EP0452799A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung einer phasengesteuerten Gruppenantenne - Google Patents

Abstract

Landehilfen mit phasengesteuerten Gruppenantennen müssen sehr sorgfältig kalibriert werden. Bisherige Verfahren benutzen dazu Meßsonden, die in jeden einzelenen Strahler der Gruppenantenne eingeführt werden. Für Phasenschieber mit 6 Bit Auflösung ist dieses Verfahren nicht hinreichend genau. Es werden daher ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher aus dem Ausgangssignal eines Integralhohlleiters (40) die Aperturbelegung der Gruppenantenne (43) bestimmt wird, und mit einer Soll-Aperturbelegung verglichen wird. Die Differenz zwischen Ist- (54) und Sollwert (52) wird iterativ mit Hilfe einer adaptiven Regeleinrichtung (51) ausgeglichen. <IMAGE> <IMAGE>

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung einer phasengesteuerten Gruppenantenne, insbesondere von Gruppenantennen für Mikrowellenlandesysteme.
• An die Genauigkeit von Landehilfen in der Luftfahrt, insbesondere an die Genauigkeit von Mikrowellenlandesystemen, werden sehr hohe Anforderungen gestellt. Um diesen Anforderungen gerecht werden zu können, müssen die für die Landesysteme verwendeten Antennen sehr gut kalibriert sein. Dies gilt sowohl für Azimutantennen (AZ-Antennen), als auch für die Elevations-Antennen (EL-Antennen). Aus der US-4,520,361 ist ein Verfahren zur Kalibrierung einer phasengesteuerten AZ-Antenne mit 4-Bit-Phasenauflösung bekannt, bei dem Testsonden in jeden Hohlleitereinzelstrahler eingeführt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Reproduzierbarkeit der Messungen mit Hilfe von Testsonden bei phasengesteuerten Gruppenantennen mit 6-Bit-Auflösung keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert. Eine solche Antenne ließe sich besser kalibrieren, kennte man ihre Aperturbelegung nach Betrag und Phase. Zur Gewinnung der Aperturbelegung einer phasengesteuerten Gruppenantenne bedient man sich eines Integralmonitorhohlleiters. In einen Integralmonitorhohlleiter werden über Koppellöcher Signalanteile aus jedem Strahlerelement entweder kurz vor der Abstrahlung oder unmittelbar nach der Abstrahlung eingekoppelt. Das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters entspricht in erster Näherung dem Verlauf des Fernfeldes der Antenne. Der Verlauf des Fernfeldes und die Aperturbelegung der Antenne sind durch Fourier-Transformation miteinander verknüpft. Aus dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters kann daher die komplexe Aperturbelegung der Antenne ermittelt werden. Bekannte Verfahren benutzen dazu die Quadraturmethode. (I/Q-Konverter). Bei dieser Methode wird das Signal eines lokalen Oszillators mit dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters einmal unter einem Winkel von 0°, und ein zweites Mal mit einer Phasenverschiebung von 90° gemischt. Die Mischung mit 0° Phasenverschiebung liefert den Realteil des Ausgangssignales, die Mischung unter 90° Phasenverschiebung den Imaginärteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters. Anschließende Fourier-Transformation von Real- und Imaginärteil des Ausgangssignales liefert die Aperturbelegung der Antenne. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Verwendung von zwei Mischern.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um phasengesteuerte Gruppenantennen reproduzierbar und mit einer für die Sicherheit erforderlichen Genauigkeit zu kalibrieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche enthalten Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß die Antenne auch während des Betriebes kalibriert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die Wahl der Hilbert-Transformation zur Gewinnung der Aperturbelegung nur ein Mischer verwendet werden muß. Dadurch verbessert sich das Signal-/Rauschverhältnis des Nutzsignales.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

Prinzip einer Gruppenantenne mit Integralmonitorhohlleiter,

Fig. 2

einen I/Q-Konverter,

Fig. 3

den prinzipiellen Aufbau eines homodynen Meßsystemes,

Fig. 4

eine Überwachungseinrichtung für eine phasengesteuerte Gruppenantenne.

Fig. 5

eine Regeleinrichtung zur Kalibrierung einer phasengesteuerten Gruppenantenne.

