Flughafenradare für kleine Flughäfen oder solche mit Teilzeitbetrieb umfassen einen Höhenradar, der Flugzeuge beim Anflug an die Landebahn oder beim Verlassen dieser detektiert. Der Radar umfasst eine lineare Anordnung von Sende-Empfangs(TR-) Einheiten, die die Phase eines Eingangssignals ändert, dieses verstärkt und das verstärkte Signal an ein Radarhorn übermittelt. Die Phasen der TR-Einheit werden genauestens geregelt, um ein schmales Strahlenbündel zu erzeugen, wobei einige Radare zur Steuerung des Strahlenbündels (z.B. zum Ausrichten desselben in unterschiedliche Winkel) fähig ist. Der korrekte Betrieb der TR-Einheiten wurde bisher durch Positionieren einer Sonde vor dem Radar und Bewegen dieser entlang der Länge des Horns nachgewiesen, um so zu versuchen, den korrekten oder nicht korrekten Betrieb der TR-Einheiten nachzuweisen. Dies war jedoch zeitaufwendig und nur mäßig präzise. Ein Radarsystem, das eine schnelle und präzise Bewertung einer jeden TR-Einheit zulässt, um zu bestimmen, ob diese korrekt verstärkt und die Phase wie geplant ändert, wäre von großem Wert.

Das U.S.-Patent Nr. 5.337.059 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zur Bestimmung einer Aperturflächenausleuchtung einer phasengesteuerten Gruppenantenne. Das Gerät und das Verfahren bewerten ein von einem ersten Ausgangssignal des Überwachungswellenleiters erhaltenes Überwachungssignal. Um Informationen aus einem Teil des Überwachungssignals zu erhalten, der zumindest einer Periode des Fernfeldmusters der Antenne entspricht, werden Teile des Überwachungssignals, die bei verschiedenen Überwachungswinkeln sichtbar sind, kombiniert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Radarsystem bereitgestellt, das eine einfache und schnelle Kalibrierung mit einer relativ einfachen Konstruktionsweise ermöglicht. Das Radarsystem umfasst eine lange Extrusion, die zwei Wellenleiter und die Basis eines Hornstrahlers umfasst. TR-(Sende-Empfangs-) Einheiten sind am Wellenleiter angebracht, wobei jede Einheit über eine Eingangssonde, die mit einem Eingangswellenleiter der Extrusion gekoppelt ist, und über einen Monopol, der in die Basis des Hornstrahlers hinein vorsteht, verfügt. Ein zweiter der Extrusionswellenleiter ist ein Kalibrierungswellenleiter, der an zahlreichen Stellen mit dem Hornstrahler gekoppelt ist. Ein Messfühler am Ende des Kalibrierungswellenleiters detektiert darin gegenwärtige Mikrowellen. Um das System zu kalibrieren wird ein kohärentes Signal in den Eingangswellenleiter eingespeist, und nacheinander werden die einzelnen TR-Einheiten mit Energie beaufschlagt, wobei ihre Phasenverschiebung geregelt ist, sodass im Hornstrahler Mikrowellen erzeugt werden. Das Ausgangssignal des Messfühlers am Ende des Kalibrierungswellenleiters wird detektiert. Das Ausgangssignal des Messfühlers gibt an, ob die bestimmte mit Energie beaufschlagte TR-Einheit ausreichend Mikrowellenleistung erzeugt oder nicht. Das Ausgangssignal des Messfühlers wird mit dem an den Eingangswellenleiter übermittelten Signal verglichen, und der Phasenschieber der mit Energie beaufschlagten TR-Einheit wird geregelt, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Phasenverschiebung an dieser Einheit erzeugt wird.

In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Radarsystem gemäß Anspruch 1 bereit. In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Prüfung eines Radarsystems nach Anspruch 9 bereit.

Die neuartigen Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen ausführlich dargelegt. Durch die folgende Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung noch besser verständlich werden.

1 ist eine isometrische Ansicht eines Radarsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.

2 ist eine teilweise explodierte isometrische Ansicht des Radarsystems aus 1.

3 ist ein Querschnittsansicht der Höhenradarstruktur aus 2.

4 ist eine vergrößerte Ansicht der Extrusion aus 3, die in gestrichelten Linien eine mit dieser verbundene TR-Einheit zeigt.

5 ist eine Ansicht entlang der Linie 7-7 aus 4.

6 ist eine schematische Darstellung, welche zeigt, auf welche Weise eine TR-Einheit kalibriert wird.

