NL1011421C2

NL1011421C2 - Volumetrisch phased array antenne systeem.

Info

Publication number: NL1011421C2
Application number: NL1011421A
Authority: NL
Inventors: John Arthur Scholz
Original assignee: Tno
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-09-05
Also published as: IL145180A; DE60007844D1; IL145180A0; US6636177B1; DE60007844T2; EP1157446B1; WO2000052787A1; AU2947900A; EP1157446A1

Description

Titel: Volumetrisch phased array antenne systeem

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een volumetrisch phased array antenne systeem waarvan de antenne elementen in drie dimensies ruimtelijk zijn opgesteld en die veelal wordt aangeduid als 'kraaiennestantenne' (crow's 5 nest antenne ofwel CNA).

Meer in concreto heeft de uitvinding betrekking op een volumetrisch phased array antenne systeem, voorzien van een aantal antenne elementen, waarvan elk is aangesloten op een onder besturing van een 'beam steering computer (BSC)1 10 staande T/R (transmitter/receiver)-module, waaraan een zendsignaal wordt toegevoerd voor het vormen van een zend-bundel, via welke T/R-modulen RF-signalen worden ontvangen en via een radarontvanger toegevoerd aan een daarop aangesloten signaalverwerkingseenheid.

15 Zoals het geval is bij alle antenne systemen, is ook de CNA gevoelig voor storingsbronnen waarvan de signalen worden ontvangen in de zij lobben van het antennepatroon. In militaire systemen worden storingssignalen opgewekt door de vijand om onderlinge communicatie of doelspositie-metingen 20 onmogelijk te maken. In civiele systemen wordt een dergelijke storing veroorzaakt door naburige zendstations of door reflecties van naburige objecten.

Wanneer bij toepassing van conventionele radarantenne-systemen de locatie van de storingsbron niet bekend is, kan 25 om een dergelijke storing te onderdrukken of om het storingsniveau te beperken gebruik worden gemaakt van zogenaamde adaptieve storingsonderdrukkingssystemen (adaptive nulling systems), waarbij dicht bij de hoofdantenne een of meer hulpantennes worden opgesteld. Is 30 één storingsbron aanwezig, dan is één hulpantenne voldoende. Het patroon van de hoofdantenne wordt gevormd door een sterke hoofdlob en een groot aantal zwakke zij lobben; het antennepatroon van de hulpantenne wordt gevormd door een brede lob die zich uitstrekt over ten minste het gehele 101 142* 2 hoekinterval van het patroon van de hoofdantenne, dat wil zeggen over het gehele gezichtsveld van de hoofdantenne, doch heeft een sterkte die veel kleiner is dan dat van de hoofdlob van het patroon van de hoofdantenne. Bij een 5 voldoende sterke storingsbron kunnen de via de zij lobben van het patroon van de hoofdantenne ontvangen storings-signalen toch nog sterker zijn dan de hierin ontvangen reflectiesignalen van de uitgezonden radarbundel. Via de hulpantenne zal vrijwel altijd een storingssignaal worden 10 ontvangen dat sterker is dan het van een doel afkomstig signaal. Het is bekend om uit de door de beide antennes ontvangen doelsignalen en storingssignalen met behulp van daartoe ontwikkelde algoritmen het door de hoofdantenne in de hoofdlob ontvangen doelsignaal te extraheren; hiervoor 15 wordt een zogenaamde 'nulling processor' toegepast. Het is verder bekend om, wanneer er meerdere storingsbronnen zijn, ook meerdere hulpantennes in te schakelen. Om een maximale signaalcorrelatie en een zo groot mogelijke storings-onderdrukking te verkrijgen, is het in deze bekende 20 systemen belangrijk dat de hulpantennes dicht bij de hoofdantenne zijn opgesteld en dat zij allen hetzelfde gezichtsveld van de hoofdantenne bestrijken. Dit wordt bij vlakke en bij lineaire phased array antennes bereikt door de hulpantennes in hetzelfde vlak of in dezelfde rij te 25 plaatsen als de hoofdantenne. Bij een CNA is dit niet mogelijk; er is immers geen enkel vlak dat alle antenne elementen bevat. Een mogelijke oplossing om storing van een onbekende storingsbron te onderdrukken zou het opstellen van een groot aantal hulpantennes rondom de CNA zijn.

