NO300707B1 - Antennemodul - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår antennemodul for aktiv monopulsfaset antennerekkesystem av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Ved et faset antennesystem forstås et system fremstilt av et stort antall enkeltantennemoduler (vanligvis tusenvis) for ensrettet sending av RF-signaler og for ensrettet detektering av RF-signaler, idet retningen velges for å variere i det minste faseforskyvningen til RF-signalene i alle antennemodul ene. Faserekkesystemer har i hovedsaken blitt anvendt ved radaranvendelser, selv om de også kan anvendes for belysning av utgående missiler eller for satelittkommunika-sjon.

Et faserekkesystem for avfyringsstyreanvendelser er for-trinnsvis konstruert som et monopulssystem for å frembringe feilspenninger i løpet av målsøkingen.

Dersom sendte RF-signaler er generert i individuelle antennemoduler gjør så likevel bruk av RF-signaler generert fra et sentralt punkt da det her er et aktivt faserekkesystem. Et aktivt system har fordelen av å være svært pålitelig. Selv en feil i f.eks. 10$ av antennemodulen vil knapt påvirke ytelsen til det aktivt fasede rekkesystemet.

Et faserekkesystem er alltid et kompromiss, idet visse spesifikke systemkrav må tas hensyn til på bekostning av andre krav.

EP publ. patentsøknad 448 318 viser en struktur for et aktivt antennerekkesystem av den art som angitt i innledningen til krav 1 hvor hver stråler drives ved en styrbar fase, og hvor stråleren, den elektriske kretsen og geometrien til huset er valgt for en kombinert (integrert) realisering.

Fasede rekkesystemer ifølge teknikkens stilling bruker kun strålere av den dielektriske typen, som er kompakt og kan følgelig bli anordnet i et plan. Dielektriske stråler er imidlertid selv smalbåndet.

En av hensiktene med foreliggende oppfinnelse er å unngå ulempen med tidligere kjent teknikk og også å tilveiebringe en stor systembredde.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en antennemodul av den innledningsvis nevnte art hvis karakte-ristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

En fordelaktig modulgeometri til kjøleplatene og en fordelaktig anordning av strålerne på første siden av modulene har medført at ved en stabling av kjøleplatene forsynt med moduler vil de frie endene til strålerne utgjøre i det minste en hovedsakelig kontinuerlig overflate.

For å utlede monopulssignaler fra det fasede rekkesystemet kan sumsignaler mottatt av modulene bli summert ved RF-nivået som vanlig praksis innenfor radarteknologien. RF-nettverk som er i stand til å generere sum- og forskjellstråler ved lave sidelober en funnet å redusere båndbredden. De er dessuten ekstremt komplekse og dyre. Et faset rekkesystem innbefattende antennemoduler ifølge foreliggende oppfinnelse summerer de mottatte signalene ved mellomfrekvensnivået, som forhindrer nevnte ulemper. For dette formål kan antenne-modulenes elektriske krets innbefatte en mottaker som er forsynt med i det minste en forforsterker, en styrbar faseforskyver og en billedavvisningsblander.

En ekstremt bredbåndet superheterodynmottaker, som anvendt ved antennemodulen ifølge foreliggende oppfinnelse, kan kun bli utført ved en enkel superkonstruksjon. I betraktning av dette må billedavvisningsblanderen tilfredsstille strenge krav. Billedavvisningsblanderen kan derfor konstrueres som en

MMIC.

Foreliggende oppfinnelse skal nå bli beskrevet nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser en forklaring på antennegeometrien, hvor fig. IA og fig. IB viser teknikkens stilling og fig. 1C viser en geometri ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser en mulig utførelsesform av en antennemodul

ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 3 viser posisjonen til antennemodulene i forhold til en

avkjølingsplate.

Fig. 4 viser en mulig utførelsesform av en avkjølingsplate forsynt med antennemoduler ifølge foreliggende oppf innelse.

Fig. 5 viser montering av strålerne på huset.

Fig. 6 viser geometrien til den integrerte tilpasnings-enheten inkorporert i hver stråler.