• In Fig. 1 ist ein Teil einer phasengesteuerten Gruppenantenne dargestellt. Mit 11 sind Strahler der Antenne bezeichnet. Mit 10 ist ein Integralmonitorhohlleiter bezeichnet, in den über Koppellöcher Signalanteile von jedem Strahlerelement eingekoppelt werden. Die Signalanteile überlagern sich im Integralmonitorhohlleiter zu einem komplexen, zeitabhängigen Signal. Bei den in den Integralmonitorhohlleiter eingekoppelten Signalanteilen handelt es sich entweder um Signalanteile kurz vor der Abstrahlung (bei Azimuth-Antennen) oder unmittelbar nach der Abstrahlung (bei Elevations-Antennen). Das am Ausgang 12 des Integralmonitorhohlleiters 10 anstehende Signal entspricht in erster Näherung dem Verlauf des Fernfelddiagrammes der Antenne. Wegen des durch die Fourier-Transformation gegebenen Zusammenhanges zwischen Aperturbelegung einer Antenne und dem Fernfelddiagramm derselben Antenne kann die komplexe Aperturbelegung aus dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters berechnet werden.
• Bei bekannten Einrichtungen wird dazu das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters in einer nach Fig. 2 dargestellten Weise aufbereitet. In Fig. 2 sind mit 20 und 21 Mischer bezeichnet, denen Signale aus Hybriden 22 und 23 zugeführt werden. Beim Hybrid 22 handelt es sich beispielsweise um ein 3 dB-0^o-Hybrid, beim Hybrid 23 um ein 3 dB-90^o-Hybrid. Über einen mit 24 bezeichneten Eingang wird dem Hybrid 23 ein Signal eines lokalen Oszillators zugeführt. Über einen mit 25 bezeichneten Eingang wird dem Hybrid 22 das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters zugeführt. Mit 26 und 27 sind HF-Abschlüsse bezeichnet, die man auch HF-Sumpf nennt. Sie dienen dazu, Bauelemente für Hochfrequenz reflexionsfrei abzuschließen. Am Ausgang des Mischers 20 steht dann der Realteil, am Ausgang des Mischers 21 der Imaginärteil des am Eingang 25 liegenden Signales an. Die beschriebene Einrichtung nennt man I/Q-Konverter, die Ausgangssignale der beiden Mischer heißen Quadraturkomponenten. Durch Fourier-Transformation wird dann in einem weiteren Schritt die Aperturbelegung der Antenne ermittelt. Die soeben beschriebene Einrichtung braucht zur Darstellung des komplexen Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters zwei Mischer.
• In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines homodynen Meßsystems dargestellt. Mit 30 ist ein Mischer bezeichnet, dem über Leitungen 35 und 36 Signale zugeführt werden. Der Ausgang des Mischers 30 wird einem Tiefpaß 31 zugeführt, an dessen Ausgang 37 das gewünschte Signal ansteht. Mit 32 ist ein Übertragungselement bezeichnet, dessen komplexe Übertragungsfunktion mit der gezeigten Anordnung bestimmt werden soll. Mit 33 ist ein Hochfrequenzgenerator bezeichnet, dessen Ausgangssignal dem Mischer 30 über die Leitung 36 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Generators 33 über einen Koppler 34 in das Übertragungselement 32 eingekoppelt. Ziel der gesamten Anordnung ist es, den Realteil der komplexen Übertragungsfunktion des Übertragungselementes 32 am Ausgang 37 zu erhalten. Setzt man voraus, daß der Betrag des Signales am Eingang 35 wesentlich kleiner als der Betrag des Signales am Eingang 36 ist, das heißt, daß der Mischer 30 im linearen Betrieb arbeitet, so ergibt sich folgendes:
• Über die Leitung 35 gelangt ein Signal A _M an den Mischer 30. Über die Leitung 36 gelangt ein Signal A _R ebenfalls an den Mischer 30. Mit
  
  ${\text{ψ}}_{\text{M}}{\text{= ω₀ t + α}}_{\text{M}}\text{+ φ(t):}$

  

  Phase des Monitorsignales
  ${\text{ψ}}_{\text{R}}{\text{= ω₀ t + α}}_{\text{R}}\text{:}$

  

  Phase des Referenzsignales
  φ(t): allgemeine Phasenfunktion des Systems 32
  ${\text{Δα = α}}_{\text{M}}{\text{- α}}_{\text{R}}$

  

  
  
  gilt für eine Spannung U am Ausgang 37 die Beziehung:

  
• Wie oben bereits erwähnt, steht am Ausgang 37 der Realteil der komplexen Übertragungsfunktion des Übertragungselementes 32 zur Verfügung.
• Real- und Imaginärteil des Spektrums komplexer, kausaler Zeitfunktionen hängen über eine Integraltransformation, die sogenannte Hilbert-Transformation, zusammen. Das heißt mit anderen Worten, daß es ausreicht, den Realteil solcher Funktionen zu messen, da der Imaginärteil vermöge der Hilbert-Transformation berechnet werden kann.
• Fig. 4 zeigt eine Antenne eines Mikrowellenlandesystems (MLS-System), bei der zur Gewinnung der Aperturbelegung der Antenne das homodyne Meßverfahren nach Fig. 3 benutzt wird. Im folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente wie in den anderen Figuren. In Fig. 4 sind die bereits aus Fig. 3 bekannten Elemente Mischer 30, Tiefpaß 31, Hochfrequenzsignalquelle 33 und Koppelelement 34 bezeichnet. Mit 40 ist ein Monitor bezeichnet, beispielsweise ausgeführt als Integralmonitorhohlleiter, wie Nummer 10 in Fig. 1. Mit 41 ist ein Netzwerk bezeichnet, das die aus der Hochfrequenzquelle 33 stammende elektrische Energie über mit 42 bezeichnete Phasenschieber auf mit 43 bezeichnete Antennenelemente der Gruppenantenne verteilt. Mit 43' ist die Gesamtheit der Strahler und der Phasenschieber bezeichnet. Aus den Antennenelementen werden Signale in den Integralmonitorhohlleiter 40 übergekoppelt. Das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters wird dem Mischer 30 zugeführt, in den gleichzeitig auch das mit Hilfe des Kopplers 34 eingekoppelte Hochfrequenzsignal gelangt. Hinter dem Tiefpaß 31 steht die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Spannung U zur Verfügung. Bei dieser Spannung U handelt es sich um den Realteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters 40. Die am Ausgang des Tiefpasses 31 anstehende Spannung U wird mittels eines sample-und-hold-Gliedes 44 und eines Analog/Digital-Wandlers 45 digitalisiert. Am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 45 steht damit ein zeit- und wertdiskretes Signal zur Verfügung. Aus diesem zeit- und wertdiskretem Signal wird mit Hilfe eines Signalprozessors 46 vermöge der diskreten Hilbert-Transformation der noch fehlende Imaginärteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters 40 berechnet. Nach dieser Operation steht das vollständige komplexe Fernfeldsignal der phasengesteuerten Gruppenantenne zur Verfügung. Anwendung der diskreten Fourier-Transformation (DFT) oder der schnellen Fourier-Transformation (FFT) liefert dann die Rücktransformation zur Aperturbelegung der Antenne.
• Zur Ausführung der diskreten Hilbert-Transformation oder der diskreten Fourier-Transformation und der schnellen Fourier-Transformation sei der Fachmann auf dem Gebiet der Signalverarbeitung auf eine Fülle fachspezifischer Literatur zu diesem Thema verwiesen, wie z.B. auf den Artikel "Quadrature Sampling with High Dynamic Range", erschienen in den IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-18. No. 4, November 1982, Seiten 736 bis 739.
• In Fig. 5 wird nun näher ausgeführt, in welcher Weise die phasengesteuerte Gruppenantenne nach Fig. 4 kalibriert wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente wie in Fig. 4. Die phasengesteuerte Gruppenantenne mit ihren Strahlern 43 ist hier als Block mit dem Bezugszeichen 43 versehen. Ebenfalls als Block erscheinen die Phasenschieber mit dem Bezugszeichen 42. Mit 50 ist ein am Ausgang des Integralhohlleiters 40 anstehendes Signal bezeichnet, das dem Fernfeld der Antenne entspricht. Dieses dem Fernfeld der Antenne entsprechende Signal 50 wird in einer mit 46' bezeichneten Recheneinheit einer Integraltransformation unterworfen, um die Aperturbelegung der Antenne zu gewinnen. Mit 51 ist eine Regeleinrichtung bezeichnet, der das Ausgangssignal der Recheneinrichtung 46' zugeführt wird. Über eine mit 52 bezeichnete Leitung wird einem mit 53 bezeichneten Summenpunkt der Sollwert für die Phaseneinstellung des mit 42 bezeichneten Phasenschiebers eingegeben. Über eine mit 54 bezeichnete Leitung wird von diesem Sollwert das Ausgangssignal der Regeleinrichtung 51 subtrahiert. Damit gelangt auf den Phasenschieber das Differenzsignal zwischen dem Sollwert auf Leitung 52 und dem Ausgangssignal der Regeleinrichtung 51 über Leitung 54. Die in Fig. 4 gesondert bezeichnete Recheneinrichtung 46', die Regeleinrichtung 51, der Summenpunkt 53 und die Leitung mit den Sollwerten 52 können je nach Ausführung in einem Signalprozessor als Programm realisiert sein. Alle die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Schritte können beispielsweise im Signalprozessor 46 in Fig. 4 ausgeführt werden. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß jedem einzelnen Strahler 43 der phasengesteuerten Gruppenantenne ein Regelkreis nach Fig. 5 zugeordnet ist. Zum Abgleich der Antenne wird in einem ersten Schritt ein Vergleich zwischen Soll- und Istwert der Aperturbelegung durchgeführt. Gleichzeitig werden von der Regeleinrichtung Korrekturwerte erzeugt. Sollte mit diesen Korrekturwerten eine vollständige Übereinstimmung zwischen Soll- und Istwerten nicht erreicht werden können, werden die Regelparameter verändert (adaptiver Regelkreis) und das eben beschriebene Verfahren wird wiederholt. Das Verfahren wird insgesamt so lange wiederholt, bis Soll- und Istwert der Aperturbelegung nur noch innerhalb vorgeschriebener Toleranzbereiche voneinander abweichen. Bei der Durchführung des Verfahrens muß die Abtastrate des Monitorsignales so hoch sein, daß unmittelbare Aliasing-Effekte in der rekonstruierten Belegungsfunktion vernachlässigbar klein werden, also deutlich über der Nyquist-Rate.
• Die Aperturbelegung wird durch Hilbert-Transformation des Ausgangssignals eines Integralmonitorhohlleiters gewonnen.

