DE3787824T2 - Phasenschiebersteuerung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft phasengesteuerte Gruppenantennen und spezieller ein System zur Formung eines Sendestrahles bei unterschiedlichen Sendefrequenzen.
• Zur Formung von Strahlen auszustrahlender Energie, die sowohl elektromagnetische Energie als auch Schallenergie sein kann, werden Strahlerelementgruppen benutzt. Im Falle der Schallenergie wird der Strahl im allgemeinen durch Wandler eines Sonarsystems geformt. Im Falle elektromagnetischer Energie können die Strahlerelemente die Form von Dipolen oder andere Formen von Strahlerelementen annehmen. Sowohl bei elektromagnetischer als auch bei Sonarenergie formen Strahlsteuereinheiten den Strahl und richten den Strahl durch die Steuerung einer Verzögerung oder Phasenverschiebung der von einem strahlenden Element auszustrahlenden Energie in Bezug auf die auszustrahlende Energie eines zweiten strahlenden Elementes der Gruppe. Der Strahl kann veranlaßt werden, einen Bereich des Raumes abzutasten oder er kann veranlaßt werden von Bereich zu Bereich zu springen, wie in dem Fall der Verfolgung von Zielen, die in unterschiedlichen Richtungen zu der Antenne liegen.
• Obwohl die Erfindung bei all den vorgenannten Situationen verwendbar ist, ist sie für den Fall einer abtastenden Antenne am einfachsten zu beschreiben, die elektromagnetische Energie ausstrahlt, wie es bei phasengesteuerten Gruppenantennen eines Mikrowellenlandesystems für Flugzeuge an Flugplätzen der Fall ist. Hierbei wird ein Strahl nach beiden Seiten einer Landebahn hin- und hergeschwenkt und von einem ankommenden Flugzeug bei der Erzeugung eines Führungssignales benutzt, das das Flugzeug zu der Landebahn leitet. Üblicherweise schwenkt ein Strahl ungefähr 300 zu beiden Seiten der Rollbahn.
• Ein Problem erhebt sich insoweit, als die Strahlsteuereinheit dafür ausgelegt ist, einen Strahl mit einer bestimmten Frequenz der elektromagnetischen Energie zu erzeugen. Jedoch ist es bei den vorgenannten Mikrowellenlandesystemen (MLS) zweckmäßig, daß die Strahlformung in einem Frequenzbereich funktioniert, um unterschiedliche Signalkanale zu bekommen, die zur Benutzung durch entsprechende unterschiedliche ankommende Flugzeuge jeweils durch ihre eigene Frequenz charakterisiert sind.
• Ein Versuch zur Lösung des vorstehend genannten Problems ist die Verwendung von Strahlsteuereinheiten, die geeignet sind, bei jeder einer Vielzahl von Frequenzen Strahlen zu formen. Typischerweise weist eine Strahlsteuereinheit einen Speicher zum Speichern von Daten, wie die erforderliche Phasenverschiebung, wenn Phasenschieber benutzt werden, oder Verzögerungen, wenn Verzögerungseinheiten verwendet werden, für jedes Strahlerelement und für jede Richtung auf, in die der Strahl in Bezug auf die Antennengruppe weisen soll. Im Falle von Abtastantennen sind in der Ausrichtung viele Inkrementschritte vorgesehen, wobei jeder Schritt kleiner ist als die Strahlöffnung, so daß der Strahl scheinbar gleichmäßig durch den Raum geschwenkt wird, obwohl er in Wirklichkeit durch eine schnelle Folge von Richtungsinkrementschritten verschwenkt wird. Die vorgenannte Speicherung von Phasendaten oder Verzögerungsdaten wird für eine zweite Frequenz und für eine dritte Frequenz sowie für weitere Frequenzen wiederholt, wenn die Strahlen bei verschiedenen Strahlungsfrequenzen auszubilden sind. Dadurch ist die Strahlsteuereinheit in der Lage, Strahlen bei verschiedenen Sendefrequenzen auszubilden und zu steuern.
• In der JP-A-5 665 504 ist solch ein System beschrieben.
• Die vorgenannte Lösung des Problems ist insoweit nachteilig, als sie viel mehr Speicherplatz braucht als bei einer einzelnen Frequenz erforderlich wäre. Der Nachteil zeigt sich sowohl in den Kosten für das System als auch in der Systemkomplexität. In Falle eines MLS, bei dem für eine hohe Zuverlässigkeit redundante Schaltungen verwendet werden, verstärkt sich der Nachteil der Verwendung zusätzlicher Speicher.
• Das vorstehend genannte Problem wird überwunden und weitere Vorzüge werden durch ein Strahlformungssystem erhalten, das die Erfindung verwirklicht, um den Mehrfrequenzbetrieb zu ermöglichen, ohne daß zusätzliche Speicher für Phasen- oder Verzögerungsdaten für jede der Frequenzen vorgesehen werden müssen, bei denen die Antenne strahlen muß. Während die Erfindung gleichermaßen auf Systeme anwendbar ist, die entweder Phasenschieber oder Verzögerungseinheiten enthalten, ist die Beschreibung der Erfindung durch die Betrachtung eines spezifischen, phasenschieberverwendenden Abtastsystems vereinfacht.
• Die Theorie der Erfindung ist mit Bezug auf das Maß der Phasenverschiebung zu verstehen, die erforderlich ist, um den Strahl in einen spezifischen Winkel bezogen auf die Gruppe zu richten. Bekanntermaßen ist die erforderliche Phasenverschiebung proportional dem Abstand zwischen den Strahlerelementen, der Frequenz und dem Sinus des Winkels zwischen dem Strahl und der Normalenrichtung der Gruppe. Für jeden Winkel und ebenfalls für jedes Strahlerelement ist ein separater Datensatz abgespeichert, um die unterschiedlichen Abstände zwischen einem Element und seinen Nachbarn zu berücksichtigen. Im Hinblick auf die vorstehende Formulierung sei auch angemerkt, daß eine Frequenzverschiebung den gleichen Effekt wie eine Änderung des Sinus des Winkels hat.
