DE3911373A1 - Phasengesteuertes Radargerät mit Selbstüberwachung/Selbstabgleich und auswechselbare einstellbare Sende/Empfangs-Baueinheit - Google Patents
Phasengesteuertes Radargerät mit Selbstüberwachung/Selbstabgleich und auswechselbare einstellbare Sende/Empfangs-BaueinheitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Abgleichen bzw. Eichen
von kritischen Betriebsparametern einzelner Sende/Emp
fangs-Betriebsschaltungen für jeweilige Antennenelemente
eines phasengesteuerten Radargeräts sowie auf das Auf
rechterhalten des Abgleichs; ferner bezieht sich die Er
findung auf eine einstellbare auswechselbare Sende/Emp
fangs-Baueinheit mit den Betriebsschaltungen für bestimmte
Antennenelemente, mittels der ein Selbstüberwachungs- und
Selbstabgleich-Prozeß ausführbar ist.
In einem herkömmlichen phasengesteuerten Radarsystem wird
die Leistung mittels einer Leistungsröhre oder eines Lei
stungsverstärkers erzeugt und dann über ein Übertragungs
leitungsnetzwerk auf die einzelnen Strahlerelemente ver
teilt. Für die Strahlenlenkung und die Steuerung über die
erwünschte Frequenzbandbreite muß sorgfältig sicherge
stellt werden, daß alle einzelnen Übertragungsleitungs
strecken die gleiche oder eine bekannte Leitungslänge
haben. Ein Leitungslängenabgleich im Betrieb ist normaler
weise nicht erforderlich.
In einem Festkörper-Radargerät erzeugt normalerweise ein
Steuersender mit geringer Leistung den Träger für das
gesendete Signal. Das Ausgangssignal des Steuersenders
wird in der Amplitude oder Phase, einschließlich in Im
pulsmodulation moduliert, um Radarsignale geringer
Leistung zu erzeugen. Diese Signale geringer Leistung
werden dann auf eine Anordnung von Leistungsverstärkermo
dulen verteilt, die jeweils zum Betreiben eines Antennen
elements der phasengesteuerten Antennenanordnung ausgebil
det sind.
Während des Sendens ist es wichtig, daß zwischen den
Leistungsverstärkern in den Modulen die Phasenkohärenz
aufrechterhalten bleibt, damit das bestimmte Antennendia
gramm erzielt wird. Für manche Anwendungszwecke wird zum
Verringern von Nebenkeulen eine "Gewichtung" der Lei
stungsverstärker angewandt. Die Leistungspegel der Lei
stungsverstärker sind auch für die Systemarbeitsleistung
sowohl bei dem gewichteten als auch bei dem ungewichteten
Senden wichtig.
Für den Empfang gelten ähnliche Vorbedingungen hinsicht
lich der Empfängerfunktion. In einem phasengesteuerten
Radarsystem ist jedes Antennenelement mit einem rausch
armen Verstärker versehen. Für das richtige Formen des
Empfangs-"Strahls" sollte insbesondere bei dem Monoimpuls
betrieb, bei dem Summen- sowie Differenzstrahlen geformt
werden, jeder dem jeweiligen Antennenelement zugeordnete
rauscharme Verstärker das Signal mit dem gleichen Phasen
gang verarbeiten und es im gleichen Ausmaß verstärken.
In einem herkömmlichen phasengesteuerten Radarsystem gilt
die Erfordernis, eine bestimmte Leistungsverstärkung oder
einen bestimmten Phasengang einzuhalten, für jede von
einigen tausend Betriebsschaltungen, die jeweils einem
Element der Antennenanordnung zugeordnet sind. Infolgedes
sen muß irgendeine Korrektur für eine große Anzahl mög
licher Fehler oder Abweichungen wirksam sein. Für aktive
Vorrichtungen von Radargeräten, die bei Frequenzen ober
halb von 3 GHz arbeiten, ist ein "Hochfrequenz"-Grundma
terial erforderlich, wobei vorzugsweise die "MMIC"-Form
benutzt wird. Bei diesen Frequenzen werden aktive Vorrich
tungen mit Silicium-Grundmaterialien bedeutend weniger
leistungsfähig als Vorrichtungen mit Grundmaterialien für
höhere Frequenzen wie Galliumarsenid. Zugleich werden die
tatsächlichen Aufbaudimensionen sowohl der aktiven als
auch der passiven Komponenten kleiner, wodurch es in der
Praxis vorteilhaft wird, die aktiven wie auch die passiven
Komponenten zu einer einzigen monolithischen Schaltung zu
integrieren. Eine Schaltung in dieser Form wird "Mono
lithische Mikrowellen-Integrationsschaltung" bzw. "MMIC"
genannt.
Bei der MMIC-Ausführungsform werden die Halbisolations
eigenschaften von GaAs-Grundmaterial genutzt, die das
zweckdienliche Anordnen von passiven Elementen und Leiter
zügen mit gesteuerten Dimensionen unter Anwendung eines
photolithographischen Verfahrens ermöglichen. Das Ergebnis
ist ein sehr kompakter Schaltungsaufbau.
Bei der MMIC-Ausführungsform können die aktiven Elemente
durch einen photolithographischen Prozeß vervielfältigt
werden, wobei bestimmte neue Techniken dazu genutzt werden
können, eine in feinen Stufen einstellbare Verstärkung zu
erhalten. Beispielsweise können damit im Falle von rausch
armen Verstärkern stufenweise einstellbare Verstärkungs
faktoren und im Falle von Phasenschiebern stufenweise
einstellbare Phasenverschiebungen erreicht werden. Bei dem
MMIC-Aufbau tritt grundlegend der Umstand auf, daß die
Auswirkungen von herstellungsbedingten Abweichungen auf
Schaltungswerte häufig größer sind als daß sie für die
Schaltungsauslegung toleriert werden könnten. Beispiels
weise können Abweichungen hinsichtlich des Phasengangs in
bestimmten MMIC-Bausteinen im wesentlichen zufallsverteilt
auftreten. Die Verstärkung kann zwar besser vorausbestimmt
werden, ist aber für manche Anwendungszwecke noch über
mäßig stark schwankend. Zieht man daher bei der Herstel
lung - oder durch Alterung - verursachte unannehmbare
Fehler hinsichtlich einer kritischen Eigenschaft in Be
tracht, so bietet die stufenweise Einstellbarkeit von
MMIC-Bausteinen einen Weg zum Erreichen genauerer Schal
tungswerte in den Betriebsschaltungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein phasenge
steuertes Radargerät mit einer verbesserten Einrichtung
für das Überwachen bzw. Abgleichen der Betriebskanäle
zwischen den einzelnen Antennenelementen und dem Empfänger
bzw. dem Steuersender zu schaffen. Ferner soll für den
Einsatz in dem phasengesteuerten Radargerät eine Sen
de/Empfangs-Baueinheit geschaffen werden, die die Be
triebsschaltungen für einen Satz von Antennenelementen
enthält und die für ein phasengesteuertes Radargerät mit
Selbstüberwachung bzw. Selbstabgleich geeignet ist.
Ferner soll mit der Erfindung eine Sende/Empfangs- bzw.
S/E-Baueinheit mit einstellbarer Verstärkung für den Ein
satz in einem phasengesteuerten Radargerät mit Selbstab
gleich geschaffen werden. Weiterhin soll für den Einsatz
in einem solchen Radargerät eine S/E-Baueinheit mit ein
stellbarem Phasengang geschaffen werden.
Mit der Erfindung soll für ein phasengesteuertes Radarge
rät mit Selbstüberwachung bzw. Selbstabgleich eine S/E-
Baueinheit geschaffen werden, deren Phasengang und/oder
Verstärkung und/oder Leistung einstellbar ist.
In dem phasengesteuerten Radargerät soll die erfindungsge
mäße S/E-Baueinheit gegen gleiche Baueinheiten austausch
bar sein.
Das erfindungsgemäße phasengesteuerte Radargerät mit
Selbstüberwachung und Selbstabgleich soll für den Betrieb
bei Frequenzen oberhalb von 1 GHz geeignet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsan
ordnung gelöst, mit der in einem phasengesteuerten Radar
gerät mit einer Anordnung aus Antennenelementen in m Spal
ten × n Zeilen ein genauer Phasengang in dem Sendekanal
von einem Steuersender zu einem jeweiligen Antennenelement
und in dem Empfangskanal von einem jeweiligen Antennenele
ment zu einem Empfänger aufrechterhalten wird.
Die Schaltungsanordnung enthält einen Steuersender, der
Signale für den Abgleich und für das Senden abgibt, einen
Empfänger mit einer Phasenfehler-Meßschaltung, die ein
Bezugssignal aus dem Steuersender erhält und einen Meßan
schluß hat, und einen Strahlenformer. Der Strahlenformer
hat m × n/j Verteiler- bzw. Vielfachanschlüsse, die in den
Sende/Empfangs-Betriebskanälen vom Steuersender bzw. Emp
fänger zu den Antennenelementen liegen, wobei j im Normal
fall 1, 2 oder 4 ist.
Die Schaltungsanordnung enthält ferner ein "inkorporier
tes" bzw. zusammengefaßtes gemeinsames Abgleichleitungs
netzwerk mit einem Einzelanschluß, der intern mit m × n/i
Vielfachanschlüssen verbunden ist, wobei i im Normalfall
gleich 4 ist und wobei jeder Verbindungskanal bekannte
elektrische Länge hat und einen Abgleichkanal von einem
jeweiligen Antennenelement zu dem Steuersender bzw. dem
Empfänger bildet; weiterhin enthält die Schaltungsanord
nung m × n/4 Sende/Empfangs- bzw. S/E-Baueinheiten mit
einstellbarer Phase, die in den Sende/Empfangs-Betriebska
nälen für eine jeweilige Teilgruppe aus vier Antennenele
menten angeordnet sind.
Jede S/E-Baueinheit enthält ein Übergangs- und Verteiler
netzwerk mit 1, 2 oder 4 Streifenleitungsanschlüssen, die
an den Strahlenformer angeschlossen sind, und mit vier
Mikrostreifenanschlüssen, sowie vier S/E-Module mit Mikro
streifenleitungsübertragungskanälen, von denen jeder Modul
die aktiven elektronischen Bauelemente für das Verarbeiten
der Signale eines zugeordneten Antennenelements enthält.
Im einzelnen enthält jeder Modul einen in einem Sende/Emp
fangs-Betriebskanal angeordneten steuerbaren Zweirich
tungs-Phasenschieber mit einem Steuereingang für die Pha
seneinstellung, einen Leistungsverstärker für das Verstär
ken des Signals aus dem Steuersender, einen rauscharmen
Verstärker für das Verstärken von Signalen aus dem zuge
ordneten Antennenelement und ein Paar von Sende/Empfangs-
Gabeleinrichtungen bzw. Abzweigeinrichtungen mit jeweils
drei Anschlüssen für das Durchleiten der Signale aus dem
Steuersender über den Leistungsverstärker zu dem zugeord
neten Antennenelement während des Sendens oder der Signale
aus dem Antennenelement über den rauscharmen Verstärker zu
dem Empfänger während des Empfangs, wobei das Paar aus
einem Sende/Empfangs- bzw. S/E-Schalter und einem Zirkula
tor besteht.
Die Baueinheit enthält ferner vier Mikrostreifenlei
tung/Streifenleitung-Übergangsstufen, die die Zirkulator-
Abzweigeinrichtung mit einer Streifenleitungs-Antennen-
Schaltung verbinden. Die Antennenschaltung enthält vier
benachbarte Antennenelemente in einer Reihe, die jeweils
einen Abgleich-Richtungskoppler haben, und ein gemeinsames
bzw. zusammengefaßtes 4 : 1-Leitungsnetzwerk, das die vier
Antennenelemente über die Richtungskoppler mit dem Ab
gleichleitungsnetzwerk verbindet. Auf diese Weise werden
vier Sende/Empfangs-Betriebskanäle mit einem einzigen
Abgleichkanal in Reihe geschaltet.
Für den Sendebetriebskanal-Abgleich wird eine Abgleich
schleife bzw. ein Abgleichkreis dadurch geschlossen, daß
das Ausgangssignal des Steuersenders in einen Meßkanal
geschaltet wird, der am Anfang aus dem Sendebetriebskanal
und darauffolgend einem Abgleichkanal besteht und der an
dem Meßeingang des Empfängers endet.
Bei dem Empfangsbetriebskanal-Abgleich ist die Aufeinan
derfolge umgekehrt. Hierbei wird das Ausgangssignal des
Steuersenders in einen Meßkanal eingeleitet, der am Anfang
aus einem Abgleichkanal und drauffolgend aus einem Emp
fangsbetriebskanal besteht und der an dem Meßeingang des
Empfängers endet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der
Phasenschieber eines jeden S/E-Moduls ein Zweirichtungs-
Phasenschieber mit einer Vielzahl von digitalen Phasenein
stellzuständen bzw. Phaseneinstellstufen, während gegebe
nenfalls die Leistungsverstärker und die rauscharmen Ver
stärker der S/E-Module digitale Leistungs- bzw. Verstär
kungs-Einstellstufen haben, wobei alle Einstellstufen
unter logischer Steuerung einstellbar sind. Wenn die
Leistung oder die Verstärkung gesteuert wird, wird der
Empfänger mit einer geeigneten Amplitudenfehler-Meßschal
tung ausgestattet.
Erfindungsgemäß wird die Phasenverschiebung in dem Phasen
schieber periodisch eingestellt, um den Sendebetriebskanal
und den Empfangsbetriebskanal auf einen virtuellen Ziel
linien-Zustand nachzugleichen. Die Phasenabweichungs- bzw.
