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Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennenmodul für ein
aktives Monopuls-Phased-Array-System, bestehend aus einem
Gehäuse mit einer auf einer Kühlplatte montierbaren
Bodenfläche, Strahlungsmitteln für die Aussendung sowie den
Empfang von HF-Signalen, Verbindungsmitteln für HF-Signale,
Steuersignale und Speisespannungen, und weiterhin bestehend
aus einem elektrischen Schaltkreis, eingerichtet zur
Ansteuerung mit einer einstellbaren Phase der
Strahlungsmittel.
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Unter einem Phased-Array-System wird ein System verstanden,
bestehend aus einer großen Anzahl einzelner Antennenmodule
(gewöhnlich Tausende) für das in einer Richtung Aussenden
von HF-Signalen und das in einer Richtung Detektieren von
HF-Signalen, wobei die Richtung gewählt werden kann, indem
zumindest die Phasenverschiebung der HF-Signale in allen
Antennenmodulen variiert wird. Phased-Array-Systeme werden
vorherrschend in Radaranwendungen angetroffen, sie können
jedoch auch für die Beleuchtung von verschossenen
Flugkörpern oder für Satellitenkommunikation in Betracht
gezogen werden.
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Ein Phased-Array-System für Feuerleitanwendungen wird
vorzugsweise als ein Monopulssystem ausgeführt, so daß
während der Zielverfolgung Fehlerspannnungen erzeugt
werden.
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Werden die ausgesendeten HF-Signale in den einzelnen
Antennenmodulen generiert, wobei allerdings von zentral
generierten HF-Signalen Gebrauch gemacht wird, handelt es
sich um ein aktives Phased-Array-System. Ein aktives System
bietet den Vorteil einer äußerst hohen Zuverlässigkeit.
Sogar ein Zusammenbruch von 10% der Antennenmodule wird
sich kaum auf die Leistungsfähigkeit eines aktiven Phased-
Array-Systems auswirken.
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Ein aktives Phased-Array-System ist bekanntlich von der
Anordnungsdichte her problematisch, und zwar dadurch, daß
nicht nur Module auf beschränktem Raum unterzubringen sind,
sondern außerdem Stromversorgungsmittel,
HF-Zuführungsnetzwerke usw. Wird darüber hinaus eine große
Systembandbreite verlangt und ist das Phänomen der Gitter Nebenkeulen
völlig auszuschließen, dann wird die Anordnungsdichte zu
einem ernsten Problem. Zum Erhalt einer großen
Systembandbreite müssen die Strahlungsmittel als Hohlleiter
mit einem vorzugsweise sehr breiten, rechtwinkligen offenen
Ende ausgeführt sein. Zur Vorbeugung von Nebenkeulen sind
die Strahlungsmittel mit möglichst wenig Zwischenraum und
vorzugsweise in einer gestaffelten Geometrie anzuordnen,
und zwar so, daß die gegenseitigen Abstände für alle
benachbarten Strahlungsmittel gleich sind.
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Gemäß der Erfindung wird eine verbesserte Anordnungsdichte
erreicht, mit all diesen gewünschten Eigenschaften. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlungsmittel aus einer Reihe von N Strahlern vom rechtwinkligen
offenen Hohlleitertyp bestehen, wobei N = 2,3,.., und jeder
Strahler eine Höhe h und eine Breite von zumindest im
wesentlichen 3,5 mal h aufweist, die Strahler mit
gegenseitigen Zwischenräumen von zumindest h angeordnet sind,
daß die Strahler bei Anbringung auf der Kühlplatte völlig
über die Kühlplatte hinausragen, und daß die Strahler der
auf der einen Kühlplattenseite angebrachten Module exakt
zwischen die Strahler der auf der Kühlplattengegenseite
angebrachten Module passen, um eine versetzte Reihe von
Strahlern zu erhalten.
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Von US-A 4,338,609 her ist eine Phased-Array-Antenne mit
versetzt angeordneten Hornstrahlern bekannt. Diese Phased-
Array-Antenne wird jedoch von Hohlleitern gespeist und ist
nicht vom aktiven Typ. Dies bedeutet, daß nur eine geringe
Menge an Hitze erzeugt wird, und daß die Probleme in bezug
auf Anordnungsdichte und Kühlung relativ geringfügig sind.
