DE4012101A1

DE4012101A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung der aperturbelegung von phasengesteuerten gruppenantennen

Info

Publication number: DE4012101A1
Application number: DE19904012101
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Koelzer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1990-04-14
Filing date: 1990-04-14
Publication date: 1991-10-17
Also published as: CS220191A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung von Aperturbelegungen phasengesteuerter Gruppenantennen, insbesondere von Gruppenantennen für Mikrowellenlandesysteme (MLS-Antennen).

An phasengesteuerte Gruppenantennen von MLS-Systemen werden hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Es ist daher für den Betreiber solcher Antennen wichtig, zu jedem Zeitpunkt über die Aperturbelegung der einzelnen Antennenelemente Aufschluß zu erhalten. In herkömmlichen MLS-Systemen mit elektronischen Phasenschiebern - im allgemeinen PIN-Dioden - wird der Diodenstrom überwacht. Die Überwachung des Diodenstromes läßt jedoch nur einen indirekten Rückschluß auf die tatsächliche Aperturbelegung zu. Auf diese Weise kann jedoch lediglich die Phasenbelegung, nicht aber die Amplitudenbelegung der Antenne überprüft werden. Eine Verbesserung der Überwachung wird erzielt, wenn man zusätzlich zur Diodenstromüberwachung einen Integralmonitorhohlleiter verwendet. In einen Integralmonitorhohlleiter werden über Koppellöcher Signalanteile aus jedem Strahlerelement entweder kurz vor der Abstrahlung oder unmittelbar nach der Abstrahlung überlagert. Das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters entspricht in erster Näherung dem Verlauf des Fernfeldes der Antenne. Verlauf des Fernfeldes und Aperturbelegung der Antenne sind durch Fourier-Transformation miteinander verknüpft. Aus dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters kann daher die komplexe Aperturbelegung der Antenne ermittelt werden. Bekannte Verfahren benutzen dazu die Quadraturmethode (I/Q-Konverter). Bei dieser Methode wird das Signal eines lokalen Oszillators mit dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters einmal unter einem Winkel von 0°, und ein zweites Mal mit einer Phasenverschiebung von 90° gemischt. Die Mischung mit 01 Phasenverschiebung liefert den Realteil des Ausgangssignales, die Mischung unter 90° Phasenverschiebung den Imaginärteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters. Realteil und Imaginärteil dieses Ausgangssignales werden anschließend einer Fourier-Transformation unterworfen, um Rückschlüsse auf die Aperturbelegung der Antenne ziehen zu können. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der Verwendung von zwei Mischern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung so anzugeben, daß der erforderliche Aufwand verringert wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des ersten Verfahrensanspruches und durch eine Vorrichtung mit der Merkmalskombination des ersten Vorrichtungsanspruches.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß wegen der Verwendung nur eines Mischers die durch die Mischer verursachte Rauschleistung vermindert wird. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung enthalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben und näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Prinzip einer Gruppenantenne mit Integralmonitorhohlleiter,

Fig. 2 einen I/Q-Konverter,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines homodynen Meßsystemes,

Fig. 4 eine Überwachungseinrichtung für eine phasengesteuerte Gruppenantenne.

In Fig. 1 ist ein Teil einer phasengesteuerten Gruppenantenne dargestellt. Mit 11 sind Strahler der Antenne bezeichnet. Mit 10 ist ein Integralmonitorhohlleiter bezeichnet, in den über Koppellöcher Signalanteile von jedem Strahlerelement eingekoppelt werden. Die Signalanteile überlagern sich im Integralmonitorhohlleiter zu einem komplexen, zeitabhängigen Signal. Bei den in den Integralmonitorhohlleiter eingekoppelten Signalanteilen handelt es sich entweder um Signalanteile kurz vor der Abstrahlung (bei Azimuth-Antennen) oder unmittelbar nach der Abstrahlung (bei Elevations-Antennen). Das am Ausgang 12 des Integralmonitorhohlleiters 10 anstehende Signal entspricht in erster Näherung dem Verlauf des Fernfelddiagrammes der Antenne. Wegen des durch die Fourier-Transformation gegebenen Zusammenhanges zwischen Aperturbelegung einer Antenne und dem Fernfelddiagramm derselben Antenne kann die komplexe Aperturbelegung aus dem Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters berechnet werden.

