SE516142C2 - Kompensation av felaktiga element i antenngrupper - Google Patents

Description

15 20 25 30 516 142 2 Tillvägagångssättet enligt Mailloux kommer att resultera i att några av de kvarvarande vinklarna kan uppleva ännu mer försämrade prestanda.

Därför har det funnits ett önskemål om att ytterligare förbättra tekniken för att kompensera förluster i en gruppantenns strålningsdiagram beroende på felaktiga element.

SAMMANFATTNING Ett förfarande och ett system visas för kompensering av felaktiga element i en antenngrupp. Förfarandet antar att åtminstone arnplituden och, i de flesta fall, fasen för, åtminstone, några av de individuella elementen kan styras i någon utsträckning.

Om ett eller flera av antenngruppens strålningselement är felaktiga, används åtminstone några kvarvarande element för att korrigera för detta. Amplitud- och fasstrålningsdiagram för ett av de felaktiga elementen syntetiseras då med användning av K av de återstående elementen. Den resulterande excitationen från denna syntes överlagras på den felaktiga gruppexcitationen vid lägena för de K återstående elementen. Denna procedur kan upprepas för alla de felaktiga elementen med användning av principen för överlagring.

I enlighet med det föreliggande förfarandet, genom att placera en fasreferenspunkt för gruppantennen i ett felaktigt element kan ett enhetsvärde för alla vinklar syntetiseras med hjälp av beråkningsorgan. K angränsande element i gruppen väljs och viktas med en specifik excitation exofaüed, för ett felaktigt element för att kompensera det felaktiga antennstrålningsdiagrammet.

Ett system som utnyttjar förfarandet använder en styrenhet som innefattar ett beräkningsorgan och styrenheten styr, via ett styrsignalnät, en T/ R- modul för varje element i gruppen, varvid styrenheten sätter fasen och amplituden för varje element i gruppen. 10 15 20 25 30 516 142 s Förfarandet fastställs genom det oberoende patentkravet 1 och en ytterligare utföringsform av förfarandet fastställs genom det beroende patentkravet 2.

Ett system som utnyttjar det föreliggande förfarandet fastställs genom det oberoende patentkravet 3 och de beroende patentkraven 4-5.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare syften och fördelar med denna kan bäst förstås genom att hänvisa till den följande beskrivningen läst tillsam- mans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG. 1 demonstrerar teoretiskt en antenngrupp som i fasreferenspunkten har ett felaktigt element, samt dess närliggande element, FIG. 2 demonstrerar teoretiskt en linjär grupp som har ett felaktigt element i fasreferenspunkten, FIG. 3 demonstrerar en grundläggande utföringsform av en antenngrupp konstruerad för en möjlighet att kompensera förluster i grupp- antennens strålningsdiagram beroende på felaktiga element, samt FIG. 4 demonstrerar en grundläggande T/ R-modul använd i utförings- formen enligt FIG. 3.

DETALJERAD BESKRIVNING Allmänt Varje element i en gruppantenn bidrar till fjärrfältet genom dess elements» strålningsdiagram, viktat med excitationen för elementet och dess läge relativt fasreferenspunkten. Om en elementfelaktighet uppträder orsakat genom felfunktion i den aktuella antenngruppen, t.ex. i elektronikutrustningen som matar ett strålningselement eller någon annan felfunktion som ändrar elemen- tets ursprungliga funktion, är ett tillvägagångssätt för problemet med om- optimering att syntetisera bidraget från det icke fungerande elementet till 10 15 20 25 30 n o u v o a u ~ | a 4 a u 5 1 6 142 4 fjärrfältet med hjälp av åtminstone några av de återstående fungerande elementen. På grund av det faktum att överlagringsprinciper gäller är den omoptimerade excitationen summan av de återstående elementens ursprungliga excitation och bidragsexcitationen från det syntetiserade felaktiga elementet i enlighet med Cliff N aptímum excn = excfm' + exc n e {återstående element} i vilket excn betecknar en excitation för ett element n.

En korrektionsexcitation kan utföras för alla återstående elementen eller för endast några stycken av dessa. Om korrektionen görs för de omkringliggande elementen kan varje felaktigt element, som har samma omkringliggande konfiguration, använda samma korrektion, viktad med excitationen för det icke fungerande elementet, och om flertalet element inte fungerar, kan de olika korrektionema överlagras på varandra. En annan fördel med syntetisering av elementstrålningsdiagram är att korrektionsexcitationen är oberoende av formen på elementstrålningsdiagrammet om alla elementstrål- ningsdiagram är lika.

