SE440297B - Fasat antennsystem - Google Patents

Description

inriktning skall bibehållas. Sådana icke förutsedda system- frånfall kan vara dyrbara och farliga, speciellt vid hårt belastade flygplatser.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en anordning som förhindrar att ett fel hos en fasför- skjutare påverkar noggrannheten hos antenninriktningen hos ett fasat antennsystem och som således möjliggör att antenn- systemet kan bibehâllas i funktion tills den felaktiga fas- förskjutaren enkelt kan utbytas.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en sådan anordning som är enkelt sammankopplingsbar med existerande fasförskjutarkonstruktioner och som kan åstadkom- mas till relativt liten extra kostnad för antennsystemet.

I enlighet med föreliggande uppfinning åstadkommas ett fasat antennsystem med ett flertal antennelement och ett kopplingsnät, innefattande fasförskjutare för tillförande av radiofrekventa vågenergisignaler till nämnda element, vid vilket system organ är tillordnade var och en av nämnda fas- förskjutare för att detektera felaktig funktion hos dessa och alstring av en utsignal representativ för sådan felfunk- tion, och elektriskt styrda omkopplarorgan, som är mottagliga för nämnda utsignal från de felfunktionsdetekterande organen, är tillordnade var och en av nämnda fasförskjutare och mot- svarande felfunktionsdetekterande organ för att hindra att radiofrekventa vågenergisignaler passerar till nämnda ele- ment genom en felaktig fasförskjutare, vilket karakteriseras av att nämnda omkopplarorgan innefattar en diodomkopplare ansluten till en för överföring av vågenergisignalerna till nämnda element avsedd transmissionsledning.

En utföringsform av antennsystemet, vid vilket var och en av nämnda fasförskjutare är av diodtyp med en 1800 fasförskjutande sektion, som innefattar första och andra reflekterande dioder, karakteriseras av att nämnda omkopplar- organ innefattar kombinationen av nämnda 1800 fasförskjutande sektion och organ inrättade att driva nämnda första och andra reflekterande dioder till olika ledningstillstånd vid närvaro av en utsignal från motsvarande felfunktionsdetekterande organ, som indikerar förekomsten av ett fasförskjutarfel.

Uppfinningen beskrives närmare nedan, varvid såsom exempel hänvisas till bifogade ritningar.

Fig. 1 illustrerar schematiskt ett fasat antennsystem med en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 2 är ett blockschema illustrerande fasförskjuta- ren och omkopplaren enligt uppfinningen, utnyttjade vid antennsystemet enligt figur 1.

Fig. 3 är en schematiskt visad detalj av en utförings- form av föreliggande uppfinning, varvid den 1800 fasförskju- tande sektionen även bildar en omkopplare.

Fig. 4 illustrerar schematiskt en radiofrekvensomkopp- lare, som kan utnyttjas i samband med föreliggande uppfinning.

Fig. 5 är en kurva illustrerande fasen i förhållande till elementgrupper för antennsystemet enligt figur 1.

Fig. 6 illustrerar fasfel som en funktion av avsök- ningsvinkel, då en av fasförskjutarna i antennsystemet enligt figur 1 är felaktig.

Fig. 1 illustrerar ett fasat antennsystem av det slag som beskrivs i det amerikanska patentet 4 041 501. Systemet innefattar en sändare 12, vilken är kopplad till antennele- menten via ett kopplingsnät 14. Nätet 14 innefattar ett fler- tal digitala fasförskjutare 18. Fasförskjutarsignaler till- handahålles av en styrenhet 34. Olika utföranden av denna enhet är kända för fackmannen. Utsignalen från varje fasför- skjutare 18 är kopplad till en motsvarande av ett antal effektdelare 16 och signaler från var och en av fasförskjutar- na tillföres en motsvarande av elementgrupperna 20, 21, 22 etc. Antennelementgrupperna 20, 21, 22 innefattar elementpar 20a, 20b; 21a, 21b etc. Transmissionsledningar 30 och 32 sam- mankopplar elementgrupperna och medför att signaler som till- föres ingången hos någon av effektdelarna 16 distribueras till elementen i samtliga elementgrupper i systemet.

Antennkopplingsnät 14 av det slag som visas i figur 1 möjliggör att ett fasat antennsystem kan utstråla signaler i ett valt rymdomrâde och undertrycka strålning i andra rymdom- POOR QUALITY råden, därvid medgivande ett stort effektivt elementavstånd utan icke önskade gitterlober (eng. grating lobes). Detta resulterar i att systemet kan ha ett mindre antal fasför- skjutare än tidigare kända antennsystem, som utför samma funktion. Systemet 10 som illustreras i figur l har 8 fas- förskjutare som tillför signaler till 16 antennelement.

