NL8915009A - Radarstelsel. - Google Patents

Description

Radarstelsel.

Het ontwerp van een coherente radarfrequentiezender is een belangrijk element op het gebied van moderne radars. Een coherente radaruitzending bestaande uit een continue golf- of een gepulst bedrijf is de basis voor Doppler-radars die hoofdzakelijk worden gebruikt tegen vliegtuigdoelen. De signaalverwerking van de radar. is in staat gebruik te maken van de coherente aard van het uitgezonden signaal om het doelterugkeersignaal te onderscheiden van interfererende reflecties, in het bijzonder van sluier vanaf de grond. Continue golf-radars en Doppler-pulsradars worden gebruikt bij vliegtuig- en raketzoekers in een "air-to-air"-aanval.

Teneinde een coherent signaal te verschaffen is het bekend een laagvermogen, spectraal zuivere bron te verschaffen die wordt versterkt via een versterkerketen die bestaat uit tussen een of vele versterkertrappen om het vereiste vermogensuitgangssignaal te geven. Deze trappen kunnen bestaan uit breedbandige versterkers of injectievergrendelde oscillatoren die werkzaam zijn als versterkers, waarbij de kenmerken van het zuivere ingangssignaal aan de injectievergrendelde oscillator worden voorgeschreven om een spectraal coherent uitgangssignaal te geven.

Een voorbeeld van een enkeltrapsversterker met hoge versterking is een lopende golfbuis. Deze componenten en hun vermo-gensvoedingen zijn bijzonder omvangrijk zodat voor toepassingen bij een kleine radar en bij raketten aan een keten van versterkers met een lage versterking dikwijls de voorkeur wordt gegeven. Voorbeelden van deze componenten met een lagere versterking zijn vastestof-versterkers (FET en IMPATT) en buizen zoals magnetrons en kruis-veldversterkers·

De kritische component in de zenderketen zal de uitgangstrap met het hoogste vermogen zijn, en het is in het bijzonder van belang dat deze component werkzaam is bij een maximaal rendement en met een minimum aan extra ruis dat is toegevoegd aan het ingangssignaal. Indien de uitgangstrap een injectievergrendelde oscillator is, is het vervolgens belangrijk te waarborgen dat het injectievergrendelde signaal niet te dicht bij de rand van de injectie ver grendelbandbreedte van de uitgangstrap is, aangezien anders aanvullend vermogen nodig kan zijn om de oscillator door injectie te vergrendelen en extra ruis zal worden toegevoegd aan het uitgezonden signaal. Een voorbeeld van een dergelijk orgaan is een injectievergrendeld magnetron met een hoog gemiddeld vermogen.

Gebleken is dat bij praktische organen de injectievergrendelde uitgangstrap waarschijnlijk een injectievergrendelbandbreedte heeft die kleiner is dan de bandbreedte van het stelsel. Bovendien kunnen driften in de oscillatorfrequentie door ouderdom of temperatuur de centrale frequentie van het orgaan verplaatsen over zeer grote bereiken die dikwijls groter zijn dan de injectievergrendelbandbreedte van het orgaan. Dit kan niet alleen leiden tot verslechteringen in de prestatie maar ook tot het volledig falen van de zenderketen indien het ingangssignaal naar de uitgangstrap niet langer binnen zijn bandbreedte is.

Teneinde dergelijke problemen te vermijden, kan een omvangrijke uitbreiding worden ondernomen in de hoogvermogenuit-gangstrappen om de injectievergrendelbandbreedte te vergroten en driftverschijnselen en onzekerheden te verkleinen. Evenwel is dergelijk werk zeer kostbaar en zullen frequentieveranderingen nog optreden.

Het doel van de onderhavige uitvinding is een injectievergrendelde zenderketen te verschaffen die in staat is werkzaam te zijn met gangbare organen op een zodanige wijze teneinde driftverschijnselen van de zender onder te brengen en een spectrale zuiverheid en rendement van de zenderketen van een hoge kwaliteit te handhaven.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding omvat een coherent radarstelsel, omvattende een injectievergrendelde oscillator voor de opwekking van een uitgezonden signaal, waarbij de oscillator een injectievergrendelbandbreedte heeft waarbinnen het uitgangssignaal van de oscillator in frequentie wordt vergrendeld aan het injectiesignaal, verder een radarbron waaruit het injectie-signaal wordt afgeleid en terugkoppelorganen voor het besturen van de frequentie van de radarbron afhankelijk van het faseverschil tussen het injectiesignaal en het uitgangssignaal van de oscilla-tor, teneinde het faseverschil te reduceren en te neigen tot het handhaven van de frequentie van het injectiesignaal in het midden van de injectievergrendelbandbreedte.

Het terugkoppelorgaan kan een lus omvatten die een fasegevoelige detector omvat en een afstembare spanningsgestuurde oscillator die deel uitmaakt van de radarbron/ waarbij de radar-bronfrequentie continu variabel is in antwoord op het faseverschil·

Een oscillator met vaste frequentie en een relatief zuiver spectrum heeft de voorkeur om te worden gekoppeld aan de lus teneinde zijn spectrum aan het injectiesignaal voor de schrijven. De radarbron kan aldus een vaste frequentie-oscillator met een relatief zuiver spectrum omvatten en een verdere spanningsgestuurde oscillator die wordt bestuurd in een verdere terugkoppellus om een uitgangsfrequentie te produceren die gelijk is aan het verschil tussen de vaste frequentie en de afstembare spanningsgestuurde oscillator , waarbij de uitgangsfrequentie de radarbronfrequentie is en waarbij het spectrum van de vaste frequentie-oscillator aan het radarbronsignaal wordt voorgeschreven.

