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Dokumentenidentifikation DE3850469T2 23.02.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0310661
Titel AUS IDENTISCHEN FESTKÖRPERMODULEN BESTEHENDE PHASENGESTEUERTE GRUPPENANTENNE MIT NIEDRIGEN NEBENZIPFELN.
Anmelder Hughes Aircraft Co., Los Angeles, Calif., US
Erfinder DUFORT, Edward, C., Fullerton, CA 92635, US
Vertreter Kuhnen, R., Dipl.-Ing.; Wacker, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Fürniß, P., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Brandl, F., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte; Hübner, H., Dipl.-Ing., Rechtsanw.; Winter, K., Dipl.-Ing.; Roth, R., Dipl.-Ing.; Röß, W., Dipl.-Ing.Univ.; Kaiser, J., Dipl.-Chem.Univ.Dr.rer.nat.; Pausch, T., Dipl.-Phys.Univ.; Hess, P., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 3850469
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 15.04.1988
EP-Aktenzeichen 889047890
WO-Anmeldetag 15.04.1988
PCT-Aktenzeichen US8801242
WO-Veröffentlichungsnummer 8808621
WO-Veröffentlichungsdatum 03.11.1988
EP-Offenlegungsdatum 12.04.1989
EP date of grant 29.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse H01Q 3/36

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf phasengesteuerte Gruppenantennen mit aktiven Hochfrequenzmodulen, welche Sendeund/oder Empfangsverstärker aufweisen, und insbesondere auf eine Technik zum Erzielen von niedrigen Nebenkeulen bzw. Nebenzipfeln bei einer derartigen Antenne.

Phasengesteuerte Gruppenantennen, welche Versorgungsbzw. Zuführungsnetzwerke verwenden und aktive Sende/Empfangs-Mikrowellenmodule aufweisen, sind ausgeführt und in der Literatur beschrieben worden.

Es existieren ebenso Techniken zum Steuern der Nebenzipfel derartiger Systeme. Eine Technik, welche in der Vergangenheit zum Erzielen von Sende-Nebenzipfeln (zugespitzte Apertur- bzw. Strahleröffnungsillumination) verwendet worden ist, besteht in dem Gebrauch von Modulen mit unterschiedlichen Leistungsausgängen. Dadurch wird eine abgestufte Strahleröffnungsverteilung erzielt, bei welcher Nebenzipfel benachbart zu dem Strahl erzeugt werden. Nachteile dieser Technik sind:

1. Die Stufen in der Strahleröffnungsverteilung führen zu großen Nebenzipfeln in dem von dem Strahl entfernten Gebiet.

2. Das Erfordernis von Modulen mit unterschiedlichen Leistungsausgängen führt zu höheren Produktionskosten.

3. Die unterschiedlichen Ausgangsleistungen der Module werden durch Verändern der Zahl von Festkörpervorrichtungen in der Ausgangsstufe erlangt. Dadurch werden unterschiedliche Antennenweichen mit unterschiedlichen Verlusten und Phasenfehlern benötigt, wodurch das System sehr komplex gestaltet wird.

4. Unterschiedliche Ansteuerungsketten werden benötigt, welche zum Phasen- und Amplitudenfolgen (zwischen Modulen) über das Frequenzband führen, wodurch eine Neigung zum Erhöhen der Nebenzipfel geschaffen wird.

Um eine zugespitzt verlaufende Amplitude zu erlangen, wird durch Ändern der Versorgungsspannungen der Module die Ausgangsleistung verändert; jedoch vermindert sich die Gleichstrom/Hochfrequenz-Effizienz und das Phasenfolgen ist schwierig, insbesondere bei den oft benutzten Verstärkern der Klasse C. Die Verwendung von Verstärkern der Klasse A erzeugt eine Änderung des Ausgangs durch einfaches Ändern des Eingangs; jedoch wird die Effizienz gering, da typischerweise eine Änderung der Ausgangsleistung von 10 dB benötigt wird.

Eine andere Technik, welche lediglich identische Module erfordert, ist die Zerlegung der Sendestrahleröffnung in gleiche Leistungselemente, welche notwendigerweise eine unterschiedliche Anzahl von Strahlungselementen für eine zugespitzt verlaufende Illumination beinhalten. Dies erfordert Phasenschieber stromab der Sendeverstärker, wodurch Einwegverluste von 1 dB oder mehr hervorgerufen werden.

Ein Aspekt der Erfindung ist es, eine elektronisch abgetastete phasengesteuerte Gruppenantenne zum Abstrahlen von niedrigen Nebenzipfelstrahlen unter Verwendung identischer Festkörpermodule ohne die eben erwähnten Nachteile vorzusehen.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine phasengesteuerte Gruppenantenne vorgesehen, welche identische Module verwendet, um Strahlungsstrukturen mit niedrigen Pegeln von Nebenzipfeln zu erzielen, und wobei die Notwendigkeit von verlustbehafteten Phasenschiebern zwischen den Sendeverstärkern und den Strahlungselementen vermieden wird.

Die Druckschrift "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-18, Nr. 6, Nov. 1970, Seiten 818-820" offenbart eine Erweiterung des Butler-Netzwerks auf irgendeine Zahl vom Antennenports. Wie bei herkömmlichen Butler- Matrizen wird eine Vielzahl von Eingängen zu der Matrix dargestellt, einen für jeden möglichen Strahl. Es werden Hybridanschlüsse bzw. Hybridverbindungseinrichtungen verwendet, um zusätzliche Elemente hinzuzufügen, welche von jedem Matrizenausgang angesteuert werden. Die Matrix enthält jedoch weder aktive Module, noch ist ein Gruppenkontroller zum Vorsehen von Strahlsteuerungskontrollsignalen oder einem Verteilungssteuerungssignal zum Steuern der Amplitudenverteilung des Gruppenstrahls vorgesehen. Eine Strahlsteuerung wird durch eine Auswahl des bestimmten Eingangs zu dem System erzielt.

Aus der Druckschrift "GEC Journal of Research, Band 3, Nr. 4, 1985, Seiten 261-267" ist ein Festkörpersender mit anpassungsfähiger Strahlbildung bekannt. Das System dieser Referenz ist eine lineare Anordnung, welche N · M gleich voneinander beabstandete Strahlungselemente beinhaltet. Die Gruppe bzw. Anordnung wird in N Abschnitte unterteilt, wobei jede eine Gruppe von M Elementen enthält, jede Gruppe bildet eine lineare Anordnung. Von jeder dieser Anordnungen werden entsprechend plazierte Elemente ausgewählt, und diese Gruppen von Elementen werden von einer einzigen Quelle versorgt. Beispielsweise wird das zweite Element jeder Anordnung von M Elementen von einem Verstärker versorgt, und das dritte Element davon wird ebenso von einem identischen Verstärker versorgt. Die Versorgungsnetzwerke zwischen den Verstärkern und den Elementen, welche sie versorgen, sind identisch und bestehen aus Kopplern und variablen Phasenschiebern. Die Amplituden- und Phasenzufuhr zu jedem Element ist durch die Verwendung der Phasenschieber variabel. Die Phasenabnahme kann unabhängig geändert werden, und der Strahl kann unter Beibehaltung einer konstanten Strahlform abgetastet werden. Eine Steuerung soll unter Verwendung eines verlustlosen Versorgungsnetzwerkes erzielt werden, und alle Verstärker können identisch sein und bei ihrem maximalen Ausgang arbeiten. Es sind Beispiele von drei Elementeversorgungsnetzwerken offenbart.

Bei dem System nach dieser Druckschrift werden fünf variable Phasenschieber stromab des Verstärkers verwendet. Während feste Phasenschieber insbesondere hinsichtlich relativ kleinen Verschiebungen relativ verlustfrei gemacht werden können, sind variable Phasenschieber typischerweise verlustbehaftete Vorrichtungen. In Abhängigkeit des dauerhaften Leistungspegels, der Frequenz und des Betrags der möglichen Phasenverschiebung können variable Phasenschieber mit einem Verlust von etwa 1 dB oder 2 dB oder mehr behaftet sein.

