EP0923154A2 - Method for controlling a phase controlled antenna - Google Patents
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- EP0923154A2 EP0923154A2 EP98120652A EP98120652A EP0923154A2 EP 0923154 A2 EP0923154 A2 EP 0923154A2 EP 98120652 A EP98120652 A EP 98120652A EP 98120652 A EP98120652 A EP 98120652A EP 0923154 A2 EP0923154 A2 EP 0923154A2
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- EP
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- phase
- amplitude
- adjuster
- module
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/0006—Particular feeding systems
- H01Q21/0025—Modular arrays
Definitions
- the invention is based on a control method a phase controlled antenna according to the generic term of Claim 1.
- a phase-controlled antenna consists of a large number transmit or receive radiator elements arranged in a line or matrix. These are about a distance apart ⁇ / 2, where ⁇ is the wavelength of the transmitted and / or received Wave is.
- a transmit / receive module also called the T / R module is connected immediately.
- Each T / R module contains at least one transmission / reception switch to which the transmission / reception radiating element is connected, a transmission and a receive path, which also to the send / receive switch are connected, a send / receive switch to switch from transmit to receive mode, a phase adjuster and an amplitude adjuster ("voltage gain amplifier ", VGA), for adjusting the phase and the Amplitude of the transmit and receive signals, and one digital working control logic.
- VGA voltage gain amplifier
- This has a definable effect Way at least on the transmit / receive switch and the Phase and amplitude adjuster (VGA).
- VGA Phase and amplitude adjuster
- the (Main) beam direction of the antenna lobe (directional diagram) the phase adjuster and the shape of the antenna lobe, for example a so-called pencil beam (pencil directional diagram), itself set via the amplitude adjuster.
- each T / R module phase and / or amplitude errors generally present, which, for example, on temperature-dependent and / or manufacturing-related electrical tolerances are based on a calibration process (calibration and adjustment process) as a phase and / or belonging to each T / R module Amplitude correction values in a calibration memory to save. This makes it possible to find the one that occurs for everyone Operating state of the antenna necessary phase and / or amplitude settings to execute with predeterminable accuracy.
- a front end can be rotated, for example arranged in an elevated position, for example on a high building (tower).
- Such a front end is on a central unit connected, in particular a Setting of the send / receive directional diagrams and an evaluation the reception signals is caused.
- the central unit and the front end are electrical Connection lines connected to each other. These include essentially an energy supply for the active components within the frontend, at least one radio frequency line, especially for the transmission of the transmit / receive signals, and a control line for the transmission of Control signals from the central unit to the control logic within the T / R modules.
- the invention now relates in particular to T / R modules which are designed for the highest possible transmit / receive frequency range, for example greater than or equal to 10 GHz. In this frequency range, there is a (raster) distance of less than or equal to 15 mm for the T / R modules. It follows from this that the electrical components and / or assemblies mentioned at the outset must be very small within a T / R module, that is to say they must have a base area which is in the mm 2 range.
- the transmit / receive directional diagrams must be within a predefined temperature range and in a predeterminable phase and amplitude range in a reliable and reproducible way be adjustable.
- phase and amplitude adjusters generally affect each other, that is, a phase adjuster generates amplitude errors and an amplitude adjuster generates phase errors.
- each manufactured T / R module must go through electrical calibration measurements fully characterized become.
- the electrical measurements are for everyone required conditions such as temperature, phase and amplitude carried out in both transmit (S) and receive (E) mode and the resulting electrical settings, which characterize the T / R module in the calibration memory saved.
- the invention has for its object a generic To optimize the process so that depending predeterminable states, in particular temperature, Phase and amplitude in both transmit and receive modes, the resulting electrical settings for a T / R module in a space that is as small as possible and Calibration memory that works electrically as quickly as possible be stored within the T / R module and that only a calibration memory with as little as possible Storage capacity is needed.
- a first advantage of the invention is that at a specified number of settings to be saved compared to the prior art only one by a high Factor less storage space is required.
- a second advantage is that, due to the small Storage space requirements within the T / R module very small calibration memory can be used which is then due to the resulting very small spatial volume optionally through a housing that in particular shields electromagnetic radiation, protects can be. This increases the service life of the calibration memory and they are particularly reliable Front ends can be used in satellites.
- a third advantage is that the control logic is a very quick switchover to different phases and / or Amplitude states enabled, for example with a switching time of less than 50 ns (nanoseconds). Thereby can, for example, rapidly changing transmission and / or Reception directional diagrams are generated so that for example, quick detection and / or monitoring of a predeterminable spatial area becomes possible.
- a calibration table for the phase adjuster PHS and the amplitude adjuster VGA, for everyone a possible value of the possible states of the input variables have ready for the phase and amplitude adjuster, phase and amplitude with the required accuracy to be able to adjust.
- the setting values stored in a table disadvantageously correspond to that with the Sum of the individual errors corrected setpoint.
- the charts are stored in so-called EPROMs and / or PROMs, the corresponding to Figure 2 in the signal path of the digital control signals are arranged.
- the calibration table for the phase is between the control logic and the phaser PHS arranged, and the calibration table for the amplitude (look-up table VGA) arranged between the control logic and the amplitude adjuster VGA.
- Amplitude and phase adjusters VGA, PHS are in this example as a series connection within an RF path, which is labeled with "RF in” and "RF out” within of the T / R module.
- the transmission and / or reception mode from the control logic to the one to be set Sending and / or receiving directional diagram required setpoints for the phase and the amplitude as input values to the calibration tables (Look-Up Table PHS, Look-Up Table VGA). Then in the calibration tables the one belonging to each (phase or amplitude) setpoint (Phase or amplitude) actual value which corresponds to that with the Sum of the individual errors corresponds to the corrected target value, searched and directly to the phase or amplitude adjuster headed. These are then set accordingly.
