EP1267442A1 - Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls einer phasengesteuerten Gruppenantenne - Google Patents

Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls einer phasengesteuerten Gruppenantenne Download PDF

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EP1267442A1
EP1267442A1 EP02010035A EP02010035A EP1267442A1 EP 1267442 A1 EP1267442 A1 EP 1267442A1 EP 02010035 A EP02010035 A EP 02010035A EP 02010035 A EP02010035 A EP 02010035A EP 1267442 A1 EP1267442 A1 EP 1267442A1
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    • 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
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices

Definitions

  • the invention relates to a method for the reconstruction of the amplitude / phase diagram a transmit / receive module phased array antenna, in particular an active phased array antenna.
  • the complete amplitude / phase behavior of a transceiver module is usually in a so-called gain / phase map (German: amplitudes / phase diagram) shown.
  • 1 shows an example of such an amplitude / phase diagram.
  • the phase is along the abscissa, the amplitude along the ordinate applied. Every single measuring point within the 2-dimensional amplitude / phase level represents the measured amplitude and phase for a given Amplitude / phase state of the transceiver module.
  • For controlling the transmit / receive modules in active phase-controlled Group antenna must have the complete amplitude / phase behavior in both Receive as well as in transmit mode for each transmit / receive module in the specified Frequency range to be known.
  • the one of the transmitting / receiving elements is by means of a receiving antenna a phase-controlled group antenna radiated total energy measured.
  • the changes in total energy become during the Phase of each phase shifter of the array antenna is changed, the amplitude each send / receive element is determined.
  • JP2000119773A uses a to determine the amplitude-phase distribution phased array antenna the amplitude of a beam under variation the phase measured. The total distribution is then determined using Help the conversion of the field and repeated calculation until the solution converges.
  • a phase-controlled is used to determine the phase distribution Group antenna the phase of a transmission element for each angle measured at a fixed frequency.
  • the phase of an element is then different Frequencies measured at a fixed angle. For those not measured The phase or angles are then calculated based on the measurements.
  • the object of the invention is to develop a synthesis algorithm which enables reduce the number of measuring points to a fraction and the behavior to reconstruct the complete amplitude / phase behavior.
  • the time expenditure and consequently the costs can be reduced for the characterization (measurement data acquisition) of the transmit / receive modules can be reduced to a fraction.
  • FIG. 2 shows an example of the typical course of the measured amplitude in the individual Amplitude states (for definition of the amplitude state see below Definition - the amplitudes of the same amplitude state are by lines connected) is shown above the phase states.
  • the difference in this representation to the amplitude / phase diagram according to FIG. 1 is that in FIG. 1 both amplitude and phase are measured values.
  • 3 shows normalized to the phase state 0, the course of the measured phase in the individual phase states (the phases of the same phase state are connected by lines) over the Amplitude states.
  • the course of the measured Amplitude state (here in the example amplitude state 32), the by the corresponding amplitude distance ⁇ A within the measured phase state (in the example phase state 32) is shifted.
  • phase state 32 the course of the measured phase state (here phase state 32), which around the corresponding phase distance ⁇ in the measured amplitude state (in Example amplitude state 32) is shifted.
  • the algorithm for the example case shown in FIG. 4 is in equations (1) and (2).
  • the abbreviation is used for all measured amplitude / phase states "M” uses the abbreviation "C” for all calculated states.
  • the selection of the amplitude state a to be measured and the phase state to be measured b is advantageously used on a completely measured amplitude / phase diagram a transmit-receive module performed.
  • everyone will possible row / column combination checked to see which combination provides the best accuracy, i.e. from every possible row / column combination all amplitudes / phase states are calculated and the agreement with compared to the measured values. Deviation is a measure of accuracy the calculated values from the associated measured values (e.g. via RMS errors).
  • the optimal combination of amplitude state and Phase status can then be used for the reconstruction of the amplitudes / phase diagrams of the remaining transmit / receive modules of the antenna (as noted above, that can be more than 1000 transmit / receive modules).
  • FIG. 6 shows an example in which the amplitude / phase diagram of the transceiver module in four segments seg1 to seg4, arranged in two columns and two lines.
  • a combination is created individually for each segment determined from the amplitude state and phase state m1 / n1 to m4 / n4, their individual Phase / amplitude states can be measured.
  • For the reconstruction of the remaining phase / amplitude states are only those on the solid Linear phase / amplitude states are used. The one on the dashed Linear phase / amplitude states are not required for the calculation and are not measured.
  • Amplitudes / phase state (x, y) State of the transceiver module with regard to amplitude and phase with a specific setting x of the amplitude adjuster and y of the phase shifter.
  • Amplitude state x State of the transceiver module with a specific setting x of the amplitude adjuster with any setting of the phase shifter.
  • Phase status y Status of the transceiver module for a specific setting y of the phase shifter with any setting of the amplitude adjuster.