Die Verwendung von variablen Phasenschiebern in dem Signalpfad zwischen dem Verstärker und den Strahlungselementen führt zu verschiedenen Nachteilen:

- hoher Verlust, typischerweise mindestens ein dB pro Phasenschieber;

- komplexere Gestaltung eines Versorgungssystems aufgrund des Verlusts;

- zusätzliche Kosten und vielleicht zusätzliches Gewicht, wenn Ferritvorrichtungen anstelle von Dioden-Phasenschieber-Vorrichtungen verwendet werden müssen, infolge der Erfordernisse bezüglich der Leistungsverarbeitung und infolge von komplexeren Ansteuerungsschaltungen; und

- die Leistungsfähigkeit des Gruppensteuerungscomputers ist komplexer, da die variablen Phasenschieber unabhängig gesteuert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System vorzusehen, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein System entsprechend Anspruch 1.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorstehenden und andere Aspekte und Merkmale sind von der Erfindung entsprechend einer phasengesteuerten Anordnung bzw. Gruppe unter Verwendung eines an 2N Strahlungselemente gekoppelten gleichförmigen gemeinsamen Versorgungs- bzw. Zuführungsnetzwerks vorgesehen. In einer ersten Ausführungsform teilt das gemeinsame Versorgungsnetzwerk das Gruppeneingangssignal in N Versorgungsausgangssignale gleicher Leistung und Phase. N Stahlsteuerungsphasenschieber sind an entsprechende Versorgungsausgänge gekoppelt. Ein erster Satz von N Hauptstrahlungselementen ist voneinander getrennt, um eine lineare Hauptstrahleröffnung bzw. -aperture zu bilden. Zweite und dritte Sätze von N/2 Hilfsstrahlungselementen sind in jeweils voneinander getrennter Beziehung zu jedem Ende der Hauptstrahleröffnung angeordnet, um erste und zweite Hilfselementstrahlungsöffnungen bzw. -aperturen zu bilden.

In einer zweiten Ausführungsform sind die Hilfselemente lediglich an einem Ende der Hauptstrahleröffnung angeordnet.

Die Hauptelement- und Hilfselementstrahleröffnungen in beiden Ausführungsformen bilden eine lineare zusammengesetzte Gruppen-Strahleröffnung. Es sind Mittel zum Koppeln jedes phasenverschobenen Zuführungsausgangs an ein Hauptstrahlungselement und ein entsprechendes Element der Hilfsstrahlungselemente vorzusehen, so daß ein gleichförmiger Phasengradient zwischen den jeweiligen Elementen der Hauptelementstrahleröffnung bzw. -apertur und den jeweiligen Elementen der Hilfselementstrahleröffnung bzw. -apertur gebildet ist. Es werden Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen verwendet, um die Phase der jeweiligen Signale zu korrigieren, welche an die Hilfselemente angelegt sind, um eine Phasenkontinuität zwischen den jeweiligen benachbarten Elementen der Hauptstrahleröffnung und der Hilfsstrahleröffnung bzw. der Hilfsapertur zu erzielen. Die Kopplungseinrichtung, die Strahlsteuerungsphasenschieber und die Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen bilden vorzugsweise N Module. Durch geeignete Steuerung der Strahlsteuerungsphasenschieber und der Phasenschieber mit zwei Zuständen kann der von der Gruppe erzeugte Strahl über eine Satz diskreter Winkel abgetastet werden.

In einer anderen Ausführungsform weist die Anordnung bzw. Gruppe des weiteren Zirkulator/Duplexer, Verstärker mit geringem Rauschen und zusätzliche Kopplungselemente auf, um die verlustbehafteten Hochleistungsphasenkorrektoren mit zwei Zuständen zu eliminieren und zwei Empfangskanäle vorzusehen. In einer anderen Ausführungsform ist eine zweidimensionale Antennenanordnung vorgesehen, durch welche das Signal, welches jenes Hauptelement ansteuert, an zwei Hilfselemente gekoppelt ist, und in einer weiteren Ausführungsform ist eine zweidimensionale Anordnung vorgesehen, durch welche das Signal, welches jedes Hauptelement ansteuert, an drei Hilfselemente gekoppelt ist. Bei jeder der Ausführungsformen werden im wesentlichen identische Module verwendet, so daß sie in der Ausführungsform untereinander ausgetauscht werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen ersichtlich, welche in den dazugehörigen Figuren erläutert sind.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm, welches eine Sendegruppe mit N Grundelementen darstellt, welche mit N zusätzlichen Elementen kombiniert sind, um eine erweiterte Gruppe von 2N Elementen zu bilden, die von einer Anordnung von Phasenschiebern versorgt werden, welche zu einer gleichförmigen gemeinsamen Versorgung bzw. Zuführung miteinander verbunden sind.

Fig. 2 zeigt graphische Darstellung der Phase einer beispielhaften Apertur- bzw. Strahleröffnungsverteilung für die erweiterte Anordnung von Fig. 1, welche die Phasenkorrektur veranschaulicht, die von der Erfindung zwischen der Hauptstrahleröffnung und den Hilfsstrahleröffnungen vorgesehen wird, um einen kontinuierlichen linearen Phasenverlauf über der Apertur bzw. der Strahleröffnung zu erzielen.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Amplitude einer beispielhaften zugespitzten Amplitudenverteilung bezüglich der erweiterten Anordnung von Fig. 1, welche die jeweilige Amplitude eines Hauptelements und des entsprechend gekoppelten Elements veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Anordnung einer Strahlstruktur, welche Strahlen veranschaulicht, die von der grundlegenden Anordnung von Fig. 1 gebildet werden können, wenn die Phasenschieber dieselben diskreten Phasengradienten wie eine N-elementige Butler- oder eine Vielfachstrahlmatix vorsehen.

Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Gruppenstrahlstruktur, welche diskrete Strahlen veranschaulicht, unter Verwendung der diskreten Butler-Phasenverschiebungen, welche mit der erweiterten Anordnung von Fig. 1 gebildet werden kann.

Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung eines Leistungsteilers eines magischen T's, um die gewünschte Phase und die Amplitude für jedes Paar von Elementen in der erweiterten Anordnung von Fig. 1 zu erzielen.

Fig. 7A zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines beispielhaften Sendemoduls, welches einen Aspekt der Erfindung verkörpert.

Fig. 7B zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Gruppensystems, welches die in Fig. 7A veranschaulichten Sendemodule verwendet.

Fig. 8A zeigt eine graphische Darstellung der Amplitude einer beispielhaften zugespitzten Amplitudenverteilung der erweiterten Anordnung von Fig. 1, welche zu den in Fig. 8B dargestellten Nebenzipfeln mit 27,5 dB führt und durch Versuch und Irrtum erlangt werden.

Fig. 9 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm, welches eine andere Ausführungsform einer Linien- bzw. Leitungsquelle mit N Grundelementen veranschaulicht, die mit N zusätzlichen Elementen kombiniert sind, um eine erweiterte Anordnung von 2N Elementen in einer Anordnung Seite an Seite bereitzustellen.

Fig. 10A zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines beispielhaften Sende/Empfangsmoduls für Monopulsbetrieb.

Fig. 10B zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Gruppensystems, welches die in Fig. 10A veranschaulichten Sende/Empfangsmodule verwendet.

Fig. 11 zeigt ein schematisches Diagramm und eine perspektivische Ansicht einer Festkörper- Sende/Empfangsmodulbaugruppe in Übereinstimmung mit der Erfindung.

Fig. 12A-12C veranschaulichen drei jeweilige Ausführungsformen der grundlegenden Sendeschaltung, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet worden ist.

Fig. 13 zeigt eine schematische Veranschaulichung der Verbindungen zwischen den Grundanordnungen einer zweidimensionalen Gruppe und den Hilfsgruppen, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden.

Fig. 14 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm der miteinander verbundenen Strahleröffnungen bzw. Aperturen, welche die zweidimensionale Gruppe von Fig. 13 bilden.

Fig. 15 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Sendemoduls, welches die Erfindung bezüglich der zweidimensionalen Gruppe von Fig. 13 und 14 verkörpert.

Fig. 16 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform, welche ein Hauptelement und drei Hilfselemente in einer planaren Anordnung bzw. Gruppe besitzt.

Fig. 17 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Sendemoduls, welches in der Anordnung von Fig. 16 verwendet werden kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG

Die grundlegenden Betriebsprinzipien der Erfindung können besser unter Berücksichtigung einer Sendeanordnung bzw. Sendegruppe 50 verstanden werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Eine gleichförmige gemeinsame Versorgung bzw. Zuführung 55 mit Ausgängen 56-59 gleicher Amplituden und Phasen versorgt eine Anordnung von N Phasenschiebern 60-63 und N Strahlungselementen 72-75. In der folgenden Erörterung der bevorzugten Ausführungsform wird angenommen, daß die Zahl N gerade ist.

Obwohl der Ausdruck "Sende . . . " in der Beschreibung an mehreren Stellen verwendet wird, ist es für den Fachmann klar, daß eine Reziprozität einen identischen oder wenigstens einen ähnlichen Betrieb in einem Empfangsmodus gebietet. Daher wird der Ausdruck "Sende . . . " in jenen Fällen lediglich aus Gründen der Vereinfachung für die Beschreibung verwendet und kann den Fall des Empfangsbetriebs beinhalten. Ebenso kann der Ausdruck "Strahlungs . . . " den Ausdruck "Empfangs . . . " umfassen.

Ein Phasenschieber 60 besitzt einen Koppler 80, welcher Elemente 72(R&sub1;) und 76(RN+1) versorgt, ein Phasenschieber 61 besitzt einen Koppler 81, welcher Elemente 73(R&sub2;) und 77(RN+2) versorgt, ein Phasenschieber 62 besitzt einen Koppler 82, welcher Elemente 74 und 70 versorgt, und ein Phasenschieber 63 besitzt einen Koppler 83, welcher Elemente 75 und 71 versorgt.

