DE10195823B3

DE10195823B3 - Antennenelement, Transceiver und Verfahren zum Betreiben eines Transceivers

Info

Publication number: DE10195823B3
Application number: DE10195823.4T
Authority: DE
Inventors: Kent Falk; Ingmar L. Karlsson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: US6542130B2; SE0000719D0; AU2001236306A1; SE0000719L; GB2376346B; GB2376346A; DE10195823T1; SE520642C2; GB0219192D0; WO2001065641A1; US20010028329A1

Abstract

Ein Antennenelement (30, 31, 32) ist beschrieben worden, das einen Wellenleiter (1, 1') mit einer Anzahl von Schlitzen (2, 2', 3, 3') aufweist, die paarweise angeordnet sind, und zwar vorzugsweise um 90° zueinander und um +/–45 Grad zur Längsrichtung des Wellenleiters. Das Antennenelement ist mit einer Einspeisung (5) zum Liefern einer ersten Welle innerhalb des Wellenleiters (W_a) gekoppelt. Das Antennenelement weist wenigstens eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC, 14, 15, 16) zum Steuern der Phase und der Amplitude einer reflektierten oder separat gelieferten zweiten Welle (W_b) in Bezug auf die erste Welle auf, wobei sich die zweite Welle innerhalb des Wellenleiters in einer zur ersten Welle (W_a) entgegengesetzten Richtung ausbreitet, wobei die Polarisation einer gesendeten oder einer empfangenen Welle (W') außerhalb des Wellenleiters gesteuert werden kann. Darüber hinaus ist ein Transceiver (33, 34, 35) beschrieben worden, der zum Steuern der Polarisationsmoden angepasst ist bzw. eingerichtet ist, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Transceivers.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf einem Schlitz-Wellenleiter basierendes Antennenelement, wobei eine Transceivereinheit ein solches Antennenelement enthält, und Verfahren zum Betreiben solcher Antennenelemente und Transceiver.
Hintergrund der Erfindung
Schlitz-Wellenleiterantennen sind bei vielen Verbindungen und für viele Anwendungen weit verbreitet. Ein Grund dafür ist, dass sie das Abstrahlungs- und Einspeisungselement in einer Einheit kombinieren, was zu einem raumeffizienten Entwurf führt. Schlitz-Wellenleiter sind auch gut geeignet zur Massenproduktion, und es existieren viele Rechenprogramme zum Dimensionieren solcher Wellenleiter.
Schlitz-Wellenleiter, die eine zirkulare Polarisation liefern, sind im Stand der Technik bekannt.
JP H07-226 617 A zeigt eine zirkular polarisierte Antenne mit einer linearen Einspeisung, die auf der Oberfläche eines dielektrischen Erdungsleiters ausgebildet ist, und zwei Schlitzen, die um ±45° zu einer Einspeisungsleitung und um 90° zueinander angeordnet sind.
In einem Artikel von TAKAHASHI, M. et al.: Dual circularly polarized radial line slot antennas, in IEEE, Transactions on antennas and propagation, Vol. 43, No. 8, August 1995, S. 874–876 ist eine Radialleitungs-Schlitzantenne mit einer Vielzahl von orthogonal angeordneten Schlitzen offenbart worden, wobei die Schlitze weiterhin in einem spiralförmigen Muster angeordnet sind.
In der US 5638079 A wird ein Array von geschlitzten Wellenleitern beschrieben. Die Schlitze des Wellenleiters sind unter einem Abstand einer halben Wellenlänge angeordnet. Mittels eines Phasenschiebers kann die Phase einer Welle in einem ersten Wellenleiter in Bezug zur Phase einer Welle in einem zweiten Wellenleiter eingestellt werden. Je nach Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellenleitern wird so eine resultierende Welle außerhalb der Wellenleiteranordnung linear oder zirkular polarisiert.
Die DE 3802662 A1 beschreibt einen geschlitzten Wellenleiter, bei welchem Phasenschieber in einem Wellenleiter jeweils zwischen den Schlitzen angebracht sind. Die Schlitze sind unter einem Abstand einer halben Wellenlänge angeordnet. Hierbei soll das Antennendiagramm angepasst werden, indem die Phase der Welle schrittweise entlang der Longitudinalachse des Wellenleiters eingestellt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
In 1 sind ein herkömmliches mobiles Endgerät und eine herkömmliche vertikal polarisierte Knotenpunkt-Basisstations-Antenne gezeigt worden. Es ist angenommen, dass das mobile Endgerät und die Basisstations-Antenne in einem freien Feld angeordnet sind.
In einer ersten aufrechten Position a ist die Antenne des mobilen Endgeräts parallel zur Basisstations-Antenne. In dieser Position gibt es eine absolute Polarisationsanpassung, und es tritt zwischen dem mobilen Endgerät und der Basisstation kein Polarisationsverlust auf. Wenn das mobile Endgerät unter einem 45°-Winkel in Bezug auf die Knotenpunkt-Antenne positioniert ist, was bei einer Position b angezeigt ist, tritt eine Polarisations-Fehlanpassung auf, was zu einem Verlust von 3 dB bezüglich der Signalleistung führt. Darüber hinaus tritt dann, wenn das mobile Endgerät unter einem 90° Winkel zur Basisstations-Antenne ausgerichtet ist, wie es bei einer Position c zu sehen ist, eine gesamte Polarisations-Fehlanpassung auf, und kein Signal wird transferiert bzw. übertragen.