Det föreliggande förbättrade ny förfarandet Ett förbättrat förfarande för kompensering av felaktiga element i plana antenngrupper grundas på justering av excitationen för de omkringliggande elementen.

Anta att en elementfelaktighet uppträder i en plan gruppantenn. Lägg fasreferenspunkten vid det felaktiga element i enlighet med Fig. 1 och använd K omkringliggande element, som skall kompensera för bidraget från det felaktiga elementet. Eftersom det felaktiga elementet är placerat i fasreferens- punkten, är fasen för bidraget från elementet till ett fjärrfält noll för alla vinklar. Fjärrfältsbidraget från det felaktiga elementet uttrycks genom FF/Wed (u, v) = excflikd - EF (u,v) , 10 15 20 25 516 142 s EF(u,v) betecknar elementstrålningsdiagrammet, även benämd elementfaktom där: x=u-r =r-sin0cos4$ y = v -rsinßsinqi z=r-cos9 och gruppen är placerad i xy-planet.

De K omkringliggande elementen har ett ijårrfàltsbidrag i enlighet med FF "”'Ig"b°'(u, v) = EF (u, v) - Éexcf" -e'f""'(”"'“+y*'") k=l Målet är att fullständigt återskapa FFfailed(u,v) genom optimering av korrek- tionsexcitationen för de omkringliggande elementen, exc,f°" . Utbredningskon- stanten ko definieras som 21:/ Åo, där Ao betecknar våglängden för den elektromagnetiska strålningen. Detta år omöjligt, vilket lätt inses eftersom om det var möjligt skulle det ha varit möjligt att ta bort ett element och sedan återskapa antennprestanda. Detta skulle då ha kunnat göras rekur- sivt och i slutet skulle det funnits endast ett antennelement kvar, men ursprungliga antennprestanda skulle fortfarande ha varit desamma.

Däremot är det möjligt att fullständigt återskapa bidraget till fjärrfältet i K godtyckliga vinklar för det felaktiga elementet.

Eftersom EF(u, v) föreligger i båda de ovanstående ekvationerna kommer detta optimeringsförfarande vara oberoende av formen på strålnings- diagrammet för elementet om alla element antas vara lika. Förfarandet kommer också att vara oberoende av det felaktiga elementets läge om optimeringen syntetiserar ett enhetsvärde för alla vinklar och sedan viktar lösningen med den specifika excitationen exofaüed för det felaktiga elementet.

Därför kan optímeringsproblemet formuleras som 5 10 15 20 25 a > Q a o n 5 16 1 4 2 6 K Zexcían _ e'j'ko'(xx'up+ylrl'p) = 1 k=l där p = 1, 2, Poch up och vpär olika vinklar.

Dessa P samtidiga ekvationer kan skrivas i en matrisekvation enligt A 0 exc = 1 gnwvvi) gzwvvi) g/Åuvvi) A: gflumvz) gzÜfzavz) gxüfzavz) (I) gl(upivp) g2(upivp) gK(up9vp) “.l"koíxz'up+yz'vp) gk(upavp) = e C07? r exc = [excl ,exc§°",...,exc,°(°”] där ï år en P elements enhetsradvektor. Om P = K finns det bara en lösning för exck enligt exc = [A14 øï Men ofta år det önskvärt att optimera excitationen över många fler vinklar, vilket kommer att leda till ett överbeståmt ekvationssystem, som inte har någon lösning. Istället kan minsta kvadratfehnetoden eller någon annan lämplig metod användas för att lösa uppskattningen av korrektions- excitationen. exc=[AT flAl-l 'AT vï 10 15 20 25 30 516 142 f' " 7 z ::': ' Den optimala excitationen för antenngruppen med ett godtyckligt antal elementfelaktigheter ges då av failed _ exc,'f'g"'“"+excf ne{Qf} 071710715' oplimum _ excn exczrigüual , failed där excf är den ursprungliga excitationen för det felaktiga elementet nummer f och .Qfär uppsättningen omkringliggande element vid det felaktiga elementet nummer f; f = 1, 2, . . ., F, där F är totala antalet felaktiga element.