Phasenfehlerdaten werden dann in einem löschbaren Speicher
gespeichert, um damit während des Sendens und während des
Empfangs die Phasenbefehle für die Strahlenlenkung zu
korrigieren. Die gleichen gespeicherten Fehlerdaten werden
bis zum nächsten Abgleich herangezogen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jede
S/E-Baueinheit mit einem Festspeicher (ROM) für das be
ständige Speichern von Verstärkungs- und Leistungskorrek
turen für einen jeweiligen Modul versehen. Die Verstärkung
und die Leistung werden periodisch an dem Meßeingang des
Verstärkers überwacht, um zu ermitteln, ob die Arbeitslei
stung akzeptabel ist. Sollte ein Modul oder sollten Module
in einer S/E-Baueinheit aus einem Toleranzbereich heraus
abweichen, wird ein Ausfall angezeigt und die S/E-Bauein
heit ersetzt. Die S/E-Module selbst sind trotz ziemlich
beträchtlicher Arbeitsleistungsabweichungen vor dem Einbau
in eine S/E-Baueinheit auswechselbar, jedoch können sie
ohne Austausch des Festspeichers nicht ausgewechselt wer
den, sobald sie einmal eingebaut und durch das Programmie
ren des Festspeichers auf die richtigen Werte eingestellt
sind.
Das Ergebnis ist gute Funktionsfähigkeit in jedem Be
triebskanal von dem Steuersender oder Empfänger zu einem
Antennenelement hinsichtlich des Phasengangs, der Leistung
und der Verstärkung. Die Erfindung wird vorzugsweise in
phasengesteuerten Radarsystemen angewandt, die bei Fre
quenzen oberhalb von 3 GHz arbeiten und in denen Gallium
arsenid-Materialien in MMIC-Aufbau benutzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu
tert.
Fig. 1A, 1B und 1C zeigen ein phasengesteuertes Radargerät
mit Selbstabgleich, das mit einer Vielzahl von auswechsel
baren Sende/Empfangs-Baueinheiten aufgebaut ist, von denen
jede vier S/E-Module mit den aktiven elektronischen Bau
elementen für vier Antennenelemente sowie die Antennenele
mente enthält, wobei die vergrößerte Teilansicht in Fig.
1B eine aus dem Gerät entnommene S/E-Baueinheit zeigt und
die vergrößerte Teilansicht in Fig. 1C die Anordnung der
Antennenelemente auf der Antennenöffnung zeigt.
Fig. 2A und 2B sind zwei vereinfachte Blockschaltbilder,
die Abgleichschleifen für das Korrigieren von Phasenfeh
lern in Sende- und Empfangsbetriebskanälen für jeweils in
einer T/R-Baueinheit enthaltene vier Antennenelemente bei
einem Ausführungsbeispiel zeigen, bei dem ein Strahlenfor
mer jeweils einen Vielfachausgang für vier Antennenelemen
te hat.
Fig. 3A und 3B sind zwei vereinfachte Blockschaltbilder,
die die Abgleichschleifen für das Korrigieren von Phasen
fehlern in den Sende- und Empfangsbetriebskanälen zu vier
in einer S/E-Baueinheit enthaltenen Antennenelementen bei
weiteren Ausführungsbeispielen zeigen, bei denen der
Strahlenformer jeweils einen Vielfachausgang für zwei
Antennenelemente bzw. für ein Antennenelement hat.
Fig. 4 ist eine ausführlichere Darstellung der Abgleich
schleifen für die Korrektur von Phasen- und Amplitudenfeh
lern in den Sendebetriebskanälen von vier Antennenelemen
ten einer S/E-Baueinheit in einem Radargerät mit einem
Monoimpuls-Strahlenformer.
Fig. 5 ist eine der Darstellung in Fig. 4 gleichartige
Darstellung der Abgleichschleifen für die Korrektur von
Phasen- und Amplitudenfehlern in Empfangsbetriebskanälen
für vier Antennenelemente in dem Radargerät nach Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Darstellung der Kanäle zwischen einer als
Beispiel dargestellten S/E-Baueinheit und einem Steuersen
der bzw. einem Empfänger in einem Monoimpuls-Strahlenfor
mer und in einem Abgleichleitungsnetzwerk eines phasenge
steuerten Radargeräts, das dem in den Fig. 4 und 5 darge
stellten gleichartig ist.
Fig. 7 ist eine Darstellung der Steuerfunktion für das
Einstellen der Zustände und Einstellungen eines einstell
baren S/E-Bausteins und zeigt einen Steuerbaustein und die
Verbindungen zu einem S/E-Modul bei einem Ausführungsbei
spiel, bei dem die Phase, die Leistung und die Verstärkung
gesteuert werden.
Fig. 8 ist ein Schaltbild eines Steuerbausteins einer S/E-
Baueinheit mit Steuerverbindungen zu vier einzelnen S/E-
Modulen der S/E-Baueinheit bei einem Ausführungsbeispiel,
bei dem die Phase und die Verstärkung gesteuert werden.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die die mechani
sche Gestaltung einer einzelnen Einsteck-S/E-Baueinheit
mit vier einzelnen S/E-Modulen im Einbauzustand zeigt,
wobei eine Platine für die logische Steuerung und Steue
rungsanschlüsse oberhalb der Einbaulage versetzt darge
stellt sind.
Fig. 10 ist eine auseinandergezogen dargestellte Ansicht
eines aus der S/E-Baueinheit heraus versetzten S/E-Moduls
und zeigt zwei abtrennbare Mikrostreifenleitungs/Streifen
leitungs-Übergangsstufen zwischen dem S/E-Modul und dem
anschließenden Streifenleitungsschaltungsaufbau.
Fig. 11A und 11B zeigen als Beispiel Streifenleitungsbe
reiche der S/E-Baueinheit, mit denen vier S/E-Module mit
vier einzelnen Antennenelementen verbunden sind, und eines
gemeinsamen Vierwege-Verteilers, der einen einzigen Ab
gleichanschluß für die S/E-Baueinheit bildet.
Die Fig. 1A ist eine perspektivische Draufsicht auf die
Antennenöffnung eines phasengesteuerten Radargeräts. In
der Fig. 1A sind ein großes rechteckiges Gehäuse 2 des
Radargeräts und eine flache rechteckige Radom-Abdeckung 3
gezeigt, die aus ihrer normalen Einbringungslage versetzt
dargestellt ist, um einzelne Antennenelemente 21 der An
tennenanordnung freizulegen. Die Abdeckung schützt die
Antennenelemente gegenüber den Witterungseinflüssen und
vermindert bei heftigem Regenfall die Beeinträchtigung der
Strahlenlenkung durch eine Wasserkeilbildung. Die Radom-
Abdeckung ist Gegenstand der US-Patentanmeldung Seriennum
mer 052 728 vom 21. Mai 1987 mit dem Titel "Protective
Shield for an Antenna Array" von H.C. Ast und J.D. Reale.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1C sind die Antennenelemente
21 in Zeilen und Spalten angeordnet. Bei dem konkreten
Ausführungsbeispiel sind 64 Elemente in einer Zeile und 56
Elemente in einer Spalte angeordnet, jedoch sind die Ecken
nicht ausgefüllt, so daß sich insgesamt ungefähr 3.000
Antennenelemente ergeben. Die ungefähr 3.000 Antennenele
mente sind ihrerseits in Vierergruppen in einer vertikalen
Linie zusammengefaßt, wobei jede Gruppe einen Teil einer
einzigen S/E-Baueinheit 20 bildet.
Die in Fig. 1B dargestellte S/E-Baueinheit 20 ist eine
Einsteckeinheit, die auf einfache Weise entnehmbar ist,
was das Ersetzen durch eine gleichartige Austauscheinheit
ermöglicht. Die S/E-Baueinheit ist derart gestaltet, daß
sie in einen starren Aufbaurahmen des Radargeräts paßt,
der ein sich quer über die Antennenöffnung erstreckendes
großes rechteckiges Gußteil ist. Wenn die S/E-Baueinheit
eingebaut ist, bildet die freiliegende Fläche einen Teil
einer durchgehenden flachen Grundebene, durch die hindurch
die Antennenelemente vorstehen. Die normalerweise verbor
gene Rückfläche der S/E-Baueinheit trägt eine Vielzahl von
Steckverbindern (34, 24, 39) für die erforderlichen Si
gnal-, Abgleich- und Steueranschlüsse der Baueinheit. Die
Steckverbinder sind derart ausgebildet, daß die Baueinheit
durch eine zur Grundebene senkrechte Bewegung mit entspre
chenden Steckverbindern in dem Gerät in Eingriff gebracht
oder von diesen gelöst werden kann.
Eine jede S/E-Baueinheit enthält vier entnehmbare S/E-
Module, die die für das Betreiben von vier Antennenelemen
ten im Sende- und Empfangsbetrieb erforderlichen aktiven
elektronischen Sende- bzw. Empfangsbauelemente enthalten,
ein erstes gemeinsames Vierwege-Signalverteilungsnetzwerk,
das eine jeweils einzelne Verbindung der vier S/E-Module
mit einem einzelnen Vielfachanschluß eines Strahlenformers
bildet, und ein zweites gemeinsames Vierwege-Abgleichnetz
werk, das eine Einzelverbindung zu einem Vielfachanschluß
eines Abgleichnetzwerks bildet. Ferner sind örtliche
Steuereinheiten vorgesehen, durch die im Zusammenwirken
mit einer zentralen "Synchronisiereinheit" 37 die ver
schiedenen Betriebs- und Selbstabgleichzustände einge
schaltet werden und die Abgleicheinstellungen der vier
Module vorgenommen werden.
Die S/E-Module, von denen vier in jeder S/E-Baueinheit
enthalten sind, enthalten jeweils alle für die Sende- und
Empfangsfunktion eines einzelnen Antennenelements erforder
lichen aktiven elektronischen Bauelemente. Die Module
stellen denjenigen Teil der Baueinheit dar, der hinsicht
lich Ausfällen oder Änderungen der Betriebseigenschaften
am stärksten anfällig ist. Die Module sind für einen
einfachen Ausbau ausgelegt und vor dem Einbau in die S/E-
Baueinheit oder für das Ersetzen einer fehlerhaften Ein
heit austauschbar.
Nach dem Einbau der vier einzelnen Module in eine Bauein
heit kann ein Speicher in der logischen Steuereinheit der
Baueinheit derart geändert werden, daß Abweichungen zwi
schen den einzelnen Modulen korrigiert werden. Daher kön
nen die Module nicht im Einsatzgebiet ausgewechselt wer
den, sondern müssen in einer Reparaturwerkstatt ausge
tauscht werden, in der der Speicher der Einheit umpro
grammiert werden kann.
Das Radargerät gemäß dem Ausführungsbeispiel enthält unge
fähr 700 S/E-Einheiten, die in 14 Reihen mit jeweils 64
Einheiten angeordnet sind, und ungefähr 3.000 S/E-Module,
die die aktiven elektronischen Bauelemente für die unge
fähr 3.000 Antennenelemente enthalten. Die Baueinheiten,
die austauschbar sind und daher die kleinste im Einsatzge
biet auswechselbare Einheit darstellen, können als langle
big angesehen werden, wobei der Hauptgrund für einen Aus
tausch einer Baueinheit die Module sind, die die haupt
sächliche Fehlerquelle sind.
Das in Fig. 1A gezeigte phasengesteuerte Radargerät ist
für den Betrieb von einer ortsfesten Stelle aus und für
das Formen eines elektronisch abgelenkten Strahls ausge
bildet. Das Ablenken des gesendeten Strahls kann durch das
Einstellen der elektrischen Verzögerungen erreicht werden,
die ein gemeinsames Erreger- bzw. Steuersendersignal vor
dem Einkoppeln in die einzelnen Elemente der Antennenan
ordnung erfährt. Falls die Elemente der Antennenanordnung
alle mit einem Signal gleicher Phase gespeist werden, ist
der Strahl längs einer zur Ebene der Antennenanordnung
senkrechten Achse gerichtet (die zur Fläche der Antennen
anordnung senkrechte Strahlrichtung ist auch als "Ziel
linien"-Richtung bekannt).
Das Ablenken des Sendestrahls wird dadurch erreicht, daß
quer über die Antennenöffnung entlang einer vertikalen
oder horizontalen Koordinatenlinie fortschreitend die
Phase von Antennenelement zu Antennenelement in nahezu
gleichen Stufen verschoben wird. Hierdurch wird eine ver
tikale oder horizontale Ablenkung des Strahls aus der
Ziellinie verursacht. Die Ablenkung ist zu der Phasenstu
fung zwischen den Elementen der Antennenanordnung propor
tional.
Bei einem phasengesteuerten Radargerät ist die Strahlfor
mung bzw. Bündelung und die Lenkgenauigkeit durch die
Genauigkeit der Phasenverzögerung in dem Kanal von dem
Steuersender zu dem jeweiligen Antennenelement bestimmt.
Gemäß den vorangehenden Ausführungen wird für die Ansteue
rung eines jeden Antennenelements das verstärkte Ausgangs
signal eines einzigen Erregers bzw. Steuersenders benutzt.
Das Ausgangssignal des Steuersenders kann einer Anfangsmo
dulation in irgendeiner Form unterzogen werden und hat
einen mittleren Leistungspegel. Das Ausgangssignal des
Steuersenders wird in dem Kanal zu den Antennenelementen
vor dem Zuführen zu den Spaltenspeiseleitungen und den
Zeilenspeiseleitungen des Strahlenformers erneut ver
stärkt, um den Signalpegel gut über dem Störpegel zu
halten, und in einem Leistungsverstärker für das Betreiben
eines einzelnen Antennenelements einer End-Leistungsver
stärkung unterzogen. Vor der Endverstärkung durchläuft das
Ausgangssignal des Steuersenders den digital gesteuerten
Phasenschieber in dem S/E-Modul, um den für den jeweiligen
Strahllenkungswinkel geeigneten erwünschten Phasenwinkel
des Signals einzustellen.