30 Echter, elke hulpantenne vereist zijn eigen ontvanger met pulscompressie-voorziening, dopplerprocessing, etc., waardoor de kosten van een dergelijke oplossing extreem hoog worden.

Het doel van de uitvinding is een zodanige uitvoering 35 van een volumetrisch phased array antenne systeem te verschaffen, dat daarin op relatief eenvoudige wijze en 10114 21’ 3 tegen relatief geringe kosten een efficiënte storingsonder-drukking kan worden gerealiseerd.

Overeenkomstig de uitvinding heeft daartoe het volumetrisch phased array antenne systeem, zoals dit in de 5 aanhef is omschreven, het kenmerk, dat de antenne elementen zijn gerangschikt in, op een afstand van elkaar gelegen conforme gekromde virtuele oppervlakken die hetzelfde krommingsmiddelpunt of dezelfde krommingsmiddelpunten bezitten, waarbij elke combinatie van antenne elementen in 10 een of meer oppervlakken tezamen een volumetrische phased array antenne of een deel daarvan vormt.

Voor zover deze oppervlakken een en hetzelfde krommingsmiddelpunt hebben, vormen de genoemde virtuele oppervlakken bolschillen of delen daarvan. Zo kunnen 15 bijvoorbeeld zes van dergelijke bolschillen aanwezig zijn, waarbij elke bolschil tientallen tot honderden antenne elementen kan bevatten. Wanneer deze bolschillen van buiten naar binnen worden genummerd van 1 tot 6, dan geldt bijvoorbeeld dat de antenne elementen in de buitenste schil 20 (schil 1) een antenne vormen voor een zwakke en nauwe bundel, dat de antenne elementen in de binnenste schil (schil 6) een antenne vormen voor een zwakke en brede bundel, dat de antenne elementen in bijvoorbeeld de buitenste vier schillen (schillen 1-4) een antenne vormen 25 voor een sterke en nauwe bundel en de antenne elementen van de binnenste vier schillen (schillen 3-6) een antenne voor een sterke en brede bundel. Het zal duidelijk zijn dat allerlei combinaties van schillen mogelijk zijn. Zo kan bijvoorbeeld ook een hoofdantenne worden verkregen, door de 30 antenne elementen in de schillen 1-5 te combineren en ten behoeve van storingsonderdrukking een hulpantenne worden verkregen door bijvoorbeeld de antenne elementen in de schillen 5 en 6 te combineren. In al deze combinaties is het, evenals bij de vlakke array systemen, ook mogelijk 35 antennepatronen met meerdere in verschillende richtingen georiënteerde bundels op te wekken.

1011421’ 4

De antenne elementen die op eenzelfde virtueel oppervlak zijn gelegen, zijn via een T/R-module aangesloten op één enkele combinatie-eenheid, terwijl voor een te vormen antennepatroon een aantal van deze combinatie-5 eenheden is aangesloten op een verdere combinatie-eenheid. Dienen door de antenne elementen bijvoorbeeld twee antennepatronen, waar conventioneel twee afzonderlijke antennes voor zouden moeten worden gebruikt, te worden gevormd, dan zullen twee van dergelijke verdere combinatie-10 eenheden aanwezig zijn. Op deze wijze is het mogelijk een vaste combinatie van antennepatronen te vormen, bijvoorbeeld een hoofdantennepatroon en, ten behoeve van storingsonderdrukking, twee hulpantennepatronen. Op de verdere combinatie-eenheden zullen in een dergelijke 15 situatie afzonderlijke radarontvangers voor het in frequentie omlaag transformeren en detecteren van de radarsignalen op de verdere combinatie-eenheden zijn aangesloten, waarna de aldus gedetecteerde signalen in een 'nulling processor' verder kunnen worden verwerkt.

