NL9500580A - Phased array antenne voorzien van een calibratienetwerk. - Google Patents

Description

Phased array antenne voorzien van een calibratienetwerk

De uitvinding heeft betrekking op een phased array antenne, omvattende een array van golfpijpstralers en een daarop aangesloten voedingsnetwerk en tevens omvattende een calibratienetwerk voor het calibreren van het voedingsnetwerk.

Een phased array antenne van dit type is bekend uit het europese octrooischrift EP-B 0.110.260. Hierin wordt een impulsradarapparaat beschreven omvattende een coherente zend- en ontvangsteenheid waaronder begrepen een zender, een zendantenne, een aantal ontvangstantennes met daarop aangesloten coherent werkende ontvangers, welke ontvangers geschikt zijn om echo signalen om te zetten in video-signaalparen van kwadratuurcomponenten door middel van fasecoherente detectie, alsmede een beamformer, waarbij de zender geschikt is voor het uitzenden van testsignalen in een testfase. De testsignalen worden hierbij in de ontvangerkanalen geïnjecteerd. Uit de door de ontvangers gegenereerde videosignalen worden tijdens de testfase amplitude en fasecorrectiesignalen bepaald, welke representatief zijn voor de amplitude en fasefouten welke door de ontvangers worden geïntroduceerd. De noodzaak voor het voorzien in een calibratie- of testnetwerk is gelegen in het feit dat verschillen in gain en fase van de ontvangers een gewenste zijlusreductie kunnen verstoren. De bekende phased array antenne heeft het nadeel dat het testsignaal direct in de ontvangerkanalen wordt geïnjecteerd. Hierdoor worden fasefouten en amplitudefouten welke voorbij de ontvangerkanalen worden gegenereerd, bijvoorbeeld in de verbinding tussen ontvanger en golfpijpstralers en in een transformatorelement dat doorgaans in de golfpijpstralers is aangebracht, niet in de testprocedure meegenomen en wordt hiervoor dus niet gecompenseerd. Men zou dit kunnen oplossen door het testsignaal te injecteren met behulp van een aparte feedhorn, welke voor de antenne kan worden geplaatst. Hiervan is het nadeel dat dan tevens gecompenseerd moet worden voor fouten die ontstaan doordat de afstand tussen de feedhorn en een golfpijpstraler per golfpijpstraler verschilt. De phased array antenne volgens de uitvinding beoogt een oplossing te bieden voor dit probleem door het testsignaal direct in althans nagenoeg alle golfpijp-stralers te injecteren. Het voordeel hiervan is dat fase-en amplitudefouten welke ontstaan in de golfpijpstralers eveneens worden meegewogen. Zij heeft daartoe het kenmerk, dat althans nagenoeg alle golfpijpstralers een inkoppeling omvatten welke is aangesloten op het calibratienetwerk.

Bij phased array antennes voorzien van golfpijpstralers omvat het voedingsnetwerk doorgaans per golfpijpstraler of per groep van golfpijpstralers een T/R module. Hierdoor is er aan de ingang weinig ruimte meer beschikbaar om een inkoppeling aan te brengen voor aansluiting op het calibratienetwerk. Aan de uitgang van een golfpijpstraler is eveneens geen ruimte beschikbaar voor het aanbrengen van een inkoppeling, daar de uitgang vrij moet zijn van obstakels teneinde een ongestoorde uitstraling van stralingsenergie te kunnen bewerkstelligen. Een bijzonder uitvoeringsvorm biedt een oplossing voor het bovengeschetste probleem en heeft daartoe het kenmerk, dat de inkoppeling aan een zijwand van de golfpijpstralers is aangebracht.

Aan het calibratienetwerk wordt de eis gesteld dat het een verliesarme doorvoer van microgolfenergie bewerkstelligt. Doorgaans wordt hiertoe gebruik gemaakt van een striplijn-netwerk, waarbij bij doorgaans Duroïd wordt gebruikt als diëlectricum. Een op deze wijze uitgevoerd netwerk is echter zeer duur. Een gunstige uitvoeringsvorm van de phased array antenne volgens de uitvinding beoogt een veel goedkopere realisatie van het calibratienetwerk en heeft daartoe het kenmerk, dat het calibratienetwerk tenminste een golfpijp omvat.