Phasenkorrektoren 85-88 koppeln jeweils das Element 70 an den Koppler 82, das Element 71 an den Koppler 83, das Element 76 an den Koppler 80 und das Element 77 an den Koppler 81. Jeder Phasenkorrektor dient dazu, eine Phasenverschiebung α zwischen den jeweiligen Paaren von Elementen vorzusehen.

Ein Gruppen- bzw. Anordnungskontroller 40 versieht die jeweiligen Phasenschieber 60-63 und 85-88 mit Steuersignalen, um die durch diese Elemente eingeführten jeweiligen Phasenverschiebungen zu steuern.

Die Anordnung, welche die Strahlungselemente 72-75 aufweist, kann als Einrichtung zum Bilden einer Hauptelementestrahleröffnung bzw. -apertur angesehen werden, die Anordnung, welche die Elemente 70 und 71 aufweist, kann als erste Hilfsgruppenstrahleröffnung bzw. -apertur und die Anordnung, welche die Elemente 76 und 77 aufweist, kann als zweite Hilfsgruppenstrahleröffnung angesehen werden. Wenn ein Phasengradient ψ zwischen den Strahlungselementen in den Strahlsteuerungsphasenschiebern 60-63 gebildet ist, existiert derselbe Gradient an allen drei Strahleröffnungen bzw. Aperturen. Es gibt jedoch an den Grenzen zwischen der Hauptgruppenstrahleröffnung und der Hilfsstrahleröffnungen bzw. -aperturen eine Phasendiskontinuität. Diese Phasendiskontinuität wird in Fig. 2 veranschaulicht, wobei die durchgezogenen Linien die Phase der Gruppenstrahleröffnungsverteilung bzw. der Gruppenaperturverteilung als eine Funktion der Entfernung über die Strahleröffnung veranschaulicht. Die Phasenkorrektoren 85-88 sind vorgesehen, um die Phasen an den Hilfselementen 70, 71, 76, 77 einzustellen, um die Phasendiskontinuität zu eleminieren. Die Größe der Phasenverschiebung α der Phasenkorrektoren 85-88 ist ausgewählt, um eine Phasenkontinuität zwischen den Elementen 71(R&sub0;) und 72(R&sub1;) und zwischen den Elementen 75(RN) und 76(RN+1) zu erzeugen, woraus sich eine kontinuierliche lineare Phase über die resultierende Gruppenstrahleröffnung bzw. Gruppenapertur ergibt, welche die Hauptstrahleröffnung bzw. Hauptapertur und die ersten und zweiten Hilfsstrahleröffnungen aufweist. Die korrigierte Phase der ersten und zweiten Hilfsstrahleröffnungen wird durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 veranschaulicht. Des weiteren kann der von der resultierenden Strahleröffnung erzeugte Strahl im Raum durch Ändern des Strahlsteuerungsphasengradienten ψ und durch Korrigieren der Phasenverschiebung α abgetastet werden.

Die Koppelungswerte der Koppler 80-83 können gewählt werden, um eine zugespitzte Strahleröffnungsillumination zu erzeugen, welche der Energieerhaltungsbeziehung zwischen den Amplituden An und An+N (welche sich von den Kopplern erheben) an den Elementen n und n+N genügt,

Die Wahl der geeigneten Kopplungswerte der Koppler 80- 83 ist in Fig. 3 veranschaulicht, welche die Amplitude einer beispielhaften zugespitzt verlaufenden Strahleröffnungsverteilung bzw. Aperturverteilung als Funktion der Entfernung über die Strahleröffnung der Gruppe von Fig. 1 darstellt. Diese beispielhafte Verteilung verläuft zum Erzielen von niedrigen Nebenzipfeln in der Struktur der Anordnung zugespitzt von dem Strahl weg. Die Position des beispielhaften Elements Ri wird in Fig. 3 als die Position des entsprechenden Elements Ri+N in der zweiten Hilfsgruppe angezeigt, welches an das Element Ri gekoppelt ist. Bei der gegebenen gewünschten Verteilung und den Positionen der Strahlungselemente werden die gewünschten Amplituden an jeden Strahlungselementen rasch erlangt. Der benötigte Kopplungsfaktor kann aus den gewünschten entsprechenden Amplituden der jeweiligen Elemente bestimmt werden. Beispielsweise ändert sich entsprechend Fig. 3 die Verteilungsamplitude an dem Element Ri mit cosβ, während sich die Amplitude an dem Element Ri+N mit sinβ ändert, wobei β den Leistungskopplungsfaktor des Kopplers darstellt (cos²β+ sin²β = 1).

In dem allgemeinen Fall kann der Phasenverlauf zwischen den Elementen und die Phasenkorrektur α ausgewählt werden, um den Strahl der Anordnung an irgendeinem gewünschten Strahlwinkel abzutasten. Die entsprechenden Werte der Phasenverschiebung α, welche für eine kontinuierliche lineare Phase über die erweiterte Strahleröffnung nötig ist, kann auffolgende Weise berechnet werden. Die Ausgangsspannung an jedem Strahlungselement für eine gleichförmige Amplitude und einen konstanten Phasenverlauf ψ beträgt

Ein glatter Phasenverlauf erfordert

wobei (2a)

Das Einsetzen von Gleichung 1 mit n gleich 1 oder N und der Gleichung 2b in Gleichung 2a liefert die Beziehung der Gleichung 3.

ej(Nψ-α)=1 (3)

Damit Gleichung 1 für ein willkürliches ψ erfüllt ist, sind die Phasenkorrektoren 85-88 über den Bereich von 0º bis 360º variabel. Entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik sind derartige Phasenschieber verfügbar, beinhalten jedoch einen spürbaren Verlust, welcher für einige Anwendungen unerwünscht ist.

Die Phasenkorrektoren 85-88 können für einen bestimmten Satz von Werten des Phasenverlaufs ψ, die Phasenverschiebungen, welche typisch für die Butler-Matrix sind, vereinfacht oder eliminiert werden.

Die gleichförmige gemeinsame Versorgung 55 und die Strahlsteuerungsphasenschieber 60-63 von Fig. 1 können als Funktionen der Equivalenz eines Teils einer N-Port- (N Eingänge und N Ausgänge) Butler-Matrix angesehen werden. Die gemeinsame Versorgung 55 und die Phasenschieber 60-63 stellen lediglich einen einzigen Strahl zu einer gegebenen Zeit bereit, es können jedoch unterschiedliche Strahlen durch Verändern der Phasenverschiebung ψ der Schieber 60-63 erzeugt werden. Die allgemeine Butler-Matrix kann gleichzeitig N gleich beabstandete Strahlen erzeugen, jeder mit einer Verstärkung bzw. einem Gewinn von N mal der Verstärkung bzw. dem Gewinn des Elements. Butler-Matrizen sind in der Technik gut bekannt und werden beispielsweise beschrieben in "Multiple Beams from Linear Arrays," J.P. Shelton und K.S. Kelleher, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Band AP-9, Seite 154, März 1961.

Gleichung 1 legt die Phasenbeziehung für die Phasenverschiebungen dar, welche für eine Butler-Matrix typisch sind

Mit diesen charakteristischen Phasenverschiebungen erzeugt eine Gruppe von N gleich beabstandeten Strahlungselementen, welche von einer N-Port-Butlermatrix versorgt werden, Strahlen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, d. h. sinx/x- Strukturen mit einer Überschneidung bzw. einer Überkreuzung von 4dB. Unter Verwendung der Koppler 80-83, welche 2N Elemente versorgen, um die erweiterten Strahleröffnungen zu bilden, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und mit den Phasenschiebern 60-63, welche den Satz von Phasenverschiebungen bereitstellen, die in Gleichung 4 bestimmt sind, ist die resultierende Gruppenstrahleröffnung von Fig. 1 zweimal so groß wie die Butler-Matrix, und die Strahlen, welche in dieselbe Richtung gerichtet sind, besitzen etwa die Hälfte der Breite (exakt die Hälfte für alle gleichen Leistungsaufspaltungen), wie in Fig. 5 durch die Strahlen entsprechend den durchgezogenen Linien angezeigt ist. Strahlüberkreuzungen sind sehr gering (etwa Null für gleiche Leistungsaufspaltungskoppler); vergleiche dazu "Reduced Sidelobes for Butler Matrix Fed Linear Arrays," IEEE Trans. Antennas and Propagation, Band AP-17, Seite 645, September 1969.

