PHASED ANTENNA ARRAY

Abstract: 1. Phase-controlled aerial array with a plurality of individual radiator elements or lines of radiator elements each with a respective phase shifter (PS), which are connected through a common distributor network with a common feed line (Sp), wherein the target distribution of the relative amplitudes of the individual radiator elements (1 to 6) is determined by the location (X1 to X6 ) of the individual radiator element within the radiator array and by the desired aerial polar diagram, characterised thereby, that a readstore for the individual setting of the controllable phase shifters has setting values stored therein, which are so dimensioned in accordance with the deviation of the measured course of the actual relative amplitudes of the individual radiator elements (1 to 6) from the target distribution that the setting value phi n-B for the control of the phases of the n**th radiator element is connected by the relationship see diagramm : EP0056984,P4,F1 with the measured amplitude distribution PA (x) in the aerial aperture in dependence on the co-ordinates x extending parallely to the polar diagram section being considered and the desired polar diagram shape PF (delta) in dependence on the angle of the beam direction delta, wherein delta (x) is so defined that see diagramm : EP0056984,P4,F3 and wherein xn is the co-ordinate of the n**th aerial element, D is the diameter of the aerial aperture, -delta 0 is the angle, at which the radiation shall start, and lambda 0 is the operating wave length and the phase displacement phi const is as desired, but equal for all radiator elements.

Description: Phasengesteuerte Gruppenantenne Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine phasengesteuerte Gruppenantenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Derartige Antennen finden insbesondere als Radarantennen für Luftraumüberwachung vorteilhafte Anwendung. Es ist bekannt, dass sich die Richtung der Antennenkeule von Gruppenantennen durch Veränderung der Phase der Antennenelemente trägheitslos verändern lässt. Bei einem ebenen oder linearen Array sind die Werte der Phasen der Ströme in den einzelnen Antennenelementen nach der folgenden bekannten Formel einzustellen: EMI1.1 In dieser Formel ist wn die Grösse der einzustellenden Phase des n-ten Strahlerelements sin @ ist der Sinus des Winkels der Abstrahlrichtung p gegen die Normale auf der Antennenfläche, x ist die Koordinate des Antennenele n mentes in der Richtung parallel zur Ebenen die durch Normale und Abstrahlrichtung gebildet wird und A ist die Wellenlänge. Bei Radarantennen zur Luftraumüberwachung ist es darüber hinaus üblich, die Phasensteuerung nicht nur zur Strahlschwenkung, sondern auch zur Verbreiterung der Antennenkeule (beam spoiling) zu benutzen. Dabei wird der Steue B rungsphase ç ein zweiter Wert çB hinzuaddiert, der be wirkt, dass das von den Antennenelementen angeregte Wellenfeld nicht mehr eine ebene Phasenfront, sondern eine ge krümmte Phasenfront aufweist. Als besonders geeignet hat sich z. B. ein Verlauf dieser Keulenverbreiterungsphase B proportional dem Cosinus des Abstands von der Antennenmitte erwiesen EMI2.1 Dabei ist D der Durchmesser der Gruppenantenne in x-Richtung und x werde von der Mitte der Antennenfläche aus gemessen. Die Realisierung dieser verbreiterten Antennenkeulen führt in der Praxis vielfach zu unbefriedigenden Ergebnissen, da die durch Krümmung der Phasenfront verbreiterten Diagramme empfindlich bezüglich fehlerhaften Abweichungen der Amplitude der Antennenelemente sind. Die Krümmung der Phasenfront bewirkt nämlich, dass die von der Antennenfläche abgestrahlte Leistung nicht mehr vorzugsweise nur in eine Raumrichtung abgestrahlt wird, sondern dass jedes Antennenelement vorzugsweise in die Richtung der Senkrechten auf die Phasenfront am jeweiligen Ort des Elements strahlt. Damit ist der Verlauf der Amplitude der Hauptkeule des Antennendiagramms angenähert ein Abbild des Amplitudenverlaufs über die Antennenfläche. Nun weisen Leitungssysteme zur Speisung der Antennenelemente vielfach toleranzbedingte oder sogar systematische Fehler auf, insbesondere die wegen ihrer Kompaktheit bevorzugten seriellen Speisungen, vor allem bei breitbandiger Verwendung. Dies hat zur