Op een andere wijze kan de radarbron een aantal os-cillatoren met vaste frequentie omvatten die sequentieel werkzame frequenties hebben die worden gescheiden door een fractie van de injectievergrendelbandbreedte, een selectie-orgaan voor het selecteren van één van de vaste frequentie-oscillatoren om de frequentie van het injectiesignaal te bepalen, waarbij het selectie-orgaan reageert op het faseverschil in een terugkoppellus om de vaste frequentie-oscillatoren te selecteren, teneinde te neigen tot het reduceren van het faseverschil. De frequentie van de geselecteerde vaste frequentie-oscillator kan dan de injectiesignaalfrequentie vormen.

Op een andere wijze, waarbij een Doppler-radarstel-sel een orgaan omvat voor het verschaffen van een middenfrequent signaal vanuit een ontvangen signaal en een locale oscillator-sig- naai, kan de frequentie van de geselecteerde vastefrequentie-oscil-lator een locale oscillatorfrequentie voor het stelsel vormen, waarbij het stelsel een verdere terugkoppellus omvat die een span-ningsgestuurde oscillator omvat voor het verschaffen van de injec-tiesignaalfrequentie, waarbij de spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd afhankelijk van het verschil tussen enerzijds de Doppler-verschoven middenfrequentie en anderzijds het verschil tussen de locale oscillatorfrequentie en de injectiesignaalfrequentie.

In een frequentie-agiel radarstelsel als hierboven, waarbij de injectievergrendelde oscillator afstembaar kan zijn over het bereik van een frequentie-agiliteit, kan de radarbron een aantal vaste frequentie-oscillatoren omvatten met werkfrequenties over het gehele bereik van de frequentie-agiliteit, waarbij het stelsel een selectielogica-orgaan omvat voor het selecteren van de vaste-frequentie-oscillatoren op een willekeurige of een voorafbepaalde basis en het selecteren van de uitgangsfrequentie van de injectievergrendelde oscillator in overeenstemming met de geselecteerde vastefrequentie-oscillator, waarbij het stelsel verder een eerste terugkoppellus omvat die een fasegevoelige detector omvat die reageert op het faseverschil om een afstembare spanningsgestuurde oscillator te besturen, en een verdere terugkoppellus die een verdere spanningsgestuurde oscillator omvat die de radarbronfrequentie verschaft, waarbij de verdere spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd in antwoord op het verschil tussen de frequentie van de geselecteerde vastefrequentie-oscillator en de frequentie van de afstembare spanningsgestuurde oscillator, waarbij de inrichting zodanig is dat voor elke geselecteerde vastefrequentie-oscillator de afstembare spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd om de radarbronfrequentie binnen de injectievergrendelbandbreedte van de injectievergrendelde oscillator te houden.

Verscheidene uitvoeringen van een coherent radarstelsel overeenkomstig de uitvinding zullen nu, bij wijze van een voorbeeld, worden beschreven onder verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin: figuur 1 een vereenvoudigd blokschema is van de be langrijke somkanaaldelen van een bekende radarzender/ontvanger; figuur 2(a) een grafiek is van een faseverschil uitgezet tegen de werkfrequentie voor een injectievergrendelde os-cillator, waarbij het faseverschil is tussen het injectievergren-delsignaal en het uitgangssignaal; figuur 2(b) een grafiek is van het bovenst.'.ande faseverschil dat verandert met de tijd vanaf een bekrachtiging, dat wil zeggen bij een gepulst bedrijf; figuur 3 een blokschema is van de zendercomponenten van een radarstelsel, dat de injectievergrendelde oscillator laat zien die de injectiefrequentie bestuurt door middel van een terugkoppellus en een afstembare spanningsgestuurde oscillator (VCO); figuur 4 een soortgelijk blokschema is dat echter een besturing van de injectief requentie laat zien door middel van een terugkoppellus en een selectie van één uit een verzameling van oscillatoren met een vaste frequentie; figuur 5 een stelsel toont dat soortgelijk is aan dat van figuur 3, maar met een uitwendig bestuurde selectie van de basiswerkfrequentie en het terugkoppelstelsel van figuur 3 voor een nauwkeurige besturing van de werkfrequentie ten opzichte van de in-jectievergrendelbandbreedte; en figuur 6 een verder alternatief toont, waarbij een besturing van de injectiefrequentie plaatsvindt, net als in figuur 4, door middel van een selectie uit een verzameling van oscillatoren met een vaste frequentie, maar waarbij, in t genstelling tot de figuren 3 en 4, de locale oscillatorfrequentie rechtstreeks gelijk wordt gemaakt aan de radarbronfrequentie en waarbij de uitgezonden frequentie een functie is van de Doppler-verschuivingsfrequentie.

De principes die worden besproken in deze aanvrage zijn even zo goed toepasbaar bij een continu als een gepulst bedrijf, ofschoon in de beschrijving dit onderscheid duidelijkheidshalve niet altijd expliciet zal worden gemaakt.

Een voorbeeld van een somkanaal van een radarstelsel en in het bijzonder de zenderketen waarbij een aantal midden-versterkers en/of injectievergrendelde oscillatoren worden ge bruikt, wordt getoond in figuur 1. Het werkingsprincipe is als volgt.

De zender en de ontvanger zijn werkzaam via een gemeenschappelijk kanaal 2, waarbij de uitgangs- en ingangssomsigna-len worden gescheiden door een duplexelement 4. In figuur 1 is dit weergegeven als een circulator, ofschoon in plaats hiervan een schakelaar zou kunnen worden toegepast. De frequentie-aanduidingen zonder haken zijn rechtstreeks van toepassing bij deze figuur 1. De andere aanduidingen tussen haken zijn van toepassing bij een uitvoering die is getoond in figuur 6 en die verderop zal worden beschreven. Het uitgezonden signaal bij een frequentie aangeduid door f / komt uit een zenderuitgangstrap 6 die wordt voorafgegaan door een keten van tussenversterkers 8. Het aantal tussentrappen varieert van nul, voor een uitgangstrap 6 met een zeer hoge versterking (bijvoorbeeld een TWT), tot een groot aantal N. Waarden van N gelijk aan drie en vier zijn zeer praktisch en hogere aantallen zijn mogelijk. De coherente aard van de versterkingsprocessen wordt benadrukt door het gebruik van de frequentie f om dezelfde radar-frequentie bij elke trap in de zenderketen aan te geven.