• Um eine Frequenzverschiebung zu kompensieren, befielt die erfindungsgemäße Strahlsteuereinheit einen Wert des Sinus des Winkels, der von dem den der Strahl haben soll, verschieden ist. Dadurch zeigt der Strahl in eine Richtung, die ziemlich genau dem gewünschten Winkel entspricht. Die Erfindung ist für einen Abtaststrahl am besten anwendbar, bei dem der Abtastvorgang, wie oben angegeben, durch eine Folge von schrittweisen Veränderungen der Strahlrichtung stattfindet. Durch eine Ausgabe eines Sinuswertes des Winkels, der etwas von dem Sinus des tatsächlich gewünschten Winkels abweicht, ergibt sich immer noch eine Folge von schrittweisen Veränderungen der Strahlrichtung. Es können mehr oder weniger Schritte sein, was davon abhängt, ob die momentane Frequenz größer oder kleiner als die der Konstruktion zugrundegelegte Frequenz ist, für die die Daten in dem Speicher abgespeichert sind. Somit kann die resultierende Schrittfolge grober oder feiner sein, als es die Schritte der Originalfolge sind. Solange wie die sich ergebenden Schritte jedoch kleiner als die Strahlbreite sind, antwortet ein anfliegendes Flugzeug immer noch so, wie bei einem kontinuierlich geschwenkten Strahl.
• Mit Bezug auf die Auslegung der elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Strahlsteuereinheit ist ersichtlich, daß für einen gerade von der Gruppe weg weisenden Strahl der Sinus für alle Frequenzen Null ist. Bei relativ geringen Abweichungen der Strahlrichtung von der Normalenrichtung der Gruppe gibt es relativ geringe Abweichungen der Sinusfunktionen bei verschiedenen Frequenzen, bei denen die Gruppe strahlen soll. Jedoch können bei relativ großen auf die Normalenrichtung der Gruppe bezogenen Auslenkungswinkeln, wie beispielsweise 30º, die resultierenden Abweichungen der Phasenverschiebung mehrere Vielfache von 360º erreichen, was von der Länge der Gruppe in Bezug auf die Wellenlänge der Strahlung abhängt. Somit ist einzusehen, daß beim Ausrichten der Verschiebungskommandos für den Sinus und unter Beachtung, daß eine ein Vielfaches von 360º betragende Phasenverschiebung bei der Bestimmung der Phasendrehung eines bestimmten Phasenschiebers zu vernachlässigen ist, die größten Änderungen bei den schrittweisen Inkrementen der Strahlausrichtung bei den größten Auslenkungen der Strahlrichtung bezogen auf die Normalenrichtung der Gruppe auftreten. Wenn der Strahl an der Normalenrichtung der Gruppe vorüberschwenkt, werden die Änderungen der Schritte kleiner und entsprechend "holen" die Strahlsteuerkommandos im wesentlichen die Strahlsteuerkommandos für ein Arbeiten mit der Frequenz "ein", die der Konstruktion zugrundeliegt.
• Die vorstehend genannten Aspekte und andere Eigenschaften der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erläutert, bei denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gruppe von Strahlerelementen einer phasengesteuerten Gruppenantenne zeigt, die in ihrer Phasenverschiebung Unterschiede aufweisen, die von einer bezüglich der Gruppe geneigten Wellenfront herrühren;
• Fig. 2a zeigt zwei Sätze von Strahlschrittpositionen, wobei die durchgehenden Linien Strahlen bei einer geringeren Frequenz bezeichnen, während die gestrichelten Linien die Strahlen bei einer höheren Frequenz darstellen;
• Fig. 2b zeigt den Strahlwinkel in Bezug auf die Normalenrichtung der Gruppe nach den Figuren I und 2 als eine Funktion der Schwenkzeit, außerdem zeigt Fig. 2b den Strahlrichtungsfehler, der ohne die erfindungsgemäße Frequenzkompensation auftreten würde sowie einen vernachlässigbaren Restfehler, der sich bei der erfindungsgemäßen Frequenzkompensation ergibt;
• Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Phasenschieber- und Übertragerschaltung zur Verwendung mit der Gruppe nach Fig. 1;
• Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Anlegen von Steuersignalen an die Phasenschieber nach Fig. 3 zum schrittweisen Weiterschalten der Strahlrichtung gemäß der Erfindung; und
• Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Inhalts des programmierbaren read-only-Speichers nach
• Fig. 4 zum Anweisen einer Erhöhung eines Phasenwinkels eines bestimmten Phasenschiebers nach den Fig. 3 und 4; und
• Fig. 6 zeigt eine weitere schematische Darstellung des programmierbaren read-only-Speichers nach Fig. 5, die den Abschnitt des Speichers zeigt, der für das Anschwenken eines Strahls bei unterschiedlichen Strahlungsfrequenzen benutzt wird.
• Wie in den Fig. 1 und 2a dargestellt, trifft eine geneigte Wellenfront von Strahlungsenergie auf die Strahlerelementgruppe aus einer Richtung, die von der Normalenrichtung der Gruppe abweicht. Der Abstand zwischen den Elementen der Gruppe, die Wellenlänge, der Winkel der Fortpflanzungsrichtung und die Phasendrehung sind durch in Fig. 1 dargestellte Symbole bezeichnet. Weil die mathematische Beschreibung der erforderlichen Phase für einen einfallenden und einen ausgestrahlten Antennenstrahl die gleiche ist, bezieht sich die Beschreibung auf ausgestrahlte und empfangene Strahlen gleichermaßen gut. Insbesondere sei angemerkt, daß Fig. 1 die mathematische Formulierung für die erforderliche Phasendrehung für jedes Element der Gruppe liefert, wobei die erforderliche Phasendrehung von der Anzahl der Elemente, zwischen denen die Phasendrehung gemessen ist, der Sendefrequenz und dem Sinus des Winkels der Wellenfortpflanzungsrichtung in Bezug auf die Normalenrichtung der Gruppe abhängt.