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls für eine phasengesteuerte Gruppenantenne. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls (englisch: transmit/receive module) einer phasengesteuerten Gruppenantenne (englisch: phased array antenna), insbesondere einer aktiven phasengesteuerten Gruppenantenne.
Zukünftige aktive phasengesteuerte Gruppenantennen-Radar-Systeme benötigen eine große Anzahl von Sende-Empfangs-Module auf niedrigem Kostenniveau. Diese sind einstellbar in Amplitude und Phase (multi state device). Wird z.B. ein 6-Bit-Phasenschieber und ein 6-Bit-Amplitudensteller eingesetzt, so ergeben sich 26 x 26 = 4096 verschiedene Amplituden/Phasen-Zustände des Sende-Empfangs-Moduls.
Das komplette Amplituden/Phasenverhalten eines Sende-Empfangs-Moduls wird üblicherweise in einer sogenannten Gain/Phase-Map (deutsch: Amplituden/Phasendiagramm) dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein solches Amplituden/Phasendiagramm. Entlang der Abszisse ist die Phase, entlang der Ordinate die Amplitude aufgetragen. Jeder einzelne Messpunkt innerhalb der 2-dimensionalen Amplituden/Phasen-Ebene stellt die gemessene Amplitude und Phase für einen bestimmten Amplituden/Phasenzustand des Sende-Empfangs-Moduls dar.
Für die Steuerung der Sende-Empfangs-Module in aktiven phasengesteuerten Gruppenantenne muss das komplette Amplituden/Phasen-Verhalten sowohl im Empfangs- als auch im Sendemode für jedes Sende-Empfangs-Modul im vorgegebenen Frequenzbereich bekannt sein.
Aufgrund der für moderne Radarsysteme typischen hohen Zahl der zu integrierenden Sende-Empfangs-Module (Bordradar: typischerweise 1000 Sende-Empfangs-Module) mit jeweils 2n*2n verschiedenen Amplituden/Phasenzuständen ist eine komplette messtechnische Erfassung aller Amplituden/Phasen-Zustände jedes Sende-Empfangs-Moduls zum einen unter dem Gesichtspunkt des enormen Datenvolumens und zum anderen unter Kostengesichtspunkten (sehr großer Zeitaufwand) nicht mehr durchführbar.
In Wilden, H.: Microwave tests on prototype-T/R-modules, IEE Intern. Radarconference, Edinburgh, pp. 517-521, 1997 werden Einzelheiten zum erforderlichen Messumfang beim Test der Sende/Empfangsmodule einer phasengesteuerten Gruppenantenne offenbart.
Gemäß der DE 39 34 155 C2 wird mittels einer Empfangsantenne die von den Sende/Empfangselementen einer phasengesteuerte Gruppenantenne abgestrahlte Gesamtenergie gemessen. Aus den Änderungen der Gesamtenergie wird, während die Phase jedes Phasenschiebers der Gruppenantenne geändert wird, die Amplitude jedes Sende/Empfangselements bestimmt.
In der JP2000119773A wird zur Ermittlung der Amplituden-Phasen-Verteilung einer phasengesteuerten Gruppenantenne die Amplitude eines Strahlenbündels unter Variation der Phase gemessen. Die Ermittlung der Gesamtverteilung erfolgt dann mit Hilfe der Umwandlung des Feldes und wiederholten Berechnung bis die Lösung konvergiert.
Gemäß der JP10132880A wird zur Bestimmung der Phasenverteilung einer phasengesteuerten Gruppenantenne die Phase eines Sendeelements für jeden Winkel bei einer festen Frequenz gemessen. Die Phase eines Elements wird dann für verschiedene Frequenzen unter einem festen Winkel gemessen. Für die nicht gemessenen Winkel bzw. Frequenzen wird die Phase dann basierend auf den Messungen errechnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Synthesealgorithmus zu entwickeln, der es ermöglicht, die Anzahl der Messpunkte auf einen Bruchteil zu reduzieren und das Verhalten des kompletten Amplituden/Phasen-Verhaltens zu rekonstruieren.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zeitaufwand und folglich die Kosten für die Charakterisierung (Messdatenerfassung) der Sende-Empfangs-Module auf einen Bruchteil reduziert werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein Beispiel für ein Amplituden/Phasendiagramm eines Sende-Empfangs-Moduls;
Fig. 2
den Verlauf der Amplitudenwerte der einzelnen Amplitudenzustände über den Phasenzuständen;