- a total of 2 * 128 kByte 256 kByte of real storage capacity must be provided in each of the T / R modules, of which only 123,520 bytes, i.e. 47.1%, are actually used, i.e. less than half.
- the unused memory space arises, on the one hand, from the fact that the memory size must be rounded up to the next possible 2 n value (here 2 17 ) and, on the other hand, from the fact that the amplitude controller VGA in transmit mode S is only operated with a predeterminable constant amplitude state, but for the reception mode E must be able to call up all amplitude states from the (amplitude) memory module (look-up table VGA).
- TSOP housings which require an area of at least 400mm 2 per T / R module.
- memory modules such as EPROMs and / or PROMs can only be programmed outside the calibration circuit in a special programming arrangement, the memory modules either have to be soldered into the circuits within the T / R modules after the programming or they are for the memory modules (EPROMs / PROMs) to provide this corresponding (plug-in) base, but this also disadvantageously takes up a larger area, a larger volume and a greater weight in each T / R module.
- T / R module that is present in every T / R module differs from the known circuit (Fig.2) essentially in that for each T / R module only the the active actuators PHS, VGA (phase and Amplitude) individual errors as corresponding (storage) values in just a single and much smaller memory chip (Calibration memory look-up table T / R module) get saved.
- the phase adjuster PHS only at a predeterminable target phase value the associated individual errors (correction values) for the phase and the amplitude are stored.
- the amplitude adjuster VGA become a predefinable target amplitude value only the associated individual errors (correction values) stored for the amplitude as well as the phase.
- a real storage capacity of only 8 kbytes (compared to 256 kbytes corresponding to the arrangement according to FIG. 2) must therefore be provided in each T / R module, the proportion of the memory space used having a value of 78.6 due to the 2 n memory size % owns. Compared to the known circuit (FIG. 2), this means a reduction in the memory size by a factor of 32 and a reduction in the stressed component area by a factor of 13.
- SOIC package only a single 8-pin is used for the calibration memory so-called SOIC package required. This is advantageously very compact in space and therefore requires little circuit area. Only 6 connecting lines are advantageously required between the serial calibration memory and the control logic. In contrast, approximately 30 connecting lines are required in the arrangement according to FIG.
- predefinable change in the beam direction and / or the club shape (directional diagram) of the active phased antenna are in a predetermined Period immediately before switching (change) to belonging to the new beam direction and / or the new club shape new setpoints for phase and amplitude from the Central unit transferred to and in each T / R module Control logic saved.
- the correction values corresponding to the setpoints and depending on the current temperature of the T / R module are now read out of the calibration memory (E 2 PROM), from which the new actual setting values for the phase and the amplitude can be specified calculated and provided for the operational operating mode (S or E) in corresponding registers.
- E 2 PROM calibration memory
- the contents of the result registers E to H are controlled by a takeover signal that can be specified by the central unit "Beam Valid", simultaneously in all T / R modules in the output register I to M and overwrite those there existing previous actual setting values.
- Two transmit / receive multiplexers each S / E-Mux controlled by one of the central unit predeterminable transmit / receive switchover signal S / E, forward the determined actual setting values to the Phase and amplitude adjuster PHS, VGA of the T / R modules.
- the sequence described advantageously has a high execution speed, since the memory address does not have to be transferred to the E 2 PROM for each byte, but only the start address of a group of 4 (sequence 1 and sequence 3).
- the memory address is advantageously incremented automatically in a predeterminable manner.
- the invention is not based on the exemplary embodiments described limited, but applicable to others.
Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung
einer phasengesteuerten Antenne nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.The invention is based on a control method
a phase controlled antenna according to the generic term of
Eine phasengesteuerte Antenne besteht aus einer Vielzahl linien- oder matrixförmig angeordneter Sende/Empfangs-Strahlerelemente. Diese haben einen Abstand von ungefähr λ/2, wobei λ die Wellenlänge der ausgesandten und/oder empfangenen Welle ist. An jedes Sende/Empfangs-Strahlerelement ist ein Sende/Empfangs-Modul, das auch T/R-Modul genannt wird, unmittelbar angeschlossen. Jedes T/R-Modul enthält zumindest eine Sende/Empfangsweiche, an welche das Sende/Empfangs-Strahlerelement angeschlossen ist, einen Sende- und einen Empfangspfad, welche ebenfalls an die Sende/Empfangsweiche angeschlossen sind, einen Sende/Empfangsschalter zum Umschalten vom Sende- auf den Empfangsbetrieb, einen Phasensteller und einen Amplitudensteller ("voltage gain amplifier", VGA), zum Einstellen der Phase und der Amplitude des Sende- und des Empfangssignales, und eine digital arbeitenden Steuerlogik. Diese wirkt in vorgebbarer Weise zumindest auf den Sende/Empfangsschalter sowie den Phasen- und den Amplitudensteller (VGA). Mittels der Steuerlogik ist es möglich, vom Sende- auf den Empfangsfall umzuschalten und dabei vorgebbare Sende- und/oder Empfangs-Richtdiagramme einzustellen durch eine vorgebbare Einstellung der Phasen- und Amplitudensteller. Dabei wird die (Haupt-)Strahlrichtung der Antennenkeule (Richtdiagramm) an sich über die Phasensteller und die Form der Antennenkeule, beispielsweise einen sogenannten Pencil Beam (Bleistift-Richtdiagramm), an sich über die Amplitudensteller eingestellt. Weiterhin ist es möglich, die bei jedem T/R-Modul im allgemeinen vorhandenen Phasen- und/oder Amplitudenfehler, die beispielsweise auf temperaturabhängigen und/oder herstellungsbedingten elektrischen Toleranzen beruhen, mittels eines Kalibrationsvorganges (Eich- sowie Abgleichvorgang) als zu jedem T/R-Modul gehörenden Phasen- und/oder Amplituden-Korrekturwerte in einem Kalibrationsspeicher zu speichern. Damit ist es möglich, die für jeden vorkommenden Betriebszustand der Antenne nötigen Phasen- und/oder Amplitudeneinstellungen mit vorgebbarer Genauigkeit auszuführen.A phase-controlled antenna consists of a large number transmit or receive radiator elements arranged in a line or matrix. These are about a distance apart λ / 2, where λ is the wavelength of the transmitted and / or received Wave is. To each transmit / receive radiator element is a transmit / receive module, also called the T / R module is connected immediately. Each T / R module contains at least one transmission / reception switch to which the transmission / reception radiating element is connected, a transmission and a receive path, which also to the send / receive switch are connected, a send / receive switch to switch from transmit to receive mode, a phase adjuster and an amplitude adjuster ("voltage gain amplifier ", VGA), for adjusting the phase and the Amplitude of the transmit and receive signals, and one digital working control logic. This has a definable effect Way at least on the transmit / receive switch and the Phase and amplitude adjuster (VGA). Using the control logic it is possible to switch from the send to the receive case and predeterminable transmission and / or reception directional diagrams set by a predefinable setting the phase and amplitude adjuster. The (Main) beam direction of the antenna lobe (directional diagram) the phase adjuster and the shape of the antenna lobe, for example a so-called pencil beam (pencil directional diagram), itself set via the amplitude adjuster. Furthermore, it is possible with each T / R module phase and / or amplitude errors generally present, which, for example, on temperature-dependent and / or manufacturing-related electrical tolerances are based on a calibration process (calibration and adjustment process) as a phase and / or belonging to each T / R module Amplitude correction values in a calibration memory to save. This makes it possible to find the one that occurs for everyone Operating state of the antenna necessary phase and / or amplitude settings to execute with predeterminable accuracy.