De spectraal zuivere radarfrequentie (RF)-bron 10 is de oorsprong voor het vereiste signaal en één van zijn uitgangen wordt gebruikt als de ingang naar de zenderketen 8. Een tweede uitgang wordt verschoven ten opzichte van de eerste door gebruikmaking van een afstembare oscillator 12. Deze uitgang wordt gebruikt als een referentie in een RF-menger 14 om het ontvangen signaal om te zetten in een middenfrequentie (MF) voor een verdere verwerking in en MF-ontvanger 16.

Teneinde een coherent bedrijf in stand te houden, is het belangrijk dat de frequentie door de gehele zenderketen alsmede zijn spectrale zuiverheid worden in stand gehouden en dat de twee uitgangen van de RF-bron 10 coherent zijn. In het bijzonder indien de zenderuitgangstrap onderhevig zou zijn aan drift, zodat deze het ingangssignaal f niet langer kan versterken, zal de gehele werking van de radar ophouden.

In het getoonde voorbeeld is de radar werkzaam in een gepulste bedrijfsmodus. Een timing-generator 18 wordt gebruikt om signalen 22 uit te voeren die de verschillende zendertrappen aan en uitschakelen bij een voorgeschreven pulsherhalingsfrequentie en pulsduur. Bovendien wordt, wanneer de zender aan is, de onderdruk-kingsschakelaar 20 in de RF-ontvanger gesloten, teneinde de ontvanger te beschermen. Een dergelijke coherente zenderketen kan werkzaam zijn zonder de timingsignalen en bijgevolg worden gebruikt voor een bedrijf met een continue golf (CW), mits de elementen van de keten op geschikte wijze worden gekozen. In een dergelijk geval kan de afstembare oscillator 12 zodanig worden ingesteld dat een adequate scheiding van het uitgezonden en het ontvangen signaal wordt verkregen of kunnen het zenderkanaal en het somontvangstka-naal worden gescheiden.

In elk van de bovenstaande gevallen, of de zender wordt gepul t of in CW-bedrijf is, en of de zender en ontvanger in duplex worden samengebracht of bestaan als gescheiden kanalen, blijven de principes van de coherente zenderketen en -ontvanger, belichaamd in de elementen 6 tot en met 12, alsmede hun uitgangssignalen dezelfde.

Het principe van een injectievergrendelde verster-kerketen is dat een of meer van de componenten in de zenderketen werkzaam zullen zijn als injectievergrendelde oscillatoren in plaats van versterkers. Componenten die op deze wijze werkzaam zijn, omvatten magnetrons en IMPATT-componenten· Teneinde een oscillator door injectie te vergrendelen is het vereist een ingangssignaal te verschaffen dat dichtbij de "vrijlopende frequentie" van de oscillator is binnen de "injectievergrendelband". Indien dit het geval is, wordt het oscillatoruitgangssignaal de spectrale zuiverheid van het ingangssignaal, die is ontworpen om zeer goed te zijn, voorgeschreven, en dit uitgangssignaal heeft de ingangsfrequentie in plaats van de vrijlopende frequentie van de oscillator. Teneinde een coherente zenderketen zoals is getoond in figuur 1 en zoals hierboven is beschreven te verkrijgen, is het vereist de signalen binnen de injectievergrendelband van de passende oscillatoren te houden die aldus door injectie worden vergrendeld en die werkzaam zijn als injectievergrendelde versterkers.

De verscheidene organen zijn beter wanneer zij worden vergrendeld in het midden van hun injectievergrendelbanden, en wanneer het ingangssignaal naar de rand van de band beweegt, wordt een faseverschil geïntroduceerd tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal. Wanneer het faseverschil eenmaalπ /2 radialen bereikt, is de oscillator niet langer op juiste wijze vergrendeld en treedt in feite een verslechtering van de grendelversterking en ruis op ruim voor dit punt. Voor elke injectievergrendelde oscillator geldt bij een redelijk hoge injectievergrendelversterking;

Hierin is sin Φ het faseverschil tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal in de stationaire toestand (dat wil zeggen nadat alle overgangen van opstartpulsen zijn uitgestorven), W-j is de hoekfrequentie van het vergrendelsignaal, W-* is de vrijlopende hoekfrequentie en K is een functie van de vergrendelbandbreedte van het orgaan, de uitwendige belasting en het type van het orgaan.

Een grafiek die de bovenbeschreven situatie samenvat wordt getoond in figuur 2a.

In een CW-zender zal de fase Φ snel worden ingesteld nadat de zender inschakelt en zal aldus slechts langzaam variëren met de verandering van de parameters ΐ?ι en met de tijd. In een gepulst stelsel is er een overgang aan het begin van elke puls die in rekening moet worden gebracht hetzij door de op-startperiode te negeren hetzij door over een voldoende grote periode te middelen.