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Die erfindungsgemäße Geometrie der Module in Kombination
mit der Kühlplatte bietet den zusätzlichen Vorteil, daß bei
einer Stapelung von mit Modulen versehenen Kühlplatten, die
freien Enden der Strahler zumindest im wesentlichen eine
geschlossene Fläche bilden, wodurch das Phased-Array-System
verhältnismäßig unempfindlich gegenüber starken, externen
elektromagnetischen Feldern ist.
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Bei der gewählten Geometrie kann in einem Gehäuse eine
willkürliche Anzahl N Strahlungselemente angeordnet werden.
Ein günstiger Wert für N ist 4, da bei dieser Zahl
einerseits das Gehäuse für die Unterbringung des elektrischen
Schaltkreises mit den standardmäßig zugehörigen
Verbindungsmitteln groß genug ist, während sich
andererseits die Kosten eines Moduls als kleinstmögliche
Austauschbaugruppe in Grenzen halten.
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Für die gewählte Geometrie kann zwischen den benachbarten
Strahlern ungewünschte gegenseitige Kopplung auftreten.
Zwecks Reduzierung dieses Effekts, ist jeder Strahler mit
einer rechtwinkligen Irisöffnung versehen, welche zumindest
im wesentlichen mit dem freien Ende des Strahlers
zusammenfällt. In einer vorteilhaften Ausführungsform reduziert die
Irisöffnung die Breite des Strahlers auf 85%, während die
Höhe unverändert bleibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren näher ausgeführt, von denen
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Figur 1 die Antennengeometrie gemäß der Erfindung
erläutert;
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Figur 2 eine mögliche Ausführungsform eines Antennenmoduls
gemäß der Erfindung darstellt;
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Figur 3 die Anordnung des Antennenmoduls gegen eine
Kühlplatte darstellt;
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Figur 4 eine mögliche Ausführungsform einer mit
Antennenmodulen gemäß der Erfindung versehenen
Kühlplatte darstellt;
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Figur 5 die Befestigung von Strahlern auf dem Gehäuse
illustriert;
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Figur 6 die Geometrie der in jedem Strahler angeordneten
integrierten Anpaßeinheit darstellt.
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Ein aktives Monopuls-Phased-Array-System besteht
vornehmlich aus einer großen Anzahl identischer mit Strahlern
versehenen Antennemomulen, wobei die Strahler zusammen die
Antennenfläche bilden. Sowohl für den Preis als auch für
die Leistungsfähigkeit ist die Ausführung der Module vor
größter Bedeutung. Es besteht keine universelle, optimale
Lösung, die Lösung ist in hohem Maße von den an das Phased-
Array-System zu stellenden Forderungen abhängig.
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Darüber hinaus enthält ein aktives Monopuls-Phased-Array-
System Mittel auf die die Antennenmodule montiert werden
können. Diese Mittel umfassen neben den eigentlichen
Befestigungsmitteln auch Kühlmittel, ein Verteilernetzwerk
für Speisespannungen und für HF-Sendesignale. Außerdem sind
Summierungsnetzwerke vorgesehen, mit denen die von den
Modulen empfangenen Signalen zu Σ, ΔB und ΔE
Ausgangssignalen summiert werden können.
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Das Phased-Array-System, von dem das Antennenmodul gemäß
der Erfindung Teil ist, muß eine sehr große Bandbreite
aufweisen. Diese Systemforderung hat Folgen für die
Antennengeometrie als solche, für die Wahl des
Strahlertyps, den elektrischen Schaltkreis, der den Strahler
steuert und für die Summierungsnetzwerke. Diese vier
Aspekte und ihre gegenseitige Beziehung bilden das Thema
dieser Patentschrift.