In einer typischen Umgebung, in welcher Mobiltelefone betrieben werden, werden mehrere Hindernisse die Signale zwischen einem mobilen Endgerät und einer Basisstation reflektieren und streuen. Dies bedeutet, dass, selbst wenn das mobile Endgerät in eine 90°-Position in Bezug auf die Basisstations-Antenne versetzt ist, einige Signale reflektiert werden, wodurch die Polarisation des Signals so geändert werden wird, dass es mit einem ausreichenden Signalleistungspegel empfangen wird. Andererseits tritt eine absolute Polarisationsanpassung selten auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenelement, einen Transceiver und ein Verfahren zum Betreiben eines Transceivers bereitzustellen, bei welchem die Polarisation willkürlich und schnell gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Das Antennenelement nach Anspruch 1, der Transceiver nach Anspruch 15 und das Verfahren nach Anspruch 17 lösen jeweils diese Aufgabe.
Das Antennenelement nach Anspruch 2 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass es kosteneffektiv hergestellt werden kann und dass es kompakt ist.
Das Antennenelement nach Anspruch 3 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass die Polarisation in Echtzeit gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Der Transceiver nach Anspruch 15 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass er die Polarisation an den Gegen-Transceiver anpasst, mit welchem er kommuniziert.
Der Transceiver nach Anspruch 16 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass bei ihm die Polarisation der gesendeten und empfangenen Wellen individuell und gleichzeitig gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Das Verfahren nach Anspruch 17 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass die Kommunikation zwischen zwei Transceivern optimiert werden kann.
Das Verfahren nach Anspruch 18 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass eine Optimierung der Kommunikation zwischen zwei Transceivern in Bezug auf die Qualität der Verbindungen erreicht wird.
Der Transceiver nach Anspruch 19 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass er Teil eines im Flugzeug eingebauten Radarsystems bzw. Bordradarsystems ist, das für Störungen unempfindlich ist.
Der Transceiver nach einem der Ansprüche 20 bis 22 erzielt den zusätzlichen Vorteil, dass er Teil eines Satelliten-Endgeräts ist, das Qualitätsparameter für die Kommunikation optimiert.
Weitere Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt drei Positionen eines mobilen Endgeräts und einer Basisstations-Antenne in einem freien Raum,
2 zeigt eine Situation in Bezug auf die Sende- bzw. Übertragungseigenschaften eines mobilen Endgeräts und einer Basisstations-Antenne in physikalischen Umgebungen,
3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Antennenelements gemäß der Erfindung,
4 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Antennenelements gemäß der Erfindung,
5 ist ein Querschnitt der 3,
6 ist ein Querschnitt der 4 entlang den Linien m-m,
7 zeigt ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Antennenelements gemäß der Erfindung,
8 ist ein Querschnitt der 7 entlang der Linie h-h,
9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Transceivers gemäß der Erfindung,
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transceivers gemäß der Erfindung,
11 zeigt eine Radaranwendung, bei welcher der Transceiver gemäß den 9 oder 10 verwendet wird,
12 zeigt eine Satelliten-Endgeräteanwendung des Transceivers gemäß der 10,
13 zeigt eine weitere Satelliten-Endgeräteanwendung des Transceivers gemäß der 10,
14 zeigt mathematische Ausdrücke in Bezug auf die Wellenleiterstruktur gemäß der Erfindung, und
15 ist eine Tabelle, die verschiedene Polarisationsmoden zeigt, die durch die Erfindung erreicht werden.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
3 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Antennenelements 34 gemäß der Erfindung. Das Antennenelement 34 weist einen Wellenleiter 1 auf, der auf einem länglichen rohrförmigen Profil 1 basiert. Entlang einer oberen Fläche 4 des Wellenleiters ist eine Anzahl von Schlitzen 2, 2', 3, 3' zum Senden/Empfangen elektromagnetischer Signale vorgesehen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wellenleiterquerschnitt als einzelner Stegwellenleiter mit einem Steg 12 ausgebildet, wie es in 5 gezeigt ist, aber andere Querschnitte, wie beispielsweise ein rechteckförmiger Querschnitt, können verwendet werden.
Die Schlitze sind bei einer Gruppe von ersten und zweiten Winkeln zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet, wobei die jeweiligen Schlitze in einem Paar bei einem Abstand d einer Viertelleiter-Wellenlänge angeordnet sind und wobei die Schlitze in einem Paar 2, 2' oder 3, 3' unter einem dritten Winkel zueinander angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist die Gruppe von ersten und zweiten Winkeln ±45° und ist der dritte Winkel 90°, aber andere Winkel könnten verwendet werden.
In 3 sind zu illustrativen Zwecken nur zwei Paare von Schlitzen gezeigt worden. Jedoch können viele zusätzliche Schlitze vorgesehen sein, wodurch die Länge der Wellenleiterstruktur ausgedehnt werden würde.
Ein erster Zirkulator C1 ist an einem Ende des Wellenleiters 1 mit einem Anschluss b in Richtung zum Wellenleiter angeordnet und ein zweiter Zirkulator C2 ist im anderen Ende des Wellenleiters mit einem Anschluss e in Richtung zum Wellenleiter angeordnet.
Eine erste Einspeisung S_a speist den Anschluss a des ersten Zirkulators C1, während eine zweite Einspeisung S_b den Anschluss d des zweiten Zirkulators C2 speist.
Eine Signalgabe- und Steuereinheit CTRU ist daran angepasst, ein ankommendes Signal zu empfangen und zwei identische Ausgangssignale zu liefern. Die Signalgabe- und Steuereinheit CTRU weist eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC 14 auf, durch welche die Amplitude und die Phase für die zwei Signale individuell gesteuert werden können.
Ein erstes Filter F_b ist am Anschluss c des ersten Zirkulators C1 vorgesehen worden, während ein zweites Filter F_a am Anschluss f beim zweiten Zirkulator C2 vorgesehen worden ist.
Die Signalgabe- und Steuereinheit CTRU bewirkt, dass eine erste elektromagnetische Welle W_a in den Anschluss a des ersten Zirkulators C1 eintritt, dann aus dem Anschluss b austritt und ein Herumwandern innerhalb des Wellenleiters fortführt.
