NO144905B - Fremgangsmaate til frembringelse av en jevn sveipebevegelse for en mikroboelgestraale som straales ut av en faset satsantenne, og en antenne til utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår mikrobølgeantenner av den type som har en faset sats eller gruppe og sveiper elektronisk. Slike antenner er særlig godt egnet for anvendelse i flylande-systerner. Det flylandesystem som idag er i bruk er et lav-landingssystem med fast stråle, og det betegnes i alminnelig-

het som instrumentlandesystem (ILS). I dette system skapes en landingsbane som fører frem til landingspunktet ved enden av flyplassens rullebane ved at det i rommet sendes ut radiostråler som angir elevasjonsplan (glideplan) og asimutplan(lokalisering) for ledning av flyene. Skjæringen mellom disse plan fastlegger den bestemte kurs som alle blindflyvende fly skal følge for trygg landing. Slike instrumentlandesystemer har imidlertid flere mangler der den viktigste er begrenset kapasitet når det gjelder håndtering av trafikken fordi fly med varierende fly-egenskaper vil være fordelt på den bestemte innflyvningskurs.

Flere forskjellige landingssystemer er blitt foreslått

med forbedring av nøyaktighet og trafikksystem for øye. Det system som her er av interesse sender ut to mikrobølgestråler hvorav den ene sveiper i asimut og den annen sveiper i elevasjon og begge stråler er modulerte med informasjoner som setter et fly som befinner seg innenfor det volum som sveipes av strålene i stand til å bestemme jordvinkelkoordinatene for strålene i det øyeblikk de treffer flyet. Med kjennskap til flyets avstand fra strålesenderen målt med avstandsmåleutstyr, vil hvert fly så

være i stand til å beregne kontinuerlig den innflyvnings og landingskurs som egner seg best til flyets situasjon og fly-egenskaper. Forbedringene når det gjelder nøyaktighet og trafikk-kapasitet et slikt system byr på behøver ikke forklares videre, her.

Fremgangsmåtene til frembringelse av de sveipende mikrobølgestråler kan deles i mekanisk eller elektronisk alt etter den måte strålenes sveipebevegelse fremkommer på. Mekaniske sveipere har antenner med en fast stråledannende reflektor med en oscillerende eller svingende matning, en fast matning med en oscillerende reflektor eller en reflektor eller linse med fast matning, der det hele er bevegelig over den ønskede sveipevinkel. Elektroniske sveipere har stråledannende reflek-torer eller linser med en flerhet av faste matere som tilføres energi i rekkefølge eller de kan omfatte en sats av forholdsvis tett sammenstående stråleelementer som står i avstand fra hverandre, med omkoplingsbare matepunkter eller med faseforskyvere som er variable ved elektrisk styring til frembringelse av sveipebevegelse for strålene uten bevegelse av selve antenne-konstruksjonen. Den antenne som her er av interesse er av den lineære fasede satstype som omfatter et antall stråleelementer anbrakt langs en lineær akse med hvert element koplet til en mateledning gjennom en koplingsanordning, og en stillbar faseforskyver.

En lineært faset satsantenne som kort beskrevet ovenfor, er kjent på det felt det her er tale om. Visse fordeler og ulemper bør man imidlertid ha klart for seg for at formålet med foreliggende oppfinnelse bedre skal kunne forstås.

Den lineært fasede sats muliggjør elektronisk stråle-sveiping der man unngår de begrensninger i sveipehastigheten som man står overfor i mekaniske sveipere på grunn av deres treghet. Nøyaktig synkronisering mellom sveiping av forskjellige stråler i et system og mellom datasignaler som inneholder stråle-rettende eller andre informasjoner kan lett oppnås. Installa-sjonene forenkles fordi de massive fundamenter man må ha for mekaniske sveipere for å holde disse i riktig stilling blir unød-vendig. Selv om mekaniske sveipere i alminnelighet er ganske pålitelige vil svikt i drivmekanismen vanligvis, føre til at an-legget settes helt ut av drift, mens man på arunn av det betyde-lige antall elementer i en faset sats vil få en gradvis reduk-sjon av anleggets drift ved feil og ikke fullstendig utkopling. Som man kunne vente har fasede satssystemer også visse ulemper. De er komplekse å fremstille og montering av elementene, kop-lingsanordninaer og faseforskyvere er ikke enkel, og stor nøyak-aktighet når det gjelder konstruksjonen er nødvéndig for å holde fremstillingsomkostningene på' et nivå som kan konkur-rere 'med andre former for antenner.

Fasing av satsen kan gjøres med faseforskyvere som varierer fasen for strømmene i satselementene på en kontinuerlig måte eller i tydelige trinn. Adskilte faseforskyvere har visse fordeler fordi de lett kan tilpasses digitalstyring. En ulempe med adskilte faseforskyvere er at de fører til én antenne fra hvilken stråleposisjonen likeledes bare kan variere i adskilte trinn. Uriktig- styring av faseforskyverne kan da føre til utillatelig uregelmessighet i strålen og utillatelige nivåer i sidesløyfene. 0

En hensikt med foreliggende oppfinnélse er å komme frem til en lineært faset satsantenne som arbeider ved mikro-bølgefrekvenser til anvendelse i et flylandingssystem.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en lineært faset satsantenne for anvendelse i et flylandingssystem til utsendelse av digitalt styrt sveipende stråle med akseptable nivåer på sidesløyfene, minst mulige uregelmessigheter, forvrengning og transienter.

Nok én hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en lineært faset satsantenne der det benyttes uavhengig variable faseforskyvere til frembringelse av styring og sveiping av strålen, der det er muligheter for korrigering for fase-kvantiseringsfeil og fasevariasjoner i elementene i satsen for å redusere uregelmessigheter i strålen og retningsfeil.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte og en anordning til sveiping av en lineært faset satsantenne ved hjelp av digitale faseforskyvere som ikké medfører urimelige hastigheter av tilstands-forandringer i faseforskyverne og der man reduserer uregelmessigheter i strålen og styrefeil.

Dessuten er det en hensikt med oppfinnelsen å komme frem til en fremgangsmåte og en anordning for sveiping av en lineært faset satsantenne der det anvendes stillbare fasefor-skyveré som er besparende når det gjelder den energimengde det er behov for til styring av faseforskyverne.

