DE69317195T2

DE69317195T2 - Verfahren zur Antenneeichung im Nahfeld für aktive Antenne

Info

Publication number: DE69317195T2
Application number: DE69317195T
Authority: DE
Inventors: Gerard Caille; Thierry Dusseux; Chritian Feat
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: FR2696553A1; EP0591049B1; DE69317195D1; US5477229A; FR2696553B1; EP0591049A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Vermessung und die Herstellung von aktiven Antennen, die eine große Zahl N paralleler Kanäle umfassen. Die aktiven Antennen benutzen diese Zahl N von Kanälen, um durch Überlagerung der Felder, die sich aus der Erregung jedes Elements ergeben, das Strahlungsdiagramm der Antenne zu bilden.
Bei der Konstruktion einer Antenne ermöglichen theoretische Berechnungen anhand der gewünschten radioelektrischen Charakteristiken die Bestimmung der Geometrie der Strahlungsquellen sowie die Bestimmung der Betriebsparameter dieser Quellen und der ihnen zugehörigen aktiven Module; diese Parameter sind insbesondere der Verstärkungsfaktor der Verstärker, die Dynamik und/oder die relative Phasenverschiebung, die notwendig ist, um eine gesuchte Richtverstellung zu erhalten. Diese Berechnungen erfolgen einerseits anhand gewisser Hypothesen und mathematischer Beziehungen, welche physikalische Prinzipen beschreiben, und andererseits anhand physikalischer Daten, welche die Antenne und ihre Bauelemente betreffen. Diese Daten müssen durch Messungen der radioelektrischen Charakteristiken der Antenne bestimmt oder bestätigt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eichung aktiver Antennen, das anhand von Messungen, die im Nahfeld an der Antenne und ihren Strahlungsquellen durchgeführt werden, durch eine spezifische Rechenmethode die Bestimmung der auf die aktiven Module anzuwendenden Steuerungsparameter und der resultierenden Felder im Fernfeld ermöglicht.
Die aktive Antenne, Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann entweder als Sendeantenne oder als Empfangsantenne oder abwechselnd in beiden Konfigurationen betrieben werden (Fall der Radarantenne).
Im Falle einer als Sendeantenne betriebenen Antenne wird das von einem zentralen schwachen Sender kommende Signal mittels eines Leistungsteilers in N als identisch angenommene Signale auf N Kanälen aufgeteilt; anschließend verstärkt ein aktiver Modul auf jedem Kanal das Signal gemäß einem steuerbaren Verstärkungsfaktor und wendet eine steuerbare Phasenverschiebung an, bevor das verstärkte Signal zur Strahlungsquelle übertragen wird (siehe Figur 1).
Im Falle einer als Empfangsantenne betriebenen Antenne wird das an jeder Strahlungsguelle empfangene Signal in einem aktiven Modul, dessen Verstärkungsfaktor und Phasenverschiebung steuerbar sind, verstärkt und phasenverschoben. Die N verstärkten Signale auf den N Kanälen werden anschließend durch einen Leistungskoppler gesammelt und auf einen einzigen Kanal zu einem zentralen Empfänger übertragen (siehe Figur 2). Diese Anordnung ist umgekehrt zur vorigen Anordnung, und ihre Behandlung ist unter dem theoretischen Gesichtspunkt streng symmetrisch zur letzteren.
Im Falle der Antennen, die abwechselnd als Sendeantenne und Empfangsantenne betrieben werden, wie die Radarantennen, ist eine einzige Vorrichtung dazu bestimmt, beim Empfang als Koppler und beim Senden als Teiler zu dienen, und die aktiven Module weisen zwischen einem Empfangskanal, der mit einem rauscharmen Verstärker versehen ist, und einem Sendekanal, der mit einem Leistungsverstärker versehen ist, einen Unschalter auf. Je nach der Konstruktion des aktiven Moduls sind ein steuerbarer Phasenschieber und ein steuerbares Dämpfungsglied für jeden Kanal vorgesehen, oder diese können, wenn sie vom reziproken Typ sind, auf einem einzigen Kanal angeordnet sein, der durch einen SPDT-Schalter abwechselnd mit den zwei Sende/Empfangskanälen verbunden wird (siehe Figur 3).
Bei der Konstruktion einer aktiven Antenne werden die zur Bildung des Richtstrahls erforderlichen Steuersignale mittels Computer anhand von Hypothesen und Näherungen berechnet, welche die Berechnungen möglich machen, jedoch nicht immer der meßbaren Realität entsprechen, was die Leistungen der Antenne betrifft.
Zum Beispiel wird angenommen, daß die Quellen identisch sind, obwohl ihre radioelektrischen Charakteristiken geringe Schwankungen zeigen, die aus Zufälligkeiten ihrer Herstellung herrühren. Das gleiche gilt für die aktiven Module: Impedanz, Verstärkungsfaktor, Einfügungsverlust und Phasenverschiebung können von Modul zu Modul unterschiedlich sein, so daß ein identischen Steuersignal von einer Strahlungsquelle zur anderen keine identische Phasenverschiebung oder Amplitude erzeugt.
Andererseits wird vorausgesetzt, daß die Steuerungen des Verstärkungsfaktors genau und völlig unabhängig von denen der Phase sind und umgekehrt, obwohl sie es in der Praxis nicht sind und ein geringer gegenseitiger Einfluß unvermeidbar ist.
Überdies kann die Position einer Quelle in dem Netz durch Kopplung mit den angrenzenden Quellen die radioelektrischen Charakteristiken dieser Quelle beeinflussen. Zum Beispiel unterscheiden sich die Charakteristiken einer an einem Ende des Netzes gelegenen Quelle von denen einer mehr in der Mitte befindlichen Quelle, die von angrenzenden Quellen umgeben ist.
Schließlich wird für die theoretischen Berechnungen angenommen, daß die Verstärker der Quellen linear sind. Dies bedeutet, daß die resultierenden Felder an der Quelle aus dem an den Verstärker angelegten Steuerpegel vorhersehbar sind. Nun unterscheiden sich aber die zum Erhalt einer gewünschten Amplitude erforderlichen Steuersignale von den linearen theoretischen Berechnungen, wenn der Verstärker nahe der Sättigung arbeitet, was beim Senden häufig der Fall ist.
Das erfindungsgemäße Eichverfahren ermöglicht bei den theoretischen Berechnungen von Femfeldern die Berücksich tigung dieser Abweichungen zwischen Realität und der idealen theoretischen Situation bei der Charakterisierung und Konstruktion einer aktiven Antenne. Die erzielten Resultate sind besonders beachtlich für die Antennen mit genau ausgebildetem Strahlungsdiagrammen, insbesondere die Antennen mit Richtstrahlbildung durch Berechnung.