Bei bekannten Einrichtungen wird dazu das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters in einer nach Fig. 2 dargestellten Weise aufbereitet. In Fig. 2 sind mit 20 und 21 Mischer bezeichnet, denen Signale aus Hybriden 22 und 23 zugeführt werden. Beim Hybrid 22 handelt es sich beispielsweise um ein 3 dB-0°-Hybrid, beim Hybrid 23 um ein 3 dB-90°-Hybrid. Über einen mit 24 bezeichneten Eingang wird dem Hybrid 23 ein Signal eines lokalen Oszillators zugeführt. Über einen mit 25 bezeichneten Eingang wird dem Hybrid 22 das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters zugeführt. Mit 26 und 27 sind HF-Abschlüsse bezeichnet, die man auch HF-Sumpf nennt. Sie dienen dazu, Bauelemente für Hochfrequenz reflexionsfrei abzuschließen. Am Ausgang des Mischers 20 steht dann der Realteil, am Ausgang des Mischers 21 der Imaginärteil des am Eingang 25 liegenden Signales an. Die beschriebene Einrichtung nennt man I/Q-Konverter, die Ausgangssignale der beiden Mischer heißen Quadraturkomponenten. Durch Fourier-Transformation wird dann in einem weiteren Schritt die Aperturbelegung der Antenne ermittelt. Die soeben beschriebene Einrichtung braucht zur Darstellung des komplexen Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters zwei Mischer.

In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines homodynen Meßsystems dargestellt. Mit 30 ist ein Mischer bezeichnet, dem über Leitungen 35 und 36 Signale zugeführt werden. Der Ausgang des Mischers 30 wird einem Tiefpaß 31 zugeführt, an dessen Ausgang 37 das gewünschte Signal ansteht. Mit 32 ist ein Übertragungselement bezeichnet, dessen komplexe Übertragungsfunktion mit der gezeigten Anordnung bestimmt werden soll. Mit 33 ist ein Hochfrequenzgenerator bezeichnet, dessen Ausgangssignal dem Mischer 30 über die Leitung 36 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Generators 33 über einen Koppler 34 in das Übertragungselement 32 eingekoppelt. Ziel der gesamten Anordnung ist es, den Realteil der komplexen Übertragungsfunktion des Übertragungselementes 32 am Ausgang 37 zu erhalten. Setzt man voraus, daß der Betrag des Signales am Eingang 35 wesentlich kleiner als der Betrag des Signales am Eingang 36 ist, das heißt, daß der Mischer 30 im linearen Betrieb arbeitet, so ergibt sich folgendes:

Über die Leitung 35 gelangt ein Signal A_M an den Mischer 30. Über die Leitung 36 gelangt ein Signal A_R ebenfalls an den Mischer 30. Mit

c_M=ω_Ot+α_M+Φ (t): Phase des Monotorsignals
ψ_R=ω_Ot+α_R: Phase des Referenzsignals
Φ (t): allgemeine Phasenfunktion des Systems 32
Δα=α_M-α_R

Gilt für eine Spannung U am Ausgang 37 die Beziehung:

Wie oben bereits erwähnt, steht am Ausgang 37 der Realteil der komplexen Übertragungsfunktion des Übertragungselementes 32 zur Verfügung.