• Eine Verschiebung in der Frequenz- oder Wellenlänge, wobei eine niedrigere Frequenz mit einer größeren Wellenlänge einhergeht, resultiert in einer Verschiebung der Strahlposition, wie in Fig. 2a dargestellt ist. Dies steht in Übereinstimmung mit der in Fig. 1 dargestellten Formel, welche zeigt, daß sich die erforderliche Phasendrehung mit der Wellenlänge verändert. Somit ergibt eine Frequenzverschiebung ohne eine zugehörige Änderung der Kommandos für die Phasenschieber eine Verschiebung der Strahlposition für alle Strahlen außer dem von der Gruppe gerade weg weisenden Strahl.
• Die in Fig. 1 gezeigten mathematischen Beziehungen zeigen die Veränderung des Strahlrichtwinkels als eine Funktion der Sendefrequenz, bezogen auf den Wert der Mittenwellenlänge oder -frequenz. Die mathematischen Beziehungen zeigen, daß sich der Sinus des Strahlrichtwinkels mit der Strahlungsfrequenz reziprok ändert. Wie in Fig. 2a dargestellt, verschiebt eine Verringerung der Sendefrequenz gegenüber mittleren Frequenzen den Strahl von der mittleren Strahlposition weg, während eine Erhöhung der Frequenz den Strahl auf die Mittelposition zu versetzt. Diese Verschiebung wird für einen festen Wert der Phasendrehung beobachtet. Ein unterschiedlicher Wert des Phasenwinkels ergibt jeweils eines der drei Strahlpositionen gemäß Fig. 2a.
• Fig. 2a zeigt darüberhinaus das Scannen eines Strahls eines MLS, wobei der Abtaststrahl von einem anfliegenden Flugzeug aufgenommen wird, das auf die Antennengruppe zu fliegt. Während in Fig. 2a lediglich einige Strahlpositionen dargestellt sind, ist es ersichtlich, daß viele Strahlschwenkschritte verwendet werden, wobei die Schritte derart hinreichend dicht zusammenliegen, daß die inkrementale Richtungsveränderung geringer als der Strahlöffnungswinkel ist, so daß ein in dem Flugzeug vorhandener Empfänger so antwortet, als wenn ein sich kontinuierlich bewegender Strahl vorhanden wäre. In Fig. 2a ist der Satz der Phasenschieberkommandos für jede Strahlrichtung durch eine Beschriftung angedeutet. Somit ist ersichtlich, daß bei jeder Strahlposition sowohl bei dem Strahl mit der niedrigeren Frequenz als auch bei dem Strahl mit der höheren Frequenz das gleiche Phasendrehungskommando vorhanden ist. Jedoch sind die sich ergebenden Strahlpositionen in der Wellenlänge und Frequenz gegeneinander verschoben, wie oben angemerkt worden ist. Praktischerweise wird bei der Konstruktion der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform die der Konstruktion zugrundegelegte Frequenz gleich der höchsten interessierenden Frequenz gesetzt, wobei alle anderen Frequenzen, die zu berücksichtigen sind, niedriger als die der Konstruktion zugrundegelegte Frequenz sind. Indem die der Konstruktion zugrundegelegten Frequenz gleich der höchsten interessierenden Frequenz gesetzt wird, gibt es mehr Werte von abgespeicherten Phasendrehungsdaten, was es gestattet, daß die Sprünge in der Richtung bei dem schrittweisen Abtasten bei Frequenzen, die kleiner als die der Konstruktion zugrundegelegten Frequenz sind, weniger grob sind.
• In Fig. 2b sind drei in zeitlicher Übereinstimmung miteinander liegende Graphen dargestellt, um die Strahlrichtung und den Fehler als eine Funktion der Schwenkzeit dar zustellen, wenn ein Strahl nach Fig. 2a über die Antennengruppe von Fig. 2a geschwenkt wird. Der obere Graph stellt eine Veränderung der Strahlrichtung als eine Funktion der Frequenz ohne erfindungsgemäße Frequenzkompensation dar. Ein lineares Abtasten bei einer mittleren Strahlungsfrequenz als eine Funktion der Abtastzeit ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Ein Strahl mit einer niedrigeren Sendefrequenz würde dazu neigen, mit einem größeren Winkel als gewünscht ausgelenkt zu werden, und ein Strahl mit einer höheren Sendefrequenz würde mit einem kleineren Winkel als gewünscht ausgelenkt werden. Die Auslenkungen der Strahlen mit höherer und niedrigerer Frequenz sind durch durchgezogene Linien dargestellt und ergeben einen nichtlinearen Fehler, der durch den zweiten Graphen dargestellt ist.
• Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Auswirkung der Frequenzänderung auf die Strahllage durch das Befehlen eines abweichenden Wertes der Phasendrehung als eine Funktion der Abtastzeit und in Abhängigkeit von einem ausgewählten Wert der Sendefrequenz kompensiert. Dabei ist eine der durchgezogenen Linien des ersten Grafen, die entweder der niedrigen oder der hohen Frequenz entspricht, in Übereinstimmung mit der gestrichelten Linie gebracht, um eine lineare Beziehung zwischen der Strahlrichtung und der Schwenkzeit zu erzeugen. Im Ergebnis dieser Kompensation für verschiedene Werte der Sendefrequenz wird der Strahlrichtfehler auf einen im wesentlichen vernachlässigbaren Restfehler reduziert, wie der dritte Graph der Fig. 2b zeigt. Die erfindungsgemäßen Konstruktion des Systems zum Erreichen der vorstehend genannten Frequenzkompensation wird mit Bezug auf die Fig. 3 bis 6 beschrieben.
