DE102007050724A1

DE102007050724A1 - Dual polarisierte mehrfaserige Antenne

Info

Publication number: DE102007050724A1
Application number: DE102007050724A
Authority: DE
Inventors: Philip R. Cambridge Cowles
Original assignee: Com Dev International Ltd
Current assignee: Com Dev International Ltd
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-05-15
Also published as: FR2907602A1; GB2443308A; GB0720528D0; US20080094307A1

Abstract

Es sind verschiedene Ausführungsformen einer Antenne beschrieben, die eine gemeinsame Bodenebene, eine erste Gruppe von N annähernd resonanten Elementen mit einer Länge l2 und eine zweite Gruppe von M annähernd resonanten Elementen mit einer Länge l1 umfasst. Die erste Gruppe von N annähernd resonanten Elementen ist derart gewunden, dass eine erste Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d2 und einer Höhe h2 entsteht. Die zweite Gruppe von M annähernd resonanten Elementen ist derart in Gegenrichtung zu der ersten Gruppe von N annähernd resonanten Elementen gewunden, dass eine zweite Wendel entsteht. Die zweite Wendel ist mittig im Innern der ersten Wendel angeordnet, und d1 ist kleiner als d2 und h1 ist größer als h2.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen Wendelantennen und insbesondere eine Antenne, die mehrfaserige Elemente umfaßt, die mit der gleichen Frequenz gleichzeitig betrieben werden können.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Empfangen von Funksignalen muß eine Antenne verwendet werden, die nicht nur über den Frequenzbereich betrieben wird, den die Signale einnehmen, sondern auch der Art der Polarisierung dieser Signale entspricht. Wie dem Fachmann bekannt ist, beschreibt die Polarisierung die Richtung der elektrischen Feldkomponente einer elektromagnetischen Welle (EM-Welle), wenn diese an der Empfangsantenne eintrifft. Die elektrische Feldkomponente einer EM-Welle läßt sich in eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente unterteilen.
Wenn die elektrische Feldkomponente der Welle nur eine Unterkomponente aufweist, entweder eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente, dann sagt man, daß die Welle eine lineare Polarisierung besitzt. Wenn die Welle beide Unterkomponenten aufweist, dann sagt man, daß das Signal eine elliptische Polarisation besitzt. Wenn die horizontale und die vertikale Komponente gleiche Größe aufweisen und um 90° phasenverschoben sind, dann sagt man, daß die Welle eine zirkulare Polarisierung besitzt. Jede Art der Polarisierung, ob linear oder elliptisch, kann zwei rechtwinklig zueinander liegende Signale mit der gleichen Frequenz bereitstellen. Beispielsweise kann sich ein linear polarisiertes Signal entweder mit seiner Polarisierung in der Horizontalrichtung oder der Vertikalrichtung fortpflanzen, und ein zirkular polarisiertes Signal kann abhängig von der Richtung, in der sich das elektrische Feld dreht, entweder rechtsläufig oder linksläufig sein.
Eine Antenne, in beiden senkrecht zueinander liegenden Polarisierungen gleichzeitig betrieben werden kann, ist vorteilhaft, weil sich die Kapazität eines Übertragungskanals durch Verwendung jeder senkrecht zueinander liegenden Polarisierung zur unabhängigen Beförderung von Daten verdoppeln kann. Durch Polarisierung eines Funksignals vergrößert sich nicht nur die Kapazität eines Übertragungskanals, sondern sie kann auch durch Anpassung der Antenne an die eintretende Polarisierung zur Maximierung der Intensität eines empfangenen Signals verwendet werden. Durch Einstellen der Empfangsantenne auf die Senkrechte zu dem unerwünschten Signal kann sie auch zum Ausschalten eines unerwünschten Signals verwendet werden.
Dual polarisierte Antennen werden in mehreren verschiedenen Antennengrundformen wie als Dipolantennen, Wellenleiterantennen, Reflektor- oder Linsenantennen und Wendelantennen ausgeführt. Wendelantennen sind insbesondere für Satellitenzwecke gut geeignet, weil sie eine verhältnismäßig große Bandbreite aufweisen und weil sie in einem kleinen Volumen verstaut werden können. Eine Wendelantenne besteht typischerweise aus einem leitenden Draht, der zur Form einer Wendel gewunden und über einer Bodenebene angebracht ist. Die Wendelantenne kann entweder im normalen Modus oder im Axialmodus betrieben werden. Im Axialmodus ist die Wendelantenne ein natürlicher Abstrahler einer zirkulär polarisierten Strahlung und kann zur Bereitstellung beider Betätigungsrichtungen konfiguriert sein. 1 stellt eine isometrische Ansicht einer typischen Axialmodus-Wendelantenne 5 dar.
Eine gewöhnliche Form einer dual polarisierten Wendelantenne ist eine dual polarisierte Eindrahtwendelantenne. 2 stellt eine Seitenansicht einer typischen dual polarisierten Eindrahtwendelantenne dar. Die Antenne 10 umfaßt eine Eindrahtwendel 12, einen Reflektor oder eine Bodenebene 14, eine am unteren Ende gelegene Koaxialspeiseleitung 16 und eine am fernen Ende gelegene Speiseleitung 18. Wenn die Antenne 10 von dem unteren Ende 16 aus gespeist wird, ist die Polarisierung durch die Richtungslage der Eindrahtwendel 12 definiert. Wenn die Antenne 10 an dem unteren Ende 18 gespeist wird, strahlt die Wendel 12 ihre eigene spezielle Polarisierungsrichtung ab, wobei sich diese bei Reflexion von der Bodenebene 14 umkehrt.
Der allerwichtigste betriebliche Zwang für die dual polarisierte Wendelantenne 10 ist ihre Größe. Die Antenne 10 strahlt eine Zirkularpolarisierung im Axialmodus nur dann ab, wenn ihr Umfang etwa eine Wellenlänge (λ) beträgt. Weiterhin muß die Bodenebene 14 ausreichend groß sein, um eine erfolgreiche Wellenausbreitung an der Eindrahtwendel 12 zu unterstützen, und diese kann typischerweise größer als eine Wellenlänge (λ) in Querrichtung sein.
Versuche zur Konstruktion dual polarisierter Formen von Wendelantennen schlugen im allgemeinen fehl, da die Leistung beider durch die Verbindung zwischen den zwei Konstruktionen zerstört oder ein sehr hoher Grad einer elektrischen Verbindung zwischen den zwei Antennen oder Antennenelementen eingebracht wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einer Hinsicht wird mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform eine Antenne geschaffen, umfassend eine gemeinsame oder gemeinsam benutzte Bodenebene, eine erste Gruppe von N annähernd resonanten, der gemeinsamen Bodenebene zugeordneten Elementen, wobei jedes von der ersten Gruppe von annähernd resonanten Elementen eine Länge l2 aufweist und derart gewunden ist, daß eine erste Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d2 und einer Höhe h2 entsteht, und eine zweite Gruppe von N annähernd resonanten, der gemeinsamen Bodenebene zugeordneten Elementen. Jedes von der zweiten Gruppe von N annähernd resonanten Elementen weist eine Länge l1 auf und ist derart in Gegenrichtung zu der ersten Gruppe von annähernd resonanten Elementen gewunden, daß eine zweite Wendel entsteht, die mittig innerhalb der ersten Wendel angeordnet ist und einen Anfangsdurchmesser d1 und eine Höhe h1 aufweist, wobei d1 kleiner als d2 ist und h1 größer als h2 ist.
In einer weiteren Hinsicht wird mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform eine dual polarisierte mehrfaserige Antenne geschaffen, umfassend eine Bodenebene, eine erste Gruppe von N resonanten Elementen, die mit der Bodenebene verbunden und zur Ausbildung einer ersten Wendelantenne gewunden sind, und eine zweite Gruppe von M resonanten Elementen, die mit der Bodenebene verbunden und zur Ausbildung einer zweiten Wendelantenne in Gegenrichtung zu der ersten Gruppe von resonanten Elementen gewunden sind. Die erste und die zweite Wendelantenne sind konzentrisch, besitzen unterschiedliche Höhen und Durchmesser, die resonanten Elemente beider Wendelemente weisen ähnliche Längen auf, und die Wendelantennen können mit im wesentlichen ähnlichen Frequenzen gleichzeitig betrieben werden.