Et aktivt monopulsfaset rekkesystem består primært av et stort antall antennemoduler, hvor hver antennemodul er forsynt med en stråler hvor strålerne i kombinasjon utgjør antenneoverflaten. I betraktning av både pris og ytelse er konstruksjonen av modulen vesentlig. En universell optimal løsning finnes ikke, og løsningen er i betydelig grad avhengig av kravene til det fasede rekkesystemet.

Et aktivt monopulsfaset rekkesystem innbefatter dessuten en innretning på hvilken antennemodulene kan bli montert. Ved siden av de aktuelle festeanordningene innbefatter denne anordningen kjøleanordninger, et fordelingsnettverk for forsyningsspenninger og for RF-sendesignaler. Den inneholder dessuten summeringsnettverk for summering av signalene mottatt av modulene for å gi E, AB og AE utgangssignalene.

Det fasede rekkesystemet innbefattet i antennemodulen ifølge foreliggende oppfinnelse krever en ekstremt stor båndbredde. Dette systemkravet påvirker selve antennegeometrien såvel som valget av strålertype, den elektriske kretsen som eksiterer stråleren og summeringsnettverkene. Disse fire trekkene og deres gjensidige påvirkning danner gjenstanden for foreliggende oppfinnelse.

Fig. IA viser en konvensjonell antennegeometri. I dette eksempelet er antenneoverflaten delt i ekvilaterale triangler med en stråler ved hvert skjæringspunkt. Et slikt faset rekkesystem utfører radaroverføringer ved en bølgelengde X, stråledannelsen er mulig uten forekomst av uønskede gitterlober, som er velkjent innenfor teknikken, forutsatt at avstanden mellom stråleren ikke overskrider X/2. Dersom d er avstanden mellom strålerne kan derimot gitterlober fremkomme dersom X < 2d. Dersom f.eks. det anvendes dielektriske strålere kan antennemodulene bli stablet som vist på fig. IB, ifølge en kjent metode.

Dersom en rektangulær åpen-endet bølgeleder anvendes som stråler og dersom det skal tas full fordel av den store båndbredden til denne strålertypen, må bredden på bølge-lederen overskrider X/2 for å forhindre bølgelederen fra å gå inn i en sperremodus. Fig. 1C viser en stabel av denne strålertypen som oppfyller disse betingelsene. På denne figuren er bredden på stråleren >/3d og dens høyde er 0,5d. Dersom vi kombinerer tilstanden for ikke-forekomst av gitterlober og sperring, X < 2\/3d og X > 2d, som for antennegeometrien resulterer i en teoretisk mulig båndbredde på tilnærmet 50$. Dersom det fasede rekkesystemet sender ved en liten radarbølgelengde kan liten høyde på stråleren gi posisjon av en antennemodul som innbefatter en elektrisk krets i en posisjon koaksialt med stråleren praktisk talt umulig.

Fig. 2 viser en antennemodul, som ikke har denne ulempen. Strålerne 1, 2, 3 og 4 forsynt med rektangulære strålings-åpninger 5, 6, 7, 8 er montert i et forbindelseshus, som innbefatter en elektrisk krets for påvirkning av strålerne. Huset er forsynt med forbindelsesinnretninger, vanligvis på siden vendt bort fra strålerne, via hvilke antennemodulen mottar et radiofrekvenssignal, som ved forsterkning av faseforskyvning kan bli anvendt på strålerne. Radiofrekvens-signalene mottatt av strålerne kan ved forsterkning av faseforskyvning også bli anvendt på forbindelsesinnretningen via den elektriske kretsen. Forbindelsesinnretningen mottar videre forsyningsspenninger for den elektriske kretsen og styresignaler for styring av forsterkningen og faseforskyvningen til sende- og mottakersignaler.

En ytterligere fordel med antennemodulen ifølge foreliggende oppfinnelse er at fordelingsnettverkene i det fasede rekkesystemet for fordeling av forsyningsspenninger, styresignaler og radiofrekvenssignaler kan bli utført i en enklere konstruksjon mens også antall forbindelsesinnretninger sammenlignet med moduler ifølge tidligere kjent teknikk har blitt redusert med en faktor lik fire. Antagelsen om at en modul skal inneholde så mange stråler som mulig for å gjøre de fleste av disse fordelene kan være logisk. Dette er imidlertid ikke tilfelle, da som følge av pris og graden av kompleksitet skal disse erstattbare bygningsblokkene ikke være for store. Dersom disse faktorene tas med i betrakt-ningen er fire stråler pr. antennemodul en optimal størrelse.

