EP1439607A2 - Verfahren zur Erzeugung von Kalibriersignalen zur Kalibrierung räumlich entfernter Signalzweige von Antennensystemen - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von Kalibriersignalen zur Kalibrierung räumlich entfernter Signalzweige von Antennensystemen Download PDF

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EP1439607A2
EP1439607A2 EP03026217A EP03026217A EP1439607A2 EP 1439607 A2 EP1439607 A2 EP 1439607A2 EP 03026217 A EP03026217 A EP 03026217A EP 03026217 A EP03026217 A EP 03026217A EP 1439607 A2 EP1439607 A2 EP 1439607A2
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EP
European Patent Office
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signal
calibration
output
kls
amplifier circuit
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EP03026217A
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EP1439607A3 (de
EP1439607B1 (de
Inventor
Manfred Dr. Schuster
Franz Herrmann
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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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
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices

Definitions

  • the invention relates to a method for generating calibration signals for calibration spatially distant signal branches of antenna systems.
  • the calibration signals are usually generated centrally with the corresponding frequency at which the calibration is to be carried out.
  • the problem here is that the distribution lines have a dispersive behavior over frequency, ie the signal propagation times are frequency and temperature-dependent, the higher the absolute frequency, the greater the dependence.
  • a signal line has different attenuation depending on the frequency, temperature, bending radius of the lines and age. Due to imprecise impedance adaptations, standing waves occur in known methods, as a result of which a wave-shaped amplitude behavior of the signals occurs. This makes calibration difficult.
  • Known calibration measuring devices are usually installed in a fixed position in the antenna system to be measured.
  • the disadvantage here is the high space requirement of the measuring devices and the difficult and changing environmental conditions, for example when installing the measuring devices in the wing tips of an aircraft.
  • Another disadvantage is that frequency-selective filters are used in known systems, which leads to insufficient time accuracy due to frequency-specific group delays. These group terms are also temperature and aging dependent.
  • the object of the invention is to provide a method with which it is possible to use calibration signals for calibration of spatially distant signal branches of antenna systems to generate, the transit time and amplitude fluctuations of the calibration signals, if possible is kept low.
  • a base signal is generated by means of a clock generator Distribution unit for distributing the base signal to amplifier circuits on them each assigned signal distribution lines is supplied.
  • a clock generator Distribution unit for distributing the base signal to amplifier circuits on them each assigned signal distribution lines is supplied.
  • one calibration signal each at the output of the amplifier circuits by amplifying the base signal within a predeterminable upper amplitude limit and a predeterminable lower amplitude limit, which corresponds to the respective an input point of the amplifier to be calibrated Signal branch is supplied.
  • amplitude-stable high-frequency (in GHz range) calibration signals with a defined amplitude behavior for spatial distributed entry points are generated in reception branches to be calibrated.
  • time-accurate calibration signals at any frequencies e.g. pulsed RF signals in the GHz range become.
  • the time accuracy of the invention is in the frequency range from 1 GHz to 20 GHz generated calibration signals in the sub-nanosecond range.
  • the base signal is e.g. generated with a clock divider and can be a pulsed Signal (for time calibration) or a continuous signal (for amplitude calibration correction) can be with a frequency depending on the application in the range between 200 and 750 MHz (to to 5 GHz)
  • a pulse burst in a J-K flip-flop is advantageous for time calibration is produced.
  • the J-K flip-flop can e.g. by the output signal of the Clock dividers can be controlled.
  • An advantage here is that the pulse bursts are always start in phase and that all pulses of a pulse burst have the same pulse width and Have duty cycles as long as the reference clock, e.g. a constant from the clock divider Frequency. This ensures that up to the bandwidth limit a symmetrical pulse sequence is generated.
  • the amplifier circuit has a short group delay for generating the square-wave signals, in particular the driver amplifier group delay is less than 50 ps. Thereby a high time accuracy of the calibration signal is achieved. Since in the invention If the amplifier circuit does not use frequency-selective components, e.g. Has filter, the transit time dispersion of the calibration signal is low.
  • frequency-selective components e.g. Has filter
  • a possible one Field of application of the method according to the invention is e.g. a radar warning receiver or an education recipient (ESM), which is known to be ready to receive from all directions.
  • ESM education recipient
  • the amplifier circuit advantageously comprises a calibration switch, which is arranged directly in front of the respective driver amplifier is.
  • the calibration switch KLS is advantageous between one Passage state and a signal reflecting state switchable.
  • a pulse signal is fed into the signal distribution line and at the same time, both the injected signal and the reflected signal component with one Evaluation unit measured with a in the respective signal distribution line resistance matrix connected between the amplifier circuit and the distribution unit connected is.
  • This evaluation unit is e.g. a high speed broadband A / D converter with downstream digital signal recorder.
