DE102008008387A1 - Antenna system for mobile satellite communication - Google Patents
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/065—Patch antenna array
-
- H—ELECTRICITY
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
- H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
Abstract
Im Einzelnen wurde ein in Azimut und Elevationswinkel elektronisch einstellbares Antennensystem entwickelt. Zur Steuerung des Richtdiagramms werden keine mechanischen Komponenten verwendet. Das System ist modular ausgelegt und kann durch Skalierung, Verwendung von mehr oder weniger Antennenmodulen, an unterschiedliche Anforderungen an den Antennengewinn angepasst werden. Darüber hinaus erlaubt die Aufteilung in kachelartige Module eine Anpassung der Apertur des Antennensystems an gekrümmte Oberflächen. Die Figur zeigt ein funktionales Blockschaltbild des gesamten Antennensystems.Specifically, an antenna system that is electronically adjustable in azimuth and elevation angle has been developed. To control the directional diagram no mechanical components are used. The system is modular and can be adapted to different antenna gain requirements by scaling, using more or fewer antenna modules. In addition, the division into tiling-like modules allows an adaptation of the aperture of the antenna system to curved surfaces. The figure shows a functional block diagram of the entire antenna system.
Description
Technisches Gebiet zu dem die Erfindung gehört:Technical field to which the invention belongs:
- Mobilkommunikation, Antennentechnik und Satellitenkommunikation.Mobile communications, antenna technology and satellite communications.
Stand der Technik mit Fundstellen:Prior art with references:
Satellitensignale werden typischerweise mittels Parabolantennen empfangen. Diese Antennen zeichnen sich durch hohen Gewinn und einfachen Aufbau aus. Bei mobilen Anwendungen erweisen sich diese mechanischen Lösungen aber als unhandlich und je nach Realisierung wartungsaufwendig.satellite signals are typically received by parabolic antennas. These antennas are characterized by high profit and simple structure. In mobile Applications prove these mechanical solutions but as unwieldy and depending on the implementation of maintenance.
Aus
der Antennentheorie ist bekannt, dass hochfrequente Signale mittels
planarer arrayförmiger Antennenanordnungen empfangen werden
können (z. B.
Im vorliegenden Fall sind nur Antennen für mobile Anwendungen von Relevanz.in the the present case are only antennas for mobile applications of relevance.
Aufgrund der relativen Bewegung von Trägerfahrzeug und Satellit ergibt sich die Notwendigkeit die Empfangscharakteristik der Arrayantenne nachzuführen. Hierbei muß eine Nachführung in Azimut sowie in Elevationsrichtung durchgeführt werden. Bei Nutzung von linear polarisierten Signalen ist auch eine Polarisationsnachführung notwendig.by virtue of the relative movement of the carrier vehicle and the satellite the necessity arises the receiving characteristic of the array antenna to track. Here, a tracking must be carried out in azimuth and in the elevation direction. When using linearly polarized signals is also a polarization tracking necessary.
Um
diese Problematik zu behandeln sind halbmechanische planare Lösungen
entwickelt worden (
In
In
In
1 Problembeschreibung1 problem description
Für zeitgemäße und zukünftige Kommunikationsanwendungen im Bereich der mobilen Satellitenkommunikation werden für die Integration der Antennenfunktionalität in das Trägerfahrzeug (z. B. Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge oder maritimes Fahrzeuge) kompakt aufgebaute, flache, mechanische Steuerungen vermeidende und an die Fahrzeugoberfläche anpassbare, kostengünstige Lösungen benötigt.For contemporary and future communication applications in the field of mobile satellite communications will be for the integration of the antenna functionality into the host vehicle (eg land vehicles, aircraft or maritime vehicles) compact constructed, flat, mechanical controls avoiding and to the Vehicle surface customizable, cost-effective Solutions needed.
Um flache, kostengünstige Antennensysteme für mobile Anwendungen zu realisieren sind die nachfolgenden Problemfelder zu lösen.Around Flat, cost-effective antenna systems for mobile Implementing applications are the following problem areas to solve.
