NL7807170A - Radarsysteem. - Google Patents

Description

; Jr r \

Aanvrager : HOLLANDSE SIGNAALAPPARATEN B.V. te 7550-GD Hengelo

Korte aanduiding r Radarsysteem

De uitvinding heeft "betrekking op een radarsysteem, voorzien van een phased-array antenne waarvan de stralingselementen zijn aangesloten op bijbehorende, voor het zenden en ontvangen van RE-signalen ingerichte modulen, waarbij aan elk van deze modulen 5 een zendsignaal en een local oscillatorsignaal wordt toegevoerd en waarbij voorts elk van de modulen, na ontvangst van een echosignaal met behulp van ie genoemde antenne, een middenfrequent ontvang-signaal afgeeft.

Een dergelijk radarsysteem is bekend en bijvoorbeeld 10 beschreven in "G.C. Bandy, L.J. Hardeman and W.F. Mayes, Mera modules - How good in an array?, Microwaves, augustus 1969”.

In het daar beschreven radarsysteem worden het zendsignaal en het local oscillatorsignaal gelijkelijk over alle modulen verdeeld en hieraan over coaxiale leidingen toegevoerd. Evenzo wordt door elk 15 van de modulen het middenfrequent ontvangsignaal over een coaxiale leiding afgegeven.

In het algemeen kan het energietransport tussen een signaalbron/signaalverwerkingseenheid enerzijds en de aan de afzonderlijke stralingselementen gekoppelde modulen anderzijds op ver-20 schillende manieren worden gerealiseerd, te weten door straling tussen een aan de signaalbron/signaalverwerkingseenheid gekoppelde hoomstraler en daartoe aan de modulen gekoppelde additionele stralingselementen of door een systeem van golfpijpen, coaxiale leidingen of striplines.

25 De uitvinding beoogt daarentegen een radarsysteem als in de aanhef omschreven te verschaffen, waarbij het energietransport tussen de signaalbron/signaalverwerkingseenheid enerzijds en de afzonderlijke modulen anderzijds op andere wijze dan hiervoor aangegeven wordt gerealiseerd.

7807170 O—.

% - 2 - %

Overeenkomstig de uitvinding is daartoe een stelsel vezel-optische golfgeleiders aanwezig om het zendsignaal en het local oscillatorsignaal, heiden gemoduleerd op in frequentie op genoemd stelsel afgestemde draaggolven, te verdelen over en toe te voeren 5 aan de genoemde modulen, waarbij elk van deze module^ een demodu-latieschakeling omvat met behulp waarvan uit de toegevoerde gemoduleerde signalen het zendsignaal en het local oscillatorsignaal wordt verkregen.

Het gebruik van vezeloptische geleiders in radarapparatuur 10 is op zichzelf niet geheel nieuw; zo is in het U.S. octrooischrift 4,028,702 een, van een phased-array antenne voorziene radarzend-inrichting beschreven, waarbij het energietransport van de signaal-bron naar de afzonderlijke stralingselementen is gerealiseerd met behulp van vezeloptische geleiders. Ten behoeve van dit energie-15 transport is voor elk van de, aan de stralingselementen gekoppelde modulen een groot aantal vezeloptische geleiders van verschillende lengte aanwezig en is elk van de modulen opgebouwd uit zoveel demodulatoren als er vezeloptische geleiders zijn die met de desbetreffende module in verbinding staan, alsmede een electron!sch 20 bestuurde schakelaar en een RF-vermogenversterker. Met behulp van de genoemde schakelaar wordt een, over een specifieke vezeloptische geleider getransporteerd en gedemoduleerd signaal geselecteerd; de keuze van deze geleider is bepalend voor de fase van het door het desbetreffende stralingselement uit te zenden signaal. Hoewel 25 hiermede vermeden wordt dat in de modulen een electronisch bestuurbaar fasedraaiend element dient te worden opgenomen, dient het grote aantal vezeloptische geleiders met bijbehorende optisch-electronische componenten toch als een nadeel te worden beschouwd.

De uitvinding zal in het hiernavolgende worden toegelicht 50 aan de hand 7an de bijgaande figuren, waarvan:

Fig. 1 het principeschema van het radarsysteem overeenkomstig de uitvinding weergeeft, en

Pig. 2 een uitvoeringsvorm van een, aan een .stralingselement gekoppelde» voor het zenden en ontvangen van RP-signalen 55 ingerichte module laat zien.

