DE69701165T2

DE69701165T2 - Selbst-Eichung einer Gruppenantenne mit ungleichmässiger gegenseitiger Kupplung der Antennenelemente und willkürlicher Orientierung des Antennnengitters

Info

Publication number: DE69701165T2
Application number: DE69701165T
Authority: DE
Inventors: Eric N. Boe; Gib F. Lewis
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1996-05-02
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: JPH1068751A; EP0805514A3; EP0805514A2; US5657023A; AU683821B1; JP3215652B2; DE69701165D1; ES2141557T3; CA2203965A1; EP0805514B1; CA2203965C

Description

Diese Erfindung wurde mit der durch die Regierung ausgeschriebenen vertraglichen Unterstützung der Regierung gemacht. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft phasengesteuerte Gruppenantennen, und insbesondere eine verbesserte Technik zur Kalibrierung der Gruppenelemente auf eine bekannte Amplitude und Phase.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Einer der zeitraubensten und resourcenverbrauchensten Schritte bei der Herstellung einer elektronisch abgetasteten Gruppenantenne ist die Kalibrierung ihrer Elemente untereinander. All diese Elemente der Gruppe müssen auf eine bekannte Amplitude und Phase kalibriert werden, um einen Strahl zu bilden. Dieser Vorgang wird als Gruppen-Einphasen bezeichnet.
Herkömmliche Einphas-Techniken erfordern typischerweise die Verwendung von externen Meßeinrichtungen, wie bspw. ein Nahfeldbereich, um jedem Element ein Referenzsignal beim Empfang zu liefern, und um das Ausgangssignal jedes Elements zur Übertragung zu messen. Da all diese Elemente mit voller Leistung betrieben werden müssen, um das volle Übertragungswellenspektrum, das abgetastet werden soll, wird eine große Menge an Energie während dieses Testens ausgestrahlt. Dies führt zu ei nigen notwendigen Vorkehrungen zur Abschirmung hoher HF- Leistung, und bringt eine Anzahl von Sicherheitsbedenken mit sich. Es wäre deshalb vorteilhaft, eine Einphas-Technik vorzusehen, die den Abgang von HF-Energie minimiert.
Bekannte Gruppen-Verkopplungs-Einphas-Techniken sind abhängig von der zweidimensionalen symmetrischen Gitteranordnung (gleichseitiges Dreieck) und gleichen Verkopplungs-Antworten der Elemente in alle drei Gitterrichtungen. Dies sind ernsthafte Beschränkungen, da gleichseitige Dreiecksgitteranordnungen nicht immer verwendet werden. In ähnlicher Weise ist die Verkopplungs-Antwort der Elemente nicht immer in allen Gitterrichtungen gleich.
GB 2 171 849 A offenbart ein Verfahren zur Ausrichtung phasengesteuerter Gruppenantennensysteme bspw. für Radarzwecke. Ein solches Antennensystem umfaßt eine Anzahl von Antennenelementen, die über einen Signalkanal versorgt werden. Jeder der Kanäle umfaßt ein Modul, das eine variable Verstärkersteuerung und eine variable Phasensteuerung umfaßt. Um eine Phaseneinstellung dieses Gruppensystems auszuführen, wird ein Kanal als Referenzkanal ausgewählt. Dieser eine Kanal wird mit Energie versorgt und Verstärkungs- und Phasensteueraktivierungsmittel werden entsprechend angesteuert, um eine vorgegebene Verstärkung und einen Phasenzustand in dem Kanal herzustellen. Dieser Referenzkanal bleibt während der gesamten Phaseneinstellprozedur auf der gewählten Verstärkungsphase mit Energie beaufschlagt. Ein zweiter Kanal wird dann ausgewählt und mit Energie beaufschlagt. Die Verstärkung in diesem zweiten Kanal wird eingestellt, indem bereits erfaßte Daten verwendet werden, die mit denen in dem Referenzkanal übereinstimmen. Ein Instrument in herkömmlicher Art wird mit den Ausgängen des Referenzkanals und dem zweiten Kanal verbunden, um die Differenz zwischen den Spannungen, die an diesen Ausgängen auftreten, auszulesen. Der Befehl an das Phasensteueraktivierungsmittel des zweiten Kanals kann variiert werden, und damit die Phase der Ausgangsspannung des zweiten Kanals. Dann wird der zweite Kanal von der Energieversorgung getrennt und isoliert, und ein dritter Kanal wird mit Energie beaufschlagt, wenn die Phaseneinstellprozedur wiederholt wird; so wird für alle Kanäle bis zum Kanal N verfahren.
US 5,063,529 A offenbart ein Kalibrierungs-Verfahren für eine phasengesteuerte Gruppenantenne, das automatisierte Signalverarbeitungstechniken einsetzt, um die Kalibrierungskoeffizienten zu berechnen. Das darin offenbarte Kalibrieriungsverfahren verwendet Kalibrierungssignale, die der Gruppenantenne zugeführt werden, um In-Phase- und Quadraturapertur-Antworten zu erzeugen, die gemessen werden und zur Berechnung der Kalibrierungskoeffizienten verwendet werden.