• In Fig. 3 ist eine Antennengruppe 20 mit Strahlerelementen 22 dargestellt, die der Elementengruppe nach den Fig. 1 und 2a entsprechen. Die Strahlerelemente 22 sind über Phasenschieber 24 und ein Leistungsteiler 26 an einen Sender 28 angekoppelt. Der Sender 28 liefert elektromagnetische Energie, die durch den Teiler 26 zwischen den entsprechenden Elementen 22 aufgeteilt wird. Die elektromagnetische Leistung gelangt durch die Phasenschieber 24, die dieser die erforderliche Phasendrehung erteilen, so daß die Leistung von den entsprechenden Elementen 22 mit der erforderlichen Phasendrehung abgestrahlt wird, um einen der in Fig. 2a dargestellten Strahlen zu erzeugen. Jeder der Phasenschieber 24 der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit einem digital arbeitenden Phasenschieber 30 und einem Zähler 32 aufgebaut, der ein vielstelliges Signal zum aktivieren der entsprechenden Abschnitte des Phasenschiebers 30 liefert. Ein Scan-Prom 34 (programmierbarer read-only-Speicher) liefert Signale zu jedem der Zähler 32, die deren entsprechenden Zählwert auf die erforderlichen Werte der Phasenschieberkommandos erhöhen. Jeder der Phasenschieber 24 enthält einen Decoder 35, der zwischen den Scan-Prom 34 und den Zähler 32 geschaltet ist, um ein Phasenschieberidentifiziersignal zu dekodieren, das von dem Prom 34 gesendet wird, um damit sicherzustellen, daß die Inkrementbefehlssignale des Proms 34 richtig erkannt und den entsprechenden der Phasenschieber 24 zugeführt werden.
• Während jeder der Phasenschieber 24 einen von einem Zähler 32 gesteuerten digitalen Phasenschieber 30 aufweist, versteht es sich, daß auch eine andere Schaltung zur Steuerung des Phasenschiebers 30 verwendet werden kann um die Signale an die Phasenschieber zu richten. Beispielsweise kann anstelle des Zählers 32 und des Proms 34 eine alternative Speicherform verwendet werden, um ein mehrstelliges Signal direkt an die Phasenschieber 30 zu legen. Jedoch hat es sich durch den Umstand, daß das Antennensystem, bei dem die Erfindung verwirklicht ist, lediglich einen Abtaststrahl für ein MLS erzeugt, als nützlich herausgestellt, den Zähler 32 mit dem Prom 34 zu verwenden, der Befehlssätze zum Ändern der entsprechenden Zählwerte der Zähler 32 für die erforderlichen Phasendrehungen speichert.
• Wie auch in Fig. 4 dargestellt, weist eine Strahlschwenkeinheit 36 die Phasenschieber 24 und den Scan-Prom 34 auf, der vorstehend in Fig. 3 gezeigt worden ist. Die Einheit 36 weist eine CPU 38 (central processing unit) und einen Timer 40 auf, der von einem Taktgeber 42 gesteuert ist. Taktimpulse von dem Timer 40 werden durch ein UND-Glied 40 zu einer Adressensteuerung 46 geleitet. Die Adressensteuerung 46 weist einen (nicht dargestellten) Zähler auf und liefert eine Adresse an den Prom 34, wobei die Adresse von dem Zähler der Steuerung 46 in Abhängigkeit vom Eingang von Taktimpulsen des Gliedes 44 weitergeschaltet wird. Die Strahlsteuereinheit 36 weist außerdem eine Adressensteuereinheit 48, einen Prom 50, der Daten in Bezug auf die Frequenz und den Sinus des Strahlwinkels speichert, und einen Schalter 52 auf, der einen Ausgangsanschluß des Prom 50 in Abhängigkeit von einem Steuersignal der CPU 38 auswählt.
• Ein Graph 54 zeigt zwei Sätze von Digitalsignalen in zeitlicher Übereinstimmung miteinander, wobei der obere Satz durch die Leitung 56 von dem Timer 40 auf das Glied 44 gekoppelt ist, während die Signale des unteren Satzes über die Leitung 58 von dem Schalter 52 auf das Glied 44 gekoppelt sind. Eine Graph 60 beschreibt die Digitalsignale, die von dem Prom 34 an einen Bus 62 abgegeben werden, wobei die Signale von dem Bus 62 an entsprechende Phasenschieber 24 angelegt sind.
• Im Betrieb liefert die CPU 38 Signale an den Timer 40, die Phasenschieber 24, die Steuerung 48 und den Schalter 52, um das gewünschte Abtasten eines Strahles der Gruppe 20 zu erbringen. Die Steuerung 48 weist einen (nicht dargestellten) Zähler auf, der gesteuert von den von dem Timer 40 gelieferten Impulsen zählt, wobei der Zähler eine Adressenfolge an den Prom 50 liefert. Der Speicher des Proms 50 ist in Abschnitte unterteilt, wobei ein Abschnitt der Mittenfrequenz jedes Bandes der Empfangskanäle entspricht, die in dem MLS zum Führen des Flugzeuges nach Fig. 2a verwendet werden. Beispielsweise ist es bei dem üblichen MLS, bei dem 200 separate Empfängerkanäle vorhanden sind, als angemessen herausgefunden worden, den Spektralraum in 24 gesonderte Bänder auf zuteilen, wenn die Antennengruppe 20 der Fig. 2a und 3 sendet. Jeder Speicherabschnitt des Prom 50 ist für die Mittenfrequenz einer der vorhergehenden Frequenzbänder voreingestellt. Alle Abschnitte des Prom 50 werden von der Steuerung 48 gleichzeitig adressiert, wobei die Adresse einen spezifischen Strahlwinkel zum Richten des Strahls nach Fig. 2a angibt. Die einzelnen Abschnitte des Prom 50 haben entsprechende Ausgangsanschlüsse, von denen einer von dem Schalter 52 ausgewählt wird.
• Abhängig davon, ob eine breite oder schmale Abtastung gewünscht wird, stellt die CPU 38 den Zähler der Steuerung 48 auf einen gewünschten Strahlwinkel vorein, wonach die von der Steuerung 48 gelieferten Adressen durch Timerimpulse weitergeschaltet werden, um den Strahl nach Fig. 2a schrittweise weiterzuschalten damit der Strahl schwenkt. Die in dem Prom 50 gespeicherten Daten weisen eine relativ einfache Form auf, die Daten sind einfach ein Satz von Signalen, die das Weiterschalten oder Nichtweiterschalten des Zählers der Steuerung 46 bezeichnen. Die sich ergebenden, aus dem Prom 50 über den Schalter 52 herauskommenden Taktimpulse weisen die gleiche Form auf, wie die Impulse des Timers 40, wobei die beiden Sätze von Impulsen lediglich im Hinblick auf das Vorhandensein und das Fehlen von gewissen Impulsen voneinander abweichen; die beiden Impulssätze werden über die Leitungen 58 und 56 in das UND-Glied 44 eingekoppelt.