Das Problem, das durch die Existenz dieser Fehler verursacht wird (im Vergleich zur idealen Antenne, die nur mit idealen Bauelementen hergestellt ist), ist nicht neu. Es seien für den Leser noch einmal die drei Fehlerarten genannt, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren anvisiert werden: die (sich aus der Herstellung ergebende) Streuung der radioelektrischen Charakteristiken der Bauelemente; die Steuerfehler (in Phase und Verstärkungsfaktor): und die (wechselnden) Kopplungen zwischen Strahlungsquellen, je nach ihrer Position in dem Netz. Die vom bisherigen Stand der Technik gelieferten Lösungen bleiben aus den nachstehend angeführten Gründen unbefriedigend.
Um die Streuung der für identische Bauelemente als identisch angenommenen radioelektrischen Charakteristiken zwischen den Modulen zu beseitigen, ist bekannt, in die aktive Antenne spezifische Eichschaltungen einzubauen. Bei einer im Sendebetrieb arbeitenden Antenne greifen diese Schaltungen einen bekannten Anteil des von jedem aktiven Modul ausgesendeten Signals ab und senden diesen an die Steuereinheit der Antenne zurück; bei einer im Empfangsbetrieb arbeitenden Antenne speisen diese Schaltungen ein bekanntes Signal in die Empfangsschaltung ein und gewinnen dieses zurück, nachdem es den normalen Weg eines Empfangskanals der Antenne durchlaufen hat.
Diese Lösung leidet an zwei Hauptnachteilen: Die Notwendigkeit einer spezifischen Schaltung für jeden Modul fügt erhebliche Mehrkosten zum bereits hohen Preis einer aktiven Antenne hinzu; folglich wachsen auch das Volumen, das Gewicht, der Verbrauch elektrischer Leistung, die thernische Dissipation und die Komplexität der Anlage. Andererseits berücksichtigt die resultierende Eichung nur Streuungen, welche die Schaltungen beeinflussen, vernachlässigt jedoch den Einfluß der Kopplung zwischen Quellen sowie den Einfluß der herstellungsbedingten Streuungen der Strahlungsquellen selbst.
Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, in einem bestimmten Abstand von der zu eichenden aktiven Antenne eine Testantenne zu installieren, zum Beispiel ein Horn oder einen Dipol. Die Übertragungsfunktion zwischen der Testantenne und jeden der Kanäle wird durch sukzessive Messung des von jedem Kanal gelieferten Feldes gemäß dem folgenden Verfahren bestimmt. Sämtliche Kanäle außer dem zu messenden Kanal werden während der Messung eines bestimmten Kanals abgeschaltet.
Die Umsetzung dieser Lösung des bisherigen Stands der Technik erfordert Abänderungen bei der Ausführung des aktiven Grundmoduls, um die Funktion des reflexionsfreien Abschließens für alle Kanäle außer dem zu messenden einzubauen.
Eine Variante besteht darin, die Steuerungen der anderen Kanäle unverändert zu halten, während der untersuchte Kanal variabel gesteuert wird, was die Phase dreht. Diese ermöglicht eine theoretische Charakterisierung der verschiedenen Phasenzustände dieses Kanals.
Dieses Verfahren leidet jedoch an dem Problem der Kopplung zwischen benachbarten Quellen, die unter den für den normalen Betriebszustand typischen Bedingungen nicht gemessen wird: indem man die Phase des Kanals, der gerade geeicht wird, dreht, stört man ein wenig die Strahlung der anderen Quellen und somit die Messung des Strahlungsfeldes.
Ein umgekehrtes Verfahren, das dazu dient, die Bestimmung des a priori unbekannten Strahlungsdiagrammes einer Netzantenne zu erleichtern, wird durch das Dokument D1 = Patent Abstracts of Japan, vol.9 no. 236 (21.9.1985) publ. no. 60-89766 skizziert. Gemäß diesem Dokument wird eine Sonde im Nahfeld vor dem Netz angeordnet, und sämtliche Phasenschieber werden einer nach dem anderen auf nicht genau bezeichnete variable Weise gesteuert. Die Sonde wird anhand des Sendesignals geeicht, von dem ein Teil mittels eines Richtkopplers abgegriffen wird.
Dieses Verfahren von Dl berücksichtigt an sich die Kopplungen zwischen strahlenden Elementen, die in dem so gemessenen resultierenden Feld verschmolzen sind. Es ist jedoch nicht die Verwendung von aufgenommenen Informationen vorgesehen, um die Phasen zu bestimmen, die auf die Quellen anzuwenden sind, um ein gewünschtes Strahlungsdiagramm zu erzeugen.
Das Dokument D2 = EP-A2-496 381 lehrt ein Verfahren zur Prüfung, ob ein Sende- oder Empfangsmodul im Innern einer Netzantenne in Betrieb ist oder nicht, durch Beobachtung der Veränderungen der erfaßten Felder, wenn die Phase des zu prüfenden Moduls zwischen 0º und 180º umgeschaltet wird. Wenn kein Unterschied besteht, ist der Modul defekt.
Das Problem der Erstellung eines theoretischen Modells für diese Kopplungen wurde ebenfalls im Stand der Technik angegangen. Es sind zahlreiche Modellierungen vorgeschlagen worden, je nach Art der Strahlungsquelle. Die Modelle zielen darauf ab, durch Berechnung zu erfahren, was die wirkliche Strahlung der Quelle Si sein wird, wenn sie von N-l anderen Quellen Sj mit j≠i umgeben ist, die sämtlich durch Wellen aj erregt werden. Jedoch sind die realen Quellen sehr schwer richtig durch ein Modell zu beschreiben, insbesondere die gedruckten Antennen (im Englischen unter der Bezeichnung "patches" bekannt). Nun finden diese "patches" immer häufiger bei den aktiven Antennen Verwendung, und die Kopplungen zwischen Strahlungsquellen dieser Art sind besonders groß. Die Verfahren zur theoretischen Berechnung der Kopplung sind häufig fehlerbehaftet, ebenso wie die Verfahren zur Modifikation dieser Kopplungen (um die an der Antenne induzierte Fehlanpassung zu verringern) durch Kopplungslöcher zwischen den Zugangsführungen, durch die sinnvolle Anordnung eines dielektrischen Radoms, ... Die Verfahren zur theoretischen Vorhersage der Kopplungen könnten vor allem eine rechnerische Korrektur ihrer Störeffekte bei einer Eichfolge ermöglichen; aber dies ist im bisherigen Stand der Technik immer unabhängig von der Messung der herstellungsbedingten Streuungen oder der Steuerfehler.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Beseitigung dieser Nachteile des bisherigen Stands der Technik und darüber hinaus die gleichzeitige Korrektur der obengenannten drei Fehlerarten.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Eichung einer aktiven Antenne mit N Strahlungsquellen vor; welches umfaßt, daß eine Sonde nacheinander vor jeder Strahlungsquelle angeordnet wird, um das Nahfeld vor dieser Quelle zu messen; dadurch gekennzeichnet, daß: die Phasen der Phasenschieber auf ihre Nennwerte für eine gewünschte Antennenkonfiguration eingestellt werden, um ein gesuchtes Strahlungsdiagramm zu erhalten; und daß: bei der Messung des Nahfeldes vor der Quelle der Reihe nach ein Phasenschieber auf jedem Kanal so gesteuert wird, daß die Strahlungsphase dieses Kanals auf 180º Phasenverschiebung in bezug auf ihren Nennwert geschaltet wird, wobei sämtliche N-1 anderen Quellen gemäß ihren Nenn-Betriebswerten in dieser Konfiguration gesteuert werden, um das gesuchte Strahlungs diagramm zu erhalten.