In einer üblichen Radaranlage ist für das Senden und den
Empfang die Strahlformung die gleiche, wobei dieser
Ausdruck die Formung bzw. Bündelung eines Strahls durch
Netzwerke bezeichnet, die das Steuersendersignal auf die
Leistungsverstärker verteilen. Bei dieser Anwendung werden
die Sendeamplituden der Signale an allen Elementen der
Anordnung gleichgehalten und für jede Strahllenkungsrich
tung im wesentlichen gleiche Phasenstufen (+ der Hälfte
eines wertniedrigsten Bits) als horizontal oder vertikal
über die Antennenöffnung fortschreitende Einzelschritte
aufrechterhalten. Wenn sich in einer bestimmten Strahl
richtung ein Ziel befindet, kehrt das Echo an den einzel
nen Elementen der Antennenanordnung in entsprechenden
Phasenstufen zurück, wonach dann, wenn durch die Umkeh
rungsverarbeitung über das Strahlformungsnetzwerk das Echo
wieder auf geeignete Weise zusammengesetzt wird, ein dem
ursprünglich gesendeten Impuls gleichartiger Einzelimpuls
erzeugt wird. Die Phaseneinstellungen, die verhältnismäßig
grob sein können, können zu dem Einstellen des Strahlrich
tungswinkels mit einer verhältnismäßig höheren Genauigkeit
herangezogen werden, wobei die letztliche Genauigkeit von
der Bitanzahl abhängig ist.
Die Strahlformung mit gleichen Amplituden an den Antennen
elementen und mit fortschreitend über die Antennenöffnung
stufenweise geänderten Phasen an den Antennenelementen ist
jedoch nur eine von verschiedenen Strahlformungseinstel
lungen in phasengesteuerten Radarsystemen. Häufig werden
die Amplituden der den einzelnen Antennenelementen zuge
führten Signale mit einer- Wertigkeit beaufschlagt, wenn es
erwünscht ist, zur Vermeidung von Störungen aus Störsen
dern außerhalb der Bahn der Hauptkeule des Richtstrahls
die Nebenkeulenpegel zu verringern.
Es ist auch der Monoimpuls-Betrieb üblich, bei dem die
Strahlformung unter Einstellung sowohl der Amplitude als
auch der Phase ausgeführt wird. Der Strahlformer für die
Monoimpuls-Sendung ergibt ein herkömmliches Strahlenbündel
(nämlich ein Summen-Strahlenbündel bzw. Sigma-Strahlenbün
del) mit einer Amplitudengewichtung, die eine optimale
Richtwirkung gewährleistet. Bei dem Empfang wird der
Summenstrahl mit der gleichen oder einer anderen Amplitu
dengewichtung aufgenommen, wonach paarweise Differenz
strahlen (Delta-Strahlen) in Azimuthrichtung (ΔAz) und
in Höhenrichtung (ΔEl) gebildet werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Anwendungsfällen besteht
hinsichtlich der aktiven elektronischen Bauelemente, die
das Steuersendersignal für das Senden und die von den
Antennenelementen empfangenen Echosignale für den Empfang
verarbeiten, zuzüglich zu der Phasensteuerung die Erfor
dernis einer gewichteten Amplitudensteuerung. Daher müssen
die Phase, die Sendeleistung und die Empfangsverstärkung
auf vorgeschriebenen Werten gehalten werden, falls das
Radargerät die gewünschten Funktionen ausführen soll.
Gemäß den vorangehenden Ausführungen haben die aktiven
elektronischen Bauelemente häufig eine geringere Anfangs
genauigkeit und eine geringere Stabilität als es für ein
mit hohen Frequenzen arbeitendes phasengesteuertes Radar
system im praktischen Einsatz erforderlich wäre. Eine
Korrektur kann grundsätzlich auf zweierlei Weise vorgenom
men werden. Die herstellungsbedingten Abweichungen können
sofort bei der Herstellung des Geräts ausgeschaltet wer
den. Daher können Abweichungen hinsichtlich der Sendelei
stung oder der Empfangsverstärkung durch das Bestimmen
einer richtigen Einstellung und das Einspeichern der Kor
rekturen in einen Festspeicher korrigiert werden. Nach der
Herstellung wird die Leistungsfähigkeit wiederholt bzw.
periodisch überwacht. Falls die Überwachung eine Ab
weichung von einer akzeptablen Leistungsfähigkeit ergibt,
wird die "kleinste austauschbare Einheit" ersetzt, die ein
den Erfordernissen nicht genügendes Verstärkerelement
enthält. Bei dem Ausführungsbeispiel werden auch Phasen
fehler bzw. Phasenabgleichungen geändert, wozu ein digital
gesteuerter Phasenschieber verwendet wird. Der Phasen
schieber wird periodisch mit einer Einrichtung überwacht,
die die Einstellung ändert, sobald Abweichungen von an
nehmbaren Werten ermittelt werden.
Erfindungsgemäß enthält ein auswechselbarer S/E-Baustein
vier auswechselbare S/E-Module, die ihrerseits die für ein
jedes Antennenelement erforderlichen aktiven elektroni
schen Bausteine enthalten und eine Einrichtung zum logi
schen Steuern der Phase oder zur Einstellung der Phase und
Amplitude bilden. Jeder Modul ergibt diese Einstellungen
in den Betriebskanälen von dem Steuersender zu einem An
tennenelement und von dem Antennenelement zu dem Empfän
ger. Da voneinander verschiedene elektronische Bauelemente
verwendet werden, werden in der Baueinheit bei der Steue
rung der Einstellungen der Module die Einstellungen für
das Sendesignal und für das Empfangssignal gesondert ge
steuert. Der Eichungs- bzw. Abgleichprozeß, durch den die
Genauigkeit der Einstellungen sichergestellt wird, umfaßt
eine interne Normierung und erlaubt einen andauernden
fortgesetzten Abgleich hinsichtlich des Strahlenformungs
prozesses.
Die Verwendung der Module, an denen die Phase und/oder die
Leistung und/oder die Verstärkung logisch steuerbar ist,
ermöglicht es zusammen mit einer geeigneten Auslegung des
ganzen Radargeräts und geeignete Phasen- und Amplituden-
Meßschaltungen in dem Radarempfänger, in jedem Betriebska
nal in der zum Erzielen der Solleistung erforderlichen
Genauigkeit den Soll-Phasengang, Soll-Amplitudengang und
Soll-Verstärkungsgang zu erreichen.
Die Fig. 2A und 2B sind vereinfachte Blockschaltbilder der
Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
und zeigen die Abgleichsignalstromkreise bzw. Schleifen
für jeweils das Senden und Empfangen einer S/E-Baueinheit
für vier, nämlich einer j-Teilgruppe von Antennenelementen
21 in einem Radargerät. Die Baueinheit enthält vier Anten
nenelemente und vier Module, die jeweils Bauelemente 27
bis 31 enthalten und die eine Einrichtung für die Phasen
einstellung einer jeden aktiven Antennenschaltung für das
Senden und für das Empfangen bilden. Die in den Fig. 2A
und 2B verwendeten Bezugszeichen sowie die Beschreibung
sind gleichermaßen für die weiter vervollständigten
Schaltbilder in den Fig. 4 und 5 gültig.
Die Steuerung des Radargeräts wird systemgemäß mittels der
mit einem Empfänger 11 zusammenwirkenden Synchronisierein
heit 37, die gespeicherte Fehler- bzw. Abweichungsdaten
liefert und mittels einer Steuereinheit 38 ausgeführt, die
die Steuerung der die aktiven elektronischen Bauelemente
enthaltenden einzelnen Module innerhalb einer jeden Bau
einheit 20 ausführt. Die in der Fig. 2A dargestellten
Steuerungen beschränken sich auf diejenigen an Phasen
schiebern 31, auf das Einschalten der einzelnen Module und
die Betriebszustandswahl. Kompliziertere Steuerfunktionen
sind bei zwei Ausführungsbeispielen vorgesehen, die in den
Fig. 7 und 8 dargestellt sind.
In der Fig. 2A ist somit die Korrektur von Phasenfehlern
in den Sendebetriebskanälen für die vier Antennenelemente
21 dargestellt, die ein Teil der Baueinheit 20 sind. Die
Baueinheit 20 enthält in der in Fig. 2A vereinfacht darge
stellten Form vier gleiche Kanäle, von denen jeder einen
S/E-Modul (26) aus einem logisch gesteuerten Phasenschie
ber 31 und einem elektronischen Bauelementesatz 27, 28 und
30 besteht. Zusätzlich hat die Baueinheit ein Signalver
teilungsnetzwerk (33) zum Verbinden des Strahlenformers
mit den Modulen, ein Abgleich-Verteilungsnetzwerk (25) zum
Verbinden der Antennenelemente mit einem Abgleichnetzwerk
(15, 16) und die logische Steuereinheit 38, die an die
Steckverbinder 39 für die Synchronisiersteuerung ange
schlossen ist.
Im einzelnen hat das in Fig. 2A dargestellte Radargerät
einen Steuersender 10 für die Abgabe von Signalen für das
Senden und für den Abgleich der Sendekanäle, den Empfänger
11 mit einer Abgleichfehler-Meßschaltung, die einen Be
zugssignaleingang und einen Meßsignaleingang hat, einen
Strahlenformer (13, 14) mit Strahlenformungskanälen in
Sende-Spaltenleitungen 13 und Sende/Empfangs-Zeilenleitun
gen 14 während des Sendens und des Abgleichens der Sende
betriebskanäle, die zu dem Steuersender/Empfänger-Signal-
Anschluß bzw. -Steckverbinder 34 dargestellten Baueinheit
führen und an den Antennenelementen 21 der Einheit enden,
und Abgleichleitungen (15, 16), die Abgleichkanäle bilden,
die an den Antennenelementen der Einheit beginnen und
während des Sendens und der Eichung der Sendebetriebska
näle an dem Meßanschluß des Empfängers 11 für die Fehler
messung enden. Die Abgleichleitungen sind in Spaltenlei
tungen (15) und Zeilenleitungen (16) unterteilt, die beide
jeweils gleichartig sind, nämlich Kanäle von einem Einzel
anschluß zu jedem von Mehrfachanschlüssen mit idealerweise
gleicher elektrischer Länge bilden, so daß alle Zweiglei
tungen die gleiche Leistungsteilung oder Summierung erge
ben.
Während des Sendens und des Sendekanalabgleichs werden die
Steuersendersignale aus den Vielfachanschlüssen des Strah
lenformers 13, 14 in den Steckverbinder 34 der jeweiligen
Baueinheit 20 eingegeben. Ein gemeinsames Vierwege-Signal
Verteilungsnetzwerk 33 in der Baueinheit, dessen Einzelan
schluß mit dem Steckverbinder 34 verbunden ist, verteilt
das Steuersendersignal auf jedes seiner vier Vielfachan
schlüsse über eine (in Fig. 10 in auseinandergezogener
Darstellung gezeigte) Streifenleitungs/Mikrostreifenlei
tungs-Übergangsstufe 32 zu jedem der vier gesteuerten
Zweirichtungs-Phasenschieber 31, die das erste Bauelement
des jeweiligen Moduls bilden.
Nach dem gesonderten Durchlaß durch den jeweiligen Phasen
schieber werden die gesondert verarbeiteten Steuersender
signale in den in Reihe geschalteten elektronischen Schal
tungsblock (als Rest des jeweiligen Moduls) eingekoppelt,
der dem jeweiligen Phasenschieber nachgeschaltet ist. Für
das Senden oder den Sendekanalabgleich besteht jeder elek
tronische Schaltungsblock aus den Bauelementen 30, 28 und
27. Gemäß der ausführlicheren Darstellung in Fig. 7 wird
von einem S/E-Umschalter 30 das Steuersendersignal zu
einem Leistungsverstärker 28 durchgeschaltet, dessen Aus
gangssignal von einem Zirkulator bzw. einer Richtungsgabel
27 in den Kanal zu dem Empfangselement 21 geleitet wird.
Während des Sendens werden alle Antennenelemente gespeist,
wodurch ein Strahl erzeugt wird. Während des Sendekanalab
gleichs wird jeweils ein Antennenelement gleichzeitig
unter Steuerung durch die Steuereinheit gespeist, wobei
kein richtiger Strahl erzeugt wird.
Infolgedessen liegt während des Sendekanalabgleichs nur
eines der vier verstärkten Ausgangssignale des Steuersen
ders vor, welches aus einem der vier Zirkulatoren 27 über
die Primärstrecke eines von vier Abgleich-Richtungskopp
lern 22 zu einem der vier Antennenelemente 21 geleitet
wird. Die Richtungskoppler haben eine Sekundärstrecke, die
mit der Primärstrecke mit einer Dämpfung von 20 db gekop
pelt ist. Die 20-db-Koppler sind nahe an den zugeordneten
Antennenelementen angeordnet, so daß sie so gut wie mög
lich die Phase und die Amplitude des Antennenspeisesignals
wiedergeben. Daher wird an dem Sekundärausgang eines der
Richtungskoppler von dem verstärkten Steuersendersignal,
das nunmehr das Sendeausgangssignal ist, ein abgeschwäch
tes Abfragesignal wiedergegeben, sobald es das eingeschal
tete Antennenelement erreicht.
Im Zuge des Abgleichprozesses werden vier abgeschwächte
Abfragesignale des Sendesignals, die virtuelle Nachbildun
gen des von jedem der vier Antennenelemente abgestrahlten
Signals darstellen, gesondert mittels jeweils einem der
vier Richtungskoppler abgenommen und einem Einzelanschluß
des gemeinsamen Vierwege-Netzwerks 25 zugeführt. Die zu
unterschiedlichen Zeiten von den Vielfachanschlüssen des
Netzwerks 25 her kommenden Abfragesignale werden über den
Einzelanschluß des Netzwerks 25 dem Steckverbinder 24
zugeführt, von dem weg sie aus der S/E-Baueinheit zu dem
Abgleich-Sammelleitungsnetzwerk 15, 16 gelangen.
Die vier Abfragesignale werden dann über das Abgleich-
Sammelleitungsnetzwerk 15, 16 zu dem Meßanschluß der Pha
senfehler-Meßschaltung des Empfängers 11 zurückgeführt.
Dort werden das Bezugssignal, das durch das direkte An
schließen des Ausgangs des Steuersenders an den Bezugssi
gnalanschluß der Meßschaltung erzeugt wird, mit den Abfra
gesignalen verglichen, die eine den Sendebetriebskanal und
den Abgleichkanal enthaltende Strecke durchlaufen haben.
Auf dieses Weise sind an der Fehler-Meßschaltung des Emp
fängers die Betriebskanalabgleich-Schleifen geschlossen,
wobei in dem Empfänger die Phasenverzögerungen der Be
triebskanäle gegenüber dem Bezugssignal gemessen werden.