Een voorbeeld van fase-overgangen aan het begin van injeetievergrendelde pulsen is getoond in figuur 2b en is genomen uit een artikel "Spectra of short, locked magnetron pulses", door B. Vyse en J.M. Gissing in TRANS IEEE, vol. ED-18, nr. 3, maart 1971, waarin de theorie van injectievergrendelde magnetrons wordt besproken. In deze figuur werd een bijzonder ontwerp van een magnetron onderzocht en de opstartfase-overgang voor verschillende waar den van fL-fQ is getekend, waarbij f^ de ingangsfrequentie is en fg de vrijlopende frequentie van het magnetron. De fase-over-gang begint altijd positief en neigt vervolgens naar de limietwaarde die wordt gegeven door de bovenstaande vergelijking, dat wil zeggen in het bijzondere geval:

De duur van de fase-overgang is tot 100 ms, zodat voor elke puls die langer duurt dan deze duur de stationaire toestand wordt verkregen, waarbij de fasefout kan worden gebruikt om de injectievergrendelde toestand van het magnetron te bepalen. Een soortgelijke betrekking wordt gevonden voor andere injectievergren-delde oscillatoren waarbij de duur van de overgang afhangt van de injectievergrendelbandbreedte van de oscillatoren. In de onderstaande bespreking zullen de pulsen altijd lang genoeg duren opdat de fase in hoofdzaak is ingesteld. Indien in de praktijk kortere pulsen worden gebruikt, zou de meting van de fase kunnen worden gecompenseerd door een schaling, teneinde een realistische schatting van de eindfase te geven, zodat de ontwerpen evenzo toepasbaar zijn bij dit type pulslengte alsook bij CW-stelsels, zoals reeds is toegelicht.

Bij het ontwerp van injectievergrendelde zenderke-tens, zoals getoond in figuur 1 en hierboven is beschreven, is het principe dat wordt gebruikt het definiëren van een frequentie waarbij de spectraal zuivere RF-bron werkt en vervolgens het zodanig inrichten van de versterkers en de oscillatoren zodat deze componenten in staat zijn dit signaal betrouwbaar te versterken. Voor de oscillatoren betekent dit dat het signaal altijd moet liggen binnen de injectievergrendelband van de oscillator, driften moeten worden geminimaliseerd en bandbreedten worden gemaximaliseerd teneinde dit mogelijk te maken.

Het doel van de hieronder beschreven uitvoeringsvormen is om gebruik te maken van de bovenstaande observaties om dit vereiste bij de kostbare hoogvermogenorganen te matigen. In de praktijk zal de techniek worden toegepast bij het orgaan met de smalste band en de hoogste driftsnelheid, welk orgaan in deze bespreking wordt verondersteld de uitgangstrap te zijn ofschoon de techniek evenzo goed in plaats daarvan zou kunnen worden toegepast bij de tussentrappen. Het moeilijkste orgaan om door injectie te vergrendelen zal dat zijn met de hoogste verhouding R van de totale frequentiedrift D (voor alle relevante omgevings- en bedrijfscondi-ties) gedeeld door de injectievergrendelbandbreedte B dat wil zeggen:

R = D/B

De werkwijze die wordt toegepast bij deze uitvoering is het orgaan met de hoogste R-waarde (dat wordt verondersteld de uitgangstrap te zijn) in staat te stellen de bedrijfsfrequentie van het stelsel te definiëren en de rest van het stelsel bij deze component aan te passen. Hiermee worden de volgende voordelen verschaft: (a) De zenderketen is op succesvolle wijze werkzaam voor uitgangsorgaandriften die aanzienlijk groter zijn dan de injectievergrendelbandbreedte van de trap met de smalste band.

(b) De injectievergrendelfrequentie kan worden gekozen om het uitgezonden vermogen te optimaliseren en toegevoegde ruis de minimaliseren.

(c) Belangrijke uitbreidingen van de hoogvermogen-componenten en derhalve hoge kosten, worden vermeden.

(d) De zenderketenvergrendeling is bestand tegen verstoringen aangezien zij deel uitmaakt van een gesloten lusstelsel.

Een hoofdkenmerk van de uitvoeringen die worden beschreven is het gebruik van het faseverschil tussen het ingangs- en uitgangssignaal van de injeetievergrendelde oscillator om de relatieve frequentieverschuiving tussen de vrijlopende frequentie en de injectievergrendelde frequentie te bepalen. Dit faseverschil wordt gebruikt als deel van een regellus om de injectievergrendelfrequen-tie binnen de bandbreedte van de oscillator te houden en om toegevoegde ruis te minimaliseren, zoals hierboven is toegelicht.

In de implementatie die is getoond in figuur 3 wordt een referentie-oscillator voortdurend afgestemd om dit doel te bereiken. Een alternatief ontwerp dat daaropvolgend zal worden beschreven maakt gebruik van een aantal geschakelde oscillatoren.

Thans wordt verwezen naar figuur 3. Een hoogvermo-genoscillator 38 wordt gebruikt in een injectievergrendelde modus door gebruikmaking van het ingangssignaal naar de circulator 36 als het injectiesignaal. Het oscillatoruitgangssignaal passeert via dezelfde circulator 36 de zenderuitgang 42 die leidt naar de antenne voor een uitzending in de vrije ruimte door middel van een niet getoonde circulator. Het ingangssignaal naar de oscillator 38 komt voort uit een basisfrequentie (VCO) 30 en wordt versterkt 32 door een aantal versterkers N, welk aantal kan variëren vanaf nul. Deze versterkers zouden ook injectievergrendelde oscillatoren kunnen omvatten. De twee uitgangstrappen 32 en 38 kunnen werkzaam zijn in een continue golfmodus of zij kunnen worden gepulst, en de pulsin-gangen worden getoond in 34 en 40 voor respectievelijk de tussen-en uitgangsversterkertrappen. De uitgangsoscillator kan op kenmerkende wijze een magnetron zijn die werkzaam is in en injectievergrendelde modus.