  • the exemplary circuit arrangement shown in FIG. 1 of a calibration circuit for Implementation of the method according to the invention comprises a clock generator TG, which by means of an integrated so-called clock divider a base signal with a predefinable one Reference act generated.
  • the output A of the clock generator TG is with the input K of a J / K flip-flop FF connected.
  • the J / K flip-flop FF is a so-called controlled 2/1 frequency divider. With the flip-flop FF used it is therefore possible to generate exactly the same pulse without further adjustment work must be made on the generated pulses. This ensures that all pulses are of the same length.
  • a J / K flip-flop FF can a delay line and a Schmitt trigger gate can also be used.
  • a control signal (gate signal) created.
  • the output Q of the J / K flip-flop FF is connected to an input 4 of a downstream one Multiple changeover switch MUX connected. Another input 3 of the multiple switch MUX is directly connected to the output A of the clock generator TG. At the entrance 1 of the multiple switch MUX has a low signal and at input 2 of the Multiple changeover switch MUX has a high signal.
  • the output AA of the multiple changeover switch MUX is connected to the input of the distribution unit VN, which distributes the basic signal to several calibration lines KL.
  • the calibration lines KL each comprise a resistance matrix WM at one end and an amplifier circuit VS with an output amplifier AT and a calibration line switch KLS at their other end.
  • the output amplifiers AT are connected to the inputs of the respectively assigned reception branches KE to be calibrated. This connection is sufficiently small compared to the calibration lines KL.
  • the outputs of the reception branches KE are connected to an evaluation unit AE.
  • the resistance matrices WM are connected in such a way that an applied base signal is simultaneously passed through the resistance matrix WM to the calibration line KL and to the evaluation unit AE connected to the resistance matrix WM.
  • Fig. 2 shows an exemplary circuit arrangement of an amplifier circuit VS with a calibration line switch KLS.
  • the calibration line switch KLS is an example set to run D.
  • the output amplifier AT of the amplifier circuit VS is a further amplifier VV upstream. This ensures that the slope of the output signal (calibration signal) is increased.
  • the High-frequency bandwidth of the amplifier connected upstream of the output amplifier AT VV can advantageously be smaller than or equal to that of the output amplifier AT High frequency bandwidth of the output amplifier AT.
  • the output AV is a DC voltage lock GS, e.g. a capacitor, downstream.
  • the signal delay in the output amplifier AT is small compared to the delay in the calibration lines KL.
  • the signal is over the frequency range Carrying out a runtime calibration is almost constant. The deviation is a few picoseconds.
  • the signal transit time within the output amplifier AT can therefore be assumed to be constant for all reception branches to be calibrated become. Fluctuations in the signal runtime can therefore be neglected.
  • the signal transit time in the output amplifier AT is short compared to the run times in the KE calibration lines.
  • the output driver used for all reception channels KE to be calibrated can be used
  • Signal transit time in the output amplifiers AT can be assumed to be constant. If differences in transit times of the KE reception channels (not absolute transit times) are measured the runtime of the output amplifier circuit can be neglected become.

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)
  • Circuits Of Receivers In General (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kalibriersignalen zur Kalibrierung räumlich entfernter Signalzweige (KE1,n) von Antennensystemen. Erfindungsgemäß wird mittels eines Taktgebers (TG) ein Basissignal erzeugt, welches eine Verteilereinheit (VN) zur Verteilung des Basissignals an Verstärkerschaltungen (VS) auf ihnen jeweils zugeordneten Signalverteilungs-Leitungen (KL) zugeführt wird und am Ausgang der Verstärkerschaltungen (VS) wird jeweils ein Kalibriersignal durch Verstärkung des Basissignals innerhalb einer vorgebbaren oberen Amplitudengrenze und einer vorgebbaren unteren Amplitudengrenze erzeugt, welches dem jeweiligen, einer Verstärkerschaltung (VS) zugeordneten Einspeisepunkt des zu kalibrierenden Signalzweigs (KE) zugeführt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kalibriersignalen zur Kalibrierung räumlich entfernter Signalzweige von Antennensystemen.
Zur Kalibrierung von Signalzweigen von Antennensystemen werden die Kalibriersignale üblicherweise zentral mit der entsprechenden Frequenz bei der die Kalibrierung durchgeführt werden soll erzeugt. Problematisch hierbei ist, dass die Verteilerleitungen ein dispersives Verhalten über die Frequenz aufweisen, d.h. die Signallaufzeiten sind frequenz- und temperaturabhängig, wobei die Abhängigkeit um so größer ist, je höher die Absolutfrequenz ist. Außerdem weist eine Signalleitung in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur, Biegeradius der Leitungen sowie Alter verschiedene Dämpfung auf.
Aufgrund von ungenauen Impendanzanpassungen kommt es bei bekannten Verfahren zu Stehwellen, wodurch ein wellenförmiges Amplitudenverhalten der Signale auftritt. Eine Kalibrierung wird somit erschwert.