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Eine im Fachgebiet bekannte Antennengeometrie zeigt Figur
1A. Hierbei ist die Antennenfläche in gleichschenkelige
Dreiecken verteilt und wurde in jedem Eckpunkt ein Strahler
angebracht. Bei einem so eingerichteten Phased-Array-
System, das Radaraussendungen mit einer Wellenlänge λ
versorgt, wird Bündelformung ohne die Bildung von im
Fachgebiet bekannten Gitter Nebenkeulen stattfinden können,
wenn die Entfernung zwischen den Strahlern nicht mehr als
λ/2 beträgt. Umgekehrt werden, wenn d die Entfernung
zwischen den Strahlern ist, Nebenkeulen entstehen können,
wenn λ < 2d. Werden zum Beispiel dielektrische Strahler
angewendet, dann kann man Antennenmodule, wie in Figur 1B
angegeben, stapeln, und zwar gemäß einer im Fachgebiet
bekannten Methode.
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Bei Anwendung eines Strahlers vom rechtwinkligen offenen
Hohlleitertyp, muß die Breite des Hohlleiters, will man die
große Bandbreite dieses Strahlertyps ausnutzen, größer als
λ/2 sein, um zu verhindern, daß der Hohlleiter in Cutoff-
Betrieb übergeht. Figur 1C zeigt eine Stapelung von
Strahlern dieses Typs, die diesen Forderungen entsprechen.
Die Breite des Strahlers ist hier 3d und die Höhe 0,5d.
Kombinieren wir die Bedingungen für das Nicht-Auftreten von
Nebenkeulen und Cutoff, dann muß λ < 2 3d und λ > 2d, was
für die Antennengeometrie in einer theoretisch möglichen
Bandbreite von beinahe 50% resultiert. Im besonderen, wenn
das Phased-Array-System mit einer kleinen Radarwellenlänge
aussendet, kann die geringe Höhe des Strahlers den Entwurf
eines Antennenmoduls einschließlich eines elektrischen
Schaltkreises, der sich in einer Linie mit dem Strahler
befindet, nahezu unmöglich machen.
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Figur 2 zeigt ein Antennenmodul, bei dem es diesen Nachteil
nicht gibt. Strahler 1, 2, 3 und 4, mit rechtwinkligen
Strahleröffnungen 5, 6, 7, 8 versehen, sind auf einem
gemeinschaftlichen Gehäuse montiert, in dem ein
elektrischer Schaltkreis für die Ansteuerung der Strahler
aufgenommen wurde. Das Gehäuse ist mit Anschlußmitteln,
gewöhnlich an der von den Strahlern abgewendeten Seite,
versehen, über die die Antennenmodule ein HF-Signal
empfangen und gegebenenfalls nach Verstärkung und
Phasendrehung zu den Strahlern weiterleiten. Von den
Strahlern aufgefangene HF-Signale werden ebenfalls,
gegebenenfalls nach Verstärkung und Phasendrehung, von dem
elektrischen Schaltkreis zu den Anschlußmitteln geleitet.
Weiterhin werden den Anschlußmitteln Speisespannungen für
den elektrischen Schaltkreis und ein Steuersignal
zugeführt, zur Einstellung der Verstärkung und
Phasendrehung der ausgesendeten und empfangenen Signale.
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Ein zusätzlicher Vorteil des Antennenmoduls gemäß der
Erfindung ist es, daß Verteilernetzwerke im Phased-Array-
System für die Verteilung von Speisespannungen,
Steuersignalen und HF-Signalen einfacher ausgeführt werden
können, während auch die Anzahl Anschlußmittel um einen
Faktor vier reduziert wurde. Die Annahme, daß ein Modul
möglichst viele Strahler enthalten müßte, um möglichst
großen Nutzen von diesem Vorteil zu haben, möge logisch
erscheinen. Dies ist jedoch nicht der Fall; aus
logistischen Gründen darf der Preis dieses austauschbaren
Bausteins nicht zu hoch und die Komplexität nicht zu groß
sein. Werden diese Faktoren berücksichtigt, dann sind vier
Strahler je Antennenmodul optimal.