På grund av det reducerade antalet fasförskjutare är systemet l0 mer känsligt för strålinriktningsfel, som uppkom- mer till.ñljd av fel i en enda fasförskjutare. Figur 5 illustrerar antennelementfasen för två speciella strålrikt- ningsvinklar. En ideell fasfunktion 92 för en strålriktning har approximerats genom valda fasvärden 94 för signalerna som tillföres direkt till elementgrupperna. Om en av fasför- skjutarna i systemet, exempelvis fasförskjutaren tillhörande elementgrupp 23, är felaktig så att en av fasförskjutarsektio- nerna ej fungerar, kommer fasen hos de signaler som tillföres elementen i grupp 23 att avvika från den typiska stegfunktionen 96 och i stället för att ha det önskade fasvärdet 97 att ha ett annat fasvärde 98, som skiljer sig från det önskade fas- värdet i beroende av vilken fasförskjutarsektion som är felak- tig.

Vid en annan strålriktning, för vilken antennen har en annan ideell fasfunktion 100, motsvarar fasen för signaler som tillförs samtliga element den fas som skulle ha tillförts i fall fasförskjutaren som tillhör elementgrupp 23 ej hade varit felaktig. Detta erhålles till följd av att den felaktiga fasför- skjutaren har samma fasvärde 98 som den normalt skulle ha för den antennriktning som motsvarar kurva 100. För en antennstråle som utstrålas i riktningen motsvarande kurva 92 föreligger så- ledes ett fasfel i signalen som tillföres elementgrupp 23, då motsvarande fasförskjutare blir felaktig, men existerar ej något fasfel, då antennen är inriktad för ntrålning i den rikt- ning som motsvarar fasfunktion l00.

Fasfelet för signaler som tillförs elemcntgrupp 23 resulterar i uLL vinkolríktningsfel íör antcnnsLråIen. Efter- som fasfelet självt är en funktion av avsökningsvinkeln, så- Lil som illustreras medelst kurvan i figur 6, är även antenn- strålens riktningsfel en funktion av avsökningsvinkeln.

Detta beroende av antennriktningsvinkeln gör det svårt att detektera felet under utnyttjande av en övervakare i antenn- strålen och det är ej möjligt att korrigera strålriktnings- felet genom justering av systemet medelst ett fixt värde.

Uppfinnaren har insett att det är bättre att avbryta tillförseln av vågenergisignaler till antennelementen genom en felaktig fasförskjutare än att fortsätta tillföra signaler till elementen med en felaktig fas. Att tillföra elementgruppen signaler som har en fas som är felaktig endast i vissa antenn- strälriktningar kan resultera i ett riktningsvarierande fel, vilket ej kan kompenseras medelst konventionella korrektions- metoder och som leder till navigationsfel i ett mikrovågs- lanuningssystem, vilket kan vara ytterst allvarligt. Uppfin- naren har insett, att man genom att avbryta tillförseln av sig- naler till elementgruppen kopplad till en felaktig fasförskju- tare endast erhåller ett litet kvarstående strålriktningsfel, viLket kvarstående fel är en bestämd funktion av strålningsvin- keln. Dessutom erhålles en acceptabel ökning av antennens sido- lobnivä.

I figur 2 visas en kombinerad fasförskjutar- och om- kopplarenhot 18, vilken kan utnyttjas i systemet 10 enligt figur l. Enheten l8 enligt figur 2 innefattar en 4 sektioners fasförskjutare 40, vilken matas med styrsignaler från en driv- och detekteringskrets 42. Fasförskjutaren kan vara av varje lämpligt slag. Digitala fasförskjutare av diod- eller ferrit- typ utnyttjas vanligen i samband med fasade system av det slag som visas i figur l. Kretsen 42 mottar logiska signaler från styrenheten 34, vilka signaler är representativa för en önskad fas, och omvandlar dessa signaler till lämpliga spänningar och strömmar för styrning av radiofrekvensdelarna hos fasförskju- taren. I enlighet med av fackmannen kända konstruktionsprinciper innefattar kretsen 42 även en inbyggd testutrustning, vilken ger en utsignal i det fall fasförskjutaren ej arbetar korrekt.