Andre hensikter å fordeler med oppfinnelsen vil frem-gå av beskrivelsen og tegningene.

I korthet kan man si at oppfinnelsen går ut på en antenne og en sveipeanordning innbefattende en 1injeformet rekke av strålingselementer som er koplet ved hjelp av digi-

talt styrte faseforskyvere og koplingsanordninger til en matning som forsyner antennen med en mikrobølgebærer. Strålen som -. frembringes av antennesatsen stilles i en ønsket retning ved

at man bringer faseforskyveren for hvert element, bortsett fra sentrumselementet til å innføre en faseforskyvning, frem eller tilbake i henhold til elementets posisjon i forhold til sentrumselementet, og forskyvningen er et multiplum av sinusverdien for retningsvinkelen. Multiplikatoren for hver faseforskyver varierer i henhold til dens avstand fra satsens sentrum.

Sveiping på grov/fin måte får man til ved å beregne

et faseinkrement for hver av faseforskyverne som ville forskyve den retning strålen peker i ett grovt trinn (0,1°), men i

stedet for å påtrykke dette inkrement samtidig på alle faseforskyvere blir det påtrykket faseforskyverne for symmetrisk stående elementpar, par etter par, inntil alle faseforskyverne

er blitt påtrykket inkrementet. Strålen bringes derved til å bevege seg jevnt over sveipevinkelen, tilsynelatende uten uregelmessigheter i sin form. Retningsfeil reduseres ved inkre-mentering av faseforskyverparene.i en psevdotilfeldig rekke-følge.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der:

Fig. 1, i perspektiv, viser rullebanen på en fly-

plass utstyrt med et landingssystem som har sveipende mikro-bølgestråle,

fig. 2 viser et blokkdiagram som gjengir hovedkompo-nentene for en lineært faset satsantenne med elektronisk sveiping for anvendelse i et mikrobølgelandingssystem,

fig. 3 viser et beregnet antennemønster for en

lineært faset satsantenne, der man ser hovedsløyfens stråle-bredde og sidesløyfenivåene,

fig. 4 viser et diagram over amplitudefordelingen

over åpningen for en antenne som er nødvendig til frembringelse av mønsteret på fig. 3,

fig. 5 er et diagram som viser koplingsfaktorene ved

symmetrisk stående par av satselementer til frembringelse av den amnlitudefordeling som vist på fig. 4,

"fig. 6 viser et målt antennemønster med strålings-uregelmessighet når faseforskyvérne for alle elementpar samtidig omkoples for å flytte strålens posisjon 0,1°,

fig. 7 ér et målt strålingsmønster som viser reduksjonen i uregelmessigheténé man får med finsveiping etter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 8 viser et diagram der man ser strålingens ret-ningsnøyaktighet ved anvendelse av omkonlingsrekkefølgerie ved finsveiping i henhold til oppfinnelsen,

fig. 9Å og 9B viser sammen et blokkdiagram der man

o

ser detaljene ved styrekommandogeheratoren som bestemmer retning og sveiping av antennestrålen,

fig. 10 viser ét blokkdiagram for en rekkefølgegene-rator for en satsantenne med nitten elementpar, der man har psevdotilfeldig omkoplingsrekkefølge foretrukket ved finsveiping etter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 11 er en tabell til forklaring av driften av rekkefølgegeneratoren på fig. 10, og

fig. 12 er en tabell til forklaring av driften av dekodere som benyttes i rekkefølgegeneratoren på fig. 10.

Fig. 1 viser en flyplass som er utstyrt med et landingssystem med sveipende stråle, der foreliggende oppfinnelse kan anvendes med fordel. En antenne 110 som er forskjøvet fra rullébanens midtlinje og står nær rullebanens terskel frembringer en stråle 111 som sveiper over en elevasjonsvinkel a. Fortrinnsvis strekker strålen seg + 60° om strålesentret i horisontalplanet og er 1° bred i vertikalplanet. Ved den mot-satte ende av rullebanen og fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis ved rullebanens midtlinje finnes en antenne 112 som frembringer en stråle 113. Denne sveipes i asimut over en vinkel 3. Strålen 113 er fortrinnsvis 20° bred i vertikalplanet og 1° bred i horisontalplanet. Elevasjonssveipingen a strekker seg mellom 0 og +20° mens asimutsveipingen fr ligger mellom + 60° og - 60° målt fra rullebanens midtlinje. Strålene 111 og 113 sveiper avvekslende fem ganger pr. sekund, hver gang med sveipetider for elevasjonsstrålen 111 på rundt 15 millisekunder, og tilnærmet 55 millisekunder for asimutstrålen 113. Man vil se at summen av disse sveipetider er vesentlig mindre enn 200 milli-sekunds sveipeperioden som man får ved sveipehastighet på fem sveipinger/sekund. En komplett flyplassinstallasjon er mer enn de to stråler som her er vist fordi man må ha styring rettet også den annen vei i tilfelle flyet ikke lander, men går opp igjen, og man må ha en stråle med kort rekkevidde og høy opp-løsningsevne for styring med lys. Disse ytterligere stråler sendes ut i rekkefølge på de tidspunkter da strålene 111 og 113 ikke er i virksomhet. Både elevasjonsantennen 110 og asimut-antennen 112 kan være utført i henhold til foreliggende oppfinnelse. Asimut- og elevasjonsantennene skiller seg fra hverandre i konstruksjonen på grunn av forskjellig krav til strålens dekningsområde og til sveipingen. Hovedprinsippene°for oppfinnelsen anvendt på begge antennetyper er imidlertid identiske og i det følgende vil derfor elevasjonsantennen 110 bli behand-let.