In beiden Fällen sind N und M ganze Zahlen mit Werten größer oder gleich drei. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, rein beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Ansicht einer typischen Axialmodus-Eindrahtwendelantenne nach dem Stand der Technik,
2 ist eine Seitenansicht einer typischen dual polarisierten Eindrahtwendelantenne nach dem Stand der Technik,
3 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer dual polarisierten vierfaserigen Antenne,
4 ist eine Ansicht von oben auf eine beispielhafte Ausführungsform einer dual polarisierten vierfaserigen Antenne,
5 ist eine isometrische Ansicht einer typischen vierfaserigen Antenne, die von symmetrischen Übertragungsleitungen gespeist wird,
6 ist eine isometrische Ansicht einer typischen kurzgeschlossenen vierfaserigen Wendel nach dem Stand der Technik,
7 ist eine graphische Darstellung, die das (auf eine Zirkularpolarisierung bezogene) Strahlungsmuster der in 3 gezeigten, dual polarisierten mehrfaserigen Antenne zeigt,
8 ist eine Seitenansicht einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne, bei welcher die äußere Wendel einen variablen Durchmesser aufweist,
9 ist eine Seitenansicht einer Eindrahtwendel, welche die Grundmaße einer Wendel zeigt,
10 ist eine Seitenansicht eines Satellitensystems mit einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne gemäß der Darstellung in 3,
11 ist eine Seitenansicht des in 10 gezeigten Satellitensystems, wobei die dual polarisierte mehrfaserige Antenne zusammengedrückt oder verstaut ist,
12 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer dual polarisierten dreifaserigen Antenne,
13 ist eine Ansicht von oben auf eine beispielhafte Ausführungsform einer dual polarisierten dreifaserigen Antenne und
14 stellt Simulationsergebnisse dar, welche das Strahlungsmuster für vierfaserige und dreifaserige Antennen mit ähnlicher Drahtgeometrie zeigen.
Es ist zu erkennen, daß die in den Figuren gezeigten Elemente der einfachen und eindeutigen Darstellung halber nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen von manchen der Elemente der Eindeutigkeit halber in Bezug auf andere Elemente übertrieben dargestellt sein.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es ist zu erkennen, daß der einfachen und eindeutigen Darstellung halber, sofern es zweckdienlich erscheint, Bezugsziffern unter den Figuren wiederholt werden können, um entsprechende oder analoge Elemente oder Schritte anzuzeigen. Des weiteren sind zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um für ein gründliches Verständnis der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu sorgen. Der gewöhnliche Fachmann wird jedoch erkennen, daß die hier beschriebenen Ausführungsformen auch ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Verfahren, Vorgänge und Komponenten nicht im einzelnen beschrieben, um die hier beschriebenen Ausführungsformen nicht unverständlich zu machen. Weiterhin soll diese Beschreibung in keiner Weise als den Umfang der hier beschriebenen Ausführungsformen einschränkend, sondern vielmehr lediglich die Ausführung der hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen veranschaulichend betrachtet werden.
Zuerst wird auf 3 und 4 verwiesen, die eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von oben auf eine beispielhafte Ausführungsform einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne 100 zeigen. Die Antenne 100 umfaßt eine innere mehrfaserige Wendel 102, eine äußere mehrfaserige Wendel 104 und eine gemeinsame Bodenebene 106. Die innere Wendel 102 ist konzentrisch im Innern der äußeren mehrfaserigen Wendel 104 über der gemeinsamen Bodenebene 106 angeordnet. Die innere und die äußere Wendel 102 und 104 bilden unabhängige, einander entgegengesetzt polarisierte Antennen, die mit der gleichen Frequenz (f) gleichzeitig betrieben werden können.
Es sollte sich verstehen, daß bei der vorliegenden Erfindung zwar anstelle der gemeinsamen Bodenebene 106 ein gemeinsamer oder gemeinsam genutzter Reflektor verwendet wird, jedoch anstelle der gemeinsamen Bodenebene 106 auch verschiedene andere Vorrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise kann statt dieser ein symmetrisches Speisenetz wie eine vierfach abgeglichene Übertragungsleitung mit einer derartigen Konfiguration verwendet werden, daß die innere mehrfaserige Wendel 102 und die äußere mehrfaserige Wendel 104 korrekt gespeist werden. Allgemein gesagt, ist die Verwendung einer Bodenebene in dem Fall von Vorteil, in dem (beispielsweise bei Anwendungen in Raumschiffen) eine maximale Durchlaßverstärkung erforderlich ist. Jedoch ist es bei mobilen Anwendungen mehr erwünscht, daß ein breiteres, mehr rundstrahlendes Erfassungsmuster vorhanden ist und demgemäß eine andere Vorrichtung wie die oben erläuterte vierfach abgeglichene Übertragungsleitung verwendet werden kann. 5 zeigt eine isometrische Ansicht einer typischen vierfaserigen Antenne 121, die durch symmetrische Übertragungsleitungen gespeist wird, bei denen die Wirkungsrichtung in der gezeigten Weise entlang ihrer Achse angegeben ist.
Auch sollte es sich bei bestimmten Zwecken verstehen, daß es praktisch sein kann, entweder die innere oder die äußere mehrfaserige Wendel 102 oder 104 in der einen Weise und die andere von der inneren oder der äußeren mehrfaserigen Wendel 102 oder 104 in der anderen Weise zu speisen. Wenn beispielsweise ein stark beschränkter Raum um die Basis der äußeren mehrfaserigen Wendel 104 herum vorhanden wäre, könnte diese mit Hilfe einer 4-Draht-Vierfachspeisung gespeist werden, während die innere mehrfaserige Wendel 102 mit einer herkömmlichen Bodenebene gespeist werden kann. Natürlich kann auch das Gegenteil gelten.
Die mehrfaserigen Wendeln 102 und 104 bestehen jeweils aus N identischen resonanten Elementen oder "Fasern", wobei N größer als oder gleich vier ist. Zwar werden die Fasern als "resonante" Elemente bezeichnet, es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Elemente streng resonant sind, und es reicht aus, wenn sie annähernd resonant sind oder innerhalb von ±20% Resonanz liegen. Bei der in 3 und 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfassen die Wendeln 102 und 104 jeweils vier resonante Elemente 108, 110, 112, 114 bzw. 116, 118, 120, 122. Jedes resonante Element besitzt ein erstes Ende 108a, 110a, 112a, 114a, 116a, 118a, 120a, 122a und ein zweites Ende 108b, 110b, 112b, 114b, 116b, 118b, 120b, 122b. Die resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 können als Drähte ausgeführt sein, die aus elektrisch leitendem Material wie Kupfer, mit Kupfer plattiertem Stahl, Beryllium-Kupfer, beschichtetem Kunststoff aus Verbundmaterial oder aus leitenden Polymeren und dergleichen bestehen.
Die Dicke der resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 wird von zwei Zwängen diktiert: (1) die resonanten Elemente müssen eine derart ausreichende Dicke aufweisen, daß sie keine zu großen ohmschen Verluste erleiden, und (2) die resonanten Elemente müssen dünn genug sein, so daß kein unannehmbarer Grad an kapazitiver Kopplung besteht, durch den die Antenne funktionsunfähig würde. Die resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 können gleich bleibend dick sein oder sich verjüngen.
Die Länge der resonanten Elemente wird annähernd von der Frequenz (f) diktiert, mit welcher die Antenne betrieben wird, und davon, ob die Antenne eine kurzgeschlossene oder eine geöffnete Wendelantenne ist. Bei einer geöffneten Wendelantenne sind die zweiten Enden der resonanten Elemente 108b, 110b, 112b, 114b, 116b, 118b, 120b, 122b wie in 3 geöffnet. Bei einer kurzgeschlossenen Antenne sind die zweiten Enden der resonanten Elemente 108b, 110b, 112b, 114b, 116b, 118b, 120b, 122b über leitende Elemente miteinander kurzgeschlossen. Bei kurzgeschlossenen Wendelantennen sind die resonanten Elemente typischerweise miteinander kurzgeschlossen, indem sich die Elemente derart kreuzen, daß eine sternförmige Anordnung entsteht. 6 zeigt eine isometrische Ansicht einer typischen kurzgeschlossenen, vierfaserigen Antenne 130.
Diese Kurzschließtechnik kann jedoch nicht für eine hier beschriebene, dual polarisierte mehrfaserige Antenne verwendet werden, da sich die sternförmige Anordnung der äußeren Wendel 104 störend auf die innere Wendel 102 auswirken würde. Zum Kurzschließen der äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 kann eine andere Technik verwendet werden, beispielsweise unter Verwendung eines starren Rings, der sich um die innere Wendel 102 herum erstreckt, und an dem sämtliche äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 befestigt sind.
