TWI269876B - Far field source emulator for antenna calibration - Google Patents

Description

A7 1269876 ___ B7 五、發明說明（I ) 〔發明之技術領域〕 本發明係關於多通道雷達天線及其相關軟體之校準， 並特別關於如何校準飛行中之飛彈的天線與軟體。 〔先前技術〕 使用雷達作爲導引系統部分的飛彈在飛彈的天線窠後 方的鼻部通常含有一雷達天線。天線罩包括一個由雷達無 法穿透的材料（通常爲金屬）所作成的圓錐帽。雷達天線 的天線罩前端與圓錐帽之間的平衡則由可穿透雷達的材料 所構成。 雷達天線在製造以及初次設定之時必須經過校準。傳 統上，校準工作在無回聲室內使用一已知能量的遠距離微 波輻射源來進行。此種來源是一種遠場源，意謂著其波前 與天線表面爲實質平行。此一已知能量的遠場源提供一種 以調整相關軟體之變數的方式作爲校準雷達天線的基準。 雷達天線通常以圓形陣列的方式安排，而圓形陣列則 被分割成（不論是以物理方式或邏輯方式）在陣列中心相 會的數個象限。各象限在多通道雷達天線中形成一獨立通 道。由天線的各通道所接收到的訊號被傳送到處理器中， 而由軟體加以處理。若欲校準天線則僅須天線各通道的一 部份接收能量之一遠場爆裂(burst)即可。由於天線的四個 通道在中心點相會，因此便可使用一具有較小橫截面的遠 場源加以校準；只需涵蓋各通道的一部份便已足夠。 校準雷達天線對於其特有之效能而言是相當重要的。 3 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------装· ！ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · A7 1269876 _____B7___ 五、發明說明（> ) 尤其是在精緻且敏感的軟體被用於解譯其所接收到的訊號 之處更是如此。例如，用於分辨由各種誘餌、人爲干擾、 與/或僞裝（與標的物相關的防禦性測量）而來之標的物的 軟體在經過校準之後可有較佳的表現。即使在初次製造之 時已經過精密校準，但天線對於輸入信號的反應也可因時 間的不同而有所變動。例如，在將飛彈儲存一段長時間之 後，天線本身便可能產生一些足以影響其反應的輕微物理 變化。另外，投擲飛彈的動作也可能使其遭受足以影響其 反應的力量與/或溫度。 因爲雷達天線的反應可能因爲時間的改變而有所不同 ，因此便需要一種可用於在飛彈飛行途中再次校準飛彈之 雷達天線的系統與裝置。 〔發明內容〕 本發明提供一系統與裝置，用於再次校準飛彈中之多 通道雷達天線，其係利用模擬飛彈之天線罩的遠場源的方 式。輻射之一點源位於天線罩的圓錐帽之後及圓錐帽內。 由點源（產生球形波前）所發射出來的輻射通過一透鏡， 可使波前採取平行方向。雷達能量的平行波撞擊雷達天線 的中心區域，並傳送一已知能量的脈衝到天線各通道的部 份。根據此輸入，處理天線訊號的軟體被重新校準以補償 天線由原校準所得天線反應的任何改變。 其所用透鏡可爲任何傳統透鏡，例如具有連續凹狀與/ 或凸狀的透鏡、法蘭森諾透鏡、此類透鏡之組合，或者甚 4 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --裝 訂· A7 1269876 ______B7 _ 一 五、發明說明（1 ) 至爲繞射光柵。透鏡也將天線罩內側表面作爲反射表面之 用。再者，透鏡本身也可使用拋物線狀反射器或其他模擬 透鏡之裝置加以取代。 能量點源可以是一個簡單的雙極天線。點源可以使用 一個利用數種不同方式其中任一種方式供給能量的震盪器 予以驅動。能量可透過緊繫在鼻錐內側的電線供給或由以 相似方式固定的光纖纜線所供給。雷射可透過自由空間將 能量由天線傳送至震盪器，或者主雷達傳送器也可被用作 爲能量源，其中置於天線罩的金屬帽內的電容器或電池也 可用於儲存能量直至用於對震盪器供電爲止。 〔實施方式〕 一飛彈10 (圖1)包括雷達天線12以及天線罩14。 天線罩14具有一金屬帽16以及一可使雷達頻率電磁輻射 (微波輻射）穿透的穿透部份18。在飛行期間，反射微波 輻射通過天線罩14的穿透部份18並在天線12之處被接收 。其所造成的訊號在一處理器（未顯示在圖中）中經過各 種電腦程式的處理，以便將飛彈1〇引導至其預定目標。天 線罩14、雷達天線12、以及軟體可完全爲傳統式。 有關於此，必須說明者爲，於說明書以及申請專利範 圍中，“前端”、“向前”、“後端”、以及“後向”等 詞皆係相對於一般的飛彈飛行方向而言。因此，天線罩14 在正常飛行期間的引導端係飛彈1〇的前端，而雷達天線 12則位於天線罩後方。 _5__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝----I---訂-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 1269876 ----— _B7 五、發明說明（+ ) 天線12可包括波導的圓形陣列，波導在圖2中以多條 虛線加以示意性表示。範例天線12被分割爲（可能使用物 理方式或邏輯方式加以分割）在陣列中心相交會的四個象 限。在各象限內由各波導所取得的訊號被組合在一起，而 在各象限內以如此方式所組成的訊號形成了多通道天線中 之一通道。（其他各由一天線之一部份所組成的通道數也 可被使用）。由於各種理由之故，包括時間的流逝、相關 之電子元件老化現象、以及暴露在熱源與衝擊或震動的情 況下，天線12在飛行途中便可能需要經過再校準的手續。 校準可透過由一遠場源所發出、已知功率的微波輻射來完 成’亦即一具有實質平行於天線平面之波前的遠場源，如 此便可使各個被照明的波導見到相同的輸入。 本發明之系統與裝置可被用於校準天線12。爲了達成 此目的，一微波輻射之點源20被置於帽16之後。