Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Radarfrequenzeinheiten an Bord von Flugzeugen, wie etwa Wetterradar und Transponder. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Radarfrequenzeinheit zum Übertragen eines Testausgangssignals mit geringer Energie und zum Verarbeiten des sich ergebenden Testrücksignals, um das VSWR zu bestimmen. Falls das VSWR einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, wird die Übertragung eines Ausgangssignals mit Nennenergie verhindert.

Radareinheiten an Bord von Flugzeugen sind einer Empfängerbeschädigung unterworfen, falls ein Rücksignal einen übermäßigen Energiepegel aufweist. Dazu kann es beispielsweise kommen, wenn die Radareinheit in der Nähe eines starken Reflektors wie etwa einer Flugzeughalle aktiviert wird. In solchen Fällen kann der Energiepegel des Rücksignals die Fähigkeit des Empfängers übersteigen.

Um eine Beschädigung auf ein Minimum zu reduzieren, enthalten einige Einheiten nach dem Stand der Technik als die erste Komponente in der Empfängerschaltung einen Diodenbegrenzer. Jedoch können insbesondere starke Rücksignale die Kapazität des Begrenzers übersteigen. Wenn es dazu kommt, ist die Radareinheit außer Betrieb und das Flugzeug kann gesperrt sein, bis der Begrenzer ausgetauscht ist.

Begrenzer mit höherer Kapazität können installiert werden, doch erhöht dies die Kosten der Radareinheit und ist möglicherweise aufgrund von Raumbegrenzungen im Radom unpraktisch. Der Stand der Technik weist dementsprechend auf die Notwendig einen Weg hin, um eine Empfängerbeschädigung durch energiereiche Rücksignale zu verhindern.

Aus US 3,544,996 ist eine Radarfrequenzeinheit an Bord von Flugzeugen bekannt, die einen Sender zum Übertragen eines Radarfrequenzausgangssignals mit einem Energienennpegel, einen Empfänger zum Empfangen und Verarbeiten eines sich aus der Übertragung des Ausgangssignals ergebenden Rücksignals und ein Steuermittel zum Steuern des Energiepegels des Ausgangssignals und Übertragen eines Testausgangssignals enthält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Radarfrequenzeinheit an Bord von Flugzeugen bereitgestellt, wobei die Einheit einen Sender zum Übertragen eines Radarfrequenzausgangssignals mit einem Energienennpegel, einen Empfänger zum Empfangen und Verarbeiten eines sich aus der Übertragung des Ausgangssignals ergebenden Rücksignals und ein Steuermittel zum Steuern des Energiepegels des Ausgangssignals enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• a. Übertragen eines Testausgangssignals, das einen Energiepegel darstellt, so daß der größte Energiepegel eines resultierenden Testrücksignals kleiner ist als ein größter zulässiger Pegel;
• b. Bestimmen für ein Testrücksignal, ob der Energiepegel des Testrücksignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, wobei dies darauf hinweisen würde, daß ein Ausgangssignal mit einem Energienennpegel dazu führen würde, daß ein Rücksignalenergiepegel den zulässigen Pegel übersteigt; und
• c. Verhindern einer Übertragung eines Energienennpegel-Ausgangssignals, falls der Testrücksignalenergiepegel den Schwellwert übersteigt.

Die vorliegende Erfindung kann die oben erörterten Probleme des Stand der Technik lösen und einen ausgesprochenen Fortschritt beim Stand der Technik bereitstellen. Insbesondere stellt die Erfindung hiervon ein wirtschaftliches und platzsparendes Mittel bereit, um Radareinheitempfängerbeschädigungen zu verhindern, die durch energiereiche Rücksignale verursacht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform überträgt die Radareinheit ein energiearmes Testausgangssignal, so daß der größte Energiepegel eines resultierenden Testrücksignals kleiner ist als ein größter zulässiger Pegel. Das Testrücksignal wird dann verarbeitet, um zu bestimmen, ob der Energiepegel des Testrücksignals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, was darauf hinweist, daß eine Übertragung mit Nennenergie den größten zulässigen Pegel übersteigen würde. Wenn dies der Fall ist, verhindert die Einheit die Übertragung eines Nennpegel-Ausgangssignals.

Bei bevorzugten Formen wird das VSWR (Spannungsstehwellenverhältnis) aus dem Testausgangssignal und dem Testrücksignal bestimmt und das VSWR wird mit einem vorbestimmten VSWR-Schwellwert verglichen. Bei einer Ausführungsform wird das VSWR dazu verwendet, den Energiepegel für ein Ausgangssignal niedrigerer Leistung zu bestimmen, so daß der Energiepegel eines Rücksignals den größten zulässigen Pegel nicht übersteigen würde.