Um eine vollständige Überdeckung über das abgetastete Gebiet zu erlangen, ist es nötig, die fehlenden Strahlen (in Fig. 5 durch Phantomlinien dargestellt) unter Verwendung der Strahlsteuerungsphasenverschiebungen auszufüllen

Wenn die durch die Gleichungen 4 oder 5 gegebenen Verläufe der Phasen in Gleichung 3 eingesetzt werden und die Vielfachen von 2π fallengelassen werden, gilt α = π bzw. = 0, wenn N gerade ist, und es gilt α = 0 bzw. = π, wenn N ungerade ist. In jedem Fall, ob N gerade oder ungerade ist, ist es nötig, zwei Phasenzustände α = 0 oder = π zu haben, um Gleichung 5 zu erfüllen. Somit sind das Hauptelement Rn und das entsprechende Element Rn+N oder Rn-N entweder in Phase für einen Satz von Strahlen erregt (α = 0) oder sie sind nicht in Phase für den zweiten Satz von Strahlen (α = π). Wenn π und α derartig gewählt sind, ist die Phase zwischen den Elementen R&sub0; und R&sub1; ebenso kontinuierlich. Somit sind die Phasenkorrektoren 85-88 für den Spezialfall der Butler-Phasenverschiebungen, welche durch Gleichungen 4 und 5 bestimmt sind, auf Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen vereinfacht, welche die zwei möglichen Zustände 0 und π aufweisen.

Die Koppler 80-83 können gewählt werden, um eine zugespitzte Amplitudenverteilung zu erzeugen, und die fortschreitende Phasenverschiebung, welche von den Strahlsteuerungsphasenschiebern 60-63 bereitgestellt wird, kann gewählt werden, um Strahlen an diskrete Winkel R zu plazieren, welche bestimmt sind durch

kd sinR = ψ (6)

wobei d der Strahlungselementabstand ist, k gleich 2π/λ, λ die Wellenlänge, R der Winkel von der Normalen zu der Anordnung bzw. Gruppe, ψ durch Gleichungen 4 oder 5 gegeben ist und α entweder 0 oder π beträgt.

Der durch die Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen 85- 88 eingebrachte Verlust liegt typischerweise bei 1 dB beim gegenwärtigen Stand der Technik. Diese Vorrichtungen können durch Verwendung von einer Phase eliminiert werden, um sowohl die gewünschte Amplitude als auch die Phase α zu erzeugen. Wenn die Seitenarme einer magischen T-Kopplervorrichtung durch zwei gleiche Amplitudensignale 1 2 mit Phasen +Φ&sub1; und -Φ&sub1; erregt werden, beträgt der Summenarmausgang cosΦ&sub1; und der Differenzarmausgang sinΦ&sub1;, wobei Φ&sub1; ausgewählt ist, die korrekte Leistungsaufspaltung zu erzeugen. Dies wird in Fig. 6 dargestellt, welche eine Schaltung veranschaulicht, die equivalent zu derjenigen der Strahlsteuerungsphasenschieber 60-63 und der entsprechenden der Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen 85-88 von Fig. 1 ist.

Die Schaltung von Fig. 6 verwendet einen Koppler mit vier Ports eines magischen T's, einen Koppler, der dem Fachmann bekannt ist und beispielsweise beschrieben ist in dem Dokoument "Microwave Antenna Theory and Design," herausgegeben von Samuel Silver, 1965, 1949, Dover Publications, auf Seite 572. In der Schaltung des magischen T's von Fig. 6 ist eine feste Verzögerung von π/2 hinzugefügt worden, so daß beide Signale real sind. Wenn Φ&sub1; durch -Φ&sub1; ersetzt wird, bleibt das Summensignal bei cosΦ&sub1; gleich, das Signal des Differenzarms jedoch verändert sein Vorzeichen; folglich wird die Funktion des Kopplers 80-83 in der vorhergehenden Erörterung durch die Wahl der Größe der Phase Φ&sub1; bestimmt, und die Funktion der Phasenschieber mit zwei Zuständen 85-88 wird durch das Vorzeichen von Φ&sub1; bestimmt. Eine alternative Verwirklichung dieser Schaltung besteht darin, daß magische T durch eine Quadratur-Hybridfunktion zu ersetzen und einen festen Phasenunterschied von π/2 zwischen den Phasenschiebern zu programmieren, welche ±Φ&sub1; erzeugen.

Der modulare Grundbaustein 100 der vorliegenden Erfindung für die Sendebetriebsart ist in Fig. 7A dargestellt. Das Modul 100 weist einen Strahlsteuerungsphasenschieber 102 zum Bereitstellen einer der charakteristischen Butler- Phasenverschiebungen von Φ = nπ(2m-2 )/N oder nit(2m+1- 2 )/N auf. Phasenschieber 104 und 106 liefern jeweilige Phasenverschiebungen von ±Φ&sub1; und Φ&sub1;, um die Leistungsaufspaltung und Phasenkorrekturfunktionen wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben bereitzustellen.

Die Ausgänge der Phasenschieber 104 und 106 sind als Eingänge für die identischen Festkörpersendeverstärker hoher Leistung 108 und 110 vorgesehen. Die Verstärkerausgänge sind an jeweilige Seitenarme des magischen T-Kopplers 112 angeschlossen. Der Ausgang des Summenarms des magischen T's, das Signal cosΦ&sub1;ejΦ für ein Einheitseingangsignal an einem Eingangsport 124, ist an das Strahlungselement Rn gekoppelt. Das Ausgangssignal des Differenzarms des magischen T's ist in Phase um -π/2 verschoben, um das Signal ±sinΦ&sub1;ejΦ vorzusehen, und ist an das Strahlungselement Rn±N gekoppelt.

Die Strahlsteuerungsfunktionen, welche von dem Phasenschieber 102 von Fig. 7A bereitgestellt werden, können mit den Funktionen der Phasenschieber 104 und 106 kombiniert werden; es werden dann lediglich zwei Phasenschieber benötigt, einer der Φ±Φ&sub1; und einer der Φ Φ&sub1; erzeugt.

Die Verwendung der modularen Ausführung von Fig. 7A kann unter Darstellung mehrerer Beispiele dargelegt werden. Der Gruppenkontroller 40 (in Fig. 7B dargestellt) kann die Phase Φ der Strahlsteuerungsphasenschieber 102 jedes Moduls in Übereinstimmung mit Gleichung 4 oder 5 steuern, um den Strahl auf einen gewünschten der 2N diskreten Strahlen zu steuern. Die Größe der Phasenverschiebung Φ&sub1; der Phasenschieber 104 und 106 kann auf Null eingestellt werden. Der Wert Φ&sub1; wählt die Strahleröffnungsverteilung durch Steuern der relativen Leistungsaufspaltung zwischen dem Hauptstrahleröffnungselement und dem entsprechenden Hilfsstrahleröffnungselement. Wenn Φ&sub1; auf Null eingestellt ist, wird den Hilfsstrahleröffnungselementen keine Leistung bereitgestellt (sin 0 = 0), und die Sendesignalleistung wird gleich auf die N Strahlungselemente, welche die Hauptstrahleröffnung aufweisen, verteilt.

Ein zweites veranschaulichendes Beispiel entspricht dem Fall, bei welchem die Phasenverschiebung Φ&sub1; = π/4 rad bzw. 45º beträgt. In diesem Fall wird die Leistung des Sendesignals jedes Moduls gleich auf das Hauptelement und das entsprechenden Hilfselement aufgeteilt. Somit ist eine gleichförmige Strahleröffnungsverteilung über die gesamte erweiterte Gruppe von 2N Strahlungselementen vorgesehen. Diese Verteilung maximiert die Verstärkung bzw. den Gewinn über eine Strahlbreite, welche die Hälfte der in dem ersten Beispiel (Φ&sub1; = 0) erzeugten Breite beträgt.

Der Phasenwert Φ&sub1; kann derart ausgewählt werden, die oben beschriebene zugespitzte Illumination vorzusehen, bei welcher der Nebenzipfelpegel des resultierenden Strahlungsmusters minimierte ist, wie es für einen Fachmann ersichtlich ist.

Ein weiterer hauptsächlicher Vorteil der Ausführungsform von Fig. 7A besteht darin, daß im wesentlichen die gesamte Signalleistung, welche durch die Hochleistungsverstärker 108 und 110 bereitgestellt wird, den Strahlungselementen übertragen wird, da es keine verlustbehaftete Vorrichtungen zwischen den Verstärkern und den Strahlungselementen gibt.

Fig. 7B veranschaulicht eine Leitungs- bzw. Linienquelle einer Sendegruppe, welche N Sendemodule M&sub1; bis MN verwendet, wobei jedes ein Modul aufweist, welches in Fig. 7A beschriebenen ist. Die Gruppe von Fig. 7B ist ähnlich derjenigen von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Sendemodule M&sub1; bis MN die separaten Strahlsteuerungsphasenschieber 60- 63, die Koppler 80-83 und die Phasenkorrektoren mit zwei Zuständen 85-88 ersetzt haben. Somit teilt das gleichförmige gemeinsame Versorgernetzwerk 55 das einzige Eingangssignal in N Netzwerkausgangssignale gleicher Amplitude und Phase. Die Module M&sub1; bis MN sind identisch ausgebildet.

