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Phasengesteuertes Antennenfeld
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Die Erfindung bezieht sich auf ein phasengesteuertes Antennenfeld
mit einzelnen Antennenelementen.
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In einem solchen Antennenfeld wird eine Strahlungskeule durch eine
bestimmte Phasenbelegung der Antennenelemente erzeugt. Eine Sendekeule entsteht,
wenn die Einzelstrahlermit Sendeträgern gespeist werden, die vorgegebene Phasenunterschiede
aufweisen. Eine Empfangskeule entsteht, wenn die von den Einzelstrahlern empfangenen
Trägersignale mit vorbestimmten Phasenverschiebungen beaufschlagt werden. Mit anderen
Worten läßt sich mittels eines solchen Antennenfeldes eine Richtantenne verwirklichen,
deren Richtstrahlung sowohl hinsichtlich der Strahlbreite der Hauptkeule als auch
hinsichtlich der Strahlrichtung dieser hauptkeule durch die Phasenbelegung der einzelnen
Antennenelemente gesteuert werden kann.
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Die Einstellung einer gewünschten Phasenbelegung und damit die Einstellung
einer bestimmten Strahlungskeule
kann mit Hilfe von Phasenschiebern
oder durch Vorgabe von Sollwertspannungen für die den einzelnen Antennenelementen
zugeordneten Phaseneinstellvorrichtungen herbeigeführt werden. Wie beispielsweise
die Literaturstelle "Electronic Design, April 1961, Seite 170, ausweist, kann die
Phasenbelegung der Antennenelemente des Antennenfeldes mit einer festverdrahteten
oder schaltbaren passiven Phasenschiebermatrix erzeugt werden, die entweder in der
Radiofrequenzebene unmittelbar vor den einzelnen Antennenelementen oder im Zwischenfrequenzbereich
eingefügt wird.
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Wie die Praxis zeigt, führen bei der Einstellung der Phasenbelegung
im Radiofrequenzbereich die unvermeidlichen Dämpfungsverluste der Phasenschieberelemente
zur Reduzierung der abgestrahlten Leistung bzw. zur Verminderung der Empfangsempfindlichkeit.
Wird dagegen die Phasenbelegung im Zwischenfrequenzbereich eingestellt, so können
die Sende- und Empfangsverstärker bei minimalen Zuleitungsverlusten an die einzelnen
Antennenelemente angekoppelt werden. Es ist hierbei jedoch zu beachten, daß für
die Ausrichtung der Antennenkeulen die Phasenbeziehung in der Radiofrequenzebene
an den Anschlüssen der einzelnen Antennenelemente entscheidend ist. Es besteht mit
anderen Worten die latente Gefahr, daß die im Zwischenfrequenzbereich eingestellten
Phasenverschiebungen bei der Ubertragung in die Radiofrequenzebene verfälscht werden,
z.B. durch temperatur-und alterungsabhängige Phasencharakteristiken der Sende- und/oder
Empfangseinrichtungen. Die Folge davon sind unerwünschte Deformationen der Antennenkeule
und Richtfehler in der Strahlungscharakteristik.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein phasengesteuertes
Antennenfeld der einleitend genannten Art eine weitere Lösung anzugeben, die auch
bei Vor-
nahme der Phaseneinstellung in der Zwischenfrequenzebene
diese Einstellung mit hoher Genauigkeit auch in der Radiofrequenzebene gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird für ein als Sendeantenne vorgesehenes phasengesteuertes
Antennenfeld mit einzelnen Antennenelementen, die jeweils an die Ausgänge von Sendeeinrichtungen,
die mit Phaseneinstellvorrichtungen für den Träger des den Sendeeinrichtungen gemeinsamen
Sendesignals aufweisen, angeschaltet sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
jede Sendeeinrichtung einen Pilotregelkreis mit einem einstellbaren Phasenschieber
und einem Phasendiskriminator aufweist, dessen ersten Eingang das dem Sendesignalweg
in der ZF-Ebene zugesetzte und in der RF-Ebene am Ausgang der Sendeeinrichtung wiederum
ausgekoppelte Pilotsignal zugeführt ist und an dessen zweiten Eingang das über einen
Pilotsignalweg in gleicher Weise in die RF-Ebene umgesetzte Pilotsignal ebenfalls
ansteht und daß der Ausgang des Phasendiskriminators mit dem Stelleingang des Phasenschiebers
in Verbindung steht, der entweder vor dem Umsetzer und hinter der Pilotsignalzuführung
im Sendesignalweg oder aber vor dem Eingang des Umsetzers für den Umsetzoszillator
angeordnet ist.
