NL8303444A

NL8303444A - Fasedraaier-sturing voor een phased-array antenne.

Info

Publication number: NL8303444A
Application number: NL8303444A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1983-10-07
Publication date: 1985-05-01
Also published as: EP0137562A3; EP0137562A2

Description

X> - Λ

Fasedraaier-sturing voor een phased-array antenne

De uitvinding heeft betrekking op een fase-draaier-sturing voor een 'phased-array' antenne, waarbij de, de fasedraaiers omvattende antennemodulen zijn gerang-5 schikt in rijen en kolommen, welke fasedraaier-sturing is voorzien van rekenmiddelen om uit ten minste de te bepalen bundelrichting, de frequentie van de uit te zenden energie en de positie van elke afzonderlijke fasedraaier in de array* de voor de afzonderlijke fasedraaiers gewenste fase-10 instelling te bepalen.

, Een dergelijk fasedraaier-sturing is bekend uit bijv. M.I. Skolnik, Introduction to radar systems, 2nd ed., . McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., 1980, biz. 323- Be fasedraaiing voor de respectievelijke antennemodulen wordt aldaar vast-15 gesteld in een 'beam-steering Computer'. Dienen deze fase-draaiingen per uit te zenden radarimpuls te worden bepaald, dan zal bij het gebruikelijke grote aantal antennemodulen een-uitzonderlijk grote computercapaciteit nodig zijn. Deze capaciteit kan beperkt worden, door af te zien van een 20 mogelijke faseinstelling per impuls en deze instelling telkenmale eerst na uitzenden van een bepaalde impulsreeks mogelijk te maken of door de faseinstelling volgens bepaalde patronen te laten verlopen. De uitvinding beoogt nu een zodanige fasedraaier-sturing te verschaffen, waarbij met een 25 sterk gereduceerde computercapaciteit toch een( faseinstelling per impuls en per antennemodule mogelijk blijft.

Overeenkomstig de uitvinding worden daartoe de rekenmiddelen gevormd door een centrale rekenaar, welke uit de te bepalen bundelrichting en de frequentie van de uit te 30 zenden energie die termen in de mathematische uitdrukking voor de gewenste faseinstelling bepaalt, die voor alle fasedraaiers hetzelfde zijn, en een in elke antennemodule aanwezige rekenchip om uit de door de centrale rekenaar bepaalde termen en de positie van de afzonderlijke fasedraaiers in 35 de array* de gewenste faseinstelling te bepalen. De totaal λ T r. * Λ !% L· O J V i ‘ ' - 2 - uit te voeren rekentewerkingen worden derhalve gesplitst in enerzijds centraal uit te voeren bewerkingen en anderzijds locaal, d.w.z. op antennemodule-niveau, uit te voeren bewerkingen.

5 Indien bij introductie van een carthesisch coördinatenstelsel de x- en de y-as het antennevlak bepalen en de z-as de antennehoofdas volgt en voorts zij verondersteld dat de bundelrichting een hoek Ö met de z-as maakt, terwijl de projectie van de bundelrichting op het x-y vlak 10 een hoek φ met de x-as wordt verondersteld te maken, dan geldt voor de faseverschillen en ψ tussen in de x- en y-richting aangrenzende fasedraaiers: ( ψχ = -^d-|.cos <p.sin£, \φ7 » ^d2.sin φ. sin-0 , 15 waarbij d-| de afstand tussen twee antennemodulen in de x-richting voorstelt en de afstand tussen twee antennemodulen in de y-richting. Liggen alle antennemodulen in het x-y vlak recht boven en naast elkaar, dan geldt voor de fase-draaiing voor de antennemodule m,n: 20 Ψ m,n a-h +

Zijn daarentegen de rijen antennemodulen om en om een afstand ^d-| in de x-richting ten opzichte van elkaar verschoven, dan wordt deze fasedraaiing, onder handhaving van de rijen- en kolommenconfiguratie in de array: 25 ^ιη,η " + + n*^y

Eenvoudigheidshalve zal in het hiernavolgende ^an de eerste situatie worden uitgegaan, zodat

/ 2 TC 2TC

r m,n a m*"X dl-oos cp.siné? + n.—^~d2.sin cp.sin# .