Bei einer offenen, mehrfaserigen Antenne sind die Längen der einzelnen resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 annähernd gleich einem Mehrfachen von Halbwellenlängen (λ/2), wobei die Wellenlänge (λ) umgekehrt proportional der Betriebsfrequenz (f) ist. Demgemäß sind für die kleinste offene, mehrfaserige Antenne, die mit 300MHz (einer Wellenlänge (λ) von 1 Meter) betrieben wird, Längen der resonanten Elemente von annähernd 0,5 Metern erforderlich. Bei einer kurzgeschlossenen mehrfaserigen Antenne ist die Länge der resonanten Elemente annähernd gleich einem Mehrfachen von Viertelwellenlängen (λ/4). Eine kurzgeschlossene λ/4-Antenne wäre eindeutig eine kleinere Antenne als eine offene λ/2-Antenne, jedoch würde die kurzgeschlossene Antenne zusätzliche Teile und Verbindungspunkte zum Verbinden der resonanten Elemente erfordern und hätte eine geringere Verstärkung. Die Längen der resonanten Elemente sind auf Grund dessen, daß sich die Welle entlang einem resonanten Element mit weniger als der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, weil das andere resonante Element vorhanden ist, und der Energiekopplung an die Freiraumwelle keine genauen Mehrfachen einer Halbwellenlänge (λ/2) oder einer Viertelwellenlänge (λ/4).
Bei der in 3 und 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die Länge der resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 annähernd gleich einer Halbwellenlänge (λ/2). In dem Fall, in dem die inneren wie auch die äußeren resonanten Elemente die gleiche Nennlänge aufweisen, ist ihre Leistung (d.h. Strahlungsmuster und Verstärkungsprofil) ähnlich, wenn nicht eng aufeinander bezogen. Es muß jedoch sein, daß die Länge der inneren resonanten Elemente 108, 110, 112, 114 gleich der Länge der äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 ist. Die Länge der inneren resonanten Elemente 108, 110, 112 und 114 kann ein höheres Mehrfaches einer Halbwellenlänge oder einer Viertelwellenlänge als die Länge der äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 sein.
Die inneren resonanten Elemente 108, 110, 112 und 114 sind derart gewunden, daß eine Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d1, einer Höhe h1 und einem Steigungswinkel α1 entsteht. Die äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120, 122 sind derart gewunden, daß eine Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d2, einer Höhe h2 und einem Steigungswinkel α2 entsteht Das von jeder der Wendeln 102 und 104 gelieferte Strahlungsmuster ist in erster Linie eine Funktion der Länge der resonanten Elemente 108, 110, 112 und 114, 116, 118, 120, 122, welche die Wendel bilden. Anfangsdurchmesser, Steigungswinkel und Höhe der Wendel haben keinen Einfluß auf die Sende- oder Empfangsfähigkeit der Antenne. Infolgedessen weist eine mehrfaserige Antenne mit mindestens vier Fasern der gleichen Grundlänge im allgemeinen eine ähnliche Leistung über einen Bereich von Steigungswinkeln und Durchmessern auf.
7 zeigt das (auf eine Zirkularpolarisierung bezogene) Strahlungsmuster beider Wendeln 102 und 104 einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne 100 mit den folgenden beispielhaften Maßen: die innere Wendel 102 besitzt einen Anfangsdurchmesser von 0,25m, einen Steigungswinkel von 20,0° und 1,50 Drehungen, die äußere Wendel 104 besitzt einen Durchmesser von 0,525m, einen Steigungswinkel von 15,7° und 0,75 Drehungen. Die Kurve 150 stellt das Strahlungsmuster der äußeren Wendel 104 dar, und die Kurve 152 stellt das Strahlungsmuster der inneren Wendel 102 dar. Wie zu sehen ist, werden für beide Wendeln 102 und 104 Spitzenverstärkungen von etwa 5dBic (der Antennenverstärkung in Dezibel, bezogen auf einen zirkulär polarisierten, theoretisch isotropen Strahler) erzielt.
Der Anfangsdurchmesser d1 der von den inneren resonanten Elementen 108, 110, 112 und 114 gebildeten Wendel ist derart kleiner als der Anfangsdurchmesser d2 der von den äußeren resonanten Elementen 116, 118, 120 und 122 gebildeten Wendel, daß die inneren resonanten Elementen 108, 110, 112 und 114 mit den äußeren resonanten Elementen 116, 118, 120 und 122 konzentrisch sind. Die Anfangsdurchmesser d1 und d2 der Wendeln sind derart gewählt, daß die zwei Wendeln 102 und 104 eine ähnliche elektrische Leistung mit begrenzter Überlagerung und Kopplung dazwischen aufweisen.
Werden Wendeldurchmesser d1 und d2 gewählt, die zu ähnlich sind, wird es möglich, daß Energie von einer Wendel in die andere Wendel eingekoppelt wird. Diese Einkopplung ist unerwünscht, da sich dadurch die Leistung vermindert, die durch die Wendel in den/aus dem freien Raum übertragen wird. Weiterhin kann sich die Einkopplung nachteilig auf die Strahlungsmuster der Wendeln 102 und 104 auswirken. Ein angemessenes Ziel besteht darin, eine Kopplung von -15dB zwischen den Wendeln zu erreichen. Die Anfangsdurchmesser d1 und d2 der Wendeln können auch nicht so groß sein, daß die resonanten Elemente nur einen sehr kleinen Abschnitt des Umfangs eines bestimmenden Zylinders bilden. Die Anfangsdurchmesser sollten auch nicht allzu klein sein, da ein erhöhter elektrischer Verlust entstehen kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Anfangsdurchmesser der äußeren Wendel d2 das Zweifache des Anfangsdurchmessers der inneren Wendel d1.
Bei der in 3 und 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weisen die Wendeln 102 und 104 gleichbleibende Durchmesser auf und sind mithin zylinderförmig. Als Alternative können eine oder beide der Wendeln 102 und 104 variable Durchmesser aufweisen, die sich entlang der Achse der Antenne verändern. Jedoch muß die innere Wendel 102 an allen Stellen einen kleineren Durchmesser als die äußere Wendel 104 besitzen.
8 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne 200, bei welcher die äußeren resonanten Wendelnelemente mit einem zunehmenden Durchmesser gewunden sind. Bei der alternativen Ausführungsform umfaßt die innere Wendel 202 vier resonante Elemente 208, 210, 212, 214, und die äußere Wendel 204 umfaßt vier resonante Elemente 216, 218, 220, 222. Die inneren resonanten Elemente 208, 210, 212, 214 sind zylindrisch gewunden, um eine Wendel mit gleichbleibendem Durchmesser zu bilden. Die äußeren resonanten Elemente 216, 218, 220, 222 sind jedoch derart mit einem zunehmenden Durchmesser gewunden, daß die äußere Wendel 204 kegel- oder trichterförmig ist. Die Ausführungsform mit der zylindrischen Wendel kann zu Zwecken wie Anwendungen als mobile Vorrichtungen (d.h. Mobiltelefone) verwendet werden, bei denen für die Antenne ein beschränkter Platz vorhanden ist. Die Ausführungsform mit der Wendel mit variablem Durchmesser kann für Satellitenzwecke verwendet werden, bei denen ein praktisch unbegrenzter Platz für die entfaltete Antenne vorhanden sein kann, das Volumen der verstauten Antenne jedoch klein ist.
Die Höhe h1 der inneren Wendel 102 ist größer als die Höhe h2 der äußeren Wendel 104. Diese Höhendifferenz ist notwendig, um sicherzustellen, daß beide Wendeln 102 und 104 mit der gleichen Frequenz (f) gleichzeitig betätigt werden können. Wenn die innere Wendel 102 kürzer als die äußere Wendel 104 wäre, dann würde sich das innere Signal unbedingt durch die äußere Wendel 104 hindurch zum Schaden von deren elektromagnetischer Leistung fortpflanzen.
Der Steigungswinkel α1 ist die Steigung einer Drehung eines resonanten Elements. 9 ist eine Seitenansicht einer Eindrahtwendel 250 und wird verwendet, um den Steigungswinkel einer Wendel zu zeigen. Der Parameter S ist der Drehungsabstand oder die Linearlänge einer Drehung der Wendel. Der Parameter D ist der Durchmesser. Wenn man eine einzelne Drehung flach streckt, erhält man das auf der rechten Seite von 9 gezeigte rechtwinkelige Dreieck. Der Parameter C zeigt den Umfang der Drehung, während L' die Länge des Drahts anzeigt, um eine einzelne Drehung zu erhalten. Der Winkel α ist die Steigung der Wendel und ist gleich tan-1 (S/C).
Die wendelförmige Windung aller resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 and 122 beginnt an der Bodenebene 106. Die resonanten Elemente jeder Wendel 102 und 104 sind physisch um 360°/N voneinander beabstandet. Bei der in 4 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist N = 4, und deshalb sind die resonanten Elemente um 90° voneinander beabstandet. N kann jedoch auch andere Werte annehmen, was im folgenden erläutert ist.