Fig. 2 viser et blokkdiagram som kan anvendes i til-, knytning til foreliggende oppfinnelse og også delvis sammen med andre kjente lineært fasede antenner. En mikrobølgeoscillator 114 mater en bærebølge med nominell frekvens på 5,19 mHz, som kan inneholde en underbærerinformasjon påtrykket av en modulator 115, til en koplingsanordning 116. Seriemateledninger 117, 118 strekker seg på tvers fra koplingsanordningen 116. Ytterligere koplingsanordning 119 sitter langs matelinjene 117 og 118 der hver kopler en del av den energi som er tilbake i matelinjen på det sted der anordningen sitter,.til en stillbar faseforskyver 121. Utgangen fra hver av faseforskyverne 121 er koplet til et enkelt stråleelement 122. Elementene 122 er plasert i en rekke-formet sats. Elevasjonsantennen 110 omfatter førti elementer som er koplet til hver av matelinjene 117 og 118 og et sentrumselement slik at man får et totalt antall på 81 elementer i satsen. For identifikasjon er sentrumselementet betegnet med null, elementene som er tilsluttet matingen 117 er betegnet med +1 til +4 0 i henhold til deres avstand fra sentrum, og de som er forbundet med materen 118 er nummerert -1 til -40 også i henhold til deres avstand fra sentrum. Selv om andre mateanord-ninger er mulig er mating til sentrum og serieparallell mating som vist. foretrukket for å redusere temperaturvirkninger og for å redusere antennens totalvolum.

Koplingsfaktorene for koplingsanordningene 116, 119

er valgt slik at man får en,Taylor amplitudefordeling som forklart mer i detalj i det følgende, hvorved man bestemmer bånd-bredde og nivåene for sidesløyfer. Faseforskyverne 121 kan være av en lineær analog type eller av en .digital type der den sist-nevnte foretrekkes, og faseforskyverne innfører faseforskyvning i bæreren, som påtrykkes i kvantiserte størrelser bestemt av et digitalt styresignal fra en styrekommandogenerator 123. En syn-kronisator 124 styrer en klokke 125 som mater styrekommando-generatorén 123 og en datakodegenerator 126 for å sikre at strålen fra antennen 110 vil opptre i riktig rekkefølge med strålen fra antennen 112 og stråler fra andre antenner i systemet.

Det er mulig å frembringe stråleantennemønstre med forskjellige båndbredder og sidesløyfenivåer ved å smalne av amplitudefordelingen for strømmene over åpningen for antennesatsen. Ved å følge de konstruksjonsprinsipper som er beskrevet av T.T. Taylor i "Transactions IRE", bind A.P.-3 nr. 1 fra januar 1955, side 16 og videre, kan strålemønsfeeret på fig. 3 frembringes. Taylors prinsipper videre beskrevet i boken "Micro-wave Scanning Antennas", redigert av R.C. Hansen, Academic Press, 1966. Strålen er 1° bred ved 3 decibelpunktene og har et maksi-malt sidesløyfenivå på -27 decibel. En Taylor-fordeling på n=8 ble benyttet i denne konstruksjon. Taylors metoder gir en ampli-tudef ordeling over åpningen som er vist på fig. 4 og verdier for koplingsfaktorene for koplingsanordningen 119 som vist pa fig.

5. Av fig. 5 vil man sé at koplingsanordningen 116 for elementet null gir omtrent 3;, 8% av verdien i matesystemet til dette element. Den gjenværende energi deles mellom materne 117 og 118 og blir herfra koplet i de angitte størrelsesforhold til elementene i satsen. For eksempel blir, ved elementet pluss 10, omtrent 4,8 av den gjenværende energi i materen 117 koplet til dette element. En tilsvarende mengde av energi koples fra materen 118 til elementet -10 på det sted der dette element står. Den gjenværende energi i materne 117 og 118 etter kopling til elementene +40 og -40 absorberes i de ohmske belastninger 127. Den absorberte energi utgjør 20% av den totale energi som tilføres satsen.

Styring av strålen får man ved å addere bg subtrahere inkrementer av fasen til bæreren i hver av faseforskyverne 121

i henhold til den følgende velkjente formel:

der <J>N er den ideelle faseforskyvning (i grader) det

er behov for ved elementet P

N er elementtallet (positivt eller negativt)

S er avstanden mellom elementene (målt i bølgelenger) a er den ønskede sveipevinkel målt i urviser-retningen fra loddlinjen til satsens akse.

Likningen (1) kan andre steder utvikles i forskjellige former som alle lett kan overføres til den form likningen (1) har. Som et eksempel på anvendelse av likningen (1) kan det an-tas at det er ønskelig å styre strålen til a = -10°. Man kan også anta at avstanden mellom elementene S = h. Da vil <f>N som er den ideelle faseforskyvning som må innføres av faseforskyveren som mater elementet +40, være tilnærmet -2252.8°. Hele multipli av 3(SQ° kan man overse i verdien som gis av likningen (1) slik at den faseforskyvning.man må ha for elementet +40 vil være -92,8°. Samtidig vil den faseforskyvning det. er behov for når det gjelder elementet -4 0 være +9 2,8°. Ved elementene +2 og -2 er faseforskyvningene henholdsvis -112,6° og +112,6°. I til-legg til dette må, på grunn av forsinkelsen som skyldes bølge-forplantningen gjennom seriemateanordningene 117, 118 en faseforskyvning som er konstant for alle sveipevinkler, innbefattende 0°, legges til progressivt til de faseforskyvninger det er behov for til strålens styring ved hvert av satsens elementer bortsett fra sentrumselementet 0. Hvis f.eks. satselementene står med en avstand på \ av bærerens bølgelengde i luft vil en fasefront nå frem til elementene +1 med en fase på \ j"Uf**' 180° etter a leder fasen ved sentrumselementet 0. Faseforsinkelsen øker progressivt langs materen slik at ved elementene +40 vil den være førti ganger strtrre enn ved elementene +1.

Det eksempel som er gjengitt ovenfor medfører, at faseforskyverne 121 er i stand til å frembrinqe faseforskyvninger med kontinuerlige verdier fra 0 til 360°. Når det gjelder en digital faseforskyver som er styrt av n biter, kan faseforskyveren bare frembringe kvantitisert faseforskyvning i trinn (kvanter) på 360°:2n. Hvis n er lik 6, vil verdien av en kvante være 5,63°.