Sollten in der Schaltung Phasenabweichungen gegenüber dem
Sollwert gemessen werden, werden die Abweichungen bzw.
Fehler in dem Empfänger 11 gespeichert und über die Syn
chronisiereinheit 37 zu der Steuereinheit 38 geleitet, wo
sie zum Nachstellen der vier Phasenschieber 31 für das
Korrigieren der Fehler bzw. Abweichungen in einem jeden
der vier abzugleichenden Kanäle herangezogen werden.
Der Abgleichprozeß hinsichtlich der Sende- und Empfangsbe
triebskanäle läuft unter der Steuerung durch die Synchro
nisiereinheit 37 ab, die über die Steuereinheit 38 in
jeder der 700 S/E-Baueinheiten einwirkt. Für den Abgleich
des ganzen Geräts wird eine beträchtliche Zeitdauer (in
der Größenordnung einer Minute) benötigt. Der vollständige
Abgleich könnte zwar bei dem Einschalten des Radargeräts
erforderlich sein, kann jedoch auch abschnittsweise in
Leerzeiten während des normalen Radarbetriebs ausgeführt
werden.
Die Synchronisiereinheit 37 und die Steuereinheiten bzw.
Steuerbausteine 38 in den jeweiligen S/E-Baueinheiten
steuern auf die vorstehend beschriebene Weise den Sendeka
nal-Abgleich sowie ferner auch die anderen drei grundle
genden Betriebszustände. Die anderen Betriebszustände sind
das Senden, der Empfangskanal-Abgleich und der Empfang.
Bei der Sendebetriebsart werden beispielsweise alle vier
Module aller S/E-Baueinheiten gleichzeitig in den Sendebe
triebszustand geschaltet, während bei dem Sendekanal-
Abgleich gleichzeitig jeweils nur ein Modul in einen sen
deartigen Betriebszustand in zeitlicher Aufeinanderfolge
über alle S/E-Baueinheiten geschaltet wird. Die Synchroni
siereinheit 37 und die Steuereinheiten 38 führen diese
Betriebszustände in den jeweiligen Modulen mittels Ein
schaltsteuersignalen (ENABLE) gemäß der Darstellung in Fig.
2 herbei.
Die Korrektur der Phasenfehler in den m × n Sendebetriebs
kanälen macht einen Phasenschieber je Kanal erforderlich,
und zwar einen, der seine Einstellung beibehält und von
dieser Einstellung weg während der Strahlenlenkung stufen
weise verstellt werden kann. Der Phasenschieber muß wäh
rend des Abgleichs auf einen Wert zurückgestellt werden
können, mit dem irgendeine Abweichung von dem angestrebten
Bezugswert korrigiert wird, mit der Möglichkeit zum
Durchstimmen über 360°. Wenn alle Kanäle abgeglichen sind,
ist ein virtueller Ziellinien-Zustand erreicht. Während
des Sendens muß die Phasenkorrektur als "echte" Nullpha
seneinstellung aufrechterhalten werden, der bei der Strah
lenlenkung zu einer gewünschten Versetzung gegenüber dem
Ziellinien-Zustand bzw. der Ziellinienrichtung die Phasen
stufen hinzugefügt werden. Diese Erfordernis kann mittels
eines logisch gesteuerten digitalen Phasenschiebers mit
typischerweise 4 bis 6 Bit erfüllt werden. Ein geeigneter
Phasenschieber ist der in der am 20. Mai 1985 eingereich
ten US-PS 4 638 190 von Hwang und anderen der Anmelderin
mit dem Titel "Digitally Controlled Wideband Phase Shif
ter" beschriebene.
Die S/E-Baueinheiten (20) mit den darin enthaltenen vier
S/E-Modulen (26) tragen zu einem wesentlichen Teil zu den
Phasenfehlern in einem jeden Kanal bei, wobei sie aber die
Einrichtung zum Korrigieren der Phasenfehler für einen
jeden Sendekanal enthalten. Die Streifenleitungs-Netzwerke
33 und 25 haben bei hoher Zuverlässigkeit geringe Phasen
fehler, während die aktiven elektronischen Bauelemente
einschließlich der Phasenschieber selbst weniger betriebs
sicher sind und beträchtliche Phasenfehler zeigen. Zu den
dem Sendekanalabgleich zu unterziehenden Blöcken in den
Modulen 26 zählen der Leistungsverstärker 28 sowie der
S/E-Umschalter 30 und der Zirkulator 27, die die erforder
liche Führung des Steuersendersignals zu dem Eingang des
Leistungsverstärkers 28 bzw. von dem Ausgang des Lei
stungsverstärkers 28 zu dem Kanal des zugehörigen Anten
nenelements 21 ausführen. (In jedem Modul ist ferner ein
während des Sendens unwirksamer rauscharmer Verstärker 29
enthalten, der nicht zu dem Phasenfehler bei dem Senden
beiträgt.)
Jeder Phasenschieber 31 korrigiert die Phasenfehler in dem
zugeordneten Modul 26, in den Signalverteilungskanälen der
Baueinheit 20 und dem restlichen Kanal von dem Steuersen
der zu dem zugeordneten Antennenelement. Ein Hauptteil
dieses restlichen Kanals ist der Strahlenformer 13, 14.
Der Strahlenformer ist zwischen den Steuersender 10 und
den Anschluß 34 der j-ten Baueinheit 20 geschaltet. Der
Strahlenformer 13, 14 enthält das Spalten-Leitungsnetz 13
und das Zeilen-Leitungsnetz 14 sowie Verstärker, die den
Pegel des Steuersendersignals bei dessen Verzweigung (ge
mäß der Darstellung in Fig. 6) aufrechterhalten. Da nur
ein einziger Eingangsanschluß von dem Steuersender 10 in
den Strahlenformer 13, 14 führt und nur ein einziger
Ausgangsanschluß von dem Strahlenformer zu dem Baustein 20
(an dem Steckverbinder 34) durchgeschaltet ist, verläuft
für eine gewählte j-te S/E-Baueinheit nur ein einziger
Kanal durch den Strahlenformer. (Der gleiche Strahlenfor
merkanal wird auch für jedes Antennenelement benutzt, das
einen Teil der j-ten Baueinheit bildet.) Die Phasenverzö
gerung in dem einen Kanal durch den Strahlenformer 13, 14
ist infolgedessen eine feste Größe, die zu den anderen
Phasenverzögerungen in dem Kanal von dem Steuersender zu
einem bestimmten Antennenelement hinzukommt.
Durch das Einschalten von nur einem Modul während des
Sendekanalabgleichs, das dadurch bewerkstelligt wird, daß
die anderen drei Module abgeschaltet werden und das
Steuersendersignal zu diesem Zeitpunkt nur über einen
Modul geleitet wird, wird eine Überbestimmung des Kanals
über die Baueinheit für das bestimmte Antennenelement
während des Sendekanalabgleichs vermieden, wobei vorausge
setzt ist, daß zwischen den Schaltungen in der Baueinheit
keine wechselseitige Kopplung auftritt.
Auf diese Weise ist die Phasenverzögerung in dem ganzen
Kanal von dem Steuersender zu dem bestimmten Antennenele
ment eine feste und zugängige Größe, die leicht durch den
Einbau eines logisch gesteuerten einstellbaren Phasen
schiebers in einen jeden Kanal auf einen gewünschten Wert
korrigiert werden kann. Die Phasenschieber 31, von denen
in jedem Modul 26 einer enthalten ist und in jeder Bauein
heit 20 vier bzw. im ganzen Radargerät etwa 3.000 enthal
ten sind, ergeben daher den erforderlichen Spielraum für
die Korrektur der jeweiligen Sendekanäle.
Die Eichungs- bzw. Abgleichmessung für einen jeden Kanal
wird erfindungsgemäß dadurch vorgenommen, daß das Steuer
senderausgangssignal, sobald es das jeweilige Antennenele
ment erreicht, über einen Kanal bekannter elektrischer
Länge zu dem Meßanschluß einer Phasenvergleichsschaltung
zurückgeführt wird. Zugleich wird ein Signal direkt aus
dem Steuersender dem Bezugssignalanschluß der Vergleichs
schaltung zugeführt. Der Phasenfehler in dem Betriebskanal
wird dann dadurch erhalten, daß die bekannte Phasenverzö
gerung in dem Abgleichkanal von der gemessenen Phasenver
zögerung subtrahiert wird, die das Steuersendersignal bei
dem Durchlaufen sowohl des Sendebetriebskanals als auch
des Abgleichkanals erfährt.
Der Abgleichkanal enthält das Zeilen-Leitungsnetzwerk 16
und das Spalten-Leitungsnetzwerk 15, die beide "inkorpo
riert" sind. Der Ausdruck "inkorporiert" soll dabei bedeu
ten, daß jeder Kanal von einem Einzelanschluß zu einem
Vielfachanschluß im wesentlichen die gleiche elektrische
Länge (nämlich Phasenverzögerung) hat. Sobald jeder Kanal
aufgebaut und in eine Testanordnung geschaltet ist, wird
die Kanallänge normalerweise mit einem höheren Genauig
keitsgrad als auf wirtschaftliche Weise durch den Aufbau
erzielbar gemessen und der Wert eines restlichen Fehlers
bzw. einer restlichen Abweichung in einem Computerspeicher
gespeichert und zum Ausschalten irgendwelcher Fehler her
angezogen, die er bei dem Abgleichprozeß verursachen könn
te. Die schließlich bei Toleranzen von ungefähr 25,4 µm
(0,001 Zoll) erreichte Genauigkeit ist in Abhängigkeit von
der Frequenz ein kleiner Bruchteil eines Grads.
Für den Abgleichprozeß muß das Abgleichleitungsnetz je
weils einen einzigen Abgleichkanal von den Anschlüssen 24
der jeweiligen 700 S/E-Baueinheiten zu dem Meßeingang der
Abgleichfehler-Meßschaltung in dem Empfänger 11 bilden.
Ferner müssen die Richtungskoppler 22 und die "inkorpo
rierten" Sammelleitungen 25 in den einzelnen Baueinheiten
Kanäle gleicher Länge von dem jeweiligen Antennenelement
zu dem Anschluß bzw. Steckverbinder 24 bilden.
Die Abgleich-Leitungsnetzwerke 15, 16 erfüllen die Bedin
gung dadurch, daß sie zwischen dem Anschluß 24 der jewei
ligen S/E-Baueinheit und dem Meßeingang der Abgleichfeh
ler-Meßschaltung in dem Empfänger 11 einen einzigen Kanal
mit bekannter Phasenverzögerung für das Sendesignal bil
den. Das Abgleichsleitungsnetzwerk muß infolgedessen für
jede S/E-Baueinheit einen Vielfachanschluß in der Zeilen
leitung haben. Das Senderausgangssignal an dem Anschluß 24
der j-ten Baueinheit wird zu einem dieser Baueinheit
zugeordneten Vielfachanschluß des Zeilen-Leitungsnetzwerks
16 geleitet. Das Senderausgangssignal erscheint wieder an
dem Einzelanschluß des Zeilen-Leitungsnetzwerks 16 und
wird dann einem Vielfachanschluß des Abgleich-Spalten-
Leitungsnetzwerks 15 zugeführt. Schließlich erscheint das
Senderausgangssignal wieder an dem Einzelanschluß des
Abgleich-Spalten-Leitungsnetzwerks, der mit dem Meßeingang
des Empfängers 11 verbunden ist.
Die Phase des für den Abgleich aller Betriebskanäle ver
wendeten Bezugssignals kann völlig beliebig sein, solange
sie in bezug auf den Steuersender stabil ist. Dies gilt
deshalb, weil für die Strahlenformung und -lenkung die
Phasen der Signale an dem jeweiligen Antennenelement in
bezug auf die Phasen der Signale an den anderen Antennen
elementen relevant sind, während die absoluten Phasen
dieser Signale nicht von Bedeutung sind, da sie weder die
Strahlenformung noch die Strahlenlenkung beeinflussen.
Der Abgleichprozeß umfaßt infolgedessen das Einstellen
eines jeden Phasenschiebers, der auf binäre Bruchteile von
360° einstellbar ist, auf die nächste Phasenüberein
stimmung mit dem Bezugssignal aus dem Steuersender, wonach
die Addition eines aus dem Speicher abgerufenen Korrektur
werts folgt, der die Normabweichung eines bestimmten Ab
gleichkanals in den Leitungsnetzwerken 15 und 16 dar
stellt. Wenn der Sende- oder Empfangszustand eingeschaltet
ist, werden infolgedessen die für die Strahlenlenkung auf
beliebige Winkel erforderlichen Phasenstufen mit den "ech
ten" Nullwerten an dem jeweiligen Antennenelement kombi
niert, um die Phasengänge der unterschiedlichen Kanäle
über den Strahlenformer und die aktiven elektronischen
Bauelemente in den S/E-Baueinheiten zu korrigieren.
Während bei dem Abgleichprozeß ein hoher Genauigkeitsgrad
(mit Fehlern von kleiner als 1°) erreicht wird, ergibt
sich zugleich eine wünschenswerte Zufallsverteilung hin
sichtlich der Einstellungen der einzelnen Phasenschieber.
Der Phasenschieber hat bei einer Vier-Bit-Ausführung
kleinste Stufen von 22,5° zwischen den Einstellungen und
bei einer Sechs-Bit-Ausführung kleinste Stufen von 5,625°.
Das Strahlendiagramm ist normalerweise bei einer Antennen
anordnung mit digitalen Phasenschiebern verbessert, wenn
die Abweichungen über die Antennenöffnung zufallsverteilt
sind. Hierdurch ist eine halbe Minimalstufe als optimale
Zufallsabweichung bestimmt sowie eine Zufallsverteilung
der Abweichungen zwischen den Phasenschiebern für eine
gemeinsame vertikale oder horizontale Linie.