Eine vorgebbare Anzahl solcher linien- oder matrixförmig angeordneten Sende/Empfangs-Strahlerelemente, wobei jedes an ein zugehöriges T/R-Modul unmittelbar angekoppelt ist, wird nun zu einer Baueinheit, dem sogenannten Frontend, zusammengefaßt. Ein solches Frontend ist beispielsweise drehbar auf einer erhöhten Stelle angeordnet, beispielsweise auf einem hohen Gebäude (Turm). Ein solches Frontend ist an eine Zentraleinheit angeschlossen, in der insbesondere eine Einstellung der Sende/Empfangs-Richtdiagramme und eine Auswertung der Empfangssignale veranlaßt wird.A predeterminable number of such lines or matrices arranged transmit / receive radiator elements, each is directly coupled to an associated T / R module, is now combined into one unit, the so-called front end. Such a front end can be rotated, for example arranged in an elevated position, for example on a high building (tower). Such a front end is on a central unit connected, in particular a Setting of the send / receive directional diagrams and an evaluation the reception signals is caused.
Die Zentraleinheit und das Frontend sind über elektrische Verbindungsleitungen miteinander verbunden. Diese umfassen im wesentlichen eine Energieversorgung für die aktiven Bauelemente innerhalb des Frontends, mindestens eine Hochfre-quenzleitung, insbesondere zur Übertragung der Sende/Empfangssignale, und eine Steuerleitung zur Übertragung von Steuersignalen von der Zentraleinheit zu den Steuerlogiken innerhalb der T/R-Module.The central unit and the front end are electrical Connection lines connected to each other. These include essentially an energy supply for the active components within the frontend, at least one radio frequency line, especially for the transmission of the transmit / receive signals, and a control line for the transmission of Control signals from the central unit to the control logic within the T / R modules.
Es ist ersichtlich, daß bei einem derartigem System die T/R-Module ebenfalls in dem von der gewählten Wellenlänge λ abhängigem (Raster-)Abstand angeordnet werden müssen.It can be seen that in such a system the T / R modules also in that of the selected wavelength λ dependent (grid) distance must be arranged.
Die Erfindung betrifft nun insbesondere T/R-Module, die für einen möglichst hohen Sende/Empfangs-Frequenzbereich, beispielsweise größer gleich 10 GHz ausgelegt sind. In diesem Frequenzbereich ergibt sich für die T/R-Module ein (Raster-)Abstand von kleiner gleich 15 mm. Daraus folgt, daß die eingangs erwähnten elektrischen Bauelemente und/oder Baugruppen innerhalb eines T/R-Moduls sehr klein sein müssen, das heißt, eine Grundfläche besitzen müssen, die im mm2-Bereich liegt.The invention now relates in particular to T / R modules which are designed for the highest possible transmit / receive frequency range, for example greater than or equal to 10 GHz. In this frequency range, there is a (raster) distance of less than or equal to 15 mm for the T / R modules. It follows from this that the electrical components and / or assemblies mentioned at the outset must be very small within a T / R module, that is to say they must have a base area which is in the mm 2 range.
Für einige Anwendungen, beispielsweise bei der Überwachung der Erdoberfläche mittels der Satellitentechnik, wobei sich eine phasengesteuerte Antenne in einem Satelliten befindet, ist es erforderlich, ein möglichst genau und zuverlässig arbeitendes Frontend zu verwenden. Das heißt, die Sende/Empfangs-Richtdiagramme müssen in einem vorgebbarem Temperaturbereich und in einem vorgebbarem Phasen- und Amplitudenbereich in zuverlässiger und reproduzierbarer Weise einstellbar sein.For some applications, for example in surveillance the surface of the earth by means of satellite technology, whereby a phased antenna is in a satellite, it is necessary to be as accurate and reliable as possible working frontend to use. That is, the transmit / receive directional diagrams must be within a predefined temperature range and in a predeterminable phase and amplitude range in a reliable and reproducible way be adjustable.