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Ferner wird diese Aufgabe für ein als Empfangsantenne vorgesehenes
phasengesteuertes Antennenfeld mit einzelnen Antennenelementen, die jeweils an die
Eingänge von Empfangs einrichtungen, die Phaseneinstellvorrichtungen für den Träger
der an den Ausgängen der Empfangseinrichtungen zu einm Summensignal zusammengefaßten
Empfangssignale aufweisen, angeschaltet sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß jede Empfangseinrichtung einen Pilotregelkreis mit einem einstellbaren Phasenschieber
und einem Phasendiskriminator aufweist, dessen erster Eingang das dem Empfangssignalweg
in der Radio-
frequenz ebene am Eingang der Empfangs einrichtungzugesetzte
und in der ZF-Ebene wiederum ausgekoppelte Pilotsignal zugeführt ist und an dessen
zweiten Eingang das über einen Pilotsignalweg in gleicher Weise in die ZF-Ebene
umgesetzte Pilotsignal ebenfalls ansteht und daß der Ausgang des Phasendiskriminators
mit dem Stelleingang des Phasenschiebers in Verbindung steht, der entweder hinter
dem Umsetzer und vor der Pilotsignalauskopplung im Empfangssignalweg oder aber vor
dem Eingang des Umsetzers für den Umsetzoszillator angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die gewünschte
unterschiedliche Phasenbelegung der einzelnen Antennenelemente des phasengesteuerten
Antennenfeldes in der Radiofrequenzebene mit relativ niedrigem Aufwand durch den
Einsatz von Piltoregelkreisen gewährleisten läßt, durch-die auftretende unerwünschte
Phasenänderungen im Sendesignalweg bzw. im Empfangssignalweg durch die hier vorgesehenen
Umsetzeinrichtungen einschließlich der Verstärker und der selektiven Mittel kontinuierlich
ausgeregelt werden können.
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Durch die Literaturstelle IEEE, Transactions Antennes and Propagation,
Vol. AP-12, 1964, Nr. 2, Seiten 161 bis 169 ist bereits ein elektronisch steuerbares
adaptives Antennensystem bekannt, bei dem die Empfangseinrichtung für die einzelnen
Antennenelemente ebenfalls eine Phaseneinstellvorrichtung aufweist , die hierbei
in der Zwischenfrequenzebene wirksam ist. Diese Phaseneinstellvorrichtung besteht
hier aber jeweils aus einem in der Phase nachgezogenen Umsetzoszillator, also in
einem sogenannten "Phase Locked-Loop". Eine solche Phaseneinstellvorrichtung stellt
einen relativ hohen Aufwand dar, weil hier jede Empfangseinrichtung einen eigenen
Umsetzoszillator, der dazu noch in der Phase nachregelbar sein muß, benötigt. Außerdem
eignet sich
diese PhasenregeIanortnung nur für eine automatische
Ausrichtung der Antenne auf eine sich im Raum bewegende Signalquelle, ist also in
ihren Anwendungsmö.glichkeiten erheblich eingeschränkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das phasengesteuerte
Antennenfeld dadurch in einfacher Weise gleichzeitig für Senden und Empfangen verwendet
werden, daß jeweils eine Sende- und eine Empfangseinrichtung über einen Diplexer
mit einem Antennenelement zusammengeschaltet werden.