Bruchteile der Energie der Welle W_a werden aus jedem Paar 2, 2' und 3, 3' der rechtwinklig angeordneten Schlitze abgestrahlt, so dass Wellenkomponenten W_a1 und W_a2, die sich auf einen jeweiligen Schlitz im Paar beziehen, außerhalb des Wellenleiters ausgebildet werden, wie es in 3 angezeigt ist. Beide Wellenkomponenten W_a1 und W_a2 sind senkrecht zur oberen Fläche 4 des Wellenleiters 1 gerichtet.
Die übrige Energie der Welle W_a tritt in den Anschluss e ein und tritt aus dem Anschluss f des zweiten Zirkulators C2 aus und tritt in das zweite Filter F_a ein, in welchem die Welle vollständig gedämpft wird.
Gleichermaßen bewirkt die Signalgabe- und Steuereinheit, dass eine zweite elektromagnetische Welle W_b in den Anschluss d des zweiten Zirkulators C2 eintritt, aus dem Anschluss e austritt und innerhalb des Wellenleiters herumwandert, und zwar in der zur ersten Welle W_a entgegengesetzten Richtung.
Bruchteile der Energie der Welle W_b werden aus jedem Paar von rechtwinklig angeordneten Schlitzen 2 abgestrahlt, so dass rechtwinklige Wellenkomponenten W_b1 und W_b2, die sich auf einen jeweiligen Schlitz beziehen, außerhalb des Wellenleiters ausgebildet werden. Beide Wellenkomponenten W_b1 und W_b2 sind senkrecht zur Schlitz-Wellenleiteroberfläche gerichtet.
Die übrige Energie der Welle W_b tritt in den Anschluss b ein, tritt aus dem Anschluss c des ersten Zirkulators aus und tritt in das erste Filter F_b ein, in welchem die übrige Welle vollständig gedämpft wird.
Die Komponenten der Wellen W_a1 und W_a2 sind in ein zirkular polarisiertes Feld W_a' außerhalb des Wellenleiters überlagert.
Analog dazu sind die Komponenten W_b1 und W_b2 in ein kreisförmiges polarisiertes Feld W_b' außerhalb des Wellenleiters überlagert, und zwar mit einer zum Feld W_a' entgegengesetzten zirkularen Polarisation.
Die letzteren zwei zirkular polarisierten Felder W_a' und W_b' werden wiederum in ein resultierendes Feld W' überlagert, das auch senkrecht zur geschlitzten Oberfläche des Wellenleiters gerichtet ist.
Wenn W_a und W_b, und somit W_a' und W_b', bezüglich der Amplitude gleich sind, ist die resultierende Welle W' linear polarisiert, wodurch die Orientierung des linear polarisierten Feldes von der Phasendifferenz zwischen den Feldern W_a und W_b abhängt.
Wenn W_a und W_b bezüglich der Amplitude nicht gleich sind, ist die resultierende Welle W' elliptisch, wobei die Richtung der Ellipse von der Phasendifferenz zwischen den Feldern W_a und W_b abhängt und das Achsenverhältnis vom Amplitudenverhältnis von W_a und W_b abhängt.
Wenn entweder W_a' oder W_b' Null ist, ist W' eine zirkular polarisierte Welle mit einer entsprechenden Drehrichtung.
Somit können gemäß der Erfindung willkürliche bzw. beliebige Polarisationsmoden erreicht werden.
Der obige Wellenleiter mit einer Polarisationssteuerung kann für eine Anzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise bei mobilen Endgeräten zum Einsparen von Abstrahlungs- bzw. Sendeleistung oder zum Reduzieren einer Interferenz für ausgewählte Polarisationen und somit zum effizienteren Ausnutzen eines verfügbaren Spektrums. Die Polarisationssteuerung kann auch zum Minimieren von Abstrahlungen in erwünschten Richtungen verwendet werden.
Das obige Antennenelement kann beispielsweise als eine Basisstations-Sendeantenne für Mobiltelefone verwendet werden. Es wird ohne weiteres offensichtlich werden, dass der Wellenleiter als Empfangsantenne funktionieren kann, wenn Empfangseinheiten an einen jeweiligen Zirkulator über den Anschluss a des Zirkulators C1 und den Anschluss d des Zirkulators C2 gekoppelt würden, wodurch die Einspeisungen S_a und S_b ersetzt werden.
Das obige Antennenelement kann auch für Radar- und Satellitenendgerätezwecke verwendet werden, wie es später erklärt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Antennenelements gemäß der Erfindung ist in 4 gezeigt. Das Antennenelement 31 der 4 weist einen Wellenleiter 1 auf, der gleich dem in 3 gezeigten Wellenleiter 1 ist. In 6 ist der rechteckförmige Querschnitt des Wellenleiters 1' gemäß der 4 gezeigt worden.
Das Antennenelement 31 weist eine Einspeisung 20 auf, die in einem Ende des Wellenleiters 1' angeordnet ist, während ein Kurzschluss SC10 am entgegengesetzten Ende angeordnet ist. Bei diesem Beispiel besteht der Kurzschluss SC10 aus der Wellenleiterwand.
Die Einspeisung 20 kann einen Zirkulator und ein Filter aufweisen, wie es in 3 gezeigt ist.
Eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC 15, die durch ein Feld von Dioden 4 und einen Reflektor gebildet ist, ist vorgesehen worden. Wie es aus 6 offensichtlich wird, sind die Dioden im Zentrum des Profils angeordnet, wobei Anschlussstücke mechanisch an jeweils die obere und die untere Wand des Leiters an isolierten Stellen angebracht sind (nicht gezeigt).
Durch individuelles Anlegen einer Gegenspannung über oder eines Vorwärtsstroms durch die Dioden 5–9 ist es möglich, die Reflexionsebene und das Dämpfen der reflektierten Welle einzustellen.