Teneinde de ingangsfrequentie in het midden van de magnetronband te houden worden twee koppelorganen gebruikt, één 35 aan de ingangszijde van de magnetron, en één 37 aan de uitgangszij-de. De twee RF-signalen vanuit deze koppelorganen worden vervolgens ingevoerd naar een fasegevoelige detector (PSD) 44, waarvan het uitgangssignaal evenredig is met het product van de amplituden van de twee ingangssignalen (die betrekkelijk goed bekend zijn) vermenigvuldigd met sin Φ, waarbij Φ de fasehoek is tussen de twee signalen. Zoals hierboven is besproken onder verwijzing naar figuur 2 geeft het faseverschil de relatieve positie van de injectievergren-delfrequentie aan binnen de magnetronband.

Dit signaal wordt nu ingevoerd in de integrator 47 die in staat is fluctuaties in het PSD-uitgangssignaal af te vlakken. Indien de zenderketen wordt gepulst, kan vervolgens een monster- en houd 46 nodig zijn aan de ingang naar de integrator 47 om te waarborgen dat de geldige fase-uitgangssignalen van de PSD 44 niet worden verontreinigd met onnodige ruisingangssignalen.

Het uitgangssignaal van de integrator wordt vervolgens gebruikt, met een schaling die wordt gedefinieerd teneinde een geschikte gesloten lusversterking te geven (zie hieronder), om de frequentie van een radarfrequentie (VCO) 48 te besturen. Deze os-cillator die buiten de gesloten lus 58 is moet goede ruiszijbanden hebben aangezien een lagere radarfrequentie wordt gebruikt dan de frequentie die nodig is om de zenderketen door injectie te vergrendelen. Dit signaal wordt gemengd met een signaal dat in hoofdzaak dezelfde frequentie heeft in een fasegevoelige detector 50 en het laagfrequentie/video-uitgangssignaal wordt geïntegreerd in een integrator 52. Het uitgangssignaal van de integrator wordt gebruikt om een spanningsgestuurde oscillator 30 bij de vereiste frequentie te besturen om de zenderketen door injectie te vergrendelen en om de frequentie in de injectievergrendelband te centreren. Een kop-pelorgaan 31 neemt iets van dit signaal af om het te mengen met een spectraal zuivere, vastefrequentie-oscillator 56 in de menger 54, die de vereiste referentiefrequentie aan de PSD 50 geeft.

Het doel van de lus 58 is om aan het "ingesloten" spectrum van de VCO 30 het "ingesloten" spectrum van de oscillator 56 voor te schrijven, dat, zijnde een vaste frequentie, spectraal zeer zuiver kan worden gemaakt, en om de andere zijband uit te filteren. Omdat de VCO 30 afstembaar is, zal zijn spectrum minder zuiver zijn dan dat van de vastefrequentie-oscillator 56. Het spectrum binnen de bandbreedte van de lus 58 wordt aldus bepaald door de betere, vastefrequentie-oscillator 56. Een ander koppelorgaan 53 is voorzien om de referentiefrequentie voor de eerste locale oscillator voor de ontvanger (niet getoond) te geven.

Het doel van de lus 60 is om de frequentie van het injeetievergrendelende signaal te regelen tot binnen de injectievergrendelband van het hoogvermogenmagnetron 38 door de VCO 48 te variëren. In het ideale geval zal het signaal worden bestuurd om bij het centrum van de band te liggen en dit geeft potentieel betere toegevoegde ruis, een hogere versterking en een zekere toename in rendement. De bandbreedte van deze lus is betrekkelijk smal, aangezien deze is bedoeld om driften in de magnetron te verwijderen. Kenmerkende maximale driften van (zeg) 5 tot 10 MHz/s, die kunnen optreden gedurende een initiële opwarmfase, konden worden gevolgd, tot op 0,5 tot 1 MHz nauwkeurigheid, met een lusverster-king van ongeveer 10 rad/s, dat wil zeggen 1,5 Hz. Zelfs voor variaties bij een kenmerkende driftsnelheid en een vereiste nauwkeurigheid kan worden gezien dat de bandbreedte betrekkelijk smal zal zijn, in de orde van enige hertz.

Een kenmerkende injectievergrendelbandbreedte kan zich uitstrekken vanaf 5 MHz tot (zeg) 50 MHz, zodat, om het signaal binnen de middelste 10% van deze bandbreedte te houden, versterkingen van de orde als die zoals hierboven vermeld, zijn vereist.

Met dit ontwerp kunnen de voordelen van het handhaven van een injectievergrendeling van het uitgangsorgaan bij een hoge kwaliteit worden verkregen zonder belangrijke uitbreidingspro-gramma’s, over een ruim bereik van veranderende omgevings-, opwar-mings- en verouderingscondities.

Een andere implementatie van hetzelfde werkings-principe is mogelijk. In dit ontwerp wordt de referentie-oscillator niet voortdurend afgestemd zoals in het bovenstaande ontwerp, maar in stappen veranderd. Dit wordt verkregen door de beschikbaarheid van een aantal individuele frequenties uit de basis-RF-bron of van een aantal verschillende RF-oscillatoren die kunnen worden geselecteerd door de bijpassende schakeling. Wederom gebruikt het orgaan voor het selecteren van de RF-oscillator waarvan de frequentie het dichtstbij het midden van de injectievergrendelde uitgangstrap is, het faseverschil tussen het ingangs- en uitgangssignaal van deze injectievergrendelde oscillator.

Een dergelijke uitvoeringsvorm wordt nu beschreven onder verwijzing naar het blokschema dat is getoond in figuur 4.

De tussenversterkers, de injectievergrendelde oscillator, de koppelorgaan 32-38 en de fasegevoelige detector 44 werken op dezelfde wijze als eerder is beschreven met betrekking tot figuur 3. Het uitgangssignaal van de fasegevoelige detector 44 wordt enigszins anders gebruikt.