Strålen bringes til å sveipe på to måter, nemlig

grov og fin, ved i den grove måte å beregne et digitalt tall for den kyantitiserte faseforskyvning som er nødvendig å innføre .av hver av faseforskyverne 121 for å forandre stråleretningen i trinn på 0,1°. Ved den fine arbeidsmåte blir fasen forandret for symmetrisk' anbrakte par av faseforskyvere, par for par, med klokkestyrte intervaller og med en verdi som er nødvendig til å frembringe en forandring på 0,1° i strålens posisjon. Da hvert par faseforskyvere koples om, vil stråleposisjonen under ideelle betingelser endre seg med 0,.1°:40 =.0025°. Når alle. førti par er koplet om på denne måte, vil strålens posisjon ha endret seg ett grovt trinn eller 0,1° på en jevn, interpolerende måte som er tett tilnærmet kontinuerlig bevegelse.

Det kan hende at en verdi på 5,63° for en kvante er

et for stort inkrement til å frembringe de ønskede, 0025° trinn for fin sveiping. Med den minste grove sveipevinkel et = 0,1°

med konstantene i eksemplet vil man imidlertid få et faseinkrement som er større enn 5,63 for alle satselementer bortsett fra for elementene +1. Beregninger viser at en n=6 (seks bits) faseforskyver fører til en maksimal stråleretningsfeil på 0,008°

som et resultat av kvantitiseringen. Feilene som skyldes kvantitiseringen bringes på en gjennomsnittsverdi ved å legge til en fase som er lik ^ bit (2,8125°) til faseinkrementene som er beregnet ved hver grovsveipeperiode. Fig. 6 og 7 er gjengivelser av målte antennestråle-mønstere der man ser reduksjonen i uregelmessigheter i strålen, oppnådd ved den fine sveipemåte i henhold til oppfinnelsen. Fig. 6 viser resultantmønsteret når alle par faseforskyvere samtidig koples om for å endre strålens stilling med 0,1°. Fig. 7 viser resultantmønsteret når strålens posisjon endres 0,1° ved den fine sveipemåte ved omkopling av faseforskyverne par for par. Uregelmessigheten eller ujevnheten i strålens hovedsløyfe som man ser på fig. 6, er klart borte på fig. 7.

Kvantitisering av faseinkrementene innfører en viss feil i stråleretningen, noe som også gjelder det forhold at ved omkopling mellom elementene fra nar til par for fin sveiping

vil fasefronten,over satsens åpning, bli ulineær. Feil som skyldes ulineæritet på grunn av fin sveiping er vist på fig. 8, der faseinkrementer for satselementene ikke er blitt kvantiti-

sert og der sveipingen foregår etter to forskjellige omkoplings-rekkefølger. I kurve A som gjengir sveiping innenfra og ut, blir satselementene koplet i numerisk rekkefølge idet det startes med elementpar nr. 1 og fortsettes mot elementpar 40 ved enden av satsen (+1, +2, +3, ... +40). I kurve B som gjengir vekselsveiping, blir det elementpar som er nærmest satsens senter først koplet til,deretter elementparet ved satsens ender, deretter det annet par elementer fra satsens senter etc. (+1, +40, +2, +39 ... +20). det fremgår klart av fig. 8 at vekselsveiping mer nærmer seg den ideelle stråleposisjon. Årsaken til denne forbedring er at elementene som ligger lengst fra satsens senter har større innvirkning på strålens posisjon enn de elementer som ligger nærmere satsens sentrum. Kopling av elementene i vekslende rekkefølge vil utjevne disse virkninger og bevege stråleposisjonen nærmere til det ideelle.

Ytterligere forbedringer i strålens retningsnøyakttig-het oppnås ved kopling av elementene i en psevdotilfeldig rekke-følge. Selv om et antall slike rekkefølger eller programmer er tilfredsstillende vil det følgende program gi en spesiell fordel når det gjelder forenkling av den strålestyrende logiske anordning som beskrevet.senere.

+(32, 16, 8, 40, 24, 4, 36, 20, 12, 28

2, 34, 18, 10, 26, 6, 38, 22, 14, 30

1, 33, 17, 9, 25, 5, 37, 21, 13, 29

3, 35, 19, 11, 27, 7, 39, 23, 15, 31)

Kurve C viser stråleretningsnøyaktigheter oppnådd ved programmert finsveiping uten virkning fra kvantitisering.

Styrekommandogeneratoren 123 på fig. 2 vil nu bli beskrevet under henvisning til fig. 9A og 9B. Klokken 125 omfatter en oscillator som arbeider ved en nominell frekvens på 625 KHz. Utgangsfrekvensen fra klokken 125 deles med 40 ,i en deler 131 som frembringer grove sveipetidspulser som blir ytterligere delt med 3125 i deleren 132 for å frembringe startsveipe-pulser med en hastighet på 5 Hz. Utgangen fra deleren 132 formes til pulser ,i pulsgeneratoren 133, som synkroniserer de forskjellige operasjoner ved tilbakestilling av delerne 131, 132, flipr flopkretser 134, 135, teller 136 og andre kretser som blir forklart nærmere i det følgende.

Telleren 136 som begynner med tilbakestillingspulsen. fra generatoren 133, stiller inn flip-flopkretsen 135 for å gi en ledende inngang til en OG-port 137 og holder perten ledende inntil en telling på 200 grove sveipepulser er samlet fra deleren 131. Flip-flopkretsen 135- stiller inn flip-flopkretsen 134 som gjør en OG-nort 138 ledende i den periode da det kommer utgang fra flip-flopkretsen 135 pluss en grov klokkeperiode, slik at man muliggjør sending åv 40 perioder fra klokken 125 til rekkefølgegeneratoren 139, bestående av førti trinn av fin sveiping for hver grove sveipeperiodé som startes av telleren 131. Rekkefølgegeneratoren 139 som skal beskrives mer i detalj i det følgende, påvirker, fortrinnsvis i overensstemmelse med en psevdotilfeldig rekkefølge, individuelle lagringskretser 141 som hver er koplet til en enkel digital faseforskyver 121 tilsluttet elementene 0 - 40 i satsen, der hver av faseforskyverne i digital form inneholder den fase som er nødvendig ved hver av satselementene for styring av antennestrålen til den ønskede retningsvinkel pluss 0,1°. Når den trer i virksomhet, overfører en lagringskrets 141 til den tilhørende faseforskyver 121 den fase som det er behov for i det sveipetrinn. Faseforskyveren bibeholder faséverdien som er blitt overført til den inntil tallet forandres i det heste grove sveipetrinn.