Företrädesvis detekterar testutrustningen fel i de logiska och effekttillförande delarna av drivkretsen och detekterar även PQQR QUALI”. fel hos drivkretsen, som medför att denna ej driver fasför- skjutaren korrekt. Om fasförskjutaren är av ferrittYP, i vilken en ström drivs genom en ledning och magnetiskt ändrar tillståndet hos ferritmaterialet hos fasförskjutaren kan test- utrustningen företrädesvis även innefatta ett avkännande ele-- ment mottagligt för flödesändringar i ferritmaterialet för åstadkommande av en indikation av korrekt funktion av ferrit- delen hos fasförskjutaren. Om fasförskjutaren är av diodtyp, kan testutrustningen lämpligen innefatta kretsar för bestäm- ning huruvida korrekta spänningar och strömmar för förspänning av diodelementen hos fasskiftaren tillförs av drivkretsen. Dessa spänningar och strömmar kommer ej att ha korrekt storlek i fall diodelementen är felaktiga. Testutrustningen arbetar vanligen ~ under tidsperioder, då antennen ej strålar och testar svaret hos fasförskjutaren för simulerade fasstyrsignaler. Testutrust- ningen avger vanligen en enda logisk utsignal, vilken indikerar att en felfunktion har uppträtt i drivkretsen eller komponenter- na hos fasförskjutaren. Denna utsignal kan tillföras till ett operatörsbord för att där åstadkomma en visuell indikering av felfunktionen. I enlighet med uppfinningen tillföres denna fel- funktionindikerande signal även till en drivkrets 46, vilken styr - ° 1 en radiofrekvensomkopplare 44. Omkopplaren 44 öppnar som svar på en sådan signal ingångstransmissionsledningen till fasförskjutaren 40, så att radiofrekvenssignaler som tillförs inanslutningen 36 ej kan tillföras till utanslutningen 48.

Fackmannen inser, att omkopplaren 44 kan vara anordnad vid utgången has fasförskjutaren 40. I fall omkopplaren är av det slag som reflekterar inkommande radiofrekvenssignaler kan det emellertid vara att föredra att anordna omkopplaren 44 vid ingången till fasförskjutaren 40, så att stående vågor alstrade av den öppnade omkopplaren ej negativt påverkar kom- ponenterna i fasförskjutaren 40.

I figur 3A illustreras ett lämpligt utförande av upp- finningen, där fasförskjutaren utgöres av en diodfasförskjutare, som innefattar en 1800 fasförskjutande sektion 48. Kretsen enligt figur 3A visar en inkommande radiofrekvenstransmissions- 7 ledning 50 och en utgångstransmissionsledning 52, vilka är kopplade till isolerade portar hos en 3 dB kopplare 54. övriga portar hos kopplaren 54 avslutas i kortslutnings- kretsar 60 och 62. Transmissionsledningar 56 och 58. vilka har en längd motsvarande en kvarts våglängd, förbinder kort- slutningskretsarna 60 och 62 med dioder 64 och 66. Dioderna är anordnade mellan transmissionsledningen och jord i serie med kondensatorer 70 och 72. Då dioderna 64 och 66 ej är le- dande till följd av en backförspänning tillförd till styran- slutningar 78 och 80 reflekteras radiofrekvenssignaler som tillföres ingångstransmissionsledningen 50 från kortslutníngs- kretsarna 60 och 62 och matas till utgångstransmissionsled- ningen 52. Då förspänningen av dioderna 64 och 63 representerar framförspänning blir dessa dioder ledande och tjänar till att kortsluta transmissionsledningarna 56 och 58 vid en punkt som befinner sig en kvarts våglängd närmare kopplaren 54. De radio- frekventa signalerna som passerar mellan ingånqstransmissions- ledningen 50 och utgångsledningen 52 fortplantas ett avstånd som är en halv våglängd kortare, varför de erhåller en fasför- skjutning på l8OO. lnduktanser 74 och 76 hindrar koppling av radiofrekvenssignaler till styranslutningarna 78 och 80.

I enlighet med en aspekt av föreliggande uppfinning är det möjligt att utnyttja den 1800 fasförskjutande sektionen 48 hos en diodfasförskjutare enligt figur 3A för genomförande av den omkopplingsfunktion som krävs enligt uppfinningen. Den- na omkopplingsíunktion kan uppnås genom åstadkommande av mot- satt förspänning av styranslutningarna 78 och 80, så att en diod är framförspänd medan den andra dioden är backförspänd.

Detta kommer att bringa de reflekterande radiofrekvenssignaler- na att erhålla olika fas, vilket medför att den inkommande radiofrekvenssignalen på transmissionsledningen 50 reflekteras ut på ingängsledningen 50. Således kan den 1800 fasförskju- tande sektionen även utnyttjas som en omkopplare. För denna funktion är det nödvändigt att anordna separata drivkretsar för styranslutningarna 78 och 80, såsom visas i figur 3B. En klar nackdel meddenna utföringsform är, att den för att detektera en felfunktion i den l80o fasförskjutande sektionen P 48 skulle kräva mer sofistikerade kretsar och separata test- utrustningar för dioderna 64 och 66 och tillhörande driv- kretsar för att tillförsäkra att radiofrekvenssignalerna genom fasförskjutaren avbryts om felaktig funktion erhålls.