• Der Scan-Prom 34 speichert mit Rücksicht auf die Phasenschieberkommandos Daten zum Betrieb der Phasenschieber 24. Weil die Phasenschieber 24 mit Zählern 32 aufgebaut sind, haben die an den Bus 62 gelieferten Phasenschieberkommandos das Format einer Folge von Digitalworten, deren jedes ein einen Phasenschieber identifizierendes Zahlenfeld aufweist, das von Impulsen gefolgt ist, die den Zählwert eines bestimmten der Zähler 32 weiterschalten.
• Im Hinblick auf den Aufbau der Phasenschieber 24 sei angemerkt, daß die Phasenschieber 30 Abschnitte mit bekannten Mikrowellendiodenphasenschiebern aufweisen. Jeder Abschnitt des Phasenschiebers 30 weist bekannte Übertragungsleitungen, wie beispielsweise Wellenleiter auf, die eine Länge haben, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge ist. Ein Abschnitt führt zu einer Phasendrehung in Schritten von 180º, ein zweiter Abschnitt in Schritten von 90º und ein dritter Abschnitt in Schritten von 45º Während in der Darstellung von Fig. 3 lediglich drei Abschnitte dargestellt sind, versteht es sich, daß ein vierter Abschnitt mit einer Phasendrehung von 22,5º vorteilhaft verwendet werden kann und daß, wenn es gewünscht ist, ein weiterer Abschnitt für die noch feiner Steuerung des Strahls verwendet werden kann. Werden vier Abschnitte vorgesehen, sind die Zähler 32 Modulo-16-Zähler. Die Zähler 32 weisen ein Voreinstellanschluß und ein Vorwärts/Rückwärtszählanschluß zum Empfangen von Signalen von der CPU 38 auf, um ein Startzählwert und davon ausgehende Schritte festzulegen. Somit kann ein Zähler 32 durch Empfang einer spezifizierten Anzahl von Weiterschaltimpulsen auf dem Bus 62 zu einem gewünschten Ausgangszählwert gebracht werden. Jede Ausgangsleitung des Zählers 32 zeigt eine Stelle des Zählwertes. Jede dieser Leitungen ist an einen entsprechenden Abschnitt des Phasenschiebers 30 angeschlossen, um diesen Abschnitt anzusteuern. Jede Ausgangsleitung des Zählers 32 liefert eine logische Eins oder eine logische Null in Abhängigkeit von dem Wert des Ausgangszählwertes. Die logischen Einssignale aktivieren die entsprechenden Abschnitte des Phasenschiebers 30, an den die Ausgangssignale des Zählers 32 angelegt sind. Dabei erfahren die Mikrowellensignale eine Phasendrehung, die gleich der Summe der Phasendrehungen ist, die von den einzelnen Abschnitten des Phasenschiebers 30 verursacht werden.
• Als eine nützliche Eigenschaft bei der Umsetzung der Erfindung sei angemerkt, daß die Quatisierung bei der Abtastrichtung hinreichend klein ist, so daß für eine Stufe in der Phasendrehung, die durch einen der Phasenschieber 30 verursacht wird, unverändert bleiben kann, oder um das kleinsten Phaseninkrement von ± 2,50 im Falle des Vierelementphasenschiebers verändert werden kann. Jedoch ist eine solche Veränderung niemals größer als das vorangegangene Phaseninkrement. Entsprechend ändert sich der Zählwert eines Zählers 32 eines Phasenschiebers 24 niemals um mehr als Eins für jedes schrittweise Inkrement der Strahlpositionierung während des Abtastens durch den Strahl. Im Ergebnis sendet der Scan-Prom einfach eine logische Eins oder eine logische Null (zusätzlich zu der Phasenschieberkennung) und die CPU 38 sendet ein Vorwärts/Rückwärtssignal an einen Phasenschieber 24 in jedem Abtastschritt. Die CPU 38 sendet außerdem an einer geeigneten Stelle des Abtastvorgangs ein Reset-Signal an den Zähler 32 jedes Phasenschiebers 24 zum Initialisieren des Zählwertes. Beispielsweise kann ein Reset auf den Wert 0 benutzt werden, wenn der Strahl durch die Mittelposition geht, wobei dies der Nullgradstrahlwinkel bei jedem Durchlauf der Abtastung ist.
• Erfindungsgemäß ist die durchschnittliche Wiederholfrequenz von Impulsen auf der Leitung 58 gleich der Hälfte der Wiederholfrequenz der Impulse auf der Leitung 56 bei der konstruktionsbedingten Frequenz der Strahlabtasteinheit 36. Bei geringeren Frequenzwerten können Impulse auf der Leitung 58 hinzugefügt oder weggelassen werden. Die Impulse auf Leitung 58 dienen dazu, den Durchlaß der Impulse auf der Leitung 56 durch das Glied 44 zu steuern, wobei die Abwesenheit von Impulsen auf der Leitung 48 dem dazu dient, einen auf der Leitung 56 auftretenden Impuls auszublenden. Dabei ist die Anzahl von Taktimpulsen des Timers 40 auf der Leitung 56, die an die Steuerung 46 gelegt werden, von dem Anliegen von Impulsen auf Leitung 58 abhängig. Zum Vergleich mit einem Einzelfrequenzsystem müßten der Prom 50 und die Steuerung 48 sowie der Schalter 52 weggelassen werden und Impulse von dem Timer 40 müßten mit dem halben der vorliegenden Rate direkt an die Steuerung 46 geleitet werden. Wegen der Verwendung des Proms 50 mit der Steuerung 48 und dem Schalter 52, demzufolge Torimpulse über das Gatter 44 angelegt werden, was ein Einzelfrequenzsystem zu einer erfindungsgemäßen Vielfrequenzstrahlabtasteinheit 36 macht.