Die Anforderungen an die Phasen- und Amplitudengenauigkeit der aktiven Komponenten der T/R Module über einen größeren Temperaturbereich sind allenfalls sehr schwer zu erfüllen, insbesondere auch dadurch, daß sich Phasen- und Amplitudensteller im allgemeinen gegenseitig beeinflussen, das heißt, ein Phasensteller erzeugt Amplitudenfehler und ein Amplitudensteller erzeugt Phasenfehler.The requirements for phase and amplitude accuracy the active components of the T / R modules over a larger one Temperature ranges are at best very difficult to meet, in particular also in that phase and amplitude adjusters generally affect each other, that is, a phase adjuster generates amplitude errors and an amplitude adjuster generates phase errors.
Des weiteren erschweren die elektrischen Bauteiletoleranzen der aktiven GaAs-Bauteile und/oder GaAs-Baugruppen das Einhalten der geforderten elektrischen Genauigkeiten. Durch Einsatz von mindestens einem Kalibrationspeicher, der an die in jedem T/R Modul vorhandene Steuerlogik gekoppelt ist, können sowohl die temperaturabhängigen, als auch die bauteileigenen Phasen- und Amplitudenfehler individuell für jeden T/R-Modul kompensiert werden.Furthermore, the electrical component tolerances complicate compliance with the active GaAs components and / or GaAs assemblies the required electrical accuracies. By Use of at least one calibration memory attached to the the control logic available in each T / R module is coupled , both the temperature-dependent and the component-specific phase and amplitude errors individually for each T / R module can be compensated.
Zu diesem Zweck muß zuvor jedes gefertigte T/R Modul durch elektrische Kalibrationsmessungen vollständig charakterisiert werden. Die elektrischen Messungen werden für alle geforderten Zustände wie Temperatur, Phase und Amplitude sowohl im Sende-(S) als auch im Empfangsmode (E) durchgeführt und die sich daraus ergebenden elektrischen Einstellungen, welche das T/R-Modul charakterisieren, in dem Kalibrationsspeicher gespeichert.For this purpose, each manufactured T / R module must go through electrical calibration measurements fully characterized become. The electrical measurements are for everyone required conditions such as temperature, phase and amplitude carried out in both transmit (S) and receive (E) mode and the resulting electrical settings, which characterize the T / R module in the calibration memory saved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu optimieren, daß in Abhängigkeit von vorgebbaren Zuständen, insbesondere Temperatur, Phase und Amplitude sowohl im Sende- als auch im Empfangsmode, die sich daraus ergebenden elektrischen Einstellungen für einen T/R-Modul in einem räumlich möglichst kleinem und elektrisch möglichst schnell arbeitenden Kalibrationsspeicher innerhalb des T/R-Modul gespeichert werden und daß lediglich ein Kalibrationsspeicher mit möglichst geringer Speicherkapazität benötigt wird.The invention has for its object a generic To optimize the process so that depending predeterminable states, in particular temperature, Phase and amplitude in both transmit and receive modes, the resulting electrical settings for a T / R module in a space that is as small as possible and Calibration memory that works electrically as quickly as possible be stored within the T / R module and that only a calibration memory with as little as possible Storage capacity is needed.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren
Ansprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characterizing part
of
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei einer vorgegebenen Anzahl von zu speichernden Einstellungen gegenüber dem Stand der Technik lediglich ein um einen hohen Faktor geringerer Speicherplatz benötigt wird.A first advantage of the invention is that at a specified number of settings to be saved compared to the prior art only one by a high Factor less storage space is required.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß, aufgrund des geringen Speicherplatzbedarfes, innerhalb des T/R-Moduls ein sehr kleiner Kalibrationsspeicher verwendet werden kann, der dann aufgrund des sich daraus ergebenden sehr kleinen räumlichen Volumens optional durch ein Gehäuse, daß insbesondere elektromagnetische Strahlung abschirmt, geschützt werden kann. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Kalibrationsspeichers und es sind insbesondere zuverlässige Verwendungen von Frontends in Satelliten möglich.A second advantage is that, due to the small Storage space requirements within the T / R module very small calibration memory can be used which is then due to the resulting very small spatial volume optionally through a housing that in particular shields electromagnetic radiation, protects can be. This increases the service life of the calibration memory and they are particularly reliable Front ends can be used in satellites.
Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Steuerlogik eine sehr schnelle Umschaltung auf unterschiedliche Phasen- und/oder Amplitudenzustände ermöglicht, beispielsweise mit einer Umschaltzeit kleiner 50 ns (Nanosekunden). Dadurch können beispielsweise sich zeitlich schnell ändernde Sende- und/oder Empfangs-Richtdiagramme erzeugt werden, so daß beispielsweise eine schnelle Erfassung und/oder Überwachung eines vorgebbaren räumlichen Gebietes möglich wird. A third advantage is that the control logic is a very quick switchover to different phases and / or Amplitude states enabled, for example with a switching time of less than 50 ns (nanoseconds). Thereby can, for example, rapidly changing transmission and / or Reception directional diagrams are generated so that for example, quick detection and / or monitoring of a predeterminable spatial area becomes possible.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.Further advantages result from the description below.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Zeichnungen. Es zeigen
- Fig.1 bis Fig.4
- schematisch dargestellte Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.
- Fig.1 to Fig.4
- schematically illustrated diagrams to explain the invention.
Die Erfindung wird im folgenden für ein Beispiel erläutert, bei dem in einem T/R-Modul die Phasen- und Amplitudeneinstellungen für folgende Zustände gespeichert werden sollen:
- 20 Temperaturzustände in einem vorgebbarem Temperaturbereich, wobei zwischen zwei benachbarten Temperaturständen eine Temperaturdifferenz von 4K liegt,
- 64 Phasenzustände im Sendemode S in einem vorgebbaren Phasenbereich, wobei zwischen benachbarten Phasenzuständen eine Phasendifferenz von 5,6 Grad liegt,
- 64 Phasenzustände im Empfangsmode E in einem vorgebbaren Phasenbereich, wobei zwischen benachbarten Phasenzuständen eine Phasendifferenz von 5,6 Grad liegt,
- 1 Amplitudenzustand im Sendemode S aus einem vorgebbarem Amplituderbereich und
- 32 Amplitudenzustände im Empfangsmode E in einem vorgebbaren Amplitudenbereich, wobei zwischen benachbarten Amplitudenzuständen eine Amplitudendifferenz von 0,5 dB liegt.
