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Allgemeiner Stand der
Technik
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1. Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet von Radarfrequenzeinheiten an Bord von Flugzeugen, wie
etwa Wetterradar und Transponder. Die Erfindung befaßt sich
insbesondere mit einer Radarfrequenzeinheit zum Übertragen eines Testausgangssignals
mit geringer Energie und zum Verarbeiten des sich ergebenden Testrücksignals,
um das VSWR zu bestimmen. Falls das VSWR einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt,
wird die Übertragung
eines Ausgangssignals mit Nennenergie verhindert.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Radareinheiten an Bord von Flugzeugen sind
einer Empfängerbeschädigung unterworfen, falls
ein Rücksignal
einen übermäßigen Energiepegel
aufweist. Dazu kann es beispielsweise kommen, wenn die Radareinheit
in der Nähe
eines starken Reflektors wie etwa einer Flugzeughalle aktiviert
wird. In solchen Fällen
kann der Energiepegel des Rücksignals
die Fähigkeit
des Empfängers übersteigen.
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Um eine Beschädigung auf ein Minimum zu reduzieren,
enthalten einige Einheiten nach dem Stand der Technik als die erste
Komponente in der Empfängerschaltung
einen Diodenbegrenzer. Jedoch können
insbesondere starke Rücksignale
die Kapazität
des Begrenzers übersteigen.
Wenn es dazu kommt, ist die Radareinheit außer Betrieb und das Flugzeug
kann gesperrt sein, bis der Begrenzer ausgetauscht ist.
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Begrenzer mit höherer Kapazität können installiert
werden, doch erhöht
dies die Kosten der Radareinheit und ist möglicherweise aufgrund von Raumbegrenzungen
im Radom unpraktisch. Der Stand der Technik weist dementsprechend
auf die Notwendig einen Weg hin, um eine Empfängerbeschädigung durch energiereiche
Rücksignale
zu verhindern.
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Aus
US
3,544,996 ist eine Radarfrequenzeinheit an Bord von Flugzeugen
bekannt, die einen Sender zum Übertragen
eines Radarfrequenzausgangssignals mit einem Energienennpegel, einen Empfänger zum
Empfangen und Verarbeiten eines sich aus der Übertragung des Ausgangssignals
ergebenden Rücksignals
und ein Steuermittel zum Steuern des Energiepegels des Ausgangssignals
und Übertragen
eines Testausgangssignals enthält.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Betreiben einer Radarfrequenzeinheit an Bord
von Flugzeugen bereitgestellt, wobei die Einheit einen Sender zum Übertragen
eines Radarfrequenzausgangssignals mit einem Energienennpegel, einen
Empfänger
zum Empfangen und Verarbeiten eines sich aus der Übertragung
des Ausgangssignals ergebenden Rücksignals
und ein Steuermittel zum Steuern des Energiepegels des Ausgangssignals enthält, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- a. Übertragen
eines Testausgangssignals, das einen Energiepegel darstellt, so
daß der
größte Energiepegel
eines resultierenden Testrücksignals
kleiner ist als ein größter zulässiger Pegel;
- b. Bestimmen für
ein Testrücksignal,
ob der Energiepegel des Testrücksignals
einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt,
wobei dies darauf hinweisen würde,
daß ein
Ausgangssignal mit einem Energienennpegel dazu führen würde, daß ein Rücksignalenergiepegel den zulässigen Pegel übersteigt; und
- c. Verhindern einer Übertragung
eines Energienennpegel-Ausgangssignals, falls der Testrücksignalenergiepegel
den Schwellwert übersteigt.
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Die vorliegende Erfindung kann die
oben erörterten
Probleme des Stand der Technik lösen
und einen ausgesprochenen Fortschritt beim Stand der Technik bereitstellen.