7 ist eine schematische Darstellung, welche zeigt, auf welche Weise ein Radarstrahlenbündel gesteuert wird.

1 veranschaulicht ein Radarsystem 10, welches eine Höhenradaranordnung 12 und eine Azimutradaranordnung 14 umfasst. Die Höhenradaranordnung 12 ist im Allgemeinen stationär, und ihr Radarstrahlenbündel 16 ist im Allgemeinen auf eine einzige Landebahn ausgerichtet, um die die Landebahn anfliegenden Flugzeuge zu lotsen. Die Azimutradaranordnung 14 dreht sich im Allgemeinen kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise einer Umdrehung pro Sekunde um eine vertikale Achse 20, sodass ihr Radarstrahlenbündel 22 Flugzeuge detektieren kann, die sich aus jeder beliebigen Richtung dem Flughafen nähern. Eine Steuer- und Stromversorgungszentrale 24 steuert die Radaranordnungen.

2 zeigt, dass die Höhenradaranordnung 12 eine vertikale, zentrale Kernsäule 30, eine äußere vertikale zylindrische Abdeckung 32 und Module 34, 36 umfasst, die sich strahlenförmig von der zentralen Kernsäule 30 zur Abdeckung 32 erstrecken und an beiden dieser befestigt sind. Das erste Modul 34 umfasst einen Hornstrahler 40 und eine lineare Anordnung von TR-(Sende-Empfangs-) Einheiten 42, wobei die gezeigte Anordnung hundertfünfzehn derartiger vertikal entlang dem Horn beabstandeter Einheiten umfasst. Das zweite Modul 36 umfasst Schnittstellenschaltungen oder Strom- und Schaltkreise 44, wobei fünf derartiger Schaltungen entlang einem Rahmen 46 des zweiten Moduls 36 beabstandet angeordnet sind. Jede der Schaltungen 44 ist über Kabel 50 mit dreiundzwanzig TR-Einheiten 42 verbunden.

3 zeigt einige Einzelheiten der Sende-Empfangs-Struktur des Höhenradars der Höhenradaranordnung 12, oder des ersten Moduls 34. Das Modul umfasst eine Metallextrusion 70 (Aluminium), die die verschiedenen Radarkomponenten, einschließlich der TR-Einheiten 42 und des Horns 40, trägt und koppelt. Die Extrusion 70 wird am vertikalen, zentralen Kern 30 durch eine Halterung 71, die ein Kupplungselement 72 und ein Paar Bügel 74, 76 umfasst, gehalten. Die Extrusion 70 ist zudem mit der äußeren zylindrischen Abdeckung 32 über ein Paar an Hornmittelteilen 80 aus extrudiertem Metall und ein Paar geformter Hornverlängerungen 82 verbunden. Es wird festgehalten, dass die zylindrische Abdeckung 32 in erster Linie aus Blech besteht, jedoch auch ein Kunststoffradom 84 umfasst, dass den raschen Durchtritt der Radarmikrowellen zulässt. 2 zeigt, zeigt, dass die Extrusion 70 und das zumindest teilweise durch die Extrusion gebildete Horn 40 in eine vertikale Richtung V verlängert sind, wobei das Horn in eine zweite Richtung 120 ausgerichtet ist, die hauptsächlich senkrecht zur vertikalen Richtung steht.

4 zeigt einige Details der Extrusion aus Metall (oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material). Die Extrusion bildet einen Eingangswellenleiter 90, einen Kalibrierungswellenleiter 92 und eine Hornbasis 94 aus. Während der Übertragung wird ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz, wie beispielsweise 9,1 GHz, entlang dem Wellenleiter übermittelt, um eine Eingangssonde 100 einer jeden der zahlreichen TR-Einheiten 42, die entlang der Extrusion beabstandet angeordnet sind, zu erreichen. Jede TR-Einheit überträgt das von ihrer Eingangssonde 100 erhaltene Signal an einen Phasenschieber 102, der die Phase des Signals um einen geregelten Winkel verschiebt. Das Ausgangssignal des Phasenschiebers 102 wird an einen Verstärker 104 übermittelt, der das Signal verstärkt und durch ein Filter 106 der Einheit an einen Strahler/Detektor 110 in Form eines Mikrowellenstabs oder Monopols überträgt. Der Monopol 110 bildet einen Mikrowellenausgang, der Mikrowellen an das Horn zur Bildung eines Radarstrahlenbündels überträgt, und dient gleichzeitig als Messfühler zur Detektion der Radarreflexion. Der Monopol 110 steht durch ein Hornenergiezufuhrloch 114 in das Horn hinein vor. Die Mikrowellenenergie aller TR-Einheiten der Anordnung werden kombiniert, um ein Radarbündel zu bilden, das entlang dem Horn übertragen wird. Jede TR-Einheit ist mit einer Netzleitung 110', über die sie mit Strom, wie beispielsweise Gleichstrom mit 12 V, gespeist wird, mit einer Phasenregelungsleitung 112, über die sie Signale erhält, die die Phasenverschiebung des Phasenschiebers 102 einstellen, und mit einer Verstärkungssteuerleitung 116 verbunden. Ein ähnlicher Vorgang läuft beim Empfang eines reflektierten Radarsignals ab, wobei das Signal von den Monopolen 110 abgenommen wird, verstärkt und die Phase verschoben wird und schließlich an den Eingangswellenleiter 90 überragen wird.