In dit geval wordt het uitgangssignaal gefilterd in een laagdoorlaatfilter 64 om een gemiddelde fasefout te geven tussen het ingangssignaal en het uitgangssignaal van het injectievergrendelde magnetron. Het ingangssignaal kan worden bemonsterd en vastgehouden 62, indien vereist, zoals nodig kan zijn bij een gepulst stelsel, ofschoon de werkingsprincipes standhouden ongeacht of het ingangssignaal naar het filter aldus wordt bemonsterd of niet en ongeacht of het uitgangssignaal van zender wordt gepulst of wordt gebruikt in een CW-bedrijf.

Het uitgangssignaal van het laagdoorlaatfilter wordt vergeleken met een positieve en een negatieve referentiespan-ning (V ^+, Vref~^ ^6 een comParator 68. Deze refe-rentiespanningsniveau's worden zodanig ingesteld dat het schakelen tussen de referentie-oscillatoren zal plaatsvinden voor een gegeven frequentieverschuiving tussen de vrijlopende frequentie van de injectievergrendelde magnetronoscillator en zijn ingangsfrequentie.

Indien het positieve of het negatieve referentieni-veau wordt gepasseerd wordt vervolgens een nieuwe RF-oscillator gekozen door de selectiebesturingslijnen 72. Een aantal N van RF-os-cillatoren kan worden geselecteerd 78 door gebruik te maken van de N-wegschakelaars 74 en 76. De selectie van de uitgang van de oscil-lator wordt uitgevoerd door schakelaar 76.

Vanwege het restvermogen dat zal verschijnen als een stoorsignaal dat voortkomt uit een gevoede oscillator bij de verkeerde frequentie, wordt ook het ingangsvermogen geschakeld zodat slechts de gekozen oscillator wordt gevoed. Deze selectie wordt uitgevoerd door gebruikmaking van de N-wegschakelaar 74. Wanneer de comparator wordt gestart, wordt het uitgangssignaal van het filter 64 geaard, teneinde te waarborgen dat de RF-oscillator niet per ongeluk opnieuw wordt geschakeld.

Het uitgangssignaal van de gekozen oscillator is het ingangssignaal voor de zenderketen zoals in figuur 3, via de tussenversterkerketen 32 en de injectievergrendelde oscillator 38. Bovendien wordt iets van het zenderreferentiesignaal afgenomen via het koppelorgaan 80 om een referentie te geven voor de locale oscillator van de racio-ontvanger zodat een coherent bedrijf kan worden gehandhaafd.

Als een resultaat van het ontwerp volgens figuur 4, wordt, wanneer de centrale frequentie van de uitgangstrap van de magnetronoscillator drift vertoont, de passende vaste frequentie-RF-oscillator die het dichtstbij het centrum van de magnetroninjec-tievergrendelband is, automatisch geselecteerd. De scheiding van de RF-bronnen moet natuurlijk kleiner zijn dan de injectievergrendel-band en het totale frequentiebereik van de bronnen moet groter zijn dan de verwachte zenderdrift. Het aantal bronnen hangt dan af van hoe dicht bij de centrale frequentie van het magnetron het gewenst is de ingangsfrequentie te handhaven en het compromis tussen de complexiteit van het stelsel en de totale prestatie van de zenderketen.

Voor de bovenstaande ontwerpen zijn uitbreidingen en alternatieven. De hoofduitbreiding is die welke de faciliteit omvat om werkzaam te zijn bij een keuze van vastefrequentie-oscil-latoren als in figuur 4, tezamen met een in frequentie afstembare zender als in figuur 3.

Deze uitvoering wordt geïllustreerd voor een zenderketen die frequentie-agiel is. In een frequentie-agiel bedrijf voor een coherent CW- of gepulst stelsel, wordt een coherentie gehandhaafd over een periode waarover een coherente integratie plaatsvindt en wordt vervolgens de radarfrequentie met een discrete stap gewijzigd. Dit proces kan worden herhaald voor een aantal individuele frequenties.

Wanneer een frequentie-agiele zenderketen wordt gebruikt waarbij gebruik wordt gemaakt van een injectievergrendelde oscillator, kan dan de centrale frequentie van het magnetron periodiek worden gewijzigd en wordt tegelijkertijd de radarfrequentie- bron gewijzigd teneinde te waarborgen dat de twee frequenties gelijkenis vertonen. Op deze wijze kan een frequentie-agiele bandbreedte worden gebruikt die groter is dan de injectievergrendel-bandbreedte van de injectievergrendelde oscillator.

Ook is het mogelijk dat de oscillatoruitgangsfre-quentie drift in de tijd begint te vertonen, zodat de twee middelen om een frequentie te selecteren, namelijk: het verwijderen van frequentiedriften, discrete stappen om een frequentie-agiliteit onder te brengen, tezamen moeten worden geïmplementeerd.

Dit ontwerp zal worden beschreven onder verwijzing naar figuur 5, waarbij het ontwerp volgens figuur 3 voor continue afstemming is uitgebreid om een frequentie-agiliteit te omvatten.

Het merendeel van figuur 5 is gelijk aan figuur 3. De verschillen zijn gelegen in de aanwezigheid van frequentieselec-tielogica, de selectie van de RF-oscillatoren en de afstemming van de injectievergrendelde magnetronuitgangsoscillator.

Zoals getoond, worden de frequentieselectielogica 84 bestuurd door opdrachten 86 vanuit een modusbesturingsorgaan van een digitale signaalprocessor of een ander besturingsorgaan. De frequentieselectielogica voert dan bij 82 het juiste signaal uit om de passende centrale frequentie van het injectievergrendelde magnetron (oscillator) 38 te selecteren en de vastefrequentie-oscillator 90 die het dichtst is bij het midden van de injectievergrendelmag-netronband. Dit geschiedt door.middel van een N-weg RF-schakelaar 88. Gemeenschappelijk met het eerdere ontwerp (figuur 4) worden ge-lijkspanningsvoedingsingangen naar de niet gebruikte oscillatoren ook geblokkeerd door gebruikmaking van de schakelaar 92.