Die Erfindung schlägt also ein Verfahren zur Eichung einer aktiven Antenne mit N in einem Netz angeordneten Strahlungsquellen vor, wobei diese Netzanordnung zu einer Kopplung zwischen den Quellen führt, wobei diese Quellen durch aktive Module gespeist werden, wobei diese aktiven Module Mittel zur Steuerung der Phase und Mittel zur Steuerung des Verstärkungsfaktors aufweisen; wobei diese Quellen, diese aktiven Module, diese Mittel zur Steuerung der Phase und diese Mittel zur Steuerung des Verstärkungs faktors geringe Streuungen der Charakteristiken aufweisen, welche auf die Herstellung dieser verschiedenen Elemente zurückzuführen sind, wobei diese Mittel zur Steuerung der Phase und des Verstärkungsfaktors außerdem durch einen bestimmten Steuerbefehl verursachte Ansprechungenauigkeiten aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß man gemäß dem obengenannten Verfahren mittels einer geeigneten Sonde Messungen im Nahfeld durchführt, die gleichzeitig die Effekte der Kopplungen zwischen Quellen, die herstellungsbedingten Streuungen der Charakteristiken und die Ungenauigkeiten der Steuermittel charakterisieren.
Bei einem genaueren erfindungsgemäßen Verfahren werden durch das vorgenannte Verfahren zunächst die Steuerwerte des Verstärkungsfaktors und der Phase für eine gewünschte Antennenkonfiguration bestimmt, um ein gesuchtes Strahlungsdiagrainm zu erhalten, und diese Steuerwerte werden auf die Steuermittel angewendet; wobei dieses genauere Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß: die Messungen im Nahfeld mit diesen Steuerwerten wiederholt werden, um feinere Korrekturen bei diesen Werten zu erhalten. Erforderlichenfalls kann dieses Verfahren wiederholt werden; wobei eine Iteration dieses Verfahrens bei einer ausreichenden Zahl von Zyklen den Erhalt einer willkürlichen Genauigkeit der spezifizierten Parameter gestattet.
Bei einem weiteren genaueren erfindungsgemäßen Verfahren wird anhand von Messungen, die an den aktiven Modulen vor Zusammensetzen der Antenne durchgeführt werden, eine Eichtabelle formuliert, und diese Tabelle liefert anschließend die verfeinerten Werte für die Steuerungen der Phase und des Verstärkungsfaktors, die nach einer einzigen Messung im Nahfeld genäß dem zu Beginn dieses Textes vorgestellten Grundverfahren zur Prüfung benutzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Varianten können auf aktive Antennen angewendet werden, die im Sendebetrieb, im Empfangsbetrieb oder abwechselnd im Sende- und Empfangsbetrieb arbeiten.
Im Falle einer Radarantenne wird das erfindungsgemäße Verfahren zweimal angewendet werden: einmal für die im Sendebetrieb arbeitende Antenne, um die Steuerwerte der Phasenverschiebung und des Verstärkungsfaktors beim Senden zu bestimmen; und das andere Mal für die im Empfangsbetrieb arbeitende Antenne, um die Steuerwerte der Phasenverschiebung und des Verstärkungsfaktors beim Empfang zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber den Verfahren des bisherigen Stands der Technik zahlreiche Vorteile für die Eichung aktiver Antennen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Eichung der Antenne unter Berücksichtigung aller Streuungen, welche die Abweichungen zwischen dem realen Strahlungsdiagramm und dem mittels eines Programms berechneten theoretischen Strahlungsdiagrainm erzeugen.
Im bisherigen Stand der Technik erfordert die Charakterisierung einer Antenne durch Messung im Nahfeld eine sehr viel höhere Zahl an punktuellen Aufnahmen. Für jede der N Strahlungsguellen (wobei die anderen reflexionsfrei abgeschlossen sind) ist eine Aufnahme an jedem Punkt eines Liniennetzes aus Quadraten mit einer Seite von λ/2 auf einer Fläche durchzuführen, die über jene der Antenne deut lich hinausgeht: bei einer Antenne mit zum Beispiel N=96 Quellen, die jeweils eine Oberfläche von 2,8 λ² aufweisen, sind etwa 100.000 Aufnahmen zur vollständigen Eichung der 96 Quellen notwendig; während das erfindungsgemäße Verfahren nur N (N+1) Messungen erfordert, wobei N die Zahl der Strahlungsguellen ist, was bei dem gewählten Beispiel 9312 entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft somit einen beträchtlichen Zeitgewinn bei der Eichung einer Antenne (einen Gewinn mit einem Faktor 11 beim obigen Beispiel). Überdies eignet sich das vorgeschlagene Verfahren gut für eine Iteration, die eine Approximation der letztendlichen Leistungen der Antenne von willkürlicher Genauigkeit und unter den realen Betriebsbedingungen gestattet.
Da das erfindungsgemäße Verfahren Schwankungen der radioelektrischen Charakteristiken der Bauelemente der Antenne berücksichtigt, ist es möglich, den Bereich der zulässigen Toleranzen für diese Bauelemente zu erweitern. Die Kosten für die Bauelemente können auf diese Weise verringert werden und so die Gesamtkosten für die Antenne reduziert werden.
Verglichen mit einigen Verfahren des bisherigen Stands der Technik wird auch die Herstellung der Antenne vereinfacht, da das erfindungsgemäße Verfahren keine spezifischen Schaltungen zum Abgreifen oder Einspeisen von Eichsignalen erfordert.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der folgenden genauen Beschreibung mit ihren beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
die bereits erwähnte Figur 1 schematisch eine aktive Antenne darstellt, die im Sendebetrieb arbeitet;
die bereits erwähnte Figur 2 schematisch eine aktive Antenne darstellt, die im Empfangsbetrieb arbeitet;
die bereits erwähnte Figur 3 schematisch eine aktive Radarantenne darstellt, die abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb arbeitet;
Figur 4 symbolisch die Beziehung zwischen verschiedenen durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmten vektoriellen Größen und Matrixgrößen zeigt.
In den Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen und sind den immateriellen Funktionen Symbole zugewiesen, um die Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erleichtern.