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In-Weiterbildung der Erfindung können die Pilotregelkreise auch für
phasengesteuerte Antenmenfelder zur Anwendung kommen, die gleichzeitig zwei und
mehr nach Öffnungs- und Richtungswinkel sich unterscheidende Antennenkeulen realisieren,
ohne daß hierzu die Anzahl der auf eine Sendeeinrichtung bzw. eine Empfangseinrichtung
bezogenen Pilotregelkreise entsprechend vergrößert werden muß.
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Für ein als Sendeantenne vorgesehenes phasengesteuertes Antennenfeld,
bei dem die einstellbaren Phasenschieber vor den Umsetzern im Sendesignalweg der
Sendeeinrichtungen angeordnet sind, weist jede Sendeeinrichtung zur Realisierung
von m Antennen-Sendekeulen für m Sendesignale m einstellbare ausgangsseitig einander
parallelgeschaltete Phasenschieber sowie einen ersten und einen zweiten synchron
miteinander umlaufenden Schrittschalter mit m Schaltkontakten auf. Dabei sind die
m Schaltkontakte des ersten Schrittschalters, an dessen Schaltarm das Regelsignal
vom Ausgang des Phasendiskriminators anliegt, in einer vorgegebenen Reihenfolge
über Haltekreise mit den m Stelleingängen der m Phasenschieber verbunden. Die m
Schaltkontakte des zweiten Schrittschalters, an dessen Schaltarm das Pilotsignal
anliegt,
stehen dabei in der gleichen Reihenfolge mit den zugehörigen m Signaleingängen für
die m Sendesignale in Verbindung.
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Eine entsprechende Lösung für ein als Empfangsantenne vorgesehenes
phasengesteuertes Antennenfeld ist im Patentanspruch 5 angegeben.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das als Empfangsantenne
vorgesehene phasengesteuerte Antennenfeld dadurch automatisch auf ein empfangenes
Notrufsignal nachgeführt werden, daß ein zusätzliches Antennenelement mit einer
ihm nachgeschalteten Notrufempfangseinrichtung mit einem Empfangsmischer und einem
diesem nachgeschalteten schmalen Bandpaßfilter vorgesehen ist. Dabei weist die Notrufempfangseinrichtung
neben dem Notrufsignalausgang einen Steuersignalausgang für eine Schalteinrichtung
auf, über die bei Auftreten eines N trufsignals und damit eines Schaltsignals, am
Steuersignalausgang, das Pilotsignal für die Pilotregeikreise der Empfangseinrichtungen
durch das Notrufsignal ersetzt wird und dieses Schaltsignal zusätzlich, sofern erforderlich,
die in den Pilotregelkreisen der Empfangs einrichtungen wirksamen veränderbaren
Steuersignale abschaltet.
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Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Patentanspruchen
6 bis 8 angegeben.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild eines für Senden und Empfangen geeignetes phasengesteuertes
Antennenfeld nach der Erfindung Fig. 2 das Blockschaltbild einer Sendeeinrichtung
nach
Fig. 1 Fig. 3 das Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung nach Fig. 1 Fig. 4 das
Blockschaltbild einer Notruf-Empfangs einrichtung nach Fig. 1 Fig. 5 ein für mehrere
Sendesignale erweitertes Blockschaltbild der Sendeeinrichtung nach Fig. 2 Fig. 6
ein für mehrere Empfangssignale erweitertes Blockschaltbild der Empfangseinrichtung
nach Fig. 3.
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Das eine Sende-Empfangsantenne darstellende phasengesteuerte Antennenfeld
nach Fig. 1 weist n+1 Antennenelemente ATE1, AE2...AEn, AEn+1 auf. Die Antennenelemente
AE1...AEn sind jeweils über die Diplexer DI1---DIn mit einer Sendeeinrichtung SEI...
SEn und einer Empfangseinrichtung EE1... EEn+1 verbunden. Die Empfangseinrichtung
EEn+I stellt zusammen mit ihrem Antennenelement AEn+1 eine Notruf-Empfangs einrichtung
dar, auf die noch näher eingegangen wird.
