NL1009033C2

NL1009033C2 - Antennesysteem.

Info

Publication number: NL1009033C2
Application number: NL1009033A
Authority: NL
Inventors: Albert Groenenboom
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 1999-11-01
Also published as: DE69930344D1; EP0954056B1; US6140962A; CA2270096C; AU2373799A; CA2270096A1; AU746829B2; DE69930344T2; EP0954056A1

Description

Antennesysteem

De uitvinding heeft betrekking op een phased array antennesysteem voor radartoepassingen, omvattende tenminste twee 5 phased array antenneplaten geschikt voor het afgeven van RF zendpulsen, elk voorzien van een array van actieve T/R modules, waarbij elke T/R module is voorzien van een RF versterker voor het afgeven van RF pulsen met een althans in hoofdzaak constante amplitude, een voedingsnetwerk voor 10 het van een RF ingangssignaal voorzien van de T/R modules en een stuureenheid voor het genereren van stuursignalen voor de individuele T/R modules.

Antennesystemen van dit type zijn bekend onder de naam 15 meerplaats phased array antennesysteem. Ze worden bijvoorbeeld aan boord van schepen gebruikt en kunnen daar een groot aantal taken verrichten waarvoor tot voor kort een aantal verschillende vuurleiding- en rondzoek radarsystemen nodig waren. Bovendien zijn ze robuust; ook als een deel 20 van de T/R modules defect raakt blijft het systeem operationeel.

Bij meerplaats phased array antennesystemen gaat men er van uit dat de verschillende platen onafhankelijk van elkaar 25 kunnen werken. Meer in het bijzonder gaat men er van uit dat één plaat RF zendpulsen kan uitzenden terwijl een andere plaat op dat moment kan ontvangen, met andere woorden, dat de isolatie tussen de verschillende platen voldoende is. Daartoe wordt het phased array antennesysteem 30 ontworpen met een vooraf gespecificeerde isolatie tussen naburige platen. Wel is het zo dat deze isolatie alleen wordt bereikt door voor de uitzendingen van aangrenzende antenneplaten een vooraf bepaald frequentieverschil te eisen. Dit frequentieverschil is eenvoudig te berekenen uit 1 009033 Ί de vereiste isolatie en het maximale vermogen, de band breedte en de spectrale zuiverheid van de RF zendpulsen.

2

Bij toepassing van actieve T/R modules blijkt er toch 5 overspraak van een zendende plaat op een ontvangende plaat voor te komen tijdens een voorflank of een achterflank van een RF zendpuls. Voor overspraakproblemen van dit type is de in het vakgebied bekende oplossing het aanbrengen van een tapering op de RF zendpuls. Voor een gegeven 10 frequentieverschil tussen de zendende plaat en de ontvangende plaat kan men bovendien op oen op zich bekende wijze de benodigde tapering bepalen om een gespecificeerde isolatie te halen. Bij een phased array antennesysteem is deze kennis niet voldoende. Het blijkt dat een RF ingangs-15 signaal dat is voorzien van een vereiste tapering en dat wordt aangeboden aan een actieve T/R module, resulteert in een RF zendpuls vrijwel zonder tapering. Dit hangt samen met het feit dat de RF versterkers in de actieve T/R modules in verzadiging worden bedreven om een enigszins 20 acceptabel rendement te kunnen realiseren. Een goed rendement is noodzakelijk uit het oogpunt van kostenbeheersing, maar ook om een toch al gecompliceerde warmtehuishouding in het phased array antennesysteem niet verder te belasten.

25

De onderhavige uitvinding lost het hier geschetste probleem op door een RF zendpuls, afgegeven door een antenneplaat in zijn geheel, te taperen en heeft volgens een aspect van de uitvinding als kenmerk, dat de stuureenheid één gatepuls 30 genereert voor het inschakelen van alle RF versterkers van een antenneplaat en dat elke T/R module is voorzien van vertragingsmiddelen voor het vertragen van de gatepuls met een voor die module geselecteerde vertraging om een overspraak naar een andere antenneplaat te minimaliseren.

35 10090331 3

Een phased array antenne waarbij de modules op verschillende tijdstippen worden ingeschakeld is bekend uit EP 0.520.489 BI. Het betreft hier echter een enkelplaats phased array dat ten behoeve van single pulse Doppler 5 processing pulsen uitzendt die gedurende de hele pulslengte een vooraf bepaalde shaping dienen te bezitten om een goede Dopplerresolutie van doelen mogelijk te maken.