Bekannte Kalibrier-Messgeräte werden üblicherweise ortsfest in das zu vermessenden Antennensystem eingebaut. Nachteilig hierbei ist der hohe Raumbedarf der Messgeräte sowie die erschwerten und wechselnden Umgebungsbedingungen z.B. beim Einbau der Messgeräte in die Flügelspitzen eines Flugzeugs.
Ein weiterer Nachteil ist, dass bei bekannten Systemen frequenzselektive Filter verwendet werden, was zu einer unzureichenden Zeitgenauigkeit aufgrund von frequenzspezifischen Gruppenlaufzeiten führt. Diese Gruppenlaufzeiten sind darüber hinaus temperatur- und alterungsabhängig.
Für bestimmte Messverfahren wird jedoch eine hohe Zeitgenauigkeit gefordert, da die Zeitunterschiede des Auftreffens der empfangenen Signale an den verschiedenen Signalzweigen des Antennensystems zur Ermittlung der Empfangsrichtung herangezogen werden. Dies wird auch als Delta-Time-of-Arrival-Verfahren bezeichnet. Die Empfangsrichtung ist dabei ein wichtiges Kriterium für die Lokalisierung von Sendern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, Kalibriersignale zur Kalibrierung räumlich entfernte Signalzweige von Antennensystemen zu erzeugen, wobei die Laufzeit- und Amplitudenschwankungen der Kalibriersignale-möglichst gering gehalten wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird mittels eines Taktgebers ein Basissignal erzeugt, welches eine Verteilereinheit zur Verteilung des Basissignals an Verstärkerschaltungen auf ihnen jeweils zugeordneten Signalverteilungs-Leitungen zugeführt wird. Außerdem wird erfindungsgemäß am Ausgang der Verstärkerschaltungen jeweils ein Kalibriersignal durch Verstärkung des Basissignals innerhalb einer vorgebbaren oberen Amplitudengrenze und einer vorgebbaren unteren Amplitudengrenze erzeugt, welches dem jeweiligen, einer Verstärkerschaltung zugeordneten Einspeisepunkt des zu kalibrierenden Signalzweigs zugeführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können amplitudenstabile hochfrequente (im GHz-Bereich) Kalibriersignale mit einem definierten Amplitudenverhalten bei räumlich verteilten Einspeisepunkten in zu kalibrierende Empfangszweige generiert werden. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zeitgenaue Kalibriersignale bei beliebigen Frequenzen, z.B. gepulste HF-Signale im GHz-Bereich, erzeugt werden. Im Frequenzbereich von 1 GHz bis 20 GHz liegt die Zeitgenauigkeit der erfindungsgemäße erzeugten Kalibriersignalen im Sub-Nanosekundenbereich.
Das Basissignal wird z.B. mit einem Clock Divider erzeugt und kann ein gepulstes Signal (für Zeitkalibrierung) oder ein Dauersignal (für Amplitudenkalibreirung) sein mit einer Frequenz je nach Anwendungsfall im Bereich zwischen 200 und 750 MHz (bis zu 5 GHz) Vorteilhaft ist für die Zeitkalibrierung ein Puls-Burst, das in einem J-K-Flipflop erzeugt wird. Dabei kann das J-K-Flipflop z.B. durch das Ausgangssignal des Clock-Dividers gesteuert werden. Ein Vorteil hierbei ist, dass die Puls-Bursts immer phasenrichtig starten und dass alle Pulse eines Puls-Bursts gleiche Pulsbreite und Tastverhältnisse haben, solange der Referenztakt, z.B. vom Clock Divider eine konstante Frequenz aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass bis zur Bandbreitengrenze eine symmetrische Pulsfolge erzeugt wird.
Die Erzeugung der Kalibriersignale erfolgt durch die Verstärkung des Basissignals im Ausgangsverstärker der Verstärkerschaltung. Der Ausgangsverstärker, hier auch als Treiberverstärker bezeichnet, weist zweckmäßig eine hohe Bandbreite auf. Mittels des Treiberverstärkers wird am Ausgang der Verstärkerschaltung ein Rechtecksignal mit definierten Ober- und Untergrenzen, auch als High- und Low-Level bezeichnet, und mit-einer hohen Flankensteilheit im Bereich von einigen Pikösekunden. Zur Verbesserung der Flankensteilheit des Kalibriersignals können vorteilhaft dem Ausgangsverstärker der Verstärkerschaltung ein oder mehrere weitere Verstärkerstufen vorgeschaltet werden (Fig. 2). Die Hochfrequenzbandbreite des dem Ausgangsverstärker vorgeschalteten Verstärkers kann vorteilhaft kleiner als die des Ausgangsverstärkers oder gleich der Hochfrequenzbandbreite des Ausgangsverstärkers sein. Das Verhältnis richtet sich dabei insbesondere nach der zu erzeugenden Flankensteilhaut, welche üblicherweise durch die sogenannte Rise- und Fall-time angegeben wird.