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Die Sendeeinrichtung SEI.. SEn haben einen Eingang für das sendeseitige
PilotsignalPs einen Eingang für das Umsetzoszillatorsignal OS und jeweils einen
Eingang für ein Steuersignal CS1s...CSns. In gleicher Weise weisen die Empfangseinrichtungen
EEI. . .EEn einen Eingang für das empfangsseitige Pilotsignal Pe einen Ausgang für
das Empfangssignal ES, einen Eingang für das empfangsseitige Umsetzoszillatorsignal
OE und einen Eingang für ein Steuersignal CS1e...CSne auf.
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Die Steuersignale werden von einer Steuereinrichtung ST geliefert,
die eine den Sende- und Empfangseinrichtungen entsprechende Zahl von Steuersignalgebern
STg aufweist. Die Steuersignalgeber werden gemeinsam über den Datenbus rm vom Rechner
CR gesteuert. Jeder Steuersig-
nalgeber STg besteht eingangsseitig
aus einem Zwischenspeicher ZP, dem über den Datenbus DB die Steuersignalsollwerte
in Form von Adressen eingespeichert werden und einem sich an den Zwischenspeicher
ZP anschließenden DigitalAnaloiandler D/A. Mit Hilfe der Steuersignale CSls...CSns
und CSle...CSne lassen sich die für eine vorgegebene Strahl-Charakteristik des Antennenfeldes
vorgegebenen Phaseneinstellungen der den Antennenelementen AE1...AEn zugeordneten
Sende-und Empfangseinrichtungen vornehmen.
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Wie Fig. 1 ferner erkennen läßt, wird den Eingängen der Empfangseinrichtungen
EE1...EEn das empfangsseitige Pilotsignal Pe über den von der Notruf-Empfangseinrichtung
EEn+1 gesteuerten Umschalter US zugeführt. Die Notruf-Empfangseinrichtung EEn+1
weist neben ihrem Eingang für das empfangsseitige Umsetzoszillatorsignal OE einen
Ausgang für das Notrufsignal NS und einen Steuersignalausgang für ein vom empfangenen
Notrufsignal abgeleitetes Schaltsignal NR auf. Bei Empfang eines Notrufsignals NS
wird dieses über den Umschalter US an die Eingänge der Empfangseinrichtungen für
das Pilotsignal Pe gelegt und dabei gleichzeitig dieses Pilotsignal abgeschaltet.
Zugleich wird das Schaltsignal I2R am Rechner CR für die Steuereinrichtung ST in
dem Sinne wirksam, daß die Steuersignale am Ausgang dieser Steuereinrichtung abgeschaltet
werden. Der Ersatz des empfangsseitigen Pilotsignals Pe durch das empfangene Notrufsignal
NS hat die Wirkung, daß sich die Strahlcharakteristik des Antennenfeldes automatisch
in Richtung der das Notrufsignal aus sendenden Signalquelle ausrichtet.