Een gunstige uitvoeringsvorm volgens een verder aspect van 10 de uitvinding heeft als kenmerk, dat de vertraging is geselecteerd uit een vooraf bepaald tijdsinterval, welk interval feitelijk de lengte van de tapering en daarmee ook de breedte van het tijdens de tapering opgewekte spectrum bepaalt.

15

Een zeer gunstige uitvoeringsvorm volgens een verder aspect van de uitvinding heeft als kenmerk, dat de vertragingen zodanig worden gekozen dat het aantal ingeschakelde modules als functie van de tijd de gewenste stijgtijd en daaltijd 20 van de RF zendpulsen realiseren.

Bij een actief phased array antennesysteem wordt, althans bij het zenden, steeds een uniforme antenne weegfunctie toegepast. Dit is noodzakelijk omdat de RF versterkers in 25 de T/R modules in verzadiging bedreven moeten worden. Een verder aspect van de uitvinding betreft dan ook de verdeling van reeds ingeschakelde of nog ingeschakelde T/R modules tijdens de stijgtijd en de daaltijd van de RF zendpulsen over het oppervlak van een antenneplaat. Deze 30 verdeling bepaalt de bundelvorming en daarmee het zijlus-gedrag en de isolatie ten opzichte van een aangrenzende ontvangende antenneplaat gedurende de stijgtijd en de daaltijd.

100 90 33"' 4

Een gunstige uitvoeringsvorm volgens een verder aspect van de uitvinding heeft als kenmerk, dat modules met een bepaalde vertraging zódanig over het oppervlak van een antenneplaat zijn verdeeld, dat gedurende de stijgtijd en 5 de daaltijd van de RF zendpulsen de antenne weegfunctie voortdurend een althans in hoofdzaak uniforme tapering benadert. Dit kan eenvoudig worden gerealiseerd door de actieve modules in essentie pseudo-random aan te wijzen.

10 Voor phased array antennesysteem met een betrekkelijk klein aantal T/R modules kan de isolatie verder worden verbeterd volgens een verder aspect van de uitvinding, die hiertoe als kenmerk heeft dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht voor het aan het begin van een RF zendpuls intermitterend 15 inschakelen van een T/R module en voor het aan het eind van een RF zendpuls intermitterend uitschakelen van een T/R module. Door op deze wijze gedurende de stijgtijd en de daaltijd van de RF zendpuls de distributie van RF vermogen over de oppervlakte van de antenne verder te verdelen, 20 wordt een groter aantal T/R modules gesimuleerd en worden de zijlussen van de antenne verkleind. De vertragingsmiddelen zijn hierbij ingericht voor het op elk moment ingeschakeld houden van een op dat moment gewenst aantal T/R modules en voor het voortdurend nastreven van een 25 uniforme verdeling van ingeschakelde T/R modules over het antenneoppervlak.

Bij een phased array antennesysteem is het in het algemeen voldoende een stijgtijd en een daaltijd van minder dan een 30 microseconde in acht te nemen. In dat tijdsbestek moet een groot aantal T/R modules worden geschakeld. Toch wil men, om voortdurend de zijlussen te beperken, steeds niet meer dan één module tegelijk inschakelen of uitschakelen.

loosed"i ft-a 5

Volgens een verder aspect van de uitvinding heeft het phased array antennesysteem daarom als kenmerk, dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht om inschakelmomenten van T/R modules te spreiden en om uitschakelmomenten van T/R 5 modules te spreiden.

Een zeer gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe als kenmerk, dat de vertragingsmiddelen digitale en analoge vertragingsmiddelen omvatten. Hierbij bepaalt een digitaal 10 signaal, afgeleid van de gatepuls, het moment van inschakelen of uitschakelen, maar bevat de T/R module bovendien een kleine analoge vertraging die op basis van gekozen analoge waarden of van toleranties op analoge waarden een additionele, niet aan een kloksignaal gebonden delay creëert.

15

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarbij:

Fig. 1 schematisch een vierplaats phased array antennesysteem weergeeft; 20 Fig. 2 schematisch een RF ingangssignaal en een bijbehorende gatepuls weergeeft;

Fig. 3 schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een T/R module voorzien van een vertragingscircuit weergeeft.