Vid framtagandet av lösningen för kompensationsproblemet har optimerings- ekvationen satts lika med ett, vilket år ekvivalent med att alla elementen i antenngruppen år lika. I fallet när strålningselementen initiellt inte är orda lika kan problemet fortfarande lösas på ett liknande sätt genom att ta i beaktande en speciell initíell viktning av några element före att viktningen i enlighet med kompensationen utförs.

Förenkling av det förbättrade nva förfarandet Anta att ett elementfel uppträder i en linjär gruppantenn. Sätt fasreferens- punkten vid det felaktiga elementet i enlighet med Fig. 2, och använd K (symmetxiskt placerade) omkringliggande element, vilka skall kompensera för bidraget från det felaktiga elementet. Med standardmässiga sfáriska koor- dinater 0, ø med den linjära gruppen inriktad längs x-axeln 6 = 90°, och ø = O° och l80°.

På grund av det faktum att antennstrålningsdiagrammets variation i v bestäms endast av elementfaktom EF, kommer endast snittet v = O att betraktas. Fjärrfaltsbidraget för det felaktiga elementet är FFf“"'*”(u) = exc f““°“ -EF(u) där EF(u) är elementfaktorn. De K elementen har ett fiärrfältbidrag i enlighet med 10 15 20 25 516 142 s":s": s"s°I=."I==I.z r-f 8 , , , . . .

K/Z Å FFneig/lbør (u) = _ Zexcíarr _ e-Jj-Q-xk-u =-K / 2 ln=0 Optimeringsproblemet i den linjära gruppen kan formuleras som :m _ Xexöfm - e”'k°“*'" = 1 k=-K/2 k:=0 där p = 1, 2,. . ., Poch upärolika snitt u.

Dessa P samtidiga ekvationer kan skrivas i en matrisekvation liknande ekvation (1) på sidan 6. Emellertid om snitten, up, väljs symmetriskt runt noll, vilket kommer att visas lämpligt oberoende av svepvinkeln, kommer resultatet visa att excitationskorrektíonen utförs symmetriskt.

C071' exck = excfz” Genom att känna till detta faktum. är det möjligt att minska problemets storlek genom användning av Euler's identitet: cos(@) = å - (efs + (ja) Genom att använda dessa sista tre ekvationer kan nu problemet formuleras som K/Z C077 Z-zexck -cos(ko -x,, -up) =1 k=l Denna nya problemformulering kan också skrivas i en matrisekvation, men matrisstorleken minskas till en fjärdedel. 10 15 20 25 30 516 142 9 En belvsande utföringsforrn som använder den förbättrade tekniken Fig. 3 demonstrerar en grundläggande utíöringsfonn av en antenngrupp konstruerad för en möjlighet att kompensera försämring i gruppantennens strålningsdiagram på grund av felaktiga element. Den illustrerade uppsätt- ningen enligt Fig. 3 uppvisar en mottagarmodul 1 för mottagningen av rnikrovågsignaler och en exciteringsmodul 2 som genererar en sändnings- signal. Mottagaren och exciteringsanordningen är via en cirkulator 3 och ett RF-matningsnät 8 kopplade till en gruppantenn.

Gruppantennen ansluten till cirkulatom 3 via ett RF-matningsnät innehåller n ..., 7x, av vilka till exempel ett antennelement 7c representerar en felaktig strålare. Vart och ett av strålande antennelement 7 a, 7b, 7c, strålningselementen är kopplade till en respektive sändnings/mottagnings- modul (T/R-modul) Sa, 5b, 5c, ..., 5x. Ett fel kan uppträda endera i T/ R- modulen 5c eller i antennstrålningselementet 7c själv, eller i någon annan del som påverkar funktionen av antennelementet 7c.

FIG. 4 visar den schematiska uppbyggnaden av en uttöringsform av en T/ R- modul för användning i enlighet med FIG. 3. En sådan föredragen T/R-modul innehåller en första cirkulator 20 som kopplar ihop två grenar 21 och 31. En andra cirkulator 30 delar upp anslutningen till strålningselementet i de två grenarna 31 och 21. Grenen 21 innehåller vidare en variabel fasskiftare 26 och en effektförstärkare 28, medan grenen 31 innehåller en lågbrusförstärkare 34, en variabel fasskiftare 36 och en anordning 38 med variabel dämpning.