- 20 temperature states in a predeterminable temperature range, with a temperature difference of 4K between two neighboring temperature levels,
- 64 phase states in transmit mode S in a predeterminable phase range, with a phase difference of 5.6 degrees between adjacent phase states,
- 64 phase states in receive mode E in a predeterminable phase range, a phase difference of 5.6 degrees between adjacent phase states,
- 1 amplitude state in transmit mode S from a predeterminable amplitude range and
- 32 amplitude states in receive mode E in a predeterminable amplitude range, with an amplitude difference of 0.5 dB between adjacent amplitude states.
Als Ergebnis der Kalibrationsmessungen liegen dann für jedes
T/R-Modul folgende Tabellen vor:
- T/R Modul Phase = Funktion(Soll-Phase, Temperatur); Soll-Amplitude = konstant
- T/R Modul Amplitude = Funktion(Soll-Phase, Temperatur); Soll-Amplitude = konstant.
- T/R Modul Phase = Funktion(Soll-Phase, Soll-Amplitude, Temperatur)
- T/R Modul Amplitude = Funktion(Soll-Phase, Soll-Amplitude, Temperatur).
- T / R module phase = function (target phase, temperature); Target amplitude = constant
- T / R module amplitude = function (target phase, temperature); Target amplitude = constant.
- T / R module phase = function (target phase, target amplitude, temperature)
- T / R module amplitude = function (target phase, target amplitude, temperature).
An sich naheliegende Kalibrationskonzepte generieren mit speziellen Softwareprogrammen aus diesen Tabellen jeweils eine Kalibrationstabelle (Look-Up Table) für den Phasensteller PHS und den Amplitudensteller VGA, die für jeden der möglichen Zustände der Eingangsvariablen einen Einstellwert für die Phasen- und Amplitudensteller bereithalten, um Phase und Amplitude mit der geforderten Genauigkeit einstellen zu können. Die in einer Tabelle abgelegten Einstellwerte entsprechen in nachteiliger Weise dem mit der Summe der Einzelfehler korrigierten Sollwert. Die Tabellen werden in sogenannten EPROMs und/oder PROMs gespeichert, die entsprechend Fig.2 im Signalweg der digitalen Ansteuersignale angeordnet sind. Das heißt, die Kalibrationstabelle für die Phase (Look-Up Table PHS) ist zwischen der Steuerlogik und dem Phasensteller PHS angeordnet, und die Kalibrationstabelle für die Amplitude (Look-Up Table VGA) ist zwischen der Steuerlogik und dem Amplitudensteller VGA angeordnet. Amplituden- und Phasensteller VGA, PHS sind in diesem Beispiel als Serienschaltung innerhalb eines HF-Pfades, der mit "RF in" sowie "RF out" bezeichnet ist, innerhalb des T/R-Moduls angeordnet. Generate obvious calibration concepts with special software programs from these tables a calibration table (look-up table) for the phase adjuster PHS and the amplitude adjuster VGA, for everyone a possible value of the possible states of the input variables have ready for the phase and amplitude adjuster, phase and amplitude with the required accuracy to be able to adjust. The setting values stored in a table disadvantageously correspond to that with the Sum of the individual errors corrected setpoint. The charts are stored in so-called EPROMs and / or PROMs, the corresponding to Figure 2 in the signal path of the digital control signals are arranged. That is, the calibration table for the phase (look-up table PHS) is between the control logic and the phaser PHS arranged, and the calibration table for the amplitude (look-up table VGA) arranged between the control logic and the amplitude adjuster VGA. Amplitude and phase adjusters VGA, PHS are in this example as a series connection within an RF path, which is labeled with "RF in" and "RF out" within of the T / R module.
Bei einer solchen Anordnung werden im Sende- und/oder Empfangsbetrieb von der Steuerlogik die für ein einzustellendes Sende- und/oder Empfangsrichtdiagramm benötigten SollWerte für die Phase sowie die Amplitude als Eingangswerte an die Kalibrationstabellen (Look-Up Table PHS, Look-Up Table VGA) geleitet. In den Kalibrationstabellen wird dann der zu jedem (Phasen- oder Amplituden-)Soll-Wert gehörende (Phasen- oder Amplituden-)Ist-Wert, welcher dem mit der Summe der Einzelfehler korrigierten Soll-Wert entspricht, gesucht und unmittelbar an die Phasen- oder Amplitudensteller geleitet. Diese werden dann dementsprechend eingestellt.With such an arrangement, the transmission and / or reception mode from the control logic to the one to be set Sending and / or receiving directional diagram required setpoints for the phase and the amplitude as input values to the calibration tables (Look-Up Table PHS, Look-Up Table VGA). Then in the calibration tables the one belonging to each (phase or amplitude) setpoint (Phase or amplitude) actual value which corresponds to that with the Sum of the individual errors corresponds to the corrected target value, searched and directly to the phase or amplitude adjuster headed. These are then set accordingly.
Bei einer solchen Anordnung sind in nachteiliger Weise außerdem eine Vielzahl von Leitungsverbindungen erforderlich. Denn die Ansteuerung der Kalibrationsspeicher sowie der Phasen- und Amplitudensteller erfolgt im sogenannten Parallelmode, das heißt, für jedes Bit eines Datenwortes ist eine Steuerleitung erforderlich.With such an arrangement are also disadvantageously a large number of line connections required. Because the control of the calibration memory and the Phase and amplitude adjuster takes place in the so-called parallel mode, that is, there is one for each bit of a data word Control line required.