Die Windung des ersten wendelförmigen resonanten Elements 108 der inneren Wendel 102 beginnt an dem ersten Referenzpunkt 124. Die Windung des zweiten inneren, resonanten Elements 118 beginnt an dem zweiten Referenzpunkt 126, der 90° von dem ersten Referenzpunkt 124 entfernt ist. Die Windung des dritten inneren resonanten Elements 110 beginnt an dem dritten Referenzpunkt 128, der 90° von dem zweiten Referenzpunkt 126 und 180° von dem ersten Referenzpunkt 124 entfernt ist. Die Windung des vierten inneren resonanten Elements 112 beginnt an dem vierten Referenzpunkt 130, der 90° von dem dritten Referenzpunkt 128, 180° von dem zweiten Referenzpunkt 126 und 270° von dem ersten Referenzpunkt 124 entfernt ist. In ähnlicher Weise beginnt die Windung der die äußere Wendel 104 bildenden resonanten Elemente 116, 122, 118 und 120 jeweils an den Referenzpunkten 132, 134, 136, 138.
Als Alternative können die Windungen der äußeren Wendel 104 um die Wendelachse herum um einen Winkel σ vom Beginn der Windungen der inneren Wendel 102 aus gedreht werden, um für mehr Platz für die Verbinder, Anpassungsschaltungen und Trennschaltungen zu sorgen. Wenn beispielsweise σ = 45°, beginnen die Windungen der inneren resonanten Elemente 108, 110, 112 und 114 jeweils bei 0°, 90°, 180° und 270°, und die Windungen der äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 beginnen jeweils bei 45°, 135°, 225° und 315°.
Wieder in 3 und 4 sind die inneren resonanten Elemente 108, 110, 112 und 114 in der gleichen Richtung gewunden, und die äußeren resonanten Elemente 116, 118, 120 und 122 sind in der Gegenrichtung gewunden, so daß die eine Wendel eine rechte Zirkularpolarisierung (RHCP) und die andere Wendel eine linke Zirkularpolarisierung (LHCP) aufweist. Es ist elektromagnetisch unerheblich, welche Wendel eine RHCP aufweist und welche Wendel eine LHCP aufweist. Demgemäß weist eine dual polarisierte mehrfaserige Antenne mit der inneren Wendel 102 in RHCP und der äußeren Wendel 104 in LHCP die gleiche Leistung wie eine dual polarisierte mehrfaserige Antenne mit der inneren Wendel 102 in LHCP und der äußeren Wendel 104 in RHCP auf.
Es gibt mehrere bekannte Verfahren zum Bestimmen der Maße (Durchmesser, Höhe, Steigungswinkel) einer mehrfaserigen Wendel. Zwei von den üblicheren Verfahren sind das Probierverfahren und die genetische Teilung. Bei der genetischen Teilung wird das Darwinsche Prinzip der natürlichen Auslese derart angewandt, daß die am meisten erwünschten Parameter erfolgreich bestimmt werden. Den genetischen Teilungsvorgang beginnt man, indem man ermittelt, wie viele Fasern (resonante Elemente) die Wendel besitzt. Als nächstes werden annähernd 1000 beliebige N-faserige Wendeln erzeugt. Dann werden die Ausgangswendeln zur Ausbildung von Mutationen verbunden. Dann werden die N-faserigen Wendeln gegenüber einer Eignungsfunktion verglichen, um festzustellen, welche Antennen für den nächsten Schritt verwendet werden. Die Eignungsfunktion umfaßt typischerweise Bandbreite, Verstärkung, Polarisierung, Strahlung und Eingangsimpedanz der idealen Antenne. Dann wird der Vorgang für die Antennen wiederholt, welche die Bedingungen der Eignungsfunktion erfüllen. Der vollständige Vorgang, d.h. von der Mutation bis zum Vergleich, wird so lange wiederholt, bis die Iteration keine sehr großen Verbesserungen erbringt. Das genetische Teilungsverfahren ist rechnerisch kompliziert und wird mithin typischerweise von einem Computer ausgeführt.
Die ersten Enden 108a, 110a, 112a, 114a, 118a, 120a und 122a der resonanten Elemente werden durch kleine Löcher in der Bodenebene 106 hindurch mit Koaxialkabeln verbunden, welche die resonanten Elemente mit dem Speisenetz verbinden, das einen Leistungsteiler und ein Phasennetz umfaßt. Bei einer Ausführungsform werden die ersten Enden 108a, 110a, 112a, 114a, 118a, 120a und 122a der resonanten Elemente jeweils in eine dielektrische Hülse gezwängt, die jedes Element in dem richtigen Steigungswinkel gegenüber der Bodenebene 106 hält. Als Alternative werden die ersten Enden 108a, 110a, 112a, 114a, 118a, 120a und 122a der resonanten Elemente durch Stifte mit einer dielektrischen Konstruktion verbunden, und zu dem Verbinder führt ein flexibles Kabel.
Die Bodenebene 106 ist eine Platte oder eine Reihe von Platten aus elektrisch leitendem Material, das für eine Übereinstimmung des Modus zwischen den Koaxialkabeln und den resonanten Elementen 108, 110, 112, 114, 118, 120 und 122 sorgt. Da das Koaxialkabel und das resonante Element grundsätzlich verschiedene Formen von Übertragungsleitungen sind, kommt es zu einer Nichtübereinstimmung der Modi, wenn der Strom von dem Koaxialkabel zu dem resonanten Element fließt. Wenn eine Nichtübereinstimmung der Modi vorhanden ist, kann ein Teil des Stroms an der Außenseite des Koaxialkabels hinunter zurücklaufen, was bewirkt, daß das Koaxialkabel als Antenne wirkt.
Die Bodenebene 106 ist eine Weise, um diese Nichtübereinstimmung der Modi anzugehen. Das heißt, mit ihr kann die Verbindung Koaxialkabel/resonantes Element als richtiger Symmetrie-Unsymmetrie-Umformer (als Symmetrierglied) wirken. Durch die Bodenebene 106 wird der Strom effektiv an dem resonanten Element nach oben gedrückt, so daß die Wendelantenne diese Energie ordnungsgemäß abstrahlt.
Die Bodenebene 106 kann eine Kreisform aufweisen, n Seiten besitzen, ein Loch in der Mitte besitzen, ein Kreisring sein oder sogar N einzelne Kreisplatten sein, je eine für jedes resonante Element. Die Bodenebene 106 muß ausreichend groß sein, so daß die Wendel sämtliche Energie ordnungsgemäß abstrahlt. Im allgemeinen reicht eine Bodenebene 106 mit einem Durchmesser, der um λ/10 bis λ/20 größer als der Anfangsdurchmesser d2 der äußeren Wendel 104 ist. Wenn die Bodenebene 106 zu klein ist, tritt die Wirkung der Verbindung Koaxialkabel/resonantes Element als Stromfluß an der Außenseite des Koaxialkabels nach unten auf. Weiterhin kann die Bodenebene 106 eine Wabenverbundkonstruktion oder jede andere geeignete Konstruktion bilden.
Die dual polarisierte mehrfaserige Antenne kann in einem von drei Modi betrieben werden. In dem ersten Modus funktionieren die innere und die äußere Wendel 102 und 104 als unabhängig zirkulär polarisierte Antennen. In diesem Modus wird jedes der resonanten Elemente der Wendeln 102 und 104 in Phasenstufen von 360°/N gespeist. Wenn beispielsweise N = 4, wird die innere Wendel 102 bei 0°, 90°, 180° und 270° gespeist. Für jede Wendel 102 und 104 sind ein 1:N-Leistungsteiler und Phaseneinstellkreise erforderlich.
Herkömmlicherweise erfolgt diese Aufspaltung mit einem Mikrowellennetz, sie kann jedoch auch digital oder mit einer Zwischenfrequenz nach der Aufwärtskonvertierung oder Abwärtskonvertierung der Signale erfolgen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Betätigung der Wendel. Beispielsweise kann eine Wendel als Sendeantenne und die andere als Empfangsantenne fungieren. Als Alternative können beide Wendeln 102 und 104 als Sendeantennen fungieren. Bei einer weiteren Alternative können beide Wendeln 102 und 104 als Empfangsantennen fungieren.