Real- und Imaginärteil des Spektrums komplexer, kausaler Zeitfunktionen hängen über eine Integraltransformation, die sogenannte Hilbert-Transformation, zusammen. Das heißt mit anderen Worten, daß es ausreicht, den Realteil solcher Funktionen zu messen, da der Imaginärteil vermöge der Hilbert-Transformation berechnet werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Antenne eines Mikrowellenlandesystems (MLS-System), bei der zur Gewinnung der Aperturbelegung der Antenne das homodyne Meßverfahren nach Fig. 3 benutzt wird. Im folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente wie in den anderen Figuren. In Fig. 4 sind die bereits aus Fig. 3 bekannten Elemente Mischer 30, Tiefpaß 31, Hochfrequenzsignalquelle 33 und Koppelelement 34 bezeichnet. Mit 40 ist ein Monitor bezeichnet, beispielsweise ausgeführt als Integralmonitorhohlleiter, wie Nummer 10 in Fig. 1. Mit 41 ist ein Netzwerk bezeichnet, das die aus der Hochfrequenzquelle 33 stammende elektrische Energie über mit 42 bezeichnete Phasenschieber auf mit 43 bezeichnete Antennenelemente der Gruppenantenne verteilt. Aus den Antennenelementen werden Signale in den Integralmonitorhohlleiter 40 übergekoppelt. Das Ausgangssignal des Integralmonitorhohlleiters wird dem Mischer 30 zugeführt, in den gleichzeitig auch das mit Hilfe des Kopplers 34 eingekoppelte Hochfrequenzsignal gelangt. Hinter dem Tiefpaß 31 steht die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Spannung U zur Verfügung. Bei dieser Spannung U handelt es sich um den Realteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters 40. Die am Ausgang des Tiefpasses 31 anstehende Spannung U wird mittels eines sample-und-hold-Gliedes 44 und eines Analog/Digital-Wandlers 45 digitalisiert. Am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 45 steht damit ein zeit- und wertdiskretes Signal zur Verfügung. Aus diesem zeit- und wertdiskreten Signal wird mit Hilfe eines Signalprozessors 46 vermöge der diskreten Hilbert-Transformation der noch fehlende Imaginärteil des Ausgangssignales des Integralmonitorhohlleiters 40 berechnet. Nach dieser Operation steht das vollständige komplexe Fernfeldsignal der phasengesteuerten Gruppenantenne zur Verfügung. Anwendung der diskreten Fourier-Transformation (DFT) oder der schnellen Fourier-Transformation (FFT) liefert dann die Rücktransformation zur Aperturbelegung der Antenne.

Auf die Ausführung der diskreten Hilbert-Transformation oder der diskreten Fourier-Transformation und der schnellen Fourier-Transformation wird hier nicht eingegangen, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind. Dem Fachmann auf dem Gebiet der Signalverarbeitung ist eine Fülle fachspezifischer Literatur zu diesem Thema bekannt. Verwiesen sei auf den Artikel "Quadrature Sampling with High Dynamic Range", erschienen in den IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-18. No. 4, November 1982, Seiten 736 bis 739.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung einer komplexen Aperturbelegung von phasengesteuerten Gruppenantennen durch Fourier-Transformation eines aus einem Integralmonitorhohlleiter (10) stammenden zeitabhängigen komplexen Signales, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) homodyne Detektion des Realteiles des Signales des Integralmonitorhohlleiters
b) Bildung des Imaginärteiles des Signales mittels Hilbert-Transformation.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung der diskreten Hilbert-Transformation.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung der diskreten Fourier-Transformation.

4. Vorrichtung zur Gewinnung einer komplexen Aperturbelegung einer phasengesteuerten Gruppenantenne, mit einem Integralmonitorhohlleiter (10), an dessen Ausgang ein dem Strahlungsdiagramm der Antenne entsprechendes komplexes erstes Signal abgenommen wird, weiterhin mit einer die Gruppenantenne mit einer Trägerfrequenz f₀ ansteuernden Hochfrequenzquelle (33) und einem die Hochfrequenzenergie auf die Antennenelemente verteilenden Netzwerks (48), weiterhin mit Mitteln zum Multiplizieren (30) des ersten Signales mit einem zweiten Signal sowie mit einem den Mitteln zum Multiplizieren folgenden Tiefpaß (31), dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal die Frequenz f₀ hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Tiefpaß folgender Analog/Digital-Wandler (45) das Ausgangssignal des Tiefpasses digitalisiert.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Analog/Digital-Wandler folgender Signalprozessor (46) das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers einer Hilbert-Transformation unterwirft.