Alla T/R-modulema styrs individuellt av en styrenhet 16, som erhåller ursprungliga fas- och amplitudinställningar från en fas- och amplitudinställ- ningsenhet 10. Styrenheten 16 tar även emot ytterligare infonnation från en fas- och amplitudkorrigefingsenhet 12. Fas- och amplitudinställningsenheten 10 ges fasta inställningar för att erhålla ett önskat strålningsdiagram. Enheten 12 för fas- och amplitudkorrektioner kan i en belysande utföringsform erhålla sina korrektionsinställningar från styrenheten 16 själv. Enheten 12 kommer 10 15 20 25 30 516 142 10 då innefatta en bearbetningsanordning som är programmerad för att utföra beräkningarna som behövs för att lösa de K ekvationema som resulterar ur matrisekvationen (1). Programmeringen kommer att utnyttja de möjliga förenklingar-na diskuterade för att tillämpa ett lämpligt hög- eller lågnivå- programmeringsspråk väl känt av fackmannen. I en belysande utföringsform är bearbetningsenheten i styrningen 16 en mikroprocessor försedd med en aritmetísk enhet, ALU, som bildar ett beräkningsorgan för att utföra de nödvändiga beräkningarna i enlighet med det föreliggande förfarandet. Sådana mikroprocessorer är lätt tillgängliga och är väl kända av fackmannen.

Fas- och amplitudstyrningssignalerna från enheterna 10 och 12, som kombi- neras i en styrenhet, via ett styrsignalsnätverk 4 styr sedan de individuella T/ R-modulerna. När den styrande processorn detekterar, till exempel, att ett antennelement, till exempel 7c, inte ger ett riktigt signalgensvar kan processorn nu via fas- och amplitudkorrigeringsenheten mata de omkringliggande elementen med fas- och amplitudkompenserade signaler. Det resulterande strålningsdiagranirnet kompenseras följaktligen i en hög utsträckning och antennen kommer att kunna fortsätta att fungera tillfredsställande tills att felaktiga delar kommer att repareras genom ersättning av den felaktiga hårdvaran.

Processorberäkningen baseras på antagandet att det felaktiga elementet betraktas vara fasreferenspunkten i denna beräkning i enlighet med den föreliggande föreslagna förbättringen för beräkning av en fas- och amplitud- kompensering för att erhålla en kompensation för gruppantennens felaktiga element.

Det föreliggande förfarandet kan naturligtvis även tillämpas på liknande system, t.ex., antennsystem utan aktiva förstärkare i T/ R-modulerna.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifieringar och förändringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfattning, vilken defmieras genom de bifogade patentkraven. 10 15 20 [2] [3] [4] [5] 516 142 11 REFERENSER P.J. Wright, "Planar array optimization with failed elements", IEE Conference Publication Antennas Proceedings of the 9th International conference on Antennas and Propagation. Partl, April 4-7, 1995.

H. Steyskal, R.J. Mailloux, "Generalization of a phased array error correction method", IEEE Antennas and Propagation Society, AP-S International Symposium (Digest) Proceedings of the 1996 AP-S International Symposium 81; URSI Radio Science Meeting. Part 1, pp. 506-509, July 21-26, 1996.

T.J. Peters, "A conjugate gradient-based algorithm to rninimize the side-lobe level of planar arrays with element failures", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, No. 10, pp. 1497-1504, Oct. 1991.

M.H. Er, S.K. Hui, "Array pattern synthesis in the presence of faulty elements", Signal-Processing, Vol. 29, No. 1, pp 57-65, Oct. 1992.

S.L. Sim, M.H. Er, "Sidelobe suppression for general arrays in presence of element failures".

Claims (5)