Sogar bei Vorsehen von idealen Elementen tritt bezüglich des Pegels des Nebenzipfels eine Beschränkung auf, welche von den Modulen der in Fig. 7A dargestellten genauen Form erzeugt werden kann. Dies ergibt sich aus dem durch die magischen T-Koppler bezüglich der Strahleröffnungsverteilung auferlegten Erfordernis. Dieses Erfordernis kann in der folgenden Form für eine kontinuierliche symmetrische Verteilung über eine Strahleröffnung der Länge D schriftlich dargestellt werden:

wobei x die Entfernung entlang der Strahleröffnung darstellt. Beispielsweise genügt die Kosinusverteilung

A(x) = cos(πx/D) (8)

dem Erfordernis und erzeugt Nebenzipfel von 23dB. Eine zweite Strahleröffnungsverteilung ist in Fig. 8A dargestellt und erzeugt die in Fig. 8B dargestellten Nebenzipfel von 27,5 dB. Diese Ergebnisse werden unter Verwendung der Technik Versuch und Irrtum erlangt. Der Fachmann kann anspruchsvollere Techniken des Versuchs und Irrtums verwenden, um niedrigere Nebenzipfel zu erzielen. Es wird jedoch schließlich eine Bedingung erreicht, bei welcher die Nebenzipfel nicht weiter ahne übermäßige Strahlverbreiterung und bei geringerer Verstärkung verringert werden können.

In diesem Fall kann das Auftreten eines leichten Verlustes niedrige Nebenzipfel mit hoher Verstärkung wie folgt erzeugen.

Für eine gewünschte Verteilung B(x) (so wie einer Taylorverteilung, welche nicht das Erfordernis der Gleichung 7 erfüllt), gibt es eine optimale Verteilung A(x), welche Gleichung 7 erfüllt, die durch Dämpfung modifiziert werden kann, um B(x) mit maximaler Effizienz zu erzeugen. Es kann gezeigt werden, daß diese Verteilung bezüglich einer Funktion γ(x) wie folgt gegeben wird:

A(x) = sinγ(x) 0 ≤ x ≤ D/4; (9a)

= cosγ(D/2-x) D/4≤x≤D/2; (9b)

tanγ(x) = B(x)/B(D/2-x) 0 ≤ x ≤ D/4

Die resultierende Effizienz beträgt:

wobei 1/K² der minimale Wert von B²(x) + B²(D/2-x) in dem Intervall 0 ≤ x ≤ D/2 ist. Wenn beispielweise gilt B(x) = cosπx/D, γ = π/2 - πx/D, A(x) = B(x), tritt kein Verlust auf. Für eine 32 dB-Taylorreihenverteilung zeigen = 4 Verteilungsberechnungen den Effizienzverlust von -0,48 dB, was einen geringen Preis darstellt, welcher in den meisten praktischen Fällen zu zahlen ist.

Eine andere Leitungsquellenausführungsform ist in Fig. 9 dargestellt. In dieser Ausführung ist die Hälfte der Schaltung von Fig. 1 entfernt. Die Ausführungsform umfaßt N Hauptelemente und N Hilfselemente. In dieser Ausführungsform braucht N nicht gerade zu sein. Paare von Elementen, beispielsweise R&sub1; und RN+1, sind durch einen Koppler miteinander verbunden, welcher mit der Bezugszahl 90 bezeichnet ist, und-es wird eine Phasenverschiebung α bezüglich der Hilfselemente auf eine Art verwendet, die ähnlich derjenigen ist, welche bezüglich Fig. 1 beschrieben ist. Die Ausführungsform von Fig. 9 ist nicht auf die gerade Zahl von Elementen entsprechend dem Erfordernis von Fig. 1 beschränkt. In Fig. 1 erfordert das Umgeben der Hauptelemente mit Hilfselementen, daß eine gerade Anzahl von Hauptelementen verwendet wird, d. h. eine Zahl, welche durch vier teilbar ist, da eine Unsymmetrie bei einer unterschiedlichen Anzahl von Elementen in der ersten Hilfsstrahleröffnung bezüglich der Anzahl in der zweiten Hilfsstrahleröffnung auftreten würde. Die Ausführungsform von Fig. 9 besitzt keine derartige Beschränkung, und es kann irgendeine Anzahl von Hauptelementen verwendet werden.

Die Erörterung des Betriebs der Ausführungsform von Fig. 1 ist auf die Ausführungsform von Fig. 9 anwendbar mit der Ausnahme, daß die Phase der Strahleröffnungsverteilung über die Gruppenstrahleröffnung lediglich eine Diskontinuität besitzt gegenüber den in Fig. 2 dargestellten zwei Diskontinuitäten. Diejenige Diskontinuität wird jedoch durch eine Einrichtung entsprechend der Korrektur zwischen der Hauptanordnung und der zweiten Hilfsanordnung der Ausführungsform von Fig. 1 korrigiert.

Eine Ausführungsform einer planaren Gruppe der Erfindung, welche für einen Sende- und Empfangsbetrieb geeignet ist, ist in Fig. 10A, 10B und 11 dargestellt. Um die Möglichkeit für eine Monopulsempfangsbetriebsart vorzusehen, sind Zirkulator/Duplexer und Verstärker mit geringem Rauschen nahe jedem Strahlungselement der Gruppe eingesetzt. Mit einer hinreichenden Verstärkung sorgen die Verstärker für ein Signalrauschverhältnis, so daß eine verlustbehaftete Leistungsteilung und Dämpfung stromab ohne Nachteil verwendet werden kann. Ein beispielhaftes Sende/Empfangsmodul (T/R-Modul) 130 ist in Fig. 10A dargestellt. Das T/R-Modul 130 umfaßt einen modularen Sendeabschnitt 100 (welcher in Fig. 7A dargestellt ist). Sendesignale von der gemeinsamen Sendeversorgung 55 werden als Eingangssignale dem Sendeeingangsport 124 jedes T/R-Moduls bereitgestellt. Die Modulabschnitte 100 sind an Strahlungselemente Rn und Rn±N über jeweilige Dämpfungsglieder 116, 118 und Zirkulatoren 120, 122 gekoppelt.

Der Empfangsabschnitt 150 des Moduls 130 ist an die Strahlungselemente Rn und Rn±N über Zirkulator/Duplexer 120, 122 und Verstärker mit geringem Rauschen 158, 162 gekoppelt. Der Abschnitt 150 stellt Empfangssummen- und -differenzsignale an Ports 172, 154 bereit. Die Ausgänge von Verstärkern 158, 162 sind jeweils an den Summenarm bzw. an den Differenzarm der magischen T-Koppler 178, 180 des Empfangsabschnitts 150 gekoppelt. Der Differenzarm und der Summenarm dieser jeweiligen Koppler sind durch angepaßte Lasten 190, 192 abgeschlossen. Ein Seitenarm des magischen T-Kopplers 178 ist über ein Dämpfungsglied 174 an den Summenport des magischen T-Kopplers 194 gekoppelt; der andere Seitenarm des magischen T-Kopplers 178 ist durch ein Dämpfungsglied 182 an den Summenarm des magischen T-Kopplers 196 gekoppelt. Ähnlich ist ein Seitenarm des magischen T- Kopplers 180 durch das Dämpfungsglied 176 an den Differenzarm des magischen T's 194 gekoppelt; der andere Seitenarm des magischen T-Kopplers 180 ist durch ein Dämpfungsglied 184 an den Differenzarm des magischen T-Kopplers 196 gekoppelt.

Die Ausgangssignale des Seitenarms des magischen T- Kopplers 194 sind jeweils um ±Φ&sub3; (Phasenschieber 168) und um Φ&sub3; (Phasenschieber 170) phasenverschoben und sind miteinander kombiniert. Das resultierende Signal ist um die Strahlsteuerungsphasenverschiebung Φ (Phasenschieber 160) phasenverschoben, um das Empfangsdifferenzsignal am Port 154 bereitzustellen.

Die Ausgangssignale der Seitenarme des magischen T's 196 sind jeweils um ±Φ&sub2; (Phasenschieber 186) und um Φ&sub2; (Phasenschieber 188) phasenverschoben und miteinander kombiniert. Das resultierende Signal ist um Φ Grad von dem Strahlsteuerungsphasenschieber 172 phasenverschoben, um das Empfangssummensignal an dem Summenport 172 bereitzustellen. Die Schaltung, welche durch gestrichelte Linien 169 und 199 in Fig. 10A dargestellt ist, funktioniert ähnlich wie die Sendeschaltung 100, wobei die Verstärker 108, 110 ausgelassen sind.

Die Leistungsaufspaltungs- und Phasenkorrekturphasenschiebevorrichtungen 104, 106, 168, 170, 186 und 188 werden jeweils von einem (nicht gezeigten) Gruppenkontroller gesteuert, um den geeigneten der zwei Zustände dieser Phasenschieber auszuwählen, um den gewünschten Strahl zu bilden.