就像任 何點源一樣，點源20所射出之波形具有球狀波前22。透 鏡24位於點源20與天線12之間。透鏡24的形狀係用於 重新導向點源20所射出之微波輻射以使之形成平行、平面 狀的波26。天線12的校準係藉由使點源20射出選定頻率 的微波輻射一段預定的時間而達成。這些波通過透鏡24並 將已知的輸入提供給天線12。之後，天線12便可因爲適 度調整處理天線輸出的軟體而得到校準。 點源20可爲簡單的雙極天線20。就如本技術所習知 ，一雙極天線並非真正的點源，因其具有有限尺寸。然而 ，雙極之長度若爲透鏡24直徑之十分之一或更小則與一點 6____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂： :線· A7 1269876 B7____ 五、發明說明（S ) 源相近。或者，也可使用另一作爲點源之用的微波輻射之 發射器並可被包含在點源”的定義之內，就如本案中使 用之詞。 雖然雙極天線並不發射完美對稱的波前，亦即球狀， 但它卻確實以一種可預測或可重複的方式射出近似球形的 微波輻射。因此’透鏡24的造形可被用於補償由點源2〇 所發射的波前的不完美球形本質。 點源20係由位於帽16之後的震盪器電路28所驅動。 振盪器電路28最多僅需要數百微瓦特的功率。.可有數種方 法將功率傳送到震盪器電路28。金屬電氣導體（未顯示在 圖中）可被安裝在天線罩上，以便由天線12之後的電源（ 未顯示在圖中）通過天線罩14之穿透部份18的內表面而 到達震盪器電路28之處。電線也可作爲與天線罩壁之一整 合部份。由於金屬線的陰影所形成之雷達訊號中所造成之 天線12中之盲點可透過訊號處理軟體而得到補償。 或者，功率也可使用以相似方式安裝在天線罩14內側 的光纖纜線（未顯示在圖中）來供應。此種纜線可使微波 雷射穿透，因此便需使用軟體稍事調整，若有此需要的話 。第三種將能量供給震盪器電路28的方法爲使用一雷射（ 未顯示在圖中），以雷射束的方式在天線12後方將能量供 給連接至震盪器的光二極體，此種技術並不至於干擾天線 或其軟體。此方法也不需要將一導體（光纖或電導體）安 裝在天線罩14上，藉以簡化結構並增加可靠性。最後，點 源20可由位於飛彈10板上的雷達傳導器供給能量。在此 ___I_- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 --線- 1269876 A7 ____B7_ 五、發明說明（t ) 情況下，此傳導器之一簡短脈衝可將能量傳送到震盪器電 路28，並將之儲存電容器或電池上，直到需要時爲止。熟 知本項技術之人士將會了解其他種將功率供應至震盪器電 路28的技術。 匕鏡24將點源20所發出之微波輻射的球形波前轉換 爲平面電磁波26，亦即，平面狀的波。透鏡24配裝在金 屬帽16之後，在其“陰影”內，而其位置則不在微波輻射 由天線罩14的穿透部份18到天線12的路徑上。因此，透 鏡24之直徑等於或小於帽16之最大直徑。 透鏡24可由數種材料中的任一種材料所製成。微波輻 射的行爲就如同電磁輻射的典型法則一般，且設計與製造 用於彎曲與構形微波輻射的透鏡之技術已廣爲人知。透鏡 24可由下列材料所製成：例如，鐵氟龍、其他塑膠、石鐵 、或鍊烷。透鏡24可用拋光或碾磨技術製成，且可被置於 適當造形的模具中。 透鏡24可爲具有連續曲線表面的單一、折射性透鏡， 如圖1所示。然而，本發明也可考慮採用其他透鏡。例如 ，可使用一複合式透鏡，亦即，雙透鏡或三透鏡，且透鏡 也可爲獨立式透鏡或者膠結在一起。透鏡可爲法蘭森諾透 鏡。再者，也可使用折射光柵。任何已知的透鏡皆可使用 ’只要它可使點源所發射的波前形成平行於天線平面的波 即可。 除此之外，也可使用或多或少的傳統透鏡、反射式透 鏡。例如，點源可被置於拋物線狀反射器的焦點處。在此 一 —______8__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 1269876 ___B7___ 五、發明說明（？） --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 情況下，反射器被安裝在天線罩14的最前端，就在帽16 的後方，而點源20則位於拋物線狀反射表面以及天線12 之間。一金屬屏幕被用於阻止波由點源直接射向天線，以 便僅僅由拋物線狀反射器所反射的所需平面波才可到達天 線端。再者，透鏡可採用諸如美國專利第4,950,014號專 利所示之平板透鏡模擬技術，該專利之全部揭示在此處倂 入作爲參考之用。 沿著相同的線，天線罩14內部表面的造形可使之作爲 反射器之用，以便用射入平面波前入射小角度將波聚焦。 這可單獨使用一點源而達成也可將點源與一或多個反射或 折射透鏡合倂使用而達成。 線· 因此，很明顯地，本發明提供一種用於校準飛行中飛 彈之雷達天線的系統與裝置。應瞭解的是，所述實施例僅 係用於說明許多表示本發明之應用原則的特定實施例中數 種實施例。習知本技術者在不偏離本發明之範圍內可有許 多種其他配置。 〔圖式簡單說明〕 本發明之不同特性與優點可由參考下列與圖式合倂描 述的詳細說明而有更深入的了解。 圖1係側視圖’部份爲fe截面，以示意方式顯示用於 本發明的飛彈的前端部份、其雷達天線、天線罩、點源、 以及一透鏡；而 圖2則爲圖1所示之雷達天線的前視圖。 _ 9 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） "" 1269876 A7 B7 五、發明說明（f 〔元件符號說明〕 10〜飛彈；12〜雷達天線；14〜天線罩 〜穿透部份；20〜點源；22〜球狀波前 平面波；28〜震盪器電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16〜金屬帽；18 24〜透鏡；26〜 --------I-------I----I------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 1269876 六、申請專利範圍 1. 