US 5,477,229 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer aktiven Antenne, wobei das aktive Element einer Übertragungsfunktionsmatrix gemessen wird, indem eine Nahfeldsonde für jede Strahlungsquelle der Antenne verwendet wird. Die Sonde wird nacheinander vor jede Quelle plaziert, und jede Quelle wird selbst mit entgegengesetzter Phase angeregt, wobei alle anderen Quellen der Gruppe normal angeregt werden.
GB 2,259,778 A offenbart ein Testradarantennensystem. Zum Testen und Kalibrieren eines Radargruppenantennensystems sowohl für die Übertragung als auch den Empfang, ist jedes Gruppenele ment mit einem Koppler versehen. Für den Übertragungstest wird ein Testübertragungssignal über den Koppler jedes aktiven Elements durch einen Übertragungskalibrierungsdetektor abgetastet, wobei das Signal über einen Teiler und einen Schalter läuft. Beim Testen des Empfangs wird ein Testimpuls von einem Kalibrierungstestimpulsgenerator zu einem aktiven Element gekoppelt und von einer Empfangsschaltung detektiert. Das Antennensystem, das hier offenbart ist, besteht aus einer Antenne mit einer Menge von kreisförmig gruppierten abstrahlenden Säulen.
US 4,176,354 offenbart ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Betriebsfähigkeit eines Radarsystems mit einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem. Dieses phasengesteuerte Gruppensystem umfaßt eine Vielzahl von identischen Strahlungselementen, die links und rechts von der Gruppenmitte angeordnet sind. Es ergibt sich aus der Offenbarung, daß die Strahlungselemente so angeordnet sind, daß sie auf einer Linie liegen. Demgemäß ist das phasengesteuerte Gruppensystem ein eindimensionaler Typ.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ermöglicht das Einphasen von Gruppenantennen ohne die Verwendung eines Nahfeld- oder Fernfeldbereichs. Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird zur gleichen Zeit nur ein Element in einem Sendestatus verwendet, so daß die HF- Energieabgabe reduziert wird. Verkopplungen (gegenseitige Kopplungen) und/oder Reflexionen werden eingesetzt, um ein Signal von einem Element zu seinen Nachbarn zu liefern. Dieses Signals weist eine Referenz auf, um es den Elementen zu ermöglichen, im Hinblick zueinander eingephast zu werden. Wenn die erste Stufe des Vorgangs beendet ist, wird die Gruppe in zumindest vier verschachtelte Gitter eingephast. Die Erfindung liefert auch einen Weg zum Einphasen der verschachtelten Gitter im Hinblick zueinander, so daß der Einphasvorgang abgeschlossen wird. Diese Technik arbeitet mit jeglicher allgemeinen gleichmäßig beabstandeten Gitterorientierung. Die Technik ist sowohl bei der Übertragungs(Sende)- als auch bei der Empfangs-Kalibrierung anwendbar.
Somit wird entsprechend einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Erreichen des Einphasens der abstrahlenden Elemente mit einer Gruppenantenne angegeben, wobei die Elemente in einer Vielzahl von beabstandeten verschachtelten Gittern angeordnet sind, mit den Schritte:
(i) Senden eines Meßsignals von nur einem einzelnen Element eines ersten verschachtelten Gitters zu einem Zeitpunkt, Empfangen des gesendeten Meßsignals von einem oder mehreren benachbarten Elementen eines zweiten verschachtelten Gitters, und Berechnen der Phase und der Verstärkungsunterschiede zwischen Elementen des zweiten verschachtelten Gitters als Ergebnis der Übertragung der einzelnen Elemente des ersten Gitters;
(ii) Wiederholen von Schritt (i), um der Reihe nach Meßsignale von anderen Elementen des ersten Gitters zu senden und die übertragenen Signale durch Elemente des zweiten Gitters zu empfangen, Berechnen der resultierenden Phasen und Verstärkungs-Unterschiede, und Benutzen der berechneten Phasen- und Verstärkungsunterschiede, um eine erste Menge an Korrekturkoeffizienten zu berechnen, die, wenn auf entsprechende Elemente des zweiten Gitters ange wendet, ermöglichen, daß diese Elemente die gleiche Phase und Verstärkungsantwort zeigen, und dadurch ein eingephastes zweites Gitter geliefert wird;
(iv) für jedes der restlichen Gitter der Elemente, Wiederholen der Schritte i), ii) und iii), um eine Vielzahl von verschachtelten eingephasten Gittern zu erhalten;