Die Frequenzanteile des Kalibriersignals verhalten sich gemäß der Fourier-Reihenentwicklung: U(t) = a * sin(t) + 1/3 * a * sin(3t) + 1/ 5 * a * sin(5t) + ... + 1/19 * a * sin(19t) + ... wobei gilt : a=(UHigh-ULow)*(2/π) mit
  • UHigh : Ausgangsspannung des High-Levels
  • ULow : Ausgangsspannung des Low-Levels
    • Eine beispielhafte Darstellung der Ausgangsleistung der einzelnen harmonischen Frequenzen ist in Fig. 3 dargestellt.
    Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Verstärkerschaltung zur Erzeugung der Rechtecksignale eine kurze Gruppenlaufzeit aufweist, insbesondere beträgt die Gruppenlaufzeit des Treiberverstärkers weniger als 50 ps. Dadurch wird eine hohe Zeitgenauigkeit des Kalibriersignals erreicht. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verstärkerschaltung keine frequenzselektiven Baueile, z.B. Filter aufweist, ist die Laufzeitdispersion des Kalibriersignals gering.
    Mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren wird somit eine hohe Messgenauigkeit der Empfangszeitpunkte bezogen auf die Antennenpositionen gewährleistet, wodurch die Empfangsrichtung eines Signals genau ermittelt werden kann. Ein mögliches Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist z.B. ein Radar-Warnempfänger oder ein Aufklärungsempfänger (ESM), welche bekanntermaßen aus allen Richtungen empfangsbereit sein müssen. Die hohe Ermittlungsgenauigkeit der Empfangsrichtung eines Signals mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt somit eine genaue Positionsermittlung des Senders.
    Um die Laufzeit auf den Signalverteilungs-Leitungen, welches insbesondere impedanzangepasste Leitungen sind, zu erfassen, umfaßt die Verstärkerschaltung vorteilhaft einen Kalibrierungsschalter, der direkt vor dem jeweiligen Treiberverstärker angeordnet ist. Der Kalibierungsschalter KLS ist dabei vorteilhaft zwischen einem Durchgangszustand und einem signalreflektierenden Zustand schaltbar. Zur Bestimmung der Leitungslaufzeit wird nun bei auf "reflektierend" gestelltem Kalibrierungsschalter KLS ein Puls-Signal in die Signalverteilungs-Leitung eingespeist und gleichzeitig, sowohl das eingespeiste Signal, als auch der reflektierte Signalanteil mit einer Auswerteeinheit gemessen, die mit einer in die jeweilige Signalverteilungs-Leitung zwischen die Verstärkerschaltung und die Verteilereinheit geschalteten Widerstandsmatrix verbunden ist. Diese Auswerteeinheit ist z.B. ein Hochgeschwindigkeits-Breitband- A/D Wandler mit nachgeschaltetem digitalen Signalrecorder.
    Zweckmäßig ist hier die Verwendung eines Puls-Signals mit einer Pulsbreite kleiner als die kleinste doppelte Leitungslaufzeit ( Laufzeit bis zum Auftreten der reflektierten Signalanteile am Einspeispunkt).
    Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindungen werden im weiteren anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    Fig. 1
    eine beispielhafte Schaltungsanordnung einer Kalibrierschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Fig. 2
    eine beispielhafte Schaltungsanordnung der Verstärkerschaltung,
    Fig. 3
    eine beispielhafte Darstellung der Ausgangsleistung der einzelnen harmonischen Frequenzen.
    Die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Schaltungsanordnung einer Kalibrierschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren umfaßt einen Taktgeber TG, der mittels eines integrierten sogenannten Clock Dividers ein Basissignal mit einem vorgebbaren Referehztakt erzeugt. Der Ausgang A des Taktgebers TG ist mit dem Eingang K eines J/K-Flipflops FF verbunden. Bei dem J/K-Flipflop FF handelt es sich um einen sogenannten gesteuerten 2/1-Frequenzteiler. Mit dem verwendeten Flipflop FF ist es somit möglich, exakt gleiche Puls zu erzeugen, ohne dass weitere Abgleicharbeiten an den erzeugten Pulsen vorgenommen werden müssen. Es wird somit gewährleistet, dass alle Pulse gleich lang sind. Statt eines J/K-Flipflops FF kann aber auch eine Verzögerungsleitung und ein Schmitt-Trigger-Gatter verwendet werden. Am anderen Eingang J des J/K-Flipflops FF wird ein Steuerungssignal (Gate-Signal) angelegt.
    Der Ausgang Q des J/K-Flipflops FF ist mit einem Eingang 4 eines nachgeschalteten Mehrfachumschalters MUX verbunden. Ein weiterer Eingang 3 des Mehrfachumschalters MUX ist direkt mit dem Ausgang A des Taktgebers TG verbunden. Am Eingang 1 des Mehrfachumschalters MUX liegt ein Low-Signal und am Eingang 2 des Mehrfachumschalters MUX liegt ein High-Signal an.