一種用於校準多通道雷達天線之裝置，包含： (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 一雷達天線； 一天線罩，覆蓋在該天線的前方表面； 一微波輻射點源，位於該天線罩內；以及 一透鏡，位於該天線罩內，其形狀係用於將該微波輻 射由點源轉換爲平面電磁波。 2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該透鏡包 含一折射透鏡。 3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該透鏡包 含一單透鏡。 4. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該透鏡包 含一複合式透鏡。 5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該透鏡包 含一法蘭森諾透鏡。 6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該透鏡包 含一繞射光柵。 7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該透鏡包 含一反射透鏡。 8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該天線罩 包含一金屬帽，且該點源係置於該金屬帽之後。 / 9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該透鏡位 於該金屬帽之後。 10. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中該金屬帽 包含一引端部份及在該引端部份後方之一最大直徑，且透 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 1269876 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 鏡之直徑等於或小於該金屬帽之最大直徑。 11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中包含一連 接至該點源之震盪器電路，以及將功率供應至該震盪器電 路之機構。 12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中用於將 功率供應至該震盪器電路之該機構包括一連接至該震盪器 電路之光二極體以及用於將電磁輻射供應至該光二極體之 機構。 13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中用於將 電磁輻射供應至該光二極體之機構包括一光纖纜線。 14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該光纖 纜線由該天線後方延伸至該震盪器電路。 15. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該用於 將功率供應至該震盪器電路之機構包括一雷射’設置成用 於將雷射能量透過該天線後方的空間傳送至該光二極體。 16. —種將遠場校準訊號提供至微波天線之方法’該微 波天線係位於飛彈天線罩之後方，該方法包含下列步驟： 對位於該微波天線之前的一輻射點源供給能量，以使 該點源發射微波輻射並使用一透鏡將該所發射之輻射轉換 爲平面電磁波。 17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，包括將該輻 射點源以及透鏡設置於該天線罩內之步驟。 18. 如申請專利範圍第Π項所述之方法，其中提供能 量給該點源之步驟包括透過一電纜將功率供應給一震盪器 ___2_____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   1269876 啟 C8 D8六、申請專利範圍 電路之步驟。 19β如申請專利範圍第17項所述之方法，其中提供能 量給該點源之步驟包括透過一光纖纜線將功率供應給一震 盪器電路之步驟。 20. 如申請專利範圍第Π項所述之方法，其中提供能 量給點源之步驟包括透過自由空間雷射輻射將功率供應給 一震盪器電路之步驟。 21. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中使該輻 射通過一透鏡之方法包括使用一折射透鏡之步驟。 22. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中使該輻 射通過一透鏡之方法包括使用一反射透鏡之步驟。 23. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中使該輻 射通過一透鏡之方法包括使用一法蘭森諾透鏡之步驟。 24. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中使該輻 射通過一透鏡之方法包括使用一複合式透鏡之步驟。 25. —種用於校準飛彈中雷達天線之裝置，該雷達天線 具有圓形前端表面，該飛彈之一天線罩在其引端部位具有 一金屬帽，該裝置包括：一雙極天線，以比例之方式用於 模擬一微波輻射點源；以及一透鏡，其形狀係用以將該點 源所射出之輻射轉換爲平面電磁輻射，使其波前實質平行 於該雷達天線之前端表面，該雙極與透鏡係位於該天線罩 之內及該金屬帽之後。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公愛)