Fig. 3 viser husene 9 og 9" i anlegg mot kjøleplaten 10, idet strålerne 4', 3', 2' og 1' er nøyaktig anbrakt mellom strålerne 1,2, 3 og 4 og viser en 50% overlapping. Dette gjør det mulig å stable et antall kjøleplater forsynt med antennemoduler, idet strålerne til påfølgende kjøleplater er låst innimellom hverandre og således utgjør en i det vesentlige kontinuerlig flate, antenneflaten. Fig. 4 viser en kjøleplate 10 forsynt med antennemoduler. På begge sidene er kjøleplaten 10 forsynt med f.eks. åtte antennemoduler. Kjølingen bevirkes ved hjelp av en kjølemid-delforing montert i kjøleplaten, med et innløp 11 og et utløp 12. Kjøleplaten 12 er dessuten forsynt med en andre for-bindelsesanordning 13, via hvilken modulene 9, som bruker et fordelingsnettverk 14, er forsynt med forsyningsspenninger, styresignaler og radiofrekvenssignaler. Fig. 5 viser et sideriss av integrasjonen av strålerne 1, 2, 3, 4 med huset 9. I egnede posisjoner er huset forsynt med fire utragninger 15, som hver har et rektangulært tverrsnitt for å tilpasse strålerne. En ledende forbindelse 16 er så dannet mellom strålerne og huset. Dersom både strålerne og huset er av loddbart materiale kan det være en loddet forbindelse eller en ledende bindende forbindelse, f.eks. ved hjelp av en sølvepoksy. En svært fordelaktig forbindelse tilveiebringes ved å anbringe strålerne og huset i en jig og klemme strålerne ved posisjonen til utragningene, spesielt nær bøyningene. Den resulterende forbindelsen garanterer en tett toleranse for posisjonen til strålerne med hensyn til monteringsplaten til huset. Denne forbindelsen kan bli etablert hurtig og bli påført på ikke-maskinert aluminium.

Utragningene 15 er hver forsynt med en koaksial forbindelse dannet av en glassperle 17 og en gullplatert stift 18, som sammen tilveiebringer en hermetisk tetning. Den koaksiale forbindelsen muliggjør forsyning av energi til strålerne ved hjelp av den elektriske kretsen. For dette formål må stråleren være forsynt med innretning for å omforme det koaksiale feltet som omgir den koaksiale forbindelsen til et ønsket bølgelederfelt i stråleren, idet innretningen virker som en kompensator for impedansfeiltilpasning. Dette er vist i siderissnitt på fig. 6A og i topprissnitt på fig. 6B. For dette formål er stråleren 1 forsynt med en integrert tilpasningsenhet Innbefattende en båndledningsseksjon 19, som videre er forsynt med en gullplatert terminal for stiften 18, hvilken båndledningsseksjon sammen med tilliggende impedans-transformator 20 utgjør en båndledningmodus til bølgeleder-modusovergang og ytterligere tilpasningsenheter 21, 22. Tilpasningsenhetene av denne art er velkjent selv om deres bruk ved strålere til fasede rekkesystemer er ny.

Et velkjent problem ved faserekkesystemer er gjensidig kobling med gjensidig interferens av tilliggende strålere.

Fig. 6A viser et sideriss og fig. 6B viser et toppriss av en blande 23 som eliminerer dette problemet ved antennemodulen ifølge foreliggende oppfinnelse. For å forhindre gjensidig kobling ved en stor båndbredde har bredden på stråleren ved den frie enden til stråleren blitt redusert til 85$. Strålerens høyde forblir uendret.

Et faset rekkesystem innbefattende antennemoduler ifølge foreliggende oppfinnelse er forholdsvis ufølsomt mot sterke eksterne elektromagnetiske felt. Dette er på grunn av at strålerne utgjør i det minste en vesentlig kontinuerlig flate slik at de elektromagnetiske feltene er praktisk talt ikke i stand til å trenge inn i strålerens mellomrom. Bølgeleder-strålerne' med åpne ender har dessuten en veldefinert sperrefrekvens under hvilke bølgelederstrålerne ikke slipper gjennom energi.