In dem zweiten Modus wirken die Wendeln 102 und 104 als unabhängig elliptisch polarisierte Antennen. Bei einer Ausführungsform sind zwei Speisenetze für jede Wendel vorhanden. Das erste Netz speist die resonanten Elemente in Phasenquadratur in der oben beschriebenen Weise. Mithin werden die resonanten Elemente einer Wendel mit Signalen mit der gleichen, um 360°/N versetzten Amplitude gespeist. Das zweite Netz speist sämtliche resonanten Elemente einer Wendel phasengleich. Mithin werden sämtliche resonanten Elemente einer Wendel gleichzeitig mit der gleichen Amplitude gespeist. Dadurch ergibt sich eine Vektorenaddition für jedes Signal an jedem resonanten Element. Dieser Modus läßt sich zur Minimierung der Überlagerung durch ein Störsignal verwenden. Ein Antennensteuerelement würde wahrscheinlich mit rein zirkulär polarisierten Wellen beginnen und nur eine zweite Einspeisung anfügen, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) zu verbessern. Bei einer alternativen Ausführungsform erzielt man das gleiche Ergebnis durch Einzelspeisung von jedem der acht resonanten Elemente. Für diese Ausführungsform sind acht unabhängige Empfänger notwendig, je einer für jedes resonante Element.
In dem dritten Modus werden die zwei Wendeln 102 und 104 zur Schaffung einer vielseitigen, adaptiven Antenne verwendet. Dieser Modus wirkt nach dem Prinzip, daß die LHCP und die RHCP bei phasengleicher Speisung mit der gleichen Amplitude ein linear polarisiertes Signal erzeugen. Das ist ein effektiveres Verfahren zur Unterdrückung eines Störsignals. In diesem Modus werden die Phase und die Amplitude so lange eingestellt, bis das Signal-Störungs-Verhältnis (S/J-Verhältnis) maximiert ist.
Wenn ein Strahlungsmuster durch Kombination der einzelnen Muster zweier Antennen synthetisiert wird, muß der 'effektive Ursprung der Strahlung' oder das 'Phasenzentrum' bekannt sein, und dieser/dieses sollte sich nicht mit dem Betrachtungswinkel oder der Frequenz ändern. Deshalb ist die synthetisierte, kombinierte Strahlung (oder Energiedichte) unter jedem Betrachtungswinkel eine Funktion der Speisungsamplituden und der Phasen der zwei einzelnen Antennen sowie der Lagestelle ihrer Phasenzentren, da sich das auf die gesamte Phasenweglänge zu dem Betrachter auswirkt. Bestimmte synthetisierte Muster, beispielsweise in dem vorliegenden Fall, könnten am besten erstellt werden, wenn die zwei Phasenzentren übereinstimmen, und somit entsteht durch eine Änderung des Betrachtungswinkels keine relative Phasenänderung zwischen den einzelnen Quellen. Bei zwei konzentrischen Antennen liegen die Phasenzentren wahrscheinlich nahe ihrer gemeinsamen Achse, sind jedoch vielleicht etwas in der Achsenrichtung verschoben. Da die Antennen jedoch im Vergleich zu einer Wellenlänge klein sind, ist diese Verschiebung, insbesondere bei einer am Ende wirkenden Antenne, nicht besonders beträchtlich.
Ein beispielhafter Anwendungszweck für diesen dritten Modus ist eine Verbindung von Schiff zu Satellit. Bei der Schiff-Satelliten-Verbindung kann der Winkel der empfangenen Polarisierung abhängig von den Einwirkungen der Ionosphäre (auf Grund der Faraday-Drehung) beliebig sein. Deshalb wird die Phase so lange eingestellt, bis die Antenne in der Richtung des empfangenen Signals des Schiffs linear polarisiert ist. Wenn anschließend ein zu vermeidendes Störsignal auftritt, dann wird die Phase weiter eingestellt, um das S/N-Verhältnis zu optimieren. Ein Problem kann entstehen, wenn das störende Signal und das Signals des Schiffs den gleichen Polarisierungswinkel aufweisen. Jedoch kann der Satellit warten, bis er sich in einer Position befindet, in der das Schiff und das Störsignal nicht mehr im gleichen Winkel liegen.
Durch das Anbringen der einen vierfaserigen Wendel 102 in konzentrischer Lage mit der anderen vierfaserigen Wendel 104 über einer gemeinsamen Bodenebene 106 kommt eine viel kompaktere, dual polarisierte Wendelantenne zustande. Ein praktischer Zweck für diese kompakte, dual polarisierte, vierfaserige Wendelantenne 100 liegt in Satellitenkommunikationssystemen, bei denen die Betriebswellenlänge (λ) im Vergleich zu den Satellitenmaßen groß ist. Beispielsweise wären die meisten dual polarisierten Wendelantennen, die mit einer Wellenlänge (λ) von 1,85 Metern betrieben werden können, zu groß, um zu einem weniger als einen Meter messenden Mikrosatelliten zu passen, jedoch wäre eine dual polarisierte Antenne, wie sie in 3 und 4 gezeigt ist, zur Verwendung zu einem solchen Zweck ausreichend groß.
10 zeigt eine Seitenansicht eines Satellitensystems 300, das einen Satelliten 302 und eine dual polarisierte, mehrfaserige Antenne 100 umfaßt, die an dem Satelliten 302 angebracht ist. Bei diesem Anwendungszweck ist die Bodenebene 106 der Antenne 100 mit dem Satelliten 302 verschraubt. Die Bodenebene 106 muß groß genug sein, so daß Platz für die Schrauben im Bereich der Bodenebene 106 ist, in dem der Strom null beträgt. Demgemäß ist eine Antenne 100 mit acht einzelnen Bodenebenen für Satellitenzwecke unpraktisch. Wahrscheinlich werden für Zwecke mit niedriger Frequenz, bei denen die Antenne sehr groß ist, kleinere einzelne Bodenebenen verwendet.
Die dual polarisierte, vierfaserige Antenne 100 ist nicht nur in ihrem Betriebszustand kompakt, sie kann zum Verstauen auch wie eine Feder zu einem kleinen Volumen zusammengedrückt oder zusammengelegt werden. 11 zeigt eine Seitenansicht des in 10 gezeigten Satellitensystems 300 mit einer zusammengedrückten, dual polarisierten, mehrfaserigen Antenne 100. Die Komprimierung oder Entkomprimierung kann mit einem Mechanismus oder manuell vorgenommen werden. Bei einer Ausführungsform werden Stricke verwendet, um die Antenne 100 in ihrer verstauten Lage zu halten. Die Stricke bestehen aus einem Material wie Kevlar oder Astroquartz, das sich im Weltraum nicht schnell zersetzt. Weiterhin ist das Material wie Wolle gewebt, um ein Seil zu bilden und die Probleme zu vermeiden, die durch freie Elektronen im Orbit entstehen. Im Weltraum können sich Elektronen an Faservliesmaterial wie Kunststoff ansammeln und eine Ladung bilden, die zu einer Stromspitze in der Antenne 100 führen kann. Mit einem Gewebe wird eine verbesserte seitliche Leitfähigkeit erzielt, die dort auftritt, wo der Stoff auf Grund der Anwesenheit von an dem Gewebe angelagerten Elektronen die Ladung sicher in die Erde führt.
Die resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 können derart gewunden sein, daß diese resonanten Elemente beim Lösen der Stricke Wendeln mit den gewünschten Höhen bilden. Wenn die Antenne entfaltet wird, sind die Stricke in diesem Fall nicht mehr vonnöten. Wenn jedoch die resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 derart gewunden sind, daß die Wendeln beim Lösen der Stricke schlanker als erforderlich werden, können die Stricke zum Halten der resonanten Elemente in der richtigen Höhe verwendet werden. Die Entfaltung kann entweder durch einen Mechanismus begrenzt werden, der die Stricke langsam abrollt, oder die Stricke können abgeschnitten werden. Die Stricke können mit einer pyrotechnischen Schneidvorrichtung oder einer heißen Klinge/einer Messerschneide abgeschnitten werden.
Für die Wendeln 102 und 104, die zusammendrückbar sein sollen, müssen die resonanten Elemente 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 aus einem federartigen Material wie kohlenstoffreichem Stahl, rostfreiem Stahl in Federqualität (beispielsweise Typ 304) oder aus Beryllium-Kupfer-Stahl bestehen. Auch sollte die Größe von zusammendrückbaren Wendeln beschränkt sein, da es schwierig ist, Wendeln mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 4:1 mit Erfolg zu entfalten, wenn nicht zusätzliche (oder spezielle) Begrenzer verwendet werden.
Die dual polarisierte, vierfaserige Antenne 100 kann auch durch Einsetzen in ein Gehäuse stabilisiert werden. Das Gehäuse kann aus Kunststoff oder jedem anderen nichtleitenden Material bestehen, das bei der Betriebsfrequenz (f) verhältnismäßig verlustlos ist. Eine solche stabile, dual polarisierte, vierfaserige Antenne kann in mobilen oder transportablen Kommunikationssystemen verwendet werden.