Vor der Verwendung des Radarsystems sollte jede der Radaranordnungen geprüft werden. Ein Prüfung bestünde darin zu bestimmen, welche der TR-Einheiten, falls überhaupt, nicht in etwa den erwarteten Leistungspegel an das Horn übermittelt. In einem Beispiel ist jede TR-Einheit so konstruiert, dass sie in etwa 4 Watt Leistung bei 9,1 GHz überträgt. Fällt das Ausgangssignal deutlich unter diesen Pegel, so sollte diese TR-Einheit ausgetauscht werden. Da aber diese lineare Anordnung hundertfünfzehn TR-Einheiten umfasst, funktionierte der Radar auf befriedigende Weise, sofern nicht mehrere TR-Einheiten kein Ausgangssignal erzeugen.

Eine weitere sinnvolle Prüfung besteht darin, die von jeder TR-Einheit erzeugte tatsächliche Phasenverschiebung zu bestimmen, wenn diese eingestellt ist, eine vorbestimmte Phasenverschiebung zu erzeugen. 7 zeigt eine lineare Anordnung von Monopolen 110. Sind die Ausgangssignale aller Monopole phasengleich, so wird ein Strahlenbündel erzeugt, das sich in eine senkrecht zur Länge der Anordnung der Monopole stehende Richtung 120 bewegt. Wird nun gewünscht, das Bündel so zu steuern, dass es in eine andere Richtung 122 ausgerichtet ist, so wird dies durch Steuern der Ausgangssignale der Monopole 100 erzielt, sodass ihre Ausgangssignale entlang einer senkrecht zur Richtung 122 des Bündels verlaufenden Linie 124 phasengleich sind. Dies setzt voraus, dass Ausgangssignale aller TR-Einheiten genauestens geregelt sind.

Mit erneutem Bezug auf 4 kann festgestellt werden, dass die Extrusion so konstruiert ist, dass Abnahmestellen in Form von Überwachungslöchern 130 bereitgestellt sind, die sich zwischen der Hornbasis 94 und dem Kalibrierungswellenleiter 92 erstrecken. Dies ermöglicht einem kleinen Teil der Leistung im Horn den Durchtritt durch den Kalibrierungswellenleiter 92 zu einem einzelnen Messfühler 132, der entlang dem Kalibrierungswellenleiter, beispielsweise an einem Ende desselben, angeordnet ist. Wird eine einzelne TR-Einheit mit Energie beaufschlagt oder eingeschaltet, ist das vom Messfühler 132 abgefühlte Signal ein vorbestimmter Anteil des Ausgangssignals dieser TR-Einheit. Das Signal vom Messfühler 132 zeigt an, ob die TR-Einheit Leistung im ungefährer Nähe des erwarteten Pegels erzeugt oder nicht. Die Ausgangssignale des Messfühlers 132 zeigt weiters die Phase der vom Monopol 110 an das Horn übertragenen Leistung an. Vor oder während der Zeit, zu der die TR-Einheit ein Eingangssignal, das durch den Eingangswellenleiter 90 übertragen wird, erhält, kann ein über die Phasenregelungsleitung 112 übermitteltes Signal angepasst werden, um eine vorbestimmte erwartete Phasenverschiebung durch den Phasenschieber 102 zu erzielen. Ob es nun tatsächlich zur Phasenverschiebung kommt oder ob die Phasenverschiebung größer oder kleiner als das erwartete Ausmaß ist (dann muss das Regelungssignal zur Erzeugung der gewünschten Verschiebung angepasst werden), kann durch die Überwachung des Ausgangssignals des Messfühlers 132 ermittelt werden.