Ved videre utvikling av likningen (1) vil fasefor-skyvningen <J>N som kreves ved hvert antenneelement N for styring av strålen være:

der: <J>N(t) er fasen ved elementposisjons N på tidspunktet t etter start av sveisesyklusen

<f>R er nærfelts fokuskorrigering,

(J>s er fasegradienten ved startvinkelen 4>p er styrefaseinkrementet

Kfc er antallet grove sveipetrinn ved tidspunktet t K- er matefasekorrigering

K. er sveiping til sveiping faseinkrement

m er sveipesyklustallet

K„ er elementfasekorreksjon.

N J

Nærfeltsfokuskorrigeringen <J>R er gitt ved:

180,2

*R XR-d ' der

d er avstanden mellom elementene

X er bølgelengden (luft)

R er brennvidden.

og (|>p fåes fra likningene (lJ.-K^f nemlig matefase-korrigeringen, er -360 d/X styring.. K4 = 92.8125°, en konstant som legges til den gjennomsnitlige fasefeil på grunn av mistil-pasning (90°) av bølgelederen og 1/2 kvante (.2.8125°) for middel-verdi av kvantitiseringsfeilene. Nærfelts fokuskorrigering setter en mottakerantanne som ligger i nærfeltet for sendeantennen i stand til nøyaktig å styre senderstrålens retning og andre faktorer.

Likning (2) er bygget opp av de følgende elementer

på fig. 9. Startpulsen fra generatoren 133 gjør OG-porten 142 ledende, og denne overfører en sveipestartvinkeKsom velges med manuelle vendere 143 inn i lagringskretsen 144. Standardene for MLS spesifiserer at elevasjonsstrålen begynner å sveipe ved +20° mens sveipingen avsluttes ved 0° elevasjonsvinkel. Utgangen fra venderrekken 14 3 omfatter derfor den digitale ekvivalent av <j>N som bestemt av likningen (1) for element 1 med a = 20°. Faseinkrementet <J)p innføres med den manuelt innstilte vender 14 5

til en summeringsanordning 14 6. Hver grove sveipepuls fra porten 137 bringer tallet i lagringskretsen 144 til å bli inkrementert med den verdi som er stilt inn med venderen 145 slik at hvis sveipingen er fra +20° til 0° i 200 grove sveipetrinn, vil de 200 grove sveipetrinn ha redusert antallet i lagringskretsen 144 til null. En svak forvrengning av strålens form oppstår under dette fordi strålen styres i inkrementer av fase svarende til

<j>s/antall grove trinn i stedet for av inkrementer av sinusa som man måtte ha for uforvrengt styring. Ved en utførelse er virk-ningen av denne forvrengning å gjøre strålen bredere ved den maksimale sveipevinkel fra den ønskede 1.00° bredde til 1.07°. Strålens retningsfeil på grunn av denne forvrengning er 0,00092°.

Utgangen fra lagringskretsen, 144 (<t>_ + K. <}>_,) føres

o t "

til en N multiplikator 147,. der faktoren N tilføret fra rekke-følgegeneratoren 139 som likeledes mater N multiplikatorene 148 og 149. Utgangen fra multiplikatoren 147 påtrykkes en summeringsanordning 151, og etter inversjon i en omvender 152,til en summeringsanordning 153. Multiplikatoren 148 gir produktet av N og <{>R som er nærfelts fokuskorrigéringen. K., som er matefase-

korrigeringen dg utgangen frå multiplikatoren 14 8 summeres i summerihgsairordnirigen 154, og. summen multipliseres med N i

.... 2

multiplikatoren1 14 9 slik at man får (<j) ) . N +K N ved dens utgang,

R... j

og til dette summeres mK4 frå lagringskre'tsen 160 i summerings-anordningen 155. Hver startpuls fira generatoren 133 setter en lagringskrets 160 i stand til å øke med ét inkrement svarende til K^. Det tall som finnes i lagringsanordningen 160 blir ikke slettet ved begynnelsen av hver svéipesyklus, men blir kontinuerlig inkrementert for hver sveiping, noe som fører til en periode på 128 sveipinger mellom opptreden av like verdier for mK^ ved

• utgangen. Utgangen fra summeringsånordningen 151 er derfor '

(<J>_.) N 2 .+ (<}> + K.(|>_ K0)N + mK. , mens utgangen fra summerings-

K S t r o _ _ 4 anordningen 153 er (<|> K ) N - (<{> S ■+ Kt . <f> Jr ) N + KQJ N + mK 4. Disse summer fremkommer ved linjen 156 for + merkede' elementer og på linjen 157 for - merkede elementer. Individuelle summeringsanord-ninger 158 som hver ér tilknyttet elementene 1 til - 40 i antennesatsen innfører elementfasekorrigen K„ N for de tilhørende elementer. Verdiene av K„ N bestemmes "ved kålibréring av antennesatsen véd sikting,og omfatter slike fasejusteringer som det måtte være behov for ved hvert element for å kompensere for feil som oppstår på grunn av fremstillingstoleranser. Avhengig av den rekkefølge som ér -'valgt for generatoren 139, f.eks. hvis rekke-følgen er ":- (32, 16, 8 etc.) som angitt tidligere, vil de på hverandre følgende verdier for likningen (2) der N er 32, 16, 8 etc, fremkomme på linjene 156 og 157 med hver finsveipepuls fra deleren 131. Disse verdier bringes frem til det rette element av velgerporter 159 som i "rekkefølge avsøker lagringskretsene 141 som er tilsluttet disse elementer. De virksomme lagringskretser overfører så for lagring de faseverdier som finnes på linjene 156 og 157, og stiller inn de tilknyttede faseforskyvere 121 på denne verdi. Dette betyr at den første finsveipepuls bringer rekkefølgegeneratoren 139 til å innføre N=32 i multiplikatorene 147, 148 og 149, og til å sette i virksomhet de lagringskretser 141 som styrer faseforskyverne for elementene

-32. Den annen finsveipepuls innfører N=16 i multiplikatorene 147-149 og starter lagringskretsene for elementene - 16. Denne prosess fortsetter inntil fasen for alle elementpar er blitt inkrementert en gang (avslutning av første grovsveipetrinn), hvoretter en puls fra porten 137 tilbakestiller rekkefølgegene-

ratoren 139 og bringer lagringskretsen 144 til å øke i verdi med (j) som er styrefaseinkrementet. Generatoren 13 9 gjennom-løper igjen rekkefølgen 32, 16, 8 etc. og slutter når fasen for alle elementpar. er blitt inkrementert to ganger (avslutning av det annet grovsveipetrinn). Igjen gjennomløpes denne rekkefølge for det tredje inkrement av <f>p osv, inntil strålen er blitt styrt gjennom den fulle sveipevinkel, hvoretter lagringskretsen 144 styres tilbake til den opprinnelige verdi og hele sveipe-prosessen gjentas.