Claims (14)

1. Iteratives Verfahren zur Kalibrierung einer mittels Phasenschiebern gesteuerten Gruppenantenne, insbesondere für Mikrowellenlandesysteme (MLS), bei dem dem Fernfeld der Gruppenantenne entsprechende erste Signale aus einem Integralhohlleiter abgeleitet und durch Integral-Transformation in der Aperturbelegung der Antenne entsprechende zweite Signale transformiert werden,
   dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Signale mit in Speichermitteln abgespeicherten dritten Signalen verglichen werden und ein der Abweichung der zweiten Signale von den dritten Signalen etnsprechendes Differenzsignal erzeugt wird, das einer Regeleinrichtung zugeführt wird, deren Ausgangssignal auf mit der Gruppenantenne verbundene Phasenschieber wirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Signale zeitdiskrete Signale sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Aperturbelegung die schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation (FFT)) benutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung ein Mikroprozessor verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung ein Personal-Computer (PC) verwendet wird.
6. Vorrichtung zur Kalibrierung einer aus einer Vielzahl von über elektronisch angesteuerte Phasenschieber mit Hochfrequenzenergie versorgte Strahler bestehenden phasengesteuerten Gruppenantenne, insbesondere für Mikrowellenlandesysteme (MLS), mit einem Integralhohlleiter und ersten Mitteln, die Ausganssignale des Integralhohlleiters durch Fourier-Transformation in eine Aperturbelegung der Gruppenantenne umwandeln, gekennzeichnet durch Speichermittel zur Speicherung einer Soll-Aperturbelegung und Vergleichsmittel, die die Soll-Aperturbelegung mit der Aperturbelegung der Gruppenantenne vergleichen, und durch Regelmittel, die jeden einzelnen elektronischen Phasenschieber abhängig von der Abweichung zwischen der Soll-Aperturbelegung und der Aperturbelegung der Antenne beeinflussen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor als Regel- und Vergleichsmittel.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen PC als Regel- und Vergleichsmittel.
9. Verfahren zur Gewinnung einer komplexen Aperturbelegung von phasengesteuerten Gruppenantennen durch Fourier-Transformation eines aus einem Integralmonitorhohlleiter (10) stammenden zeitabhängigen komplexen Signales,
   gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   a) homodyne Detektion des Realteiles des Signales des Integralmonitorhohlleiters

   b) Bildung des Imaginärteiles des Signales mittels Hilbert-Transformation.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Anwendung der diskreten Hilbert-Transformation.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 10, gekennzeichnet durch die Anwendung der diskreten Fourier-Transformation.
12. Vorrichtung zur Gewinnung einer komplexen Aperturbelegung einer phasengesteuerten Gruppenantenne, mit einem Integralmonitorhohlleiter (10), an dessen Ausgang ein dem Strahlungsdiagramm der Antenne entsprechendes komplexes erstes Signal abgenommen wird, weiterhin mit einer die Gruppenantenne mit einer Trägerfrequenz f₀ ansteuernden Hochfrequenzquelle (33) und einem die Hochfrequenzenergie auf die Antennenelemente verteilenden Netzwerk (41), weiterhin mit Mitteln zum Multiplizieren (30) des ersten Signales mit einem zweiten Signal sowie mit einem den Mitteln zum Multiplizieren folgenden Tiefpaß (31),
    dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal die Frequenz f₀ hat.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Tiefpaß folgender Analog/Digital-Wandler (45) das Ausgangssignal des Tiefpasses digitalisiert.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Analog/Digital-Wandler folgender Signalprozessor (46) das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers einer Hilbert-Transformation unterwirft.

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