    Der Ausgang AA des Mehrfachumschalters MUX ist mit dem Eingang der Verteilereinheit VN verbunden, das das Basissignal auf mehrere Kalibrierleitungen KL verteilt. Die Kalibrierleitungen KL umfassen dabei an ihrem einen Ende jeweils eine Widerstandsmatrix WM und an ihrem anderen Ende eine Verstärkerschaltung VS mit einem Ausgangsverstärker AT und einem Kalibrierleitungsschalter KLS. Die Ausgangsverstärker AT sind mit den Eingängen der jeweils zugeordneten zu kalibrierenden Empfangszweige KE verbunden. Diese Verbindung ist dabei hinreichend klein gegenüber den Kalibrierleitungen KL. Die Ausgänge der Empfangszweige KE sind mit einer Auswerteeinheit AE verbunden.
    Die Widerstandsmatrizen WM sind dabei derart geschaltet, dass ein anliegendes Basissignal gleichzeitig durch die Widerstandsmatrix WM auf die Kalibrierleitung KL geleitet und zu der mit der Widerstandsmatrix WM verbundenen Auswerteinheit AE geleitet wird.
    Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung einer Verstärkerschaltung VS mit einem Kalibrierleitungsschalter KLS. Der Kalibrierleitungsschalter KLS ist hierbei beispielhaft auf Durchgang D eingestellt. Dem Ausgangsverstärker AT der Verstärkerschaltung VS ist ein weiterer Verstärker VV vorgeschaltet. Dadurch wird erreicht, dass die Flankensteilheit des Ausgangssignals (Kalibriersignals) vergrößert wird. Die Hochfrequenzbandbreite des dem Ausgangsverstärker AT vorgeschalteten Verstärkers VV kann vorteilhaft kleiner als die des Ausgangsverstärkers AT oder gleich der Hochfrequenzbandbreite des Ausgangsverstärkers AT sein. Am Ausgang AV des Ausgangsverstärkers AT ist eine Spannungsmesseinrichtung SE geschaltet, mittels der die Ausgangsspannungen für High und Low Pegel des Kalibrierssignals gemessenwerden. Außerdem ist dem Ausgang AV eine Gleichspannungssperre GS, z.B. ein Kondensator, nachgeschaltet.
    Die Messung der Ausgangsspannung von Referenzsignalen am Ausgang der Verstärkerschaltung umfaßt folgende Verfahrensschritte:
    • Schalten des Mehrfachumschalters MUX auf Eingang 1 zur Einstellung des Low-Levels und Einstellen des Kalibrierleitungsschalters KLS auf "Durchgang",
    • Übertragung des statischen Low-Signals an den Ausgangsverstärker AT über eine Kalibrierleitung KL
    • Messung der Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers AT für das Low-Signal an der Spannungsmesseinrichtung SE
    • Schalten des Mehrfachumschalters MUX auf Eingang 2 zur Einstellung des High-Levels
    • Übertragung des statischen High-Signals an den Ausgangsverstärker AT über eine Kalibrierleitung KL
    • Messung der Ausgangsspannung des Ausgangsverstärkers AT für das High-Signal an der Spannungsmesseinrichtung SE
    • Berechnung der frequenzabhängigen Ausgangsleistung eines Basissignals am Ausgang der Verstärkerschaltung gemäß:
      Figure 00070001
      mit
    • UHigh : Ausgangsspannung High-Signal
    • ULow: Ausgangsspannung Low-Signal
    • IMP : Impedanz der Signalleitungen in Ohm
    Die Amplitudenkalibrierung eines Signals in einem Empfangszweig erfolgt vorteilhaft gemäß folgender Verfahrensschritte:
    • Einstellen des Mehrfachumschalters MUX auf Eingang 3, wobei der Ausgang A des Taktgebers TG direkt mit dem Mehrfachumschalter MUX verbunden ist und wobei das Basissignal des Taktgebers eine Frequenz aufweist die gleich oder kleiner ist als die in den Empfangszweigen KE zu kalibrierende Frequenz
    • Übertragung des so erzeugten Basissignals an den Ausgangsverstärker AT über die Kalibrierleitung KL und den auf "Durchgang" geschalteten Kalibrier-Leitungsschalter KLS.
    • Verstärkung des Basissignals durch den Ausgangsverstärker AT, wobei eine Begrenzung der Ausgangsspannung auf die zuvor gemessenen High- und Low Ausgangsspannungen erfolgt. Dabei kommt die Ausgangsspannung durch die hohe Bandbreite des Ausgangsverstärkers einem idealen Rechteck-Ausgangssignal sehr nahe. Insbesondere weist dieses Ausgangssignal entsprechend der Fourier Reihe definierte Ausgangsleistungen sowohl auf der Grundfrequenz als auch auf den ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz auf, wobei der Frequenzbereich für die Gültigkeit der Fourier Beziehung nur durch die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit des Ausgangssignals, sowie durch Symmetriefehler des Basissignals eingeschränkt wird.
