EP0829922A2 - Phasengesteuerte Antenne - Google Patents
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Definitions
- the invention is based on a phase-controlled antenna according to the preambles of claims 1 and 2.
- Such antennas in particular for radar applications, are known, for example from the published documents DE-A 38 03 779 and DE-A 39 02 739.
- the arrangements described therein essentially consist of a multiplicity of transmit / receive radiator elements which are arranged in a line or matrix .
- These transmit / receive radiator elements are connected to a known transmit / receive arrangement via a phase shifter arrangement, a distribution network and a transmit / receive changeover switch, a circulator.
- the distribution network and the phase shifter arrangement serve for the electronic shaping and / or pivoting of a transmitting / receiving lobe.
- the send / receive switch the transmit and receive signals are decoupled.
- the invention is therefore based on the object of improving a generic arrangement such that the use of technically complex components, in particular the circulator, is eliminated.
- the invention is based on the use of a series feed line which has a plurality of coupling / decoupling points for coupling / decoupling the transmission / reception signals used and also two gates for coupling the transmission and reception arrangement.
- a series feed line and a distribution and phase control network coupled to it With such a series feed line and a distribution and phase control network coupled to it, a transmission / reception switchover is surprisingly possible without the need for a separate transmission / reception switchover, in particular a circulator.
- a series feed line consists of a waveguide suitable for the transmission / reception wavelengths used, for example a waveguide, in which a predeterminable number of coupling points, for example coupling slots, are arranged at predeterminable, equidistant intervals in the direction of propagation of the guided wave.
- the waveguide WE has two gates T1, T2 and a predeterminable number of slots S1 to Sn, where n is a predeterminable integer.
- the slots S1 to Sn are designed as coupling / decoupling slots for the wave guided in the waveguide WE (wavelength ⁇ ) and are at a distance of ⁇ / 2 in the longitudinal direction of the waveguide WE (direction of propagation of the wave).
- An associated connecting waveguide VW1 to VWn (connecting waveguide) is coupled to each of the coupling / decoupling slots S1 to Sn.
- phase adjuster networks which are not shown but which are known per se from the publications mentioned at the outset and which are designated by PHN in FIG.
- the transmitting / receiving radiator elements are connected. If, for example, a transmission signal is now coupled into the gate 1 as a continuous wave, portions are coupled out at the coupling / decoupling slots S1 to Sn and passed to the transmitting / receiving radiating elements via the connecting waveguides VW1 to VWn and the phase adjusters. A pivoting of the transmission lobe (transmission characteristic) is then possible in a known manner by means of the phase adjuster.
- the signal received by the transmission / reception radiator elements for example the echo signals belonging to the transmission signal, is now conducted into the waveguide WE via the phase adjusters of the phase network and the connecting waveguides VW1 to VWn. It is now advantageously possible to set the phase adjuster in this case of reception in such a way that the received signal arising in the waveguide WE can be coupled out at the second gate T2. At most, a negligible (reflection) component arises at the first gate T1.
- the received signal generated at the second gate T2 is then passed to a (radar) receiver in a manner known per se, for example via waveguides, and evaluated there.
- the arrangement described can be produced with a large number of waveguides, for example in so-called stripline or microstrip or coaxial technology.
- FIG. 2 shows a further example in which two divider networks TN1, TN2 are arranged symmetrically with respect to a symmetry line SY.
- Each of the divider networks TN1, TN2 is constructed, for example, in accordance with FIG. 1, but with the difference that a single coupling / decoupling connection EA1, EA2 is present in each case.
- These coupling / decoupling connections correspond, for example, to gate T1 (FIG. 1), gate T2 (FIG. 1) being terminated with a terminating resistor (RF sump).
- the divider networks TN1, TN2 are coupled to transmit / receive radiator elements via phaser networks PHN.
- the coupling / decoupling connections EA1, EA2 are connected to gates of a coupler KO which is designed as a 3 dB hybrid, for example as a so-called "magic T” or as a 3 dB directional coupler.
- This coupler KO also has a (transmit) gate T1 and a (receive) gate T2, the function of which has already been described with reference to FIG. 1.
- the arrangement described with reference to FIG. 2 corresponds in the (radar) antenna technology to an arrangement for generating sum / difference diagrams.
- phase adjuster in the case of a transmission signal coupled into gate T1 in such a way that a sum diagram known from radar technology is emitted (emitted) by the transmission / reception radiator elements.