Insbesondere stellt die Erfindung hiervon ein wirtschaftliches und
platzsparendes Mittel bereit, um Radareinheitempfängerbeschädigungen
zu verhindern, die durch energiereiche Rücksignale verursacht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform überträgt die Radareinheit
ein energiearmes Testausgangssignal, so daß der größte Energiepegel eines resultierenden
Testrücksignals
kleiner ist als ein größter zulässiger Pegel.
Das Testrücksignal
wird dann verarbeitet, um zu bestimmen, ob der Energiepegel des
Testrücksignals
einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt,
was darauf hinweist, daß eine Übertragung
mit Nennenergie den größten zulässigen Pegel übersteigen
würde.
Wenn dies der Fall ist, verhindert die Einheit die Übertragung
eines Nennpegel-Ausgangssignals.
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Bei bevorzugten Formen wird das VSWR (Spannungsstehwellenverhältnis) aus
dem Testausgangssignal und dem Testrücksignal bestimmt und das VSWR
wird mit einem vorbestimmten VSWR-Schwellwert verglichen. Bei einer
Ausführungsform
wird das VSWR dazu verwendet, den Energiepegel für ein Ausgangssignal niedrigerer
Leistung zu bestimmen, so daß der
Energiepegel eines Rücksignals
den größten zulässigen Pegel
nicht übersteigen
würde.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Die einzige Zeichnungsfigur ist ein
Blockdiagramm, das die bevorzugte Radareinheitsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Wie in der Zeichnungsfigur dargestellt,
enthält
die bevorzugte Radarfrequenzeinheitsvorrichtung 10 einen
Senderabschnitt 12, einen Antennenabschnitt 14,
einen Empfängerabschnitt 16 und
einen Steuerabschnitt 18. Bei den elektrischen Komponenten
der Vorrichtung 10 handelt es sich bevorzugt um Modell
ART 2000, erhältlich
von AlliedSignal in Lenexa, Kansas, das programmgesteuert arbeiten
kann und wie hier beschrieben modifiziert ist, um die vorliegende
Erfindung umzusetzen. Die Radarfrequenzeinheit oder die Radarvorrichtung
umfaßt
außerdem,
wie hier verwendet, beispielsweise Transponder zusätzlich zu
Wetterradarsystemen.
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Der Senderabschnitt 12 enthält eine
Stromversorgung 20, ein Impulsformnetz 22, ein 4000-Watt-Magnetron 24 und
einen E-Ebenen-Isolator 26. Von der Stromversorgung 20 und
dem Impulsformnetz 22 erhält das Magnetron 24 entsprechend dem
vom Steuerabschnitt 18 empfangenen Impulsbreitensignal 4 Mikrosekunden
lang einen Impuls von 3600 Volt bei 3 Ampere. Als Reaktion zündet das
Magnetron 24 und liefert einen HF-Impuls an den Isolator 26,
was das Magnetron davor schützt,
im Fall eines hohen VSWR von der Antenne oder dem Radar gezogen
zu werden.
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Der Antennenabschnitt 14 enthält einen E-Ebenen-Zirkulator 28,
ein harmonisches Filter 30, eine Antenne 32 und
eine Antennensteuerschaltung 34. Ein Drei-Port-Zirkulator 28 empfängt den
HF-Impuls vom Isolator 26 und gestattet den Hindurchtritt der
Magnetronenergie über
das Filter 30 zur Antenne 32, verhindert aber
den Energiedurchgang zum Empfängerabschnitt 16.
Der Zirkulator 28 sorgt für eine Umkehrisolierung von
20 dB. Vom Zirkulator 28 tritt der HF-Impuls durch das
harmonische Filter 30 hindurch, das ein Tiefpaßfilter
mit einem Übergangspunkt
von etwa 12 GHz ist. Das Filter 30 reduziert die Leistung
in der zweiten Harmonischen, damit Spezifikationen hinsichtlich
der abgestrahlten Harmonischen genügt wird. Der HF-Impuls wird
dann von der Antenne 32 als ein Ausgangssignal mit einer
Verstärkung
von 26,0 dBi als dem bevorzugten Nennenergiepegel für eine Antenne
von 10 Zoll (oder 27,8 dBi für
eine Antenne von 12 Zoll) in die Atmosphäre abgestrahlt.