Ein Dämpfen wird durch Treiben eines relativ niedrigen Stroms durch irgendeine der Dioden erreicht, während eine Reflexion durch Treiben eines großen (beispielsweise einen 10-fach größeren) Stroms durch irgendeine der Dioden erreicht wird.
Kein Dämpfen findet dann statt, wenn die Dioden 5–9 keinen Strom führen. In diesem Fall wird eine ankommende Welle durch die Reflexionswand SC 10 des Wellenleiters reflektiert werden.
Durch Anlegen verschiedener Kombinationen von Strömen durch das Feld von Dioden 5–9 können ein gegebenes Dämpfen und eine gegebene Position der Ebene der Reflexion erreicht werden. Es ist beispielsweise möglich, kleine Ströme durch die erste und die zweite Diode 5, 6 zu führen und einen großen Strom durch die vierte Diode 8. Folglich wird die ankommende Welle bei der ersten und der zweiten Diode gedämpft werden, bei der vierten Diode reflektiert werden und bei der ersten und der zweiten Diode wieder gedämpft werden.
Somit können die Amplitude und die Phase der reflektierten Welle in Bezug auf die ankommende Welle eingestellt werden.
Anhand eines Beispiels ist der Wellenleiter 1' auf eine derartige Weise dimensioniert, dass ohne ein Dämpfen die direkte Welle und die reflektierte Welle von gleicher Größe sind, was darin resultiert, dass eine linear polarisierte Welle durch die Schlitze abgestrahlt wird.
Wenn das Dämpfen aktiviert wird, wird das Verhältnis zwischen dem links und dem rechts zirkular polarisierten Signal geändert, und die resultierende abgestrahlte Welle wird elliptisch polarisiert werden, und zwar bis zu einem Ausmaß, das von der Größe der Dämpfung abhängt.
Somit können alle Moden von Polarisationen über einen Bereich von einer linearen Polarisation über eine elliptische Polarisation bis zu einer zirkularen Polarisation für eine Drehrichtung durch die Erfindung erreicht werden, was gleich dem Ausführungsbeispiel ist, das in 3 gezeigt ist. Optional kann die entgegengesetzte Drehrichtung durch Vorsehen einer Verstärkung in der Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC 15 erreicht werden.
In 14 ist ein mathematischer Ausdruck gezeigt worden, der sich auf das E-Feld bezieht, das aus einem Paar von Schlitzen entsteht. Eine ankommende Welle E_i wird durch das Dämpfungselement mit dem Reflexionskoeffizienten Γ reflektiert. Der Abstand zwischen dem Paar von Schlitzen und der Reflexionsebene ist ausgewählt worden, um einfache Ausdrücke zur Verfügung zu stellen. Die reflektierte Welle ist mit E_r bezeichnet.
In 15 ist eine Tabelle zur Verfügung gestellt worden, die die verschiedenen Moden einer Polarisation als Funktion von ausgewählten Werten der Dämpfung der reflektierten Welle α und der Phase reflektierten Welle β zeigt. Es scheint, dass eine zirkulare Polarisation auftritt, wenn die Dämpfung vollständig ist, d. h. α = ∞. Es scheint auch, dass die Polarisation linear ist, wenn die Dämpfung Null ist, α = 0, d. h. Totalreflexion.
Wie es aus der Tabelle in 15 erscheint, kann die lineare und elliptische Polarisation weiterhin willkürlich ausgerichtet sein, und das Achsenverhältnis der elliptischen Polarisation kann willkürlich bzw. beliebig durch Steuern der Phasendifferenz zwischen der ankommenden und der reflektierten Welle gesteuert werden.
Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Antennenelements gemäß der Erfindung gezeigt worden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC 16 durch eine elektromechanische Anordnung im Antennenelement 32 gebildet.
Die APC 16 weist eine Reflexionsplatte oder einen Kurzschluss SC 11 auf, die bzw. der zurück und nach vorn bewegt wird, um die erwünschte Phasenvariation zur Verfügung zu stellen. Ein mechanischer Aktuator bzw. ein mechanisches Stellglied 13' treibt zwei Stoß- bzw. Druckstäbe 13, durch welche die Reflektorplatte SC 11 bewegt wird. Der mechanische Aktuator treibt weiterhin ein Dämpfungselement 12, das beispielsweise aus Kohlenstoff bzw. Carbon besteht, zurück und nach vorn und unabhängig von der Reflektorplatte SC 11. Auf diese Weise wird die Dämpfung gesteuert. Wenn sich das Dämpfungselement 12 von der Reflektorplatte 11 erstreckt, wird eine große Dämpfung erreicht. Wenn das Dämpfungselement 12 auf gleicher Ebene zur Reflektorplatte 11 ist, wird keine Dämpfung oder eine sehr kleine Dämpfung erreicht.
In 8 ist der Querschnitt des Wellenleiters 1', der Reflektorplatte 11 und des Dämpfungselements 12 gezeigt worden. Es scheint, dass das Dämpfungselement 12 im Zentrum des Wellenleiters angeordnet ist, wobei es durch die Reflektorplatte SC11 umgeben ist.
Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In 9 ist ein Transceiver 33 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt worden.
Der Transceiver 33 weist ein Antennenelement auf, das durch den in 5 oder 6 gezeigten Wellenleiter gebildet ist, und eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC, wie sie in 4 oder 7 gezeigt ist.
In 9 sind der Wellenleiter 1', die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC und der Kurzschluss SC oder die Reflexionsplatte angezeigt worden. Die Wellenleiterstruktur ist mit einem Zirkulator C gekoppelt, der Anschlüsse a, b und c zum Zirkulieren von Wellen in der Richtung hat, die angezeigt ist, wobei der Anschluss c in Richtung zum Wellenleiter ist.