20 Moeilijker ligt de situatie waarin de keuze van het aantal te vormen antennepatronen en de eigenschappen daarvan niet vast is ingebracht. De verdere combinatie-eenheid wordt dan gevormd door een matrix-schakeleenheid voor het vormen van een naar keuze in te stellen aantal antennepatronen met 25 naar keuze in te stellen bundeleigenschappen. Deze maatregel houdt derhalve in dat de afzonderlijke combinatie-eenheden naar keuze worden gegroepeerd. Deze keuze kan uiteraard afhankelijk zijn van bijvoorbeeld de mate van storingsonderdrukking in de 'nulling processor'.

30 Deze opzet brengt echter met zich mee dat de afzonderlijke combinatie-eenheden direct moeten worden aangesloten op een radarontvanger voor het in frequentie omlaag transformeren en detecteren van de radarsignalen, alvorens zij worden toegevoerd aan de matrix-schakeleenheid, waardoor de kosten 35 van het gehele radarsysteem toch weer hoog kunnen worden.

In de praktijk zal echter, in bijvoorbeeld een 1011421* 5 storingsonderdrukkingssysteem met een hoofdantennepatroon en een of twee hulpantennepatronen, volstaan kunnen worden met een vaste groepering van combinatie-eenheden.

Door de maatregelen overeenkomstig de uitvinding 5 worden de volgende verdere voordelen verkregen. Doordat hoofdantenne en hulpantennes onderling zijn samengebouwd in één geïntegreerd geheel, wordt een goede correlatie van de via deze antennes verkregen signalen en derhalve een goede storingsonderdrukking mogelijk. Het aantal te kiezen 10 hulpantennes is naar keuze instelbaar. De hulpantennes kunnen zodanig worden gekozen dat in aanzienlijke mate eenzelfde antennegain in alle richting wordt verkregen en daarmee een in vrijwel alle richtingen gelijke storingsonderdrukking. De hulpantenne kan, wanneer de locatie van 15 een storingsbron bekend is, door sturing met behulp van de 'beam steering computer' een verhoogde antennegain in de richting van de storingsbron worden gegeven, waardoor een verder verbeterde storingsonderdrukking mogelijk wordt.

Behalve voor het onderdrukken van storing in militaire 20 en civiele radarsystemen, kan de onderhavige uitvinding ook worden toegepast voor communicatiedoeleinden.

Wanneer bijvoorbeeld in een communicatiesysteem twee gebruikers op sterk uiteenlopende afstanden tegelijkertijd moeten worden bediend vanuit eenzelfde communicatiestation, 25 dan kunnen, door een verschillende keuze van combineren van schillen van antenne elementen, tegelijkertijd twee bundels worden verkregen in de richting van de desbetreffende gebruikers, en wel zodanig dat het station voldoende gevoelig is voor de op grote afstand gelegen 30 gebruiker, doch geen verzadigingseffecten opwekt bij de op korte afstand gelegen gebruiker; met andere woorden het dynamisch bereik van het ontvangsysteem van het station met een antenneconstructie overeenkomstig de uitvinding kan aanzienlijk worden beperkt.

35 Wanneer, in een ander voorbeeld, in een communicatie systeem het bedienen van een mobiele gebruiker vanuit een 1011421 6 eerste station wordt overgenomen door een tweede station, dan kan na de overname door het tweede station in het eerste station met behulp van een 'nulling' systeem daarin het eerste station ongevoelig worden gemaakt in de richting 5 van de mobiele gebruiker en dus in de richting van het tweede station.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening. Hierin toont: 10 Fig. 1 een vlak array antennesysteem met een hoofd antenne en aan weerszijden een hulpantenne;

Fig. 2 het ontvangpatroon van de hoofdantenne en de hulpantennes in fig. 1;

Fig. 3 een volumetrisch phased array antenne systeem; 15 en

Fig. 4 een volumetrisch phased array antenne systeem, waarbij de antenne elementen in een schillenstructuur zijn opgesteld en per schil zijn gecombineerd.