25

Fig. 1 toont schematisch een phased array radarsysteem met vier antenneplaten 1,2,3,4, die bijvoorbeeld op een schip kunnen worden gemonteerd en die samen een 360 graden dekking in azimut verzorgen. Antenneplaten 1,2,3,4 30 ontvangen RF (radio frequency) ingangssignalen en stuursignalen van een stuureenheid 5 en geven per antenneplaat ontvangen echosignalen voor verdere verwerking door aan een ontvangeenheid 6. Antenneplaten 1,2,3,4 zijn actief, wat betekent dat antenneplaten worden gevormd door een array 35 van actieve T/R (transmit/receive) modules, elk voorzien 1 G 0 9 0 3 3 6 van een RF versterker voor de zendfunctie, een LNA (low noise amplifier) voor de ontvangfunctie en tenminste een instelbare fase shifter.

i 5 Fig. 2 geeft schematisch een RF ingangssignaal 7 voor een T/R module en een bijbehorende gatepuls 8 weer. Gatepuls 8 is van oorsprong een beveiliging voor de T/R modules, waarmee wordt voorkomen dat de RF versterker voor de zendfunctie ooit spontaan actief wordt. In die oorspronke-10 lijke toepassing is gatepuls 8 wijder dan RF ingangssignaal 7. Het voordeel is dan dat het RF ingangssignaal van een tapering kan worden voorzien. Omdat bij toepassing van een in verzadiging bedreven RF versterker de zin van de tapering toch al afwezig is, wordt gatepuls 8 nu zó gekozen 15 dat hij volledig binnen RF ingangssignaal 7 valt. Gatepuls 8 bepaalt hiermee het startmoment en de lengte van de af te geven RF pulsen.

Fig. 3 toont schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van 20 een T/R module 9 voorzien van een RF versterker 10, die via een zend phaseshifter 11 een RF ingangssignaal ontvangt uit stuureenheid 5 en die zijn RF uitgangssignaal via een circulator 12 afgeeft aan een straler 13. Daarnaast is T/R module 9 voorzien van een via circulator 12 op straler 13 25 aangesloten LNA 14, die zijn uitgangssignaal via een ontvang phaseshifter 15 afgeeft aan ontvangeenheid 6.

Verder is T/R module 9 voorzien van een digitale interface 16, die vanuit stuureenheid 5 opdrachten krijgt via een digitale verbinding 17. Interface 16 levert een voor de 30 onderhavige uitvinding relevante gatepuls 8, die RF

versterker 10 aan- en uitschakelt. Volgens de uitvinding is gatepuls 8 zodanig gekozen dat hij feitelijk de vorm van de RF puls bepaalt. Daarbij wordt gatepuls 8 via een instel-bare vertraging 18 naar RF versterker 10 gevoerd, waarvan 35 de vertraging instelbaar is via een ingang 19. Instelbare ] 1 00 90 33'! 7 vertraging 18 is een digitale schakeling, waarin een op ingang 19 aangeboden waarde wordt geladen en waarvan de inhoud op een op zich bekende wijze wordt gebruikt om de ingestelde vertraging te realiseren. Door nu voor ver-5 schillende T/R modules verschillende waarden op ingang 19 aan te bieden, wordt bewerkstelligd dat de RF pulsen van de verschillende T/R modules niet meer precies overlappen en dat er dus sprake is van een tapering op de RF zendpulsen. Daarbij blijft de onderlinge coherentie gewaarborgd, omdat 10 van hetzelfde RF ingangssignaal wordt uitgegaan en omdat elke RF versterker 10 zich steeds in een welgedefinieerde toestand bevindt.

Ingang 19 kan zijn sturing op velerlei wijzen ontvangen, 15 bijvoorbeeld als uitgangssignaal 20 van interface 16 tijdens een initialisatiefase van het antennesysteem of per geplande uitzending. Daarnaast is het mogelijk de sturing via een dipswitch 21 of hard wiring 22 per T/R module in te stellen.

20

Bij een antennesysteem met bijvoorbeeld 5000 T/R modules kan een gedefinieerde tapering van de zendpuls van 1 jusec. worden gerealiseerd door instelbare vertraging 18 uit te voeren als een 10 bits teller die met 1 Ghz wordt leeg-25 geklokt. Elke nanoseconde worden dan een aantal T/R modules ingeschakeld of uitgeschakeld. Het effect van het discrete, gelijktijdige schakelen, wat op zich ongewenst is, kan worden verminderd door het schakelsignaal via een analoge delay met een subnanoseconde spreidingswaarde te sturen, 30 bijvoorbeeld een RC netwerkje waarop wat tolerantie zit.