Darüber hinaus weist das Antennenelement 33 eine herkömmliche Sendeeinheit TX_U und eine herkömmliche Empfangseinheit RX_U auf, welche Einheiten zum Senden und Empfangen von Funksignalen bzw. Radiosignalen von einem Ausgangsanschluss bzw. einem Eingangsanschluss geeignet sind, um Daten, Sprache oder andere Typen von Signalen zu senden.
Vorteilhafterweise wird der obige Transceiver in einem Zeitmultiplexsystem verwendet; d. h. das System führt entweder ein Senden oder ein Empfangen durch.
Die Sendeeinheit TX_U ist über eine Leitung 24, ein Sendefilter F_T, mit dem Anschluss b am Zirkulator gekoppelt. Die Empfangseinheit RX_U ist über eine Leitung 25 mit dem Anschluss a über ein Empfangsfilter FR mit dem Anschluss a am Zirkulator gekoppelt.
Eine Sendequalitätseinheit Q_TX und eine Empfangsqualitätseinheit Q_RX sind zum Messen und Steuern des Qualitätsverlustes oder einer Dämpfung vorgesehen worden, welche dann beteiligt ist, wenn der Transceiver mit einem Gegentransceiver kommuniziert.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sende- und Empfangsqualitätseinheiten Q_TX und Q_RX daran angepasst, einen Qualitätsparameter, wie beispielsweise die Bitfehlerrate, von jeweils dem gesendeten oder empfangenen Signal über Leitungen 18 und 19 zu messen. Ein Messen solcher Parameter ist im Stand der Technik allgemein bekannt und kann bezüglich Verkehrssignalen und Testsignalen durchgeführt werden. Viele Typen von Parametern, wie beispielsweise eine Signaldämpfung und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis, können zum Bestimmen der Qualität der Übertragung verwendet werden. Die Sendequalitätseinheit Q_TX ist weiterhin daran angepasst, Testsignale 21 über die Sendeeinheit TX_U auszugeben.
Eine Polarisations- und Steuereinheit POL ist zum Steuern der Reflexion oder der Dämpfung im Wellenleiter vorgesehen worden, und dadurch zum Steuern der Polarisation des gesendeten und/oder des empfangenen Signals in Reaktion auf jeweilige Eingangssignale 22, 23 von der Empfangsqualitätseinheit Q_RX und der Sendequalitätseinheit Q_TX. Die Polarisations- und Steuereinheit weist eine Funktionalität auf, die die geeigneten Steuersignale erzeugt, um die erwünschte Polarisation zu ergeben, und die erwünschten Einstellungen über Leitungen 17 zur Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC kommuniziert.
Ein Beispiel einer geeigneten Empfangsabstimmroutine, die in der Polarisations- und Steuereinheit POL sitzt, besteht im kontinuierlichen Überwachen der Bitfehlerrate des empfangenen Signals. Es existieren bekannte Vorwärts-Fehlerkorrektur-FEC-(= forward error correction)-Routinen, bei welchen die Korrekturaktivität zum kontinuierlichen Bestimmen der Bitfehlerrate verwendet werden kann, ohne dass ein Datenverlust auftritt. Gemäß der Erfindung wird der Polarisationsmode durch den Polarisationsbereich in vorbestimmten Intervallen gewobbelt, um den bestimmten Polarisationsmode zu finden, der den höchsten Qualitätsparameter liefert oder, in diesem Fall, die niedrigste Bitfehlerrate. Dieser Polarisationsmode wird zum Empfangen einer Kommunikation vom Gegentransceiver gewählt, bis ein neuer Wert gefunden werden soll.
Ein Beispiel einer geeigneten Sendeabstimmroutine erfordert, dass der Gegentransceiver, mit welchem der vorliegende Transceiver kommuniziert, daran angepasst ist, die Signalverschlechterung zu messen, wie beispielsweise in Bezug auf eine Bitfehlerrate, und solche Daten zum vorliegenden Transceiver über einen geeigneten Datenkanal zurückzubringen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird diese Information von der Empfangseinheit RX_U abgeleitet und über die Leitung 19 zur Sendequalitätseinheit Q_TX signalisiert. Die Steuer- und Polarisationseinheit POL empfängt die Qualitätsmessungen von der Qualitätseinheit Q_TX über die Leitung 22 und steuert den zum Senden bzw. zur Übertragung verwendeten Polarisationsmode. Wie es oben angegeben ist, kann die Qualität von gesendeten Signalen von spezifischen Testsignalen oder für Verkehrssignale abgeleitet werden. Die Polarisationsmoden werden wie beim obigen Beispiel gewobbelt, und der Transceiver wählt die Polarisation, die optimale Ergebnisse ergibt. Wiederum kann die Vorwärts-Fehlerkorrekturaktivität zum Bestimmen des Qualitätsparameters verwendet werden.
Die obigen Routinen werden in geeigneten Intervallen ausgeführt, die beispielsweise statistischen Daten für ein typisches Auftreten von Polarisationsänderungen entsprechen können.
Verschiedene andere Strategien können zum Finden einer optimalen Polarisation verwendet werden, wie beispielsweise durch Anwenden vorbestimmter Lernsequenzen, von welchen geeignete Qualitätsmessungen bzw. -maßnahmen abgeleitet werden können.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel muss der Gegentransceiver nicht mit einer Einrichtung zur Polarisationssteuerung versehen sein.
Es sollte verstanden werden, dass sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Ausdruck Transceiver nicht notwendigerweise auf eine bidirektionale Einheit bezieht, sondern auch auf Einheiten, die nur zum Senden oder nur zum Empfangen angepasst bzw. eingerichtet sind.
