PHASED-ARRAY ANTENNA WITH ELECTRONIC CONTROL

Abstract: The systematic addition of the radiation components produced by the individual radiating elements (6) arranged in columns and lines, in the quantisation and grating lobe region, is prevented in the vertical plane by a statistical vertical shift of the columns with effect to one another, and/or is prevented in the horizontal plane by a statistical horizontal shift of the lines with respect to one another. In this arrangement, a phase correction must be carried out on the individual columns and lines such that the signals of the individual columns and lines add in the respectively directed main-beam direction. The invention is suitable, for example, as a means of reducing side-lobes in phased-array radar antennas. <IMAGE>

Description: Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne mit in horizontalen Zeilen und in vertikalen Spalten angeordneten Strahlerelementen, die zur Erzeugung einer einstellbaren Hauptstrahlauslenkung über einstellbar ausgebildete, digitale Phasenschieber gespeist werden, wobei jeweils ein Phasenscnieoer einem oder mehreren der Strahlerelemente zugeordnet ist. Jedes einzelne Strahlerelement einer phasengesteuerten Gruppenantenne wir in der Regel über einen eigenen Phasenschieber gespeist. Zum Zwecke der Kostenredu zieren können jedoch auch mehrere Strahler zugleich von einem Phasenschieber angesteuert werden. Da die üblichen Phasenschieber eine digitale Wirkungsweise aufweisen, d.h. nur Phasenwerte von beispielsweise k . 450 () bit), k 22,5 (4 bit) usw. einstellen können, entstehen neben der gewünschten Phasenprogression über der Antennenapertur sogenannte Quantiserungsfehler, die zu einer Erhöhung des Nebensipfelpegels im Antennendiagramm führen. Für den Fall der Einsparung von Phasenschiebern, z.B. wenn zwei benachbarte Strahlerelemente von einem einzigen Phasenschieber bedient werden und damit gleichphasig sind, entstehen grosse Phasensprünge in einem weiteren Abstand, z.B. dem doppelten Strahlerelementabstand. Diese Phasensprünge bei grossen Abständen erzeugen Nebenzipfel in Form von sogenannten Rasterkeulen (Grating Lobes), die sich bei grösseren Auslenkwinkeln der Hauptkeule als sekundäre Hauptkeulen auswirken. Die üblichen Anordnungen der Strahlerelemente phasengesteuerter Gruppenantennen beruhen auf einem Rechteck- oder Dreieckgitter. Die dadurch verursachten geschilderten Nebenzipfeleffekte werden dabei nicht vermindert. Eine bekannte Methode zur Reduzierung der Quantisierung ssprünge und damit der störenden Nebenzipfel besteht in der Einfügung einer konstanten Phasenverschiebung im Zuführungsweg zu jedem Strahlerelement. Der zusätzlich eingefügte Phasenwert unterscheidet sich von Strahlerelement zu Strahlerelement um Beträge, die zu der Bitgrcss2 in keinem Verhältnis stehen. Diese addierte Phasenverschiebung wird dann im Steuerweg zu den Phasenschiebern wieder sustra- hiert Diese Methode ist jedoch nur bei leitungsgespeisten phasengesteuerten Gruppenantennen möglich. Bei optisch gespeisten phasengesteuerten Gruppenan- tennen kann eine Reduzierung der Quentisierungssprünge nur durch aufwendigere, feiner gestufte Phasenschieber mit höherer Bit-Zahl erzielt werden. Die Bedienung zweier oder noch mehr Strahl durch einen Phasen- schieber und damit eie Kostenreduzierung ist bei nur für sehr kleine Auslenkwinke möglich, d.h. für die meisten praktischen Fälle nicht anwendbar. In diesem Zusammenhang wird auf das Buch von M. Skolnik "Introduction to Radar Systems, Mac Graw-Hill International Book Comp., 1981, Seiten 321 und 322, hingewiesen. Aufgabe der Erfindung ist es, für elektronisch phasengesteuerte Gruppenantennen der eingangs genannten Art eine weniger aufwendige Möglichkeit zur Verringerung oder gar Vermeidung der erwähnten Quantisierungsfeh ler anzugeben, so dass sich als Folge davon ein erheblich besseres Nebenzipfelverhalten der Antenne ergibt. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Verbesserung des Horizontaldiagramms die Strahlerelement-Zeilen in Horizontalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind so dass die gedachten Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von oben nach unten untereinander liegenden Strahlerelementen nicht mehr vertikale Spaltenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmässige Zick-Zack-Linien sind, und dass an den einzelnen Ze'= jeweils eine Phasenkorrektur für aje sich in der jeweiligen Zeile befindenden Strahlerelemente derart vorgenommen ist, dass sich die Signale der einzelnen Zeilen in der jeweiligen ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren. Zur Verbesserung des Vertikaldiagramms werden gemäss der Erfindung die Strahlerelement-Spalten in Vertikalrichtung statistisch gegeneinander verschoben, so dass die gedochten Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von links nach rechts nebeneinander liegenen Strahlerelementen nicht mehr horizontale Zeilenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmässige Zick-Zack-Linien sind. Ausserdem w,rd hierbei an den einzelnen Spalten jeweils eine Phasenkorrektur für alle sich in der jeweiligen Spaltebefindenden Strahlerelemente derart vorgenommen, dass sich die Signale der einzelnen Spalten in der jeweiligen ausgelenktehn Hauptstrahlrichtung addieren. Die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen herrührenden Strahlungsanteile im Quantisierungs- und Rasterkeulen-Bereich wid somit in der vertikalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Spalten gegeneinander und/oder in der horizontalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Zeilen gegeneinander verhindert. Dabei muss an den einzelnen Spalten bzw. Zeilen eine Phasenkorrektur derart eingeführt werden, dass sich die Signale der einzelnen Spalten bzw. Zeilen in der jeweiligen n ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren. Die Korrektur in einer Spalte bzw. Zeile ist abhängig von ihrem jeweiligen Versatz und wird für die weit von der Haupt- strahlrichtung entfernte Rasterkeulen-Richtung prak- tisch unwirksam, so dass sich die Signale in cieser Richtung mit statistischen Phasen überlagern und sich damit weitgehend auslöschen. Die Phasenkorrektur an der Spalte bzw Zeile kann einfach in einem Rechner eingestellt werden. Der statistische Versatz der Spalten bzw. Zeilen muss so gross gewählt sein, dass die sich überlagernden Rasterkeulen-Phasen der Spaltenbzw. Zeilensignale für den betrachtenden Rasterkeulen- Winkel alle Werte zwischen Co und 3600 oder darüber hinaus annehmen können. Die Unterdrückung der Quantisierungs- und Rasterkeulen-Nebenzipfel kann - wie beraits erwähnt - in beiden Ebenen durchgeführt werden. Die statistische vertikale Verschiebung der Spalten macht die Zeilen zu einer statistischen Zick-Zack-Linie und verbessert das Vertikaldiagramm. Die statistische horizontale. Verschiebung der Zeilen macht die Spalten zu statistischen Zick-Zack-Linien und verbessert das Horizontaldiagramm. Prinzipiell kann auch nach einer Spalten- bzw. Zeilenverschiebung die zick-zack-förmige Zeile bzw. Spalte zusätzlich in der vertikalen bzw. horizontalen Ebene statistisch verschoben werden. Dadurch werden die Nebenzipfel in beiden Ebenen reduziert. Allerdings ist das dann ganz unregelmässige Strahlerelementeraster konstruktiv schwieriger realisierbar und damit kostenaufwendiger. Als Hauptanwendungsfall lässt sich die Verbesserung in einer Ebene ansehen, z.B. bei der vollen Phasenschieberzahl in der horizontalen Ebene zur Reduzierung der Quantisierungsnebenzipfel, oder z.B. bei der halben Phasenschieberanzahl, wobei jeweils zwei übereinander liegende Strahlerelemente von einem einzigen rhasen- schieber bedient werden, zur Reduzierung der Raster- keulen in der vertikalen Ebene. Die Erfindung wird im