Nunmehr wird auf 12 und 13 verwiesen, die eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von oben auf eine beispielhafte Ausführungsform einer dual polarisierten, dreifaserigen Antenne 400 zeigen. Die Antenne 400 umfaßt eine innere dreifaserige Wendel 402, eine äußere dreifaserige Wendel 404 und eine gemeinsame Bodenebene 406. Die innere Wendel 402 ist konzentrisch im Innern der äußeren Wendel 404 über der gemeinsamen Bodenebene 406 angeordnet. Die innere und die äußere Wendel 402 und 404 bilden unabhängige, einander entgegengesetzt polarisierte Antennen, die mit der gleichen Frequenz (f) gleichzeitig betätigt werden können.
Es sollte sich verstehen, daß bei der vorliegenden Ausführungsform zwar ein gemeinsamer Reflektor als gemeinsame Bodenebene 406 genutzt wird, jedoch anstelle der gemeinsamen Bodenebene 406 auch verschiedene andere Vorrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise kann sein symmetrisches Speisenetz mit einem Dreiphasen-Leistungsteiler und einer abgeglichene Dreiphasen-Übertragungsleitung mit einer derartigen Konfiguration verwendet werden, daß statt dessen die innere dreifaserige Wendel 302 und die äußere dreifaserige Wendel 404 korrekt gespeist werden.
Auch sollte es sich bei bestimmten Zwecken verstehen, daß es praktisch sein kann, entweder die innere oder die äußere dreifaserige Wendel 402 oder 404 in der einen Weise und die andere von der inneren oder der äußeren dreifaserigen Wendel 402 oder 404 in der anderen Weise zu speisen. Wenn beispielsweise ein stark beschränkter Raum um die Basis der äußeren dreifaserigen Wendel 404 herum vorhanden wäre, könnte diese mit Hilfe einer Dreidrahtspeisung gespeist werden, während die innere dreifaserige Wendel 402 mit einer herkömmlichen Bodenebene gespeist werden kann. Es kann auch das Gegenteil gelten.
Die dreifaserigen Wendeln 402 und 404 bestehen jeweils aus drei identischen resonanten Elementen oder "Fasern". Zwar werden die Fasern als "resonante" Elemente bezeichnet, es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Elemente streng resonant sind, es reicht aus, wenn sie annähernd oder innerhalb von ±20% Resonanz schwingen. Bei der in 12 und 13 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfassen die Wendeln 402 und 404 jeweils drei resonante Elemente 408, 410, 412 bzw. 414, 416, 418. Jedes resonante Element besitzt ein erstes Ende 408a, 410a, 412a, 414a, 416a, 418a und ein zweites Ende 408b, 410b, 412b, 414b, 416b, 418b. Die resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 418 können als Drähte ausgeführt sein, die aus elektrisch leitendem Material wie Kupfer, mit Kupfer plattiertem Stahl, Beryllium-Kupfer, beschichtetem Kunststoff aus Verbundmaterial oder aus leitenden Polymeren und dergleichen bestehen.
Die resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 418 können gleichbleibend dick sein oder sich verjüngen. Die Dicke der resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 118 wird von zwei Zwängen diktiert: (1) die resonanten Elemente müssen eine derart ausreichende Dicke aufweisen, daß sie keine zu großen ohmschen Verluste erleiden, und (2) die resonanten Elemente müssen dünn genug sein, so daß kein unannehmbarer Grad an kapazitiver Kopplung besteht, durch den die Antenne funktionsunfähig würde.
Wie bei den oben beschriebenen N-faserigen Ausführungsformen, bei denen N mindestens vier betrug, wird die Länge der resonanten Elemente annähernd von der Frequenz (f) diktiert, mit welcher die Antenne betrieben wird, und davon, ob die Antenne eine kurzgeschlossene oder eine geöffnete Wendelantenne ist. Bei einer geöffneten Wendelantenne sind die zweiten Enden der resonanten Elemente 408b, 410b, 412b, 414b, 416b, 418b in der in 12 gezeigten Weise geöffnet. Bei einer kurzgeschlossenen Antenne sind die zweiten Enden der resonanten Elemente 408b, 410b, 412b, 414b, 416b, 418b über leitende Elemente miteinander kurzgeschlossen.
Bei einer offenen, dreifaserigen Antenne sind die Längen der einzelnen resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 418 annähernd gleich einem Mehrfachen von Halbwellenlängen (λ/2), wobei die Wellenlänge (λ) umgekehrt proportional der Betriebsfrequenz (f) ist. Demgemäß sind für die kleinste offene, dreifaserige Antenne, die mit 300MHz (einer Wellenlänge (λ) von 1 Meter) betrieben wird, Längen der resonanten Elemente von annähernd 0,5 Metern erforderlich. Bei einer kurzgeschlossenen dreifaserigen Antenne ist die Länge der resonanten Elemente annähernd gleich einem Mehrfachen von Viertelwellenlängen (λ/4). Eine kurzgeschlossene λ/4-Antenne wäre eindeutig eine kleinere Antenne als eine offene λ/2-Antenne, jedoch würde die kurzgeschlossene Antenne zusätzliche Teile und Verbindungspunkte zum Verbinden der resonanten Elemente erfordern und hätte eine geringere Verstärkung. Die Längen der resonanten Elemente sind auf Grund dessen, daß sich die Welle entlang einem resonanten Element mit weniger als der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, weil das andere resonante Element vorhanden ist, und der Energiekopplung an die Freiraumwelle keine genauen Mehrfachen einer Halbwellenlänge (λ/2) oder einer Viertelwellenlänge (λ/4). Bei der in 12 und 13 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die Länge der resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 418 annähernd gleich einer Halbwellenlänge (λ/2). In dem Fall, in dem die inneren wie auch die äußeren resonanten Elemente die gleiche Nennlänge aufweisen, ist ihre Leistung (d.h. Strahlungsmuster und Verstärkungsprofil) ähnlich, wenn nicht eng aufeinander bezogen. Es ist jedoch unnötig, daß die Länge der inneren resonanten Elemente 408, 410 und 412 gleich der Länge der äußeren resonanten Elemente 414, 416 und 419 ist. Die Länge der inneren resonanten Elemente 408, 410 und 412 kann ein höheres Mehrfaches einer Halbwellenlänge oder einer Viertelwellenlänge als die Länge der äußeren resonanten Elemente 414, 416 und 418 sein.
Die inneren resonanten Elemente 408, 410 und 412 sind derart gewunden, daß eine Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d3, einer Höhe h3 und einem Steigungswinkel α3 entsteht. Die äußeren resonanten Elemente 414, 416, 418 sind derart gewunden, daß eine Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d4, einer Höhe h4 und einem Steigungswinkel α4 entsteht Das von jeder der Wendeln 402 und 404 gelieferte Strahlungsmuster ist in erster Linie eine Funktion der Länge der resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416, 418, welche die Wendel bilden. Anfangsdurchmesser, Steigungswinkel und Höhe der Wendel haben keinen Einfluß auf die Sende- oder die Empfangsfähigkeit der Antenne. Infolgedessen weist eine dreifaserige Antenne mit drei Fasern der gleichen Grundlänge im allgemeinen eine ähnliche Leistung über einen Bereich von Steigungswinkeln und Durchmessern auf.
Der Anfangsdurchmesser d3 der von den inneren resonanten Elementen 408, 410 gebildeten Wendel ist derart kleiner als der Anfangsdurchmesser d4 der von den äußeren resonanten Elementen 414, 416, 418 gebildeten Wendel, daß die inneren resonanten Elementen 408, 410, 412 mit den äußeren resonanten Elementen 416, 416, 418 konzentrisch sind. Die Anfangsfurchmesser d3 und d4 der Wendeln sind derart gewählt, daß die zwei Wendeln 402 und 404 eine ähnliche elektrische Leistung mit begrenzter Überlagerung und Kopplung dazwischen aufweisen. Werden Wendeldurchmesser d3 und d4 gewählt, die zu ähnlich sind, wird es möglich, daß Energie von einer Wendel in die andere Wendel eingekoppelt wird. Diese Einkopplung ist unerwünscht, da sich dadurch die Leistung vermindert, die durch die Wendel in den/aus dem freien Raum übertragen wird. Weiterhin kann sich die Einkopplung nachteilig auf die Strahlungsmuster der Wendeln 402 und 404 auswirken. Ein angemessenes Ziel besteht darin, eine Kopplung von -15dB zwischen den Wendeln zu erreichen. Die Anfangsdurchmesser d3 und d4 der Wendeln dürfen auch nicht so groß sein, daß die resonanten Elemente nur einen kleinen Abschnitt des Umfangs eines bestimmenden Zylinders bilden. Die Anfangsdurchmesser sollten auch nicht allzu klein sein, da ein erhöhter elektrischer Verlust entstehen kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beträgt der Anfangsdurchmesser der äußeren Wendel d4 das Zweifache des Anfangsdurchmessers der inneren Wendel d3.