Indien het calibratienetwerk in de vorm van een golfpijp tussen de golfpijpstralers wordt aangebracht, waardoor deze aansluit aan de zijwanden van de golfpijpstralers, dan dient men ervoor te zorgen dat de afstand tussen rijen van golfpijpstralers zo klein mogelijk blijft, ondanks de aanwezigheid van de golfpijp. Dit kan worden bewerkstelligd door de gofpijp met zijn breedste zijwand aan te laten sluiten aan de golfpijpstralers, zodat de afstand tussen rijen van golfpijpstralers wordt vastgelegd door de smalste zijwand van de golfpijp. Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft derhalve het kenmerk, dat de golfpijp met de breedste zijwand aansluit aan de breedste zijwanden van de golfpijpstralers.

De uitvoeringsvorm waarbij het calibratienetwerk tenminste een golfpijp omvat kan nu verder worden uitgebouwd tot een stelsel van golfpijpen dat een aantal op rij geplaatste golfpijpstralers overspant, waarbij per golfpijpstraler een verbinding tussen de golfpijp en de desbetreffende golfpi jpstraler is aangebracht. Per naast elkaar aangebrachte rij van golfpijpstralers kan nu worden voorzien in bij voorkeur één golfpijp, welke daartoe dwars op de overeenkomende rij golfpijpstralers is aangebracht. Derhalve heeft een verder gunstige uitvoeringsvorm het kenmerk, dat de tenminste een golfpijp althans in hoofdzaak dwars op de golfpijpstralers is aangebracht.

Van de laatstgenoemde uitvoeringsvorm kan nu worden geprofiteerd, door de inkoppeling per golfpijpstraler te realiseren als een verbinding tussen de golfpijp en de desbetreffende golfpijpstraler. Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe het kenmerk, dat de inkoppeling per golfpijpstraler een verbinding tussen de golfpijpstraler en de golfpijp omvat.

De verbinding tussen golfpijpstraler en golfpijp van het calibratienetwerk kan nu op eenvoudige en doeltreffende wijze worden gerealiseerd door middel van een of meerdere openingen in de zijwand van de golfpijp en de golfpijpstraler. Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft derhalve het kenmerk, dat de verbinding tenminste een opening in de zijwand van de golfpijpstraler en een zijwand van de golfpijp omvat, welke openingen met elkaar corresponderen.

Bij het aanbrengen van een testpuls kan het van belang zijn dat geen energie van de testpuls aan de uitgaande zijde van de antenne wordt uitgestraald, bijvoorbeeld in het geval dat radarstilte gewenst is, terwijl men toch wil calibreren. Dit kan worden bewerkstelligd door de inkoppeling een richtkoppeling te laten omvatten, welke in hoofdzaak energie in de richting van het voedingsnetwerk inkoppelt. Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft derhalve het kenmerk, dat de inkoppeling per golfpijpstraler een richtkoppeling omvat met een richting-gevoeligheid in hoofdzaak in de richting van het voedingsnetwerk.

Indien het calibratienetwerk een of meerdere golfpijpen omvat en per golfpijpstraler een verbinding met de overeenkomende golfpijp bestaat, dan is het voordelig om de ingekoppelde energie van een testsignaal zo laag mogelijk te houden, zodat nog voldoende energie voor verder gelegen golfpijpstralers voorhanden is. Het is daarbij gewenst dat per golfpijpstraler in hoofdzaak eenzelfde hoeveelheid energie wordt ingekoppeld. Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe het kenmerk, dat de verbinding een signaalverzwakking van -35dB tot -45dB realiseert.