folgenden anhand von 10 Figuren erläutert. Es zeigen Fig. 1 vetschiewene Strahlerelemente-Anordnungen in der Apertur einer phasengesteuerten Gruppenan tenne, Fig. 2 bis 4 Strahlerelemente in einer Rechteckanord- nung mit identischen Spalten, in einer Drei ecksanordnung mit zweierlei Spalten und in einer beliebigen Anordnung mit statistisch verschobenen Spalten, wobei jeweils links davon die Phasenbelegung dargestellt ist, Fig. 5 bis 10 Richtdiagrammbeispiele einer regel mässigen Dreiecks-Anordnung bei einer Haupt strahlauslenkung von Co (Fig. 5), von 100 (Fig. 7) und 200 (Fig. 9) im Vergleich mit einer Strahlerelemente-Anordnung, deren Spal ten zueinander statistisch verschoben sind, bei entsprechenden Hauptstrahlauslenkungen (Fig. 6, 8, 10). Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht die ovale Apertur 1 einer phasengesteuerten Gruppenantenne. In vier Bereichen 2, 3, 4 und 5 sind vier mögliche Anordnungen von Strahlerelementen 6 in der Antennenapertur 1 dargestellt. Im Abschnitt 2 der Apertur 1 sind die Strahlerelemente 6 in einem sogenannten Rechteckgitter angeordnet. Im Abschnitt 3 der Antennenapertur 1 befinden sich die Strahlerelemente 6 in einer regelmässigen Dreiecks-Gitterkonfiguration. Die in den Abschnitten 2 und 3 dargestellten Anordnungen der Strah- lerelemente 6 sind diejenigen, die bei phasengesteuerten Gruppenantennen üblich sind. Die Dreiecksanord- nung entsprechend dem Abschnitt 3 bringt bei Halbie rung der Phasenschieberzahl kaum eine Reduzierung der Rasterkeulen. Die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen 6 herrührenden Strahlungsanteile im Quantisierungs- und Rasterkeu1erbreich wird in der vertikalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Spalten gegeneinander verhindert, so wie dies im Abschnitt 4 der Strahlungsapertur 1 der Fall ist. Die statistische vertikale Verschiebung der Spalten macht die zeilen zu statistisch verlaufen- den, unregelmässigen Zick-Zack-Linien 7 und verbessert das Vertikaldiagramm. In der Horizontalebene wird die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen 6 herrührenden Strahlungsanteile im Quantisierungs- und Rasterkeulen-Bereich durch eine statistische Verschiebung der Zeilen gegeneinander verhindert, so wie dies im Abschnitt 5 der Antennenapertur 1 der Fall ist. Die statistische horizontale Verschiebung der Zeilen macht die @ Spalten zu sta- tistisch verlaufenden, unregelmässigen Zick-Zack Linien 8 und verbessert das Horizontaldiagramm. An den einzelnen Spalten bzw. Zeilen muss eine Phasen korrektur derart eingeführt werden, dass sich die Signale der einzelnen Spalten (Abschnitt 4) bzw. Zeilen (Abschnitt 5) in der jeweiligen ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren. Die Korrektur in einer Spalte bzw. Zeile ist abhängig von ihrem jeweiligen Versatz und ist für die weit von der Hauptstrahlrichtung entfernte Rasterkeulen-Richtung praktisch unwirksam, so dass sich die Signale in dieser Richtung mit statistischen Phasen überlagern und sich damit weitgehend auslöschen. Der statistische Versatz der Spalten (Abschnitt 4) bzw. Zeilen (Abschnitt 5) muss dabei so gross sein, dass die sich überlagernden Rasterkeulen-Phasen der Spalten- bzw. Zeilensignale für den betrachteten Rasterkeulen-Winkel 'le Werte zwischen Co und 3600 oder darüber hinaus annehmen können. Fig. 2 zeigt Strahlerelemente 6 in einer Rechteckgit- teranordnung. Dies bedeutet, dass alle Spalten S1 bis Sn von links nach rechts identisch sind. Die Phasenbelegung einer solchen Rechteckgitteranordnung bei Ansteuerung von zwei übereinander liegenden Strahlerelementen durch einen Phasenschieber ist in Fig. 2 links dargestellt. Daraus ist zu entnehmen, dass die Phasenstufen der Spalten S1 bis 5n bei der Rechts eckgitteranordnung für alle Spalten an derselben Stelle auftreten. Fig. 3 zeigt die Strahlerelemente 6 einer phasengesteuerten Gruppenantenne in einer