Unabhängige Sende-, Empfangssummen- und Empfangsdifferenzkanalstrukturen werden durch Auswahl der Phasenverschiebungen ±Φ&sub1;, ±Φ&sub2; und ±Φ&sub3; und die Dämpfungspegel der Dämpfungsglieder 116, 118, 182, 184, 174 und 176 (wenn nötig alle für sehr niedrige Nebenzipfel) erzielt. Alle Module in einer Anordnung bzw. Gruppe sind vorzugsweise identisch außer den Dämpfungsgliedern. Die Phasenverschiebungen von ±Φ&sub1;, ±Φ&sub2; und ±Φ&sub3; werden von der Computersoftwaresteuerung bestimmt und sind während des Betriebs variabel, um unterschiedliche Strukturen zu erzeugen, sollte dies zum Zwecke einer Unterdrückung von Störflecken oder sonstigen Störungen gewünscht werden. Somit können die jeweiligen Phasenverschiebungen Φ&sub1;, Φ&sub2;, Φ&sub3; unabhängig gewählt werden, um gewünschte Strahleröffnungsamplitudenverteilungen für die jeweiligen Sende-Empfangssummen- und Empfangsdifferenzstrukturen zu erzielen.

Fig. 10B zeigt ein schematisches Diagramm eines Gruppensystems, welches die in Fig. 10A dargestellten Sende/Empfangsmodule 130 verwendet, um Sende-, Empfangssummen- und Empfangsdifferenzkanäle vorzusehen. In diesem Beispiel sind 2N Strahlungselemente an das gemeinsame Sendeversorgungsnetzwerk 55 durch die Sende/Empfangsmodule TR&sub1;- TRN gekoppelt. Jedes Strahlungselement hat einen bestimmten Duplexer, ein Dämpfungsglied und einen zugeordneten Verstärkersatz mit geringem Rauschen (122, 118, 162 oder 120, 116, 158), wie in Fig. 10A gezeigt ist.

Die jeweiligen Ausgänge 172, 154 jedes Sende/Empfangsmoduls TR&sub1;-TRN sind an die jeweiligen gleichförmigen gemeinsamen Versorgungsnetzwerke 132 und 134 gekoppelt, um das Empfangssummenkanal- bzw. das Empfangsdifferenzkanalsignal vorzusehen. Die Netzwerke 55 , 132 und 134 sind identisch.

Die Module TR&sub1;-TRN von Fig. 10B können als identische Module hergestellt werden, deren physikalische Anordnung im allgemeinen in der schematischen perspektivischen Ansicht von Fig. 11 veranschaulicht ist. Das Modul enthält Hochfrequenzanschlüsse für das Sendeeingangssignal T, die zwei Empfangssignale RC&sub1; und RC&sub2;, und die Verbindungen zu den Strahlungselementen Rn und Rn±N, Leistungs- und Steuersignalleitungen. Zusätzlich können die Dämpfungsglieder 116, 118, 182, 184, 174 und 176 in Form von Einsteckelementen vorgesehen sein. Des weiteren können die Verstärker mit niedrigem Rauschen 158, 162 und die Zirkulatoren 120, 122 in den jeweiligen Modulen aufgenommen sein. Auf diese Weise ist jedes Modul identisch mit der Ausnahme bezüglich des Wertes der Dämpfungsglieder.

In dem Spezialfall der gleichförmigen Sendeillumination kann die Verwendung dieser Technik mit dem gebräuchlichen identischen Modul pro Elementslösung verglichen werden. Bezüglich dieses Spezialfalls erzeugen beide Gruppen dieselben Strukturen mit Nebenzipfeln von 13 dB, besitzen dieselbe Anzahl von Sendemodulen, Zirkulator/Duplexern und Verstärkern mit geringem Rauschen. Die Anordnung bzw. Gruppe entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzt mehr passive Schaltungen und Phasenschieber niedriger Leistung. Die Anordnung der Erfindung ist jedoch geeignet, eine zugespitzte Strahleröffnungsverteilung zu erzeugen und niedrige Nebenzipfel vorzusehen, die sonst nicht mit identischen Modulen alleine erzielbar sind.

Andere Ausführungsformen der Sendeschaltung 100, welche keine magischen T-Koppler verwenden, können unter Verwendung von 90º-Hybridkopplern konstruiert werden. Fig. 12A veranschaulicht die grundlegende Sendeschaltung 100 von Fig. 10A, wobei Zirkulatoren 120', 122' und Dämpfungsglieder 116', 118' hinzugefügt sind. Fig. 12B zeigt eine erste alternative Ausführungsform 100'' der Schaltungsdarstellung von Fig. 12A, welche 90º- (Quadratur-) Hybridkoppler 111'' und 113'' anstelle des magischen T-Kopplers 112' verwendet, wobei die Notwendigkeit bezüglich des festgelegten Phasenschiebers 114' von Fig. 12A eliminiert ist. Des weiteren sind Quadraturhybridvorrichtungen leichter in einer Streifenleitung oder in Mikrostreifen-Übertragungsleitungen zu konstruieren als die magischen T-Koppler.

Quadraturhybridkoppler sind dem Fachmann bekannt und umfassen zwei Paare von Ports. Wenn ein Port eines Paares von einem Einheitssignal (d. h. von einem Signal mit dem Wert eins) angesteuert wird, dann wird die Leistung an dem entsprechenden Port des zweiten Paares zu 1/ 2, die Leistung an dem gekoppelten Port des zweiten Paares wird zu -j/ 2, und die Leistung an dem anderen Port des ersten Paares wird zu Null. Unter der Annahme eines Einheitseingangssignals zu dem Modul 102' besitzt somit ein Ausgang, welcher an das Strahlungselement Rn gekoppelt ist, die Amplitude T&sub1;cosΦ, und das Ausgangssignal zu dem entsprechenden Hilfselement Rn+N oder Rn-N besitzt die Amplitude T&sub2;cosΦ, wobei T&sub1; und T&sub2; die entsprechenden Dämpfungswerte bezüglich der Dämpfungsglieder 116'' und 118'' sind, und Φ ist die Größe der Phasenverschiebung, welche von Phasenschiebern 104'' und 106'' vorgesehen wird.

Fig. 12C veranschaulicht eine dritte Ausführungsform 100''' des Sendemoduls, welches wegen der praktischen Hardware-Charakteristik eine bevorzugte Ausführungsform ist. In dieser Ausführungsform sind Zirkulatoren 120''' und 122''' und Dämpfungsglieder 116''' und 118''' zwischen Hybridkoppler 111''' und 113''' gesetzt, im Gegensatz zu der Modulanordnung von Fig. 12B. Diese Plazierung besitzt mehrere praktische Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, daß die Zirkulatoren 120''' und 122''' dieselben Leistungspegel tragen, wohingegen einer der Zirkulatoren 120' und 122' von Fig. 12A oder einer der Zirkulatoren 120'' und 122'' von Fig. 12B den größten Teil der Leistung in stark zugespitzten Strahleröffnungsverteilungen tragen kann. Somit können die Leistungsraten der Zirkulatoren um einen Faktor von etwa 50% reduziert werden. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Dämpfungsglieder 116''' und 116''' innerhalb eines Moduls denselben Dämpfungswert bezüglich eines Nachlassens des Phasenfolgens besitzen. Schließlich sind verbleibende Folgekorrekturen bezüglich der Schaltung von Fig. 10 leichter softwaremäßig zu implementieren.

Die Dämpfungsglieder T&sub3; bei der Ausführungsform von Fig. 12C besitzen den Dämpfungswert T&sub3;² = T&sub1;²cos²Φ + T&sub2;²sin²Φ. Die Größe der Phasenverschiebung der Phasenschieber 104''' und 106''' beträgt ψ = tan&supmin;¹[(T&sub2;sinΦ)/(T&sub1;cosΦ].

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird durch Fig. 13-15 veranschaulicht. Diese Ausführungsform ist eine zweidimensionale Gruppe, bzw. Anordnung, bei welcher die unter Bezugnahme auf Fig. 1-11 beschriebenen Techniken auf zwei Dimensionen erweitert sind. Entsprechend Fig. 13 ist eine grundlegende planare Gruppe von N·L Strahlungselementen in vier Quadranten unterteilt. Jedes Strahlungselement in der grundlegenden Gruppe ist an zwei andere Elemente an A(n,m) gekoppelt. Für das Grundelement A(n,m) in dem unteren linken Quadranten ist beispielsweise eines der Hilfselemente in einer Hilfsgruppe an A(n+N,m) angeordnet, und das andere Element befindet sich an A(n,m+L). Die drei Elemente sind durch einen Drei-Wege-Leistungsteiler gekoppelt, wobei β&sub1; den Leistungsteilungsfaktor zwischen dem Hauptelement an A(n,m) und dem Hilfselement A(n+N,m) darstellt und β&sub2; den Leistungsteilungsfaktor zwischen dem Hauptelement und dem Hilfselement an A(n,m+L) darstellt. Für Einheitsleistungseingangssignale kann das Grundelement an A(n,m) eine Ausgangsleistung (cos²β&sub1; + cos²β&sub2;)/2 besitzen, und jedes der zwei Hilfselemente besitzt die Leistung sin²β&sub1;/2 bzw. sin²β&sub2;/2, wodurch die Energieerhaltung an dem Drei-Wege-Teiler, welcher an jedes Grundelement angepaßt ist, erfüllt ist. Jeder Quadrant kann viele Strahlungselemente beinhalten.