20 De fig. 1 en 2 hebben betrekking op een antenne systeem volgens de stand van de techniek met een hoofdantenne 1 en een tweetal hulpantennes 2 en 3. De antennes zijn van het vlakke phased array type en zijn zo dicht mogelijk bij elkaar opgesteld. Alleen via de hoofdantenne 1 25 wordt een bundel uitgezonden. Het ontvangbundelpatroon van de antenne 1 is weergegeven in fig. 2 en omvat een hoofdlob 4 en een groot aantal zij lobben 5. De van een doel afkomstige, binnen de smalle hoofdlob ontvangen signalen zijn relatief sterk; de daarbuiten ontvangen signalen van 30 dit doel nemen bij een toenemende hoekafwijking snel in sterkte af. Het ontvangbundelpatroon 6 van de hulpantennes bestrijkt het gehele gezichtsveld van de hoofdantenne, waarbij bij een toenemende hoekafwijking de ontvangen signalen van het doel slechts zeer weinig in sterkte 35 afnemen. Daarnaast is in fig. 2 een storingsbron 7 aangegeven. De van het doel afkomstige signalen en de van 1011421 7 de storingsbron afkomstige signalen worden door zowel de hoofdantenne als de beide hulpantennes ontvangen en in verder niet weergegeven ontvangers in frequentie omlaag getransformeerd en gedetecteerd. De verkregen signalen 5 worden in een verwerkingseenheid, in het bijzonder een 'nulling processor' 8 verwerkt, waarbij de ongewenste storingssignalen worden onderdrukt.

Zoals reeds eerder vermeld, werkt een dergelijk systeem niet zonder meer bij een volumetrische phased array 10 antenne. Een dergelijk antenne is afgebeeld in fig. 3. In deze figuur is slechts een beperkt aantal ruimtelijk gepositioneerde antenne elementen 9 weergegeven. In de praktijk zal dit aantal veel groter zijn, tot zelfs vele duizenden. De antenne elementen 9 zijn gerangschikt boven 15 een drager 10. De ondersteuning van de antenne elementen is hier gevormd door coax-verbindingen 11. Middels deze coax-verbindingen is elk antenne element 9 aangesloten op een T/R-module 12. Deze T/R-modulen zijn op hun beurt weer aangesloten op een zender 13 en een ontvanger 14. Via de 20 zender 13, de T/R-modulen 12 en de daarop aangesloten antenne elementen 9 worden signalen uitgezonden, terwijl via de antenne elementen 9, de T/R-modulen 12 en de ontvanger 14 signalen worden ontvangen. Bij aanwezigheid van de storingsbron 7 uit fig. 2 worden zowel door het doel 25 gereflecteerde signalen als van de storingsbron afkomstige signalen ontvangen. Om daarbij toch de storingssignalen te kunnen onderdrukken dient weer gebruik te worden gemaakt van afzonderlijke hulpantennes als aangegeven in fig. 1, tenzij speciale maatregelen worden getroffen. Deze 30 maatregelen vereisen een speciale wijze van rangschikken van de antenne elementen 9. De antenne elementen worden dan ook overeenkomstig de uitvinding zodanig aangebracht dat zij, in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld, op concentrische virtuele boloppervlakken komen te liggen; 35 deze boloppervlakken worden verder aangeduid als schillen. In fig. 4 is een viertal van dergelijke schillen 15-18 1011421 8 aangegeven. Wanneer het totale aantal antenne elementen in de vele duizenden loopt, zal dit aantal schillen ook aanmerkelijk groter kunnen zijn. Op elk van de antenne elementen is weer een T/R-module 12 aangesloten. De T/R-5 modulen van de antenne elementen 9 die behoren tot een schil zijn aangesloten op een combinatie-eenheid. Er zijn dan ook evenveel combinatie-eenheden als er schillen zijn. In fig. 4 zijn slechts de combinatie-eenheden 19 en 20 weergegeven die zijn aangesloten op de T/R-modulen voor de 10 antenne elementen 9 in de schillen 15 en 18. Een zendsignaal wordt via de verdeeleenheid 21, de T/R-modulen 12 en de antenne elementen 9 uitgezonden door de zender 13. De signalen die via de antenne elementen 9 en de T/R-modulen 12 worden ontvangen worden per schil gecombineerd 15 in de combinatie-eenheden. In de matrix-schakeleenheid 22 wordt de informatie van de afzonderlijke eenheden gecombineerd. Voor het verkrijgen van een bundelpatroon voor een hoofdantenne worden in de matrix-schakeleenheid 22 bijvoorbeeld alle schillen gecombineerd. Dit betekent dat 20 de signalen van alle combinatie-eenheden tezamen het door deze hoofdantenne ontvangen signaal representeren. Dit signaal wordt toegevoerd aan de hoofdantenne-ontvanger 23 om het in frequentie omlaag te transformeren en te detecteren. Voor het verkrijgen van een hulpantenne worden 25 in de matrix-schakeleenheid 22 bijvoorbeeld de schillen 17 en 18 gecombineerd. Dit betekent dat de signalen van slechts twee combinatie-eenheden tezamen het door deze hulpantenne ontvangen signaal representeren. Dit signaal wordt toegevoerd aan de hulpantenne-ontvanger 24 om het 30 eveneens in frequentie omlaag te transformeren en te detecteren. De aldus gedetecteerde signalen worden vanuit de ontvangers 23 en 24 toegevoerd aan de 'nulling processor' 8 voor het onderdrukken van eventuele stoorsignalen. Alhoewel in dit uitvoeringsvoorbeeld de 35 matrix-schakeleenheid 22 op een vaste schillencombinatie is afgestemd, kan deze ook telkenmale worden ingesteld en wel 1011421 9 door steeds een, op een specifieke toepassing afgestemd afzonderlijk antennepatroon te kiezen door een bijbehorende combinatie van schillen. Bij een groot aantal schillen zijn er dan zeer veel combinaties van schillen mogelijk. In dat 5 geval is het gunstiger om aan de uitgang van elke combinatie-eenheid een ontvanger aan te brengen en in de matrix-schakeleenheid 22 de in frequentie omlaag getransformeerde en gedetecteerde signalen te combineren.