(v) Bestimmen einer Menge von Verhältnissen der Element-Verkopplungskoeffizienten für die Gruppe; und
(vi) Verwenden der Menge von Verhältnissen der Element-Verkopplungskoeffizienten, um die notwendigen Einstellungen der Elemente, die die Gruppe umfassen, zu bestimmen, um die Vielzahl von verschachtelten Gitter in Phase zu bringen,
wobei das Einphasen der Gruppe durch Senden von Signalen durch nur ein Element zu einem gegebenen Zeitpunkt erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzielung eines Einphasens der abstrahlenden Elemente, die eine Gruppenantenne umfassen, vorgesehen, wobei die Elemente in einem rhombischen Gitter angeordnet sind, mit den Schritte:
(i) Auftrennen der Gruppe in erste und zweite verschachtelte Gitter von Elementen, die in entsprechenden Zeilen und Spalten angeordnet sind;
(ii) für das erste Gitter, Aussenden von einem einzelnen Element, Empfangen des ausgesendeten Signals durch vier benachbarte Elemente in dem zweiten Gitter, und Einstellen von drei der Empfangselemente, um den Unterschied zwischen den jeweils empfangenen Signalen und dem Signal, das von dem übrigen vier ten Element der vier Empfangselemente empfangen wird, zu minimieren;
(iii) Wiederholen des Schritts ii) für jedes der anderen Elemente in dem ersten Gitter, um alle Elemente innerhalb des zweiten Gitters einzuphasen;
(iv) für das zweite Gitter, Aussenden durch ein einzelnes Element, Empfang des ausgesendeten Signals durch vier benachbarte Elemente in dem ersten Gitter, und Einstellen von drei der Empfangselemente, um die Differenz zwischen den jeweiligen empfangenen Signalen und dem Signal zu minimieren, das das übrige vierte Element der vier Empfangselemente empfangen hat;
(v) Wiederholen von Schritt (iv) für jedes der anderen Elemente in dem zweiten Gitter, um alle Elemente innerhalb des ersten Gitters einzuphasen;
(vi) Bestimmen einer Mengen von Verhältnissen der Elementverkopplungskoeffizienten für die Gruppe; und
(vi) Verwenden der Menge von Verhältnissen der Elementverkopplungskoeffizienten, um notwendige Einstellungen für Elemente, die die Gruppe umfassen, festzulegen, um das erste und das zweite verschachtelte Gitter in Phase zu bringen,
wobei das Einphasen der Gruppe erreicht wird, indem Signale nur eines Elements zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ausgesendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich genauer aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer exemplarischen Ausführungsform, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
Fig. 1A-1D vier Trapezoid-Konfigurationen darstellen, die Gruppenelement-Gitterpositionen repräsentieren;
Fig. 2A die Technik des Einphasens der geraden und ungeraden verschachtelten Gitter einer linearen Gruppe von Elementen zum Empfang bzw. zum Senden darstellt; Fig. 2B die Technik des Einphasens der geraden und ungeraden Gitter beim Senden bzw. Empfangen darstellt;
Fig. 3 vier exemplarische Elemente einer Liniengruppe darstellt;
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung ist, die eine rhombische Gitterkonfiguration einer Gruppe darstellt;
Fig. 5 die Kopplungspfade der vier Elemente der rhombischen Gruppe von Fig. 4 darstellt; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Elementpositionen in einem parallelogrammförmigen Gruppengitter ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren der Gruppenantennenelemente auf eine bekannte Amplitude und Phase. Es gibt verschiedene ein- und zweidimensionale Gruppenkonfigurationen. Die Elemente sind allgemein entsprechend einer linearen (eindimensionalen) oder einer zweidimensionalen Polygonkonfiguration angeordnet. Ein Rhombus ist ein Trapezoid mit gleich langen Seiten und parallelen gegenüberliegenden Seiten, wie in Fig. 1A angegeben. Ein Rechteck ist ein Spezialfall eines Rhom bus, wobei die Winkel zwischen benachbarten Seiten 90 Grad betragen (Fig. 1B). Ein Parallelogramm ist ein Trapezoid mit einander gegenüberliegenden parallelen Seiten (Fig. 1C). Ein Rechteck ist ein Spezialfall eines Parallelogramms, wobei der Winkel zwischen benachbarten Seiten 90 Grad beträgt (Fig. 1D). Die Ecken dieser Trapezoide stellen Gruppenelement- Gitterpositionen in beispielhaften Gruppenkonfigurationen dar. Zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung wird der Fall der linearen Gruppe als erstes diskutiert, wobei sich die Diskussion des Rhombus- und des Parallelogramm-Falles anschließt.