Figur 1 zeigt schematisch und im Schnitt ein Beispiel für eine im Sendebetrieb arbeitende aktive Antenne, die als lineares Netz angeordnet ist. Das in dieser Figur dargestellte Beispiel läßt sich leicht auf den Fall eines zweidimensionalen Netzes oder dergleichen übertragen. In der Figur speist ein schwacher Sender 1 durch einen passiven Leistungsteiler 2 die N Strahlungsquellen des linearen Netzes S&sub1;..., Si, ...SN. Zwischen dem Teiler 2 und den Quellen Si führen aktive Module Mi eine Phasenverschiebung φi und eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor Ai durch, wobei die Werte der Phasenverschiebung und des Verstärkungsfaktors durch eine Steuereinheit 3 steuerbar sind. Am Ausgang der aktiven Module Mi werden die komplexen Nutzsignale ai zu den Strahlungsquellen Si geleitet, von wo sie abgestrahlt werden. Im Falle einer Fehlanpassung der Impedanz zwischen den Modulen M und den Quellen S treten eventuell reflektierte Signale bi auf, die sich in umgekehrter Richtung wie die Nutzsignale fortpflanzen.
Die von den Strahlungsquellen S abgestrahlten Wellen überlagern sich mit den ihnen zugehörigen Amplituden und Phasen gemäß einer Berechnung für die Richtstrahlbildung, um entlang einer gewünschten Richtung mit einer Keule zu strahlen, die entsprechend der beabsichtigten Anwendung ausgebildet ist.
Figur 2 zeigt schematisch und im Schnitt ein Beispiel für eine im Empfangsbetrieb arbeitende aktive Antenne, die als lineares Netz angeordnet ist. Das in dieser Figur dargestellte Beispiel läßt sich leicht auf den Fall eines zweidimensionalen Netzes oder dergleichen übertragen. In der Figur wird ein Empfänger 11 durch einen passiven Koppler 12 von N Strahlungsquellen des linearen Netzes S&sub1;..., Si, ...SN gespeist. Zwischen dem Koppler 12 und den Quellen Si führen aktive Module Mi eine Phasenverschiebung φi und eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor Ai durch, wobei die Werte der Phasenverschiebung und des Verstärkungs faktors insbesondere durch die Steuereinheit 13 steuerbar sind. Die komplexen Nutzsignale a&sub1; werden von den Strahlungsquellen Si zu den Eingängen der aktiven Module Mi geleitet, wo sie mit den für jedes Signal steuerbaren Verstärkungsfaktoren und Phasen verstärkt werden. Im Falle einer Fehlanpassung der Impedanz am Eingang der Quellen S treten eventuell reflektierte Signale b&sub1; auf, die sich in umgekehrter Richtung wie die Nutzsignale fortpflanzen.
Die an den Quellen S eintreffenden Wellen werden mit den Amplituden und den Phasen, die ihnen durch eine Berechnung für die Richtstrahlbildung zugewiesen sind, kombiniert und treffen anschließend, aus einer bestimmten Richtung kommend, mit einer Keule, die entsprechend der beabsichtigten Anwendung ausgebildet ist, auf kohärente Weise an dem Empfänger 11 ein.
Figur 3 zeigt schematisch eine aktive Radarantenne, die abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb arbeitet. Der Wechsel der Sende/Empfangsfunktionen wird durch Umschalter 25, 52 gewährleistet, die durch einen Taktgeber zur Synchronisation 24 gesteuert werden. In Figur 3 können durch den Umschalter 26 für den Empfang wie auch das Senden orthogonale Polarisationen ausgewählt werden. Wie bei den beiden vorigen Beispielen sind die Phase und der Verstärkungsfaktor sowohl beim Senden als auch beim Empfang durch Steuermittel 23 steuerbar. Die Steuerwerte, die zur Steuerung eines bestimmten Empfangskanals geliefert werden, sind nicht zwangsläufig die gleichen wie für denselben Kanal im Sendebetrieb.
In der Figur ist ein einziger aktiver Empfangs/Sendemodul dargestellt, der den steuerbaren Phasenschieber 27 und ein steuerbares Dämpfungsglied 28 enthält, um den Ver stärkungsfaktor des Moduls einzustellen. Es ist jedoch ein aktiver Modul pro Kanal erforderlich, und es gibt in diesem Beispiel m m' Kanäle, wobei jeder Kanal mit einer Quelle verbunden ist, die sich aus K "patches" S¹ij bis Skij zusammensetzt, wobei m' die Zahl der Quellenspalten ist, von denen nur die erste und die zweite (teilweise) dargestellt sind.
Im Sendemodus liefert der Sender 21 seine Signale an einen Teiler/Koppler 22, der die aktiven Module E/R speist. Die Phase und die Dämpfung des Signals werden von dem steuerbaren Phasenschieber 27 und dem steuerbaren Dämpfungsglied 28 gemäß den von dem Steuerrechner 23 gegebenen Anweisungen bestimmt. Anschließend werden die Umschalter 25 und 52 durch den Taktgeber 24 betätigt, um den Sendekanal einzuschalten, und das Signal wird von dem Leistungsver stärker 29 verstärkt, bevor es zu den Strahlungsquellen Sij gesendet wird.
Im Empfangsmodus empfängt der Empfänger 31 die Signale des Kopplers/Teilers 22, die durch die aktiven Module E/R übermittelt werden. In den Modulen E/R werden die von den Strahlungsquellen Sij kommenden Signale durch die Umschalter 25, 52 auf den Empfangskanal geschaltet und durchlaufen einen rauscharmen Verstärker 30. Anschließend erfolgen durch den steuerbaren Phasenschieber 27 und das steuerbare Dämpfungsglied 28, die durch den Steuerrechner 23 gesteuert werden, die Phasenverschiebung und die Dämpfung.
Diese Antennenarchitekturen gemäß Figur 1 bis 3 sind dem Fachmann wohlbekannt, und es ist keine genauere Beschreibung notwendig, um die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
Um das erfindungsgemäße Eichverfahren verständlicher zu machen, wird nachstehend eine Beschreibung mittels eines mathematischen Formalismus vorgelegt, der zur Matrizenalgebra gehört. In dieser Darlegung werden die skalaren Größen mit lateinischen Buchstaben bezeichnet, die gegebenenfalls Indizes aufweisen, welche ihre Position in einem Vektor oder in einer Matrix angeben; die vektoriellen Größen werden mit unterstrichenen lateinischen Buchstaben bezeichnet; und die Matrixgrößen werden durch FETTE Großbuchstaben bezeichnet. Alle Größen sind komplex und enthalten eine Amplitude und eine Phase. Die Beziehung zwischen diesen Größen ist symbolisch in Figur 4 dargestellt.
Zum Beispiel repräsentiert der Vektor:
die N Steuerungen der aktiven Antenne in Amplitude und in Phase mit: ci max = 1, was bedeutet, daß der maximale Verstärkungsfaktor der Kanäle als Bezugswert genommen wird, hier 0 dB.
repräsentiert die N tatsächlichen Erregungen, welche die an den Strahlungsquellen einfallenden Wellen sind.