Folge, dass die erzielten Antennenkeulen verformt sind, welches wiederum in der Radaranwendung zu fehlerhaften Richtungsbestimmungen führt. Eine Einschränkung der Toleranzen würde zu einem erheblichen Aufwand in der Entwicklung und Produktion solcher Speisungen führen. Eine nachträgliche Korrektur der Amplitudenwerte wäre nur durch zusätzliche Leistungsverluste zu erkaufen und ist schwierig zu realisieren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine phasengesteuerte Gruppenantenne anzugeben, die ohne grösseren zusätzlichen Aufwand die störenden Auswirkungen der toleranzbedingten Amplitudenfehler auf das Diagramm beseitigt, ohne zusätzliche Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen. Die erfindungsgemässe Lösung ist bei einer Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs i gegeben. Anspruch 2 beschreibt eine besonders vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens. Die Ansprüche 3 und 4 geben günstige Weiterbildungen der Erfindung an. Wesentlich an der Erfindung ist also die Kompensation der-Auswirkung der fehlerhaften Amplituden durch Einstellung der Steuerphasen nach Massgabe der gemessenen Amplitudenverteilung. Nachdem die phasengesteuerte Gruppenantenne ohnehin über die dazu notwendigen Phasenschieber verfügt, ist für die erfindungsgemässe Antenne nur eine zusätzliche Funktion des zur Steuerung der Phasenschieber verwendeten Rechners (Beam Stearing Unit) nötig. Im folgenden wird eine besonders vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens unter Bezugnahme- auf die Abbildungen eingehend beschrieben. Grundlage der nachfolgenden Herleitung einer Beziehung zwischen gemessenem Amplitudenverlauf und Einstellwerten für die Phaseneinstellung ist die Anwendung der geometri#schen Optik auf die Synthese von Antennendiagrammen durch Gestaltung des Phasenverlaufslwie sie z. B. für die Berechnung von Reflektorantennen üblich und z. B. in S. Silver: Mikrowave Antenna Theory and Design, Mc.Graw Hill 1949, pp. 497 ff. beschrieben ist. Ziel dieser Synthese ist es, zu einer gegebenen Verteilung der HF-Leistung über den Antennenquerschnitt PA (x) den Phasenverlauf zu finden, der bewirkt, dass diese Leistung gemäss einer gewünschten Verteilungsfunktion PF (1*) im Fernfeld abgestrahlt wird, d. h., dass in den betrachteten Schnittebenen ein Antennendiagramm mit gewünschtem Verlauf in Abhängigkeit zum Richtungswinkel erzielt wird. Wegen der Reziprozität gelten grundsätzlich alle Ausführungen auch analog für die Empfangsantenne. Da, wie bereits dargelegt, bei diesem Verfahren der Diagrammsynthese jede Zone der Antenne hauptsächlich in eine bestimmte Raumrichtung strahlt, kann aus dem Energieerhaltungssatz folgende Zuordnung der Querschnittskoordinaten x zum Winkel ## gefunden werden EMI5.1 D sei der Durchmesser der Antenne und 00 die Richtung, bei der-die gewünschte Abstrahlung beginnen soll. Die Verteilung der Leistung über den Antennenquerschnitt lässt sich durch Messung an der montierten Gruppenantenne bestimmen. Entweder misst man sie an den Eingängen der Erreger - in diesem Fall ist das Integral durch die Summe über die Leistung der Erreger zu ersetzen - oder direkt vor den Erregern auf einem Nahfeldmessplatz. Falls es sich nicht um eine lineare Antennengruppe, sondern um ein zweidimensionales Array handelt, ist jeweils die mittlere Leistung einer Zeile von Elementen quer zu Ebenen der betrachteten Abstrahlrichtung zu nehmen. Die gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld hängt vom Anwendungszweck ab. Vielfach wird ein Sektordiagramm gefordert: EMI5.2 Dieses ideale Wunschdiagramm führt allerdings wegen der Beugungseffekte zu Realisierungen mit oszillierendem Diagrammverlauf. Daher empfiehlt es sich, anstelle der idealen Sektorfunktion (4) eine dieser ähnlichen zu wählen, die keine scharfen Sprünge aufweist. Wenn die Antennenverwendung keine andere Leistungsverteilung im Fernfeld erfordert, ist entsprechend ein anderes Wunschdiagramm zu wählen (etwa Cosecans im Quadrat). Sind beide Funktionen PA und PF gegeben, so lässt sich durch numerische Integration von (3) jedem Koordinatenwert x auf der Antennenapertur eine Abstrahlrichtung @ ##(x) zuordnen. Die gesuchten Phasen EMI6.1 ergeben sich aus der Tatsache, dass die Abstrahlrichtung senkrecht