Antennenapertur in Abhängigkeit von der parallel zum betrachteten Diagrammschnitt verlaufenden Koordinate x und der gewünschten Diagrammform PF(9) in Abhängigkeit vom Winkel der Abstrahlrichtung 8 über die Beziehung
Figure imgb0007
verknüpft ist, wobei (x) so definiert ist, dass
Figure imgb0008
und wobei x" die Koordinate des n-ten Antennenelements, D der Durchmesser der Antennenapertur, -der Winkel, bei dem die Abstrahlung beginnen soll, λo die Betriebswellenlänge sind und die Phasenverschiebung ϕconst beliebig, aber für alle Strahlerelemente gleich ist.
2. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Phasenschieber zugleich noch mit der Steuereinrichtung zur elektronischen Schwenkung des Diagramms verbunden sind.
3. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Betriebsart mit mehreren Sendefrequenzen zu jeder Sendefrequenz ein eigener Satz Einstellwerte gespeichert ist.
EP82100406A 1981-01-23 1982-01-21 Phasengesteuerte Gruppenantenne Expired EP0056984B1 (de)

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DE3102110A DE3102110A1 (de) 1981-01-23 1981-01-23 Phasengesteuerte gruppenantenne

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EP0056984A1 EP0056984A1 (de) 1982-08-04
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