Die für diese Anordnung der Kalibrationsspeicher erforderliche Speichergröße errechnet sich aus dem Produkt der Eingangszustände (Speicher-Adressen) und der digitalen Wortbreite, hier beispielsweise 8 Bit, der Einstellwerte entsprechend der folgenden Darstellung :
- Max. Speichergröße für die Tabelle Phasenschieber: 64 Phasen * 32 Amplituden * 20 Temperaturen * 2 Betriebsmodi[S/E] = 81920 * 8 Bit; das heißt, es wird ein Phasen-Kalibrationsspeicher von 128 kByte benötigt,
- Max. Speichergröße für die Tabelle Amplitudensteller: 64 Phasen * 32 Amplituden * 20 Temperaturen * 2 Betriebsmodi[S/E] = 81920 * 8 Bit; das heißt, es wird ein Amplituden-Kalibrationsspeicher von ebenfalls 128 kByte benötigt.
- Max. Memory size for the phase shifter table: 64 phases * 32 amplitudes * 20 temperatures * 2 operating modes [S / E] = 81920 * 8 bits; that means a phase calibration memory of 128 kByte is required,
- Max. Memory size for the table amplitude adjuster: 64 phases * 32 amplitudes * 20 temperatures * 2 operating modes [S / E] = 81920 * 8 bits; that is, an amplitude calibration memory of 128 kbytes is also required.
In jedem der T/R-Module muß somit insgesamt eine reale Speicherkapazität von 2 * 128 kByte = 256 kByte bereitgestellt werden, von denen tatsächlich aber nur 123520 Byte, das heißt 47,1%, genutzt werden, also weniger als die Hälfte. Der nicht genutzte Speicherplatz entsteht zum einen dadurch, daß die Speichergröße auf den nächstmöglichen 2n -Wert aufgerundet werden muß (hier 217) und zum anderen dadurch, daß der Amplitudensteller VGA im Sendemode S nur mit einem vorgebbarem konstanten Amplitudenzustand betrieben wird, aber für den Empfangsmode E alle Amplitudenzustände aus dem (Amplituden-)Speicherbaustein (Look-Up Table VGA) abrufbar sein müssen.A total of 2 * 128 kByte = 256 kByte of real storage capacity must be provided in each of the T / R modules, of which only 123,520 bytes, i.e. 47.1%, are actually used, i.e. less than half. The unused memory space arises, on the one hand, from the fact that the memory size must be rounded up to the next possible 2 n value (here 2 17 ) and, on the other hand, from the fact that the amplitude controller VGA in transmit mode S is only operated with a predeterminable constant amplitude state, but for the reception mode E must be able to call up all amplitude states from the (amplitude) memory module (look-up table VGA).
Die kleinstmöglichen derzeit handelsüblichen Gehäusegrößen für 128 kByte EPROMs oder PROMs sind 32-polige sogenannte TSOP-Gehäuse, die pro T/R Modul eine Fläche von mindestens 400mm2 beanspruchen. Da Speicherbausteine wie EPROMs und/oder PROMs nur außerhalb der Kalibrationsschaltung in einer speziellen Programmieranordnung programmiert werden können, müssen die Speicherbausteine entweder nachträglich (nach der Programmierung) in die Schaltungen innerhalb der T/R-Module eingelötet werden oder es sind für die Speicherbausteine (EPROMs/PROMs) diesen entsprechende (Steck-)Sockel vorzusehen, die damit aber auch in nachteiliger Weise eine größere Fläche, ein größeres Volumen sowie ein größeres Gewicht in jedem T/R-Modul beanspruchen.The smallest possible currently commercially available housing sizes for 128 kbyte EPROMs or PROMs are 32-pin so-called TSOP housings, which require an area of at least 400mm 2 per T / R module. Since memory modules such as EPROMs and / or PROMs can only be programmed outside the calibration circuit in a special programming arrangement, the memory modules either have to be soldered into the circuits within the T / R modules after the programming or they are for the memory modules (EPROMs / PROMs) to provide this corresponding (plug-in) base, but this also disadvantageously takes up a larger area, a larger volume and a greater weight in each T / R module.
Die in Fig.1 dargestellte erfindungsgemäße Kalibrationsschaltung, die in jedem T/R-Modul vorhanden ist, unterscheidet sich von der bekannten Schaltung (Fig.2) im wesentlichen dadurch, daß für jeden T/R-Modul lediglich die zu den aktiven Stellgliedern PHS, VGA gehörenden (Phasen- sowie Amplituden-)Einzelfehler als entsprechende (Speicher-)Werte in nur einem einzigen und wesentlich kleinerem Speicherbaustein (Kalibrationsspeicher Look-Up Table T/R-Modul) gespeichert werden. Dabei werden beispielsweise für den Phasensteller PHS zu einem vorgebbbarem Soll-Phasenwert ledigliche die zugehörigen Einzelfehler (Korrekturwerte) für die Phase sowie die Amplitude gespeichert. Für den Amplitudensteller VGA werden zu einem vorgebbbarem Soll-Amplitudenwert ledigliche die zugehörigen Einzelfehler (Korrekturwerte) für die Amplitude sowie die Phase gespeichert.1 according to the invention, that is present in every T / R module differs from the known circuit (Fig.2) essentially in that for each T / R module only the the active actuators PHS, VGA (phase and Amplitude) individual errors as corresponding (storage) values in just a single and much smaller memory chip (Calibration memory look-up table T / R module) get saved. For example, for the Phase adjuster PHS only at a predeterminable target phase value the associated individual errors (correction values) for the phase and the amplitude are stored. For the amplitude adjuster VGA become a predefinable target amplitude value only the associated individual errors (correction values) stored for the amplitude as well as the phase.
Die Ermittlung (Berechnung) der notwendigen Ist-Einstellwerte für die Phase und die Amplitude eines T/R-Moduls erfolgt in der Steuer-Logik des T/R-Moduls zu einem vorgebbarem Zeitpunkt, beispielsweise vor der Umschaltung von einem Sende- oder Empfangs-Richtdiagramm auf ein anderes.The determination (calculation) of the necessary actual setting values for the phase and the amplitude of a T / R module in the control logic of the T / R module to a predefinable one Time, for example before switching from one Send or receive directional diagram to another.