Die Erfordernis nach Phasengenauigkeit tritt grundlegend
für die einzelnen Kanäle der Abgleich-Leitungsnetzwerke 15
und 16, wie schon angemerkt wurde, sowie für die "inkorpo
rierten" Vierwege-Leitungsnetzwerke 25 der jeweiligen
Baueinheiten 20 auf. Die Geometrie der Vierwege-Leitungs
netzwerke 25 muß sorgfältig derart ausgelegt werden, daß
gleiche Phasenverzögerungen auf den Kanälen von dem jewei
ligen Antennenelement zu dem gemeinsamen Anschluß 24 si
chergestellt sind. Die Netzwerke werden in Streifenlei
tungs-Aufbau mit lithographischen Anordnungen hergestellt,
die sorgfältig für das Aneinanderangleichen der Phasenver
zögerungen in den elektrischen Kanälen ausgelegt sind.
Eine geeignete Streifenleitungs-Druckschaltungs-Anordnung
für das Netzwerk 25 ist in den Fig. 11A und 11B darge
stellt. Es wird eine Anordnungsgenauigkeit von 25,4 µm
(0,001 Zoll) mit einer angestrebten Phasengenauigkeit von
einem kleinen Bruchteil eines Grads in Abhängigkeit von
der Frequenz eingehalten.
Die übrigen Signalkanäle in dem Gerät sind hinsichtlich
des Optimierens der Phasengänge im allgemeinen weniger
kritisch. Beispielsweise wird eine ähnliche Symmetrie,
jedoch mit geringer Auswirkung auf die Abgleichgenauigkeit
bei dem "inkorporierten" Leistungsnetzwerk 33 angewandt,
das den Strahlenformer mit den einzelnen Modulen verbin
det. Bei dem Leitungsnetzwerk 33 ist die Genauigkeit (ide
ell) unkritisch, da es in dem Sendebetriebskanal angeord
net ist und über die Rückführungsschleife korrigiert wird.
Ferner sind (ideell) die Kanäle von dem Steuersender zu
dem Abgleicheingang des Empfängers, von dem Steuersender
zu dem Eingang des Strahlenformers und von dem Einzelan
schluß des Abgleich-Spalten-Leitungsnetzwerks zu dem Ab
gleicheingang des Empfängers unkritisch. Dies ist deshalb
der Fall, weil sie für alle Betriebskanäle zu allen Anten
nenelementen gemeinsam sind und nur die absolute Phase
beeinflussen.
Die Phasengenauigkeit der einzelnen Antennenelemente ist
daher durch die Genauigkeit des Vierwege-Leitungsnetzwerks
25, die Sorgfalt, mit der die 700 Kanäle in den Abgleich-
Leitungsnetzwerken 15 und 16 einander angeglichen sind,
und die Genauigkeit bestimmt, mit der die restlichen Pha
senfehler in den Abgleich-Leitungsnetzwerken 15 und 16
gespeichert und zum Korrigieren der einzelnen Strahlenlen
kungsbefehle herangezogen sind.
Die Fig. 2B veranschaulicht die Korrektur von Phasenfeh
lern in den Empfangsbetriebskanälen für die gleichen vier
Antennenelemente der j-ten S/E-Baueinheit 20.
Gemäß Fig. 2B besteht das Radargerät in dem in Fig. 2A
dargestellten Ausmaß im wesentlichen aus den gleichen
Hauptkomponenten: dem Steuersender 10, dem Empfänger 11,
einem Strahlenformer, in welchem nun aber ein Summen- und
Differenz-Spalten-Leitungsnetzwerk 12 und das Sende/Emp
fangs-Zeilen-Leitungsnetzwerk 14 eingesetzt ist, und den
Abgleich-Leitungsnetzwerken 15 und 16. Die Strahlenformer
kanäle für den Empfangskanalabgleich sind daher von denje
nigen für den Sendekanalabgleich verschieden und für ein
Monoimpuls-Radargerät ausführlich in Fig. 6 dargestellt.
Bei einem einfachen, nicht im Monoimpulsbetrieb arbeiten
den Radargerät besteht dieser Unterschied nicht. Ähnlich
wie bei dem Sendekanalabgleich wird jedoch ein einziger
Kanal über den Strahlenformer zwischen dem Anschluß bzw.
Steckverbinder 34 einer jeweiligen S/E-Baueinheit und dem
Meßeingang des Empfängers 11 gebildet.
Der Empfangskanalabgleich unterscheidet sich von dem Sen
dekanalabgleich prinzipiell darin, daß die Richtung des
Signalflusses über den Abgleichkanal und den Betriebskanal
umgekehrt ist. Bei dem Empfangskanalabgleich führt der
Steuersender 10 ein Signal direkt dem Bezugssignaleingang
der Abgleichfehler-Meßschaltung sowie direkt dem Einzelan
schluß der Abgleich-Leitungsnetzwerke 15 und 16 zu. Das
Meßsignal durchläuft dann das Spalten-Leitungsnetzwerk 15
und das Zeilen-Leitungsnetzwerk 16 und wird über den An
schluß 24 in die Antennenschaltung der j-ten Baueinheit
eingekoppelt. Im weiteren wird das Meßsignal mittels der
Richtungskoppler 22 über das "inkorporierte" Vierwege
Verteiler-Leitungsnetzwerk 25 in die Antennenschaltung
eingekoppelt. Die Richtungskoppler leiten das Meßsignal in
der Richtung ein, in der ein von den Antennenelementen
aufgenommenes und den Empfangskanälen zugeleitetes Signal
geleitet wird. Der Abgleichkanal endet dann an den Rich
tungskopplern nahe den Antennenelementen.
Bei dem Empfangskanalabgleich sind die Abgleich-Leitungs
netzwerke 15 und 16 die gleichen wie bei dem Sendekanalab
gleich, während die der jeweiligen S/E-Baueinheit zugeord
neten Kanäle für beide Abgleichvorgänge benutzt werden,
obwohl die Richtungen des Meßsignals über das Leitungs
netzwerk einander entgegengesetzt sind.
In dem Empfangsbetriebskanal gelangt das Meßsignal von dem
gewählten Antennenelement 21 zu dem zugeordneten S/E-Modul
26, der den Phasenschieber 31 und die elektronischen Bau
elemente 27, 29 und 30 für das Senden und Empfangen ent
hält. In dem Empfangskanal tritt das Meßsignal in den
Zirkulator 27 ein, von dem es in den Verstärker 29 mit
veränderbarer Verstärkung geleitet wird, aus dem es nach
der Verstärkung zu dem Sende/Empfangs-Umschalter 30 ge
langt, der das Meßsignal dem Phasenschieber 31 zuleitet.
Das Ausgangssignal des Phasenschiebers wird über das Lei
tungsnetzwerk 33 dem Anschluß bzw. Steckverbinder 34 der
S/E-Baueinheit zugeführt. Der Meßimpuls tritt dann in
einen Vielfachanschluß des Strahlenformers 12, 14 ein und
tritt an dem Einzelanschluß des Strahlenformers aus, der
mit einem Eingang der Abgleich-Meßschaltung in den Empfän
ger 11 verbunden ist.
Wie bei dem Sendekanalabgleich werden bei dem Empfangska
nalabgleich die Module in der S/E-Baueinheit einzeln ein
geschaltet, während die Module außer dem gerade abzuglei
chenden Modul ausgeschaltet werden. Es wird ein Steuersi
gnal für das Einstellen des einstellbaren Phasenschiebers
31 in dem gerade abzugleichenden Kanal auf dem geeigneten
echten Nullwert erzeugt.
Der Empfangskanalabgleich wird im wesentlichen wie der
Sendekanalabgleich ausgeführt. Unter der Steuerung durch
die Synchronisiereinheit 37 und die Steuereinheit 38 kann
entweder die Empfangsbetriebsart oder die Empfangskanalab
gleich-Betriebsart eingeschaltet werden. Bei der Empfangs
betriebsart werden gleichzeitig alle vier Module aller
Baueinheiten im Empfangszustand in Betrieb gesetzt, wäh
rend bei dem Empfangskanalabgleich gleichzeitig nur je
weils ein Modul in einer Baueinheit in einem dem Empfangs
zustand ähnlichen Zustand in Betrieb gesetzt wird. Daher
wird für den Abgleich der Phasengang eines jeden der vier
Empfangskanäle in der gleichen Baueinheit für eine geson
derte Einstellung herausgegriffen und die Einstellungen
werden aufeinanderfolgend ausgeführt.
Die Steuereinheit 38 liefert ein Steuersignal für das
Umstellen des jeweiligen Phasenschiebers 31 in der gewähl
ten S/E-Baueinheit auf einen korrigierten Wert, wobei ein
gespeicherter Wert für den Fehler in dem Abgleichkanal in
den Leitungsnetzwerken 15 und 16 mit berücksichtigt ist.
Wenn während des Empfangs alle S/E-Module in Betrieb sind,
werden die bei dem Abgleich ermittelten und gespeicherten
echten Nullwerte aus dem Speicher abgerufen und zum Korri
gieren der den Phasenschiebern zugeführten Strahlenlen
kungsbefehle herangezogen. Die Auswirkungen der digitalen
Ausführung der Phasenschieber auf das Antennendiagramm und
die Erfordernis nach einer ausgeprägten Zufallsabweichung
in den einzelnen Phasenschiebern sowie nach der Zufalls
verteilung hinsichtlich der Anordnung der Phasenschieber
über die Antennenanordnung treten auch bei dem Empfang
auf.
Die Fig. 2A und 2B wurden vereinfacht, um deutlicher die
Abgleichschleifen und den Umstand zu veranschaulichen, daß
für den Empfang das Meßsignal zuerst den Abgleichkanal und
dann den Betriebskanal durchläuft, während für das Senden
das Meßsignal zuerst den Betriebskanal und dann den Ab
gleichkanal durchläuft.
In den Fig. 2A und 2B sind Einzelheiten der Schaltungen
weggelassen, die diese Umkehrung herbeiführen. Diese Ein
zelheiten sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt. An dem Empfän
ger 11 wird der gleiche Anschluß sowohl für den Meßimpuls
als auch für den Bezugsimpuls verwendet, jedoch entstehen
die Impulse als getrennte Signale. Zu den Schaltmechanis
men für das Umkehren der Abgleichschleifen zählen Schalt
glieder 17 und 18 und ein Schalter 19 mit drei Richtungs
kopplern. Die Phasenfehlermessung umfaßt zwei Messungen in
Aufeinanderfolge, wobei vorausgesetzt ist, daß der Steuer
sender die Phasenkohärenz aufrechterhält und daß der Emp
fänger einen Empfangsoszillator enthält, der von dem
Steuersender derart geführt ist, daß die Phasensynchroni
sierung mit dem Steuersender aufrechterhalten ist.
Bei dem Sendekanalabgleich ist das Schaltglied 18 durchge
schaltet und ein Bezugssignal wird über einen ersten Rich
tungskoppler (als Teil des Schalters 19) in einem Kanal 42
über den Schalter 19 und einen zweiten Richtungskoppler
(als Teil des Schalters 19) in den Kanal zwischen dem
Spalten-Leitungsnetzwerk 12 und dem Empfänger 11 geleitet,
wodurch das Signal an einen Eingang des Empfängers 11
angelegt wird. Für die Sendekanalmessung wird ferner das
Schaltglied 17 durchgeschaltet und das Signal dem Sende-
Spalten-Leitungsnetzwerk 13 zugeführt. Das Steuersendersi
gnal gelangt über einen Sendebetriebskanal 40 zu den Di
pol-Antennenelementen 21 und kehrt entlang einem Abgleich
kanal 41 über die Richtungskoppler 22, das Leitungsnetz
werk 25 und die Abgleich-Leitungsnetzwerke 16 und 15 zu
einem dritten Richtungskoppler des Schalters 19 zurück. An
dieser Stelle nimmt der dritte Richtungskoppler des Schal
ters 19 das Abgleichmeßsignal auf und leitet es über den
zweiten Richtungskoppler in den Kanal zwischen dem Emp
fangs-Spalten-Leitungsnetzwerk 12 und dem Empfänger 11
ein. Auf diese Weise werden der Bezugsimpuls und der
Meßimpuls zu aufeinander folgenden Zeitpunkten der Ab
gleich-Meßschaltung in dem Empfänger 11 zugeführt, die die
Phasendifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Signalen
mißt.
Bei dem Empfangskanalabgleich bleibt das Sende-Schaltglied
17 geschlossen und das Bezugssignal sowie das Meßsignal
gelangen beide über Kanäle 43 bzw. 45 zu dem Schaltglied
18. Das Bezugssignal wird über den Schalter 19 und dessen
Richtungskoppler zu dem Eingang des Empfängers 11 gelei
tet. Das Meßsignal gelangt über den Abgleichkanal 43 zu
den Abgleich-Leitungsnetzwerken 15 und 16, von wo es über
den Anschluß 24, das Verteiler-Leitungsnetzwerk 25 und die
Richtungskoppler 22 in die Antennenschaltung der S/E-
Baueinheit und danach über einen Empfangsbetriebskanal 44
zu dem Empfänger gelangt. Das Meßsignal tritt aus dem
Empfangs-Spalten-Leitungsnetzwerk 12 aus und in den Emp
fänger ein, wo es einem Phasenvergleich mit dem vorange
henden Bezugssignal unterzogen wird.
Die vorstehend beschriebene Schalteranordnung ist in Anbe
tracht der Beschaffenheit eines herkömmlichen Radarempfän
gers zweckdienlich. In der Praxis sind auch andere Ausfüh
rungsformen anwendbar, die bei den in den Fig. 3A und 3B
gezeigten Ausführungsbeispielen symbolisch durch ein Paar
einpoliger Umschalter dargestellt sind.
Bei dem in den Fig. 2A, 2B, 4 und 5 gezeigten Ausführungs
beispiel ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, bei der
vier Antennenelemente 21 an einen einzigen Vielfachan
schluß des Strahlenformers angeschlossen sind. Diese
Schaltungsanordnung ist bei phasengesteuerten Radargeräten
praktisch, bei denen Antennengitter-Nebenkeulen toleriert
werden können, die ungefähr 25° oberhalb und unterhalb der
Ziellinienrichtung beginnen.