7807170 r\ - 3 - *

Het in fig. 1 afgeheelde radarsysteem is voorzien van een phased-array antenne waarvan de stralingselementen zijn aangeduid met de verwijzingscijfers 1a, 1b, ...» 1n. Deze stralingselementen zijn aangesloten op bijbehorende, voor het zenden en ontvangen van 5 HF-signalen ingerichte modulen 2a, 2b, ..., 2n. Aan elk van deze modulen wordt een zendsignaal en een local osoillatorsignaal toegevoerd en elk van deze modulen geeft, na ontvangst van een eeho-signaal met behulp van de genoemde antenne, een middenfrequent ontvangsignaal af. Het radarsysteem bevat daartoe een signaalbron/ 10 signaalverwerkingseenheid 3 en een transmissiesysteem £ tussen de signaalbron/signaalverwerkingseenheid en de afzonderlijke modulen.

Dit transmissiesysteem omvat geleiders voor de hoogfrequent zenden local oscillatorsignalen en de middenfrequent ontvangsignalen, alsmede componenten voor het verdelen reep. samenbundelen van de 15 over dit transmissiesysteem te leiden signalen. Voor de opbouw van het transmissiesysteem is gebruik gemaakt van vezeloptlsche golf-geleiders, in het hiernavolgende als glasfibers aangeduid. Deze glasfibers kunnen op verschillende manieren in het transmissiesysteem worden toegepast, te weten door: 20 1. het zendsignaal en het local osoillatorsignaal over één glas fiber aan de modulen toe te voeren; hierbij kan het middenfrequent ontvangsignaal door elk van de modulen worden afgegeven: a. over een stripline of coaxiale geleider; b. over een aparte glaefiber; 25 c. over dezelfde glasfiber als waarover het zendsignaal en het local osoillatorsignaal aan de desbetreffende module worden toegevoerd; 2. het zendsignaal en het local osoillatorsignaal over aparte glasfibers aan de modulen toe te voeren; hierbij kan het middenfre-30 quent ontvangsignaal door elk van de modulen worden afgegeven: a. over een stripline of coaxiale geleider; b. over een aparte glasfiber; c. over dezelfde glasfiber als waarover het zendsignaal aan de desbetreffende module wordt toegevoerd; 35 d. over dezelfde glasfiber als waarover het local oscillator- signaal aan de desbetreffende module wordt toegevoerd.

7807170 - 4 - %

Het transport van zend- en local oscillatorsignalen en eventueel middenfrequent ontvangsignalen over glasfibers vindt plaats door deze signalen te moduleren op, door een lichtbron opgewekte en op de glasfibers afgestemde draaggolven. In de hierboven 5 onder 1. genoemde gevallen worden zendsignaal en local oscillator-signaal over één glasfiber aan elk van de modulen toegevoerd, haar het echter niet noodzakelijk is dat beide signalen tegelijkertijd naar de modulen worden getransporteerd, worden het zendsignaal (zendpulsen) en het local oseiHatorsignaal in de tussen de opeen- .

10 volgende zendpulsen gelegen tijdsintervallen op een en dezelfde draaggolf gemoduleerd. Wordt echter het ontvangsignaal over de glasfiber geleid waarover tevens het zend- en/of local oseiHatorsignaal wordt geleid, zoals in de hierboven onder 1c, 2c en 2d genoemde gevallen, dan wordt dit ontvangsignaal op een eigen draaggolf 15 gemoduleerd.

Een voordelige keuze voor de frequentie van het zendsignaal is rond de 750 KHz; frequenties boven 1 GHz blijken momenteel al gauw niet goed meer op de optische draaggolven te moduleren. Door in elk van de modulen een element op te nemen, hetwelk deze frequentie bij-20 voorbeeld verviervoudigt, wordt de zendfrequentie toch in een bruikbaar frequentiegebied, i.c. de S-band, gebracht. Wordt de over de glasfibers te transporteren frequentie veel lager dan genoemde waarde gekozen, dan dient de frequentieverveelvoudiging in de modulen evenredig groter te zijn en dientengevolge een dusdanig grote versterking 25 te worden geïntroduceerd, dat buiten het hieruit resulterende rendementsverlies een onaanvaardbare faseruis ontstaat.