Wanneer een discrete frequentieverandering plaatsvindt, kan er een verschuiving zijn tussen de gekozen oscillator 90 en de geselecteerde centrale frequentie van het magnetron 38. Deze verschuiving resulteert in een faseverschil bij de PSD 44 en de lus 60 "trekt" dan de oscillator 48 zodanig de resulterende frequentie in het midden van de band is. In dit geval moet de tijdconstante van de lus veel kleiner zijn dan die in figuur 3 aangezien hij driften of fouten moet wegnemen in een kleine fractie van de coherente integratietijd. Indien een kenmerkende coherente integratie-tijd 10 ms is, zou dan het naar binnen trekken in (zeg) 1 ms moeten worden voltooid, zodat een kenmerkende tijdconstante 0,1 ms is. Dit maakt het gedetailleerde ontwerp van de lus iets moeilijker vanwege zijn ruimere bandbreedte en dientengevolge een toename in de gevoeligheid voor ruis. Geen intrinsieke toename in moeilijkheid wordt ontmoet bij een CW-ontwerp en in een puls-Doppler-ontwerp zal een groot aantal pulsen nog worden geïntegreerd.

Er zijn een aantal alternatieve werkwijzen voor het implementeren van het hoofdontwerp die veranderingen van details maar niet van het principe met zich meebrengen. Een voorbeeld is het orgaan voor het verschuiven van de zenderfrequentiebron ten opzichte van de locale oscillator van het adarstelsel.

In de schema's die zijn getoond in de figuren 3 en 4 wordt de zenderfrequentie aangedreven vanuit een bronfrequentie (VCO) 30 die niet afhangt van de verwachte doel-Doppler-frequentie, die, terwijl de locale oscillatorweg wordt gevormd door het mengen 53 of 80 met de Doppler-VCO. Een alternatieve configuratie is mogelijk waarbij het uitgezonden signaal veranderd met de Doppler-fre-quentie en waarbij de ontvangeroscillator wordt vastgehouden.

Een voorbeeld van een dergelijk ontwerp wordt getoond in figuur 6. Dit ontwerp is werkzaam volgens het discrete af-stemprincipe van figuur 4, maar maakt gebruik van de verzameling vaste oscillatoren als een referentie voor de locale oscillatorfre-quentie en heeft een variabele zenderfrequentie.

Er is een aanvullende andere variatie op het hoofdthema waarbij de basis-RF-VCO 30 (figuren 3 en 5) wordt verwijderd en het gemengde uitgangssignaal 54 wordt gebruikt om de referentie-frequentie omhoog te transformeren. Dit is een kleine variatie op deze figuren.

In figuur 6 is het ontwerp een modificatie van dat hetwelk is beschreven in figuur 4.

De RF-bron bestaat uit een verzameling van N oscil- latoren 78 en de schakelaars 74 en 76 die nodig zijn om tussen hen te kiezen, waarbij de selectielogica van figuur 4 in één blok is gecombineerd, dat elementen 62-70 omvat. De "bandselectielogica" ontvangt een ingangssignaal vanuit de fasegevoelige detector 44 die een uitgangssignaal geeft dat bij benadering evenredig is met het frequentieverschil tussen het ingangs- en uitgangssignaal van de injectievergrendelde oscillator 38. De keten van tussenversterkers 32 versterkt het bronsignaal tot een voldoende vermogen om de eind-oscillator door injectie te vergrendelen. Dit gedeelte van het ontwerp is hetzelfde als in figuur 4.

Het verschil ligt in het feit dat de RF-bronfre-quentie wordt uitgevoerd via de versterkers 100 en 102 om een signaal te geven dat wordt gebruikt in een ontvangerpad om de eerste RF-mengers aan te drijven, getoond in het vereenvoudigde blokschema in figuur 1 als de menger 14, (in figuur 1 zijn de alternatieve, tussen haken geplaatste, frequentiewaarden van toepassing op het ontwerp dat is getoond in figuur 6), in plaats van de zenderketen.

Een uitgangssignaal vanuit de locale oscillatorbron wordt af genomen via het koppelorgaan 101 en gemengd 112 met het zenderreferentiesignaal dat ontstaat in een spanningsgestuurde oscillator 118. Deze VCO wordt versterkt, 120, om een signaal te geven dat geschikt is voor de gepulste tussenversterkers 32 via de isolator 124, en dat ook wordt gebruikt, via een koppelorgaan 122 en een keten van isolatoren 114 om het referentiezendersignaal voor de menger 112 te geven.

Het uitgangssignaal van de menger 112, dat dicht bij de Doppler-VCO-frequentie is, wordt vervolgens gemengd met het signaal 104 in de kwadratuurmenger 110 om een laagfrequent signaal te produceren dat passeert via de integrator 116 om de frequentie van de VCO 118 opnieuw af te stemmen. De lus is stabiel wanneer het uitgangssignaal van de menger 110 nul is en dit treedt op wanneer de VCO 118 in fase is vergrendeld aan de Doppler-VCO en de vereiste locale oscillatorbron.

De logica wordt bestuurd door de vergrendeldetec-tie-PSD 106 die het uitgangssignaal van de menger 112 neemt en fa- segevoelig detecteert tegen de Doppler-VCO 104. Indien de lus 130 uit vergrendeling is, is er een zwevingsfrequentie die een niet-vergrendelde lus aangeeft en die het zoek/instelproces 108 start, via de integrator 116, en de bandselectielogica zoals is getoond in figuur 4, 62, 64, 66, 68 en 70.

