NL9101979A

NL9101979A - Phased array antennemodule.

Info

Publication number: NL9101979A
Application number: NL9101979A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1993-06-16
Also published as: EP0544378B1; DE69224163D1; CA2083539A1; NO300707B1; AU2843792A; TR27145A; AU655335B2; US5404148A; NO924544L; JPH05251922A; EP0544378A1; DE69224163T2; NO924544D0

Description

Phased array antennemodule

De uitvinding betreft een antennemodule voor een actief monopuls phased array systeem, omvattende een behuizing voorzien van een electrische keten, aan een eerste zijde voorzien van een straler voor het uitzenden en ontvangen van RF signalen, verder voorzien van aansluitmiddelen voor RF signalen, stuursignalen en voedingsspanningen, waarbij de electrische keten geschikt is voor het met een instelbare fase aansturen van de straler.

Onder een phased array systeem wordt verstaan een systeem waarin vele, doorgaans duizenden, antennemodules samenwerken voor het in één richting uitzenden van RF signalen en voor het in één richting detecteren van RF signalen, waarbij de richting kan worden gekozen door in alle antennemodules tenminste de fase van de RF signalen te variëren. Het bekendste toepassingsgebied voor een phased array systeem is natuurlijk radar, maar men kan ook denken aan het belichten van uitgaande missiles en aan satellietcommunicatie.

Een phased array systeem voor vuurleidingsapplicaties wordt bij voorkeur uitgevoerd als een monopuls systeem, zodat bij het volgen van doelen foutspanningen beschikbaar komen.

Worden de uitgezonden RF signalen opgewekt in de afzonderlijke antennemodules, zij het onder gebruikmaking van een centraal opgewekt RF signaal, dan is er sprake van een actief phased array systeem. Een voordeel van een actief systeem is de grote betrouwbaarheid. Zelfs een defect raken van bijvoorbeeld 10% van de antennemodules heeft nauwelijks invloed op de werking van een actief phased array systeem.

Een phased array systeem is steeds een compromis, waarbij specifieke systeemeisen worden gehaald ten koste van andere eisen. Bij het multifunctionele actief monopuls phased array systeem volgens de uitvinding is de specifieke systeemeis een grote bandbreedte, waarbij aspecten zoals maximale scanhoek en kosten, hoewel van groot belang, toch op een tweede plan komen. Het blijkt nu dat de specifieke systeemeis vrijwel geheel wordt belichaamd in de antennemodule volgens de uitvinding, welke als kenmerk heeft dat de straler, de electrische keten en de vorm van de antennemodule zijn gekozen voor het in combinatie realiseren van een grote systeembandbreedte.

Bij phased array systemen volgens de stand der techniek worden vrijwel uitsluitend diëlectrische stralers toegepast, die compact zijn en daardoor eenvoudig in een antennevlak gerangschikt kunnen worden. Diëlectrische stralers zijn echter smalbandig. De antennemodule volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk dat de straler van het rechthoekige open golfpijptype is en dat de breedste zijde van de straler althans nagenoeg 3,5 keer de hoogte h van de straler bedraagt.

Een brede, platte straler heeft als nadeel, dat het vrijwel onmogelijk is in de ruimte achter de straler de benodigde electrische keten te plaatsen. De antennemodule volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk dat de eerste zijde is voorzien van N (N = 2, 3, 4, ...) identieke, op één lijn geplaatste stralers en de electrische keten geschikt is voor het gelijktijdig aansturen van N stralers.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de antennemodule heeft als kenmerk dat de behuizing een platte doos omvat, waarvan een bodemvlak is ingericht voor het afvoeren van in de electrische keten opgewekte warmte en waarvan een zijkant de eerste zijde vormt waarop de stralers zijn geplaatst met onderlinge tussenruimten van tenminste h.

Een antennemodule volgens de uitvinding kan dan met het bodemvlak op een koelvlak worden geplaatst, waarbij de stralers geheel buiten het koelvlak uitsteken, zodanig dat de stralers van de aan de ene zijde van de koelplaat geplaatste modules precies vallen tussen stralers van de aan de andere zijde van de koelplaat geplaatste modules.

'S

Een gunstige plaatsing van de stralers op de eerste zijde heeft dan tot gevolg dat bij een stapeling van van modules voorziene koelplaten de vrije uiteinden van de stralers een althans nagenoeg gesloten oppervlak vormen.