auf der Phasenfront steht, d. h. bei Zählung des Winkels .von der Normalen auf die x-Richtung aus ist die Ableitung der Phase nach der Koordinaten x gleich dem Tangens des Winkels EMI6.2 Die numerische Integration von (5) EMI6.3 liefert direkt den Einstellwert für die Steuerphase des Elements am Ort x n Diese Phasenwerte werden in dem zur Steuerung des Phasenschiebers verwendeten Rechner als Konstante gespeichert. Soweit die Radaranlage in mehreren Frequenzen betrieben wird und die Strahlungsamplituden der Elemente sich über die Frequenz erheblich ändern, sind die Phasenwerte für jede Frequenz gesondert zu bestimmen und abzuspeichern. FIG. 1 zeigt ein Beispiel für eine lineare Gruppe von Dipolen (1-6) mit den Koordinaten x1-x6, die von einem Sender T über eine Speiseleitung S angeregt werden. Die Phasen ç 6 können.können durch elektronische Phasenschieber eingestellt werden. Vor den Dipolen ergibt sich eine Ver teilung der HF-Leistung PA(x), die z. B. mit einem Test A empfänger R gemessen werden kann. FIG. 2A zeigt den optischen Strahlengang und Kurven gleicher Phase vor der Gruppenantenne nach FIG. 1. Durch die Phaseneinstellung geht von der Antennenapertur A eine gekrümmte Wellenfront aus. Die abgestrahlte Leistung verläuft' parallel zu den optischen Strahlen S,die senkrecht auf den Kurven gleicher Phase P stehen, in die Raumrich tung *. Die Winkellage der Strahlen#(x) hat so zu er folgen, dass die Leistungsdichte pro Winkeleinheit dem-ge forderten Verlauf Po(8) entspricht. Ein Beispiel für eine F solche gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld, ein Sektordiagramm, ist in FIG. 2B dargestellt. Die F#IG. 3A zeigt (in kartesischer Darstellung) einen Querschnitt durch ein Diagramm einer seriell gespeisten Gruppenantenne ohne die erfindungsgemässe Korrektur der Amplitudenfehler über die Einstellung der Steuerphasen. Deutlich erkennbar sind die assymetrischen Diagrammver zerrungen, die beim Betrieb der Antenne zu beträchtlichen Winkelmessfehlern führen können. FIG. 3B zeigt demgegen über das unter Anwendung des Erfindungsgedankens auf dieselbe Antenne korrigierte Diagramm.

Claims: Patentansprüche 1. Phasengesteuerte Gruppenantenne mit einer Vielzahl einzelner Strahlerelemente oder Zeilen von Strahlerelementen mit je einem steuerbaren Phasenschieber, die über ein Verteilernetzwerk mit einer gemeinsamen Speiseleitung verbunden sind, wobei die Soll-Belegung der relativen Amplituden der einzelnen Strahlerelemente durch den Ort des einzelnen Strahlerelements innerhalb der Strahlergruppe und durch das gewünschte Antennendiagramm festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lesespeicher für die individuelle Einstellung der steuerbaren Phasenschieber Einstellwerte gespeichert sind, die nach Massgabe der Abweichung des gemessenen Verlaufs der tatsächlichen relativen Amplituden der einzelnen Strahlerelemente von der Soll-Belegung so bemessen sind, dass die Einstellung der Phasenschieber durch eine Steuereinrichtung auf diese Einstellwerte eine Kompensation der durch die Amplitudenabweichungen hervorgerufenen Diagrammverzerrungen bewirkt. 2. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwert çn zur Steuerung der Phasen des n-ten Strahlerelements mit der gemessenen Amplitudenbelegung PA(x) in der Antennenapertur in Abhängigkeit von der parallel zum betrachteten Diagrammschnitt verlaufenden Koordinaten x und der ge wünschten Diagrammform P (#) in Abhängigkeit vom Winkel F der-- Abstrahlrichtung¯Q? über die Beziehung EMI9.1 EMI9.2 so definiert;-dass. EMI9.3 verknüpft ist, wobei x die Koordinate des n-ten Antennen n elements,.D der Durchmesser der Antennenapertur und -# der Winkel, bei dem die Abstrahlung beginnen soll, sind und die Phasenverschiebung wconst beliebig, aber für alle Strahlerelemente gleich ist. 3. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Phasenschieber zugleich noch mit der Steuereinrichtung zur elektronischen Schwenkung des Diagramms verbunden sind. 4. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Be-triebsart mit mehreren Sendefrequenzen zu jeder Sendefrequenz ein eigener Satz Einstellwerte gespeichert ist.

Inventors: PETRI, ULRICH, DR.-ING.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1982
Main classification: H01Q3
IPC codes: H01Q3