Bei der in 12 und 13 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weisen die Wendeln 402 und 404 gleichbleibende Durchmesser auf und sind mithin zylinderförmig. Als Alternative können eine oder beide von den Wendeln 402 und 404 variable Durchmesser aufweisen. Jedoch muß die innere Wendel 402 an allen Stellen einen kleineren Durchmesser als die äußere Wendel 404 besitzen.
Die Höhe h1 der inneren Wendel 402 ist größer als die Höhe h2 der äußeren Wendel 404. Diese Höhendifferenz ist notwendig, um sicherzustellen, daß beide Wendeln 402 und 404 mit der gleichen Frequenz (f) gleichzeitig betätigt werden können. Wenn die innere Wendel 402 kürzer als die äußere Wendel 404 wäre, dann würde sich das innere Signal unbedingt durch die äußere Wendel 404 hindurch ausbreiten.
Die wendelförmige Windung aller resonanten Elemente 408, 410, 412, 414, 416 und 418 beginnt an der Bodenebene 406. Die resonanten Elemente jeder Wendel 402 und 404 sind physisch um 120°/N voneinander beabstandet. Die Windung des ersten resonanten Wendelelements 408 der inneren Wendel 402 beginnt an dem ersten Referenzpunkt 424. Die Windung des zweiten inneren, resonanten Elements 410 beginnt an dem zweiten Referenzpunkt 426, der 120° von dem ersten Referenzpunkt 424 entfernt ist. Die Windung des dritten inneren resonanten Elements 412 beginnt an dem dritten Referenzpunkt 428, der 120° von dem zweiten Referenzpunkt 426 und 240° von dem ersten Referenzpunkt 424 entfernt ist. In ähnlicher Weise beginnt die Windung der die äußere Wendel 404 bildenden resonanten Elemente 416, 416, 418 jeweils an den Referenzpunkten 432, 434, 436. Diese Winkel bezeichnen mechanische Winkel oder eine relative Verschiebung zwischen den resonanten Elementen einer gegebenen Wendelantenne und können auch die Phasendifferenzen der elektrischen Signale darstellen, die in die resonanten Elemente einer gegebenen Wendelantenne eingespeist werden.
Als Alternative können die Windungen der äußeren Wendel 404 vom Beginn der Windungen der inneren Wendel 402 an um einen Winkel σ um die Wendelachse herum gedreht werden, um für mehr Platz für die Verbinder, Anpassungsschaltungen und Trennschaltungen zu sorgen. Dort, wo σ = 60°, beginnen die Windungen der inneren resonanten Elemente 408, 410, 412 beispielsweise jeweils bei 0°, 120° und 240°, und die Windungen der äußeren resonanten Elemente 414, 416, 418 beginnen jeweils bei 60°, 180° und 300°.
Die inneren resonanten Elemente 408, 410, 412 sind in der gleichen Richtung gewunden, und die äußeren resonanten Elemente 414, 416, 418 sind in der Gegenrichtung gewunden, so daß die eine Wendel eine rechte Zirkularpolarisierung (RHCP) und die andere Wendel eine linke Zirkularpolarisierung (LHCP) aufweist. Wenn ein Grad einer elektrischen Trennung angewandt würde, dann könnten die Wendeln in der gleichen Richtung gewunden sein. Es ist elektromagnetisch unerheblich, welche Wendel eine RHCP aufweist und welche Wendel eine LHCP aufweist. Demgemäß weist eine dual polarisierte dreifaserige Antenne mit der inneren Wendel 402 in RHCP und der äußeren Wendel 404 in LHCP die gleiche Leistung wie eine dual polarisierte dreifaserige Antenne mit der inneren Wendel 402 in LHCP und der äußeren Wendel 404 in RHCP auf.
Die Bodenebene 406 kann jede Form aufweisen, zu denen, wenn auch nicht ausschließlich, eine Dreieckform und eine Kreisform gehören, sie kann n Seiten besitzen, ein Loch in der Mitte besitzen, ein Kreisring sein oder sogar N einzelne Kreisplatten sein, je eine für jedes resonante Element. Die Bodenebene 406 muß ausreichend groß sein, so daß die Wendel sämtliche Energie ordnungsgemäß abstrahlt. Im allgemeinen reicht eine Bodenebene 406 mit einem Durchmesser aus, der um λ/10 bis λ/20 größer als der Anfangsdurchmesser d4 der äußeren Wendel 404 ist. Wenn die Bodenebene 406 zu klein ist, tritt die Wirkung der Verbindung Koaxialkabel/resonantes Element als Stromfluß an der Außenseite des Koaxialkabels nach unten auf. Weiterhin kann die Bodenebene 406 eine Wabenverbundkonstruktion oder jede andere geeignete Konstruktion bilden.
Im Vergleich zu Ausführungsformen mit vier oder mehr Fasern pro Wendel führt die geringere Anzahl der Fasern bei der dreifaserigen Ausführungsform zu einem niedrigeren Grad der Kopplung zwischen den zwei Wendeln 402 und 404. Des weiteren werden die hier beschriebenen dualen Antennenkonfigurationen, bei denen man vierfaserige oder dreifaserige Antennen nutzt, als eine im wesentlichen ähnliche Verstärkung und ähnliche Strahlungsmuster besitzend betrachtet.
Beispielsweise ist in 14 nunmehr eine Darstellung von Simulationsergebnissen zu sehen, welche das Strahlungsmuster für vierfaserige und dreifaserige Wendelantennen mit identischer Leitungsgeometrie zeigen. Beide Antennen weisen eine 1 Drehung auf, sind 2 Meter lang und besitzen einen Durchmesser von 0,25 Metern. Diese Maße wurden nur als Beispiel gewählt. Für beide Antennen ist keine Bodenebene vorhanden, und die Drähte werden von einer sternartigen Konfiguration an der Basis gespeist. Bei der Simulation strahlten die Antennen ein Signal von 162MHz ab. Das Strahlungsmuster von der vierfaserigen Antenne ist durch den Text "4-Draht" angegeben, und das Strahlungsmuster von der dreifaserigen Antenne ist durch den Text "3-Draht" angegeben. Die Strahlungsmuster überliegen einander praktisch. Diese Ergebnisse lassen sich auf den Fall einer dual polarisieren Antenne extrapolieren. Diese Simulationsergebnisse und andere hier gezeigte kann man mit Hilfe einer Version des Numerisch-Elektromagnetischen Codes 'NEC' von Lawrence-Livermore erhalten, wie er von Nittany Scientific in Riverton, Großbritannien, oder dem Concerto-Modellierer bereitgestellt wird, der ein Endlichdifferenz-Zeitbereichsmodellierer ist, der von Vector Fields in Großbritannien hergestellt wird.
Häufig werden mehrere Satelliten mit einer einzigen Rakete gestartet; bei einem üblichen Verfahren zur Unterbringung mehrerer Satelliten auf einer Raketenstartrampe sollen mehrere dreieckige Satelliten zusammen wie "Stücke einer Torte" aufgestellt werden. Das Anbringen einer dual polarisierten mehrfaserigen Antenne mit vier oder mehr Fasern pro Wendel auf einer dreieckigen Plattform kann zu Verschwendung von Oberfläche und deshalb zu übermäßigem, unnötigem Gewicht führen, und kann den Grad der Kompliziertheit der Befestigungseinrichtungen erhöhen. Bei der in 13 gezeigten beispielhaften Ausführungsform der dual polarisierten dreifaserigen Antenne können die Verbindungspunkte der Wendeln derart angeordnet werden, daß der von der dreieckigen Fläche bereitgestellte Raum effektiver als bei mehrfaserigen Wendeln genutzt wird, die vier oder mehr Fasern aufweisen. Beispielsweise lassen sich die Bezugspunkte 424, 426, 430, 432, 434, 436 in den Bereichen der Scheitelpunkte 440, 442, 444 des Dreiecks anlegen. Die Komponenten der dreiphasigen Speisung und alle Verstaueinrichtungen, die jedem von den ersten Enden zugeordnet sind, können jeweils nahe jedem Scheitelpunkt angeordnet werden. Dadurch kann man den Durchmesser der äußeren dreifaserigen Antenne maximieren. Dann kann man die innere dreifaserige Antenne in jeder gewünschten Weise anbringen, beispielsweise können die resonanten Elemente an den gleichen Winkelpositionen wie diejenigen der äußeren dreifaserigen Antenne beginnen oder um 60 Grad verschoben werden, oder können in anderer Weise variiert werden. Die Durchmesser der äußeren Wendelantenne können auch derart gewählt werden, daß die äußere Wendelantenne größer als die Oberfläche der Antenne ist; in diesem Fall können die resonanten Elemente der äußeren Wendelantenne in Umfangs- und in Radialrichtung zusammengedrückt werden, wenn sie vor dem Entfalten verstaut werden.