Die einzige Zeichnungsfigur ist ein Blockdiagramm, das die bevorzugte Radareinheitsvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt.

Wie in der Zeichnungsfigur dargestellt, enthält die bevorzugte Radarfrequenzeinheitsvorrichtung 10 einen Senderabschnitt 12, einen Antennenabschnitt 14, einen Empfängerabschnitt 16 und einen Steuerabschnitt 18. Bei den elektrischen Komponenten der Vorrichtung 10 handelt es sich bevorzugt um Modell ART 2000, erhältlich von AlliedSignal in Lenexa, Kansas, das programmgesteuert arbeiten kann und wie hier beschrieben modifiziert ist, um die vorliegende Erfindung umzusetzen. Die Radarfrequenzeinheit oder die Radarvorrichtung umfaßt außerdem, wie hier verwendet, beispielsweise Transponder zusätzlich zu Wetterradarsystemen.

Der Senderabschnitt 12 enthält eine Stromversorgung 20, ein Impulsformnetz 22, ein 4000-Watt-Magnetron 24 und einen E-Ebenen-Isolator 26. Von der Stromversorgung 20 und dem Impulsformnetz 22 erhält das Magnetron 24 entsprechend dem vom Steuerabschnitt 18 empfangenen Impulsbreitensignal 4 Mikrosekunden lang einen Impuls von 3600 Volt bei 3 Ampere. Als Reaktion zündet das Magnetron 24 und liefert einen HF-Impuls an den Isolator 26, was das Magnetron davor schützt, im Fall eines hohen VSWR von der Antenne oder dem Radar gezogen zu werden.

Der Antennenabschnitt 14 enthält einen E-Ebenen-Zirkulator 28, ein harmonisches Filter 30, eine Antenne 32 und eine Antennensteuerschaltung 34. Ein Drei-Port-Zirkulator 28 empfängt den HF-Impuls vom Isolator 26 und gestattet den Hindurchtritt der Magnetronenergie über das Filter 30 zur Antenne 32, verhindert aber den Energiedurchgang zum Empfängerabschnitt 16. Der Zirkulator 28 sorgt für eine Umkehrisolierung von 20 dB. Vom Zirkulator 28 tritt der HF-Impuls durch das harmonische Filter 30 hindurch, das ein Tiefpaßfilter mit einem Übergangspunkt von etwa 12 GHz ist. Das Filter 30 reduziert die Leistung in der zweiten Harmonischen, damit Spezifikationen hinsichtlich der abgestrahlten Harmonischen genügt wird. Der HF-Impuls wird dann von der Antenne 32 als ein Ausgangssignal mit einer Verstärkung von 26,0 dBi als dem bevorzugten Nennenergiepegel für eine Antenne von 10 Zoll (oder 27,8 dBi für eine Antenne von 12 Zoll) in die Atmosphäre abgestrahlt.

Die Antennensteuerschaltung 34 enthält herkömmliche Azimut- und Neigungsmotoren und jeweilige Antriebsschaltungen mit Azimut- und Neigungs-Hall-Sensoren (nicht gezeigt), die mit dem Steuerabschnitt 18 gekoppelt sind. Die Schaltung 34 steuert die Azimut- und Neigungsbewegung der Antenne 32.

Ein sich aus der Übertragung des Ausgangssignals ergebendes Rücksignal wird von der Antenne 32 empfangen und über das Filter 30 zum Zirkulator 28 weitergeleitet. Der Zirkulator 28 verhindert, daß das Rücksignal zum Magnetron 24 läuft. Stattdessen legt der Zirkulator 28 das Rücksignal an den Empfängerabschnitt 16 an.

Der Empfängerabschnitt 16 enthält einen Diodenbegrenzer 36, eine Mischschaltung 38, einen Vorverstärker 40, ein Bandpaßfilter 42, einen Verstärker 44 mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC), einen Verstärker 46 mit manueller Verstärkung, eine Empfängerschaltung 48, eine Displayschaltung 50, eine AGC-Ansteuerung 52 und eine Ansteuerung 54 für die manuelle Verstärkung. Der Diodenbegrenzer 36 empfängt das Rücksignal vom Zirkulator 28 und wird dazu verwendet, die Komponenten des Empfängerabschnitts 16 von durch Signale mit einem hohen Energiepegel verursachten Beschädigungen zu schützen. Insbesondere begrenzt der Begrenzer 36 die Stärke der Rücksignalenergie, die zu den anderen Komponenten des Empfängerabschnitts 16 weitergeleitet wird. Obwohl der Zirkulator 28 20 dB an Isolierung vom Magnetron 24 bereitstellt, wird zudem einige Magnetronenergie vom Empfängerport des Zirkulators 28 aus weitergeleitet. Der Begrenzer 36 begrenzt außerdem die Stärke der zu den anderen Empfängerkomponenten weitergeleiteten Magnetronenergie.