De uitvinding is niet beperkt tot de aan de hand van 10 fig. 4 beschreven uitvoeringsvorm, doch omvat allerlei modificatie hierop, uiteraard voor zover deze vallen binnen de beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies. Hierbij zij er op gewezen, dat de 'nulling processor' deel uitmaakt van een signaalverwerkingseenheid, waarin behalve 15 storingsonderdrukking ook een verdere videosignaal-verwerking kan plaatsvinden.

1011421’

Claims

1. Volumetrisch phased array antenne systeem, voorzien van een aantal antenne elementen, waarvan elk is aangesloten op een onder besturing van een 'beam steering computer (BSC}' staande T/R (transmitter/receiver)-module, 5 waaraan een zendsignaal wordt toegevoerd voor het vormen van een zendbundel, via welke T/R-modulen RF-signalen worden ontvangen en via een radarontvanger toegevoerd aan een daarop aangesloten signaalverwerkingseenheid, met het kenmerk, dat de antenne elementen zijn gerangschikt in, op 10 een afstand van elkaar gelegen conforme gekromde virtuele oppervlakken die hetzelfde krommingsmiddelpunt of dezelfde krommingsmiddelpunten bezitten, waarbij elke combinatie van antenne elementen in een of meer oppervlakken tezamen een volumetrische phased array antenne of een deel daarvan 15 vormt.

2. Volumetrisch phased array antenne systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de antenne elementen die op eenzelfde virtueel oppervlak zijn gelegen via een T/R- 20 module zijn aangesloten op één enkele combinatie-eenheid.

3. Volumetrisch phased array antenne systeem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat voor een te vormen antenne-patroon een aantal combinatie-eenheden is aangesloten op een 25 verdere combinatie-eenheid.

4. Volumetrisch phased array antenne systeem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de verdere combinatie-eenheid wordt gevormd door een matrix-schakeleenheid voor 30 het vormen van een naar keuze in te stellen aantal antenne-patronen met naar keuze in te stellen bundeleigenschappen. 101142f