Wir definieren eine Matrix der Streuungen D, die uns die Beziehung zwischen den Steuerungen und den Erregungen liefert: A = DC. Die Matrix D ist N×N und diagonal, mit dem Element d&sub1; = ai/ci, das den Unterschied in Amplitude und Phase zwischen der beabsichtigten Erregung und der tatsächlichen Erregung des Kanals i repräsentiert. Diese Matrix berücksichtigt die Effekte der herstellungsbedingten Streuungen der Charakteristiken sowie die Steuerungsungenauigkeiten.
Der Vektor I repräsentiert "die Bestrahlung" oder "das Feld über der Öffnung":
Diese Ausdrücke werden in der Fachliteratur häufig verwendet, um das elektromagnetische Feld auf der strahlenden Fläche zu charakterisieren. Um die Berechnungen zu vereinfachen, wird angenommen, daß die Strahlungsquellen Monomode-Strahler sind, und man interessiert sich nur für die Nominalpolarisationsrichtung. Die Folge dieser Hypothe sen ist, daß die Verteilung dieses elektrischen Feldes auf diese Weise durch eine einzige komplexe Zahl (Amplitude und Phase) charakterisiert werden kann. Einige Beispiele sollen zur Erläuterung dieses Vorschlags dienen:
Wenn die Strahlungsquellen offene Hohlleiter sind, repräsentiert Ii die Amplitude und die Phase des elektrischen Feldes an dem Ort, wo es maximal ist, in der Mittelebene parallel zu den Schmalseiten des Hohlleiters für eine Welle mit der Grundfrequenz TE&sub1;&sub0;.
Wenn die Strahlungsquellen Halbwellendipole sind, repräsentiert Ii den Strom in ihrer Mitte; wenn sie "patches" sind, repräsentiert Ii die Stromdichte in ihrem Zentrum.
Wenn die Strahlungsquellen Resonanzschlitze in der Wand eines Hohlleiters sind, repräsentiert Ii die Spannung zwischen den beiden Rändern des Schlitzes in der Mitte seiner Länge, das heißt an dem Ort, wo diese Spannung maximal ist.
Die beiden letzten Beispiele zeigen uns, daß die physikalische Größe Ii nicht zwangsläufig ein magnetisches oder elektrisches Feld ist, sondern eine andere Größe sein kann, welche die Strahlung der Quelle charakterisiert, wobei diese Größe proportional zum Feld über der Öffnung der Quelle ist.
Wir definieren nun eine Matrix R, welche die Strahlungsphänomene charakterisiert und es uns gestattet, die Bestrahlung I anhand der tatsächlichen Erregungen A durch die Beziehung: I = RA zu erhalten. R ist eine N×N-Matrix, die bei fehlender Kopplung zwischen den Quellen diagonal wäre: Ii = riai zeigt, daß die Bestrahlung in diesem Fall nur von der an der Quelle i einfallenden Welle abhinge.
Wie wir jedoch oben betont haben, führen die Kopplun gen zwischen benachbarten Quellen zu Fehlern bei der Schätzung abgestrahlter Felder, wenn sie nicht bei den Berechnungen berücksichtigt werden. Also enthält unsere Matrix R nichtdiagonale Elemente, welche die Beiträge der angrenzenden Quellen zur Bestrahlung eines bestimmten Ortes reprä sentieren. So hängt das Feld an der Quelle Si von den an den anderen Quellen einfallenden Wellen aj ab, und zwar durch die Kopplungskoeffizienten rij:
was in Matrizenschreibweise folgendermaßen geschrieben wird: I = Rk.
Wenn man das vorgenannte Beispiel von Dipolen oder "patches" nimmt, können die Kopplungen in der klassischen Form einer Streumatrix S mit den Elementen [sij] geschrieben werden; die an der Quelle Si einfallende Welle ai wird durch eine reflektierte Welle überlagert:
Bei diesem Formalismus repräsentiert das Element sii den Reflexionskoeffizienten der umgebenen Strahlungsquelle Sil wobei alle anderen Quellen Si≠j reflexionsfrei abgeschlossen sind.
Die Strahlung ist in Wirklichkeit proportional zum in bezug auf die Impedanz der Leitung normalisierten Strom:
wobei: I = (U - S) A, wobei U die ünitäre N×N-Diagonalmatrix ist.
In einem zweiten Beispiel betrachten wir den Fall eines Netzes von Hohlleitern mit Schlitzen, wobei alle Schlitze identisch sind und auf die gleiche Weise in jedem Hohlleiter angeordnet sind. Die Bestrahlung hängt dann von den Spannungen an den Schlitzen ab, nämlich:
wobei: I = (U + S) A, wobei U die ünitäre NXN-Diagonalmatrix und S wieder die "Streumatrix" der Kopplungskoeffizienten ist.
Wenn man eine "Nahfeld"-Sonde einige Wellenlängen entfernt gegenüber dem Zentrum der Quelle Si anordnet, nimmt man ein elektrisches Feld:
auf.
Wir sehen, daß Ei also eine lineare Funktion der Bestrahlungen jeder Quelle ist, hauptsächlich der Quelle Si, aber auch der anderen.
Wir definieren also einen Spaltenvektor "Nahfeld" E und die N×N-Matrix "Nahfeldstrahlung" P, so daß E = PI mit:
Der letzte Schritt bei der Konstruktion dieses Formalismus ist die Aufnahme des Diagrammes im Fernfeld der aktiven Antenne. Um diese Messung durchzuführen, ordnet man eine Testempfangsantenne in einer im Vergleich zu 2D²/λ großen Entfernung an, wobei D die größte Abmessung der strahlenden Fläche der Antenne ist und λ die Wellenlänge der Strahlung. Während man die aktive Antenne dreht, tastet man ihr Strahlungsdiagramm in einer ausreichenden Zahl p von Raumrichtungen ab, indem man jedesmal die Amplitude und die Phase des von der Testantenne empfangenen Signals aufnimmt, um die Werte Fj des "Fernfelddiagrammes" zu erhalten, das man durch den Spaltenvektor:
darstellt.
Anschließend definieren wir eine Nxp-Matrix "Fernfeldstrahlung" L: F = LI.
Der bis hierher dargelegte Formalismus ist streng linear und kann nicht die Nichtlinearitäten berücksichtigen, die zum Beispiel durch Verstärker hervorgerufen werden, die nahe der Sättigung arbeiten. Für eine genauere Behandlung in diesem Fall muß das Verfahren wie nachstehend erklärt angepaßt werden. Auf jeden Fall betrifft diese Erscheinung nur die Transformation: A = DC, wobei sämtliche anderen Beziehungen linear bleiben.
Im Fall einer im Empfangsbetrieb arbeitenden Antenne bleiben alle Gleichungen linear. Wir betrachten zunächst den einfachsten Fall einer linearen Antenne im Sendebetrieb, um das Prinzip des erfindungsgemäßen Eichverfahrens zu erläutern. Es handeltsich zunächst darum, jeden der N×N komplexen Terme qij der Matrix: Q = PRD zu messen, die wir aus: E = QC = PRDC erhalten. Die Sonde im Nahfeld gestattet uns nämlich die direkte Messung der Elemente Ei des Vektors E, wie wir oben erklärt haben.