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Die Antennensteuerschaltung 34 enthält herkömmliche
Azimut- und Neigungsmotoren und jeweilige Antriebsschaltungen mit
Azimut- und Neigungs-Hall-Sensoren
(nicht gezeigt), die mit dem Steuerabschnitt 18 gekoppelt
sind. Die Schaltung 34 steuert die Azimut- und Neigungsbewegung
der Antenne 32.
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Ein sich aus der Übertragung des Ausgangssignals
ergebendes Rücksignal
wird von der Antenne 32 empfangen und über das Filter 30 zum
Zirkulator 28 weitergeleitet. Der Zirkulator 28 verhindert,
daß das
Rücksignal
zum Magnetron 24 läuft.
Stattdessen legt der Zirkulator 28 das Rücksignal
an den Empfängerabschnitt 16 an.
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Der Empfängerabschnitt 16 enthält einen
Diodenbegrenzer 36, eine Mischschaltung 38, einen Vorverstärker 40,
ein Bandpaßfilter 42,
einen Verstärker 44 mit
automatischer Verstärkungsregelung (AGC),
einen Verstärker 46 mit
manueller Verstärkung,
eine Empfängerschaltung 48,
eine Displayschaltung 50, eine AGC-Ansteuerung 52 und
eine Ansteuerung 54 für
die manuelle Verstärkung.
Der Diodenbegrenzer 36 empfängt das Rücksignal vom Zirkulator 28 und
wird dazu verwendet, die Komponenten des Empfängerabschnitts 16 von
durch Signale mit einem hohen Energiepegel verursachten Beschädigungen
zu schützen.
Insbesondere begrenzt der Begrenzer 36 die Stärke der
Rücksignalenergie, die
zu den anderen Komponenten des Empfängerabschnitts 16 weitergeleitet
wird. Obwohl der Zirkulator 28 20 dB an Isolierung vom
Magnetron 24 bereitstellt, wird zudem einige Magnetronenergie
vom Empfängerport
des Zirkulators 28 aus weitergeleitet. Der Begrenzer 36 begrenzt
außerdem
die Stärke
der zu den anderen Empfängerkomponenten
weitergeleiteten Magnetronenergie.
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Der Mischer 38 enthält einen
rauscharmen Verstärker,
einen Mischer, einen Überlagerungsoszillator
und einen Puffer mit dem Verstärkungsfaktor 1. Der
Mischer 38 empfängt
das Rücksignal
vom Begrenzer 36 und liefert ein gepuffertes 59 MHz IF-Rücksignal
mit einer Verstärkung
von 5 dB an den Vorverstärker 40,
der eine Verstärkung
von etwa 30 dB liefert. Vom Vorverstärker 40 aus läuft das
Rücksignal
durch das 800 kHz-Bandpaßfilter 42.
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Die Verstärker 44 und 46 liefern
zwei Verstärkungsstufen.
Der AGC-Verstärker
sorgt für
eine Empfindlichkeitszeitsteuerung, und die automatische Verstärkungssteuerung
kann entsprechend dem Steuereingang der AGC-Ansteuerung 52 zwischen 35
dB und –5
dB Verstärkung
variieren. Der Verstärker 46 mit
der manuellen Verstärkung
ist der nachgestellte Verstärker,
wenn vom Benutzer der Vorrichtung 10 eine manuelle Verstärkungsnachstellung ausgewählt ist.
Die Verstärkung
des Verstärkers 46 variiert
je nach der ausgewählten
Verstärkungseinstellung
zwischen etwa 30 dB und 10 dB.