Der Mischer 38 enthält einen rauscharmen Verstärker, einen Mischer, einen Überlagerungsoszillator und einen Puffer mit dem Verstärkungsfaktor 1. Der Mischer 38 empfängt das Rücksignal vom Begrenzer 36 und liefert ein gepuffertes 59 MHz IF-Rücksignal mit einer Verstärkung von 5 dB an den Vorverstärker 40, der eine Verstärkung von etwa 30 dB liefert. Vom Vorverstärker 40 aus läuft das Rücksignal durch das 800 kHz-Bandpaßfilter 42.

Die Verstärker 44 und 46 liefern zwei Verstärkungsstufen. Der AGC-Verstärker sorgt für eine Empfindlichkeitszeitsteuerung, und die automatische Verstärkungssteuerung kann entsprechend dem Steuereingang der AGC-Ansteuerung 52 zwischen 35 dB und –5 dB Verstärkung variieren. Der Verstärker 46 mit der manuellen Verstärkung ist der nachgestellte Verstärker, wenn vom Benutzer der Vorrichtung 10 eine manuelle Verstärkungsnachstellung ausgewählt ist. Die Verstärkung des Verstärkers 46 variiert je nach der ausgewählten Verstärkungseinstellung zwischen etwa 30 dB und 10 dB.

Die Rücksignalausgabe des Verstärkers 46 wird der Empfängerschaltung 48 (individuelle Komponenten nicht gezeigt) zugeführt, die das Rücksignal auf herkömmliche Weise verarbeitet und die es darstellende digitale Daten über den Datenbus an den Steuerabschnitt 18 und an die Displayschaltung 50 liefert.

Die Displayschaltung 50 enthält ein herkömmliches Wetterradardisplay und zugeordnete Komponenten, um dem Piloten eine Sichtdarstellung des Rücksignals wie etwa Wolkenbildungen zu liefern. Die Schaltung 50 enthält, wie hier weiter erörtert wird, auch ein VSWR-Display.

Die AGC-Ansteuerung 52 und die Ansteuerung 54 für manuelle Verstärkung liefern Verstärkungssteuerausgänge an die Verstärker 44 bzw. 46 entsprechend den über den Datenbus von dem Steuerabschnitt 18 ausgelieferten Daten.

Der Steuerabschnitt 18 enthält einen Mikroprozessor 56, einen Festwertspeicher (ROM) 58 und einen Ausgangsport 60 zusammen mit einer herkömmlichen Unterstützungsschaltung 62 (individuelle Komponenten nicht gezeigt), wie etwa RAM, EEPROM, Chipauswahl-, Rücksetz- und Überwachungsschaltung, Oszillator, Zeitleitungsunterbrechung, Impulsbreiten- und AFC-Steuerung, Eingangsports und Multiplex-Buskoppler. Der Mikroprozessor 56 arbeitet gemäß einem im ROM 58 gespeicherten Computerprogramm. Der Ausgangsport 60 liefert das Impulsbreitensignal an das Pulsformnetz 22 entsprechend dem Programm im ROM 58.

Das bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung wird durch das im ROM 58 gespeicherte Betriebsprogramm umgesetzt, das modifiziert ist, um die hier beschriebenen Schritte durchzuführen. Das Nennausgangssignal ist, wie hier erörtert, ein 4-kW-Signal (6 kW bei einer Antenne von 12 Zoll) mit einer Zeitimpulsbreite von 4 Mikrosekunden, was zu einer normalen größten reflektierten Leistung im Rücksignal von 500 Watt führt. Die Empfängerschaltung 16 ist dementsprechend ausgelegt, ein 500-Watt-Rücksignal zu verarbeiten, und der Begrenzer 36 ist so konfiguriert, daß er die Signalstärke auf diesen Pegel begrenzt. In einigen Fällen jedoch kann ein Nennausgangssignal zu einem Rücksignal mit einem Pegel von über 500 Watt führen. Dazu könnte es bei Reflexion von einem nahegelegenen Reflektor wie etwa von einer Flugzeughalle kommen, oder wenn das Radom fehlerhaft ist, um Beispiele zu nennen. In diesem Fall könnte der Energiepegel des Rücksignals so hoch sein, daß der Begrenzer beschädigt wird.