Die Auswahl der Teilungsfaktoren β&sub1; und β&sub2; jedes Grundelements gestattet eine auf die Gruppe bzw. Anordnung anzuwendende Amplitudenverjüngung. Jedes Grundelement besitzt zwei Hilfselemente; daher beträgt die hinzugefügte Fläche bzw. Gebiet der Strahleröffnung das Doppelte der grundlegenden Fläche. Das Erfordernis von bestimmten diskreten Phasenschiebern (für den oben erörterten Spezialfall der charakteristischen Butler-Phasenschieber) und der zusätzlichen Phasenverschiebungen von 0 oder π, welche nötig sind, um eine volle volumetrische Abdeckung durch einen Nadelstrahl zu erzielen, sind die gleichen wie für eine lineare Anordnung infolge der Trennbarkeit der Strahlsteuerungsphasen.

Diese Technik wird auf die verbleibenden drei Quadranten in dem Grundgebiet bzw. der grundlegenden Fläche erweitert, wodurch eine Gesamtstrahleröffnung bzw. eine Gesamtaperture erzeugt wird, welche die dreifache Fläche der ursprünglichen Grundanordnung bzw. Gruppe besitzt. Die Flächen bzw. Gebiete, welche direkt miteinander verbunden sind, sind in Fig. 14 dargestellt, wobei An ein Element in dem n-ten Quadranten der Grundanordnung und Bn und Cn die Hilfsgebiete darstellen.

Der Sendebaustein 200 für die zweidimensionale Gruppe ist in Fig. 15 dargestellt und benötigt zwei magische T- Koppler 214, 232, eine T-Weiche (Combiner T) 218 und vier Verstärkermodule gleichen Leistungspegels 210, 212, 228, 230. Diese Elemente sind in zwei im wesentlichen identischen Modulen 201 und 221 angeordnet. In diesen Modulen sind die Verstärkermodule 210, 212, 228 und 230 ebenso im wesentlichen identisch. Ebenso im wesentlichen identisch sind die Phasenschiebevorrichtungen 206, 208, 224 und 226. Die diesbezüglichen Phasenverschiebungswerte können, wie in Fig. 10B und 11 gezeigt, gesteuert werden.

Zwei Verstärkermodule hoher Leistung 228, 230 mit den Phasen ±β&sub1; und der relativen Leistung 1/4 sind mittels eines magischen T's 232 miteinander kombiniert, um Ausgänge wie cosβ&sub1;/ 2 und ±sinβ&sub1;/ 2 zu erzeugen, wobei der letztgenannte Ausgang an einem Port 234 mit einem Hilfselement verbunden ist.

Die zwei Verstärkermodule hoher Leistung 210, 212 sind bezüglich ±β&sub2; in Phase gebracht und werden in einem magischen T 214 miteinander kombiniert, um Ausgänge wie cosβ&sub2;/ 2 und ±sinβ&sub2;/ 2 zu erzeugen, wobei der letztere an einem Port 216 mit einem anderen Hilfselement verbunden ist.

Die zwei Summenausgänge der jeweiligen magischen T's 214, 232 (cosβ&sub1;/ 2 und ±cosβ&sub2;/2) werden in der Weiche T 218 miteinander kombiniert, um an einem Port 220 die Ausgangsleistung (cos²β&sub1; + cos²β&sub2;)/2 bereitzustellen.

Die Werte von β&sub1; und β&sub2; sind ausgewählt, um die zugespitzte Amplitudenverteilung bereitzustellen. Eine Strahlsteuerung wird durch Einstellen der Phasenverschiebungen der Phasenschieber 204 erreicht. Eine mit einem Widerstand behaftete Last kann ebenso für eine zusätzliche Zuspitzung und Nebenzipfelreduktion verwendet werden. Die Empfangsmodusfunktion des Betriebs wird durch Einsetzen von Duplexern an jedem Element und Konstruieren von Schaltungen ähnlich wie die Sendeschaltung erhalten, wie oben bezüglich der eindimensionalen (linearen) Gruppe beschrieben ist. Unabhängige Summen- und Differenzstrukturen können wie in dem Fall der linearen Gruppe erlangt werden.

Eine andere Ausführungsform einer planaren Gruppe unter Verwendung von drei Hilfselementen bei jedem Hauptelement unter Bildung einer Gruppe von vier Elementen ist in Fig. 16 dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht eine vollständig rechteckige Strahleröffnung bzw. Apertur mit einer zugespitzten, trennbaren Strahleröffnungsverteilung. Ein Element, An,m, in der Hauptgruppe ist an dieselben zwei Elemente wie in Fig. 13 (An+N,m und An, m+L) angeschlossen, es wird jedoch ebenso ein zusätzliches Hilfselement (An+N, m + L) verwendet. Die vollständige Gruppe weist Vierergruppen von Elementen auf, die in der in Fig. 16 dargestellten Struktur angeordnet sind, außer einer Verschiebung und/oder Drehung. Das vollständige Gebiet der Gruppe ist nun viermal größer als die Hauptgruppe.

Die sich aus dieser Ausführungsform ergebende Strahlungsstruktur besitzt lediglich Hauptnebenzipfel in Hauptebenen (Vertikal- und Horizontalebenen, wenn der Strahl breitseitig ist). Somit können die Nebenzipfel von 27,5 dB für die lineare Gruppe ebenso von dieser planaren Gruppe erzeugt werden.

Eine vereinfachte Verbindung von vier Elementen ist in dem Modulschema von Fig. 17 dargestellt. Das Eingangssignal wird einem Anschluß 301 zugeführt. Vier Elemente 300, 302, 304, 306 sind an 3-dB-Hybridanschlüsse bzw. -verbindungseinrichtungen (hybrid junctions) 308, 310, 312, 314 angeschlossen, welche wiederum an Verstärker 316 und Phasenschieber 318 angeschlossen sind. Die in Fig. 17 dargestellten Phasenschiebereinstellungen erzeugen die vier an den Elementen 300, 302, 304, 306 angezeigten Ausgänge unter der Annahme eines Einheitseingangssignals und unter Nichtbeachten der Verstärkung des Verstärkers. Es tritt im wesentlichen kein Verlust auf, und eine Amplitudenzuspitzung kann lediglich durch Verändern der Phasenschieber modifiziert werden. Das Eingangssignal mit der Einheitsgröße kann phasenverschoben werden, so daß ein Strahl, welcher die Verteilungen jeder Vierergruppe aufweist, in einem Raum in kleinen diskreten Stufen wie bei der vorhergehenden Ausführungsform der planaren Gruppe gesteuert werden kann. Ebenso kann das Erfordernis eines π-Phasenschiebers durch Verändern des Vorzeichens der Phasen Φ&sub1; und Φ&sub2; wie bezüglich der Strahlsteuerung in beiden Ebenen gefordert erfüllt werden. Es können Duplexer auf dem Niveau des Elements zum unabhängigen Empfang von Strahlen hinzugefügt werden oder zwischen den Verstärkern 316 und den Ausgangshybridvorrichtungen 308, 310, 312, 314 wie bei dem linearen Gruppenmodul von Fig. 12C.

Es ist eine elektrisch abgetastete phasengesteuerte Festkörpergruppe mit niedrigen Nebenzipfeln (zugespitzte Strahleröffnungsillumination) unter Verwendung identischer Festkörpermodule offenbart worden. Die Erfindung enthält folgende Vorteile:

(1) leichterer Konstruktionsentwurf, da lediglich ein Modultyp berücksichtigt werden muß;

(2) niedrige Produktionskosten, da die vollständige Gruppe lediglich aus einem Modultyp zusammengesetzt wird;

(3) verbessertes Phasen- und Amplitudenfolgen zwischen den Modulen und verbesserte Strahlungsstrukturqualität, da alle Module identisch sind und lediglich ähnlich gefertigt werden müssen, um die Phasen/Amplituden-Toleranz zu erzielen;

(4) hohe Effizienz des Sendebetriebs, da alle Sendeabschnitte identisch sind und bezüglich einer optimalen Qualität (Effizienz, Bandbreite, Verstärkung, Ausgangsleistung, niedriges Rauschen) abgestimmt werden können, während die Fähigkeit beibehalten wird, eine zugespitzte Strahleröffnungsillumination und folglich niedere Seitenzipfel sowohl in einer Sende- als auch einer Empfangsbetriebsart zu erzielen;

(5) Rasche Auswahlmöglichkeit (Puls auf Puls (puls to puls) bei einem Radar) einer Strukturcharakteristik, d. h. Veränderung der Strahlbreite, Nebenzipfelpegel, Abhängigkeit bezüglich des Systemmodus des Betriebs, Störsendung und Störflecke aus der Umgebung;

(6) anpassungsfähiges Aufhebungsleistungsvermögen bezüglich eines Amplituden- und Phasentyps beim Empfang.