Daarnaast vormt de breedbandige aanpassing van een rechthoekige open golfpijpstraler aan een doorgaans coaxiale uitgang van een electrische keten een moeilijkheidsfactor, die de toepassing van dit type straler in een phased array systeem in de weg staat. De straler volgens de uitvinding heft dit bezwaar op en heeft als kenmerk dat elke straler is voorzien van een geïntegreerde aanpaseenheid, omvattende een aansluitpunt voor een coaxiale doorvoer, een coaxiaal naar striplijn overgang, een striplijnmode naar golfpijpmode overgang en een impedantietransformator.

Om monopuls signalen af te leiden van het phased array systeem kan men, zoals gebruikelijk in het vakgebied, de door de modules ontvangen signalen sommeren op RF basis. RF netwerken die som- en verschilbundels kunnen genereren met lage zijlussen blijken de bandbreedte te beperken. Bovendien zijn ze zeer gecompliceerd en duur. Een phased array systeem, waarvan de antennemodule volgens de uitvinding deel uitmaakt, sommeert de ontvangen signalen op IF basis wat de genoemde bezwaren opheft. De antennemodule heeft daartoe als kenmerk, dat de electrische keten een ontvanger omvat die is voorzien van tenminste een voorversterker, een instelbare fasedraaier en een image rejection mixer.

Een zeer breedbandige superheterodyne ontvanger, zoals toegepast in de antennemodule volgens de uitvinding, kan uitsluitend worden uitgevoerd als enkelsuper. Daarom worden aan de image rejection mixer hoge eisen gesteld. De antennemodule heeft daarom als kenmerk dat de image rejection mixer is uitgevoerd als een MMIC.

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

Fig. 1 een toelichting geeft bij de antennegeometrie volgens de uitvinding;

Fig. 2 een mogelijke uitvoeringsvorm van een antennemodule volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 3 de plaatsing van antennemodules tegen een koelplaat weergeeft;

Fig. 4 een mogelijke uitvoeringsvorm van een koelplaat, voorzien van antennemodules volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 5 de bevestiging van stralers op de behuizing illustreert;

Fig. 6 de geometrie van de in elke straler geplaatste geïntegreerde aanpaseenheid weergeeft.

Een actief monopuls phased array systeem bestaat in hoofdzaak uit een groot aantal identieke antennemodules, voorzien van stralers, waarbij de stralers samen het antennevlak vormen. Zowel voor de prijs als ook voor de performance is de uitvoering van de module van groot belang. Er bestaat geen universele optimale oplossing, de oplossing is sterk afhankelijk van de eisen gesteld aan het phased array systeem.

Daarnaast bevat een actief monopuls phased array systeem middelen waarop de antennemodules gemonteerd kunnen worden. Deze middelen omvatten naast de feitelijke bevestigingsmiddelen ook koelmiddelen, een distributienetwerk voor voedingsspanningen en voor RF zendsignalen. Bovendien bevat het sommatienetwerken, waarmee door de modules ontvangen signalen kunnen worden gesommeerd tot Σ, ΔΒ en ΔΕ uitgangs s ignalen.

Het phased array systeem waarvan de antennemodule volgens de uitvinding deel uitmaakt, dient een zeer grote bandbreedte te bezitten. Deze systeemeis heeft gevolgen voor de antennegeometrie als zodanig, voor de keuze van het type straler, voor de electrische keten die de straler aanstuurt en voor de sommatienetwerken. Deze vier aspecten en hun relatie tot elkaar vormen het onderwerp van dit octrooischrift.

Een in het vakgebied welbekende antennegeometrie is weergegeven in Fig. IA. Hierbij is het antennevlak verdeeld in gelijkzijdige driehoeken en is in elk hoekpunt een straler aangebracht. Bij een zo ingerichte phased array systeem, dat radaruitzendingen verzorgt met een golflengte λ, zal bundelvorming zonder de vorming van in het vakgebied welbekende storende grating lobes kunnen plaatsvinden als de afstand tussen de stralers niet meer dan λ/2 bedraagt. Omgekeerd zullen, als d de afstand tussen de stralers is, grating lobes kunnen ontstaan als λ < 2d. Worden bijvoorbeeld diëlectrische stralers toegepast, dan kan men antennemodules stapelen zoals aangegeven in Fig. 1B, een in het vakgebied welbekende methode.