Dreiecksgitteranordnung. Es sind somit zweierlei Spaltenarten vorhanden, die sich jeweils abwechseln, d.h. die Spalten Si > S3, S5 ... sind in sich gleich und ebenso in sich de Spalten S3, S4, ... . Auch in Fig. 3 ist links von der Strahlerelementeanordnung eine Phasenbelegung dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Phasenstufen bei der Dreiecksgitteranordnung an zwei festen Stellen auftreten. Die Phasensprünge für die geradzahligen Spalten S2, S4, ... sind mit durchgezogenen Horizontallinien dargestellt, wogegen die Phasensprünge für die ungeradzahligen Spalten S1, S3, S5, ... gestrichelt sind. Fig. 4 zeigt die Strahlerelemente 6 einer phasengesteuerten Gruppenantenne in einer Gitteranordnung, in welcher die Spalten zueinander in vertikaler Richtung statistisch verschoben sind. Auch hier ist links von der Strahlerelementeanordnung die Phasenbelegung für die verschiedenen Spalten dargestellt. Es geht daraus hervor, dass die Phasenstufen der Spalten S1 bis Sn nicht wie bei der Rechteckgitteranordnung nach Fig. 2 für alle Spalten an derselben Stelle oder wie bei der Dreiecksgitteranordnung nach Fig. 3 an zwei festen Stellen auftreten. Vielmehr sind die Phasenstufen statistisch verteilt, so dass, über die Apertur gesehen, der stufenförmige Charakter der Phasenfront "aufgebrochen" ist und sich keine systematischen Additionen von Signalen im Nebenzipfelbereich ergeben. Die Phasenstufen für die Spalte S1 sind mit durchgezogenen torizontalliniEn, für die Spalte S2 mit gestrichelten Horizontallinien, für die Spalte S3 mit eng gepunkteten Horizontallinien, für die Spalte S4 mit weiter auseinander gepunkteten Horizontallinien und für die Spalte 55 mit strichpunktierten Horizontallinien dargestellt. Die Fig. 5 bis 10 zeigen Richtdiagramme in der vertikalen Ebene, die auf Berechnungsbeispielen zur Darstellung der Auswirkung der statistischen Spalten verschiebung bei Speisung jeweils zweier übereinander liegender Strahlerelemente über einen einzigen Phasenschieber basieren. Verglichen werden die Richtdia gramme (Fig. 5, 7, 9) häufig verwendeter Dreiecksgitteranordnungen mit den Richtdiagrammen (Fig. 6, 3, 10) einer Gitteranordnung, in der die Spalten in Ve-tikalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind. Die Dreiecksgitteranordnung wird hierbei auch als repräsentativ für die Rechtecksgitteranordnung betrachtet, da deren nebenzipfelreduzierende Wirkung ähnlich gering ist. Die gerechneten Anordnungen umfassen etwa 2C Spalten mit maximal 36 Strahlerelementen, d.h. 18 Phasenschie- ber pro Spalte. Zum horizontalen Rand in werden die Spalten, entsprechend der ovalen Umrandung der Apertur nach Fig. 1 niedriger und damit die auf einer Spalte liegenden Strahlerelemente weniger. Das Prinzip und damit die Verbesserungsmöglichkeit ist jedoch unab gängig von der Aperturumrandung. Fig. 5 und 6 zeigen untereinander zwei Antennen-Richt- diagramme bei einer Hauptstrahlauslenkung von .00, wobei Fig. 5 für eine DreiecksgitteranorcLung und Fig. 6 für die Strahlereiementeanordnung mit statistischer Spaltenverschiebung gilt. Fig. 7 und 8 zeigen ebenfalls untereinander Richtdiagramme, allerdings bei einer Hauptstrahlauslenkung von 10 , wobei Fig. 7 eine Strahlerelementeanordnung in einer regelmässigen Dreiecksgitterkonfiguration und Fig. 8 eine solche mit statistischer Spaltenverschiebung betrifft. Fig. 9 und 10 zeigen schliesslich untereinander Richtdiagramme bei einer Hauptstrahlauslenkung von 200, wobei sich Fig. 9 auf die Dreiecksgitteranordnung und Fig. 10 auf die Strahlerelementeanordnung mit statistischer Spaltenverschiebung bezieht. Die Figuren 5 bis 10 zeigen, dass bei der regelmässigen Dreiecksgitteranordnung im hauptstrahlrichtungsfernen Bereich bei einer Hauptstrahlauslenkung, für welche die grossen Phasensprünge zwischen dem gleichphasigen Strahlerelementepaar und ihren Nachbarn notwendig sind, grosse