Bei einer Anordnung, bei der die Antennengitter-Nebenkeu
len auf 40° über und unter der Ziellinienrichtung versetzt
sind, können gemäß der Darstellung in Fig. 3A zwei An
schlüsse 34′ des Strahlenformers anstelle des einen
benutzt werden. Hierbei unterscheidet sich die S/E-Bauein
heit von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nur
hinsichtlich des Streifenleitungs-Netzwerks 33. Statt des
"inkorporierten" Vierwege-Leitungsnetzwerks 33 sind zwei
Zweiwege-Leitungsnetzwerke 33′ erforderlich. Gemäß den
vorangehenden Ausführungen ist in den Leitungsnetzwerken
33′ keine Genauigkeit erforderlich, da sie innerhalb des
Betriebskanalteils der Abgleichschleife liegen, der der
Korrektur unterzogen wird. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3A ist hinsichtlich der Abgleichkanäle keine
Änderung erforderlich und es wird nur ein einziger An
schluß für vier Antennenelemente benötigt. Die Steuerfunk
tion der Steuereinheit 38 wird nicht zusätzlich kompli
zierter.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem überall schwache Nebenkeulen erwünscht sind, ist für
jeweils einen der vier Phasenschieber 31 ein Anschluß 34′′
des Strahlenformers vorgesehen. Gemäß den vorangehenden
Ausführungen kann die S/E-Baueinheit im wesentlichen die
gleiche wie bei den vorangehend beschriebenen beiden Aus
führungsbeispielen bleiben und sich nur hinsichtlich der
Streifenleitungs-Netzwerke 33 unterscheiden, durch die die
Signale nunmehr von vier einzelnen Anschlüssen an dem
Strahlenformer den vier einzelnen S/E-Modulen zugeführt
werden.
Die Phaseneinstellungen an den beiden Betriebskanälen bei
den drei Ausführungsbeispielen stellen nur zwei von vier
gemeinsamen Einstellungen dar, die an den Betriebskanälen
erwünscht sind. Beispielsweise zeigt Fig. 7 eine Steue
rungsanordnung, bei der in jedem Modul in der Baueinheit
nicht nur die Phasensteuerung für das Senden und für den
Empfang vorgenommen wird, sondern auch eine Leistungs
steuerung für das Senden und eine Verstärkungssteuerung
für den Empfang. (Die Anzahl der Steuerungszustände ist
durch die Zahl paralleler Bits in den Steuerkanälen ange
geben, jedoch nur als Beispiel, und hängt von den besonde
ren Anforderungen ab.)
Gemäß der Darstellung in Fig. 7 hat der S/E-Modul einen
Phasenschieber 31 zur Phaseneinstellung für das Senden und
Empfangen, einen Leistungsverstärker 28 und einen rausch
armen Verstärker 29. Der Leistungsverstärker 28 enthält
einen Treiberverstärker und eine doppelte Ausgangsstufe.
An dem Leistungsverstärker wird die Leistung gesteuert und
eingeschaltet. Der rauscharme Verstärker 29 besteht aus
drei Stufen, von denen an der zweiten Stufe die Verstär
kung auf digitale Weise verändert wird. Die Steueran
schlüsse von der Steuereinheit 38 zu dem einen Modul sind
in Fig. 7 ausführlich gezeigt.
Die in Fig. 7 gezeigten Schaltungselemente für ein Radar
gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel, das bei Frequenzen
oberhalb von 1 GHz arbeitet, sollten für die aktiven
Bauelemente ein Hochfrequenz-Grundmaterial wie Gallium
arsenid enthalten. Da Galliumarsenid halbisolierend ist,
wird vorzugsweise eine monolithische Mikrowellen-Integra
tionsschaltung (MMIC) gebildet, in der nach einem photo
lithographischen Verfahren in dem Grundmaterial sowohl
aktive als auch passive Schaltungselemente geformt werden.
Die gesonderten Erfordernisse hinsichtlich der Phasenver
schiebung, der rauscharmen Verstärkung und der Leistungs
verstärkung und insbesondere die Wärmeverteilung schreiben
vor, daß die ganze S/E-Modulschaltung auf hybride Weise
aufgebaut wird, bei der auf einem gemeinsamen größeren
Substrat mehr als eine MMIC-Vorrichtung ausgebildet ist.
Der digital gesteuerte Phasenschieber und die digital
gesteuerten Verstärkerelemente können die Ausführungsform
haben, die in den am 20. Mai 1985 eingereichten US-PS
4 638 190 mit dem Titel "Digitally Controlled Wideband
Phase Shifter" und US-PS 4 734 751 mit dem Titel "Signal
Scaling MESFET of a Segmented Dual Gate Design" der Gene
ral Electric Company beschrieben sind. Der rauscharme
Verstärker kann die Ausführungsform haben, die in der am
24. September 1987 eingereichten US-Patentanmeldung Se
riennummer 100 416 mit dem Titel "A MMIC Low Noise Ampli
fier" von Anthony W. Jacomb-Hood der General Electric
Company beschrieben ist.
Die Fig. 8 ist eine andere Darstellung der Baueinheit-
Steuereinheit 38 und zeigt die Steuerverbindungen zu jedem
der vier Module sowie als Beispiel angeführte Zahlen pa
ralleler Bits, die für die angestrebte Steuergenauigkeit
erforderlich sind.
Ferner zeigt die Fig. 8 zwei Zusatzelemente der Steuerein
heit 38 sowie die Verbindungen zwischen der Steuereinheit
38 und der Synchronisiereinheit 37. Die Synchronisierein
heit bildet die zentrale Steuereinheit für die Betriebszu
stände des Radargeräts und die Strahleneinstellungen aller
S/E-Baueinheiten und wirkt über die durch den Steckverbin
der 39 gebildeten Anschlüsse. Zu den Zusatzelementen der
Steuereinheit 38 zählen ein Digital-Analog-Wandler und ein
Festspeicher (ROM).
Die Vorrichtungen für die Aufnahme der logischen Steuer
einheit und der Leistungsschaltung sind in Fig. 9 gezeigt.
Es ist ein flaches Aluminiumsubstrat 50 vorgesehen, das
innerhalb der Seitenwände der Baueinheit einzusetzen ist
und das zusammen mit dem Boden der Baueinheit einen Raum
für die Aufnahme der logischen Steuereinheit und der Lei
stungsbearbeitungsschaltungen bildet. Die diese Funktionen
erfüllende Schaltungsplatine ist an der Unterfläche des
Substrats angebracht. Randkontakte der Schaltungsplatine
passen mit vier Verbindungssteckern zusammen, die zu je
weils einem der vier Module 26 führen und die erforderli
chen Steuerungs- und Stromversorgungs-Verbindungen zu den
Modulen bilden. Der Hauptstromversorgungs- und Steuerungs-
Steckverbinder 39, über den die zentralen logischen
Steuersignale und der Strom der S/E-Baueinheit zugeführt
wird, ist an dem rückwärtigen Rand des Aluminium-Substrats
50 gezeigt. Der Steckverbinder 39 ist in die Rückwand der
S/E-Baueinheit eingesetzt und verbindet die Baueinheit mit
Steckverbindern in dem Gehäuse 2 des Radargeräts.
Die Korrekturen und Einstellungen der Leistung und Ver
stärkung für die verschiedenen Zustände der einzelnen S/E-
Module können auf die gleiche Weise wie die Korrekturen
und Einstellungen für die Phase vorgenommen werden, jedoch
sind im Normalfall keine wiederholten Nacheichungen erfor
derlich. Die Eigenschaften der Verstärker hinsichtlich der
Leistung und der Verstärkung haben ausreichende Stabilität
für das Erfüllen der Erfordernisse eines herkömmlichen
Systems und werden periodisch überwacht, um eine Ab
weichung von einem akzeptablen Wert zu erfassen, nach
welcher der Austausch oder eine Reparatur vorgenommen
würde.
Die Leistung und die Verstärkung werden vor dem Einbau der
S/E-Baueinheit in das Radargerät geeicht und die erforder
lichen Einstellungen werden in dem örtlichen Speicher
eingespeichert. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 kann der
Sendeleistungspegel in dem Leistungsverstärker 28 mittels
eines Regelverstärkers in einer beliebigen Anzahl von
digitalen Stufen eingestellt werden. Gleichermaßen enthält
der rauscharme Verstärker 29 als zweite Stufe einen Regel
verstärker, dessen Verstärkung in 26 bzw. 64 digitalen
Stufen eingestellt werden kann. Das sich ergebende Auflö
sungsvermögen kann entsprechend den Systemleistungsanfor
derungen gewählt werden. Bevor die S/E-Baueinheit endgül
tig in das Radargerät eingebaut wird, wird die Verstärkung
der Leistungsverstärker-Treiberstufe und des rauscharmen
Verstärkers geeicht bzw. abgeglichen. Wenn die angestreb
ten Werte erreicht werden, werden die für das Erreichen
der Normalverstärkung und der Normalleistung erforder
lichen Steuereinstellungen in dem Speicher der Steuerein
heit 38 der Baueinheit gespeichert. Diese Werte werden
dann zu Bezugswerten, von denen weg Befehle für das Ein
stellen der Gewichtungs- bzw. Wertigkeitsabweichung gültig
sind.
Für das Überwachen der Genauigkeit der Leistungs- und
Verstärkungseinstellungen wird die Abgleichschleife
benutzt, wobei die Überwachung normalerweise zusammen mit
dem Phasenabgleich erfolgt. Die Leistungs- und Verstär
kungsüberwachung wird in der Abgleichfehler-Meßschaltung
des Empfängers 11 vorgenommen. Der Empfänger ist vorzugs
weise mit einem internen Amplitudennormal versehen, das
mit einem Meßsignal einer geeigneten bekannten Amplitude
aus dem Steuersender verglichen und über die aktiven
Schaltungen in den Betriebskanälen geleitet wird. Nach dem
Durchlaufen des Sende- oder Empfangs-Betriebskanals stellt
die Amplitude des Meßsignals an dem Empfängereingang die
von dem verstellbaren Leistungsverstärker 28 aufgebrachte
Leistung oder die von dem regelbaren Verstärker 29 aufge
brachte Verstärkung dar, so daß auf diese Weise die Lei
stungsfähigkeit dieser Elemente des S/E-Moduls überwacht
wird.
Die S/E-Baueinheit hat einen Speicher, in dem die Nullein
stellungen für die Phase, die Verstärkung und die Leistung
der enthaltenen S/E-Module gespeichert sind, so daß die
Baueinheit trotz anfänglich voneinander verschiedener
Module mit anderen Baueinheiten ausgetauscht werden kann,
ohne daß die Leistungsfähigkeit der gesamten Antennenan
ordnung beeinträchtigt wird.
Die in einer jeden S/E-Baueinheit angebrachten S/E-Module
sind auf eine kleine Anzahl beschränkt. Das End-Leitungs
netzwerk 25, das zum Abgleichen der Kanäle zu den einzel
nen Antennenelementen benutzt wird, muß hinsichtlich der
Gleichheit der Kanallängen sorgfältig genau hergestellt
werden und ist vorzugsweise ein "inkorporiertes" Netzwerk,
das ohne beträchtlichen Verlust an Genauigkeit einfach,
zweifach oder möglicherweise dreifach verzweigt werden
kann, um zwei, vier oder acht Module zu ermöglichen. Die
Herstellungskosten und andere Bedingungen führen zu dem
Vorzug von zwei Modulen gegenüber einem und von vier
Modulen gegenüber zweien, wobei bei Frequenzen oberhalb
von ungefähr 3 GHz vier Modulen gegenüber acht Modulen der
Vorzug gegeben wird.
Andere Faktoren haben gleichfalls die Tendenz, gegenüber
anderen Anzahlen von Modulen den Einbau von vier Modulen
in einer S/E-Baueinheit zu bevorzugen. Jede S/E-Baueinheit
muß innerhalb der durch die Strahlerelemente bestimmten
Frontplattengrenzen und ihren Raumerfordernissen bleiben.
In einem auf einer Frequenz von 5 bis 6 GHz arbeitenden
Radarsystem beträgt in der Praxis der Abstand zwischen den
jeweiligen Strahlerelementen ungefähr 3,18 cm (1,25 Zoll)
in horizontaler und 4,2 cm (1,625 Zoll) in vertikaler
Richtung. Durch die Strahlendiagramm-Anforderungen ist
normalerweise festgelegt, daß die Antennenelemente in
einer einzelnen Baueinheit in einer einzigen Zeile oder
Spalte liegen. In Anwendungsfällen, bei denen der Strahl
in dem Höhenwinkel um kleinere Winkel als im Azimuth (oder
umgekehrt) abgelenkt wird, ist normalerweise auch eine
Vorzugsausrichtung bestimmt. Im ersteren Fall sollen die
Strahlerelemente auf einer vertikalen Linie liegen, wobei
auch die einzelnen Dipole vertikal ausgerichtet sind. Das
Ergebnis ist eine flache und langgestreckte Baugruppe.
Da jedoch die Wärmeabstrahlung sehr hoch ist, müssen für
eine ausreichende Lüftung Durchlässe an beiden Seiten der
S/E-Baueinheiten vorgesehen werden. Dieser Faktor führt zu
einer Verschmälerung der Baueinheit bis zu der Hälfte.
Wenn ein derart enger bzw. schmaler Aufbau erforderlich
ist, ist das U 01851 00070 552 001000280000000200012000285910174000040 0002003911373 00004 01732nterbringen der geeigneten Stromversorgungs-
Einrichtungen und der geeigneten örtlichen logischen
Steuereinheit in dem verfügbaren Raum schwierig. Die
hauptsächlich durch Speicherkondensatoren bestimmte ört
liche Stromversorgung ist im Idealfall eine relativ dicke
Vorrichtung. Durch eine sorgfältige Auslegung der Strom
versorgung, wie sie beispielsweise in der US-Patentanmel
dung Seriennummer 140 292 von William Peil mit dem Titel
"A Regulating Switch for Transmitting Modules in a Phased
Array Radar" beschrieben ist, kann eine S/E-Baueinheit
geeignet kompakte und geeignet schmale Stromversorgung
entworfen werden, die für die Stromversorgung und Steue
rung von vier Modulen geeignet ist und die genügend klein
für das Einsetzen in den verfügbaren Raum ist.