Bij toepassing van een straler van het rechthoekige open golfpijp-type dient de breedte van de golfpijp, wil men de grote bandbreedte van dit type straler benutten, groter te zijn dan λ/2, omdat anders de golfpijp in cut-off raakt. Een stapeling van dit type stralers, die aan deze voorwaarde voldoet is aangegeven in Fig. 1C.

De breedte van de straler is hier /3d en de hoogte 0,5d.

Combineren we de voorwaarden voor het niet ontstaan van grating lobes en het niet ontstaan van cut-off dan moet λ < 2/3d en λ > 2d, wat voor de antennegeometrie resulteert in een theoretisch mogelijke bandbreedte van bijna 50%. Speciaal als het phased array systeem uitzendt met een kleine radargolflengte, kan de geringe hoogte van de straler het nagenoeg onmogelijk maken een antennemodule te ontwerpen die in het verlengde van de straler kan worden geplaatst.

Fig. 2 toont een antennemodule waarbij dit bezwaar niet bestaat. Stralers 1, 2, 3, 4 voorzien van rechthoekige stralende openingen 5, 6, 7, 8 zijn geplaatst op een gemeenschappelijke behuizing, waarin een electrische keten is opgenomen voor het aansturen van de stralers. De behuizing is voorzien van aansluitmiddelen, doorgaans op de van de stralers afgekeerde zijde, via welke de antennemodule een RF signaal ontvangt en eventueel na versterking en fasedraaiing verder leidt naar de stralers. Door de stralers opgevangen RF signalen worden eveneens eventueel na versterking en fasedraaiing door de electrische keten naar de aansluitmiddelen geleid.

Verder zijn op de aansluitmiddelen aangesloten voedingsspanningen voor de electrische keten en stuursignalen, waarmee de fasedraaiing en de versterking van de uitgezonden en ontvangen signalen kunnen worden ingesteld.

Een bijkomend voordeel van de antennemodule volgens de uitvinding is, dat verdeelnetwerken in het phased array systeem voor de verdeling van voedingsspanningen, stuursignalen en RF signalen eenvoudiger kunnen worden uitgevoerd, terwijl ook het aantal aansluitmiddelen in vergelijking met modules volgens de stand der techniek met een factor vier is gereduceerd. Men zou kunnen denken dat een module zo veel mogelijk stralers dient te bevatten om dit voordeel optimaal te benutten. Dit is echter niet zo, uit logistieke overwegingen dient de prijs van deze vervangbare bouwsteen niet te hoog en de complexiteit niet te groot te zijn. Morden deze factoren meegewogen, dan is een viertal stralers per antennemodule optimaal.

Fig. 3 toont hoe behuizingen 9 en 9" tegen een koelplaat 10 kunnen worden geplaatst, waarbij de stralers 4', 3', 2', 1' precies tussen de stralers 1, 2, 3, 4 vallen, zo dat ze voor de helft overlappen. Men kan dan een aantal van antennemodules voorziene koelplaten stapelen, waarbij de stralers van de opeenvolgende koelplaten tussen elkaar vallen en waarbij de stralers een nagenoeg gesloten oppervlak vormen, het antennevlak.

Een van antennemodules voorziene koelplaat 10 wordt getoond in Fig. 4. Koelplaat 10 is aan beide zijden voorzien van bijvoorbeeld acht antennemodules. Koeling vindt plaats door middel van een in de koelplaat aangebrachte leiding voor koelvloeistof, met aanvoer 11 en afvoer 12. Verder is koelplaat 10 voorzien van een tweede aansluit-middel 13, via hetwelk de modules 9, onder toepassing van een verdeelnetwerk 14, worden voorzien van voedingsspanningen, stuursignalen en RF signalen.

Fig. 5 laat zien hoe de stralers 1, 2, 3, 4 en de behuizing 9 zijn geintegreerd. Op de daarvoor bestemde plaatsen is de behuizing voorzien van vier uitsteeksels 15 elk met een rechthoekige doorsnede, waarop de stralers geschoven kunnen worden. Daarna worden de stralers voorzien van een geleidende verbinding 16 met de behuizing. Dit kan bijvoorbeeld met een soldeerverbinding, als stralers en behuizing beide uit een soldeerbaar materiaal zijn opgetrokken, of met een geleidende lijmverbinding, bijvoorbeeld met zilverepoxy. Een zeer voordelige verbinding wordt verkregen door stralers en behuizing in een mal te plaatsen en de stralers ter plaatse van de uitsteeksels in te knijpen, in het bijzonder nabij de hoeken. De zo verkregen verbinding garandeert een nauwe tolerantie van de posities van de stralers ten opzichte van het montagevlak van de behuizing; ze is snel aangebracht en ze kan worden toegepast op aluminium zonder dat dit enige bewerking heeft ondergaan.