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Das nähere Einzelheiten aufweisende Blockschaltbild für eine Sendeeinrichtung
SE nach Fig. 1 weist im Signalzweig auf der Eingangs seite für das Sendesignal SS
den einstellbaren Phasenschieber 9 auf, über den das
Sendesignal
dem einen Eingang des sendeseitigen Mischers SM zugeführt ist. Am zweiten Eingang
des Mischers SM liegt das Umsetzoszillatorsignal OS an. Dem Mischer folgt der Bandpaß
BP1, der die unenTünschten Mischanteile unterdrückt. Das Sendesignal wird dann zusammen
mit dem Pilotsignal Ps, das ebenfalls dem einstellbaren Phasenschieber f über einen
zweiten Eingang zugeführt und mit dem Sendesignal von der ZF-Ebene in die RF-Ebene
hochgemischt worden ist, dem Koppler K zugeführt. Der Koppler K koppelt das Pilotsignal
wiederum aus dem Sendesignalweg aus und fuhrt es dem einen Eingang des Phasendiskriminators
PD zu. Das nicht ausgekoppelte Sendesignal wird im Anschluß an den Koppler K, dem
zugehörigen Antennenelement eingespeist. Das Pilotsignal Ps wird weiterhin über
den Mischer PM mit nachgeschalteten Bandpaß BP2 über einen besonderen Pilotsignalweg
ebenfalls von der ZF-Ebene in die RF-Ebene hochgemischt und dem zweiten Eingang
des Phasendiskriminators PD zugeführt. Die das Vergleichsergebnis beinhaltende Ausgangsspannung
des Phasendiskriminators wird dem einen Eingang des Regelverstärkers RV zugeführt,
an dessen zweitem Eingang das Steuersignal CSs anliegt. Der Regelverstärker ist
ein Differenzverstärker, mit dessen Hilfe es möglich ist, in Abhängigkeit der Größe
des Steuersig nals CSs den einstellbaren Phasenschieber ff in relativ weiten Grenzen
einzustellen. Eine von Null Volt abweichende Steuerspannung CSs ergibt als Regelergebnis
eine ihrer Größe proportionale Phasendifferenz zwischen dem Pilotsignal am Ausgang
des Kopplers K und dem hochgemischten Pilotsignal am Ausgang des Bandpasses BP2.
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Anstelle des einstellbaren Phasenschiebers 9 auf der Eingangsseite
des Mischers SM kann auch ein einstellbarer Phasenschieber 8 ' auf der Eingangsseite
des Mischers für das Umsetzoszillatorsignal OS vorgesehen sein. In Fig. 2 ist dies
durch die Darstellung in un-
terbrochenen Linien angedeutet. Auch
beseht weiterhin die Möglichkeit, anstelle eines Differenzverstärkers als Regelverstärker
einen einfachen Regelverstärker zu verwenden und die gewünschte Phasenverschiebung
über das Steuersignal CSs mit Hilfe eines weiteren einstellbaren Phasenschiebers
#" im Verbindungsweg zwischen dem Koppler K und dem Phasendiskriminator PD herbeizuführen.
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Auch diese Variante ist in Fig. 2 in unterbrochenen Linien dargestellt.
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Ein der Fig. 2 entsprechendes, nähere Einzelheiten aufweisendes Blockschaltbild
für eine Empfangs einrichtung EE nach Fig. 1 zeigt Fig. 3. Das nunmehr in der Radiofrequenzebene
vorliegende empfangsseitige Pilotsignal Pe wird in dieser Ebene über den Koppler
K in den Empfangssignalweg eingekoppelt und gemeinsam mit dem empfangenen Signal
im empfangsseitigen Mischer EM in die ZF-Lage umgesetzt. Das Empfangssignal ES durchläuft
hier, bevor es den Ausgang der Empfangseinrichtung erreicht, den empfangsseitigen
einstellbaren Phasenschieber Auf der Ausgangsseite des einstellbaren Phasenschiebers
Ywird das Pilotsignal aus dem Empfangssignalweg über den Bandpaß 3P3 ausgekoppelt
und dem einen Eingang des Phasendiskriminators PD zugeführt. Am anderen Eingang
des Phasendiskriminators liegt das über den Mischer PM in die ZF-Lage umgesetzte
Pilotsignal Pe. Auch hier kann anstelle des einstellbaren Phasenschiebers Q im Empfangssignalweg
von einem einstellbaren Phasenschieber ! ' in der Zuleitung für das empfangsseitige
Umsetzoszillatorsignal OE Gebrauch gemacht werden. Bei Verwendung eines einstellbaren
Phasenschiebers ff " zwischen dem Bandpaß BP3 und dem Phasendiskriminators PD kann
zum Wirksamwerden eines Steuersignals CSe auf eine Differenzverstärkerausfuhrung
des Regelverstärkers RV verzichtet werden.