Ein die Anzahl der Module je S/E-Baueinheit schließlich
beeinflussender Faktor ist die Erfordernis nach geeignetem
Raum für die Steckverbinder mit ausreichend kurzen Strom
verbindungen für das zweckdienliche Zuführen von Hochlei
stungs-Impulsenergie. Die S/E-Baueinheit ist zum Heraus
ziehen aus einer Frontplatte ausgelegt. Hierdurch sind die
Steckverbinder auf eine langgestreckte schmale Fläche an
der Rückseite der Baueinheit beschränkt. Die Leistung wird
vorzugsweise auf eine kleinste Anzahl von Stiften in einem
einzigen mehrstiftigen Steckverbinder (39) konzentriert.
Das Hinzufügen von mehr als vier Modulen würde dazu füh
ren, die vertikalen Strecken für die Stromanschlüsse zu
verlängern, die Serieninduktivität zu erhöhen und den
Wirkungsgrad der Stromversorgung zu verringern. Diese
Einschränkung führt auch dazu, vorzugsweise nicht mehr als
vier S/E-Module je S/E-Baueinheit vorzusehen.
Claims (24)
1. Schaltungsanordnung zum Aufrechterhalten des genauen
Phasengangs in Sendekanälen von einem Steuersender zu
einem jeweiligen Antennenelement und Empfangskanälen von
einem jeweiligen Element zu einem Empfänger in einem pha
sengesteuerten Radargerät mit m × n Antennenelementen,
gekennzeichnet durch
- A) einen Steuersender (10), der Signale für den Ab gleich und das Senden erzeugt,
- B) einen Empfänger (11) mit einer Abgleich-Phasenfeh ler-Meßschaltung, die einen mit dem Steuersender verbunde nen Bezugssignaleingang und einen Meßeingang hat,
- C) eine Strahlenformereinrichtung (12 bis 14) mit m × n/j Vielfachanschlüssen, die in den Sende- bzw. Emp fangsbetriebskanälen (40, 44) von dem Steuersender bzw. Empfänger zu den Antennenelementen (21) angeordnet sind, wobei j eine kleine ganze Zahl einschließlich "1" ist, mit einem zu dem Steuersender bzw. Empfänger führenden Einzel anschluß, der intern mit den Vielfachanschlüssen verbunden ist, von denen jeder zu einer Gruppe aus j Antennenelemen ten führt, und mit einer Trenneinrichtung (35) zum Trennen der von dem Steuersender zu den Antennenelementen verlau fenden Signale von den von den Antennenelementen zu dem Empfänger verlaufenden Signalen, wobei die jeweiligen Sende- und Empfangsbetriebskanäle an den Vielfachanschlüs sen miteinander übereinstimmen,
- D) ein gemeinsames Abgleichleitungsnetzwerk (15, 16) mit einem Einzelanschluß, der intern mit m × n/i Vielfach anschlüssen verbunden ist, wobei i eine kleine ganze Zahl ausschließlich "1" ist, eine Potenz von "2" ist und größer oder gleich j ist und jeder Verbindungskanal bekannte elektrische Länge hat und einen Abgleichkanal von einem jeweiligen Antennenelement zu dem Steuersender oder Emp fänger bildet,
- E) m × n/i Sende/Empfangs-Baueinheiten (20) mit Pha seneinstellung, die jeweils in den Sende/Empfangs-Be triebskanälen für eine jeweilige Untergruppe aus i Anten nenelementen angeordnet sind, mit
- 1) einem Streifenleitung /Mikrostreifenleitung -Über gang-Verteilernetzwerk (33; 33′), das j Streifenleitungsan schlüsse, die jeweils mit einem Vielfachanschluß der Strahlenformereinrichtung verbunden sind, und i Mikro streifenleitungsanschlüsse hat,
- 2) i Sende/Empfangs-Modulen (26) mit Mikrostreifen leitungs-Übertragungskanälen, von denen jeder Modul die aktiven elektronischen Bauelemente für die Verarbeitung der Signale eines zugeordneten Antennenelements enthält und jeder Modul
- 2,1) einen in einem Sende/Empfangs-Betriebskanal angeordneten, an einen Mikrostreifenleitungsanschluß des Verteilernetzwerks angeschlossenen steuerbaren Zweirich tungs-Phasenschieber (31) mit einem Steueranschluß für die Phaseneinstellung,
- 2,2) einen in dem Sendebetriebskanal angeordneten Leistungsverstärker (28) zum Verstärken des Steuersender signals,
- 2,3) einen in dem Empfangsbetriebskanal angeordneten rauscharmen Verstärker (29) zum Verstärken von Signalen aus dem zugeordneten Antennenelement und
- 2,4) ein Paar von Sende/Empfangs-Abzweigeinrichtungen (30, 27) mit jeweils drei Anschlüssen für das Durchleiten von Signalen aus dem Steuersender über den Phasenschieber und den Leistungsverstärker zu dem zugeordneten Antennen element während des Sendens bzw. von Signalen aus dem Antennenelement über den rauscharmen Verstärker und den Phasenschieber zu dem Empfänger während des Empfangs auf weist, wobei der Sende/Empfangs-Anschluß der ersten Ab zweigeinrichtung (30) mit dem Phasenschieber verbunden ist,
- 3) i Mikrostreifenleitung/Streifenleitung-Übergangs stufen (23), die jeweils mit den Sende/Empfangs-Anschlüs sen der zweiten Abzweigeinrichtungen (27) verbunden sind, und
- 4) einer an die i Übergangsstufen angeschlossenen Streifenleitungs-Antennenschaltung (21, 22) mit
- 4,1) i linear ausgerichteten benachbarten Antennen elementen (21)
- 4,2) i Abgleich-Richtungskoppler (22), die jeweils zwischen der Übergangsstufe und dem Antennenelement ange ordnet sind und einen mit dem Antennenelement verbundenen Antennenanschluß, einen mit dem Streifenleitungsanschluß der Übergangsstufe verbundenen Sende/Empfangs-Anschluß und einen Abgleichanschluß haben, wobei der Richtungskoppler intern die an dem Antennenanschluß aufgenommenen Signale zu dem Sende/Empfangs-Anschluß, die an dem Sende/Empfangs- Anschluß aufgenommenen Signale zu dem Antennenanschluß und dem Abgleichanschluß und die an dem Abgleichanschluß auf genommenen Signale zu dem Sende/Empfangs-Anschluß leitet, und
- 4,3) einem gemeinsamen Speiseleitungsnetzwerk (25) mit einem Einzelanschluß für die Verbindung mit dem Ab gleichleitungsnetzwerk (15, 16), der intern über Kanäle mit im wesentlichen gleicher elektrischer Länge mit i Vielfachanschlüssen verbunden ist, von denen jeder mit dem Abgleichanschluß eines jeweiligen Richtungskopplers ver bunden ist, um für den Abgleich eines jeweiligen Sen de/Empfangs-Betriebskanals diesen mit einem Abgleichkanal in dem Abgleichleitungsnetzwerk in Reihe zu schalten, und
- F) eine Schalteinrichtung (17 bis 19), die das Ausgangs signal des Steuersenders für die Sendebetriebskanal- Messung in eine Schleife leitet, die anfänglich aus dem Sendebetriebskanal und danach aus dem Abgleichkanal be steht und die schließlich zu dem Meßanschluß des Emp fängers zurückführt, bzw. für die Empfangsbetriebskanal- Messung in eine Schleife leitet, die anfänglich aus dem Abgleichkanal und danach aus dem Empfangsbetriebskanal besteht und die schließlich zu dem Meßanschluß des Emp fängers zurückführt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zweirichtungs-Phasenschieber (31) in
jedem Sende/Empfangs-Modul (26) logisch steuerbare digita
le Phaseneinstellstufen hat.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Leistungsverstärker (28) in jedem Sen
de/Empfangs-Modul (26) logisch steuerbare digitale Lei
stungseinstellstufen hat.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der rauscharme Verstärker (29) in jedem
Sende/Empfangs-Modul (26) logisch steuerbare digitale
Verstärkungseinstellstufen hat.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch
eine logische Steuerschaltung (37 bis 39) zum Erzeu gen von Gerätezustands- und Strahlenlenkungsbefehlen für das Einstellen der Phaseneinstellstufen der Phasenschieber (31) während der Sende- und Empfangsbetriebszustände, mit
einem Speicher (38) zum Speichern von während des Abgleichs erhaltenen Phasenfehlerdaten, die Phasenfeh lern in einem jeweiligen Sendebetriebskanal und einem jeweiligen Empfangsbetriebskanal entsprechen, und
einer Einstelleinrichtung (38) zum Einstellen der Phasenschieber gemäß den gespeicherten Phasenfehlerdaten in der Weise, daß die Phasenfehler aufgehoben werden, wodurch unerwünschte Abweichungen hinsichtlich der Phasen der Betriebskanäle verringert werden.
eine logische Steuerschaltung (37 bis 39) zum Erzeu gen von Gerätezustands- und Strahlenlenkungsbefehlen für das Einstellen der Phaseneinstellstufen der Phasenschieber (31) während der Sende- und Empfangsbetriebszustände, mit
einem Speicher (38) zum Speichern von während des Abgleichs erhaltenen Phasenfehlerdaten, die Phasenfeh lern in einem jeweiligen Sendebetriebskanal und einem jeweiligen Empfangsbetriebskanal entsprechen, und
einer Einstelleinrichtung (38) zum Einstellen der Phasenschieber gemäß den gespeicherten Phasenfehlerdaten in der Weise, daß die Phasenfehler aufgehoben werden, wodurch unerwünschte Abweichungen hinsichtlich der Phasen der Betriebskanäle verringert werden.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die Leistungsverstärker (28) in den jeweiligen Sende/Empfangs-Modulen (26) logisch steuerbare digitale Leistungseinstellstufen haben,
daß die rauscharmen Verstärker (29) in den jeweiligen Sende/Empfangs-Modulen logisch steuerbare digitale Ver stärkungsstufen haben und
daß die logische Steuerschaltung (37 bis 39) Geräte zustands- und Strahlenlenkungsbefehle für das Einstellen der Leistungseinstellstufen der Leistungsverstärker wäh rend des Sendebetriebszustands bzw. der Verstärkungsein stellstufen der rauscharmen Verstärker während des Emp fangsbetriebszustands erzeugt.
daß die Leistungsverstärker (28) in den jeweiligen Sende/Empfangs-Modulen (26) logisch steuerbare digitale Leistungseinstellstufen haben,
daß die rauscharmen Verstärker (29) in den jeweiligen Sende/Empfangs-Modulen logisch steuerbare digitale Ver stärkungsstufen haben und
daß die logische Steuerschaltung (37 bis 39) Geräte zustands- und Strahlenlenkungsbefehle für das Einstellen der Leistungseinstellstufen der Leistungsverstärker wäh rend des Sendebetriebszustands bzw. der Verstärkungsein stellstufen der rauscharmen Verstärker während des Emp fangsbetriebszustands erzeugt.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die logische Steuerschaltung (37 bis 39)
einen Speicher zum Speichern von durch Abgleich
erhaltenen Leistungs- und Verstärkungsfehlerdaten und
eine Einstelleinrichtung für das Einstellen der Leistungs
verstärker (28) und der rauscharmen Verstärker (29) gemäß
den gespeicherten Fehlerdaten in der Weise aufweist, daß
die Leistungs- und Verstärkungsfehler aufgehoben werden,
wodurch unerwünschte Abweichungen hinsichtlich der
Leistung in den Sendebetriebskanälen und hinsichtlich der
Verstärkung in den Empfangsbetriebskanälen verringert
werden.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet;
daß der Speicher für das Speichern der durch den Abgleich erhaltenen Leistungs- und Verstärkungsfehlerdaten ein während des Abgleichs beschrifteter Festspeicher ist und
daß die logische Steuerschaltung (37 bis 39) eine Überwachungseinrichtung für das Überwachen der Einstellun gen der Leistungsverstärker (28) und der rauscharmen Ver stärker (29) für die Ermittlung aufweist, ob die Leistungs- und Verstärkungswerte von den Sollwerten so wesentlich abweichen, daß ein Ausbau und Austausch erfor derlich ist.
daß der Speicher für das Speichern der durch den Abgleich erhaltenen Leistungs- und Verstärkungsfehlerdaten ein während des Abgleichs beschrifteter Festspeicher ist und
daß die logische Steuerschaltung (37 bis 39) eine Überwachungseinrichtung für das Überwachen der Einstellun gen der Leistungsverstärker (28) und der rauscharmen Ver stärker (29) für die Ermittlung aufweist, ob die Leistungs- und Verstärkungswerte von den Sollwerten so wesentlich abweichen, daß ein Ausbau und Austausch erfor derlich ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Streifenleitung/Mikro-
Streifenleitung-Übergang-Verteilernetzwerk (33; 33′) und
die i Mikrostreifenleitung/Streifenleitung-Übergangsstufen
(23) für den Ausbau des betreffenden Sende/Empfangs-Moduls
(26) aus der Sende/Empfangs-Baueinheit (20) lösbar sind,
um einen Austausch ohne Veränderung der elektrischen
Eigenschaften zu erleichtern.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß i gleich "4" ist und daß j
gleich "1", "2" oder "4" ist.