Fünftes Ausführungsbeispiel
In 10 ist ein weiteres Transceiver-Ausführungsbeispiel gezeigt worden, wobei die Sendepolarisation und die Empfangspolarisation gleichzeitig und unabhängig abgestimmt werden können.
Zu diesem Zweck weist der Transceiver 34 dieselben Elemente, d. h. Filter, Sende- und Empfangseinheiten, eine Sendequalitätseinheit und eine Empfangsqualitätseinheit, wie beim obigen Ausführungsbeispiel des Transceivers 33 auf. Diese Elemente führen dieselben Funktionen und Routinen wie oben aus.
Gegensätzlich zum obigen Ausführungsbeispiel weist das Antennenelement Zwei-Drei-Anschluss-Zirkulatoren C1 und C2 auf, die an jedem Ende des Wellenleiters 1' angeordnet sind, und jeder Zirkulator ist mit einer Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC1 und APC2 gekoppelt, wie es in den 5 und 7 gezeigt ist.
Der Transceiver weist eine bestimmte Sendepolarisationseinheit POL_TX und eine bestimmte Empfangspolarisationseinheit POL_RX auf, durch welche Polarisation der empfangenen Signale sowie der gesendeten Signale gleichzeitig abgestimmt werden kann.
Die bestimmte Sendepolarisationseinheit POL_TX steuert die erste. Amplituden- und Steuereinheit APC1. Die bestimmte Empfangspolarisationseinheit steuert die zweite Amplituden- und Phasensteuereinheit APC2. Die Polarisationseinheiten funktionieren, wie es oben erklärt ist.
Eine durch die Schlitze empfangene Welle wird, auf dieselbe Weise, wie es in 3 gezeigt ist, zu zwei entgegengesetzten Wellenkomponenten W_a und W_b laufen, die innerhalb des Wellenleiters ausgebildet sind, wie es in 10 angezeigt ist.
Eine empfangene Welle W_b wird durch den Wellenleiter wandern, in einen Anschluss a des ersten Zirkulators C1 eintreten, aus einem Anschluss b austreten, reflektiert werden und ihre Phase und ihre Amplitude gemäß der Verarbeitung in der ersten Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC1 geregelt haben. Die reflektierte Welle wird einen Anschluss c (aufgrund nicht angepasster Eigenschaften beim Filter F_T?) auslassen und zusammen mit und in Überlagerung mit der Welle W_a wandern. Darauf folgend wird eine resultierende Welle in einen Anschluss e des zweiten Zirkulators C2 eintreten, aus einem Anschluss f austreten und zur weiteren Verarbeitung durch ein Empfangsfilter F_R laufen.
Eine Sendewelle W_a, die durch die Sendeeinheit TX_U erzeugt wird, wird durch ein Sendefilter F_T laufen, in einen Anschluss c des ersten Zirkulators C1 eintreten, aus einem Anschluss a in das Wellenleiterelement austreten und nach und nach über die Schlitze abgestrahlt werden. Die Welle wird in den Anschluss e des zweiten Zirkulators C2 eintreten, durch das Empfangsfilter FR zurückgewiesen werden, aus dem Anschluss d austreten und ihre Amplitude und ihre Phase zusammen damit, dass sie in der zweiten Amplituden- und Phasen-Steuereinheit APC2 reflektiert wird, geregelt haben, erneut in den Anschluss d des zweiten Zirkulators eintreten und aus dem Anschluss e austreten. Die reflektierte Welle wird durch den Wellenleiter wie W_b wandern, was die resultierenden Wellen, wie sie oben diskutiert sind, außerhalb des Wellenleiters erzeugt. Darauf folgend wird die übrige Energie der Welle W_b in den Anschluss a eintreten, in der APC1 reflektiert werden und in das Filter F_T eintreten, in welchem übrige Energie absorbiert wird.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der in 9 oder 10 gezeigte obige Wellenleiter in ein Radar eingebaut, das in der Nase eines Flugzeugs 40 angeordnet ist, wie es in 11 gezeigt ist.
Eine Radarsignalverarbeitungs- und Signalerzeugungseinheit (nicht gezeigt) ist mit den Eingangs- und den Ausgangsanschlüssen des Transceivers 34 gemäß 10 gekoppelt.
Bei einem Typ von Militärradars für eine Verwendung bei Flugzeugen sind die Sendeantenne und die Empfangsantenne zusammen an einem Rollachsen-Drehtisch in der Nase des Flugzeugs angebracht. Der Rollachsen-Drehtisch ermöglicht, dass die Antenne gedreht wird, um die Polarisation des Sendestrahls bzw. des empfangenen reflektierten Echos unabhängig vom Rollen bzw. Schlingern des Flugzeugs einzustellen.
Bei militärischen Anwendungen werden Maskierungsstreifen aus beispielsweise Aluminium abgeworfen und als Köder für ein folgendes Flugzeug verwendet. Die abgeworfenen Streifen werden typischerweise durch die Luft in einer gegebenen Ausrichtung ab- bzw. nach unten fallen, wie beispielsweise in horizontaler Richtung. Durch Steuern des Rollachsen-Drehtischs und dadurch der Polarisation ist es möglich, Reflexionen vom Köder unabhängig vom Rollen des Flugzeugs zu vermeiden.
Der Rollachsen-Drehtisch wird bewegt, um die Antenne unabhängig von der Neigung des Flugzeugs in dieser Position zu halten, und somit zum Kompensieren dieser Bewegungen, die unvermeidbar auftreten, wenn das Flugzeug abtaucht oder sich dreht.
Gemäß der Erfindung wird der obige Wellenleiter als eine Sendeantenne und/oder Empfangsantenne verwendet und wird in Bezug auf das Flugzeug fest angebracht. Dadurch wird ein Rollachsen-Drehtisch vermieden, und die Radareinheit kann kompakter gemacht werden.