In fig. 2 is een uitvoeringsvorm van een module afgebeeld welke is afgestemd op een, onder het hierboven gegeven geval 1b Vallend transmissiesysteem. De module zelf is met 2i aangeduid en 50 het hierop aangesloten stralingselement met 1i. Een 725 MHz zend-signaal en een 750 MHz local oscillatorsignaal worden over de glasfiber 5 aan een, deel van de module 2i_uitmakende demodulator 6 toegevoerd. De op eenzelfde optische frequentie gemoduleerde zenden local oscillatorsignalen worden hierin gedemoduleerd met behulp 55 van een fotodiodeschakeling, vervolgens versterkt in de versterker 7 en toegevoerd aan de diplexer 8. In de diplexer 8 worden de zend- 78 0 7 1 7 (Γ o—.....^ - 5 - signalen, d.w.z. de zendpuleen, gescheiden van het zich in de, tussen de opeenvolgende zendpulsen gelegen tijdsintervallen bevindende local oscillatorsignaal. De zendpuleen worden vervolgens toegevoerd aan de eenheid 9» waarin de frequentie van de zend-5 signalen wordt verviervoudigd, dus op 2900 MHz gebracht, en via de fasedraaier 10, de S-band vermogensversterker 11, de circulator 12 door het stralingselement 1i uitgezonden. Het local osoillator-signaal wordt toegevoerd aan de eenheid 13» waarin de frequentie van het local oscillatorsignaal op gelijke wijze wordt verveel-10 voudigd als het zendsignaal in de eenheid 9, dus op 3000 MHz gebracht en vervolgens via de fasedraaier 14 toegevoerd aan de mixer 15.

De door het stralingselement 1i opgevangen echosignalen worden via de circulator 12 en de versterker 16 eveneens toegevoerd aan deze mixer en hierin gebracht op de middenfrequentie 100 MHz. De ver-15 kregen signalen worden vervolgens via de middenfrequentversterker 17 toegevoerd aan de eenheid 18, alwaar zij op de desbetreffende optische frequentie worden gemoduleerd en over de glasfiber 19 door de module afgegeven. In de hier beschreven module vindt de fasesturing in de eenheden 10 en 14 plaats nadat de zend- en local 20 oscillatorfrequentie is verviervoudigd. De fase van de desbetreffende signalen is dan beter in te stellen dan in het geval dit zou moeten geschieden vóór de frequentievermenigvuldiging. In dit laatste geval zou de fasesturing gerealiseerd moeten worden door het instellen van z.g. lumped elements, hetgeen bovendien i.c. een 25 factor 4 nauwkeuriger zou moeten geschieden i.v.o. de na de fasesturing plaatsvindende frequentievermenigvuldiging. De fasesturing van de door de afzonderlijke stralingselementen uit te zenden signalen, alsmede die van de desbetreffende local osoillator-signalen geschiedt overigens op'de bij phased-array antennes 30 gebruikelijke wijze door middel van een rekenaar.

Voor het genereren van de optische draaggolven voor het energietransport in de glasfibers dient aan de zendzijde van de desbetreffende glasfibers een lichtbron aanwezig te zijn; hiervoor wordt, door de hoge energiedichtheid van de uit te zenden lioht-35 bundel, bij voorkeur gebruik gemaakt van een laser, alhoewel voor bepaalde toepassingen LED’s (light emitting dioden) ook bruikbaar 780717a O·*·-—~ t - 6 - zullen zijn. Voor het transport van het zend- en local oscillatorsignaal naar de onderscheiden modulen zouden de draaggolven kunnen worden opgewekt door één enkele gaslaser, waarvan de uit te zenden lichtbundel over alle glasfibers verdeeld wordt of over een 5 beperkt aantal glasfibers welke op hun beurt worden gesplitst in meerdere glasfibers. Dergelijke gaslasers zijn echter duur en bezitten bovendien een relatief korte leveneduur. Verder zij hierbij opgemerkt dat het splitsen van een glasfiber in meerdere glasfibers, bekend uit bijvoorbeeld "Irving Reese, Fiber optic 10 data bus for control - A reality!, Control Engineering, july 1977» p 43- 48", uit de franse octrooiaanvrage 2.299.656 en uit het duitse Offenlegungsschrift 25 16 975» toch nog te grote energieverliezen met zich mede brengt. Gekozen is derhalve voor een systeem waarbij meerdere GaAs-laserdioden gebruikt wordt welke een 15 lichtbundel uitzenden die, door de relatief lage energiedichtheid, over een beperkt aantal glasfibers wordt verdeeld. In het in fig. 1 door het verwijzingscijfer £ aangegeven transmissiesysteem zijn slechts een viertal van dergelijke laserdioden 20a-d aangegevenΓ Alleen van de laserdiode 20b is aangegeven dat de uitgezonden 20 lichtbundel in een, door optische componenten gevormde eenheid 21 wordt verdeeld over een aantal, naar de diverse modulen lopende glasfibers. Door bijvoorbeeld 160 laserdioden te gebruiken en de door elk van hen uitgezonden lichtbundel te verdelen over 25 glasfibers, wordt een transmissiesysteem voor een uit 4000 modulen 25 bevattende phased-array antenne verkregen.