51612142 PATENTKRAV

1. Förfarande för kompensering av felaktiga element i en antenngrupp, kännetecknat av stegen: anordnande av en styrenhet (16), varvid styrenheten innefattar ett 5 beräkningsorgan och styrenheten, via ett styrsigrialnätverk styr amplitud- och fasinställningania för varje element (7a-7x) i gruppen, placering av en fasreferenspunkt för gruppantennen vid ett felaktigt element, syntetisering, med hjälp av beräkningsorganet, av ett enhetsvärde för 10 alla vinklar och viktning av lösningen med en specifik excitation excfflflfi för ett felaktigt element, genom formulering av ett korrektionsexcitationsoptime- ringsproblem som K _ Zexclíarr _e“.l'ko'(xk'up+yz'”p) = 1 k=l i vilket p = 1, 2, ,P och up, up år olika vinklar och ko år en konstant, 15 selektering av K omkringliggande element vid det felaktiga elementet och selektering antalet olika vinklar P så att P = K för att erhålla en situation vid vilken det fmns endast en lösning för excn som betecknar en excitation för ett element ni enlighet med exc=[A]"l0ï zo där giwnvi) gzwvvl) gxÛlvvl) A__ gÅuvVz) gzwvvz) gxwvvz) g,(up,vp) g,(up,vp) gK(up,vP) gt (üpn/p) = e_j'k“(x*'"'+y""') 25 exc = [exe-lm",excf",...,exc§°" varvid förfarandet leder till en utstyrningsoberoende kompensering genom att en total styrvektor består av summan av en konstant kompenserings- vektor och en ursprunglig styrvektor. 10 15 20 25 51613142

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med användning av en minsta kvadratfelmetod eller någon annan allrnän metod för att lösa korrektionsexcitationen i enlighet med exc=[AT OAF OAT øï varvid antenngruppens optimala excitation med ett godtyckligt antal elementfelaktigheter då erhålls ur C077 med _ owman. _ excjw” + excf excn , n e {Qf} excn g exe-Tim” , annars där excffliled är den ursprungliga excitationen för det felaktiga elementet nummer f och .Of är uppsättningen av omkringliggande element vid felaktigt element nummer f; f = 1, 2, . . ., F, där Får totala antalet felaktiga element.

3. System som kompenserar för felaktiga element i en antenngrupp kopplad till en mottagare och en sändare för mottagning och sändning av information, kännetecknat av en styrenhet (16), varvid styrenheten, via ett styrsignalnätverk, styr amplitud- och fasinställningar för varje element (7 a-7x) i antenngruppen, ett beräkningsorgan innefattat i styrenheten, varvid beräknings- organet är programmerat för att syntetisera ett enhetsvärde för alla vinklar och viktning av lösningen med en specifik excitation, exdflüed , för ett felaktigt element med hjälp av en korrigeringsexcitationsoptimeringsekvation K _ zexcíorr _ e“I'kø'(XrVF+Yn'VP) = 1 k=l där p = 1, 2, P och up, vp är olika vinklar och ko är en utbrednings- konstant, samt beräkningsorganet vidare selekterar K omkringliggande element vid det felaktiga elementet och selekterar ett antal olika vinklar P så att P = K för att erhålla en situation vid vilken det finns endast en lösning för excn, som betecknar en excitation för ett element ni enlighet med 10 15 20 25 516 142 14 _) exc= [A14 0 1 där gnwvvl) gzluvvi) gxwnvi) A: giwvvz) gzwvvz) gxüfzsvz) gl(up7vp) g2(up!vp) gK(up9Vp) gl; (üpi Vp) = e-j-hocrupfl/*ivfi exc = excf°'flexc§°",...,exc?"] varvid styrenheten (16) då producerar korrigerade faser och ampli- tuder för K selekterade omkringliggande element och därmed åstadkommer en utstyrningsoberoende strålningsmönsterkompensation genom att en total styrvektor består av summan av en konstant kompenseringsvektor och en ursprunglig styrvektor.

4. System enligt krav 3, kännetecknat av att berâkningsorganet använder en minsta kvadratfelsmetod eller annan allmän metod för att lösa korrigeringsexcitationen i enlighet med exc=[AT OAF OAT øï varvid den optimala excitationen för antenngruppen med ett godtyckligt antal elementfelaktígheter då erhålls ur C071' A org-ml failed _ { } excgpfmm ___ exc" + excf exe, , n e Qf exc,'f"g'"“l , annars där excfailed är den ursprungliga excitationen för det felaktiga elementet nummer f och och .Qf är uppsättningen av omkringliggande element vid felaktigt element nummer f, f = 1, 2, . . ., F , där F är totala antalet felaktiga element. 516 14 2 auawz: -,";a"s.s"a"I= .fT-*Üâ 15 En: -_'_- .__..__. . .. ..

5. System enligt krav 3, kännetecknat av att beråkningsorganet år en mikroprocessor försedd med en aritrnetisk logisk enhet (ALU) för att användas för att utföra de nödvändiga beräkningarna.