Door nu een aantal rijen van golfpijpstralers te voorzien van een calibratienetwerk in de vorm van een golfpijp, kunnen meerdere golfpijpen aan elkaar worden gekoppeld, bijvoorbeeld door toepassing van bochtstukken van in hoofdzaak 180 graden aan het einde van een golfpijp behorende bij een rij golfpijpstralers, welke de uitgang van de daarbij behorende golfpijp verbindt met de ingang van een daaraan parallel lopende golfpijp, behorende bij een volgende rij golfpijpstralers. Op deze wijze wordt het calibratienetwerk doorgelust en kan worden volstaan met één enkele voedingsbron voor het aanbrengen van een testsignaal aan de ingang van het calibratienetwerk. Een gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe het kenmerk, dat de ten minste een golfpijp een aantal golfpijpen omvat, waarbij een uitgang van een golfpijp is verbonden met een ingang van een andere golfpijp.

Door nu het calibratienetwerk in de vorm van ten minste een golfpijp aan de ingang te verbinden met een signaal-generator van voldoende sterkte, waarbij per golfpijp-straler slechts relatief weinig microgolfenergie wordt ingekoppeld, wordt een gelijkmatige verdeling van microgolfenergie over de golfpijpstralers verkregen. Op deze wijze zal aan de uitgang van het calibratienetwerk, voorbij de aangesloten golfpijpstralers, nog een zekere hoeveelheid microgolfenergie voorhanden zijn, welke kan worden opgevangen door een matched load. Een gunstige uitvoeringsvorm heeft derhalve het kenmerk, dat de ten minste een golfpijp aan een uiteinde is aangesloten op een calibratiesignaalgenerator en aan een ander uiteinde is voorzien van een matched load.

De phased array antenne volgens de uitvinding zal nu nader worden uiteengezet aan de hand van de bijgevoegde figuren, waarbij: fig. 1 een array van golfpijpstralers volgens een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding voorstelt; fig. 2A een vooraanzicht van een golfpijpstraler volgens de eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding voorstelt; fig. 2B een zijaanzicht van een golfpijpstraler volgens de eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding voorstelt; fig. 3 een array van golfpijpstralers volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding voorstelt; fig. 4 een exploded view van een mogelijke wijze van bevestigen van een golfpijpstraler aan de golfpijp van het calibratienetwerk voorstelt.

In fig. 1 is een array van golfpijpstralers 1, voorzien van een calibratienetwerk overeenkomstig een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding vanaf de voorzijde weergegeven. De golfpijpstralers zijn gerangschikt in een bovenste 2, middelste 3 en onderste 4 rij. In de uitvoeringsvorm volgens het voorbeeld zijn slechts drie rijen afgebeeld, maar in de praktijk zal het aantal rijen veel meer bedragen, in de orde van tientallen. Dienovereenkomstig zal het aantal golfpijpstralers per rij eveneens enige tientallen bedragen. De golfpijpstralers zijn per rij over een halve afstand tussen de hartlijnen van twee golfpijpstralers verschoven ten opzichte van een rij aan weerskanten. Hierdoor wordt een gunstig antennediagram met lage zijlussen verkregen. Strikt noodzakelijk is dit echter niet. Aan de voorzijde zal doorgaans worden voorzien in een op zich bekende irisplaat om overspraak van een golfpijpstraler naar een andere golfpijpstraler te voorkomen. In het voorbeeld is de irisplaat niet afgebeeld. De golfpijpstralers worden aan de achterzijde 5 doorgaans verbonden met een backplane, welke eveneens niet is afgebeeld. De backplane dient hierbij voor de stevigheid van de antenne en voor het electrisch verbinden van de golfpijpstralers met hun overeenkomstige T/R (Transmit/Receive-) modules. Om te compenseren voor fasefouten en amplitude fouten welke per T/R module kunnen ontstaan, doorgaans door fabricage-onnauwkeurigheden of temperatuurverloop, worden per T/R module correctiefactoren berekend, welke worden gebruikt bij de aansturing van de desbetreffende T/R module. Daartoe wordt iedere afzonderlijke T/R module op gezette tijden voorzien van een testsignaal, waarvan de fase en amplitude bekend zijn. Teneinde de T/R modules te voorzien van een dergelijk testsignaal zou bijvoorbeeld kunnen worden voorzien in een calibratienetwerk, welke tussen de backplane en de T/R modules is aangebracht. Dit heeft een aantal nadelen. Ten eerste dient daartoe een tussenruimte tussen de T/R modules en de backplane te worden gecreëerd, waartussen het calibratienetwerk kan worden aangebracht.