Zoals reeds vermeld worden het zend- en local oscillator-signaal op de door de desbetreffende lichtbron uit te zenden bundel gemoduleerd. De signaalbron/signaalverwerkingseenheid j5 omvat hiertoe een zendpulsgenerator 22, een local oscillator 23, een 30 schakelelement 24 om het local oscillatorsignaal slechts in de tussen de zendpulsen gelegen tijdsintervallen door te laten en een laserstuureenheid 25· Dit het aan deze laatste eenheid toegevoerde, door het zend- en local oscillatorsignaal gevormde gemoduleerde signaal wordt het stuursignaal afgeleid dat de stroomsterkte door 35 de laserdioden regelt. Dit stuursignaal dient voor alle laserdioden in dezelfde fase te verkeren? in principe zal de weglengte tussen 7807178 ' . .

.-7- * de laserstuureenheid 25 en de laserdioden 20a-d dan ook gelijk dienen te zijn. Voor zover de laserdioden deel uitmaken van een geïntegreerde schakeling zal het probleem om de weglengte gelijk te houden zich echter nagenoeg niet voordoen. Een concrete uit-5 voering van een laserdiodezender is o.m. beschreven in ’’Th. L.

Maione and D. D. Sell, Experimental fiber-optic transmission system for interoffice trunks, IEEE Transactions on Communications, vol. com-25» no. 5* may 1977* p. 517-522.M. Een soortgelijke laser-diode zenderschakeling kan worden toegepast in de afzonderlijke 10 modulen (eenheid 18 in fig. 2) om het middenfrequent ontvangsignaal te transporteren.

In de hier beschreven uitvoeringsvorm worden de laserdioden bestuurd door een, met het zend- en local oscillatorsignaal gemoduleerd stuursignaal. Het is echter eveneens mogelijk om, op 15 de wijze als beschreven in het ÏÏ.S. octrooischrift 4*005*927* de modulatie op de door de glasfibers geleide optische signalen aan te brengen.

Het, door een bepaalde groep modulen over glasfibers afgegeven middenfrequent ontvangsignaal wordt optisch gebundeld en 20 toegevoerd aan een fotodiodeschakeling. In fig. 1 is een viertal van dergelijke fotodiodeschakelingen 26a-d weergegeven, terwijl de van de modulen 2a-n lopende glasfibers tesamen komen' bij de eenheid 27 alwaar de over deze glasfibers getransporteerde signalen optisch worden gebundeld, De van de fotodiodeschakelingen 26a-d 25 afkomstige signalen worden tenslotte samengevoegd en toegevoerd aan de detectie/videoverwerkingsinstallatie 28. In het reeds genoemde artikel in de 11 IEEE Transactions on Communications·' is een concrete uitvoeringsmogelijkheid voor de fotodiodeschakelingen beschreven.

Teneinde met behulp van'de phased-array antenne bepaalde 50 bundelpatronen te realiseren, kan het noodzakelijk zijn, niet alleen de fase van de aan de afzonderlijke stralingselementen toe te voeren zendsignalen te sturen, doch tevens de amplituden bepaalde voorafingestelde waarden te geven, m.a.w. een vaste amplitudetaper in te voeren. Deze amplitudetaper kan worden gerealiseerd op electronische 55 wijze in de onderscheiden modulen of door middel van op deze modulen aan te brengen optisohe verzwakkers met bepaalde dempings- 7807170

CL

- 8 - coëfficiënten. De laatste methode verdient hierbij de voorkeur, daar door een electronische verzwakking aan te brengen in de modulen, hun gelijkvormigheid - hetgeen fabricagetechniech van groot belang is - verloren doet gaan.