De uitsteeksels 15 zijn tevens elk voorzien van een coaxiale aansluiting, gevormd door een glaskraal 17 en een vergulde pen 18, die samen een hermetische afsluiting vormen. Via deze coaxiale aansluiting kan de electrische keten energie toevoeren aan de straler. Daartoe dient de straler voorzien te zijn van middelen die het coaxiale veld rond de coaxiale aansluiting omzetten in het in de straler gewenste golfpijpveld en die de impedantieverschillen compenseren. Dit wordt in doorsnede getoond in Fig. 6A en Fig. 6B. Straler 1 bevat hiertoe een geïntegreerde aanpaseenheid bestaande uit een striplijnsectie 19 die tevens is voorzien van een verguld aansluitpunt voor pen 18, welke striplijnsectie samen met de daaropvolgende impedantietransformator 20 tevens een striplijnmode naar golfpijpmode overgang vormt, en additionale aanpassingen 21, 22. Aanpasmiddelen van deze soort zijn als zodanig in het vakgebied bekend, echter de toepassing in een straler van een phased array systeem is nieuw.

Een in het vakgebied welbekend probleem van een phased array systeem is mutual coupling, de onderlinge beïnvloeding van naburige stralers. Fig. 6A en Fig. 6B tonen een iris 23 waarmee dit probleem in de antennemodule volgens de uitvinding is opgelost. Ter voorkoming van mutual coupling over een grote bandbreedte is de breedte van de straler aan het vrije uiteinde van de straler tot 85% gereduceerd. De hoogte van de straler is ongewijzigd.

Een phased array systeem, opgebouwd uit antennemodules volgens de uitvinding is relatief ongevoelig voor sterke externe electro-magnetische velden. Dit is te danken aan het feit dat de stralers een nagenoeg gesloten oppervlak vormen zodat electromagnetische velden nagenoeg niet tussen de stralers kunnen doordringen.

Bovendien hebben de open golfpijpstralers een welgedefinieerde cut-off frequentie, waar beneden de golfpijpstralers geen energie meer doorlaten.

In een monopuls phased array systeem worden de uitgangssignalen van alle modules gesommeerd volgens drie verschillende gewogen sommen, voor het verkrijgen van een somkanaal Σ, een elevatieverschilsignaal ΔΕ en een azimuthverschilsignaal ΔΒ. Het is gebruikelijk in het vakgebied om de benodigde sommaties uit te voeren met de ontvangen RF signalen; weliswaar na voorversterking en fasedraaiing.

De sommatienetwerken zijn dan uitgevoerd in RF technologie en dienen dezelfde bandbreedte te hebben als de gewenste systeembandbreedte voor het phased array systeem. Voor een zeer breedbandig phased array systeem, zoals het onderhavige, is zo'n sommatienetwerk nauwelijks te realiseren, zeker niet als men enige eisen stelt ten aanzien van zijlussen in de verschilkanalen ΔΕ en ΔΒ. Daarom worden in het onderhavige phased array systeem sommatienetwerken toegepast, die werken op een comfortabele middenfrequentie, bijvoorbeeld 100 MHz. Sommatienetwerken kunnen dan worden uitgevoerd als eenvoudige weerstandsnetwerken. De antennemodules dienen dan de ontvangen RF signalen te converteren naar deze middenfrequentie. Gezien de grote systeembandbreedte is een enkelsuper heterodyne ontvanger hier het aangewezen middel. Het nadeel van een enkelsuper heterodyne ontvanger is echter, dat een goede onderdrukking van de spiegelfrequentie nauwelijks haalbaar is, althans dit wordt door de vakman aangenomen. In de antennemodule volgens de uitvinding wordt de frequentieconversie gerealiseerd door een in het vakgebied welbekende image rejection mixer, waarvan de spiegelonderdrukking is vergroot door hem uit te voeren als een monolithisch microwave integrated circuit in GaAs technologie. Verder wordt een zeer significante verbetering van de onderdrukking van de spiegel-frequentie verkregen doordat de spiegelsignalen afkomstig van diverse modules niet, zoals de feitelijke signalen, een gecorreleerde fase bezitten, zodat de sommatienetwerken spiegelonder-drukkend werken. Hierdoor kan de spiegelonderdrukking voor bijvoorbeeld een systeem met 1000 modules 30 dB beter zijn dan de spiegelonderdrukking van een individuele module. De image rejection mixer dient dan zo te zijn uitgevoerd dat het spiegelsignaal, van exemplaar tot exemplaar gemeten, althans nagenoeg een random verdeling te zien geeft. Dit betekent dat systematische fouten in de splitter-combinatienetwerken die deel uitmaken van de image rejection mixer vermeden dienen te worden.