Ter overbrugging van de tussenruimte dient dan per golf-pijpstraler een verbindingsleiding met zijn T/R module te worden aangebracht, welke verliezen met zich meebrengt. Ten tweede worden op deze wijze fase- en amplitudefouten welke voorbij de backplane ontstaan niet meegenomen in de correctieprocedure. In de uitvoeringsvorm volgens het voorbeeld omvat het calibratienetwerk een aantal golfpijpen 6, 7, 8, welke langs de breedste zijwanden van de golfpijpstralers zijn aangebracht. Per golfpijpstraler is voorzien in een inkoppeling 9 in de vorm van een gat, welke slechts voor een golfpijpstraler in de figuur is aangegeven. De inkoppeling is bij voorkeur uitgevoerd als een op het vakgebied bekende richtkoppeling, waarbij in hoofdzaak in de richting van de backplane wordt ingekoppeld. Richt-koppelingen kunnen bijvoorbeeld worden uitgevoerd in de vorm van twee diagonaal geplaaste gaten in de rechthoek gevormd door de overlapping van de golfpijp en een golfpijpstraler. Slechts die golfpijpstralers waarvoor men een calibratie wil uit kunnen voeren behoeven te worden voorzien van een inkoppeling. Doorgaans is dit het geval voor alle golfpijpstralers, doch noodzakelijk is dit niet. Het is ook hogelijk meerdere gaten aan te brengen per golfpijpstraler. De golfpijpen 6, 7, 8 zijn met elkaar verbonden met behulp van bochtstukken 10, 11 aan hun uiteinden, welke kunnen worden bevestigd door middel van flenzen 12. Hierdoor kan het stelsel van golfpijpen worden voorzien van een enkel testsignaal. Aan het begin wordt het stelsel van golfpijpen via een bochtstuk 13 afgebogen naar de backplane, zodat de backplane tevens gebruikt kan worden voor het voorzien in een testsignaal. Aan het einde 14 van het stelsel van golfpijpen wordt bij voorkeur voorzien in een niet aangegeven matched load, teneinde reflecties van testsignalen te vermijden. Het is uiteraard ook mogelijk om per rij stralingselementen een golfpijp apart te voorzien van een testsignaal en een matched load. De bochtstukken 10, 11 worden dan achterwege gelaten. Voor het geval dat een testsignaalgenerator uitvalt, kunnen de overige rijen dan nog steeds van een testsignaal worden voorzien. De golfpijpstralers bestaan in het uitvoeringsvoorbeeld uit pijpvormige elementen, welke ter plaatse van de golfpijp zijn ontdaan van hun onderste zijwand. De onderste zijwand wordt alhier gevormd door de bovenkant 15 van de golfpijp. Het voordeel hiervan is dat slechts in de golfpijp één of meerdere gaten behoeven te worden geboord.

In fig. 2A en fig. 2B is een golfpijpstraler 1 vergroot weergegeven. De golfpijpstraler bezit een kokerprofiel. Ter plaatse van de golfpijp 6 heeft deze echter een omgekeerde U-vorm, doordat de onderste zijwand alhier is weggenomen. Achter de golfpijp loopt de golfpijpstraler verder in de vorm van een kokerprofiel, zoals aangegeven in fig. 2B. De smalle achterzijwand 16 van de golfpijp 6 ligt zodoende aan aan het opstaande randje 17 van de golfpijpstralers, op de plaats waar de onderste zijwand 18 van de golfpijpstralers begint en doorloopt in de richting van de backplane. Dit biedt mogelijkheden om de golfpijpstralers bij montage op juiste wijze te positioneren.