Den, psevdotilfeldige rekkefølge som elementene av-søkes med frembringes av en teller-dekoder-multiplikatoranordning hvori en teller med bitkapasitet som er lik eller større enn antall elementer i satsen, er koplet sammen med multiplikatorer som multipliserer med faktorer motsatt rekkefølgen av verdien av tellingen og dekodere som starter memoreringskr.etser for elementene svarende til multiplikasjonsfaktoren. Fremgangsmåten ved rekkefølgegenereringen kan best forklares med et eksempel.

I en sats på 4 0 elementpar pluss et ikke-koplet sentrumselement må man ha en teller med bitkapasitet på minst 40. En sekstrinns teller med en bitkapasitet på 64 blir derfor

* . benyttet. Hvis tallet som telleren inneholder skrives med den minst dominerende bit til venstre, vil tallet ved enden av den første klokkepuls for finsveiping være 100.000, etter den annen klokkepuls 010000, etter den tredje 110000 etc. Ved enden av 32 klokkepulser vil tallet være 000001. Det mest dominerende sif-fer i tallet er 32 som desimaltall, og det minst dominerende tall vil være 1. Desimalmultiplikasjon av faktorer med verdier som er lik den mest dominerende bit i telleren (32), den nest dominerende bit (16) etc. gis tellertallene i avtagende rekke-følge etterhvert som dominansen av sifferne i telleren øker..

Dette betyr

Multiplikatoren N som altså er tallet på antenne-elementer, er summen av multiplikasjonsfaktorene som er knyttet til sifferhe i tellernummeret. Når summen av multiplikasjons-faktorer som fås i en sand binær rekke overstiger tallet på antenneelementpar i satsen, blir en ekstra bit lagt til tellertallet, hvorved man undertrykker multiplikasjonsfaktoren for den minst dominerende bit i tellertallet og i stedet setter inn en multiplikasjonsfaktor som er tilknyttet en bit med høyere dominans. For eksempel er tellertallene for de første to fin-, sveipende klokkepulser 100000 og 010000. N for de første to tellinger er derfor 32 og 16. I en sann binær rekke vil den tredje telling være 110000 som skaper en multiplikasjonsfaktor på 32+16=48. Denne multiplikasjonsfaktor kan imidlertid ikke brukes siden det bare er førti elementpar i saksen. Derfor gir den tredje finsveipepuls en ekstra telling som legges til og gir tallet 001000 slik at N=8.

Full beskrivelse av anordninger i utførelse av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte"til rekkefølgegenerering for en antennesats med førti elementpar vil bli en langvarig his-torie. I stedet vil det bli beskrevet en rekkefølgegeneratpr for en antennesats med nitten elementpar, der imidlertid metoden for rekkefølgegenereringen er den samme.

Som vist på fig. 10 er en rekkefølgeteller 170 med 16-bit kapasitet en flip-flopkrets 171 av B-typen koplet sammen ved hjelp av logiske porter for å danne en rekkefølgegenerator med en potensial maksimum kapasitet på 32 biter. Imidlertid er den logiske anordning slik innrettet at den hindrer rekkefølge-generatoren i å frembringe en binær ekvivalent av noe tall som er større enn nitten når belastninger tilknyttes de binære siffere i en rekkefølge som er omvendt av dominansen siden det er tallet på elementpar i satsen som rekkefølgegeneratoren er beregnet for. En klareringspuls fra porten 137 (fig. 9A) fremkommer på' linjen 172 ved begynnelsen av finsveipesyklusen, noe som stiller utgangen A fra flip-flopkretsen 171 og utgangene B,.> C, D og E fra telleren 170 til 0. Utgangene B og C kombineres i N-ELLER porten 173, vendes om i omvenderen 174. og mates som én inngang til N-ÉLLER-porten 175. Den annen inngang til porten 175 er utgangen A fra flip-flopkretsen 171. Man får således ved utgangen F fra porten 175 den logiske kombinasjon A' B' C' der merkingen angir komplement og produktangivelsen indikerer logisk OG-operasjon, det vil si F = ikke A OG ikke B OG ikke,C..

Utgangen F påtrykkes D-inngangen (må ikke forveksles med utgangen D fra telleren 170) for flip-flopkretsen 171. Klokkepulser fra porten 138, (fig. 9A) fremkommer ved linjen 176. Ved opptreden av en klokkepuls settes utgangen A fra flip-flopkretsen 171 til den verdi ("1" eller... "0") avhengig av utgangen F fra porten 175. A<1> står til rådighet ved Q ved utgangen fra flip-flopkretsen 171 og påtrykkes en omvendende inngang til ELLER-porten 177. Utgangen fra porten 173 påtrykkes en andre omvendende inngang for porten 177 og gir derved en utgang G = A+B+C, der summens merking indikerer logisk ELLER operasjon. Utgangen G påtrykkes den kvalifiserende inngang T for telleren 170 som vil telle fremover ved opptreden av en klokkepuls på linjen 176 bare hvis G = 1.

Utgangene A, B, C, D og E koples gjennom bufferfor-sterkere 180 -184 henholdsvis til X16, X8, X4, X2 og XI multiplikatorer (ikke vist). Som vist på fig. 9B er tre multiplikatorer 147, 148 og 149 styrt av utgangene fra biifferforsterkerne 180-184 og hver av disse multiplikatorer har adskilte sett på X16, X8, X4, X2 og XI multiplikatorer hvis utganger settes sammen i en summeringsanordning.