- reception it is also possible, as described with reference to FIG. 1, to use the phase adjuster in this way set that the received signal of the same sum diagram can be coupled out at gate T2.
- the necessary changeover of the phase adjuster is 180 ° in one of the two halves of the phase adjuster network.
- a desired high decoupling for example greater than 20 dB, can be produced between the gates T1, T2 if the coupler KO (hybrid) has a correspondingly high decoupling with reflection-free termination and care is also taken to ensure that the arrangement shown in FIG of the guided waves is symmetrical and also has the lowest possible reflection factors.
- the arrangement described can advantageously also be produced using different line technology, as already described with reference to FIG. 1.
- the example according to FIG. 3 differs from that according to FIG. 2 only by the connection diagram of the transmitting / receiving radiator elements.
- the arrangement according to FIG. 3 has a type of alternating connection. With consecutively numbered transmit / receive radiator elements, all odd-numbered transmit / receive radiator elements are coupled to one divider network, for example TN1, and all even-numbered ones to the other, here TN2.
- This interlocking coupling makes it possible to generate a summation diagram for a received signal at gate T1, while a signal coupled out at gate T2 does not correspond to a difference diagram.
- This arrangement can also advantageously be produced in the technologies already mentioned.
- phase shifters phase shifters
- phase shifters phase shifters
- the invention is particularly advantageous when non-reciprocal phase adjusters (ferrite phase shifters) are already used in the transmitting / receiving arrangement, since these phase adjusters have to be switched over with every transmission / reception switching operation. In this switching process, the described additional phase adjustment can then be carried out without more effort.
Abstract
Description
- Die Erfindung geht aus von einer phasengesteuerten Antenne nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.
- Solche Antennen, insbesondere für Radaranwendungen, sind bekannt, beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE-A 38 03 779 sowie DE-A 39 02 739. Die dort beschriebenen Anordnungen bestehen im wesentlichen aus einer Vielzahl von Sende/Empfangsstrahlerelementen, die zeilen- oder matrixförmig angeordnet sind. Diese Sende/Empfangsstrahlerelemente sind über eine Phasenschieberanordnung, ein Verteilernetzwerk sowie einen Sende/Empfangsumschalter, einen Zirkulator, an eine an sich bekannte Sende/Empfangsanordnung angeschlossen. Dabei dient das Verteilernetzwerk sowie die Phasenschieberanordnung zur elektronischen Formung und/oder Schwenkung einer Sende/Empfangskeule. Durch den Sende/Empfangsumschalter wird eine Entkopplung der Sende- und Empfangssignale erreicht.
- Eine dartige Anordnung ist in nachteiliger Weise technisch aufwendig, da eine Vielzahl genauer Bauelemente erforderlich sind.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung dahingehend zu verbessern, daß eine Verwendung technisch aufwendiger Bauelemente, insbesondere des Zirkulators, entfällt.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.
- Die Erfindung beruht auf der Verwendung einer Serien-Speiseleitung, die mehrere Ein/Auskoppelstellen zur Ein/Auskopplung der verwendeten Sende/Empfangssignale besitzt und außerdem zwei Tore zur Ankopplung der Sende- sowie der Empfangsanordnung. Mit einer solchen Serien-Speiseleitung und einem daran angekoppelten Verteiler- und Phasenstellernetzwerk ist in überraschender Weise ein Sende/Empfangsumschaltung möglich, ohne daß ein gesonderter Sende/Empfangsumschalter, insbesondere ein Zirkulator, nötig ist. Eine Serien-Speiseleitung besteht aus einem für die verwendeten Sende/Empfangswellenlängen geeigneten Wellenleiter, beispielsweise einem Hohlleiter, bei dem in der Ausbreitungsrichtung der geführten Welle in vorgebbaren, äquidistanten Abständen eine vorgebbare Anzahl von Koppelstellen, beispielsweise Koppelschlitze, angeordnet sind. Damit ist es beispielsweise im Sendefall möglich, ein in dem Wellenleiter geführtes Sendesignal in eine vorgebbare Anzahl, welche der Anzahl der Koppelstellen entspricht, von Einzel-Sendesignalen mit vorgebbaren Sendeleistung aufzuteilen. Diese ist insbesondere von der Ausgestaltung der Koppelstellen abhängig, was einem Fachmann geläufig ist. Diese Einzel-Sendesignale, die beispielsweise einer vollständigen Zeile von Strahlerelementen zugeordnet sind, werden dann über Verteiler- und Phasenstellernetzwerke den einzelnen Sende/Empfangsstrahlerelementen zugeleitet.