In fig. 3 is een tweede uitvoeringsvorm van de phased array antenne voorzien van het calibratienetwerk volgens de uitvinding weergegeven. De golfpijpstralers 19 zijn nu aan weerszijden van de golfpijpen aangebracht. Hierdoor wordt de helft van de benodigde hoeveelheid golfpijp 20, 21, 22 uitgespaard. De golfpijpen 20, 21, 22 zijn nu aan weerszijden voorzien van gaten 23 ter plaatse van de golfpijpstralers ten behoeve van het inkoppelen van een testpuls.

De golfpijpstralers 19 zijn voorzien van daarmee corresponderende gaten 24. In het uitvoeringsvoorbeeld zijn de golfpijpstralers over hun gehele lengte kokervormig. Aan het einde van de golfpijp 22 is een matched load 25 aangebracht. De testpuls wordt aan het begin 26 van de golfpijp 20 ingevoerd.

In fig. 4 is aangegeven hoe een kokervormige golfpijp-straler 27 op een andere wijze dan in het uitvoeringsvoorbeeld van fig. 1 aan de golfpijp 28 van het calibratienetwerk kan worden bevestigd. De golfpijp 28 is nu over een gebied 29 ter grootte van de zijwand van een golfpijp-straler ontdaan van de bovenste zijwand 30. Zodoende ontstaat een uitsparing, waarin de kokervormige golfpijp-straler 27 nagenoeg exact past. Voor de inkoppeling van stralingsenergie is de golfpijpstraler voorzien van een gat 31.

Phased array antennes volgens de uitvinding zijn verder geenszins beperkt tot de bovengeschetste uitvoeringsvormen. Met name kunnen kenmerken uit de bovengeschetste uitvoeringsvormen in combinatie worden toegepast.

Claims (11)

1. Phased array antenne, omvattende een array van golfpijp-stralers en een daarop aangesloten voedingsnetwerk, tevens omvattende een calibratienetwerk voor het calibreren van het voedingsnetwerk, met het kenmerk, dat althans nagenoeg alle golfpijpstralers een inkoppeling omvatten welke is aangesloten op het calibratienetwerk.

2. Phased array volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inkoppeling aan een zijwand van de golfpijpstralers is aangebracht.

3. Phased array antenne volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het calibratienetwerk tenminste een golfpijp omvat.

4. Phased array volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de golfpijp met de breedste zijwand aansluit aan de breedste zijwanden van de golfpijpstralers.

5. Phased array antenne volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de tenminste een golfpijp althans in hoofdzaak dwars op de golfpijpstralers is aangebracht.

6. Phased array antenne volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de inkoppeling per golfpijpstraler een verbinding tussen de golfpijpstraler en de golfpijp omvat.

7. Phased array antenne volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de inkoppeling per golfpijpstraler een richtkoppeling omvat met een richtinggevoeligheid in hoofdzaak in de richting van het voedingsnetwerk.

8. Phased array antenne volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de inkoppeling tenminste een opening in de zijwand van de golfpijpstraler en een zijwand van de golfpijp omvat, welke openingen met elkaar corresponderen.

9. Phased array antenne volgens conclusie 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de inkoppeling een signaalverzwakking van -35dB tot -45dB realiseert.

10. Phased array antenne volgens één der conclusies 3 t/m 9, met het kenmerk, dat de ten minste ene golfpijp een aantal golfpijpen omvat, waarbij een uitgang van een golfpijp is verbonden met een ingang van een andere golfpijp.

11. Phased array antenne volgens één der conclusies 3 t/m 10, met het kenmerk, dat de ten minste ene golfpijp aan een uiteinde is aangesloten op een calibratiesignaal-generator en aan een ander uiteinde is voorzien van een matched load.