Virkemåten for telleren 170, flip-flopkretsen 171 og tilhørende logiske kretser når det gjelder å bestemme N rekke-følgen og å styre multiplikatorene,forklares best med den samme tabell på fig. 11. Ved opptreden av en startpuls på linjen 172 blir utganqen A stilt til 1 og utgangene B-E stilt Ul 0. Utgangen A er 1, og starter dermed X16 multiplikatorene og utgangene B-E er 0. Som en følge av dette vil den første N i rekken være 16. Ved enden av den første periode er F=0 og G=l. Den annen puls på linjen 176 stiller derfor flip-flo<p>kretsen 171 til O.og teller frem telleren 170 med én bit, noe som fører til start av X8 multiplikatorene og bringer den annen N i rekken til å være 8.

Man skal merke seg at utgangene A-E for de første to klokkepulser følger den normale binære rekke på 10000 og 01000, som gir rekken 16, 8. Den tredje klokkepuls ville imidlertid for en normal rekke gi 11000 for utgangene A-E og resultere i N-24, noe som ikke kan brukes siden tallet av elementpar i denne ut-førelse av antennen er 19. Ved enden av den annen klokkepuls for-blir imidlertid F=0, sperrer flip-flopkretsen 171 og bringer, utgangene A-E for den tredje klokkepuls til å bli 00100 og N=4. Ved enden av den femte klokkepuls er utganaene A-E 00010 og F og G er henholdsvis 1 og 0. Flip-flopkretsen 171 blir da igjen satt i virksomhet og telleren 170 sperret under den sjette klokkepuls, noe som gir utgangene A-E verdien 10010. Følger man langs tabellen vil man se at.den logiske anordning hindrer be-lastningene N som er tilknyttet i en rekkefølge motsatt rekke-følgen . av dominansen av binære tall, fra å anta et. tall som går ut over antall par elementer i antennesatsen ved innføring av to biter av informasjoner i telleren for å hoppe over det minst dominerende binære tall og å holde det minst dominerende- binære tall undertrykket sålenge dets opptreden ville føre til at N blir større enn den tillatte verdi.

Lagringskretser 141 settes i virksomhet i den ønskede rékkefølge ved dekodede utganger A-E i en 1 av 8 dekoder 186, N-OG-porter 187-189 og N-ELLER(for omvending av OG-inngang)-porter 191-209. Av fig. 11 vil man se at antagelsen AB'C'0'E'

er sand for N=16, det vil si det første elementpar som mottar faseinkrementering for finsveiping. Dekoderen 186 arbeider som vist på fig. 12. Når inngangene C, D og E alle er null, vil bare utgangen 211 fra dekoderen 186 være 0, mens alle andre utganger 212-218 er 1. Uttrykt i logisk form er derfor utgangen 211 (C'D'E'1<1>. På samme måte vil utgangen 212 være (C'0'E)', utgangen 213 være (C'DE<1>) etc. Utgangen B blir vendt om i omvenderen 220 for å gi B' som en inngang til portene 187 og 189. Porten 189 utfører operasjonen (A.B')'. Portene 206-209 mottar utgangen fra porten 189 ved en omvendende inngang og også utgangene 211, 212, 213 og 214 også ved omvendende innganger. Utgangen fra porten 206 er derfor /Ta.BM/' i\ c1D1E') JX1 = AB'C D<1>E' som faller sammen med verdien av utgangene A-E på fig. 11 for N=16. Portene 206 vil derfor sette i virksomhet lagringskretsen 141 (fig. 9B) som er tilknyttet elementparet 16 ved enden av den første finsveipende klokkepuls for å muliggjøre oppdatering av data i denne.

Den annen klokkepuls i rekken på fig. 11 frembringer utgangene A'BC'0'E<1>. Hvis man ser bort fra omvendingene som finner sted ved utgangene fra dekoderen 186 og portene 187-189 og ved inngangene til portene 191-209., fordi dobbelt omvending ikke endrer denlogiske informasjon, finnes A'B ved utgangen av porten 188 og C'0'E<1> fremkommer ved dekoderutgangen 211. Porten 188 og utgangen 211 styrer porten 198 som på sin side setter i virksomhet lagringskretsene for elementparet N=8. Styring av lagringskretsene for det andre elementpar i rekken finnes lett av fig. 10, 11 og 12 på den måte som her er vist.

En rekkefølgeanordning for en satsantenne med førti elementpar eller for en hvilken som helst annen satstørrelse er bygget opp av kretser svarende til de som er vist på fig. 10,

under anvendelse av fagmessige variasjoner i det logiske utstyr og antall komponenter etter behov tilpasset en sats som har fler eller færre enn 19 elementpar.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til frembringelse av en jevn sveipebevegelse av en mikrobølgestråle som sendes ut av en faset satsantenne, med en flerhet av stråleelementer med variabel relativ fase, karakterisert ved bestemmelse av et faseinkrement som når det multipliseres med en faktor avhengig av posisjonen av hvert av elementene i forhold til et referanseelement i satsen og påtrykkes de respektive elementer i denne, vil bevirke at retningen av strålen satsen danner beveges fra en referanseretning en brøkdel av den totale vinkel strålen skal sveipes i, påtrykning av det valgte faseinkrement multiplisert med den nevnte faktor på elementene i satsen fra element til element i på forhånd bestemt rekkefølge inntil det multipliserte faseinkrement er blitt påtrykket alle elementer i satsen, idet elementene samler det multipliserte faseinkrement som påtrykkes med påfølgende ny påtrykning av det valgte multipliserte faseinkrement på elementene i satsen, element for element, i den på forhånd bestemte rekkefølge, inntil det multipliserte faseinkrement igjen er blitt påtrykket alle elementer og fortsettelse av ny påtrykning av det valgte multipliserte faseinkrement på elementene i satsen, element for element, i den på forhånd bestemte rekkefølqe inntil faseinkrementene som er samlet av alle elementer i satsen er tilstrekkelig til å bringe den stråle som satsen former til å bli rettet i den maksimale sveipevinkel.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den på forhånd bestemt rekkefølge er en rekke-følge av tall som sammen angir lokaliseringen av hvert element i forhold til referanseelementet, og som er psevdotilfeldig i form.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at den på forhånd bestemte rekkefølge av pse<y>do-tilfeldig form frembringes ved å gi desimal vekt på siffere i en binær rekkefølge motsatt rekkefølgen av sifrenes dominans, frembringelse av den nevnte binære rekkefølge, multiplikasjon av faseinkrementet med den desimale vekt slik de fremtrer i psevdotilfeldig rekkefølge, og påtrykning av de nevnte multipliserte faseinkrementer på det element som identifiseres med den desimale vekt som da benyttes som multiplikator.