1. Kalibrieren einer Gruppe von Elementen, die in einer Liniengruppe angeordnet sind.

Die nachfolgende Beschreibung der Reihenfolge und Schritte zum Kalibrieren einer Gruppe von Elementen in einer Liniengruppe wird rein exemplarisch durchgeführt. Die gleichen Einphas- Ziele können durch viele mögliche Reihenfolgen erreicht werden. Andere Reihenfolgen können im Hinblick auf die gesamte Meßzeit oder vielleicht die Meßgenauigkeit besser sein.
Empfangs-Einphasen eines geraden Elements. Die ersten Reihen von Messungen werden beim Einphasen der geradzahligen Elemente erreicht, die im Empfangsmodus arbeiten, und der ungeradzahligen Elemente beim Senden. Fig. 2A zeigt eine Liniengruppe, die Elemente 1-5 umfaßt. Die Reihenfolge beginnt mit dem Senden durch Element 1, wie in Fig. 2A gezeigt, als Übertragung T&sub1;, und gleichzeitigem Empfang eines Meßsignals R in dem Element 2. Ein Signal T&sub2; wird dann von Element 3 gesendet, und ein Meßsignal wird in Element 2 empfangen. Die Phasen- und Verstärkungs- Antwort von Element 2 wird in diesem Fall (Empfang des übertra genen Signals von Element 3) mit dem von der vorherigen Messung (Empfang des übertragenen Signals von Element 1) verglichen. Dies ermöglicht die Berechnung der Sende-Phasen/Verstärkungs- Unterschiede zwischen Elementen 1 und 3. Während das Element 3 noch sendet, wird eine Empfangsmessung dann durch das Element 4 vorgenommen. Die Unterschiede in der empfangenen Phasen/Verstärkungsantwort von Elementen 2 und 4 kann dann berechnet werden.
Um das in Fig. 2 gezeigte Beispiel zu beenden, wird ein Signal T&sub3; von dem Element 5 ausgestrahlt und ein Empfangssignal wird in Element 4 gemessen. Daten von dieser Messung ermöglichen es dem Element 5, die Sendephasen/Verstärkungskoeffizienten im Hinblick auf die Sendeanregungen der Elemente 1 und 3 zu berechnen.
Das Ergebnis dieser Reihe von Messungen ist eine Berechnung der Korrekturkoeffizienten, die, wenn angewendet, es den Elementen 2 und 4 ermöglichen, die gleiche Empfangsphasen/Verstärkungsantwort zu zeigen. Ferner werden zusätzliche Koeffizienten erhalten, die, wenn angewendet, es den Elementen 1, 3 und 5 ermöglichen, die gleiche Sende-Phasen/Verstärkungsantwort zu zeigen. Typischerweise können die Koeffizienten durch entsprechende Einstellung der Gruppenverstärkung und Phasenverschiebungs-Befehle, Dämpfungseinstellungen und Phasenverschiebungen angewendet werden.
In einer Liniengruppe willkürlicher Erstreckung werden die Meßreihen des Sendens von jedem Element und das Durchführen der Empfangsmessungen von benachbarten Elementen bis zum Ende der Gruppe ausgeführt. Somit kann die Kalibrierungstechnik bei beliebig großen Gruppen angewendet werden. Empfangsmessungen, die Elemente anders als jene benachbart zu den Sendeelementen verwenden, können ebenfalls eingesetzt werden. Diese zusätzlichen Empfangsmessungen können zu einer reduzierten Gesamtmeßzeit und zu einer erhöhten Meßgenauigkeit führen.
Empfangs-Einphasung eines ungeraden Elements. Die zweite Reihe von Messungen hat ein Einphasen der ungeradzahligen Elemente beim Empfangen und der geradzahligen Elemente beim Senden zum Ziel. Diese Meßreihen sind ähnlich der zuvor für die Einphasung der geraden Elemente beschriebenen und sind in Fig. 2B dargestellt.
Zuerst liefert ein Sendesignal von Element 2 eine Anregung für Empfangsmessungen von Element 1 und dann Element 3. Dies erlaubt eine Berechnung der relativen Empfangs-Phasen/Verstärkungsantworten der Elemente 1 und 3.
Ein Sendesignal von Element 4 wird dann verwendet, um Empfangsmessungen von Element 3 und dann Element 5 durchzuführen. Dies erlaubt die Berechnung der relativen Empfangs- Phasen/Verstärkungsantwort von Elementen 3 und 5. Die relative Sendeantwort von Element 4 bezüglich der von Element 2 kann auch berechnet werden. Alle Koeffizienten können dann verwendet werden, um ein Empfangs-Einphasen der geraden Elemente und ein Sende-Einphasen der ungeraden Elemente vorzusehen.
Um die gesamte Einphasung zu beenden, müssen die verschachtelten eingephasten ungeraden/geraden Elemente in eine gesamte Phasen/Verstärkungsangleichung gebracht werden. Der folgende Abschnitt beschreibt eine Technik, um Koeffizienten zu bestimmen, die, wenn angewendet, dies erreichen.

Bestimmen des Verhältnisses der Kopplungskoeffizienten längs einer Liniengruppe.