Fig. 3
den Verlauf der Phasenwerte der einzelnen Phasenzustände über den Amplitudenzuständen;
Fig. 4
ein Amplituden/Phasendiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Synthesealgorithmus;
Fig. 5
mehrere Beispiele für die Segmentierung eines Amplituden/Phasendiagramms;
Fig. 6
eine weiteres Beispiel für die Segmentierung eines Amplituden/Phasendiagramms mit den tatsächlich gemessenen Zeilen und Spalten.
In Fig. 2 ist beispielhaft der typische Verlauf der gemessenen Amplitude in den einzelnen Amplitudenzuständen (zur Definition des Amplitudenzustands siehe untenstehende Definition - die Amplituden desselben Amplitudenzustands sind durch Linien verbunden) über den Phasenzuständen dargestellt. Der Unterschied dieser Darstellung zu dem Amplituden/Phasen-Diagramm nach Fig. 1 ist, dass es sich in Fig. 1 sowohl bei Amplitude als auch bei der Phase um gemessene Werte handelt. In Fig. 2 dagegen sind nur die Amplitudenwerte durch Messung ermittelt, während man bezüglich der Messung der Phase von idealen Bauteilen ausgeht, d.h. die angegebenen Phasenwerte sind direkt aus dem Bitmuster des Phasenschiebers abgeleitet (Phase=Sollgröße). Es ist aus Fig. 2 offensichtlich, dass die Kurven der einzelnen Amplitudenzustände parallel zueinander verlaufen.
Gleichzeitig weist die gemessene Phase über den Amplitudenzuständen (Amplitude=Sollgröße) ein ähnliches Verhalten auf. Hierzu zeigt Fig. 3, normiert auf den Phasenzustand 0, den Verlauf der gemessenen Phase in den einzelnen Phasenzuständen (die Phasen desselben Phasenzustands sind durch Linien verbunden) über den Amplitudenzuständen.
Es ist daher völlig ausreichend, im Amplituden/Phasen-Diagramm (Fig. 1) nur einen Teil aller Amplituden/Phasen-Zustände, nämlich nur eine Zeile und eine Spalte (entsprechend einem Amplitudenzustand und einem Phasenzustand) nach Amplitude und Phase zu vermessen und alle anderen Zustände zu rekonstruieren. Wie dieses erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen abläuft, wird im folgenden erläutert.
Beispiel:
Annahme: Sende-Empfangs-Modul ist ein Multi-State Device mit 6 Bit Amplitudensteller und 6 Bit Phasenschieber, d.h. 26 x 26 = 4096 Amplituden/Phasen-Zuständen.
Gemessen werden soll nur eine Zeile und eine Spalte eines Amplituden/Phasen-Diagramms, d.h. anstelle von 4096 Amplituden/Phasen-Zuständen nur 64+64=128 Amplituden/Phasen-Zustände.
Algorithmus:
Die Grundlagen des Algorithmus sind beispielhaft in dem Amplituden/Phasendiagramm gemäß Fig. 4 dargestellt. Die durchgezogenen, fettgedruckten Linien repräsentieren die tatsächlich gemessenen Amplituden/Phasenzustände, die Amplituden/Phasenzustände aller anderen Linien (gestrichelt) werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet.
Zunächst werden Amplituden und Phasen der 64 Amplituden/Phasenzustände (32,i) mit i= 0, ...63 des Amplitudenzustands 32 sowie Amplituden und Phasen der 64 Amplituden/Phasenzustände (j,32) mit j = 0, ... 63 des Phasenzustands 32 gemessen.
Für jeden zu rekonstruierenden Amplitudenzustand wird vom Verlauf des gemessenen Amplitudenzustands (hier im Beispiel Amplitudenzustand 32) ausgegangen, der um den entsprechenden Amplitudenabstand ΔA innerhalb des gemessenen Phasenzustands (im Beispiel Phasenzustand 32) verschoben wird.
Entsprechend wird für jeden zu rekonstruierenden Phasenzustand vom Verlauf des gemessenen Phasenzustands (hier Phasenzustand 32) ausgegangen, der um den entsprechenden Phasenabstand Δ bei dem gemessenen Amplitudenzustand (im Beispiel Amplitudenzustand 32) verschoben wird.
Auf diese Weise können sämtliche Amplitudenzustände und Phasenzustände des Amplituden/Phasendiagramms rekonstruiert werden.
Der Algorithmus für den in Fig. 4 gezeigten Beispielsfall ist in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt. Für alle gemessenen Amplituden/Phasen-Zustände wird die Abkürzung "M" verwendet, für alle berechneten Zustände die Abkürzung "C".