Die dual polarisierte mehrfaserige Antenne kann in einem von drei Modi betrieben werden. In dem ersten Modus funktionieren die innere und die äußere Wendel 402 und 404 als unabhängig zirkulär polarisierte Antennen. In diesem Modus wird jedes von den resonanten Elementen der Wendeln 402 und 404 in Phasenstufen von 120° gespeist. Beispielsweise wird die innere Wendel 402 bei 0°, 120° und 240° gespeist. Im allgemeinen ist jede Wendel 402 und 404 mit einer Dreiphasenspeisung versehen, die einen 1:3-Leistungsteiler und geeignete Phaseneinstellkreise enthalten kann.
Herkömmlicherweise erfolgt diese Aufspaltung mit einem Mikrowellennetz, sie kann jedoch auch digital oder mit einer Zwischenfrequenz nach der Aufwärts- oder Abwärtskonvertierung der Signale erfolgen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Betätigung der zwei Wendelantennen 402 und 404. Beispielsweise kann die eine Wendel als Sendeantenne und die andere als Empfangsantenne fungieren. Als Alternative können beide Wendeln 402 und 404 als Sendeantennen fungieren. Bei einer weiteren Alternative können beide Wendeln 402 und 404 als Empfangsantennen fungieren.
In dem zweiten Modus wirken die Wendeln 402 und 404 als unabhängig elliptisch polarisierte Antennen. Bei mindestens einer Ausführung sind zwei Speisenetze für jede Wendel vorhanden. Das erste Netz speist die resonanten Elemente in Phasenquadratur in der oben beschriebenen Weise. Mithin werden die resonanten Elemente einer Wendel mit Signalen mit der gleichen, um 120°/N versetzten Amplitude gespeist. Das zweite Netz speist sämtliche resonanten Elemente einer Wendel phasengleich. Mithin werden sämtliche resonanten Elemente einer Wendel mit der gleichen Amplitude gleichzeitig gespeist. Dadurch ergibt sich eine Vektorenaddition für jedes Signal an jedem resonanten Element. Dieser Modus läßt sich zur Minimierung der Überlagerung durch ein Störsignal verwenden. Ein Antennensteuerelement würde wahrscheinlich mit rein zirkulär polarisierten Wellen beginnen und nur eine zweite Einspeisung anfügen, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) zu verbessern. Bei einer alternativen Ausführungsform erzielt man das gleiche Ergebnis durch Einzelspeisung von jedem der acht resonanten Elemente. Für diese Ausführungsform sind sechs unabhängige Empfänger notwendig, je einer für jedes resonante Element.
In dem dritten Modus werden die zwei Wendeln 402 und 404 zur Schaffung einer vielseitigen, adaptiven Antenne verwendet. Dieser Modus wirkt nach dem Prinzip, daß die LHCP- und die RHCP-Quellen bei phasengleicher Speisung mit der gleichen Amplitude ein linear polarisiertes Signal erzeugen. Das ist ein effektiveres Verfahren zur Unterdrückung eines Störsignals. In diesem Modus werden die Phase und die Amplitude so lange eingestellt, bis das Signal-Störungs-Verhältnis (S/J-Verhältnis) maximiert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die zwei Wendelantennen eine unterschiedliche Anzahl von Drähten aufweisen. Beispielsweise kann die innere Wendelantenne bei einer beispielhaften Ausführungsform eine dreifaserige Antenne sein, und die äußere Wendelantenne kann eine vierfaserige Antenne sein. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die innere Wendelantenne eine vierfaserige Antenne sein, und die äußere Wendelantenne kann eine dreifaserige Antenne sein. Andere Kombinationen sind ebenfalls möglich.
Es sollte sich auch verstehen, daß die innere und die äußere Wendelantenne bei sämtlichen hier beschriebenen Ausführungsformen mit der gleichen Frequenz oder mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können und dabei in beiden Fällen ähnliche oder verschiedene Informationen führen.
Zwar wurden bestimmte Merkmale der hier enthaltenen beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, jedoch werden für den Fachmann nunmehr viele Modifizierungen, Substituierungen, Änderungen und Äquivalente erkennbar. Es sollte sich verstehen, daß diese verschiedenen Modifizierungen an den hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen ohne Abweichung von den Ausführungsformen vorgenommen werden können, deren allgemeiner Umfang in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Antenne, umfassend: – eine gemeinsame Bodenebene, – eine erste Gruppe von N annähernd resonanten, der gemeinsamen Bodenebene zugeordneten Elementen, wobei jedes von der ersten Gruppe von N annähernd resonanten Elementen eine Länge l2 aufweist und derart gewunden ist, daß eine erste Wendel mit einem Anfangsdurchmesser d2 und einer Höhe h2 entsteht, und – eine zweite Gruppe von M annähernd resonanten, der gemeinsamen Bodenebene zugeordneten Elementen, wobei jedes von der zweiten Gruppe von N annähernd resonanten Elementen eine Länge I1 aufweist und derart in Gegenrichtung zu der ersten Gruppe von annähernd resonanten Elementen gewunden ist, daß eine zweite Wendel entsteht, die mittig innerhalb der ersten Wendel angeordnet ist und einen Anfangsdurchmesser d1 und eine Höhe h1 aufweist, wobei d1 kleiner als d2 ist und h1 größer als h2 ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Wendel mit der gleichen Frequenz (f) gleichzeitig betrieben werden können.
Antenne nach Anspruch 1, wobei N größer als oder gleich drei ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei N gleich drei ist und die erste und die zweite Wendel dreifaserige Wendeln sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei N gleich vier ist und die erste und die zweite Wendel vierfaserige Wendeln sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die annähernd resonanten Elemente jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen und die zweiten Enden geöffnete Stromkreise besitzen.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die annähernd resonanten Elemente jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen und die zweiten Enden über Leiter miteinander kurzgeschlossen sind.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Länge l2 der ersten Gruppe von annähernd resonanten Elementen etwa gleich der Länge l1 der zweiten Gruppe von annähernd resonanten Elementen ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Länge aller annähernd resonanten Elemente etwa eine halbe Wellenlänge (λ/2) beträgt.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Länge aller annähernd resonanten Elemente etwa eine Viertelwellenlänge (λ/4) beträgt.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die Länge l2 der ersten annähernd resonanten Elemente größer als die Länge l1 der zweiten annähernd resonanten Elemente ist.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Gruppe von annähernd resonanten Elementen derart zylinderförmig gewunden sind, daß Zylinder mit konstanten Durchmessern entstehen.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe von annähernd resonanten Elementen derart zylindrisch gewunden ist, daß ein Zylinder mit konstantem Durchmesser entsteht, und die zweite Gruppe von annähernd resonanten Elementen derart gewunden ist, daß eine Konstruktion mit variablem Durchmesser entsteht.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe von annähernd resonanten Elementen derart gewunden ist, daß eine erste Konstruktion mit variablem Durchmesser entsteht, und zweite Gruppe von annähernd resonanten Elementen derart gewunden ist, daß eine zweite Konstruktion mit variablem Durchmesser entsteht.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Wendel als unabhängig zirkular polarisierte Antennen fungieren.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Wendel als einzelne adaptive Antenne fungieren.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Wendel zu einem kleinen Volumen zusammendrückbar sind.
Antenne nach Anspruch 1, ferner umfassend entweder ein Gehäuse oder eine Anordnung, in dem/der sich die erste und die zweite Wendel in zusammengedrückten Zustand befinden.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Bodenebene zumindest ein symmetrisches Speisenetz mit einer Gruppe von N Speiseelementen umfaßt.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Bodenebene ein gemeinsam benutzter Reflektor ist.
Dual polarisierte mehrfaserige Antenne, umfassend: – eine Bodenebene, – eine erste Gruppe von N resonanten Elementen, die mit der Bodenebene verbunden und derart gewunden sind, daß eine erste Wendelantenne entsteht, – eine zweite Gruppe von M resonanten Elementen, die mit der Bodenebene verbunden und derart in Gegenrichtung zu der ersten Gruppe von resonanten Element gewunden sind, daß eine zweite Wendelantenne entsteht, – wobei die erste und die zweite Wendelantenne konzentrisch sind, unterschiedliche Höhen und Durchmesser aufweisen, die resonanten Elemente beider Wendelemente ähnliche Längen aufweisen und die Wendelantennen mit im wesentlichen ähnlichen Frequenzen gleichzeitig betrieben werden können.
Antenne nach Anspruch 21, wobei N und M ganze Zahlen mit Werten größer oder gleich drei sind.