En föredragen form av den omkopplare som krävs enligt föreliggande uppfinning illustreras i figur 4. Omkopplaren 44 är en relativt enkel diodomkopplare, i vilken en diod 84 är inkopplad mellan transmissionsledningen 82 och jord. En fram- spänning på diodcn 84 bringar denna åstadkomma en kortslutnings- krets till jord för radiofrekvenssignaler på transmissionsled- ningen 82. Då dioden 84 backförspänns under utnyttjande av en anslutning 90, kommer dioden att presentera en öppen krets mellan transmisionsledningen 82 och jord, varvid radiofrekvens- signaler kan passera. En kondensator 86 och en spole 88 hindrar interferens mellan radiofrekvensen och förspänningskretsarna.

Fackmannen inser, att andra modifikationer kan utföras avseende de speciella komponenterna som utnyttjas i omkopp- lar- och fasförskjutarkombinationen 18 som illustreras i fi- gur 2. I vissa tillämpningar, exempelvis där hög sändareffekt utnyttjas, kan det vara nödvändigt eller önskvärt att utnyttja en ferritomkopplare eller att utnyttja en omkopplare som är förbunden med en avslutning, så att insignaler ej reflekteras tillbaka mot sändaren.

Fackmannen inser även, att antenner av det slag som illustreras i figur l är reciproka och att de, förutsatt att korrekt arrangemang av fasförskjutaren utnyttjas, kan utnytt- jas för mottagande av signaler såväl som för sändning. Vissa fasförskjutartyper, såsom ferritfasförskjutare, är emellertid ej reciproka till sin natur och kräver andra drivsignaler för mottagning än de som utnyttjas vid sändning. Föreliggande upp- finning, då den hänför sig till bortkoppling av en fasförskju- tarkrets från sändaren eller mottagaren, då fasförskjutaren ej inngerar tillfredsställande, är emellertid tillämplig såväl för mottagande som sändande antennsystem och avsikten är att efterföljande patentkrav skall tolkas som omfattande båda dessa typer av system. Fördelarna som erhålles genom frånkoppling av flödet av signaler genom en felaktig fasförskjutare avseende förbättrad strålriktningsnoqgrannhet gäller likaväl för mot- tagande antenner.

Ovan har några föredragna utföringsformer av upp- finningen beskrivits, men fackmannen inser att andra och ytter- ligare modifikationer kan utföras utan avsteg från uppfinnings- tanken och kraven är avsedda att även täcka sådana varianter.

POOR QUALITÉ

Claims (2)

10 Patentkrav

1. Fasat antennsystem med ett flertal antennelement (20~27) och ett kopplingsnät (14), innefattande fasför~ skjutare (18; 40) för tillförande av radiofrekventa våg- energisignaler till nämnda element, vid vilket system organ (42, 46) är tillordnade var och en av nämnda fasförskjutare för att detektera felaktig funktion hos dessa och alstring av en utsignal representativ för sådan felfunktion, och elektriskt styrda omkopplarorgan (44), som är mottagliga för nämnda utsignal från de felfunktionsdetekterande organen (42, 46), är tillordnade var och en av nämnda fasförskjutare (18; 40) och motsvarande felfunktionsdetekterande organ (42, 46) för att hindra att radiofrekventa vågenergisigna- ler passerar till nämnda element (20-27) genom en felaktig fasförskjutare (18; 40), k ä n n e t e c k n a t av att nämnda omkopplarorgan (44) innefattar en diodomkopplare (64; 66; 84) ansluten till en för överföring av vågenergi- signalerna till nämdna element (20-27) avsedd transmissions- ledning (50; 52; 82).

2. Antennsystem enligt krav 1, vid vilket var och en av nämnda fasförskjutare (18; 40) är av diodtyp med en 1800 fasförskjutande sektion, som innefattar första och andra re- flekterande dioder (64, 66), k ä n n e t e c k n a t av att nämnda omkopplarorgan (44) innefattar kombinationen av nämnda 1800 fasförskjutande sektion och organ (78, 80) in~ rättade att driva nämnda första och andra reflekterande dioder (64, 66) till olika ledningstillstånd vid närvaro av en utsignal från motsvarande felfunktionsdetekterande organ (42, 46), som indikerar förekomsten av ett fasförskjutarfel.