In het geval gebruik wordt gemaakt van een 'space-fed phased- 50 array' antenne, hetzij een lens array, hetzij een'reflect' array, dient een correctie in de uitdrukking voor n te worden opgenomen. Met deze correctie wordt de overgang van een bolvormig naar een vlak fasefront verdisconteerd. Hiertoe wordt in de uitdrukking voor !/m>n een term Cm>n opgenomen.

55 Toor de overgang van een zuiver bolvormig naar een vlak fasefront Γ2 2 21 geldt: Cm = \/p +x + y - p, waarin p de afstand van het stra-lingsmiddelpunt van de hoomstraler of ander gebruikt stralings- 83 0.5 44 4 - 3 - element tot het antennevlak voorstelt. In de praktijk is een dergelijk zuiver bolvormig fasefront niet aanwezig.

Daar bovendien de waarden Cmjn ook frequentieafhankelijk blijken te zijn en een mathematische relatie tussen de 5 waarde Cm>n en de frequentie niet is aan te geven, dient men voor verschillende frequentieintervallen van daarin empirisch verkregen σπι,η~waarden uit te gaan.

Het kan soms bij het maken van een zoekbeweging met de antennebundel op bepaalde elevaties gewenst zijn de 10 bundel te kunnen verbreden. Hiervoor dient dan per antenne-module een extra fasedraaiing £m>n te worden ingebracht, zoda,t niet een vlak maar bijv. een kwadratisch fasefront wordt gevormd.

Voor de fasedraaiinggeldt nu de volgende 15 relatie: ^m,n K^d-i.cos φ.sinO + dg.sin q>.sinS + B.£m,n, waarbij B * 0 als geen bundelverbreding wordt toegepast; is dit wel het geval, dan is B * 1. K is een constante. Het is bekend om deze fasedraaiing voor elke antennemodule afzonder-20 lijk te berekenen in een beam-steering computer. Overeenkomstig de uitvinding wordt de berekening echter gesplitst in een aantal centraal uit te voeren bewerkingen en een aantal locaal, in elke antennemodule afzonderlijk uit te voeren bewerkingen. De resultaten van de centraal uitge-25 voerde bewerkingen kunnen dan aan alle antennemodulen tegelijk worden toegevoerd.

Centraal kunnen de termen a «-^d-j.cos qi.sin6 ,

K K

b =-^d2.sin φ. sin© en c . = —worden berekend. In de rekenchip van elke antennemodule kunnen eenmalig de waarden 30 d = m, e > n, f * Cm>11 en g * £m,n worden gebracht, zodat in elke rekenchip nog slechts de berekening ^m,n * a.d +' b.e + c.f + B.g moet worden uitgevoerd.

De waarden d,e,f en g kunnen in elke rekenchip vast worden 35 ingebrand; zij kunnen echter ook telkenmale, voordat de array in de werkzame toestand is gebracht, door de centrale u - . ·- ^ - 4 - rekenaar worden toegevoerd. Tevens kan dan de B-waarde worden toegevoerd; deze waarde kan echter ook als de array antenne in de werkzame toestand verkeert apart of tegelijk met de waarde a,b en c worden ingébracht.

5 De verdeling tussen centraal en locaal uit te voeren bewerkingen kan ook anders dan hiervoor genoemd worden uitgevoerd. Men kan bijv. centraal de waarden •j a a cos qj.sinö , b · sin cp.sinÖ en c » bepalen en, nadat de waarden d = K.m.d^, e » K.n.d2, f » £*cm,n en ® = ^m,n 10 in de respectievelijke rekenchips zijn gebracht, locaal de fasedraaiing </tm n = c.£a.d + b.e + f j + B.g, of centraal 111 de waarden a *-y cos φ. sin# , b =« sin qp.sinO en c - -y en, nadat de waarden d* K.m.d^, e « K.n.d2, f » K.Gm^a en g » £m,n 4n <*e lekenchips zijn gebracht, locaal de fase- 15 'draaiing » a.d + b.e + c.f + B.g .

De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuur, welke een uitvoerings- voorbeeld van de fasedraaier-sturing overeenkomstig de uitvinding in blokschema weergeeft.