Beispiel für den zu berechnenden Amplituden/Phasen Zustand (10/18):
  • Amplitude: C(10,18) = M(32,18) + ( M(10,32)-M(32,32))
  • Phase: C(10,18) = M(10,32) + ( M(32,18)-M(32,32))
    • Verallgemeinert für einen beliebigen, zu rekonstruierenden Phasen/Amplituden-Zustand x,y bei gemessenem Amplitudenzustand a und gemessenem Phasenzustand b ergibt sich folgende Rechenregel:
  • Amplitude: C(x,y) = M(a,y) + (M(x,b)-M(a,b))
  • Phase: C(x,y) = M(x,b) + (M(a,y)-M(a,b)).
    • Die Auswahl des zu messenden Amplitudenzustands a und des zu messenden Phasenzustands b wird vorteilhafterweise an einem komplett gemessenen Amplituden/Phasendiagramm eines Sende-Empfangs-Moduls durchgeführt. Es werden alle möglichen Zeilen/Spalten-Kombination dahingehend geprüft, welche Kombination die beste Genauigkeit liefert, d.h. aus jeder möglichen Zeilen/Spalten-Kombination werden alle Amplituden/Phasenzustände errechnet und die Übereinstimmung mit den gemessenen Werten verglichen. Ein Maß für die Genauigkeit ist die Abweichung der berechneten Werte von den zugehörigen gemessenen Werten (z.B. über RMS-Fehler). Die dadurch gewonnene optimale Kombination aus Amplitudenzustand und Phasenzustand kann dann für die Rekonstruktion der Amplituden/Phasendiagramme der restlichen Sende-Empfangs-Moduls der Antenne genutzt werden (wie oben angemerkt, können dass mehr als 1000 Sende-Empfangs-Module sein).
    Es ist aber auch möglich, nach einer bestimmten Anzahl von rechnerisch rekonstruierten Amplituden/Phasendiagrammen (z.B. 10) erneut das Amplituden/Phasendiagramme eines der Sende-Empfangs-Module vollständig zu messen, und auf dieser Basis eine neue optimale Kombination von Amplitudenzustand und Phasenzustand zu ermitteln.
    Abhängig vom Typ des Sende-Empfangs-Moduls und der geforderten Genauigkeit ist es auch möglich, den beschriebenen Algorithmus nicht einheitlich auf das gesamte Amplituden/Phasen-Diagramm anzuwenden, sondern letzteres in mehrere Segmente aufzuteilen, wobei dann für jedes Segment der beschriebene Algorithmus separat zur Anwendung kommt. Die Segmentierung wird schrittweise erhöht, bis die geforderte Übereinstimmung von errechneten Werten und Messwerten erreicht ist.
    Fig. 5 zeigt hierzu 16 mögliche Segmentierungen für das Amplituden-Diagramm, wobei von links oben bis rechts unten fortschreitend die Segmentierung erhöht wird.
    Wesentlich dabei ist, dass für jedes Segment der tatsächlich gemessene Amplitudenzustand und der tatsächlich gemessene Phasenzustand individuell für jedes Segment gewählt werden können. Auch hier ist es vorteilhaft, für jedes Segment die optimale Kombination aus Amplitudenzustand und Phasenzustand auf der Basis eines vollständig gemessenen Amplituden/Phasendiagramms zu ermitteln.
    Hierzu zeigt Fig. 6 ein Beispiel, bei dem das Amplituden/Phasendiagramm des Sende-Empfangs-Moduls in vier Segmente seg1 bis seg4, angeordnet in zwei Spalten und zwei Zeilen, unterteilt ist. Für jedes Segment wird individuell eine Kombination aus Amplitudenzustand und Phasenzustand m1/n1 bis m4/n4 festgelegt, deren einzelne Phasen/Amplitudenzustände vermessen werden. Für die Rekonstruktion der übrigen Phasen/Amplitudenzustände werden also nur die auf den durchgezogenen Linien liegenden Phasen/Amplitudenzustände eingesetzt. Die auf den gestrichelten Linien liegenden Phasen/Amplitudenzustände werden für die Berechnung nicht benötigt und werden nicht gemessen.
    Definitionen:
    Amplituden/Phasenzustand (x,y): Zustand des Sende-Empfangs-Moduls hinsichtlich Amplitude und Phase bei einer bestimmten Einstellung x des Amplitudenstellers und y des Phasenschiebers.
    Amplitudenzustand x: Zustand des Sende-Empfangs-Moduls bei einer bestimmten Einstellung x des Amplitudenstellers bei beliebiger Einstellung des Phasenschiebers. Phasenzustand y: Zustand des Sende-Empfangs-Moduls für eine bestimmte Einstellung y des Phasenschiebers bei beliebiger Einstellung des Amplitudenstellers.