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Die Notruf-Empfangseinrichtung EEn+1 nach Fig. 4 weist im Signalweg
im wesentlichen den Empfangsmischer EMmit anschließendem Bandpaß BP auf, der hierbei
eine möglichst schmale Durchlaßcharakteristik aufweist. Weiterhin enthält die Notruf-Empfangseinrichtung
einen Schaltsignalerzeuger in Form eines über das empfangene Notrufsignal NS gesteuerten
Schalter S der auf seiten seines Schaltarms mit einer das Schaltsignal liefernden
Gleichspannungsquelle U verbunden ist.
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Sollen über ein phasengesteuertes Antennenfeld nach Fig. 1 mehrere
Sendesignale mit unterschiedlicher Ausrichtung der Antennenkeulen für Senden bzw.
Empfang ausgelegt sein, so müßte an sich in jeder Sendeeinrichtung und in jeder
Empfangseinrichtung eine der Zahl dieser Sende- bzw. Empfangssignale entsprechende
Anzahl von Pilotregelkreisen vorgesehen werden. Der Aufwand läßt sich erheblich
reduzieren, wenn, wie die Ausführungsbeispiele für eine solche Sendeeinrichtung
SE' für vier Sendesignale SS1...SS4 nach Fig. 5 und eine Empfangseinrichtung EE'
für vier Empfangssignale ES1...
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ES4nach Fig. 6 zeigen, eine Multiplextechnik angewendet wird.
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Die Sendeeinrichtung SE' nach Fig. 5 weist hierzu im Unterschied nach
Fig. 2 zunächst einmal anstelle eines einstellbaren Phasenschiebers 9auf der Ausgangsseite
des Mischers SM vier einstellbare gleiche Phasenschiebei 1...Q4 auf. Diese Phasenschieber
sind ausgangsseitig einander parallelgeschaltet und haben jeweils einen Eingang
für eines der Sendesignale SSI.. .SS4.
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Das sendeseitige Pilotsignal Ps wird dem entsprechenden Eingang der
vier Phasenschieber1... 4 über den ersten Schrittschalter 51 zugeführt, der hierzu
vier Schaltkontakte aufweist. In gleicher Weise wird das Regelsignal am Ausgang
des Regelverstärkers den vier
Stelleingängen der vier Phasenschieber
über einen synchron zum ersten Schrittschalter S1 umlaufenden zweiten Schrittschalter
S2 zugeführt, der hierzu ebenfalls vier Schaltkontakte aufweist. Um das Regelsignal
an den Stelleingängen der einstellbaren Phasenschieber1...
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4 in den Pausen, in denen der Schaltarm des Schrittschalters S2 keine
Verbindung zum betreffenden Stelleingang herstellt, aufrecht zu erhalten, ist dem
Stelleingang jedes der vier Phasenschieber ein Haltekreis H vorgeschaltet. Die Schaltfolge
der beiden Schrittschalter S1 und S2, die gemeinsam von Synchronsignal Sy gesteuert
werden, ist so vorgenommen, daß jeweils dann, wenn das Pilotsignal PS am zugehörigen
Eingang eines Phasenschiebers dem Signalweg zugeführt wird, auch das Regelsignal
über den Haltekreis H auf den Stelleingang des betreffenden Phasenschiebers aufgeschaltet
wird.
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Bei der Empfangseinrichtung EE' nach Fig. 6 sind die vier Phasenschieber
§1... 4 eingangsseitig dem Ausgang des empfangsseitigen Mischers EM parallelgeschaltet.
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Das Regelsignal vom Ausgang des Regelverstärkers RV wird wiederum
über den umlaufenden zweiten Schrittschalter S2 und die Haltekreise H den Stelleingängen
dieser Phasenschieber zugeführt. Der zum zweiten Schrittschalter S2 synchron umlaufende
erste Schrittschalter 51 ist mit seinen vier Kontakten mit den vier Ausgangsanschlüssen
der Phasenschieber für die vier Empfangssignale ES1...ES4 verbunden und leitet im
Rhythmus der Abtastung der Schaltkontakte in der vorgegebenen Reihenfolge das Pilotsignal
Pe in der ZF-Ebene über den Bandpaß BP3 an den einen Eingang des Phasendiskriminators
PD.
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9 Patentansprüche 6 Figuren