NL9300383A

NL9300383A - Radarapparaat.

Info

Publication number: NL9300383A
Application number: NL9300383A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1994-10-03
Also published as: EP0614092A1; DE69409568D1; CA2116755A1; EP0614092B1; DE69409568T2; AU5519494A

Description

Radarapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een radarapparaat voorzien van een phased array antenne van het actieve type, voor het in een eerste gebruiksmode genereren van een radarbeeld van de omgeving van het radarapparaat onder toepassing van gepulste radartransmissies.

Radarapparaten van dit type worden toegepast voor het opsporen en volgen van doelen. Indien wordt besloten een doel aan te vallen met bijvoorbeeld een raket, dan wordt dit doel belicht met een illuminator, die microgolfstraling van het CW type in de richting van het doel straalt.

Indien de operationele eisen zodanig zijn dat meerdere doelen gelijktijdig aangevallen moeten kunnen worden, dan dient een met dit aantal doelen overeenkomstig aantal illuminators beschikbaar te zijn. Dit maakt de installatie duur. Daarnaast vormt de aansturing van een aantal verspreid opgestelde illuminators, elk met een individuele parallaxfout en mogelijke andere fouten, bijvoorbeeld bij plaatsing op een schip ten gevolge van het torderen of buigen van de scheepsromp, een niet gering probleem. Het is dan ook zeer aantrekkelijk de phased array antenne in te zetten voor het beurtelings met CW microgolf straling belichten van de doelen. Dit zou echter onvermijdelijk leiden tot oververhitting van de phased array antenne, die doorgaans is ingericht voor het met een beperkte duty cycle verzorgen van uitzendingen.

De onderhavige uitvinding lost dit probleem op en heeft als kenmerk, dat het radarapparaat is ingericht voor het in een tweede gebruiksmode verzorgen van transmissies van het CW type, waarbij een gemiddeld uitgezonden vermogen in beide gebruiksmodes althans in hoofdzaak gelijk is.

Is het radarapparaat éénmaal in staat transmissies van het CW type te verzorgen, dan kan het naast de eerder genoemde belichting van doelen tevens zorg dragen voor de zogenaamde mid-course guidance van de raketten, waarbij korte, gemoduleerde Cff transmissies de raketten van informatie voorzien. Ook kan dan worden voorzien in pulse-doppler illuminatie van meerdere doelen gelijktijdig, waarvoor een grote duty-cycle vereist is.

Een phased array antenne omvat een opeenstapeling van antennemodulen, elk voorzien van een zender-eindversterker, doorgaans uitgevoerd in GaAs. Een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft als kenmerk dat in de tweede gebruiksmode een voedingsspanning voor de eind-versterker lager is dan in de eerste gebruiksmode.

In een tweede uitvoeringvorm is elke module voorzien van een zender-eindversterker van het FET type, waarbij een instelspanning voor een gate-aansluiting van de FET in de tweede gebruiksmode zo wordt gekozen dat de FET minder stroom voert dan in de eerste gebruiksmode.

Om voor de zender-eindversterker in beide gebruiksmodes een grote stabiliteit en bedrijfszekerheid te garanderen, heeft een bijzondere uitvoeringsvorm als kenmerk dat de FET versterker is voorzien van een circuit voor het genereren van de instelspanning afhankelijk van de mode en van een feedbacksignaal dat afhangt van de FET stroom.

Een verdere uitvoeringvorm van de uitvinding is gebaseerd op het principe van thinned arrays, zoals dit bijvoorbeeld is beschreven in M.I. Skolnik: Radar handbook, second edition, biz. 7.26. De bekende gedachte is hier dat indien slechts een beperkt aantal antennemodulen actief is en deze modulen op een quasi-willekeurige wijze over het stralende antenneoppervlak verdeeld zijn, een bundel met nagenoeg ongewijzigde parameters wordt verkregen. De uitvinding heeft dan het kenmerk, dat voor een antenne met N antennemodulen in de tweede gebruiksmode slechts M antennemodulen actief zijn, waarbij M < N . De M modulen dienen dan quasi-willekeurig gekozen te zijn.

Door nu de quasi-willekeurige keuze periodiek te veranderen, kan worden bereikt dat het gemiddeld uitgezonden vermogen in beide gebruiksmodes gelijk blijft. De quasi-willekeurige keuze dient dan zodanig plaats te vinden, dat voor elk antennemoduul een gespecificeerde duty cycle niet wordt overschreden.

Een bijzonder gunstige werking wordt verkregen indien een nieuwe quasi-periodieke keuze wordt verkregen steeds door inschakeling van slechts één antennemoduul en gelijktijdige uitschakeling van een ander antennemoduul.