• Der Zähler in der Steuerung 46 ist durch ein Signal von der CPU 38 voreingestellt und zählt danach Taktimpulse, die über das Glied 44 angelegt sind. Abhängig davon, ob ein breites Abtasten oder ein schmales Abtasten gewünscht ist, stellt die CPU 38 den Zähler der Steuerung 46 auf ein gewünschten Zählwert zum Adressieren des Proms 34 vorein, wobei der Zählwert zu dem gewünschten Strahlwinkel bei dem Start des Abtastvorganges führt. Danach wird der Zählwert der Steuerung 46 durch Taktimpulse weitergeschaltet, die von dem Timer 40 über das Glied 44 zum schrittweisen Richtungssteuern des Strahles nach Fig. 2a angelegt werden, um das Schwenken des Strahls zu erbringen. Die CPU 38 legt außerdem während jedes Schwenkintervalls ein Freigabesignal an den Zähler der Steuerung 48 an. Ein Abtastintervall endet mit dem Ende des Freigabesignals, wobei zu diesem Zeitpunkt das weitere Adressieren des Proms 50 und der weitere Fluß von Torimpulsen auf der Leitung 48 beendet ist. Durch das Voreinstellen des Zählers der Steuerung 46 und der Strahlstartposition bei einem Abtastvorgang und durch das Beenden weiteren Weiterschaltens der Adressierung durch die Steuerung 46 in der Strahlendposition eines Abtastvorgangs wird der Prom 34 aktiviert, um die Phasensteuersignale für den gewünschten Schwenkbereich zu liefern.
• Der Betrieb des Scan-Prom 34 unter einer Kontrolle der Steuerung 46 kann darüberhinaus mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 verstanden werden. In Fig. 5 stellt die horizontale Achse Zeitinkremente während eines Abtastintervalls dar, wobei jedes Zeitinkrement mit einer individuellen Adresse des Prom 34 korrespondiert. Die vertikale Achse gibt Identifikationsnummern der Phasenschieber 24 wieder. Um ein volles Schwenken mit der höchsten Sendefrequenz zu erreichen, wird der gesamte Inhalt des Prom 34 an die Phasenschieber 24 ausgegeben. Mit jeder Adresse von der Steuerung 46 schreitet der Prom 34 an den nächsten Ort auf der horizontalen Achse von Fig. 5 fort, um Inkrementimpulse auszugeben, wie sie an verschiedenen Stellen in Fig. 5 gespeichert dargestellt sind.
• Fig. 6 ist eine vereinfachte Darstellung des Graphen nach Fig. 5, wobei die Prom-Adresse auf der horizontalen Achse dargestellt ist. Bei einem vollen Abtastvorgang mit der höchsten Sendefrequenz sind beide Steuerungen 46 und 48 durch die CPU zu der Adresse voreingestellt, die auf der linken Seite in Fig. 6 dargestellt ist. Das Abtasten wird fortgesetzt bis die Adresse auf der rechten Seite von Fig. 6 erreicht ist. Bei einem vollen Abtastvorgang mit der niedrigsten Sendefrequenz ist der Adressenbereich reduziert, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, neigt der Strahl im Falle der niedrigeren Sendefrequenz dazu, zu einem größeren Schwenkwinkel abgelenkt zu werden, als in dem Fall der höheren Sendefrequenz, obwohl der Phasenwinkel der gleiche ist. Entsprechend wird eine volle Abtastperiode bei einer beliebigen Frequenz durch Verwendung von mehr oder weniger der gespeicherten Phaseninkrementkommandos nach Fig. 5 entsprechend der ausgewählten Sendefrequenz erreicht. Beispielsweise kann bei Verwendung von ungefähr 20 000 Zeitinkrementen und Adressen auf der horizontalen Achse von Fig. 5, wobei jedes Zeitinkrement 50 us dauert, ein kompletter Abtastvorgang in einer Sekunde ausgeführt werden. Für einen Abtastvorgang von ungefähr 40º zu beiden Seiten der Mitte, was zu einen Gesamtschwenkbereich von 80º führt, sorgen die vorgenannten 20 000 Adressen für sehr kleine Inkremente im Strahlwinkel, nämlich 250 Adressen pro Grad des Strahlwinkels. Derartig kleine Inkremente des Strahlwinkels erlauben es, daß die Abtasteinheit 36 betrieben wird, ohne daß ein Inkrement erforderlich wäre, das größer als der Zählwert von 1 für den Zähler 32 des Phasenschiebers 24 während des Abtastens des Strahles ist.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Adressieren des Proms 34, wie es in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, ist die verflossene Zeit eines einzelnen Abtastvorgangs unabhängig davon, ob der komplette Inhalt des Proms 34 benutzt wird oder ob lediglich ein Teil des Inhalts des Prom 34 verwendet wird, die gleiche. Bei niedrigeren Frequenzen, bei denen weniger Speicherbereiche des Proms 34 adressiert werden, sind zusätzliche Zeitintervalle durch logische Nullen aufgefüllt, die in dem Impulszug auf der Leitung 58 erscheinen, wie durch den Graphen 54 dargestellt ist. Bei niedrigeren Frequenzen erscheinen mehr logische Nullen auf der Leitung 58 als bei höheren Frequenzen. Dies ist Ursache für die erhöhte Anzahl von Adressen, die bei einem einzelnen Abtastvorgang mit höherer Sendefrequenz im Vergleich in einem mit niedrigerer Sendefrequenz auftreten.
• Dabei kompensiert die Strahlsteuereinheit 36 den Wechsel der Frequenz der ausgestrahlten Strahlung durch eine Veränderung des befohlenen Winkels für den Prom 34, der umgekehrt eine Veränderung der befohlenen Phasendrehungen der Phasenschieber 30 hervorruft. Die Phasenschieber 24 verursachen dann eine Phasendrehung, die die Phasendrehung ziemlich genau annähern, die tatsächlich erforderlich ist, um den Strahl bei der neuen Sendefrequenz in den gewünschten Winkel zu steuern. Während die Gesamtschrittzahl bei einem schrittweisen Abtastvorgang als eine Funktion der Frequenz veränderlich sein kann, gibt es eine hinreichende Anzahl von Schritten, um Richtungsinkremente vorzusehen, die kleiner als eine Strahlbreite sind, um den Eindruck eines scheinbar gleichmäßig schwenkenden Strahls hervorzurufen. Erfindungsgemäß wurden die vorangehenden Eigenschaften durch die Verwendung lediglich eines Proms 34 erhalten, der Phasendrehungskommandos für den Ein-Frequenz-Fall speichert. Die einzigen erforderlichen anderweitig gespeicherten Daten sind die des Prom 50, wobei die Daten sich auf die Adressierung des Prom 34 beziehen, um das Überspringen (oder Hinzuaddieren) von Schritten zu dem Abtastvorgang zu erreichen.