Weitere, wesentliche vorteilhafte Merkmale dieser Anordnung sind :
- Der Kalibrationsspeicher (Look-Up Table T/R Modul in Fig. 1) ist unmittelbar an die Steuerlogik angeschlossen und liegt nicht mehr im Signalweg der digitalen Ansteuersignale, das heißt, entsprechend Fig.2 zwischen der Steuerlogik und den Amplituden- sowie Phasenstellern.
- Für den Kalibrationsspeicher ist eine Verwendung eines derzeit handelsüblichen elektrisch löschbaren, reprogrammierbaren sogenannten E2PROMs, das auch als EEPROM oder E2PROM bezeichnet wird, in einem sogenannten Space-Rad-Hard-Gehäuse möglich, das für elektromagnetische Strahlung, insbesondere derjenigen des Weltraums, eine gute Abschirmung bewirkt.
- Es ist ein Einsatz von fehlerkorrigierenden Codes zur Erhöhung der Datensicherheit bei Verwendung von E2PROMs möglich, insbesondere für Anwendungen in Satellitengestützten Systemen.
- Der als E2PROM ausgebildete Kalibrationsspeicher wird erst nach dessen Einbau (Montage) in die Schaltung des T/R-Moduls mit einer Kalibrationstabelle beschrieben.
- Schreiben und Lesen der in dem Kalibrationsspeicher zu speichernden Werte erfolgt über eine schnelle serielle Schnittstelle zwischen der Steuer-Logik und dem E2PROM, beispielsweise mit einer Übertragungsgeschwindigkeit größer 2 Mbit/s. Eine solche serielle Schnittstelle benötigt vorteilhafterweise eine wesentlich geringere Anzahl von Verbindungsleitungen zwischen der Steuerlogik und dem Kalibrationsspeicher als eine entsprechende parallele Schnittstelle.
- The calibration memory (look-up table T / R module in FIG. 1) is connected directly to the control logic and is no longer in the signal path of the digital control signals, that is, according to FIG. 2, between the control logic and the amplitude and phase adjusters.
- For the calibration memory, it is possible to use a currently commercially available, electrically erasable, reprogrammable so-called E 2 PROM, which is also referred to as EEPROM or E2PROM, in a so-called space-wheel-hard housing, which is suitable for electromagnetic radiation, in particular that from space good shielding.
- Error-correcting codes can be used to increase data security when using E 2 PROMs, especially for applications in satellite-based systems.
- The calibration memory designed as E 2 PROM is only described with a calibration table after it has been installed in the circuit of the T / R module.
- The values to be stored in the calibration memory are written and read via a fast serial interface between the control logic and the E 2 PROM, for example at a transmission speed greater than 2 Mbit / s. Such a serial interface advantageously requires a significantly smaller number of connecting lines between the control logic and the calibration memory than a corresponding parallel interface.
Die maximale Speichergröße für das E2PROM gemäß Fig.1 errechnet sich aus der Summe (Produkt für die Anordnung entsprechend Fig. 2) der Einzelfehler entsprechend folgender Darstellung :
- für die Phasen-Stellwerte des Phasenschiebers PHS in Abhängigkeit von den Soll-Phasen ergeben sich : 64 Phasen * 20 Temperaturen * 2 Betriebsmodi(S/E) = 2560 * 8 Bit,
- für die Phasenfehler des Amplitudensteller VGA in Abhängigkeit von den Soll-Amplituden ergeben sich: (32 Amplituden + 1 Amplitude) * 20 Temperaturen = 660 * 8 Bit,
- für die Amplituden-Stellwerte des Amplitudensteller VGA in Abhängigkeit von den Soll-Amplituden ergeben sich: (32 Amplituden + 1 Amplitude) * 20 Temperaturen = 660 * 8 Bit,
- für die Amplitudenfehler des Phasenschiebers in Abhängigkeit von den Soll-Phasen ergeben sich: 64 Phasen * 20 Temperaturen * 2 Betriebsmodi[S/E] = 2560 * 8 Bit und
- für die daraus resultierende Summe ergibt sich ein
Speicherbedarf von 6440 Bytes, wobei ein Byte acht Bit
enthält. Es muß also das nächst größere derzeit handelsübliche
Speicherbauelement mit einer
Speicherkapazität von 8 kByte verwendet werden.
- for the phase setting values of the phase shifter PHS depending on the target phases: 64 phases * 20 temperatures * 2 operating modes (S / E) = 2560 * 8 bits,
- for the phase errors of the amplitude adjuster VGA depending on the target amplitudes: (32 amplitudes + 1 amplitude) * 20 temperatures = 660 * 8 bits,
- for the amplitude control values of the amplitude adjuster VGA as a function of the target amplitudes, there are: (32 amplitudes + 1 amplitude) * 20 temperatures = 660 * 8 bits,
- for the amplitude errors of the phase shifter depending on the target phases, the following results: 64 phases * 20 temperatures * 2 operating modes [S / E] = 2560 * 8 bits and
- the resulting sum requires 6440 bytes of memory, one byte containing eight bits. The next largest memory component currently available with a memory capacity of 8 kbytes must therefore be used.