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

Fig. 1 schematisch het vooraanzicht van een phased array antenne weergeeft;

Fig. 2 schematisch een antennemoduul, voorzien van een eindversterker weergeeft;

Fig. 3 schematisch een antennemoduul, voorzien van een eindversterker van het FET type weergeeft.

Fig. 1 geeft schematisch het vooraanzicht van een phased array antenne 1 met 172 modules 2. Elk moduul is aan de voorzijde, niet getoond in de tekening, voorzien van een straler en elk moduul is voorzien van een stuurschakeling, een zender-eindversterker, een ontvangschakeling en een T/R device, één en ander zoals bekend in het vakgebied. Het radarapparaat, waarvan de phased array antenne deel uitmaakt, omvat verder een commandocomputer 3 die de phased array antenne van opdrachten voorziet, een videoprocessing computer 4 voor het evalueren van door de phased array antenne afgegeven video en enkele beeldschermen 5. Op deze delen zal verder niet worden ingegaan, omdat ze van weinig belang zijn voor de onderhavige uitvinding.

Een phased array antenne gebruikt voor het opsporen en volgen van doelen zal doorgaans vele duizenden modules omvatten. Het hier omschreven specifieke uitvoeringsvoorbeeld omvat omstreeks 4000 modulen.

Fig 2. geeft schematisch een antennemoduul 2 weer. RF ingang 6, doorgaans aangesloten op een RF sommatie- en verdeelnetwerk, voert tijdens zenden RF energie toe aan een zender-eindversterker 7, via een instelbare fasedraaier 8. De versterkte RF energie wordt vervolgens via een T/R device 9 toegevoerd aan straler 10. Tijdens ontvangen wordt door straler 10 opgevangen RF energie via T/R device 9 toegevoerd aan ontvanger 11 en vervolgens via instelbare fasedraaier 8 aan RF ingang 6. Voor het zenden geldt een maximale duty cycle van bijvoorbeeld 25%, welke wordt bepaald door het ontwerp van zender-eindversterker 7 en meer in het bijzonder door het gewenste piekvermogen en de toelaatbare dissipatie. Antennemoduul 2 is tevens voorzien van voedingsspanningsaansluitingen, waarbij Fig. 2 in het bijzonder de voedingsspanningsaansluiting 12 voor de eindversterker 7 toont. Tijdens gebruik als radarapparaat is eindversterker 7 aangesloten op een voedingsspanning . In een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding is tijdens gebruik als illuminator eindversterker 7 via voedingsspanningsaansluiting 12 via schakelaar 13 aangesloten op een kleinere voedingsspanning V£, die zo is gekozen dat de toelaatbare dissipatie van zender-eindversterker 7 niet wordt overschreden bij continu gebruik. Het zou in principe ook mogelijk zijn de voedingsspanning Vi te verlagen, maar juist het flexibele gebruik van een phased array antenne, waarbij gepulste uitzendingen en korte Ctf uitzendingen elkaar snel kunnen afwisselen maakt dit onmogelijk. In een phased array antenne is het noodzakelijk om gedistribueerd grote buffercondensatoren aan te brengen voor het leveren van piekvermogens tijdens gepulste radaruitzendingen. Juist deze buffercondensatoren maken een snel variëren van de voedingsspanning nagenoeg onmogelijk. Wel is het mogelijk voedingsspanningen V]i en V2 beide aan te bieden aan moduul 2, waarbij schakelaar 13 in het moduul geplaatst kan worden. Een voordeel hierbij is dat nu twee buffercondensatoren in het moduul geplaatst kunnen worden.

Fig. 3 geeft schematisch een antennemoduul 2 weer waarbij de eind-versterker 7 is voorzien van FET versterkerelementen 14. Bij gelijkblijvende voedingsspanning kan de dissipatie van een eindversterker ook worden gereduceerd door de stroom door de FET versterkerelementen te reduceren. Het is hierbij voldoende de gate ingangen van de FET versterkerelementen te voorzien van een gewijzigde instelspanning met behulp van een instelcircuit 15 dat wordt aangestuurd via stuurlijn 16. Een voor de hand liggende methode is om via stuurlijn 16 direct de gewenste gate-instelspanning aan te bieden. Door onderlinge spreiding van de diverse FET versterkerelementen 14 is dit geen optimale oplossing. Daarom wordt via stuurlijn 16 een spanning aangeboden die proportioneel is met de gewenste stroom door de FET versterkerelementen. Instelcircuit 15 omvat dan tevens stroomsensors, bijvoorbeeld serieweerstanden, voor het bepalen van de stromen door de FET versterkerelementen. De gemeten stromen kunnen dan worden vergeleken met de gewenste stroom en de instelspanningen kunnen dan door instelcircuit 15 zodanig worden geregeld dat de gemeten stromen en de gewenste stroom overeenkomen. Instelcircuit 15 kan bijvoorbeeld zijn voorzien van operationele versterkers, die aan hun ingangen de spanning van stuurlijn 16 combineren met uitgangssignalen van de stroomsensors en waarvan de uitgangen zijn verbonden met de gate ingangen van individuele of groepen FET versterkerelementen.