Claims (12)

1. Mehrfrequenzantennenanordnung zum Betrieb mit einer ausgewählten Frequenz innerhalb eines vorausgewählten

Frequenzbandes, das durch eine erste Frequenz und durch eine zweite Frequenz definiert ist, wobei die Anordnung folgendes aufweist:

eine phasengesteuerte Gruppenantenne (20);

einen Satz von Phasenschiebern (24, 30), die an Strahler (22) der Antenne angekoppelt sind, um der Strahlungsenergie der Strahler eine Phasendrehung zu geben;

einen an die Phasenschieber angekoppelten Speicher (34) zum Vorgeben einer Phasendrehung eines jeweiligen der Phasenschieber, um einen Antennenstrahl mit der ausgewählten Frequenz in einen vorgegebenen Winkel in Bezug auf die Antenne zu steuern;

eine Adressierschaltung (46) zum Adressieren des Speichers mit dem vorgegebenen Winkel, um die Phasendrehung zu liefern; und

eine an die Adressierschaltung (46) angekoppelte Umschaltschaltung (38, 48, 50, 52) zum Umschalten der Adresse entsprechend einem Wechsel in der ausgewählten Frequenz der Strahlungsenergie;

dadurch gekennzeichnet:

daß der Speicher (34) lediglich einer vorbestimmten Frequenz innerhalb des Frequenzbandes zugeordnete Phasendrehungen speichert; und

daß die Umschaltschaltung einen weiteren Speicher (50) aufweist, der einen Datensatz für jeden Winkel zwischen dem Strahl und einer Normalenrichtung bezüglich der Gruppe sowie für jeden Strahler speichert, um die Adresse um einen den Wechsel in der ausgewählten Frequenz im wesentlichen kompensierenden Wert zu verändern, damit im wesentlichen die erforderliche Phasendrehung für den vorgegebenen Strahlwinkel zum Abstrahlen mit der veränderten ausgewählten Frequenz geliefert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, außerdem gekennzeichnet durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, 38), die an die Adressierschaltung angekoppelt ist, um eine Folge von Adressen für ein schrittweises Schwenken der Strahlungskeule zu liefern.