Das erfindungsgemäße Eichverfahren ermöglicht es, die Werte aller Vektoren und der Matrizen anhand einer Gruppe von Messungen im Nahfeld zu erhalten, die für eine Zahl N von Positionen der Sonde durchgeführt wurden, die der Zahl der Strahlungsquellen entspricht: für jede Position führt man N+1 Aufnahmen durch (anfänglicher Steuerbefehl + Schalten jedes der N Bits auf 180º); die Gesamtzahl der Messun gen beträgt also N (N+1). Der Anfangseichung kann eine iterative Nacheichung folgen, um eine bestimmte gewünschte Genauigkeit zu erzielen. Wir beschreiben zunächst die Anfangseichung.
Die Messung wird auf die folgende Weise durchgeführt:
1) man stellt einen Verlauf gleicher Amplitude und gleicher Phase ein, das heißt ci = 1 für alle i von I = 1 bis N;
2) man ordnet nacheinander die Nahfeldsonde vor jeder Quelle Si an; man nimmt dann ein komplexes Signal zi an dem Empfänger auf, das proportional zum elektrischen Feld Ei in Höhe der Sonde ist;
3) man schaltet das 180º-Bit des Phasenschiebers des Kanals n j der aktiven Antenne; man nimmt nun ein neues Signal z'ij an dem Empfänger auf.
Diese zwei Messungen werden durch die folgenden Gleichungen charakterisiert:
(1) wobei die Konstante q die Meßbasis des Nahfelds charakterisiert (q ist eine Funktion der Sonde und des Empfängers).
(2) Indem man die komplexe Differenz dieser beiden Gleichungen (1) und (2) bildet, erhält man: zi - z'ij = 2q(qij cj), das ergibt, da wir cj = 1 gesetzt haben:
(3) An jeder Position der Sonde vor einer Quelle Si wird die Messung von zi durchgeführt, dann werden die N Messungen von z'ij durchgeführt, indem man der Reihe nach die 180º-Bits jedes Kanals schaltet. Durch die obige Beziehung (3) erhält man sofort die N Elemente qij der Zeile i der Matrix Q.
Der für die Sonde verwendete Empfänger muß die komplexen Signale mit einer guten Genauigkeit messen können, zum Beispiel ein Empfänger mit zwei Mischern und mit zwei Kanälen I (in Phase) und Q (90º-Phasenverschiebung).
Die so erhaltene Matrix Q wird als Matrix der Anfangseichung bezeichnet, da sie uns die Berechnung der Steuerbefehle zum Erhalt eines gewünschten Strahlungsdiagrammes im Fernfeld gestattet. Das Strahlungsdiagramm wird durch den Vektor F mit p aufgenommenen oder berechneten Feldwerten charakterisiert. Um die Bildung des Richtstrahls durchzuführen, repräsentieren diese durch die Berechnung spezifizierten p Werte die gewünschte Strahlung bei diesen Hauptcharakteristiken. Die Berechnung muß anschließend bestimmen, wie diese Fernfeldwerte anhand von Steuerparametern erhalten werden, die auf der Ebene der Steuerung der Antenne angewendet werden.
Die Steuerwerte können anhand des Vektors F durch Matrizentransformationen unter Verwendung der Matrix der Anfangseichung Q erhalten werden. Wir fassen zusammen: Die Sondenmessungen im Nahfeld liefern uns:
Wir haben ebenfalls:
Hieraus folgt, daß:
Die Steuerbefehle lassen sich somit durch:
berechnen.
Q&supmin;¹ erhält man durch Inversion der NxN-Matrix der Anfangseichung Q, deren termenweise Messung oben beschrieben wurde. L&supmin;¹ repräsentiert die Transformation des Femfeldes ins Feld über der Öffnung, und P ist die Transformation des Feldes über der Öffnung ins Nahfeld. Diese beiden letzten Matrizen werden von den Grundformeln der Antennentheorie bestimmt, die dem Fachmann wohlbekannt sind; ihre Überführung in die Form der Matrizeninformatik stellt keine Schwierigkeit dar.
Auf diese Weise kann man durch das erfindungsgemäße Eichverfahren die Matrix M = Q&supmin;¹PL&supmin;¹ erhalten, die uns im linearen Fall die zum Erhalt eines gesuchten Fernfeldes erforderlichen Steuerbefehle genau angibt. Die herstellungsbedingten Streuungen sind in dieser Matrix M berücksichtigt, da Q = PRD, wobei D die Matrix der Streuung ist. Die Kopplungen sind ebenfalls berücksichtigt, nämlich in der Matrix R.
Für eine Antenne, die im Empfangsbetrieb arbeitet, bleiben die obigen Beziehungen die gleichen. Einziger Unterschied bei den Nahfeldmessungen: die Sonde sendet, und die aktive Antenne empfängt.
Im Falle einer nichtlinearen Empfangsantenne können sich die aus dieser ersten Messung stammenden Steuerwerte als ungenügend genau erweisen. Um sie zu verbessern, ist es möglich, eine Iteration anhand dieser ersten Werte durchzuführen, wie dies nachstehend erklärt ist.
Um die Steuerfehler zu beheben, die sich auf die Nichtlinearität der Verstärker oder auf Unvollkommenheiten der steuerbaren Phasenschieber und Dämpfungsglieder (ebenfalls Nichtlinearitäten) zurückführen lassen, beginnt das Verfahren gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung mit einer ersten Gruppe von Messungen, wie sie oben beschrieben ist. Die aus dieser Eichung stammenden Steuerwerte C werden auf ihre jeweiligen Phasenschieber und Dämpfungsglieder angewendet. Der Meßvorgang wird anschließend wiederholt, um eine zweite Eichmatrix Q' zu erhalten, die sich leicht von der ersten Q unterscheidet, da die Matrix der Streuung D für die neuen Steuerwerte ci etwas anders sein wird. Die neue Matrix der Streuung D' wird diagonale Terme der Form:
aufweisen.
Man berechnet nun einen zweiten Steuerwert:
sowie die quadratische Abweichung zwischen diesem Steuerungsgesetz und dem vorigen:
Wenn die quadratische Abweichung geringer ist als das angepeilte Genauigkeitsziel, ist das iterative Verfahren an dieser Stelle beendet; für ein Genauigkeitsziel von 10 in Phase und 0,15 dB in Amplitude wird man zum Beispiel nehmen:
wobei &epsi;φ und &epsi;a die Genauigkeiten ausgedrückt in Radianten und relativer Amplitude sind.
Wenn das Konvergenzkriterium nicht eingehalten wird, wird der Iterationsvorgang auf dieselben Weise fortgeführt, indem man die neue Eichmatrix Q" für die Steuerwerte C' mißt, um die neuen optimierten Steuerwerte zu erhalten:
Die Iteration wird auf diese Weise fortgesetzt, bis das angepeilte Genauigkeitsniveau erreicht ist. In der Praxis sind nur wenige Iterationen erforderlich.