Dementsprechend ist die Vorrichtung 10 so programmiert, daß sie gelegentlich in einem Testmodus arbeitet, wie hier weiter erläutert wird. Im Testmodus überträgt das Programm anstelle des Nennausgangssignals ein Testausgangssignal. Das bevorzugte Testausgangssignal stellt einen reduzierten Energiepegel als einen Impuls mit einer Zeitimpulsbreite von 1 Mikrosekunde anstelle der nominellen 4 Mikrosekunden bereit. Dadurch beträgt die Testausgangssignalenergie etwa ein Viertel der der Ausgangssignalnennenergie. Die Testausgangssignalenergie ist so konfiguriert, daß der größte Energiepegel eines resultierenden Testrücksignals kleiner ist als der bevorzugte größte zulässige Pegel von 500 Watt. Das heißt, daß der größte Energiepegel eines Rücksignals selbst dann nicht den größten zulässigen Pegel übersteigen würde, wenn sich das Flugzeug in der Nähe eines nahegelegenen Reflektors befinden würde.

Ein sich aus der Übertragung des Testausgangssignals ergebendes Testrücksignal wird über den Antennenabschnitt 14 empfangen und im Empfängerabschnitt 16 und im Steuerabschnitt 18 verarbeitet. Es versteht sich, daß das Testrücksignal eine geringe Signalstärke aufweist. Das Programm bewirkt dementsprechend, daß die AGC-Ansteuerung 52 und die Ansteuerung 54 für manuelle Verstärkung die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 44 bzw. 46 auf Verstärkungsfaktoren erhöhen, die für eine präzise Analyse hoch genug sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 44, 46 auf ein Maximum unter der Sättigung nachgestellt.

Als nächstes bestimmt das Programm die Beziehung zwischen den Energiepegeln des Testausgangssignals und des Testrücksignals. Insbesondere bestimmt das Programm das VSWR, das auf dem Display der Displayschaltung 50 dargestellt wird. Als nächstes vergleicht das Programm das VSWR mit einem vorbestimmten Schwellwert, der bei der bevorzugten Ausführungsform ein VSWR von 2/1 ist. Falls das VSWR diesen Schwellwert übersteigt, weist dies darauf hin, daß die Übertragung eines Ausgangssignals mit einem Energienennpegel zu einem Rücksignal mit einem Energiepegel führen würde, der den größten zulässigen Pegel übersteigt. Das Programm verhindert dementsprechend die Übertragung eines Ausgangssignals mit einem Energienennpegel.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung aktiviert das Programm einen Alarm (der als Teil der Displayschaltung 50 enthalten ist), wenn das VSWR den Schwellwert übersteigt. Bei einer weiteren Ausführungsform berechnet das Programm außerdem einen reduzierten Energiepegel für ein Ausgangssignal mit reduzierter Energie (beispielsweise 3 Mikrosekunden), so daß ein sich ergebendes Rücksignal einen Energiepegel aufweisen würde, der unter dem größten zulässigen Pegel liegt, und es ermöglicht dann den Betrieb der Vorrichtung 10 unter Verwendung von Ausgangssignalen mit reduzierter Energie. Die Ausgangssignale mit reduzierter Energie unterliegen einer Minimalanforderung, daß die Energie für den Nutzbetrieb der Vorrichtung 10 ausreicht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform würde der Testmodus immer dann implementiert werden, wenn die Vorrichtung 10 bestromt wird, wenn der Bereich geändert wird oder bei manueller Aktivierung. Es wird außerdem bevorzugt, daß das Programm den Testmodus bei jeder von ausgewählten Antennenpositionen implementiert, einschließlich der Maximal- und Minimal-, Azimut- und Neigungsposition und der Antennenmittelposition.

Der Fachmann versteht außerdem, daß man durch die Bestimmung und die Anzeige des VSWR bei Betrieb und während der Reparatur nützliche Informationen erhält. Das VSWR-Display fungiert wie ein Indikator für den Piloten hinsichtlich des Leistungsstatus der Radareinheit. Außerdem kann das VSWR-Display als ein Radomtester fungieren. Indem das VSWR bei abgenommenem Radom mit dem VSWR bei aufgesetztem Radom verglichen wird, kann ein Techniker bestimmen, wieviel Signalreflexion durch das Radom selbst verursacht wird.

Die vorliegende Erfindung schließt viele Variationen an den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ein. Beispielsweise ist die Nützlichkeit der Erfindung nicht auf Impulsradarsysteme oder auf Radareinheiten mit den hier beschriebenen Leistungsniveaus beschränkt.