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Figur 3 zeigt die Abstützung der Gehäuse 9 und 9" gegen
eine Kühlplatte 10, wobei die Strahler 4', 3', 2', 1' genau
zwischen die Strahler 1, 2, 3, 4 fallen, so daß sie sich
zur Hälfte überlappen. Man kann dann eine Anzahl mit
Antennenmodulen versehene Kühlplatten stapeln, wobei die
Strahler der aufeinanderfolgenden Kühlplatten
ineinandergreifen, wodurch die Strahler eine im wesentlichen
geschlossene Oberfläche bilden, die Antennenfläche.
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Figur 4 zeigt eine mit Antennenmodulen versehene Kühlplatte
10. Kühlplatte 10 ist an beiden Seiten mit beispielsweise
acht Antennenmodulen versehen. Kühlung erfolgt mit Hilfe
einer in der Kühlplatte angebrachten Leitung für
Kühlflüssigkeit, mit Zufuhr 11 und Abfuhr 12. Weiterhin ist die
Kühlplatte 10 mit einem zweiten Anschlußmittel 13 versehen,
über das die Module 9 unter Verwendung eines
Verteilernetzwerkes 14 mit Speisespannungen, Steuersignalen und HF-
Signalen versehen wird.
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Figur 5 zeigt in einer Seitenansicht die Integration der
Strahler 1, 2, 3, 4 mit dem Gehäuse 9. An dafür geeigneten
Stellen ist das Gehäuse mit vier vorspringenden Teilen 15
mit rechtwinkligem Querschnitt versehen, auf die die
Strahler geschoben werden können. Eine leitende Verbindung
16 wird danach zwischen den Strahlern und dem Gehäuse
hergestellt. Dies kann beispielsweise eine Lötverbindung
sein, wenn die Strahler und das Gehäuse aus lötfähigem
Material gefertigt ist, oder eine leitende Leimverbindung,
zum Beispiel mit Silberepoxyd. Eine sehr vorteilhafte
Verbindung wird erhalten, indem Strahler und Gehäuse in
eine Schablone gesetzt und die Strahler an den
vorspringenden Teilen eingekniffen werden, im besonderen in
der Nähe der Ecken. Die so erhaltene Verbindung
gewährleistet eine enge Toleranz der Positionen der Strahler
hinsichtlich der Montagefläche des Gehäuses; diese
Verbindung kann schnell zustande gebracht und auf
unbearbeitetes Aluminium angewendet werden.
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Die vorspringenden Teile 15 sind ebenfalls jeweils mit
einem Koaxialanschluß versehen, gebildet vom einer
Glasperle 17 und einem vergoldeten Stift 18, die zusammen eine
hermetische Abdichtung bilden. Über diesen Koaxialanschluß
kann der elektrische Schaltkreis dem Strahler Energie
zuführen. Dazu muß der Strahler mit Mitteln versehen sein,
die das koaxiale Feld rund um den Koaxialanschluß in das in
dem Strahler gewünschten Hohlleiterfeld umwandeln, und
welche Mittel als Kompensator für Impedanzfehlanpassungen
funktionieren. Dies wird in dem Querschnitt in Figur 6A
und Figur 6B dargestellt. Zu diesem Zweck ist der Strahler
1 mit einer integrierten Anpaßeinheit versehen, bestehend
aus einem Streifenleitungsabschnitt 19 und weiterhin
versehen mit einem vergoldeten Anschlußpunkt für Stift 18,
welcher Streifenleitungsabschnitt zusammen mit dem
angrenzenden Impedanztransformator 20 einen Übergang von
Streifenleitungsmode zu Hohlleitermode bildet, sowie mit
zusätzlichen Anpaßeinheiten 21, 22. Anpaßeinheiten dieser
Art sind an sich im Fachbereich bekannt, die Anwendung in
einem Strahler eines Phased-Array-Systems ist jedoch neu.
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Ein im Fachbereich bekanntes Problem eines Phased-Array-
Systems ist gegenseitige Kopplung, die gegenseitige
Interferenz benachbarter Strahler. Figur 6A zeigt eine
Seitenansicht und Figur 6B zeigt die Draufsicht einer Iris
23, die dieses Problem in dem Antennenmodul gemäß der
Erfindung löst. Zur Verhinderung von gegenseitige Kopplung
über eine große Bandbreite ist der Strahler am freien Ende
in der Breite auf 85% reduziert. Die Höhe des Strahlers
bleibt unverändert.