4. Elektronisk sveipende, lineært faset satsantenne til utførelse av den fremgangsmåte som er angitt i de foregående krav, omfattende en lineær sats av stråleelementer som når de tilføres energi, samvirker for å danne en energistråle, stillbare anordninger for forskyvning av fasen av den energi som stråles ut av noen av elementene for derved å endre retningen av den energistråle satsen stråler ut, anordninger for mating av energi til hvert av elementene i satsen Og styreanordninger til frembringelse av styresignaler for hver av faséforskyv-ningsanordningene, hvilke styresignaler tilsvarer en fast inkre-mentverdi av faseforskyvning, idet verdien av inkrementet ved hver faseforskyvning er den som er nødvendig for å endre retningen av strålen en brøkdel av den totale vinkel strålen skal sveipe,, karakterisert ved anordninger (141) som er tilknyttet hver faseforskyvningsanordning (121) for samling og lagring av de faseforskyvningsinkrementer som representeres av styresignalene og for justering av faseforskyvningsanordningene (121) for å frembringe faseforskyvning med en verdi svarende til den totale av inkrementene, og en rekkefølgeanordning (139) for styreanordningen (123) for å bringe styreanordningene (123) til å avgi et faseforskyvende inkrementsignal til lagringsanordningen (141) for hvert element (12'2) , fra element til element- etter en rutine med på forhånd fastlagt rekkefølge, hvilken rekkefølgeanordning (139) gjentar rutinen inntil det totale av faseforskyvningsinkrementer som inneholdes i lagringsanordningen (141) tilsvarer den totale sveipevinkel for strålen.

5. Antenne som angitt i krav 4, karakterisert v e d at styreanordningene (123) er innrettet til å frembringe styresignalet svarende til de inkrementale verdier av ledende fase i forhold til fasen av et referanseelement i satsen, for elementer (122) plassert på en side av referanseelementet (122(0)) og til å. frembringe styresignaler svarende til inkremental-verdiene med sakkende fase i forhold til fasen for referanseelementet,(122(0))for elementer (122) som er plassert på den motstående side av referanseelementet (122(0)).

6. Antenne som angitt i krav 5, karakterisert v e. d at referanseelementet (122(0)) ligger på elementsatsens symmetriakse.

7. Antenne som angitt i krav 6,karakterisert v e d at rekkefølgeanordningen (139) er innrettet til å frembringe den nevnte rutine i på forhånd bestemt rekkefølge for lagringsanordninger (141) tilknyttet elementene (122) som mottar ledende faseinkrementverdier, og samtidig frembringe en rutine med identisk på forhånd bestemt rekkefølge for lagringsanordninger (141) tilsluttet elementene (122) som mottar sakkende faseinkrementverdier, hvorved faseforskyvningsjustering oppnås samtidig for elementpar (122),der hvert element i paret står symmetrisk, i forhold til referanseelementet (122(0)).

8. Antenne.som angitt i krav 7, karakterisert v ed at den på forhånd bestemte rekkefølge av rekkefølgeanord-ningens rutine er av psevdotilfeldig form.

9. Antenne som angitt i krav 4 og 6, karakterisert v e d at energitilførselsanordningen (114-119) omfatter anordninger (116) for mating av energi til referanseelementet (122(0)), et par matelinjer (117, 118) som strekker seg paral-lelt med satsen på motstående sider av dennes symmetriakse, og anordninger (119) som kopler elementene (122) i satsen på den ene side av referanseelementet (122(0)) til en av matelinjene (117, 118) og kopler elementene (122) i satsen som ligger på den annen side av referanseelementet (122(0)) til en annen av matelinjene (117, 118), og at det finnes anordninger (147-149) for multiplisering åv faseinkrementsignalet 'med en faktor som er knyttet til posisjonen av et element (122) i satsen i forhold til referanseelementet (122(0)), at rekkefølgeanord-ningen (139) styrer multiplikasjonsanordningene (147-149) og påtrykker utgangen fra disse i.på forhånd bestemt rekkefølge på par av lagringsanordninger (141) , hvilke par tjener til styring av faseforskyvningsanordningene (121) tilknyttet elementene (122) som står symmetrisk i forhold til referanseelementet (122(0)), hvilken faktor i multiplikasjonsanordningene (147-149) er tilknyttet posisjonen av dette par elementer (122), mens tilhørende lagringsanordninger (141) på dette tidspunkt mottar utgangen fra multiplikasjonsanordningen.

10. Antenne som angitt i krav 9, karakterisert v e d at rekkefølgeanordningen (139) innbefatter en kilde for klokkepulser (125) , en binær teller (170) for telling av klokke-pulsene, anordninger (171, 186-189) styrt av telleren (170) til frembringelse av desimalvekter tilknyttet hver bit av utgang fra telleren (170), hvilke vekter avtar i verdi med økende dominans av bitene fra telleren (170), og anordninger (191-209) som kombinerer desimalvektene for styring av lagringsanordningene (141), idet hver lagringsanordning (141) , den til denne hørende faseforskyvningsanordning (121) og det tilhørende av elementene (122) blir identifisert med et desimaltall, hvilket desimaltall utgjøres av de nevnte kombinerte desimalvekter.

11. Antenne som angitt i krav 10,karakterisert v e d at multiplikasjonsanordningene (147-149) mottar de nevnte desimalvekter for forming av den nevnte faktor som er knyttet til posisjonen av et element (122).

12. Antenne som angitt i krav 10,karakterisert v e d at rekkefølgeanordningen (139) dessuten innbefatter anordninger (138, 171) for fremskynding av tellingen i telleren (170) når den normale binære tellerekke ellers ville resultere i at det nevnte desimaltall som fremkommer ved kombinasjon av desimalvektene overskrider antallet av elementer (122) i satsen.