Die zuvor beschriebene Technik ermöglicht das Einphasen der verschachtelten Gitter mit Phasen/Verstärkungsreferenzen, die für jedes der verschachtelten Gitter einzigartig ist. Um das gesamte Einphasungsziel zu erreichen, müssen die Unterschiede der Phasen/Verstärkungsreferenzen für die verschachtelten Gitter meßbar sein. Eine Technik, um das gesamte Einphasungsziel zu erreichen, wird nun beschrieben. Eine lineare Gruppe wird als ein Beispiel verwendet, da sie am einfachsten eine Technik demonstriert, die bei der allgemein zweidimensionalen Gruppe anwendbar ist, mit zwei verschachtelten Gittern, den ungeraden/geraden Gittern. Das Verhältnis der aus dem folgenden bestimmten Koeffizienten ermöglicht das gemeinsame Einphasen der zwei Gitter.
Fig. 3 stellt ein vierelementiges Segment einer Liniengruppe dar. Die Kopplungswege sind durch α und β angegeben.
Ein-Verkopplungssignal s umfaßt drei komplexwertige Komponenten:
Eine Sende-Übertragungsfunktion ATejφT
Einen Kopplungskoeffizieten ACejφC
Eine Empfangs-Übertragungsfunktion ARejφRr
s = ATejφT · ACejφc · ARejφR
Definition: T als ein gesendetes Signal
R als ein empfangenes Signal
α als Kopplungsstrecke eines benachbarten Elements
β als Kopplungsstrecke abwechselnder Elemente.
Der erste Schritt besteht darin, die beiden Signale s&sub1; und s&sub2; zu messen, wobei die Anregung durch das Senden durch Element 1 und das Empfangen durch Elemente 2 und 3 geliefert wird. Das Senden durch Element 1 und das Empfangen in Element 2 wird in Gleichung 1 dargestellt. Senden durch Element 1 und Empfangen in Element 3 wird in Gleichung 2 beschrieben. Der nächste Schritt besteht darin, die beiden Signale s&sub3; und s&sub4; mit der Anregung zu messen, die durch Senden durch Element 4 und Empfangen in Elementen 2 und 3 vorgesehen wird. Das Senden durch Element 4 und das Empfangen in Element 3 wird durch Gleichung 3 beschrieben. Senden durch Element 4 und Empfangen in Element 2 wird durch Gleichung 4 beschrieben.
s&sub1; = AT1ejφT1 · Aαejφα · AR2ejφR2 Gl. 1
s&sub2; = AT1ejφT1 · Aβejφβ · AR3ejφR3 Gl. 2
s&sub3; = AT4ejφT4 · Aαejφα · AR3ejφR3 Gl. 3
s&sub4; = AT4ejφT4 · Aβejφβ · AR2ejφR2 Gl. 4
Als nächstes werden die Verhältnisse der Signale s&sub1;/s&sub2; und s&sub4;/s&sub3; gebildet.
Schließlich wird das gewünschte Verhältnis der Verhältnisse gebildet, um das Verhältnis der Kopplungskoeffizienten, z, zu bilden.
Die Bestimmung des Verhältnisses der Kopplungskoeffizienten kann nahe an willkürlichen Positionen in einer Gruppe bestimmt werden. Diese Erweiterung kann verwendet werden, um die Wirkungen der Ungleichmäßikeiten in den Gruppenelementkopplungskoeffizienten zu entfernen, wenn benötigt.

Anwenden des Kopplungskoeffizientenverhältnisses, um die verschachtelten Gitter miteinander in Phase zu bringen.

Verwenden der gemessenen Signalwerte s&sub1; und s&sub2;, die bei der Bestimmung von z verwendet werden:
s&sub2; = AT1ejφT1 · Aβejφβ · AR3ejφR3 Gl. 8
s&sub1; = AT1ejφT1 · Aαejφα · AR2ejφR2 Gl. 9
Es zeigt sich, daß Gleichung 8 und Gleichung 9 gleich sind zu Gleichung 2 bzw. Gleichung 1.
Die Größe Δ, auf die das Element 3 eingestellt werden muß, um Element 2 zu entsprechen, kann als Verhältnis von s&sub2; · z und s&sub1; berechnet werden.
Beim Anwenden dieser Korrektur und der Korrektur des Unterschieds der Kopplungsstrecken zeigt sich, daß die verschachtelten Gitter durch Verwendung der Kopplungskoeffizienten in Phase gebracht werden.
s&sub1; · Δ/Z = s&sub2;
Somit kann das Verhältnis der Kopplungskoeffizienten verwendet werden, um die verschachtelten Gitter in Phase zu bringen.

2. Kalibrieren eines allgemein rhombischen Gitters.

Die allgemeinen Prinzipien der Einphasung verschachtelter Gitter und der Messung von Kopplungsverhältnissen kann auf alle parallelogrammförmigen Gitter angewendet werden. Der Vorgang wird vereinfacht, falls zusätzliche Strukturen, wie ein rhombisches Gitter, existieren.

Kalibrieren abwechselnder Spalten.