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Ein Phased-Array-System, aus Antennenmodulen gemäß der
Erfindung aufgebaut, ist relativ unempfindlich vor starken
externen elektromagnetischen Feldern. Dies ist der Tatsache
zu verdanken, daß die Strahler eine nahezu geschlossene
Oberfläche bilden, so daß elektromagnetische Felder
praktisch nicht zwischen die Strahler durchdringen können.
Außerdem haben die offenen Hohlleiterstrahler eine exakt
definierte Cutoff-Frequenz, unter der die
Hohlleiterstrahler keine Energie mehr durchlassen.
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In einem Phased-Array-System werden die Ausgangssignale
aller Module auf der Basis von drei unterschiedlichen
Gewichtungsfunktionen summiert, zum Erhalt eines
Summenkanals Σ, eines Elevationsdifferenzsignals ΔE und eines
Azimutdifferenzsignals ΔB. In diesem Fachbereich ist es
üblich, die benötigten Summierungen mit den empfangenen HF-
Signalen durchzuführen; und zwar nach Vorverstärkung und
Phasendrehung.
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Die Summierungsnetzwerke werden dann auf der Basis der HF-
Technologie entworfen; die Bandbreite der
Summierungsnetzwerke muß daher mit der für das Phased-Array-System
gewünschten Bandbreite übereinstimmen. Für ein sehr
breitbandiges Phased-Array-System, wie das vorliegende
System, ist ein solches Summierungsnetzwerk kaum
realisierbar, schon gar nicht, wenn Forderungen mit Bezug
auf Nebenkeulen in den Differenzkanälen ΔE und ΔB gestellt
werden. Im Hinblick darauf wurden in dem vorliegenden
Phased-Array-System Summierungsnetzwerke angewendet, die
mit einer günstigen Zwischenfrequenz arbeiten, zum Beispiel
100 MHz. Summierungsnetzwerke können in dem Falle als
einfache Widerstandsnetzwerke ausgeführt werden. Die
Antennenmodule müssen dann die empfangenen HF-Signale in
diese Zwischenfrequenz umwandeln. Im Hinblick auf die große
Systembandbreite ist ein Einbereichsüberlagerungsempfänger
in diesem Fall eine gute Lösung. Der Nachteil eines
Einbereichsüberlagerungsempfängers ist jedoch, daß eine
effektive Unterdrückung der Spiegelfrequenz kaum
realisierbar ist, was jedenfalls allgemein vom Radarfachmann
angenommen wird. In dem Antennenmodul gemäß der Erfindung
wird die Frequenzumwandlung mit Hilfe eines herkömmlichen
Spiegelfrequenzunterdrückungsmischers realisiert, dessen
Spiegelfrequenzunterdrückung vergrößert wurde, indem ein
monolithischer, integrierter Mikrowellenschaltkreis in
GaAs-Technologie angewendet wurde. Weiterhin wird eine
äußerst signifikante Verbesserung der
Spiegelfrequenzunterdrückung erreicht, da die von den verschiedenen
Modulen stammenden Spiegelsignale, im Gegensatz zu den
eigentlichen Signalen, keine korrelierte Phase besitzen, so
daß die Summierungsnetzwerke einen
spiegelfrequenzunterdrückenden Effekt haben. Die Spiegelfrequenzunterdrückung
kann zum Beispiel für ein System mit 1.000 Modulen um 30 dB
verbessert werden, im Vergleich zur
Spiegelfrequenzunterdrückung eines einzelnen Moduls. Der
Spiegelfrequenzunterdrückungsmischer muß in dem Falle so ausgeführt sein, daß
das Spiegelfrequenzsignal, von Signal zu Signal gemessen,
zumindest im wesentlichen eine Zufallsverteilung aufweist.
Dies bedeutet, daß systematische Fehler in den
Durchgangsnetzwerken, die Teil des
Spiegelfrequenzunterdrückungsmischers sind, vermieden werden müssen.