Rasterkeulen entstehen, die bei grösseren Auslenkwinkeln die Höhe der Hauptkeule erreichen Durch die statistische Verschiebung werden diese grossen Nebenzipfel des hauptstrahlrichtungsfernen Bereichs um etwa 15 dB reduziert. Die Nebenzipfel im hauptstrahlrichtungsnahen Bereich werden zum Teil geringfügig reduziert und bleiben im Bereich um - 30 dB. Die nebenzipfelreduzierende Wirkung steigt mit der Spaltenzahl. Die Wirkung lässt sich somit folgendermassen zusammenfassen. Aus den angeführten Ergebnissen geht hervor, dass die hohen Nebenzipfel bei Auslenkwinkeln, die von der wirtschaftlichen Massn2bme einer Phasenschie?o er- halbierung, d.h. ein Phasenschieber bedient jeweils zwei übereinander liegende Strahlerelemente, verursacht werden, durch die statistische Spaltenverschie- bung beispielsweise innerhalb eines AuslenRbereiches von + 300 vermieden werden kön-'.en. Dieser Auslenkbe- reich in der vertikalen Ebene ist für. die meisten Am- wendungen ausreichend, da eine Abtastung unterhalb des Horizonts und im Zenitbereich ohnehin nicht sinnvoll ist. In der horizontalen Ebene, für welche die Forderung nach niedrigen Nebenzipfeln aus ECCM (Electronic Counter Conter Measure = Elektronische Gegengegenmassnahme)-Gründen eine noch grössere Bedeutung hat, sollte eine Ansteuerung zweier nebeneinander liegender Strahler durch nur einen Phasenschieber nicht vorgenommen werden. Durch statistische Versche- bung der voll mit Phasenschiebern belegten Zeilen kann jedoch auch der durch die Quantisierungsstufen von Strahlerelement zu Strahlerelement verursachte Nebenzipfelpegel reduziert werden. 3 Patentansprüche lo Figuren

Claims: Phased-array antenna with electronic control, comprising radiator elements, arranged in horizontal rows and in vertical columns, which are fed via adjustably constructed digital phase shifters for generating an adjustable main beam deflection, one phase shifter in each case being allocated to one or several of the radiator elements, characterised in that in order to improve the horizontal pattern, the radiator element rows are statistically shifted with respect to one another in the horizontal direction so that the imagined connecting lines between the radiator elements (6) in each case located underneath one another in order from top to bottom are no longer vertical column lines but statistically varying, irregular zig-zag lines (8), and in that in each case a phase correction is performed on the individual rows for all radiator elements located in the respective row in such a manner that the signals of the individual rows add together in the respective deflected main beam direction. Phased-array antenna with electronic control, comprising radiator elements, arranged in horizontal rows and in vertical columns, which are fed via adjustably constructed digital phase shifters for generating an adjustable main beam deflection, one phase shifter in each case being allocated to one or several of the radiator elements, characterised in that, in order to improve the vertical pattern, the radiator element columns are statistically shifted with respect to one another in the vertical direction so that the imagined connecting lines between the radiator elements (6) in each case located next to one another in order from left to right are no longer horizontal row lines but statistically varying, irregular zig-zag lines (7), and in that in each case a phase correction is performed on the individual columns for all radiator elements located in the respective column in such a manner that the signals of the individual columns add together in the respective deflected main beam direction. Phased-array antenna according to Claims 1 and 2, characterised by the combination of the measures specified in Claims 1 and 2.

Inventors: BRUNNER, ANTON, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: H01Q3
IPC codes: H01Q21, H01Q3