Naast het aantal T/R modules dat op elk tijdstip moet worden ingeschakeld is het ook van belang waar op het oppervlak van de antenneplaat een T/R module moet worden 35 ingeschakeld. Een willekeurige inschakeling van de T/R

1 003033-1 8 modules kan aanleiding geven tot hoge zijlussen, waardoor de gespecificeerde isolatie mogelijk niet gehaald wordt. Omdat bij de gespecificeerde isolatie wordt uitgegaan van een uniforme antenneweegfunctie is het voldoende gedurende 5 de stijgtijd en de daaltijd, als er sprake is van een in het vakgebied welbekend thinned array, eveneens een uniforme weegfunctie na te streven. Dit resulteert in zijlussen die nagenoeg constant zijn en bovendien voor wat betreft de locatie nagenoeg gelijk aan de zijlussen van het 10 array als alle T/R modules zijn ingeschakeld.

Het is mogelijk om modules intermitterend in te schakelen, bijvoorbeeld inschakelen na 400 nanoseconden, uitschakelen na 600 nanoseconden en weer inschakelen na 800 nanosecon-15 den. Eenvoudig kan worden aangetoond dat met een zo geschakelde phased array antenne tijdens de stijgtijd en de daaltijd lagere antennezijlussen kunnen worden gehaald, wat de overspraak verder vermindert. Nodig is dan om vertraging 18 anders uit te voeren, omdat nu niet alleen de vertraging 20 als zodanig moet worden opgeslagen, maar een voor dat T/R module geldende sequentie. Vertraging 18 kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd als een geschikt geprogrammeerd gate array of programmable logic array.

! [ 1 GO - 0 Λ3 ,!

Claims

1. Phased array antennesysteem voor radartoepassingen, omvattende tenminste twee phased array antenneplaten 5 geschikt voor het afgeven van RF zendpulsen, elk voorzien van een array van actieve T/R modules, waarbij elke T/R module is voorzien van een RF versterker voor het afgeven van RF pulsen met een althans in hoofdzaak constante amplitude, een voedingsnetwerk voor het van een RF ingangs-10 signaal voorzien van de T/R modules en een stuureenheid voor het genereren van stuursignalen voor de individuele T/R modules, met het kenmerk, dat de stuureenheid één gatepuls genereert voor het inschakelen van alle RF versterkers van een antenneplaat en dat elke T/R module is 15 voorzien van vertragingsmiddelen voor het vertragen van de gatepuls met een voor die module geselecteerde vertraging om een overspraak naar een andere antenneplaat te minimaliseren.

2. Phased array antennesysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vertraging is geselecteerd uit een vooraf bepaald tijdsinterval.

3. Phased array antennesysteem volgens conclusie 2, met 25 het kenmerk, dat het tijdsinterval is gekozen in relatie tot een frequentieseparatie tussen uitzendingen van naburige antenneplaten.

4. Phased array antennesysteem volgens conclusie 2 of 3, 30 met het kenmerk, dat de vertragingen zodanig worden gekozen dat het aantal ingeschakelde modules als functie van de tijd de gewenste stijgtijd en daaltijd van de RF zendpulsen realiseren. 1009033 1

5. Phased array antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat modules met een bepaalde vertraging zódanig over het oppervlak van een antenneplaat zijn verdeeld, dat gedurende de stijgtijd en de daaltijd 5 van de RF zendpulsen de antenne weegfunctie voortdurend een althans in hoofdzaak uniforme tapering benadert.

6. Phased array antennesysteem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht voor 10 het aan het begin van een RF zendpuls intermitterend inschakelen van een T/R module en voor het aan het eind van een RF zendpuls intermitterend uitschakelen van een T/R module.

7. Phased array antennesysteem volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht voor het op elk moment ingeschakeld houden van een op dat moment gewenst aantal T/R modules en voor het voortdurend nastreven van een uniforme verdeling van ingeschakelde T/R 20 modules over het antenneoppervlak.

8. Phased array antennesysteem volgens conclusie 5 of 7, met het kenmerk, dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht om inschakelmomenten van T/R modules te spreiden. 25

9. Phased array antennesysteem volgens conclusie 5 of 7, met het kenmerk, dat de vertragingsmiddelen zijn ingericht om uitschakelmomenten van T/R modules te spreiden.

10. Phased array antennesysteem volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de vertragingsmiddelen digitale en analoge vertragingsmiddelen omvatten. 1 f) 0 P 0 o n -i