3. Anordnung nach Anspruch 2, außerdem gekennzeichnet durch einen Zeitgeber (40) zum Liefern einer Folge von Taktimpulsen, sowie dadurch, daß darin eine von dem Empfang der Taktimpulse gesteuerte Adressierschaltung implementiert ist, wobei der weitere Speicher (50) Folgen von Taktimpulsen speichert, die der Differenz zwischen der ausgewählten Frequenz und der vorbestimmten Frequenz entsprechen, wobei eine Folge von Taktimpulsen des weiteren Speichers (50) mit einer Folge von Taktimpulsen des Zeitgebers verkoppelt ist, um ein Sperren und Freigeben der Taktimpulse des Zeitgebers zum Verändern des Hochzahlbetrages der Adressierschaltung zu erhalten.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltungsschaltung ein Tor (44) aufweist, das zwischen den Zeitgeber und die Adressierschaltung geschaltet ist, um das Sperren und Freigeben der Taktimpulse des Zeitgebers durchzuführen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die CPU an die Phasenschieber und an die Adressierschaltung (46) angekoppelt ist, um die Phasenschieber voreinzustellen und um die Adressierschaltung zum Schwenken eines Antennenstrahles bei der vorbestimmten Frequenz voreinzustellen.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem weiteren Speicher (50) abgespeicherten

Folgen von Taktimpulsen einen Satz von mit unterschiedlichen zeitlichen Abständen voneinander beabstandeten Taktimpulsen (54) aufweist, wobei sich das

Format der Abstände der Taktimpulse für eine Frequenz von Strahlungsenergie innerhalb das vorausgewählten

Frequenzbandes von dem Format der Abstände der Taktimpulse für eine andere Frequenz der Strahlungsenergie innerhalb des voraus gewählten Frequenzbandes unterscheidet, wodurch die durchschnittliche Impulswiederholungsfrequenz der gespeicherten Folge von Taktimpulsen bei einer Frequenz der Strahlungsenergie von der durchschnittlichen Impulswiederholungsfrequenz der gespeicherten Folge von Taktimpulsen bei einer anderen Frequenz der Strahlungsenergie differiert.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit jedem Schritt des schrittweisen Schwenkens erfolgende, auf die Antenne bezogene Richtungsänderung geringer ist, als eine Strahlbreite, um einen kontinuierlich geschwenkten Strahl bei einer Vielzahl von voneinander abweichenden Frequenzen innerhalb des vorausgewählten Frequenzbandes der Strahlungsenergie anzunähern.

8. Verfahren zum schrittweisen Scannen einer phasengesteuerten Gruppenantenne zum Betrieb bei einer ausgewählten Frequenz innerhalb eines vorausgewählten Frequenzbandes, das durch eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz definiert ist, wobei ein Satz von Phasenschiebern (24, 30) an Strahler (22) der Antenne angekoppelt ist, um der Strahlungsleistung der Strahler eine Phasendrehung zu erteilen;

gekennzeichnet durch:

(a) Speichern eines Satzes von Phasendrehungskommandos in einen Speicher (34) als Funktion des Strahlwinkels für jeden der Phasenschieber bei einer vorbestimmten Strahlungsfrequenz innerhalb des Frequenzbandes;

(b) aufeinanderfolgendes Adressieren des Speicherinhaltes, um ein Schwenken eines Strahles bei der vorbestimmten Frequenz der Strahlung der Antenne zu erhalten; und

(c) Verändern des Adressierens in einer Folge von Adressen für das Schwenken, wobei das Verändern als Funktion der Differenz zwischen der vorbestimmten Frequenz und der ausgewählten Frequenz der Strahlungsenergie vorgenommen wird, um einen Ausgleich in der Beziehung von vorgegebener Phasendrehung gegen die ausgewählte Frequenz als eine Funktion des Strahlwinkels vorzusehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Adressieren durch Erhöhen einer Anzahl von Taktimpulsen (40) erreicht wird und daß das Verändern durch Ausblenden (über 44) gewisser Taktimpulse erreicht wird, um eine durchschnittliche Wiederholfrequenz von gezählten Taktimpulsen zu liefern, die als Funktion der Differenz zwischen der vorbestimmten Frequenz und der ausgewählten Frequenz der Strahlungsenergie der Antenne verändert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblenden durch Speichern von Folgen von Taktimpulsen (54) erreicht wird, die voneinander durch zeitliche Abstände unterschiedlicher Größe beabstandet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblenden darüberhinaus durch Verändern der zeitlichen Abstands der gespeicherten Folgen als Funktion eines Abtastwinkels (50) erreicht wird, um bei Frequenzen zwischen der ersten und der zweiten Frequenz einer Erhöhungsrate zu liefern, die gleich einer Erhöhungsrate bei der vorbestimmten Frequenz von Strahlungskeulen ist, die im wesentlichen in Normalenrichtung zu der Gruppe ausgerichtet sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, außerdem gekennzeichnet durch ein Hinzunehmen von Phasendrehungskommandos durch Zählen von Erhöhungsimpulse einer Folge derartiger Impulse eines gespeicherten Phasendrehungskommandos, wobei das Zählen ein Ausgeben eines sich ergebenden Zählergebnisses an Phasenschieber einschließt, die mit Strahlern der Antenne verbunden sind.