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Die Rücksignalausgabe des Verstärkers 46 wird
der Empfängerschaltung 48 (individuelle
Komponenten nicht gezeigt) zugeführt,
die das Rücksignal
auf herkömmliche
Weise verarbeitet und die es darstellende digitale Daten über den
Datenbus an den Steuerabschnitt 18 und an die Displayschaltung 50 liefert.
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Die Displayschaltung 50 enthält ein herkömmliches
Wetterradardisplay und zugeordnete Komponenten, um dem Piloten eine
Sichtdarstellung des Rücksignals
wie etwa Wolkenbildungen zu liefern. Die Schaltung 50 enthält, wie
hier weiter erörtert wird,
auch ein VSWR-Display.
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Die AGC-Ansteuerung 52 und
die Ansteuerung 54 für
manuelle Verstärkung
liefern Verstärkungssteuerausgänge an die
Verstärker 44 bzw. 46 entsprechend
den über
den Datenbus von dem Steuerabschnitt 18 ausgelieferten
Daten.
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Der Steuerabschnitt 18 enthält einen
Mikroprozessor 56, einen Festwertspeicher (ROM) 58 und einen
Ausgangsport 60 zusammen mit einer herkömmlichen Unterstützungsschaltung 62 (individuelle
Komponenten nicht gezeigt), wie etwa RAM, EEPROM, Chipauswahl-,
Rücksetz-
und Überwachungsschaltung,
Oszillator, Zeitleitungsunterbrechung, Impulsbreiten- und AFC-Steuerung, Eingangsports
und Multiplex-Buskoppler. Der Mikroprozessor 56 arbeitet
gemäß einem
im ROM 58 gespeicherten Computerprogramm. Der Ausgangsport 60 liefert
das Impulsbreitensignal an das Pulsformnetz 22 entsprechend
dem Programm im ROM 58.
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Das bevorzugte Verfahren der vorliegenden Erfindung
wird durch das im ROM 58 gespeicherte Betriebsprogramm
umgesetzt, das modifiziert ist, um die hier beschriebenen Schritte
durchzuführen.
Das Nennausgangssignal ist, wie hier erörtert, ein 4-kW-Signal (6 kW bei
einer Antenne von 12 Zoll) mit einer Zeitimpulsbreite von 4 Mikrosekunden,
was zu einer normalen größten reflektierten
Leistung im Rücksignal
von 500 Watt führt.
Die Empfängerschaltung 16 ist
dementsprechend ausgelegt, ein 500-Watt-Rücksignal zu verarbeiten, und
der Begrenzer 36 ist so konfiguriert, daß er die
Signalstärke auf
diesen Pegel begrenzt. In einigen Fällen jedoch kann ein Nennausgangssignal
zu einem Rücksignal mit
einem Pegel von über
500 Watt führen.
Dazu könnte
es bei Reflexion von einem nahegelegenen Reflektor wie etwa von
einer Flugzeughalle kommen, oder wenn das Radom fehlerhaft ist,
um Beispiele zu nennen. In diesem Fall könnte der Energiepegel des Rücksignals
so hoch sein, daß der
Begrenzer beschädigt
wird.
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Dementsprechend ist die Vorrichtung 10 so programmiert,
daß sie
gelegentlich in einem Testmodus arbeitet, wie hier weiter erläutert wird.
Im Testmodus überträgt das Programm
anstelle des Nennausgangssignals ein Testausgangssignal. Das bevorzugte
Testausgangssignal stellt einen reduzierten Energiepegel als einen
Impuls mit einer Zeitimpulsbreite von 1 Mikrosekunde anstelle der
nominellen 4 Mikrosekunden bereit. Dadurch beträgt die Testausgangssignalenergie
etwa ein Viertel der der Ausgangssignalnennenergie. Die Testausgangssignalenergie
ist so konfiguriert, daß der
größte Energiepegel
eines resultierenden Testrücksignals
kleiner ist als der bevorzugte größte zulässige Pegel von 500 Watt. Das
heißt,
daß der
größte Energiepegel
eines Rücksignals
selbst dann nicht den größten zulässigen Pegel übersteigen
würde,
wenn sich das Flugzeug in der Nähe
eines nahegelegenen Reflektors befinden würde.