- Bei der Erfindung wird nun die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Funktion einer solchen Serien-Speiseleitung, insbesondere die Ausbreitungsrichtung der geführten Welle, von den an den Koppelstellen vorhandenen Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen abhängt.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren näher erläutert. Diese zeigen schematisch dargestellte Verteilernetzwerke.
- Fig. 1 zeigt einen Wellenleiter WE, beispielsweise einen Hohlleiter mit rechteckförmigem Querschnitt für den 5-GHz-Bereich. Der Wellenleiter WE hat zwei Tore T1, T2 und eine vorgebbare Anzahl von Schlitzen S1 bis Sn, wobei n eine vorgebbare ganze Zahl ist. Die Schlitze S1 bis Sn sind als Ein-/Auskoppelschlitze ausgebildet für die im Wellenleiter WE geführte Welle (Wellenlänge λ) und haben in der Längsrichtung des Wellenleiter WE (Ausbreitungsrichtung der Welle) eine Abstand von λ/2. An jedem der Ein-/Auskoppelschlitze S1 bis Sn ist ein zugehöriger Verbindungswellenleiter VW1 bis VWn (Verbindungshohlleiter) angekoppelt. Diese führen zu nicht dargestellten, aber aus den eingangs genannten Druckschriften an sich bekannten Phasensteller-Netzwerken, die in mit PHN bezeichnet sind. An diese sind dann, entsprechend den eingangs genannten Druckschriften, die Sende/Empfangsstrahlerelemente angeschlossen. Wird nun beispielsweise ein Sendesignal als fortlaufende Welle in das Tor 1 eingekoppelt, so werden an den Ein-/Auskoppelschlitzen S1 bis Sn Anteile ausgekoppelt und über die Verbindungswellenleiter VW1 bis VWn sowie die Phasensteller an die Sende/Empfangsstrahlerelemente geleitet. Mittels der Phasensteller ist dann in bekannter Weise eine Schwenkung der Sendekeule (Sendecharakteristik) möglich.
- Im Empfangsfall wird nun das von den Sende/Empfangsstrahlerelemente empfangene Signal, beispielsweise die zu dem Sendesignal gehörenden Echosignale, über die Phasensteller des Phasen-Netzwerkes sowie die Verbindungswellenleiter VW1 bis VWn in den Wellenleiter WE geleitet. Es ist nun vorteilhafterweise möglich, die Pasensteller in diesem Empfangsfall derart einzustellen, daß das in dem Wellenleiter WE entstehende Empfangssignal an dem zweiten Tor T2 auskoppelbar ist. An dem ersten Tor T1 entsteht allenfalls ein vernachlässigbarer (Reflexions-)Anteil. Das an dem zweiten Tor T2 entstandene Empfangssignal wird dann in an sich bekannter Weise, beispielsweise über Hohlleiter, an einen (Radar-)Empfänger geleitet und dort ausgewertet.
- In der beschriebenen Weise ist also eine Trennung des Sendesignals, das in das erste Tor T1 eingekoppelt wird, von dem Empfangssignal, das aus dem zweiten Tor T2 ausgekoppelt wird, möglich, ohne daß ein zusätzlicher Sende-/Empfangsumschalter, beispielsweise ein Zirkulator, verwendet wird. Der beschriebene Sende-/Empfangs-Umschaltvorgang erfolgt allein durch eine Verstellung der Phasensteller um Werte, die von der Phasenprogression der Serien-Speiseleitung und dem einzustellenden Elevations-Schwenkwinkel der Strahlcharakteristik abhängen; die entsprechende Berechnung ist dem Fachmann geläufig.
- Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Anordnung mit einer Vielzahl von Wellenleitern, beispielsweise in sogenannter Stripline- oder Mikrostrip- oder Koaxial-Technologie, herstellbar ist.
- Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem zwei Teiler-Netzwerke TN1, TN2 symmetrisch angeordnet sind bezüglich einer Symmetrielinie SY. Jedes der Teiler-Netzwerke TN1, TN2 ist beispielsweise entsprechend Fig.1 aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß jeweils ein einziger Ein-/Auskoppelanschluß EA1, EA2 vorhanden ist. Diese Ein-/Auskoppelanschlüsse entsprechen beispielsweise dem Tor T1 (Fig. 1), wobei das Tor T2 (Fig. 1) mit einem Abschlußwiderstand (HF-Sumpf) abgeschlossen ist. Die Teiler-Netzwerke TN1, TN2 sind, wie anhand Fig. 1 beschrieben, über Phasensteller-Netzwerke PHN mit Sende-/Empfangsstrahlerelementen gekoppelt. Die Ein-/Auskoppelanschlüsse EA1, EA2 sind an Tore eines Koppler KO angeschlossen, der als 3 dB-Hybrid ausgebildet ist, beispielsweise als sogenanntes "magisches T" oder als 3 dB-Richtkoppler. Dieser Koppler KO besitzt außerdem ein (Sende-)Tor T1 sowie ein (Empfangs-)Tor T2, deren Funktion bereits anhand Fig. 1 beschrieben wurde. Die anhand der Fig. 2 beschriebene Anordnung entspricht in der (Radar-)Antennentechnik einer Anordnung zur Erzeugung von Summen-/Differenzdiagrammen. Mit der beschriebenen Anordnung ist es beispielsweise möglich bei einem in Tor T1 eingekoppelten Sendesignal die Phasensteller derart einzustellen, daß von den Sende-/Empfangsstrahlerelementen ein aus der Radartechnologie bekanntes Summendiagramm ausgesandt (abgestrahlt) wird. Im Empfangsfall ist es, wie anhand Fig. 1 beschrieben, ebenfalls möglich, die Phasensteller derart einzustellen, daß das Empfangssignal des selben Summendiagramms an Tor T2 ausgekoppelt werden kann. Die dazu nötige Umstellung der Phasensteller beträgt 180° in einer der beiden Hälften des Phasensteller-Netzwerkes. Dabei ist zwischen den Toren T1, T2 eine erwünscht hohe Entkopplung, beispielsweise größer 20 dB, herstellbar, wenn der Koppler KO (Hybrid) bei reflexionsfreiem Abschluß eine entsprechend hohe Entkopplung besitzt und außerdem darauf geachtet wird, daß die in Fig. 2 dargestellte Anordnung bezüglich der geführten Wellen symmetrisch aufgebaut ist und außerdem möglichst geringe Reflexionsfaktoren besitzt. Die beschriebene Anordnung ist vorteilhafterweise ebenfalls in unterschiedlicher Leitungstechnologie herstellbar, wie bereits anhand Fig. 1 beschrieben.
- Das Beispiel entsprechend Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen entsprechend Fig. 2 lediglich durch das Anschlußschema der Sende-/Empfangsstrahlerelemente. Im Gegensatz zu Fig. 2, wo die eine Hälfte der Sende-/Empfangsstrahlerelemente vollständig an ein Teilernetzwerk TN1, TN2 angeschlossen ist, erfolgt bei der Anordnung gemäß Fig. 3 eine Art alternierender Anschluß. Dabei werden bei fortlaufend nummerierten Sende-/Empfangsstrahlerelementen alle ungeradzahligen Sende-/Empfangsstrahlerelemente an ein Teilernetzwerk, beispielsweise TN1, angekoppelt und alle geradzahligen an das andere, hier TN2. Durch diese verzahnte Ankopplung ist es möglich, für ein Empfangssignal an Tor T1 ein Summendiagramm zu erzeugen, während ein an Tor T2 ausgekoppeltes Signal nicht einem Differenzdiagramm entspricht. Auch diese Anordnung ist vorteilhafterweise in den den bereits erwähnten Technologien herstellbar.
- Bei den beschriebenen Beispielen müssen lediglich die Phasensteller (Phasenschieber) von Senden auf Empfangen oder umgekehrt umgeschaltet werden. Für derartige Phasenumschaltvorgänge ist eine Vielzahl derzeit üblicher Phasensteller geeinet, beispielsweise Verzögerungsleitungen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn bereits nichtreziproke Phasensteller (Ferrit-Phasenschieber) in der Sende/Empfangsanordnung verwendet werden, da diese Phasensteller bei jedem Sende-/Empfangs-Umschaltvorgang umgeschaltet werden müssen. Bei diesem Umschaltvorgang ist dann die beschriebene zusätzliche Phasenverstellung ohne mehr Aufwand durchführbar.