    • Einspeisung des generierten Kalibriersignals in den zu kalibrierenden Empfangskanal KE. Durch die spezifischen Frequenzeigenschaften der Empfangskanäle KE werden aus dem Kalibriersignal die entsprechenden Frequenzanteile selektiert und vermessen. Dies kann z.B. durch eine Reihe von Verstärker-, Filter- und Mischeranordnungen zur Erhöhung des Nutzfrequenzbereichs des Empfangskanals KE erfolgen.
    • Berechnung des Verhältnisses der vorbekannten Leistung des Kalibriersignals bei den entsprechenden Vielfachen der Grundfrequenz (oder auch der Grundfrequenz selbst) und der durch den-Empfangskanaf KE gemessenen Leistung, welches als Kalibrierwert für die Ermittlung der tatsächlichen Eingangsleistungen bei der entsprechenden Frequenz verwendet werden kann.
    Die Bestimmung der Eigenlaufzeit eines Signals zwischen der Verteilereinheit und der Verstärkerschaltung erfolgt vorteilhaft gemäß folgender Verfahrensschritte:
    • Einstellen des Mehrfachumschalters MUX auf den Eingang 4, welcher mit dem Ausgang Q des J/K-Flipflops FF verbunden ist und Einstellen des Kalibrier-Leitungsschalter KLS auf den reflektierenden Zustand.
    • Erzeugung eines Puls-Paketes durch Umschaltung des J/K Flipflops von "Hold" auf "Toggle" durch einen Wechsel des Gate-Signals am Eingang J des J/K -Flipflops FF, wobei das J/K-Flipflop FF für die Dauer der aktiven Freischaltung durch das Gate-Signal am Eingang J des J-K-Flipflops FF ein Pulspaket erzeugt, dessen Frequenz der halben Frequenz des im Taktgeber TG erzeugten Basissignals entspricht. Alle Pulse innerhalb des Pulspaketes sind gleich lang.
    • Das erzeugte Pulspaket wird über eine Verteilereinheit VN, welches z.B. weitere Treiberverstärker umfaßt, zu der Widerstandsmatrix WM weitergeleitet. Über die Widerstandsmatrix WM wird das Pulspaket sowohl direkt an die Auswerteeinheit AE, welches z.B. der Analog-Digital-Wandler der Empfangseinheitist, als auch auf die Kalibrierleitung KL weitergeleitet.
    • Das auf die Kalibrierleitung KL weitergeleitete Signal wird an dem sich in einem reflektierenden Zustand befindlichen Kalibrier-Leitungsschalter KLS reflektiert und über die Kalibrierleitung KL und die Widerstandsmatrix WM ebenfalls an die Auswerteeinheit AE weitergeleitet. Der gemessene Zeitunterschied zwischen dem Empfang des Ersten Pulspakets und dem reflektierten Pulspaket entspricht genau der doppelten Signallaufzeit auf der Kalibrierleitung KL.
    Die Signallaufzeit im Ausgangsverstärker AT ist klein gegenüber den Laufzeiten in den Kalibrierleitungen KL. Außerdem ist das Signal über den Frequenzbereich über den eine Laufzeitkalibrierung durchzuführen ist nahezu konstant. Die Abweichung beträgt wenige Pikosekunden. Die Signallaufzeit innerhalb des Ausgangsverstärkers AT kann somit für alle zu kalibrierenden Empfangszweige als konstant angenommen werden. Schwankungen der Signallaufzeit können deswegen vernachlässigt werden.
    Die Laufzeit eines Signals in dem zu kalibrierenden Signalzweig wird vorteilhaft folgendermaßen gemessen:
    • Einstellen des Mehrfachumschalters MUX auf den Eingang 4, welcher mit dem Ausgang Q des J/K-Flipflops FF verbunden ist und Einstellen des Kalibrierleitungsschalters KLS auf "Durchgang". Insbesondere wird der zu kalibrierende Empfangszweig KE auf den entsprechenden Frequenzbereich eingestellt, in welchem die Kalibrierung stattfinden soll.
    • Erzeugung eines Puls-Paketes durch Umschaltung des J/K-Flipflops FF von "Hold" auf "Toggle" durch einen Wechsel des Gate-Signals am Eingang J des J/K-Flipflops FF, wobei das J/K-Flipflop FF für die Dauer der aktiven Freischaltung durch das Gate-Signal am Eingang J des J/K-Flipflops FF ein Pulspaket erzeugt, dessen Frequenz der halben Frequenz im Taktgeber TG erzeugten Basissignals entspricht. Auch sind alle Pulse innerhalb des Pulspaketes gleich lang.