20 In deze figuur stelt 1 de centrale rekenaar voor. De tot elke antennemodule behorende rekenchip is met 2 aangegeven en de bijbehorende fasedraaier met 5· De antennemodulen worden derhalve gevormd door de elementen "n, 2 en 3 tesamen. De gegevenstransporten van de centrale 25 rekenaar 1 naar de afzonderlijke antennemodulen 2,3 lopen via de bufferelementen 4 en met behulp van de adresserings-schakeling 5·

To ordat de array antenne in de werkzame toestand wordt gebracht, worden eerst de waarden d = m, e * n, f * 30 en g * ia <*e afzonderlijke rekenchips gelezen. De d- waarden zijn voor de in een kolom liggende antennemodulen gelijk. De bufferelementen 4 worden daarom.allen vanuit de centrale rekenaar met een bepaalde m-waarde gevuld. De e-waarden zijn voor de in een rij liggende antennemodulen 35 gelijk. De bufferelementen 4 worden voor het inbrengen van deze waarden allen vanuit de centrale rekenaar met dezelfde n-waarde gevuld en wel m achtereenvolgende malen met een V V - - y - . · • Λ i - 5 - * .-: nieuwe n-waarde. De f- en g-waarden zijn voor elke antenne- module verschillend. De bufferelementen worden voor het inbrengen van deze waarden m achtereenvolgende malen vanuit de centrale rekenaar met een bepaalde C - of £ -waarde r m,n mtn 5 gevuld. In alle gevallen bewerkstelligt de adresserings- schakeling 5» dat deze informatie in de respectievelijke antennemodulen wordt opgenomen.

Doordat de C -waarden frequentieafhankelijk m,n zijn, wordt bij voorkeur een aantal van dergelijke waarden 10 in elke antennemodule gebracht, zodat, indien de array antenne in de werkzame toestand verkeert, bij wisseling van frequentie telkens een juiste C -waarde voor de locaal m,n uit te voeren berekeningen aanwezig is.

Verkeert de array antenne in de werkzame toestand, 15 dan zijn de telkenmale aan de antennemodulen toe te voeren

K K K

waarden a»*^ d^.cos q>.sin£, b=-^ dg. sintp.sinöen c voor alle antennemodulen gelijk. De bufferelementen 4 worden vanuit de centrale rekenaar 1 achtereenvolgens met dezelfde a-, b- of c-waarde gevuld, terwijl wederom m.b.v. de 20 adresseringsschakeling 5 wordt bewerkstelligt, dat deze informatie in de respectievelijke antennemodulen wordt opgenomen. Tijdens het uitzenden van een radarimpuls en het luisteren naar een echo worden de a-, b- en c-waarden voor een volgende uit te zenden radarimpuls in de antennemodulen 25 gebracht. In de dode tijd vóór het uitzenden van de volgende radarimpuls wordt alleen nog een commandosignaal gelijktijdig naar alle antennemodulen gezonden, en wel op dezelfde manier als de a-, b- en c-waarden, waarop de array overschakelt naar de nieuw gekozen bundelrichting.

-·> ....

'·'·* %/ ‘ , *

Claims

1. Fasedraaier-sturing voor een 'phased-array* antenne, waarbij de, de fasedraaiers omvattende antennemodulen zijn gerangschikt in rijen en kolommen, welke fasedraaier- 5 sturing is voorzien van rekenmiddelen om uit ten minste de te bepalen bundelrichting, de frequentie van de uit te zenden energie en de positie van elke afzonderlijke fase-draaier in de array de voor de afzonderlijke fasedraaiers gewenste faseinstelling te bepalen, met het kenmerk, dat 10 de rekenmiddelen worden gevormd door een centrale rekenaar, welke uit de te bepalen bundelrichting en de frequentie van de uit te zenden energie die termen in de mathematische uitdrukking voor de gewenste faseinstelling bepaalt, die voor alle fasedraaiers hetzelfde zijn, en een in elke 15 antenhemodule aanwezige rekenchip om uit de door de centrale rekenaar bepaalde termen en de positie van de afzonderlijke fasedraaiers in de array de gewenste faseinstelling te bepalen.

2. Fasedraaier-sturing volgens conclusie 1, waarbij een 20 phased-array antenne van het type "space-fed" gebruikt wordt, v met het kenmerk, dat in elke rekenchip, t.b.v. de faseinstelling van elke afzonderlijke fasedraaier en de overgang van een bolvormig naar een vlak fasefront benodigde fïequentieafhahkelijke correctiewaarden kunnen worden 25 gebracht.

3. Fasedraaier-sturing volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in elke rekenchip een, t.b.v. de faseinstelling van elke afzonderlijke fasedraaier en de bundel-breedteinstelling benodigde correctiewaarde kan worden 30 gebracht. 'J *J o q

'4 «J