Ved et monopulset faset rekkesystem blir utgangssignalene til alle modulene summert på basis av tre vektfunksjoner for å tilveiebringe en sumkanal E, et elevasjonsdifferansesignal AE og et azimutdifferansesignal AB. Innenfor dette området er det vanlig praksis å utføre den nødvendige summeringen med mottatte radiofrekvenssignaler, skjønt etter forforsterk-ningen og faseforskyvningen.

Summeringsnettverkene er så utført på basis av RF-teknologi og skal ha samme båndbredde som systembåndbredden ønskelig for det fasede rekkesystemet. For et ekstremt bredbåndet faset rekkesystem, slik som det angjeldende systemet, kan et summeringsnettverk knapt bli realisert og spesielt ikke dersom kravene er formulert med hensyn til sidelober i differansekanalene AE og AB. I betraktning av dette bruker det angjeldende fasede rekkesystemet summeringsnettverk som opererer ved en egnet mellomfrekvens, f.eks. 100 MHz. Summeringsnettverkene kan så bli utført som ikke-komplekse resistansnettverk. Antennemodulene skal så omforme de mottatte RF-signalene til denne mellomfrekvensen. I betraktning av den store systembåndbredden er en enkel superheterodynmottaker en innlysende løsning her. Ulempen med en enkel superheterodynmottaker er imidlertid at en god undertrykkelse av billedfrekvensen er knapt mulig, som generelt antatt av radarteknikere. Ved antennemodulen ifølge foreliggende oppfinnelse blir frekvensomformingen bevirket ved en konvensjonell billedavvisningsblander, hvis billedavvisning har blitt øket ved å anvende en monolittisk integrert mikrobølgekrets i GaAs-teknologi. En betydelig forbedring ved billedfrekvensundertrykkelsen tilveiebringes dessuten som følge av speilsignaler som kommer fra de forskjellige modulene ikke har en korrelert fase i motsetning til de virkelige signalene, slik at summeringsnettverket har en billedavvisende effekt. Billedavvisning for et system på 1000 moduler kan f.eks. bli forbedret med 30 dB når sammenlignet med billedavvisningen til en individuell modul. Billedavvisningsblanderen vil så må bli utført slik at billedsignalet, målt fra sampel til sampel, fremviser en tilfeldig fordeling i det minste hovedsakelig slik. Dette betyr at systematiske feil i splitterkombinasjonsnettverket inkorporert i billedavvisningsblanderen har blitt unngått.

Claims (5)

1. Antennemodul for aktiv monopulsfaset antennerekkesystem innbefattende et hus med en bunnflate for anbringelse på en kjøleplate, strålingsinnretning for sending og mottakelse av radiofrekvenssignaler, forbindelsesinnretning for radio-frekvenssignalene, styresignaler og tilførselsspenninger, og en elektrisk krets egnet for å drive strålingsinnretningen ved en styrbar fase, karakterisert ved at strålingsinnretningen innbefatter en rad med N strålere av rektangulær åpenende bølgeledertype med N = 2, 3, ..., idet hver stråler har en høyde h og en bredde på i det minste hovedsakelig 3,5 ganger høyden, at strålerne er anbrakt ved avstander på minst lik h, at når montert på kjøleplaten rager strålerne helt forbi kjøleplaten, og at strålerne er modulmontert på en side av kjøleplaten nøyaktig anbrakt mellom strålerne til modulene montert på andre siden av kjøleplaten for dannelse av en forskjøvet rad med strålere.

2. Antennemodul ifølge krav 1, karakterisert ved at geometrien til modulene og kjøleplatene velges slik at ved en stabling av kjøleplatene forsynt med moduler vil strålerens frie ender utgjøre i det minste en hovedsakelig kontinuerlig overflate.

3. Antennemodul ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at N = 4.

4. Antennemodul ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver stråler er forsynt med en rektangulær stillbar blender, som i det minste hovedsakelig sammen-faller med den frie enden til stråleren.

5 . Antennemodul ifølge krav 4, karakterisert ved at blenden er valgt slik at den reduserer bredden på stråleren med hovedsakelig 85$, mens høyden forblir uendret.