    • Das erzeugte Pulspaket wird über eine Verteilereinheit VN, welches z.B. weitere Treiberverstärker umfaßt, zu den Widerstandsmatrizen WM weitergeleitet. Jede Widerstandsmatrix leitet das Pulspaket sowohl direkt an die Auswerteeinheit als auch auf die jeweilige Kalibrierleitung KL weiter.
    • das auf die Kalibrierleitung KL weitergeleitete Signal wird durch den Ausgangsverstärker AT verstärkt und zu einem Rechtecksignal geformt, wobei die Begrenzung der Ausgangsspannung des Kalibriersignals auf die zuvor gemessenen High- und Low-Ausgangsspannungen erfolgt. Dabei kommt die Ausgangsspannung des Kalibriersignals durch die hohe Bandbreite des Ausgangsverstärkers einem idealen Rechteck-Ausgangssignal sehr nahe.
    • Einspeisung des generierten Kalibriersignals in den zu kalibrierenden Empfangskanal KE. Durch die spezifischen Frequenzeigenschaften der Empfangskanäle KE werden aus dem Kalibriersignal die entsprechenden Frequenzanteile selektiert und vermessen. Dies kann z.B. durch eine Reihe von Verstärker-, Filter- und Mischeranordnungen zur Erhöhung des Nutzfrequenzbereichs des Empfangskanals KE erfolgen.
    • Messen des Laufzeitunterschieds der beiden in der Auswerteeinheit AE empfangenen Signale, wobei die Laufzeit des Signals in dem entsprechenden Signalzweig KE dem zeitliche Unterschied zwischen dem Eingangszeitpunkt des Basissignals aus der Widerstandsmatrix WM an der Auswerteeinheit AE und dem Eingangszeitpunkt des Kalibriersignals durch den zu kalibrierenden Signalzweig KE abzüglich der Eigenlaufzeit zwischen der Verteilereinheit VM und dem Kalibrierungsschalter KLS entspricht.
    Bei der Bestimmung des frequenzspezifischen Laufzeitunterschieds zwischen zwei oder mehreren Empfangskanälen KE wird statt des letzten Aufzählungspunktes der zeitliche Unterschied durch direkten Vergleich der Eingangzeitpunkte der Signale an den jeweiligen Auswerteeinheiten ermittelt. Hierbei ist die jeweilige Eigenlaufzeit der Kalibrieranordnung zwischen der Verteilereinheit und der Verstärkerschaltung zu berücksichtigen.
    Wie bereits oben erläutert, ist die Signallaufzeit im Ausgangsverstärker AT klein gegenüber den Laufzeiten in den Kalibrierleitungen KE. Bei gleichartiger Gestaltung der verwendeten Ausgangstreiber für alle zu kalibrierenden Empfangskanäle KE kann die Signallaufzeit in den Ausgangsverstärkern AT als konstant angenommen werden. Sofern Laufzeitunterschiede der Empfangskanäle KE (nicht Absolutlaufzeiten) gemessen werden, kann somit die Laufzeit der Ausgangsverstärker-Schaltung vernachlässigt werden.

    Claims (11)

    1. Verfahren zur Erzeugung von Kalibriersignalen zur Kalibrierung räumlich entfernter Signalzweige (KE) von Antennensystemen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Taktgebers (TG) ein Basissignal erzeugt wird, welches einer Verteilereinheit (VN) zur Verteilung des Basissignals an Verstärkerschaltungen (VS) auf ihnen jeweils zugeordneten Signalverteilungs-Leitungen (KL) zugeführt wird und dass am Ausgang der Verstärkerschaltungen (VS) jeweils ein Kalibriersignal durch Verstärkung des Basissignals innerhalb einer vorgebbaren oberen Amplitudengrenze und einer vorgebbaren unteren Amplitudengrenze erzeugt wird, welches dem jeweiligen, einer Verstärkerschaltung (VS) zugeordneten Einspeisepunkt des zu kalibrierenden Signalzweigs (KE) zugeführt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (VS) einen Kalibrierleitungsschalter (KLS) umfaßt, der direkt vor den Ausgangsverstärker (AT) geschaltet ist, wobei der Kalibrierleitungsschalter (KLS) zwischen einem Durchgangszustand und einem signalreflektierenden Zustand schaltbar ist und wobei im signalreflektierenden Zustand die Signallaufzeit des Basissignals auf den Signalverteilungs-Leitungen (KL) mit einer Auswerteeinheit (AE) gemessen wird, die mit einer in die jeweilige Signalverteilungs-Leitung (KL) zwischen die Verstärkerschaltung (VS) und der Verteilereinheit (VN) geschalteten Widerstandsmatrix (WM) verbunden ist.