Claims (13)

1. Coherent radarstelsel omvattende een injectie-vergrendelende oscillator voor de opwekking van een uitgezonden signaal, waarbij de oscillator een injectievergrendelbandbreedte heeft waarbinnen het uitgangssignaal van de oscillator in frequentie wordt vergrendeld aan het injectiesignaal, met het kenmerk, dat het stelsel verder omvat een radarbron waaruit het injectiesignaal wordt afgeleid en terugkoppelorganen voor het besturen van de frequentie van de radarbron afhankelijk van het faseverschil tussen het injectiesignaal en het uitgangssignaal van de oscillator, teneinde het faseverschil te reduceren en te neigen tot het handhaven van de frequentie van het injectiesignaal in het midden van de in-j eetiever grendelbandbreedte.

2. Radarstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het terugkoppelorgaan een lus omvat die een fasegevoe-lige detector omvat en een afstembare spanningsgestuurde oscillator die deel uitmaakt van de radarbron, waarbij de radarbronfrequentie continu variabel is in antwoord op het faseverschil.

3. Radarstelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een vastefrequentie-oscillator met een relatief zuiver spectrum is gekoppeld aan de lus teneinde aan het injectiesignaal dit spectrum voor te schrijven.

4. Radarstelsel volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de radarbron een vastefrequentie-oscillator met een relatief zuiver spectrum omvat en een verdere spanningsgestuurde oscillator die wordt bestuurd in een verdere terugkoppellus om een uitgangsfrequentie te produceren die gelijk is aan het verschil tussen de vastefrequentie en de afstembare spanningsgestuurde oscillator, waarbij de uitgangsfrequentie de radarbronfrequentie is en waarbij het spectrum van de vastefrequentie-oscillator aan het radarbronsignaal wordt voorgeschreven.

5. Radarstelsel volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat de radarbron een aantal oscillatoren met vastefrequen-tie omvat die sequentieel werkzame frequenties hebben die worden gescheiden door een fractie van de injectievergrendel-bandbreedte, een selectie-orgaan voor het selecteren van één van de vastefre-quentie-oscillatoren om de frequentie van het injectiesignaal te bepalen, waarbij het selectie-orgaan reageert op het faseverschil in een terugkoppellus om de vastefrequentie-oscillatoren zodanig te selecteren teneinde te neigen tot het reduceren van het faseverschil.

6. Radarstelsel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de frequentie van de geselecteerde vastefrequentie-os-cillator de injectiesignaalfrequentie vormt.

7. Doppler-radarstelsel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat voorzien is een orgaan voor het verschaffen van een middenfrequent signaal uit een ontvangen signaal en een locale oscillator-signaal, waarbij de frequentie van de geselecteerde vas-tefrequentie-oscillator een locale oscillatorfrequentie voor het stelsel vormt, waarbij het stelsel een verdere terugkoppellus omvat die een spanningsgestuurde oscillator omvat die de injectiesignaalfrequentie verschaft, waarbij de spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd afhankelijk van het verschil tussen enerzijds de Doppler-verschoven middenfrequentie en anderzijds het verschil tussen de locale oscillatorfrequentie en de injectiesignaalfrequentie.

8. Radarstelsel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het Doppler-verschoven middenfrequente signaal en een verschilsignaal dat een frequentie heeft gelijk aan het verschil tussen de locale oscillatorfrequentie en de injectiesignaalfrequentie, worden aangelegd aan een fasegevoelige detector om een indicatie te verschaffen voor de vergrendelde/niet-vergrendelde toestand van de terugkoppellus.

9. Radarstelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat is voorzien in een orgaan dat reageert op een indicatie van een niet-vergrendelde toestand, teneinde de spanningsgestuurde oscillator te zwaaien naar een frequentie waarbij de verdere terugkoppellus een vergrendelde toestand verwerft.

10. Een frequentie-agiel radarstelsel volgens conclusie 1, aet het kenmerk, dat de injectievergrendelde oscillator afstembaar is over het bereik van een frequentie-agiliteit en dat de radarbron een aantal vaste frequentie-oscillatoren omvat die werkfrequenties hebben over het gehele bereik van de frequentie-agiliteit, waarbij het stelsel een selectielogica-orgaan omvat voor het selecteren van de vastefrequentie-oscillatoren op een willekeurige of voorafbepaalde basis en het selecteren van de uitgangsfre-quentie van de injectievergrendelde oscillator in overeenstemming met de geselecteerde vastefrequentie-oscillator, waarbij het stelsel verder omvat een eerste terugkoppellus die een fasegevoelige detector omvat die reageert op het faseverschil om een afstembare spanningsgestuurde oscillator te besturen, en een verdere terugkoppellus die een verdere spanningsgestuurde oscillator omvat die de radarbronfrequentie verschaft, waarbij de verdere spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd in antwoord op het verschil tussen de frequentie van de geselecteerde vastefrequentie-oscillator en de frequentie van de afstembare spanningsgestuurde oscillator, waarbij de inrichting zodanig is dat voor elke geselecteerde vastefrequentie-oscillator de afstembare spanningsgestuurde oscillator wordt bestuurd om de radarbronfrequentie binnen de in^ectievergrendel-bandbreedte van de injectievergrendelde oscillator te houden.

11. Radarstelsel volgens één der voorgaande conclusies voor gepulst bedrijf, gekenmerkt door tenminste één versterkertrap tussen de radarbron en de injectievergrendelde oscillator en timingorganen voor het synchroon pulseren van het bedrijf van de versterkertrap en van de injectievergrendelde oscillator.

12. Radarstelsel volgens één der conclusies 1 tot en met 10, waarbij het radarstelsel geschikt is voor CW-bedrijf.

13. Radarstelsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de injectievergrendelde oscillator een magnetron is.