6 zeigt eine Weise, auf die die von einer bestimmten TR-Einheit 42A erzeugte Phasenverschiebung bestimmt werden kann. Eine Phasendifferenzschaltung 140 verfügt über einen Eingang, der mit einem Messfühler 142 verbunden ist, der ein durch den Wandler 148 an den Eingangswellenleiter 90 übermitteltes Signal 144 detektiert. 6 zeigt einen Oszillator 146 zur Erzeugung eines Eingangssignals mit einer Frequenz von beispielsweise 9,1 GHz, obwohl auch andere Mittel eingesetzt werden können. Der Eingangssignal-Messfühler 142 detektiert die Phase an einer bestimmten Stelle entlang dem Eingangswellenleiter 90 des vom Schaltkreis 146 erzeugten Signals. Die Phase des Signals 144 variiert zu jedem Zeitpunkt mit der jeweiligen Position entlang dem Wellenleiter 90, und die Phasenverschiebung zwischen dem Eingangsende 150 und der Stelle der Eingangssonde 100A ist genauestens bekannt. Auch wenn der Phasenschieber 102 der TR-Einheit 42A auf Nullphasenverschiebung eingestellt ist, ist das Ausgangssignal an ihrem Monopol 100A üblicherweise nicht gleich null. Während das Kalibrierungssignal 152 entlang dem Kalibrierungswellenleiter 92 wandert, ändert sich die momentane Phase, und die Phasenverschiebung zwischen dem Monopol 110A und dem Kalibrierungswellenleiter 132 ist bekannt.

In einem Beispiel für ein von den Anmeldern konzipiertes System ist bekannt, dass wenn der Phasenschieber 102 auf null eingestellt ist, es zu einer Phasenverschiebung von 180° zwischen der Sonde 100A und dem Monopol 110A bei 9,1 GHz kommt. Wäre also die Phasendifferenzschaltung zwischen der Sonde 100A und dem Monopol 110A angeschlossen, so würde sie bei 9,1 GHz eine Verschiebung von 180° registrieren. Diese 180°-Verscheibung und die anderen Phasenverschiebungen entlang den beiden Wellenleitern 90, 92 können berücksichtigt werden, um die vom Phasenschieber 102 erzeugte Nettophasenverschiebung zu bestimmen. Die Phase des Phasenschiebers 102 kann durch eine Phasensteuerung 160 angepasst werden, bis die gewünschte Phasenverschiebung erhalten ist. In diesem konzipierten System detektiert, wenn eine zweite TR-Einheit 42B mit einem eine Nullverschiebung erzeugenden Phasenschieber betrieben wird, die Phasendifferenzschaltung 140 beim Betrieb mit 9,1 GHz eine Phasenverschiebung, die um 217,4° größer ist als die der benachbarten TR-Einheit 42A (falls auch Nullverschiebung eingestellt) ist.

Vor der Verwendung des Radarsystems kann jede der hunderfünfzehn TR-Einheiten kalibriert werden, indem ein kontinuierliches Eingangssignal 144, mit dem nacheinander jede TR-Einheit 42 gespeist wird, entlang dem Eingangswellenleiter 90 ausgesandt und das Ausgangssignal am Messfühler 132 detektiert wird. Die Amplitude des Ausgangssignals wird von einem Schaltkreisabschnitt 162 detektiert, und die Phase des Ausgangssignals wird vom Schaltkreis 140 detektiert, während die Phasenregelung 160 die Phase ändert. Dieser Kalibrierungsvorgang kann für jede der TR-Einheiten in der Anordnung wiederholt werden. Für jede Einheit, bei der die erwartete Phasenverschiebung mit einem bestimmten Phasenregelungssignal nicht erreicht wird, wird das Phasenregelungssignal so lange geändert, bis die gewünschte Phasenverschiebung erzielt ist, und das neue Phasenregelungssignal wird für die spätere Verwendung bei der Steuerung des Radarstrahlenbündels notiert.