Weitere Ausführungsbeispiele
In 12 ist eine weitere Anwendung gezeigt worden. Die Transceivereinheit 33 oder 34 der 9 oder 10 wird für ein Satellitenendgerät mit einem Reflektor 42 verwendet.
Dadurch ist ein billiges anpassbares Polarisationsendgerät erreicht worden, das links polarisierte sowie rechts polarisierte Wellen liefert. Ein solches Endgerät ist für eine Ka- und eine Ku-Band-Satelliten-Breitbandkommunikation geeignet, die über LEO-(low earth orbit = niedriger Erdorbit) oder GEO-(geo-stationary orbit = geostationärer Orbit)-Satelliten arbeitet.
Die anpassbare Polarisation kann beispielsweise ein Einspeishorn, einen Polarisierer und einen OMT (Orthomode-Transducer) einschließlich der nötigen Wellenleiterinstallation ersetzen, welche oft zu bekannten Einspeisungen gehört.
Für typische Ka-Band-Satelliten ist die Sendefrequenz und die Empfangsfrequenz oft zu weit entfernt, um zuzulassen, dass beide Bänder dieselben Schlitze mit guter Leistungsfähigkeit verwenden.
In 13 sind zwei separate Wellenleiter 1'' und 1''' mit unterschiedlichen Schlitzkonfigurationen als Antennenelemente in einem Endgerät für eine Satellitenkommunikation vorgesehen worden. Die jeweiligen Antennenelemente bilden einen Teil eines Transceivers 35, der gleich dem in 9 gezeigten Transceiver ist. Ein dichroitischer Subreflektor 43 ist zum Separieren der Aufwärts- und Abwärts-Verbindungswellen vorgesehen worden.

Claims

Antennenelement (30, 31, 32), das einen Wellenleiter (1, 1') mit einer Anzahl von Schlitzen (2, 2', 3, 3') aufweist, die entlang der Längsachse des Wellenleiters paarweise angeordnet sind, wobei ein erster Schlitz eines Paares unter einem ersten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist und ein zweiter Schlitz eines Paares unter einem zweiten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die jeweiligen Schlitze eines Paares in einem Abstand d einer Viertel-Wellenlänge zueinander angeordnet sind und wobei die Schlitze eines Paares (2, 2'; 3, 3') unter einem dritten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das Antennenelement ausgebildet ist, mit wenigstens einer Einspeisung zum Liefern einer ersten Welle innerhalb des Wellenleiters (W_a) gekoppelt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC, 14, 15, 16) zum Steuern der Phase und der Amplitude einer zweiten Welle (W_b) in Bezug zur ersten Welle vorgesehen ist, wobei sich die zweite Welle innerhalb des Wellenleiters in einer zur ersten Welle (W_a) entgegengesetzten Richtung ausbreitet, wobei die Polarisation, welche eine gesendete oder eine empfangene Welle (W') außerhalb des Wellenleiters aufweist, gesteuert werden kann.
Antennenelement (30, 31, 32) nach Anspruch 1, wobei die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC) einen Kurzschluss (SC) aufweist, der in einem Ende des Wellenleiters (1') angeordnet ist, zum Reflektieren der ersten Welle (W_a) in die zweite Welle (W_b).
Antennenelement (31) nach Anspruch 2, wobei die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit ein Feld von Dioden (5–9) aufweist.
Antennenelement (31) nach Anspruch 3, wobei die Dioden (5–9) im Zentrum des Wellenleiters angeordnet sind.
Antennenelement (31) nach Anspruch 2, wobei die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit eine bewegliche Reflexionsplatte (SC11) aufweist.
Antennenelement (32) nach Anspruch 2, wobei die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit ein bewegliches Dämpfungselement (12) aufweist.
Antennenelement (32) nach Anspruch 5 oder 6, das einen elektromechanischen Aktuator (13, 13') zum Bewegen der Reflexionsplatte (SC11) und/oder des Dämpfungselements (12) aufweist.
Antennenelement (32) nach Anspruch 7, wobei das Dämpfungselement (12) im Zentrum des Wellenleiters (1') angeordnet ist, während es durch die Reflexionsplatte (SC11) umgeben ist.
Antennenelement (30) nach Anspruch 1, wobei das Antennenelement eine Signalgabe- und Steuereinheit (CTRU) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Signals aufweist, welche jeweils in die erste und die zweite Welle umgewandelt werden, wobei die Signalgabe- und Steuereinheit (CTRU) die Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC14) steuert, um die Phase und die Amplitude der ersten Welle (W_a) in Bezug zur zweiten Welle (W_b) zu steuern.
Antennenelement (30, 31, 32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das einen ersten Zirkulator (C1) aufweist, der in einem Ende des Wellenleiters angeordnet ist, wobei der erste Zirkulator (C1) mit einem ersten Filter (F_b1) zum Dämpfen von Wellen gekoppelt ist, die gegen den ersten Zirkulator (C1) gerichtet sind.
Antennenelement (30) nach Anspruch 10, das einen zweiten Zirkulator (C2) aufweist, der in einem Ende des Wellenleiters (1, 1') gegenüberliegend zum ersten Zirkulator angeordnet ist, wobei der zweite Zirkulator (C2) mit einem zweiten Filter zum Dämpfen von Wellen gekoppelt ist, die gegen den zweiten Zirkulator gerichtet sind.
Antennenelement nach Anspruch 11, wobei eine Sendewelle (W_a; W_b) zum ersten Zirkulator (C1) geführt bzw. eingespeist wird und eine Empfangswelle (W_b; W_a) aus dem zweiten Zirkulator (C2) hervorgeholt bzw. wiedergewonnen wird.
Antennenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter (1') ein rechteckförmiges Profil hat.
Antennenelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter ein einzelner Stegwellenleiter (1) ist.