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Ein sich aus der Übertragung des Testausgangssignals
ergebendes Testrücksignal
wird über den
Antennenabschnitt 14 empfangen und im Empfängerabschnitt 16 und
im Steuerabschnitt 18 verarbeitet. Es versteht sich, daß das Testrücksignal
eine geringe Signalstärke
aufweist. Das Programm bewirkt dementsprechend, daß die AGC-Ansteuerung 52 und
die Ansteuerung 54 für
manuelle Verstärkung die
Verstärkungsfaktoren
der Verstärker 44 bzw. 46 auf
Verstärkungsfaktoren
erhöhen,
die für
eine präzise
Analyse hoch genug sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform
werden die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 44, 46 auf
ein Maximum unter der Sättigung
nachgestellt.
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Als nächstes bestimmt das Programm
die Beziehung zwischen den Energiepegeln des Testausgangssignals
und des Testrücksignals.
Insbesondere bestimmt das Programm das VSWR, das auf dem Display
der Displayschaltung 50 dargestellt wird. Als nächstes vergleicht
das Programm das VSWR mit einem vorbestimmten Schwellwert, der bei der
bevorzugten Ausführungsform
ein VSWR von 2/1 ist. Falls das VSWR diesen Schwellwert übersteigt, weist
dies darauf hin, daß die Übertragung
eines Ausgangssignals mit einem Energienennpegel zu einem Rücksignal
mit einem Energiepegel führen
würde,
der den größten zulässigen Pegel übersteigt.
Das Programm verhindert dementsprechend die Übertragung eines Ausgangssignals
mit einem Energienennpegel.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung aktiviert
das Programm einen Alarm (der als Teil der Displayschaltung 50 enthalten
ist), wenn das VSWR den Schwellwert übersteigt. Bei einer weiteren
Ausführungsform
berechnet das Programm außerdem einen
reduzierten Energiepegel für
ein Ausgangssignal mit reduzierter Energie (beispielsweise 3 Mikrosekunden),
so daß ein
sich ergebendes Rücksignal einen
Energiepegel aufweisen würde,
der unter dem größten zulässigen Pegel
liegt, und es ermöglicht dann
den Betrieb der Vorrichtung 10 unter Verwendung von Ausgangssignalen
mit reduzierter Energie. Die Ausgangssignale mit reduzierter Energie
unterliegen einer Minimalanforderung, daß die Energie für den Nutzbetrieb
der Vorrichtung 10 ausreicht.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
würde der
Testmodus immer dann implementiert werden, wenn die Vorrichtung 10 bestromt
wird, wenn der Bereich geändert
wird oder bei manueller Aktivierung. Es wird außerdem bevorzugt, daß das Programm den
Testmodus bei jeder von ausgewählten
Antennenpositionen implementiert, einschließlich der Maximal- und Minimal-,
Azimut- und Neigungsposition und der Antennenmittelposition.
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Der Fachmann versteht außerdem,
daß man durch
die Bestimmung und die Anzeige des VSWR bei Betrieb und während der
Reparatur nützliche
Informationen erhält.
Das VSWR-Display fungiert wie ein Indikator für den Piloten hinsichtlich
des Leistungsstatus der Radareinheit. Außerdem kann das VSWR-Display
als ein Radomtester fungieren. Indem das VSWR bei abgenommenem Radom
mit dem VSWR bei aufgesetztem Radom verglichen wird, kann ein Techniker
bestimmen, wieviel Signalreflexion durch das Radom selbst verursacht
wird.
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Die vorliegende Erfindung schließt viele
Variationen an den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
ein. Beispielsweise ist die Nützlichkeit
der Erfindung nicht auf Impulsradarsysteme oder auf Radareinheiten
mit den hier beschriebenen Leistungsniveaus beschränkt.