In einigen Fällen kann das erfindungsgemäße Verfahren Daten aus Messungen berücksichtigen, die bereits vor Eichung der Antenne durchgeführt wurden. Zum Beispiel wird eine aktive Antenne, die mehrere Hundert, ja sogar mehrere Tausend aktive Module enthält, im allgemeinen mit Bauelementen hergestellt, die vor ihrem Einbau in die Antenne geprüft werden. Außerdem können die Steuercharakteristiken an einzelnen aktiven Modulen gemessen werden, um vor dem Zusammenbau zu überprüfen, ob letztere gut funktionieren.
Gemäß einer Variante des Verfahrens der Erfindungwerden die Steuerfehler bei der Eichung der Antenne anhand der jeden aktiven Modul betreffenden Daten berücksichtigt. Diese Daten bestehen aus einem von dem angewendeten Steuerwert; abhängigen komplexen Wert (der Amplitude und Phase) für jeden betrachteten aktiven Modul. Die Messung der Nahfelder der Antenne erfolgt dann wie vorher für einen Verlauf der gleichförmigen Erregung ci = 1 für alle i; anschließend berechnet man für jedes gesuchte Diagramm im Fernfeld die Steuerwerte C = Q&supmin;¹PL&supmin;¹F, indem man in Q = PRD die Matrix der Streuung für ci = 1 für alle i nimmt; jedoch wird für das gefundene C D etwas anders sein (D'), daher berechnet man einen neuen Wert C'; und so fort mittels eines kleinen Programms, das auf Grundlage der Meßtabellen der Module arbeitet. Bei dieser Variante führt man also eine Nahfeldaufnahme durch; sie dient zur Berechnung des an jedes Diagramm F angepaßten Steuerwerts C mittels dieses zusätzlichen Programms. Die Iteration betrifft nur die Matrix der Streuung D als Komponente der Matrizentransformation Q = PRD. Diese letzte Gleichung zeigt uns, daß die zwei Verfahren theoretisch gleichwertig sind, insofern als die Matrizen P und R unabhängig vom Steuerungszustand sind.
Die Wahl zwischen diesen beiden Varianten wird von den Kriterien einer einfachen Durchführung abhängen. Bei der ersten Variante führt man M Iterationen durch, von denen jede N(N+1) Sondenmessungen im Nahfeld umfaßt, und dies für jedes gewünschte unterschiedliche Strahlungsdiagramm. Bei der zweiten Variante muß jeder aktive Modul einzeln charakterisiert werden, jedoch benötigt man anschließend zur Bestimmung der Elemente der Eichmatrix Q nur eine einzige Messung von N(N+1) Werten im Nahfeld, da sämtliche anderen Steuerungsgesetze anhand von Q und der Tabelle der an den aktiven Modulen durchgeführten Messungen berechnet werden können.
Natürlich kann das erfindungsgemäße Verfahren genauere Messungen liefern, wenn man bereit ist, eine größere Zahl von Nahfeldaufnahmen durchzuführen, beispielsweise K mal mehr, wobei K ein Multiplikationsfaktor ist (K = ganze Zahl).
Gemäß einer Variante des Verfahrens der Erfindung, führt man, wenn jeder aktive Modul mit einem "Subnetz" strahlender "patches" verbunden ist, dessen Fläche deutlich größer ist als das quadratische λ/2 × λ/2-Liniennetz, das hinsichtlich der Genauigkeit zur Aufnahme des Nahfelds der Antenne optimal ist, die Aufnahmen mit K Positionen pro Subnetz durch. Dies gestattet eine Annäherung an das ideale Liniennetz um den Preis einer verlängerten Dauer der Eichung. Die Genauigkeit wird jedoch verbessert, indem jede Gruppe von K Messungen durch eine mathematische "Projektion" des Nahfelds in diese K von einem einzigen strahlenden Subnetz abgestrahlten Punkte gemittelt wird. Wie diese mathematische liprojektionyl ausgeführt wird, wird in den folgenden Absätzen beschrieben.
Man führt die mit Elnk bezeichneten Nahfeldaufnahmen an N K Punkten durch, was einer gleichen Zahl von Richtungen p = N K der Femfeldabtastung entspricht. Man verfügt somit über K mal mehr Messungen E'nk zur Charakterisierung der N Steuerungen der Antenne. Die "Projektion auf das Nahfelddiagramm einer Quelle" besteht in der Durchführung der folgenden Schritte:
Vor der Eichung der gesamten aktiven Antenne, wird das Nahfelddiagramm e:
einer einzigen Strahlungsquelle an den K oben gewählten Abtastpunkten ihrer Oberfläche gemessen.
Nach Aufnahme der E'nk an p = N K Punkten vor der aktiven Antenne (K Punkte vor jeder Strahlungsquelle, welche die "Masche" der Nahfeldaufnahme liefern) projiziert man auf e die jeder Masche entsprechenden K Aufnahmen; das wäre für die Masche der Nummer n&sub0;:
Mathematisch läßt sich diese Projektion durch das komplexe Skalarprodukt:
ausdrücken, wobei das Symbol "*" das Konjugiert-komplexe anzeigt.
Dann ersetzt man die N K Aufnahmen E'nk durch N Werte:
welche die Mittelwerte der Nahfelddiagramme über jede Masche sind, gewichtet durch das Diagramm der Strahlungsquelle, die dieser Masche gegenüberliegt.
Ausgehend von diesem Schritt nimmt man die Berechnung der N×N-Eichmatrix Q vor, und zwar wie vorher, wo man N Nahfeldaufnahmen En mit jeder Gruppe von N Steuerwerten ci in Einklang gebracht hat.
Die mathematische Operation der Projektion kann durch die Gleichung
in der T eine Nxp-Matrix ist, in einem Matrizenformalismus dargestellt werden. Die Eichformel wird also:
In dieser Gleichung:
ist F ein Spaltenvektor aus p = N K Termen;
sind P und L quadratische Matrizen aus pxp Termen;
führt T wieder auf nur N Terme zurück;
ist Q wiederum eine NxN-Matrix und
ist C ein Spaltenvektor aus N Termen.
Der Vorteil dieser Variante ist die Erhöhung der Genauigkeit der Ergebnisse um einen Faktor K1/2 durch Mitteln von K Messungen für die jeder Strahlungsquelle gegenüberliegende Masche. Dieser Vorteil wird um den Preis einer um einen Faktor K höheren Zahl an Messungen und einer im gleichen Verhältnis erfolgenden Zunahme der Größe der zu berechnenden Matrizen erzielt.