11. Sende/Empfangs-Baueinheit für einen Satz aus i Anten
nenelementen, wobei i eine kleine ganze Zahl ausschließ
lich "1" und eine Potenz von "2" ist, zur Verwendung mit
einer Vielzahl gleichartiger Baueinheiten in einem phasen
gesteuerten Radargerät mit Selbstabgleich, das m × n An
tennenelemente hat und ein Abgleichnetzwerk enthält, das
für einen jeden Satz aus i Antennenelementen einen Ab
gleichkanal bildet, gekennzeichnet durch
- 1) j Streifenleitungs-Signaleingänge (34), wobei j eine kleine ganze Zahl einschließlich "1" ist, die klei ner als oder gleich i ist,
- 2) ein Streifenleitung/Mikrostreifenleitung-Über gang-Verteilernetzwerk (33; 33′) mit j Streifenleitungs anschlüssen, die jeweils mit einem Signaleingang verbunden sind, und i Mikrostreifenanschlüssen,
- 3) i Sende/Empfangs-Module mit Mikrostreifenleitungs- Übertragungskanälen, von denen jeder Modul die aktiven elektronischen Bauelemente für die Verarbeitung der Signa le eines zugeordneten Antennenelements (21) enthält und
- 3,1) einen in einem Sende/Empfangs-Betriebskanal angeordneten, an einen Mikrostreifenleitungsanschluß des Verteilernetzwerks angeschlossenen steuerbaren Zweirich tungs-Phasenschieber (31) mit einem Steueranschluß für das Einstellen der Phase,
- 3,2) einen in dem Sendebetriebskanal angeordneten Leistungsverstärker (28) für das Verstärken des Steuersen dersignals,
- 3,3) einen in dem Empfangsbetriebskanal angeordneten rauscharmen Verstärker (29) zum Verstärken von Signalen aus dem zugeordneten Antennenelement, und
- 3,4) ein Paar von Sende/Empfangs-Abzweigeinrichtungen (30, 27) mit jeweils drei Anschlüssen enthält, von denen die erste Abzweigeinrichtung einen mit dem Phasenschieber verbundenen Sende/Empfangs-Anschluß für das Durchschalten von Signalen aus dem Phasenschieber über den Leistungsver stärker zu dem zugeordneten Antennenelement während des Sendens hat und die zweite Abzweigeinrichtung einen Sen de/Empfangs-Anschluß für das Durchschalten von Signalen aus dem Antennenelement über den rauscharmen Verstärker zu dem Phasenschieber während des Empfangs hat,
- 4) i Mikrostreifenleitung/Streifenleitung-Übergangs stufen, die an die Sende/Empfangs-Anschlüsse der zweiten Abzweigeinrichtungen angeschlossen sind, und
- 5) eine Streifenleitungs-Antennenschaltung mit
- 5,1) i linear ausgerichteten benachbarten Antennen elementen (21),
- 5,2) i zwischen die Übergangsstufen und die Anten nenelemente geschalteten Abgleich-Richtungskopplern (22), die jeweils einen mit dem Antennenelement verbundenen Antennenanschluß, einen mit dem Streifenleitungsanschluß der Übergangsstufe verbundenen Sende/Empfangs-Anschluß und einen Abgleichanschluß haben, wobei der Richtungskoppler intern die an dem Antennenanschluß aufgenommenen Signale zu dem Sende/Empfangs-Anschluß, die an dem Sende/Empfangs- Anschluß aufgenommenen Signale zu dem Antennenanschluß und dem Abgleichanschluß und die an dem Abgleichanschluß emp fangenen Signale zu dem Sende/Empfangs-Anschluß leitet, und
- 5,3) einem gemeinsamen Speiseleitungsnetzwerk (25) mit einem Einzelanschluß (24) für die Verbindung mit einem Abgleichleitungsnetzwerk, der über Kanäle mit gleicher elektrischer Länge intern mit i Vielfachanschlüssen ver bunden ist, die jeweils an den Abgleichanschluß des jewei ligen Richtungskopplers angeschlossen sind, um für den Abgleich der Sende/Empfangs-Betriebskanäle einen jeweili gen Sende/Empfangs-Betriebskanal mit einem Abgleichkanal in dem Abgleichleitungsnetzwerk in Reihe zu schalten.
12. Baueinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zweirichtungs-Phasenschieber (31) in jedem Sen
de/Empfangs-Modul (26) logisch steuerbare digitale Phasen
einstellstufen hat.
13. Baueinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leistungsverstärker (28) in jedem Sende/Empfangs-
Modul (26) logisch steuerbare digitale Leistungseinstell
stufen hat.
14. Baueinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der rauscharme Verstärker (29) in jedem Sende/Emp
fangs-Modul (26) logisch steuerbare digitale Verstärkungs
einstellstufen hat.
15. Baueinheit nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
einen Verbindungsanschluß (39) für die Eingabe von Geräte
zustands- und Strahlenlenkungsbefehlen in die Baueinheit
(20) und eine auf die Gerätezustands- und Strahlenlen
kungsbefehle ansprechende logische Steuerschaltung (38)
für das Einstellen der Phaseneinstellstufen der i Phasen
schieber (31) während des Sende- und Empfangsbetriebszu
stands.
16. Baueinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die i Leistungsverstärker (28) in den jeweiligen Sen
de/Empfangs-Modul (26) logisch steuerbare digitale Lei
stungseinstellstufen haben, daß die i rauscharmen Verstär
ker (29) in den jeweiligen Sende/Empfangs-Modulen (26)
logisch steuerbare digitale Verstärkungseinstellstufen
haben und daß die logische Steuerschaltung (38) auf die
Gerätezustands- und Strahlenlenkungsbefehle durch das Ein
stellen der Leistungseinstellstufen der i Leistungsver
stärker während des Sendebetriebszustands bzw. der Ver
stärkungseinstellstufen der i rauscharmen Verstärker wäh
rend des Empfangsbetriebszustands anspricht.
17. Baueinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die logische Steuerschaltung (38) einen Speicher von
durch Abgleich erhaltenen Fehlerdaten und eine Einstell
einrichtung aufweist, die auf die Befehle hin gemäß den
gespeicherten Fehlerdaten derart einstellt, daß die Fehler
aufgehoben werden, wodurch unerwünschte Abweichungen zwi
schen den Modulen (26) verringert werden.
18. Baueinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß das Streifenleitung/Mikrostreifenlei
tung-Übergang-Verteilernetzwerk (33; 33′) und die i
Mikrostreifenleitung/Streifenleitung-Übergangsstufen (23)
jeweils abtrennbar sind, um den Ausbau eines Sende/Emp
fangs-Moduls (26) aus der Baueinheit (20) und dessen Er
satz ohne Änderung der elektrischen Eigenschaften zu er
möglichen.
19. Baueinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß i gleich "4" und j gleich "1", "2"
oder "4" ist.
20. Baueinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 19 für den
Einsatz in einem Radargerät für Frequenzen oberhalb von
ungefähr 3 GHz, dadurch gekennzeichnet,
daß die Baueinheit (20) für den Einbau in Zeilen und Spalten zusammen mit gleichartigen Baueinheiten in einen Rahmen für die Anten nenöffnung des Radargeräts dimensioniert ist, wobei die Vorderseite der Baueinheit zum Herausstehen aus dem Rahmen und die Rückseite zur Anordnung innerhalb des Rahmens gestaltet sind,
daß die Vorderseite der Baueinheit langgestreckt ist, um eine Reihe von i freiliegenden Antennenelementen (21) aufzunehmen, und der Querschnitt hinter der Vorderseite verengt ist, um eine Luftzirkulation zwischen benachbarten Baueinheiten zuzulassen, während die erforderlichen Ab stände zwischen den Antennenelementen aufrechterhalten werden, und
daß die Verbindungsanschlüsse der Baueinheit an der Rückseite derart angebracht sind, daß die Baueinheit durch Einführen in den Rahmen anschließbar ist.
daß die Baueinheit (20) für den Einbau in Zeilen und Spalten zusammen mit gleichartigen Baueinheiten in einen Rahmen für die Anten nenöffnung des Radargeräts dimensioniert ist, wobei die Vorderseite der Baueinheit zum Herausstehen aus dem Rahmen und die Rückseite zur Anordnung innerhalb des Rahmens gestaltet sind,
daß die Vorderseite der Baueinheit langgestreckt ist, um eine Reihe von i freiliegenden Antennenelementen (21) aufzunehmen, und der Querschnitt hinter der Vorderseite verengt ist, um eine Luftzirkulation zwischen benachbarten Baueinheiten zuzulassen, während die erforderlichen Ab stände zwischen den Antennenelementen aufrechterhalten werden, und
daß die Verbindungsanschlüsse der Baueinheit an der Rückseite derart angebracht sind, daß die Baueinheit durch Einführen in den Rahmen anschließbar ist.
21. Baueinheit nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Baueinheit (20) das Streifenleitung/Mikrostrei
fenleitung-Übergang/Verteilernetzwerk (33; 33′), die i
Sende/Empfangs-Module (26) und die Streifenleitungs-Anten
nenschaltung (25) in dieser Aufeinanderfolge von hinten
nach vorne angeordnet sind.
22. Baueinheit nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß in den Phasenschiebern (31) den Leistungs
verstärkern (28) und den rauscharmen Verstärkern jeweils
aktive und passive Schaltungselemente mit Galliumarsenid-
Aufbau verwendet sind.
23. Schaltungsanordnung für das Abgleichen des Sendekanals
von einem Steuersender zu einem jeweiligen Antennenelement
und des Empfangskanals von einem jeweiligen Antennenele
ment zu einem Empfänger in einem phasengesteuerten Radar
gerät mit m × n Antennenelementen, gekennzeichnet durch
- A) einen Steuersender (10), der Signale für den Ab gleich und das Senden erzeugt,
- B) einen Empfänger (11) mit einer Abgleichfehler- Meßschaltung, die einen mit dem Steuersender verbundenen Bezugssignaleingang und einen Meßeingang hat,
- C) eine Strahlenformereinrichtung (12 bis 14) mit m × n/j Vielfachanschlüssen, die in den Sende- bzw. Emp fangsbetriebskanälen (40, 44) von dem Steuersender bzw. Empfänger zu den Antennenelementen (21) angeordnet sind, wobei j eine kleine ganze Zahl einschließlich "1" ist, mit einem zu dem Steuersender bzw. Empfänger führenden Einzel anschluß, der intern mit den Vielfachanschlüssen verbunden ist, von denen jeder zu einer Teilgruppe j Antennenelemen ten führt, und mit einer Trenneinrichtung (35) zum Trennen der von dem Steuersender zu den Antennenelementen verlau fenden Signale von den von den Antennenelementen zu dem Empfänger verlaufenden Signalen, wobei die jeweiligen Sende- und Empfangsbetriebskanäle an den Vielfachanschlüs sen miteinander übereinstimmen,
- D) ein gemeinsames Abgleichleitungsnetzwerk (15, 16) mit einem Einzelanschluß, der intern mit m × n/i Vielfach anschlüssen verbunden ist, wobei i eine kleine ganze Zahl ausschließlich "1" ist, und wobei jeder Verbindungskanal bekannte elektrische Länge hat und einen Abgleichkanal von einem jeweiligen Antennenelement zu dem Steuersender oder Empfänger bildet,
- E) m × n/i Sende/Empfangs-Baueinheiten (20) mit Pha seneinstellung, die jeweils in den Sende/Empfangs-Be triebskanälen für eine jeweilige Untergruppe aus i Anten nenelementen angeordnet sind, mit
- 1) i Sende/Empfangs-Modulen (26), von denen jeder die aktiven elektronischen Bauelemente für das Verarbeiten der Signale eines zugeordneten Antennenelements enthält und jeder
- 1,1) einen in dem Sende/Empfangs-Betriebskanal ange ordneten Zweirichtungs-Phasenschieber (31),
- 1,2) einen in dem Sendebetriebskanal angeordneten Leistungsverstärker (28) für das Verstärken des Steuersen dersignals,
- 1,3) einen in dem Empfangsbetriebskanal angeordneten rauscharmen Verstärker (29) zum Verstärken von Signalen aus dem zugeordneten Antennenelement, und
- 1,4) ein Paar von Sende/Empfangs-Abzweigeinrichtungen (3, 27) mit jeweils drei Anschlüssen für das Durchschal ten der Signale aus dem Steuersender über den Phasenschie ber und den Leistungsverstärker zu dem zugeordneten Anten nenelement während des Sendens und der Signalen aus dem Antennenelement über den rauscharmen Verstärker und den Phasenschieber zu dem Empfänger während des Empfangs auf weist, wobei der Sende/Empfangs-Anschluß der ersten Ab zweigeinrichtung (30) mit dem Phasenschieber verbunden ist,
- 2) einer an die Sende/Empfangs-Anschlüsse der zweiten Abzweigeinrichtungen (27) angeschlossenen Antennenschal tung mit
- 2,1) i linear ausgerichteten benachbarten Antennen elementen (21),
- 2,2) i zwischen den Übergangsstufen und den Antennen elementen angeordneten Abgleich-Richtungskopplern (22), die jeweils einen mit dem Antennenelement verbundenen Anten nenanschluß, einen mit einem Streifenleitungsanschluß der Übergangsstufe verbundenen Sende/Empfangs-Anschluß und einen Abgleichanschluß haben und die intern die von dem Antennenelement aufgenommenen Signale zu dem Sende/Emp fangs-Anschluß, die von dem Sende/Empfangs-Anschluß aufge nommenen Signale zu dem Antennenanschluß und dem Abgleich anschluß und die von dem Abgleichanschluß aufgenommenen Signale zu dem Sende/Empfangs-Anschluß leiten, und
- 2,3) einem Netzwerk (25) mit einem Einzelanschluß (24) für die Verbindung mit dem Abgleichleitungsnetzwerk, der intern über Kanäle mit im wesentlichen gleicher elek trischer Länge mit einem Satz aus i Anschlüssen verbunden ist, von denen jeder jeweils mit dem Abgleichanschluß eines betreffenden Richtungskopplers verbunden ist, um für das Abgleichen eines jeweiligen Sende/Empfangs-Betriebska nals diesen mit einem Abgleichkanal in dem Abgleichlei tungsnetzwerk in Reihe zu schalten, und
- F) eine Schalteinrichtung (17 bis 19), die das Aus gangssignal des Steuersenders für die Sendebetriebskanal- Messung in eine Schleife leitet, die anfänglich aus dem Sendebetriebskanal und danach aus dem Abgleichkanal be steht und die schließlich zu dem Meßanschluß des Emp fängers zurückführt, bzw. für die Empfangsbetriebskanal- Messung in eine Schleife leitet, die anfänglich aus dem Abgleichkanal und danach aus dem Empfangsbetriebskanal besteht und die schließlich zu dem Meßanschluß des Emp fängers zurückführt.
24. Schaltungsanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekenn
zeichnet, daß i gleich "4" ist und daß j gleich "1", "2"
oder "4" ist.
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