Die hier beschriebene beispielhafte Technik wird auf rhombische Gitter angewendet. Ohne an Allgemeinheit zu verlieren, wird ein dreieckiges Gitterbeispiel beschrieben werden. Quadratische Gitter sind lediglich eine gedrehte Version dieses Beispiels.
Die folgende Diskussion ist eine einer Empfangskalibrierung. Die Technik wird beim Senden angewendet, falls die Rolle der Sende- und Empfangselemente umgekehrt wird.
In der folgenden Diskussion ist Fig. 4 eine graphische Darstellung der Elementpositionen.
Der Vorgang beginnt mit dem Senden durch ein Element A. Signale werden jeweils zu einem Zeitpunkt durch Elemente 1, 2, 4 und 5 empfangen. Aufgrund der Zweiebenensymmetrie der Verkopplung ist der Kopplungskoeffizient von A zu 1, 2, 4 und 5 der gleiche. Die Elemente 2, 4 und 5 können eingestellt werden, um den Unterschied zwischen den zurückgegebenen Signalen und dem Signal von Element 1 zu minimieren. Das Anwenden dieser Einstellung bringt Elemente 1, 2, 4 und 5 in Phase.
Als nächstes wird ein Signal durch Element B gesendet. Elemente 3 und 6 werden eingestellt, so daß der Unterschied zwischen den individuellen Signalen und den Signalen von den zuvor eingestellten Elementen 2 und 5 minimiert wird. Dies bringt Elemente 1, 2, 3, 4, 5 und 6 in Phase.
Der zuvor genannte Vorgang wird wiederholt, bis alle numerierten Elemente zueinander in Phase gebracht worden sind.
Der zuvor genannte Vorgang wird dann wiederholt, wobei die Rolle der sendenden und empfangenden Elemente umgekehrt wird. Ein Signal wird von Element 5 gesendet, und Elemente A, B, D und E werden in Phase gebracht. Ein Signal wird dann von Element 6 gesendet, und Elemente C und F werden zu den Elementen A, B, D und E als in Phase liegend hinzugefügt. Der Vorgang wird wiederholt, bis alle der mit Buchstaben versehenen Elemente in Phase zueinander gebracht sind.
Der nächste Schritt besteht darin, die zwei verschachtelten Gitter in Phase zu bringen.

In Phase Bringen der zwei verschachtelten Gitter.

Der nachfolgend beschriebene Vorgang ermöglicht die Messung des Verhältnisses der Kopplungskoeffizienten α und β, die in Fig. 5 beschrieben ist. Dieses Verhältnis der Koeffizienten reicht aus, um das in Phase Bringen der beiden Gitter zueinander zu ermöglichen. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit der Bestimmung des Verhältnisses der Kopplungskoeffizienten längs einer Leitungsgruppe, wie zuvor beschrieben.

Bestimmen des Verhältnisses der Kopplungskoeffzienten entlang eines rhombischen Gitters.

Ein Verkopplungssignal s umfaßt drei komplexwertige Komponenten:
Eine Sende-Übertragungsfunktion ATejφT
Einen Kopplungskoeffizienten ACejφC
Eine Empfangs-Übertragungsfunktion ARejφR
s = ATejφT · ACejφC · ARejφR
Definition: T als ein gesendetes Signal
R als ein empfangenes Signal
α als Kopplungsstrecke benachbarter Elemente
β als Kopplungsstrecke abwechselnder Elemente.
Der erste Schritt besteht darin, die vier Signale s&sub1;, s&sub2;, s&sub3; und s&sub4; zu messen.
s&sub1; = AT1ejφT1 · Aαejφα · AR2ejφR2 Gl. 13
s&sub2; = AT1ejφT1 · Aβejφβ · AR3ejφR3 Gl. 14
s&sub3; = AT4ejφT4 · Aαejφα · AR3ejφR3 Gl. 15
s&sub4; = AT4ejφT4 · Aβejφβ · AR2ejφR2 Gl. 16
Als nächstes werden die Verhältnisse der Signale s&sub1;/s&sub2; und s&sub4;/s&sub3; gebildet.
Schließlich wird das Verhältnis der Verhältnisse gebildet, um das Verhältnis der Kopplungskoeffizienten zu berechnen.
Das Verhältnis z ist das gewünschte Kopplungskoeffzientenverhältnis.

Anwenden des Kopplungskoeffzientenverhältnisses, um die verschachtelten Gitter miteinander in Phase zu bringen.

Indem die gleiche Notation für Elemente und Kopplungsstrecken verwendet wird, werden die folgenden Signale gesammelt.
s&sub2; = AT1ejφT1 · Aβejφβ · AR3ejφR3 Gl. 20
s&sub1; = AT1ejφT1 · Aαejφα · AR2ejφR2 Gl. 21
Der Betrag, auf den das Element 3 eingestellt werden muß, um Element 2 in komplexem Sinn zu gleichen, entspricht dem Verhältnis s&sub2; · z und s&sub1;.
Beim Anwenden dieser Korrektur plus der Korrektur für den Unterschied der Kopplungsstrecken zeigt sich, daß die unten genannten Signale gleich sind.
s&sub1; · Δ/Z = s&sub2;
Dies beendet die Gittereinphasung.