Zuvor wurde das Ausgangssignal des Radarsystems kalibriert, indem eine Sonde vor dem Horn angeordnet und die Sonde zu einer genauen Position relativ zu einer mit Energie beaufschlagten TR-Einheit bewegt wurde, um die Amplitude und die Phase dieser TR-Einheit zu bestimmen. Die Positionierung der Sonde relativ zu jedem Monopol der TR-Einheit setzte die Verwendung einer langen, biegsamen, phasenstabilen Übertragungsleitung für die Verbindung der Sonde mit einem Messinstrument voraus. Derartige Kabel sind jedoch schwierig zu erhalten. Auch war eine derartige Kalibrierung nicht sehr präzise und zeitaufwendig. Die Anordnung des Anmelders hingegen, die eine Kalibrierung ohne bewegliche Sonde oder andere bewegliche Teile ermöglicht, erlaubt eine präzise Kalibrierung und macht die Durchführung der Kalibrierung in einem relativ kurzem Zeitraum möglich.

5 zeigt, dass Überwachungslöcher 130 entlang der Länge der Extrusion 70 mit einem Abstand A beabstandet angeordnet, der der Beabstandung der Eingangslöcher 170, durch die die Eingangssonden 100 vorstehen, und der Hornenergiezufuhrlöcher 114, durch die die Monopole 100 vorstehen, entspricht. Der Abstand A ist geringer als die Wellenlänge der Radarsignale, wie beispielsweise etwa 80 % der Wellenlänge, um so das Steuern des Strahlenbündels ohne Bildung großer Nebenkeulen zu ermöglichen. Die Überwachungslöcher 130 umfassen alternierende Überwachungslöcher 130A, die zwischen zwei mit dem TR-Einheit-Abstand A voneinander beabstandeten Löchern 130 liegen. Die Extrusion 70 ist so hergestellt, dass sie Befestigungslöcher 174 für TR-Einheiten (4) umfasst, an denen die TR-Einheiten befestigt werden. 4 ist zu entnehmen, dass die Extrusion Nuten 176 umfasst, die Schrauben 178 aufnehmen, welche die Mittelteile 80 des Horns halten. 3 zeigt, dass die Hornverlängerungen 82 aus Blech mit etwa 90°-Biegungen 180, 182 oder Flanschen an ihren Enden zur Befestigung am Mittelteil 80 bzw. an der äußeren zylindrischen Abdeckung 32 ausgebildet sind. Dieselbe Extrusion und dasselbe Kalibrierungsverfahren können für die Azimutradaranordnung 14 eingesetzt werden.

In dem vom Anmelder konzipierten Radarsystem wies die vertikale Extrusion 70 (2) eine Länge von etwa 10 Fuß auf und trug hundertfünfzehn TR-Einheiten mit einem Abstand S von 0,96 Zoll zueinander, was in etwa 75 % der Freiraumwellenlänge bei 9,1 GHz entspricht. Das Radarstrahlenbündel 16 (1) wies einen horizontalen Winkel 250 von 30° (wo sein Ausgangssignal um mehr als 3 dB unter die zentrale Amplitude gefallen war) und einen vertikalen Winkel 252 von 0,5° auf. Das Bündel 116 konnte durch Anpassen der relativen Phasen der TR-Einheiten um 15° nach unten und nach oben bewegt werden. Das Azimutradar-Strahlenbündel 22 bildete ein Bündel mit einem vertikalen Winkel 254 von 30° und einem horizontalen Winkel 256 von 1°. Die Radaranordnungen konnten ausreichend schnell kalibriert werden, um an jedem Morgen vor der Inbetriebnahme kalibriert zu werden (auf kleinen Flughäfen landen Flugzeuge üblicherweise nur tagsüber).

Die Erfindung stellt somit ein Radarsystem bereit, das einfach konstruiert ist und eine schnelle und präzise Kalibrierung ermöglicht. Eine Extrusion ist mit einer Hornbasis (die das gesamte Horn sein kann), einem Eingangswellenleiter und einem Kalibrierungswellenleiter ausgebildet, wobei TR-Einheiten an der Extrusion angebracht und mit dem Eingangswellenleiter sowie dem Horn gekoppelt sind. Die Hornbasis oder das Horn verfügt über eine Innenwand und ein Paar Seitenwände, und der Kalibrierungswellenleiter ist über eine der Hornwände mit dem Horn gekoppelt. Ein Messfühler ist beispielsweise an einem Ende des Kalibrierungswellenleiters mit diesem gekoppelt, der die Detektion der Amplitude und der Phase einer jeden TR-Einheit ermöglicht, wenn jede TR-Einheit einzeln zur Erzeugung eines Ausgangssignals im Horn mit Energie beaufschlagt wird.

Obwohl hierin bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, wird anerkannt, dass Modifikationen und Variationen, die Fachleute auf dem Gebiet auf einfache Weise daran vornehmen können, in den Schutzumfang der Ansprüche fallen.