In jedem T/R-Modul muß somit insgesamt eine reale Speicherkapazität von nur 8 kByte (gegenüber 256 kByte entsprechend der Anordnung gemäß Fig.2) bereitgestellt werden, wobei der Anteil des genutzten Speicherplatzes aufgrund der 2n-Speichergröße einen Wert von 78,6% besitzt. Das bedeutet gegenüber der bekannten Schaltung (Fig.2) eine Reduzierung der Speichergröße um den Faktor 32 und eine Reduzierung der beanspruchten Bauteil-Fläche um den Faktor 13. Bei der Anordnung entsprechend Fig.1 wird daher für den Kalibrationsspeicher nur ein einziges 8-poliges sogenanntes SOIC-Gehäuse benötigt. Dieses ist vorteilhafterweise räumlich sehr kompakt und benötigt daher wenig Schaltungsfläche. Zwischen dem seriellen Kalibrationspeicher und der Steuer-Logik werden in vorteilhafter Weise lediglich 6 Verbindungsleitungen benötigt. Dagegen sind bei der Anordnung gemäß Fig.2 ungefähr 30 Verbindungsleitungen erforderlich.A real storage capacity of only 8 kbytes (compared to 256 kbytes corresponding to the arrangement according to FIG. 2) must therefore be provided in each T / R module, the proportion of the memory space used having a value of 78.6 due to the 2 n memory size % owns. Compared to the known circuit (FIG. 2), this means a reduction in the memory size by a factor of 32 and a reduction in the stressed component area by a factor of 13. In the arrangement according to FIG. 1, therefore, only a single 8-pin is used for the calibration memory so-called SOIC package required. This is advantageously very compact in space and therefore requires little circuit area. Only 6 connecting lines are advantageously required between the serial calibration memory and the control logic. In contrast, approximately 30 connecting lines are required in the arrangement according to FIG.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Anordnung entsprechend Fig.1 beschrieben.In the following, the mode of operation of the arrangement is corresponding Fig.1 described.
Die beispielsweise aus Messungen ermittelten korrigierten Einstellwerte für den Phasenschieber PHS und den Amplitudensteller VGA müssen sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsmode in schnellen Zwischenspeichern (Registern) bereitgestellt werden, da in einem derzeit üblichen operationellen Betrieb des T/R-Moduls sehr schnell, das heißt, mit einer Zugriffszeit von beispielsweise kleiner 50ns, zwischen den Einstellwerten für Senden und Empfang und/oder unterschiedlichen Richtdiagrammen umgeschaltet werden muß.The corrected, for example, determined from measurements Setting values for the phase shifter PHS and the amplitude adjuster VGA must be used for both the transmit and the the receive mode in fast buffers (registers) be made available, as is currently the usual operational Operation of the T / R module very quickly, that is, with an access time of less than 50ns, for example, between the setting values for sending and receiving and / or different directional diagrams must be switched.
Bei einer beabsichtigten vorgebbaren Änderung der Strahlrichtung und/oder der Keulenform (Richtdiagramm) der aktiven phasengesteuerten Antenne werden in einem vorgebbarem Zeitraum unmittelbar vor der Umschaltung (Änderung) die zu der neuen Strahlrichtung und/oder der neuen Keulenform gehörenden neuen Sollwerte für Phase und Amplitude von der Zentraleinheit in jedes T/R-Modul übertragen und in dessen Steuer-Logik gespeichert.In the case of an intended, predefinable change in the beam direction and / or the club shape (directional diagram) of the active phased antenna are in a predetermined Period immediately before switching (change) to belonging to the new beam direction and / or the new club shape new setpoints for phase and amplitude from the Central unit transferred to and in each T / R module Control logic saved.
Mittels der Steuer-Logik werden nun die Korrekturwerte entsprechend den Sollwerten und in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des T/R-Moduls aus dem Kalibrationsspeicher (E2PROM) ausgelesen, daraus in vorgebbarer Weise die neuen Ist-Einstellwerte für die Phase und die Amplitude berechnet und für den operationellen Betriebsmode (S oder E) in entsprechenden Registern bereitgestellt.Using the control logic, the correction values corresponding to the setpoints and depending on the current temperature of the T / R module are now read out of the calibration memory (E 2 PROM), from which the new actual setting values for the phase and the amplitude can be specified calculated and provided for the operational operating mode (S or E) in corresponding registers.
Basierend auf der in Fig.3 als Beispiel dargestellten Steuer-Logik
und einer möglichen Speicher-Aufteilung des Kalibrationsspeichers,
wie in Fig.4 dargestellt, werden von der
Steuer-Logik folgende Sequenzen abgearbeitet:
Die Inhalte der Ergebnisregister E bis H werden, gesteuert durch ein von der Zentraleinheit vorgebbares Übernahme-Signal "Beam Valid", gleichzeitig in allen T/R-Modulen in Ausgaberegister I bis M übernommen und überschreiben die dort vorhandenen vorhergehenden Ist-Einstellwerte. Je zwei Sende/Empfangs-Multiplexer S/E-Mux, gesteuert vom einem von der Zentraleinheit vorgebbarem Sende/Empfang-Umschalt-Signal S/E, leiten die ermittelten Ist-Einstellwerte an die Phase- und Amplitudensteller PHS, VGA der T/R-Module weiter.The contents of the result registers E to H are controlled by a takeover signal that can be specified by the central unit "Beam Valid", simultaneously in all T / R modules in the output register I to M and overwrite those there existing previous actual setting values. Two transmit / receive multiplexers each S / E-Mux, controlled by one of the central unit predeterminable transmit / receive switchover signal S / E, forward the determined actual setting values to the Phase and amplitude adjuster PHS, VGA of the T / R modules.
Der beschriebene Ablauf besitzt in vorteilhafter Weise eine
hohe Ablaufgeschwindigkeit, da die Speicheradresse nicht
für jedes Byte zum E2PROM übertragen werden muß, sondern
nur die Anfangsadresse einer 4-er Gruppe (Sequenz 1 und Sequenz
3). Im E2PROM wird die Speicheradresse vorteilhafterweise
automatisch in vorgebbarer Weise inkrementiert.The sequence described advantageously has a high execution speed, since the memory address does not have to be transferred to the E 2 PROM for each byte, but only the start address of a group of 4 (
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar.The invention is not based on the exemplary embodiments described limited, but applicable to others.
Claims (6)
jeweils ein Sollwert für den Phasensteller und den Amplitudensteller zugeleitet werden,
one setpoint each for the phase adjuster and the amplitude adjuster are supplied,
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