Claims

1. Antennemodule voor een actief monopuls phased array systeem, omvattende een behuizing voorzien van een electrische keten, aan een eerste zijde voorzien van een straler voor het uitzenden en ontvangen van RF signalen, verder voorzien van aansluitmiddelen voor RF signalen, stuursignalen en voedingsspanningen, waarbij de electrische keten geschikt is voor het met een instelbare fase aansturen van de straler, met het kenmerk, dat de straler, de electrische keten en de vorm van de antennemodule zijn gekozen voor het in combinatie realiseren van een grote systeembandbreedte.

2. Antennemodule volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de straler van het rechthoekige open golfpijptype is en dat de breedste zijde van de straler althans nagenoeg 3,5 keer de hoogte h van de straler bedraagt.

3. Antennemodule volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de antennemodule aan de eerste zijde is voorzien van N (N = 2, 3, 4, ...) identieke, op één lijn geplaatste stralers en de electrische keten geschikt is voor het gelijktijdig aansturen van N stralers.

4. Antennemodule volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat N = 4.

5. Antennemodule volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de behuizing omvat een platte doos, waarvan een bodemvlak is ingericht voor het afvoeren van in de electrische keten opgewekte warmte en waarvan een zijkant de eerste zijde vormt.

6. Antennemodule volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de stralers zijn geplaatst met onderlinge tussenruimten van tenminste h.

7. Antennemodule volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de module met het bodemvlak op een koelplaat kan worden geplaatst, waarbij de stralers geheel bulten de koelplaat uitsteken en waarbij de stralers van de aan de ene zijde van de koelplaat geplaatste modules precies vallen tussen stralers van de aan de andere zijde van de koelplaat geplaatste modules.

8. Antennemodule volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat bij een stapeling van van modules voorziene koelplaten de vrije uiteinden van de stralers een althans nagenoeg gesloten oppervlak vormen.

9. Antennemodule volgens één der conclusies 3 t/m 8, met het kenmerk, dat de behuizing aan de eerste zijde is voorzien van N uitsteeksels met een doorsnede, overeenkomend met de inwendige doorsnede van een straler, en dat de stralers deze uitsteeksels omvatten en met een geleidende verbinding erop bevestigd zijn.

10. Antennemodule volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de verbinding een knijpverbinding is.

11. Antennemodule volgens één der conclusies 9 of 10, met het kenmerk, dat de uitsteeksels elk zijn voorzien van een coaxiale doorvoer voor RF signalen.

12. Antennemodule volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat elke straler is voorzien van een geïntegreerde aanpaseenheid, omvattende een aansluitpunt voor de coaxiale doorvoer, een coaxiaal naar striplijn overgang, een striplijnmode naar golfpijpmode overgang en een impedantietransformator.

13. Antennemodule volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat elke straler is voorzien van een rechthoekige iris, althans nagenoeg samenvallend met het vrije uiteinde van de straler.

14. Antennemodule volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de breedte van de iris althans nagenoeg 3h bedraagt.

15. Antennemodule volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de electrische keten een ontvanger omvat die is voorzien van tenminste een voorversterker, een instelbare fasedraaier en een image rejection mixer.

16. Antennemodule volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat een uitgang van de image rejection mixer is verbonden met de aansluitmiddelen.

17. Antennemodule volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de image rejection mixer is uitgevoerd als een MMIC.

18. Antennemodule volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de image rejection mixer dusdanig is uitgevoerd dat een spiegelsignaal voor een populatie van exemplaren althans nagenoeg random verdeeld is.

19. Antennemodule volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de image rejection mixer geschikt is voor het aansturen van een sommatienetwerk uitgevoerd als weerstandsnetwerk.

20. Actief monopuls phased array systeem, voorzien van antenne-modules zoals beschreven in één der conclusies 1 t/m 19.