Anspruch[de]

1. Ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem, welches aus gleichen aktiven Verstärkungsmodulen besteht, zur Erzeugung einer abtastbaren zugespitzt verlaufenden Aperturverteilung mit:

N Hauptstrahlungselementen (72-75), welche räumlich voneinander getrennt und zueinander benachbart sind, um eine lineare Hauptstrahlungsapertur zu bilden,

N Hilfsstrahlungselementen (70, 71, 76, 77), welche außerhalb der Gruppe der Hauptstrahlungselemente (72-75) angeordnet sind und sich in linearer Ausrichtung dazu befinden, um wenigstens eine Hilfsapertur zu bilden,

einer Einrichtung zum Teilen (55) eines Eingangssignals in (56-59) N gleichphasige Zuführungssignale gleicher Leistung,

einer Einrichtung zum Schieben der Phase (60-63) der jeweiligen Zuführungssignale um eine variable Phasenverschiebung als Antwort auf Steuersignale, um einen Gruppenstrahl in eine gewünschte Richtung zu lenken,

einer Einrichtung zum Koppeln (80-83, 85-88) jedes phasenverschobenen Zuführungssignals mit einem jeweiligen Hauptstrahlungselement und einem entsprechenden Hilfsstrahlungselement,

einer Einrichtung (104, 106), welche auf ein Steuersignal anspricht, zum Einstellen der relativen Leistungsteilung zwischen den jeweiligen Haupt- und Hilfselementsignalen, um eine gewünschte Gruppenapertur-Amplitudenverteilung in der Strahlrichtung bereitzustellen,

einer Einrichtung (114) zum Korrigieren der Phase des jeweiligen Hilfselementsignals, um eine lineare Phasenkontinuität zwischen den jeweiligen benachbarten Hilfselementen der Hauptapertur und der Hilfsapertur zu erzielen,

einem Gruppenkontroller (40) zum Bereitstellen der Steuersignale, um den Gruppenstrahl auf eine gewünschte Richtung zu lenken und mit einer gewünschten Gruppenapertur- Amplitudenverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß

die Kopplungseinrichtung aus N identischen aktiven Modulen (100) besteht, wobei jedes einem entsprechenden der N phasenverschobenen Zuführungssignale zugeordnet ist, und jedes Modul eine Einrichtung zum Verstärken (108-110) der jeweiligen phasenverschobenen Zuführungssignale umfaßt, wobei die Verstärkung der Verstärkereinrichtung im wesentlichen identisch der Verstärkung der Verstärkungseinrichtung der anderen N Module ist, und wobei jedes Modul des weiteren

eine Einrichtung zum Teilen (112) der Signalleistung der verstärkten phasenverschobenen Zuführungssignale zwischen einem Hauptelementsignal zum Koppeln des

Hauptstrahlungselementes und einem Hilfselementsignal zum Koppeln des entsprechenden Hilfsstrahlungselementes umfaßt,

wobei jedes aktive Modul (100) keine variablen Phasenschiebevorrichtungen in dem Signalpfad zwischen der Verstärkungseinrichtung und den entsprechenden Strahlungselementen verwendet, welche dem aktiven Modul zugeordnet sind.

2. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Module (100)

eine erste Quadratur-Hybridkopplervorrichtung (113'') umfaßt, welche erste und zweite Paare von Ports aufweist, wobei ein erster Port des ersten Paares von Ports angeschlossen ist, um das jeweilige Zuführungssignal zu empfangen, so daß eine erste Signalkomponente an einem ersten Port des zweiten Paares von Ports bereitgestellt wird und eine zweite Signalkomponente an einem zweiten Port des zweiten Paares bereitgestellt wird,

eine erste variable Phasenverschiebungseinrichtung (104''), welche auf die Steuersignale anspricht, zum Phasenschieben der ersten Signalkomponente um den positiven oder negativen Wert eines ausgewählten Phasenwerts,

eine zweite variable Phasenverschiebungseinrichtung (106'') zum Phasenschieben der zweiten Signalkomponente um den negativen oder positiven Wert des ausgewählten Phasenwerts,

eine erste und zweite Verstärkungseinrichtung (108'', 110'') mit im wesentlichen identischer Verstärkung zum Verstärken der jeweiligen phasenverschobenen ersten und zweiten Signalkomponenten und

eine zweite Quadratur-Hybridkopplervorrichtung (111''), welche erste und zweite Paare von Ports aufweist, wobei die ersten und zweiten phasenverschobenen, verstärkten Signalkomponenten an jeweils einem Port des ersten Paares von Ports empfangen werden, das Hauptelementsignal an einem ersten Port des zweiten Paares von Ports entnommen wird und das Hilfselementsignal an einem zweiten Port des zweiten Paares entnommen wird, und

in welchem die ersten und zweiten Quadratur-Hybridkoppler (111'', 113'') und die erste und zweite Phasenverschiebungseinrichtungen (104'', 106'') die Einrichtung zum Bereitstellen der Hauptelement- und der Hilfselementsignale und zum Korrigieren der Phase des Hilfselementsignals aufweisen.

3. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Modul (100) des weiteren eine Einrichtung zum Trennen von Signalkomponenten aufweist, welche an den entsprechenden Haupt- und Hilfsstrahlungselementen empfangen werden, wobei die Einrichtung erste und zweite Zirkulatorvorrichtungen (120'', 122'') aufweist, welche in den jeweiligen Signalpfaden zwischen den jeweiligen Ports des zweiten Paares von Ports des zweiten Hybridkopplers und den jeweiligen Haupt- und Hilfselementen angeordnet sind.

4. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Modul des weiteren eine Einrichtung zum Trennen von Signalkomponenten aufweist, welche an den entsprechenden Haupt- und Hilfsstrahlungselementen empfangen werden, wobei die Einrichtung erste und zweite Zirkulatorvorrichtungen (120''', 122''') aufweist, welche in dem jeweiligen Signalpfad zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Verstärkereinrichtungen (108''', 110''') und den jeweiligen Ports des ersten Paares von Ports des zweiten Hybridkopplers (111''') angeordnet sind.

5. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Modul

eine Einrichtung zum Teilen des jeweiligen Zuführungssignals in erste und zweite Signalkomponenten von gleicher Amplitude aufweist,

eine erste Einrichtung (104) zum Phasenschieben der ersten Signalkomponente um den positiven oder negativen Wert eines ausgewählten Phasenwerts,

eine zweite Einrichtung (106) zum Phasenschieben der zweiten Signalkomponente um den negativen oder positiven Wert des ausgewählten Phasenwerts,

wobei die erste und zweite Einrichtung zum Phasenschieben zum Auswählen des Phasenwerts und des entsprechenden zugeordneten positiven oder negativen Vorzeichens auf das Steuersignal anspricht,

wobei die Verstärkungseinrichtung erste und zweite Verstärker (108, 110) mit im wesentlichen identischer Verstärkung zum Verstärken der jeweiligen phasenverschobenen ersten und zweiten Signalkomponenten umfaßt,

eine Einrichtung zum Empfang (112) der verstärkten ersten und zweiten phasenverschobenen Komponenten und zum Bereitstellen der Haupt- und Hilfsmodulausgangssignale davon, wobei die Amplitude des Hauptausgangssignals proportional dem Kosinus des ausgewählten Phasenwerts ist und die Amplitude des Hilfsausgangssignals proportional dem positiven oder negativen Wert des Sinus des Phasenwerts ist, wobei der Wert des ausgewählten Phasenwerts ausgewählt wird, um die gewünschte Gruppenapertur-Amplitudenverteilung bereitzustellen

6. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Empfang der ersten und zweiten phasenverschobenen Komponenten einen magischen T-Koppler (112) aufweist, welcher erste und zweite Seitenarmports, einen Summenport und einen Differenzport aufweist, wobei die ersten und zweiten phasenverschobenen Komponenten jeweils an die ersten und zweiten Seitenarmports gekoppelt sind, das Hauptmodulsignal an dem Summenport und das Hilfsmodulsignal an dem Differenzport entnommen werden.

7. Das Gruppenantennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Empfang (112) der ersten und zweiten phasenverschobenen Komponenten einen 3-dB- Hybridkoppler aufweist, wobei der Koppler einen Ausgangsport besitzt, welcher an das Hauptmodul gekoppelt ist, und ein zweites Ausgangsport, welches an das Hilfsmodul gekoppelt ist.







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