    Claims (2)

    1. Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls für eine phasengesteuerte Gruppenantenne, mit folgenden Verfahrensschritten:
      Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasenzustände (a,i) mit i = imin ... imax eines einzelnen Amplitudenzustands a; sowie
      Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasen-Zustände (j,b) mit j = jmin ... jmax eines einzelnen Phasenzustands b;
      Rekonstruktion der Amplituden-Werte eines Amplitudenzustands x durch Verschieben der gemessenen Amplitudenwerte des Amplitudenzustands a um die Differenz ΔA der gemessenen Amplitudenwerte der beiden Amplituden/Phasenzustände (x,b),(a,b), welche innerhalb des Phasenzustands b gleichzeitig zum Amplitudenzustand x bzw. Amplitudenzustand a gehören,
      Rekonstruktion der Phasen-Werte eines Phasenzustands y durch Verschieben der gemessenen Phasenwerte des Phasenzustands b um die Differenz Δ der gemessenen Phasenwerte der beiden Amplituden/Phasenzustände (a,y),(a,b), welche innerhalb des Amplitudenzustands a gleichzeitig zum Phasenzustand y bzw. zum Phasenzustand b gehören.
    2. Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls für eine phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Amplituden/Phasendiagramm in mehrere Segmente unterteilt wird, und das Verfahren nach Anspruch 1 für jedes einzelne Segment durchgeführt wird, wobei für jedes Segment individuell ein Amplitudenzustand und ein Phasenzustand ausgewählt wird, deren Amplituden/Phasenzustände vermessen werden.
    EP02010035A 2001-06-02 2002-05-06 Verfahren zur Rekonstruktion der Amplituden/Phasendiagramme der Sende-Empfangs-Module einer phasengesteuerten Gruppenantenne Expired - Lifetime EP1267442B1 (de)

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    Publication Number Publication Date
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    EP1267442B1 EP1267442B1 (de) 2004-11-17

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    US (1) US6744405B2 (de)
    EP (1) EP1267442B1 (de)
    AT (1) ATE282899T1 (de)
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