    3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Flankensteilheit des Kalibriersignals dem Ausgangsverstärker (AT) ein oder mehrere weitere Verstärker (VV) vorgeschaltet werden.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzbandbreite der weiteren vorgeschalteten Verstärker (VV) im Verhältnis zu dem Ausgangsverstärker (AT) kleiner oder gleich ist.
    5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissignal ein Puls-Burst ist, welcher in einem J/K-Flipflop als Taktgeber erzeugt wird, so dass die erzeugten Pulse gleiche Frequenz, Pulsbreite und Tastverhältnis aufweisen.
    6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der unteren Amplitudengrenze ein Low-Signal erzeugt wird, welches über die Verteilereinheit (VN) und die Signalverteiler-Leitungen (KL) an die Verstärkerschaltungen (VS) geleitet wird und dass am Ausgang der Verstärkerschaltungen (VS), deren Kalibrierleitungsschalter (KLS) in Durchgang geschaltet sind, eine Ausgangsspannung für das entsprechende Low-Signal gemessen wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der oberen Amplitudengrenze ein High-Signal erzeugt wird, welches über die Verteilereinheit (VN) und die Signalverteiler-Leitungen (KLS) an die Verstärkerschaltungen (VS) geleitet wird und dass am Ausgang der Verstärkerschaltungen (VS), deren Kalibrierleitungsschalter (KLS) in Durchgang geschaltet sind, eine Ausgangsspannung für das entsprechende High-Signal gemessen wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7,dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzabhängige Ausgangsleistung eines Basissignals am Ausgang der Verstärkerschaltung (VS) folgendermaßen berechnet wird:
      Figure 00120001
      mit
      UHigh : Ausgangsspannung High-Signal
      ULow : Ausgangsspannung Low-Signal
      IMP : Impedanz der Signalleitungen (KLS) in Ohm
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude eines Signals in einem Empfangszweig (KE) folgendermaßen kalibriert wird :
      der Kalibrierleitungsschalter (KLS) der entsprechenden Verstärkerschaltung (VS) wird auf Durchgang geschaltet,
      ein Basissignal wird über die entsprechende Verstärkerschaltung (VS) und den zu kalibrierenden Empfangszweig (KE) geleitet und an der mit dem Ausgang des zu kalibrierenden Empfangszweigs (KE) verbundenen Auswerteeinheit (AE) wird die Leistung des entsprechenden Signals gemessen,
      Bestimmung des Verhältnisses der Ausgangsleitung der Verstärkerschaltung (VS) und der am Ausgang des Empfangszweigs (KE) ermittelten Leistung.
    10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenlaufzeit eines Signals zwischen der Verteilereinheit (VN) und der Verstärkerschaltung (VS) folgendermaßen gemessen wird :
      der Kalibrierleitungsschalter (KLS) der zu vermessenden Verstärkerschaltung (VS) wird in einen signalreflektierenden Zustand geschaltet,
      ein Basissignal wird über die Verteilereinheit (VN) gleichzeitig an die mit der Widerstandsmatrix (WM) verbundene Auswerteeinheit (AE) und über die Signalverteiler-Leitung (KL) an die Verstärkerschaltung (VS) geleitet, wobei Signalverteiler-Leitung (KL) an die Verstärkerschaltung (VS) geleitet, wobei die Widerstandsmatrix (WM) das von dem Kalibrierleitungsschalter (KLS) reflektierte Signal an die Auswerteeinheit (AE) weiterleitet,
      Messen des Laufzeitunterschieds der beiden in der Auswerteeinheit (AE) empfangenen Signale, der der doppelten Laufzeit zwischen der Verteilereinheit (VN) und dem Kalibrierleitungsschalter (KLS) entspricht.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit eines Signals in dem zu kalibrierenden Signalzweig (KE) folgendermaßen gemessen wird:
      der Kalibrierleitungsschalter (KLS) der entsprechenden Verstärkerschaltung (VS) wird auf Durchgang geschaltet,
      ein Basissignal wird über die Verteilereinheit (VN) gleichzeitig an die Auswerteeinheit und über die Signalverteiler-Leitungen (KL) und die Verstärkerschaltung (VS) an den Einspeisepunkt des zu kalibrierenden Signalzweigs (KE) geleitet, wobei der Ausgang des zu kalibrierenden Signalzweigs (KE) mit der Auswerteeinheit (AE) verbunden ist,
      Messen des Laufzeitunterschieds der beiden in der Auswerteeinheit (AE) empfangenen Signale, wobei die Laufzeit des Signals in dem entsprechenden Signalzweig (KE) dem zeitliche Unterschied zwischen dem Eingangszeitpunkt des Basissignals aus der Widerstandsmatrix (WM) an der Auswerteeinheit (AE) und dem Eingangszeitpunkt des Kalibriersignals durch den zu kalibrierenden Signalzweig (KE) abzüglich der Eigenlaufzeit zwischen Verteilereinheit (VN) und Kalibrierungsschalter (KLS) entspricht.
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