5 Is het gewenst met behulp van de phased-array antenne een monopuls ontvangpatroon te verkrijgen, dan zal het noodzakelijk zijn dat het transmissiesysteem voor de zend- en local oscillator-signalen verschillend is van dat voor de ontvangsignalen, daar de glasfibers waarover de ontvangsignalen vanaf de modulen worden 10 getransporteerd op zeer specifieke wijze moeten worden gebundeld, teneinde de azimuth- en elevatiehoekfoutsignalen te kunnen verkrijgen. Deze samenbundeling kan geschieden op de wijze zoals is aangegeven in het, in de beschrijvingsinleiding genoemde artikel in "Microwaves, aug. 1969".

7807170 O-

Claims (8)

1. Radarsysteem, voorzien van een phased-array antenne waarvan de stralingselementen zijn aangesloten op bijbehorende, voor het zenden en ontvangen van EP-signalen ingerichte modulen, 5 waarbij aan elk van deze modulen een zendsignaal en een local osei Hat orsignaal wordt toegevoerd en waarbij voorts elk van de modulen, na ontvangst van een echosignaal met behulp van de genoemde antenne, een middenfrequent ontvangsignaal afgeeft, met het kenmerk, dat een stelsel vezeloptische golfgeleiders aanwezig 10 is om het zendsignaal en het local oscillatorsignaal, beiden gemoduleerd op in frequentie op genoemd stelsel afgestemde draaggolven, te verdelen over en toe te voeren aan de genoemde modulen, waarbij elk van deze modulen een demodulatieschakeling omvat met behulp waarvan uit de toegevoerde gemoduleerde signalen het zendsignaal 15 en het local oscillatorsignaal wordt verkregen.

2. Radarsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat per module één vezeloptische golfgeleider aanwezig is, waarover zowel het zendsignaal alswel het local oscillatorsignaal worden geleid. 20 3· Radarsysteem volgens conclusie 2, met een pulsvormig zendsignaal, met het kenmerk, dat het zendsignaal en het local oscillatorsignaal in het tussen de opeenvolgende zendpulsen gelegen tijdsinterval op een en dezelfde draaggolf zijn gemoduleerd.

4. Radarsysteem volgens oonclusie 1, met het kenmerk, dat 25 elk van de modulen is voorzien van een modulator en een lichtbron welke in frequentie op het stelsel vezeloptische geleiders afgestemde draaggolven opwekt en genoemd stelsel is ingericht om de, door de afzonderlijke modulen afgegeven middenfrequent ontvang-signalen, gemoduleerd op de in de desbetreffende modulen opge-30 wekte draaggolven, samen te bundelen. 7807170 •V - 10 -

5. Radarsysteem volgens conclusie 4» met het kenmerk, dat per module één vezeloptisohe golfgeleider aanwezig is, waarover zowel het zendsignaal en het local oscillatorsignaal alswel het middenfrequent ontvangsignaal worden geleid.

6. Radarsysteem volgens conclusie 5» met een pulsvormig zendsignaal, met het kenmerk, dat het zendsignaal en het local oscillatorsignaal in het tussen de opeenvolgende zendpulsen gelegen tijdsinterval op een eerste draaggolf zijn gemoduleerd en het middenfrequent ontvangsignaal op een tweede, in frequentie van de 10 eerste verschillende, draaggolf.

7. Radarsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat per groep vezeloptisohe geleiders een afzonderlijke laser aanwezig is voor de opwekking van de draaggolven waarmede het zendsignaal en het looal oscillatorsignaal naar de desbetreffende module worden 15 geleid. Θ. Radarsysteem volgens conclusie 4» met het kenmerk, dat het stelsel vezeloptisohe geleiders in zodanige bundels is gesplitst dat de phased-array antenne fungeert als monopulsantenne.

9. Radarsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 de energieverdeling over de afzonderlijke vezeloptisohe geleiders verloopt volgens een vaste amplitudetaper.

10. Radarsysteem volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat de amplitudetaper wordt gerealiseerd door op elk van de modulen een optische verzwakker met een bepaalde dempingscoëfficient aan 25 te brengen. HOLLANDSE SIGNAALAPPARATEN B.V. 78 07 170 \ r—'_ . o·^ '- ^ '