Die Wahl wird also in Abhängigkeit von der Zahl aktiver Module, der Zahl verschiedener Strahlungsdiagramme, der Zahl der für die gewünschte Genauigkeit erforderlichen Iterationen optimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Varianten bieten unter anderem die obenerwähnten Vorteile. Die Eichmatrix Q = [qij] verbindet direkt die Steuerungen der aktiven Antenne mit dem abgestrahlten Nahfeld und berücksichtigt sämtliche Streuungen, welche die Abweichungen zwischen den tatsächlichen und den durch ein Programm berechneten theoretischen Strahlungsdiagrammen erzeugen. Die herstellungsbedingten Streuungen werden in der Matrix D = [di] berücksichtigt. Die Unvollkommenheiten der steuerbaren Elemente -- Phasenschieber, Steuerung des Verstärkungs faktors -- werden durch das iterative Verfahren oder durch einzeln an den aktiven Modulen durchgeführte Messungen berücksichtigt. Der Einfluß der Kopplungen zwischen den Strahlungsquellen auf ihre Elementardiagramme wird durch die nichtdiagonalen Terme der Matrix R = [rij] berücksichtigt.
Die erfindungsgemäße Eichung ist demnach besser als die Eichungen des bisherigen Stands der Technik, da sie Fehler berücksichtigt, die in den Verfahren des bisherigen Stands der Technik nicht berücksichtigt werden. Überdies sind die Messungen des vorliegenden Verfahrens schneller durchführbar, da nur eine einzige Abtastung der Sonde im Nahfeld (wenn keine aufeinanderfolgenden Iterationen durchgeführt werden müssen, wenn zum Beispiel die aktiven Module einzeln gemessen werden) mit nur N Meßpositionen erforderlich ist, wobei N die Zahl der aktiven Module ist. Beim bisherigen Stand der Technik ist es notwendig, eine Kartographie des gesamten Nahfeldes durchzuführen, mit einem maximalen Abstand von (λ/2)² und auf einer Fläche, die zwei- bis dreimal größer ist als die der Antenne. Die Schaltung N 180º-Bits für jede Position der Sonde erfolgt für eine Antenne mit elektronischer Steuerung sehr schnell. Aufgrund der Tatsache, daß die herstellungsbedingten Streuungen durch das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt werden, kann der Bereich der zulässigen Werte für diese Parameter (steuerungsabhängiger Verstärkungsfaktor, steuerungsabhängige Phasenverschiebung) erweitert werden. Die strengen Spezifikationen, die zur Beanstandung einer großen Zahl von Bauelementen führen, werden überflüssig. Außerdem erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine spezifischen Schaltungen in der aktiven Antenne. Dagegen fordern die Verfahren des bisherigen Stands der Technik zum Beispiel den Einbau eines "BFN zur Eichung", eines spezifischen Empfängers pro Modul oder auch eines Umschalters zum einzelnen reflexionsfreien Abschließen jedes Moduls nur zu Eichzwecken.

Claims

1. Verfahren zur Eichung einer aktiven Antenne mit N Strahlungsquellen; welches umfaßt, daß eine Sonde nacheinander vor jeder Strahlungsquelle angeordnet wird., um das Nahfeld vor dieser Quelle zu messen; dadurch gekennzeichnet, daß: die Phasen der Phasenschieber auf ihre Nennwerte für eine gewünschte Antennenkonfiguration eingestellt werden, um ein gesuchtes Strahlungsdiagramm zu erhalten; und daß: bei der Messung des Nahfeldes vor der Quelle der Reihe nach ein Phasenschieber auf jedem Kanal so gesteuert wird, daß die Strahlungsphase dieses Kanals auf 180º Phasenverschiebung in bezug auf ihren Nennwert geschaltet wird, wobei sämtliche N-l anderen Quellen gemäß ihren Nenn- Betriebswerten in dieser Konfiguration gesteuert werden, um das gesuchte Strahlungsdiagramm zu erhalten.

2. Verfahren zur Eichung einer aktiven Antenne mit N in einem Netz angeordneten Strahlungsquellen, wobei diese Netzanordnung zu einer Kopplung zwischen den Quellen führt, wobei diese Quellen durch aktive Module gespeist werden, wobei diese aktiven Module Mittel zur Steuerung der Phase und Mittel zur Steuerung des Verstärkungsfaktors aufweisen; wobei diese Quellen, diese aktiven Module, diese Mittel zur Steuerung der Phase und diese Mittel zur Steuerung des Verstärkungsfaktors geringe Streuungen der Charakteristiken aufweisen, welche auf die Herstellung dieser verschiedenen Elemente zurückzuführen sind, wobei diese Mittel zur Steuerung der Phase und des Verstärkungsfaktors außerdem durch einen bestimmten Steuerbefehl verursachte Ansprechungenauigkeiten aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß man gemäß dem Verfahren von Anspruch 1 mittels einer geeigneten Sonde Messungen im Nahfeld durchführt, die gleichzeitig die Effekte der Kopplungen zwischen Quellen, die herstellungsbedingten Streuungen der Charakteristiken und die Ungenauigkeiten der Steuermittel charakterisieren.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zunächst durch eines der Verfahren der vorgenannten Ansprüche die Steuerwerte des Verstärkungsfaktors und der Phase für eine gewünschte Antennenkonfiguration bestimmt werden, um ein gesuchtes Strahlungsdiagramm zu erhalten, und diese Steuerwerte auf die Steuermittel angewendet werden; wobei dieses Verfahren außerdem dadurch gekennzeichnet ist, daß: die Messungen im Nahfeld mit diesen Steuerwerten wiederholt werden, um erforderlichenfalls durch aufeinanderfolgende Iterationen feinere Korrekturen bei diesen Werten zu erhalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß: anhand von Messungen, die an den aktiven Modulen vor Zusammensetzen der Antenne durchgeführt werden, eine Eichtabelle formuliert wird; und daß: man nach Bestimmung der Steuerwerte durch eines der Verfahren der Ansprüche 1 und 2 die Steuerwerte mittels eines zusätzlichen iterativen Programms, das diese Eichtabelle der Module verwendet, verfeinert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Eichung einer aktiven Antenne, deren Module gemäß einer Maschenstruktur von deutlich über λ/2 in mindestens einer der Dimensionen der Antenne angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß: man vor jeder Strahlungsquelle K Nahfeldaufnahmen durchführt, die einer Maschenstruktur von etwa λ/2 entsprechen, und man anschließend diese K Aufnahmen durch Projektion auf das Nahfeld einer einzelnen Strahlungsquelle mittelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß: das Verfahren auf aktive Antennen angewendet wird, die im Sendebetrieb arbeiten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß: das Verfahren auf aktive Antennen angewendet wird, die im Empfangsbetrieb arbeiten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß: das Verfahren auf aktive Antennen angewendet wird, die abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb arbeiten.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß: das Verfahren auf eine Radarantenne angewendet wird, und daß: das Verfahren zweimal angewendet werden wird: einmal für die im Sendebetrieb arbeitende Antenne, um die Steuerwerte der Phasenverschiebung und des Verstärkungsfaktors beim Senden zu bestimmen; und das andere Mal für die im Empfangsbetrieb arbeitende Antenne, um die Steuerwerte der Phasenverschiebung und des Verstärkungsfaktors beim Empfang zu bestimmen.