Een derde uitvoeringsvorm van de uitvinding is gebaseerd op het principe van thinned arrays. Uitgangspunt is dat een reductie van het uitgezonden vermogen kan worden verkregen door slechts een deel van de modules te laten uitzenden. Gebeurt dit zodanig dat de modules die uitzenden gelijkmatig en bij voorkeur quasi-willekeurig over het antenne-oppervlak zijn verdeeld, dan wordt de bundelvorming althans nagenoeg niet beïnvloed. Hebben we bijvoorbeeld 4000 modules en is de maximale duty cycle 25%, dan zal bij inschakelen van 1000 modules het uitgezonden vermogen met 6 dB dalen en zal de verhouding tussen de antenne hoofdlus en de antenne zijlussen met 6 dB verslechteren.

Is bijvoorbeeld een maximale pulslengte van 100 μεβο. toegestaan, dan dienen na 100 /isec. andere modules de uitzending te hebben overgenomen. Dit kan op een bijzonder voordelige wijze worden opgelost door elke 100 nsec. een module uit te schakelen en een ander module in te schakelen, een en ander zodanig dat voortdurend een quasi-willekeurige verdeling van modules die uitzenden over het antenne oppervlak wordt behouden. Door bovendien steeds het inschakelen van een antennemoduul gelijktijdig met het uitschakelen van een ander antennemoduul te doen plaatsvinden, kan een verslechtering van de antennebundel nagenoeg geheel worden voorkomen.

Is het actieve phased array ingericht voor het uitzenden van relatief korte pulsen met een kleine duty cycle, dan zal het in het algemeen niet mogelijk zijn continue uitzendingen te verzorgen onder toepassing van slechts één van de hiervoor beschreven maatregelen. Opgemerkt wordt echter dat de maatregelen in combinatie kunnen worden toegepast. Een radarapparaat voorzien van een actief phased array antenne, dat met een maximale pulslengte van 5 ^sec en een maximale duty cycle van 5% werkt, zal continue uitzendingen kunnen verzorgen door bijvoorbeeld de voedingsspanning van de eindversterkers te halveren, de stroom door de FET eindversterkers te halveren en steeds slechts 20% van de modules in te schakelen.

Claims

1. Radarapparaat voorzien van een phased array antenne van het actieve type, voor het in een eerste gebruiksmode genereren van een radarbeeld van de omgeving van het radarapparaat onder toepassing van gepulste radartransmissies, met het kenmerk, dat het radarapparaat is ingericht voor het in een tweede gebruiksmode verzorgen van transmissies van het CW type, waarbij een gemiddeld uitgezonden vermogen in beide gebruiksmodes althans in hoofdzaak gelijk is.

2. Radarapparaat volgens conclusie 1, waarbij de phased array antenne een opeenstapeling van antennemodulen omvat, elk voorzien van een zender-eindversterker van het GaAs type, met het kenmerk, dat in de tweede gebruiksmode een voedingsspanning voor de eindversterker lager is dan in de eerste gebruiksmode.

3. Radarapparaat volgens conclusie 1 of 2, waarbij de phased array antenne een opeenstapeling van antennemodulen omvat, elk voorzien van een zender-eindversterker van het GaAS type, met het kenmerk, dat elke eindversterker een van een gate-aansluiting voorziene FET versterker omvat, en dat een instelspanning voor de gate aansluiting in de tweede gebruiksmode zo wordt gekozen dat de FET minder stroom voert dan in de eerste mode.

4. Radarapparaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de FET versterker is voorzien van een circuit voor het genereren van de instelspanning afhankelijk van de mode en van een feedbacksignaal dat afhangt van de FET stroom.

5. Radarapparaat volgens conclusie 1, waarbij de phased array antenne een opeenstapeling van N antennemodulen omvat, met het kenmerk, dat in de tweede gebruiksmode slechts M antennemodulen actief zijn.

6. Radarapparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de M antennemodulen quasi-willekeurig gekozen zijn.

7. Radarapparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de quasi-willekeurige keuze periodiek verandert.

8. Radarapparaat volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de quasi-willekeurige keuze zo plaatsvindt dat voor elk antennemoduul een gespecificeerde duty cycle niet wordt overschreden.

9. Radarapparaat volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat een nieuwe quasi-willekeurige keuze wordt verkregen steeds door het inschakelen van een antennemoduul en het althans nagenoeg gelijktijdig uitschakelen van een ander antennemoduul.