Claims (10)
- Phasengesteuerte Antenne, zumindest bestehend aus- mehreren zeilen- und spaltenförmig angeordneten Sende-/Empfangs-Strahlerelementen,- einem Verteiler- und Phasensteller-Netzwerk zur Erzeugung vorgebbarer Sende-/Empfangscharakteristiken der von den Sende-/Empfangs-Strahlerelementen ausgesandten und/oder empfangenen Signale sowie- einer Sende-/Empfangsumschaltung zum wahlweisen Anschluß des Verteiler- und Phasensteller-Netzwerkes an eine Sende- und/oder Empfangsanordnung, dadurch gekennzeichnet,- daß für die Sende-/Empfangsumschaltung eine Serienspeisung vorhanden ist, bestehend aus einem Wellenleiter (WE), der an seinem einen Ende ein erstes Tor (T1) und an seinem anderen Ende ein zweites Tor (T2) besitzt, wobei an das erste Tor (T1) die Sendeanordnung und an das zweite Tor (T2) die Empfangsanordnung ankoppelbar sind,- daß der Wellenleiter (WE) in seiner Längsrichtung eine vorgebbare Anzahl von Ein-/Auskoppelstellen (S1 bis Sn) besitzt zur Ein-/Auskopplung der in dem Wellenleiter (WE) führbaren Wellen und- daß an jeden der Ein-/Auskoppelstellen (S1 bis Sn) ein Verbindungswellenleiter (VW1 bis VWn) angekoppelt ist zur Verbindung des Wellenleiters (WE) mit dem Verteiler- und Phasensteller-Netzwerk (PHN).
- Phasengesteuerte Antenne, zumindest bestehend aus- mehreren zeilen- und spaltenförmig angeordneten Sende-/Empfangs-Strahlerelementen,- einem Verteiler- und Phasensteller-Netzwerk zur Erzeugung vorgebbarer Sende-/Empfangscharakteristiken der von den Sende-/Empfangs-Strahlerelementen ausgesandten und/oder empfangenen Signale sowie- einer Sende-/Empfangsumschaltung zum wahlweisen Anschluß des Verteiler- und Phasensteller-Netzwerkes an eine Sende- und/oder Empfangsanordnung, dadurch gekennzeichnet,- daß für die Sende-/Empfangsumschaltung mindestens zwei Teilnetzwerke (TN1, TN2) vorhanden sind,- daß jedes Teilnetzwerk (TN1, TN2) eine Serien- oder Parallel-Speisung enthält, bestehend aus einem Wellenleiter mit einer vorgebbaren Anzahl von Ein-/Auskoppelstellen zur Ein-/Auskopplung der in dem Wellenleiter führbaren Wellen,- daß an jede der Ein-/Auskoppelstellen ein Verbindungswellenleiter angekoppelbar ist zur Verbindung des Wellenleiters mit einem vorgebbaren Teil des Verteilerund Phasensteller-Netzwerkes (PHN),- daß bei jedem Teilnetzwerk (TN1, TN2) der darin enthaltene Wellenleiter einen Anschluß (EA1, EA2) besitzt zur Ankopplung der Teilnetzwerke (TN1, TN2) an Tore eines Koppler (KO) und- daß der Koppler (KO) zwei weitere Tore (T1, T2) besitzt zur Ankopplung der Sende- und der Empfangsanordnung.
- Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/Empfangsstrahlerelemente in mindestens zwei vorgebbare Gruppen aufgeteilt sind und daß jeder Gruppe ein Teilnetzwerk (TN1, TN2) zugeordnet ist.
- Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuordnung alle Sende-/Empfangsstrahlerelemente fortlaufend numeriert sind und daß jede Gruppe ebenfalls fortlaufend numerierte Sende-/Empfangsstrahlerelemente enthält.
- Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,- daß für die Zuordnung alle Sende-/Empfangsstrahlerelemente fortlaufend numeriert sind,- daß zwei Gruppen vorhanden sind, wobei in einer Gruppe alle ungeradzahligen numerierten Sende-/Empfangsstrahlerelemente zusammengefaßt sind und in der anderen Gruppe alle geradzahlig numerierten numerierten Sende-/Empfangsstrahlerelemente.
- Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (KO) als magisches T ausgebildet ist.
- Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (KO) als 3dB-Koppler ausgebildet ist.
- Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der in einer Serienspeisung enthaltene Wellenleiter (WE) ein Hohlleiter ist und daß die Ein-/Auskoppelstellen als Ein-/Auskoppelschlitze ausgebildet sind.
- Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der in einer Serienspeisung enthaltene Wellenleiter (WE) sowie die Ein-/Auskoppelschlitze in Streifenleitungstechnik hergestellt sind.
- Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung im Radarfrequenzbereich.
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