Transceiver (33, 34), der folgendes aufweist: einen geschlitzten Wellenleiter (1, 1', 1'', 1''') mit einer Anzahl von Schlitzen (2, 2', 3, 3'), die entlang der Längsachse des Wellenleiters paarweise angeordnet sind, wobei ein erster Schlitz eines Paares unter einem ersten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist und ein zweiter Schlitz eines Paares unter einem zweiten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die jeweiligen Schlitze eines Paares in einem Abstand d einer Viertel-Wellenlänge zueinander angeordnet sind und wobei die Schlitze eines Paares (2, 2'; 3, 3') unter einem dritten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das Antennenelement ausgebildet ist, mit wenigstens einer Einspeisung zum Liefern einer ersten Welle innerhalb des Wellenleiters (W_a) gekoppelt zu werden, wenigstens eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC; APC1), die in einem Ende des Wellenleiters angeordnet ist, zum Steuern der Phase und der Amplitude einer zweiten Welle in Bezug zu einer ersten Welle, wobei sich die zweite Welle innerhalb des Wellenleiters in einer zur ersten Welle entgegengesetzten Richtung ausbreitet, wobei der Polarisationsmodus von Wellen, die vom Wellenleiter abgestrahlt werden oder die durch den Wellenleiter empfangen werden, gesteuert wird, wenigstens einen Zirkulator (C, C1, C2), durch welchen eine Empfangswelle wiedergewonnen werden kann oder eine Sendewelle gesendet werden kann, eine Sendereinheit (TX_U) und/oder eine Empfangseinheit (RX_U), eine Sendequalitätseinheit (Q_TX) und/oder eine Empfangsqualitätseinheit (Q_RX) und eine Polarisationseinheit (POL), wobei die Polarisationseinheit (POL) die wenigstens eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC; APC1) in Reaktion auf jeweilige Eingangssignale (22, 23) von der Empfangsqualitätseinheit Q_RX und der Sendequalitätseinheit Q_TX steuert.
Transceiver (34) nach Anspruch 15, der folgendes aufweist: einen zweiten Zirkulator (C2), der entgegengesetzt zum ersten Zirkulator (C1) angeordnet ist, eine zweite Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC2), die entgegengesetzt zum ersten Zirkulator in einem Ende des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die Polarisations- und Steuereinheit (POL) eine bestimmte Sendepolarisationseinheit (POL_TX) und eine bestimmte Empfangspolarisationseinheit (POL_RX) aufweist, wobei die bestimmte Sendepolarisationseinheit POL_TX die erste Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC1) steuert, die bestimmte Empfangspolarisationseinheit die zweite Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC2) steuert, wobei die Polarisation der empfangenen Signale sowie der gesendeten Signale gleichzeitig und unabhängig abgestimmt werden kann.
Verfahren zum Betreiben eines ersten Transceivers (33, 34), der mit einem zweiten Transceiver (33, 34) kommuniziert, wobei der erste Transceiver ein Antennenelement (30, 31, 32) umfasst, das einen Wellenleiter (1, 1') mit einer Anzahl von Schlitzen (2, 2', 3, 3') aufweist, die entlang der Längsachse des Wellenleiters paarweise angeordnet sind, wobei ein erster Schlitz eines Paars unter einem ersten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist und ein zweiter Schlitz eines Paars unter einem zweiten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die jeweiligen Schlitze eines Paars in einem Abstand d einer Viertel-Wellenlänge zueinander angeordnet sind und wobei die Schlitze eines Paars (2, 2'; 3, 3') unter einem dritten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das Antennenelement ausgebildet ist, mit wenigstens einer Einspeisung zum Liefern einer ersten Welle innerhalb des Wellenleiters (W_a) gekoppelt zu werden, wobei wenigstens eine Amplituden- und Phasen-Steuereinheit (APC, 14, 15, 16) zum Steuern der Phase und der Amplitude einer zweiten Welle (W_b) in Bezug zur ersten Welle vorgesehen ist, wobei sich die zweite Welle innerhalb des Wellenleiters in einer zur ersten Welle (W_a) entgegengesetzten Richtung ausbreitet, wobei die Polarisation, welche eine gesendete oder eine empfangene Welle (W') außerhalb des Wellenleiters aufweist, gesteuert werden kann, wobei das Verfahren umfasst: Ändern der Polarisation des Signals, das zum zweiten Transceiver gesendet und/oder von diesem empfangen wird, in Abhängigkeit von einem gemessenen Qualitätswert, der zu dem Signal gehört, das zum zweiten Transceiver gesendet wird und/oder von diesem empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Polarisationsmode-Wobbelroutine durchgeführt wird, bei welcher zugehörige Werte von verschiedenen Polarisationsmoden und der Qualitätsparameter gemessen werden, und wobei eine Kommunikation mit der Polarisation durchgeführt wird, die optimale Ergebnisse in Bezug auf den Qualitätsparameter ergibt.
Transceiver (33, 34) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, welcher Teil eines Radarsystems für Flugzeuge (40) bildet, wobei die Polarisation des Transceivers in Reaktion auf das Rollen bzw. Schlingern des Flugzeugs gesteuert wird.
Transceiver (34, 35) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, welcher Teil eines Satellitenendgeräts ist, wobei wenigstens ein Wellenleiter (1, 1') in Zusammenhang mit einem Reflektor (42) verwendet wird.
Transceiver (34, 35) nach Anspruch 20, wobei wenigstens zwei Wellenleiter (1'', 1''') vorgesehen sind, wobei die zwei Wellenleiter eingerichtet sind, bei unterschiedlichen Frequenzbändern jeweils für die Aufwärts- und die Abwärtsverbindung zu arbeiten.
Transceiver (34, 35) nach Anspruch 21, wobei das Satellitenendgerät einen dichroitischen Subreflektor (43) zum Separieren der Aufwärts- und Abwärtsverbindungssignale aufweist.