3. Kalibrieruncs eines allgemein parallelförmigen Gitters.

Kalibrieren in verschachtelte Gitter. Die hier beschriebene Technik ist auf allgemein parallelförmige Gitter anwendbar. Rechteck-, Rhombus-, Rechteck- und Parallelogramm- Gitter sind nur Fälle eines allgemeinen Parallelogramms. Zu Erläuterungszwecken und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit wird ein Parallelogramm-Gitter als Beispiel beschrieben.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Elementpositionen in einem parallelogrammförmigen Gitter 10. Die hier beginnende Diskussion betrifft eine Empfangs-Kalibrierung. Diese Technik ist anwendbar auf Sende-Kalibrierung, falls die Rollen der Sende- und Empfangs-Elemente umgekehrt wird.
Schritt 1: Der Vorgang beginnt mit dem Senden durch Element a. Signale werden jeweils zu einem Zeitpunkt durch Elemente 1 und 3 empfangen. Aufgrund der Symmetrie der Verkopplung ist der Kopplungskoeffizient von Element a bis Element 1 und von Element 1 bis Element 3 der gleiche. Element 3 kann eingestellt werden, um den Phasen- und Verstärkungsunterschied zwischen seinem zurückgekehrten Signal und dem Signal von Element 1 zu minimieren. Wendet man diese Einstellung an, ermöglicht ein Gruppenkalibrierungssystem den Elementen 1 und 3, die gleiche Phasen- und Verstärkungsanregung zu zeigen.
Schritt 2: Als nächstes wird ein Signal durch Element b gesendet. Element 4 wird so eingestellt, daß der Unterschied zwischen seinem Signal und dem Signal von Element 2 minimiert wird. Dies bringt Elemente 2 und 4 in Phase.
Schritt 3: Als nächstes wird ein Signal durch Element A gesendet. Element 2 wird eingestellt, um den Unterschied seines Signals und dem Signal von Element 1 zu minimieren. Die gleiche Einstellung wird bei dem bereits eingestellten Element 4 verwendet. Dies bringt Elemente 1, 2, 3 und 4 in Phase.
Schritt 4: Indem dieser Vorgang wiederholt wird, werden alternierende, d. h. abwechselnde Elemente in abwechselnden Spalten in Phase gebracht.
Schritte 1-4 werden wiederholt, indem ein Senden durch Elemente 3, 4 und aa eingesetzt wird, um Elemente a, b, c und d in Phase zu bringen. Die Schritte 1-4 werden nochmals wiederholt, indem ein Senden durch Elemente aa, bb und 2 verwendet wird, um Elemente A, B, C und D in Phase zu bringen. Die Schritte 1-4 werden ein letztes Mal wiederholt, indem Elemente C, D und c senden, um die Elemente aa, bb, cc und dd in Phase zu bringen.
Vier verschachtelte eingephaste Gitter sind nun gebildet. Der nächste Schritt besteht darin, diese vier verschachtelten Gitter durch eine Bestimmung des Verhältnisses der Element- Verkopplungskoeffzienten in den notwendigen, spezifischen Orientierungen in Phase zu bringen.
Das parallelogrammförmige Gitter ist mit vier verschachtelten Gittern das komplexeste. Andere Gitter zeigen weniger verschachtelte Gitter, d. h. zwei Gitter für den Rhombus sowie die Liniengruppen.

Einsatz der Liniengrupneneinphastechnik, um die vier verschachtelten Gitter einzuphasen.

Die vorhergenannte Technik zum Einphasen einer Liniengruppe wird bei dem allgemein parallelogrammförmigen Gitter dreimal angewendet. Nach Abschluß des zuvor genannten Vier-Gitter- Einphasschrittes sind die folgenden Elementgruppen, wie in Fig. 1 dargestellt, zueinander in Phase (1, 2, 3, 4); (a, b, c, d); (A, B, C, D) und (aa, bb, cc, dd). Der Einsatz dieser Technik ermöglicht das Einphasen der Elemente A, B, C, D, aa, bb, cc und dd zueinander. Der Vorgang wird dann mit den Elementen 2, b, 4 und d wiederholt. Dies ermöglicht ein Einphasen der Elemente 1, 2, 3, 4, a, b, c und d. Der Vorgang wird ein letztes Mal wiederholt, indem Elemente 3, C, 4 und D verwendet werden. Dieser letzte Schritt bringt alle Elemente in Phase.
Die Erfindung sieht verschiedene Vorteile gegenüber anderen Einphasverfahren vor. Im Vergleich zu den Nahfeldeinphastechniken erlaubt die Erfindung ein Gruppeneinphasen mit einer minimalen Anzahl an externem Gerät oder Einrichtungen. Des weiteren erlaubt das Verfahren Unsymmetrien im Gitter und den Elementverkopplungsmustern. Andere Techniken sind abhängig von gleichen Zwischenelementwegstrecken und gleichen Elementverkopplungsantworten in alle benachbarten Gitterrichtungen. Die Erfindung beseitigt das Bedürfnis nach externen Messungen des Unterschieds der Elementverkopplungsstrecken.

Claims

1. Verfahren zur Erzielung einer Einphasung der strahlenden Elemente (1, 3, 5, .../2, 4, 5, ...; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, .../A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; 1, 2, 3, 4, .../A, B, C, D, .../a, b, c, d, .../aa, bb, cc, dd, ...) einer Gruppenantenne, wobei die Elemente (1, 3, 5, .../2, 4, 5, ...; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, .../A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; 1, 2, 3, 4, .../A, B, C, D, .../a, b, c, d, .../aa, bb, cc, dd, ...) in einer Vielzahl von beabstandeten verschachtelten Gittern (1-3-5-.../2-4-6-...; 1- 2-3-4-5-6-7-8-9-.../A-B-C-D-E-F-G-H-I-...; 1-2-3-4-.../A-B-C-D- .../a-b-c-d-.../aa-bb-cc-dd-...) angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Schritte:

(i) Senden eines Meßsignals (T) von einem einzelnen Element (1; 1; 1) eines ersten verschachtelten Gitters (1-3-5-...; 1-2-3-4-5-6-7-8-9-...; 1-2-3-4-...) zu einem Zeitpunkt, Empfangen (R) des gesendeten Meßsignals (T) an einem oder mehreren benachbarten Elementen (2, 4, 6, .../A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; A, B, C, D, ...) eines zweiten verschachtelten Gitters (2-4-6-...; A-B-C-D-E-F-G-H-I-...; A-B-C-D-...) und Berechnen der Phasen- und Verstärkungsunterschiede zwischen Elementen (2, 4, 6, ...; A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; A, B, C, D, ...) des zweiten verschachtelten Gitters (2-4-6-...; A-B-C-D-E-F-G-H-I- ...; A-B-C-D-...) als Ergebnis des Sendens von dem einzelnen Element (1; 1; 1) des ersten Gitters (1-3- 5-...; 1-2-3-4-5-6-7-8-9-...; 1-2-3-4-...);

ii) Wiederholen des Schritts i) um der Reihe nach Meßsignale (T) von anderen Elementen (3, 5...; 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ...; 2, 3, 4...) des ersten Gitters (1-3-5-...; 1-2-3-4-5-6-7-8-9-...; 1-2-3-4-...) zu senden und Empfangen (R) der gesendeten Signale (T) von Elementen (2, 4, 6, ...; A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; A, B, C, D, ...) des zweiten Gitters (2-4-6- ..., A-B-C-D-E-F-G-H-I-...; A-B-C-D-...), Berechnen der sich ergebenden Phasen- und Verstärkungsunterschiede, und Verwenden der berechneten Phasen- und Verstärkungsunterschiede aus Schritten i) und ii), um eine erste Menge an Korrekturkoeffizienten (Δ) zu berechnen, die, wenn auf entsprechende Elemente (2, 4, 6, ...; A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; A, B, C, D, ...) des zweiten Gitters (2-4-6-...; A-B-C-D-E-F- G-H-I-...; A-B-C-D-...) angewendet, es diesen Elementen (4, 6, ...; A, B, C, D, E, F, G, H, I, ...; A, B, C, D, ...) ermöglicht, die gleiche Phasen- und Verstärkungsantwort zu zeigen und damit eine Einphasung des zweiten Gitters (2-4-6-...; A-B-C-D-E-F-G- H-I-...; A-B-C-D-...) vorzusehen;

iii) für jedes der restlichen Gitter (a-b-c-d-..., aa-bbcc-dd-...) der Elemente, Wiederholen der Schritte i) und ii), um eine Vielzahl von verschachtelten, eingephasten Gittern (1-3-5-.../2-4-6-...; 1-2-3-4-5-6- 7-8-9-.../A-B-C-D-E-F-G-H-I-...; 1-2-3-4-.../A-B-C- D-.../a-b-c-d-.../aa-bb-cc-dd-...) zu erhalten;

iv) Bestimmen einer Menge von Verhältnissen (z) der Elementverkopplungskoeffzienten (s&sub1;/s&sub2;, s&sub4;/s&sub3;) für die Gruppe; und

v) Verwenden der Menge von Verhältnissen (z), um notwendige Einstellungen der Elemente, die die Gruppe umfassen, zu bestimmen, um die Vielzahl von ver schachtelten Gittern (1-3-5-.../2-4-6-...; 1-2-3-4- 5-6-7-8-9-.../A-B-C-D-E-F-G-H-I-...; 1-2-3-4-.../A- B-C-D-.../a-b-c-d-.../aa-bb-cc-dd-...) in Phase zu bringen,

wobei das Einphasen der Gruppe durch Senden von Signalen durch nur ein Element zu einem gegebenen Zeitpunkt erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterorientierung eine Trapezoidorientierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterorientierung eine rhombische oder quadratische oder parallelogrammförmige oder rechteckige Orientierung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe vier verschachtelte Gitter (1-2-3-4- .../A-B-C-D-.../a-b-c-d-.../aa-bb-cc-dd-...) von Elementen umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe in zumindest ein erstes und ein zweites verschachteltes Gitter von Elementen aufgeteilt wird, die in entsprechende Zeilen und Spalten angeordnet sind, und daß der Schritt i) das Senden von einem einzelnen Element des ersten Gitters zu einem Zeitpunkt, das Empfangen des ausgesendeten Signals an vier benachbarten Elementen in dem zweiten Gitter und das Einstellen von drei der Empfangselemente umfaßt, um den Unterschied zwischen den jeweiligen empfangenen Signalen und dem Signal zu minimieren, das an dem übrigen vierten Element der vier Empfangselemente empfangen wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe eine lineare Gruppe eines ersten und eines zweite verschachtelten Gitters (1-3-5-.../2-4-...) von alternierenden Elementen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Verhältnisse der Elementverkopplungskoeffiienten (z) Verhältnisse der Kopplungskoeffizienten (z) zwischen benachbarten und alternierenden Elementen, die die Gruppe umfassen, enthält.