Vereinfachung des AufbausSimplification of the structure
In dem beabsichtigten Anwendungsgebiet ist es wichtig eine kostengünstige Lösung zu erarbeiten. Hierbei spielen niedrige Herstellkosten eine wichtige Rolle. Es wird möglichst ein automatisiertes, nach Standardprozeduren ausgerichtetes Herstellverfahren benötigt.In In the intended field of application, it is important to have a low cost To work out a solution. Here are low production costs an important role. It is possible an automated, according to standard procedures aligned manufacturing process needed.
Grosse FrequenzbandbreiteLarge frequency bandwidth
Um den gesamten Nutzbereich bezüglich der Signalausstrahlungen abzudecken ist es notwendig eine breitbandige Auslegung des Antennensystems durchzuführen (10,75 GHz bis 12,75 GHz entsprechend 20% relativer Bandbreite bezogen auf die Bandmittenfrequenz von 11,75 GHz).Around the entire useful range with respect to the signal emissions It is necessary to cover a broadband design of the antenna system (10.75 GHz to 12.75 GHz corresponding to 20% relative Bandwidth with respect to the midband frequency of 11.75 GHz).
Skalierbarkeitscalability
Die
Feldstärken der im Servicevolumen zu empfangenden Satellitensignale
haben je nach Satellitensystem und Anwendung unterschiedliche Pegelwerte.
Um eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall zu ermöglichen
ist es notwendig die Empfangseigenschaften (Empfangsgüte)
der Antenne anzupassen. Die Empfangsgüte ist mit den Abmessungen
bzw. im Fall von planaren Array Antennen von der Anzahl der Antennenelemente
Vermeidung der Verwendung von mechanisch bewegten TeilenAvoid the use of mechanical moving parts
Mechanisch bewegte Teile führen zu einem gewissen Wartungsaufwand im Betrieb. Ausserdem unterliegen die bewegten Teile bzw. deren Stellelemente unterschiedlichen dynamischen Belastungen gemäß dem jeweiligen operationellen Umfeld.Mechanically Moving parts lead to a certain maintenance operational. In addition, the moving parts or their Stellelemente different dynamic loads according to the respective operational environment.
Auswahl und Nachführung der PolarisationSelection and tracking of the polarization
Abhängig von der Polarisationsart des Senders ergeben sich verschiedene Anforderungen an Eigenschaften der Empfangsantenne. In Europa werden die Satellitensignale des Ku-Bandes als lineare Polarisationen abgestrahlt. Diese Art des Sendesignals ist auf stationäre Anwendungen hin optimiert. Im Falle der mobilen Anwendung ist es notwendig die Polarisationsrichtung der Empfangsantenne (horizontale Polarisation, vertikale Polarisation) auszuwählen und während der Relativbewegungen von Trägerfahrzeug und Satellit nachzuführen.Dependent The type of polarization of the transmitter results in various requirements on properties of the receiving antenna. In Europe, the satellite signals of Ku band emitted as linear polarizations. This kind the transmission signal is optimized for stationary applications. In case of mobile application it is necessary the polarization direction the receiving antenna (horizontal polarization, vertical polarization) to select and during the relative movements tracked by carrier vehicle and satellite.
In Nordamerika werden die Satellitensignale des Ku-Bandes in zirkularer Polarisation abgestrahlt. Bei zirkularer Polarisation ist eine Nachführung bei Relativbewegungen zwischen Trägerfahrzeug und Satellit nicht notwendig.In North America, the satellite signals of the Ku band in circular Polarization emitted. For circular polarization is a tracking relative movements between the carrier vehicle and the satellite unnecessary.
Reduktion der Anzahl der elektronischen KomponentenReduction in the number of electronic components
Um
eine den Systemanforderungen genügende Empfangssignalgüte
(G/T bzw. S/N) zu erreichen ist ein bestimmter Antennengewinn erforderlich.
Bei Array-Antennen ist dieser Gewinn von der Anzahl der verwendeten
Antennenelemente
- GANT:
- Gewinn der Antenne
- GES:
- Gewinn des Antennenelements
10 - G/T:
- Verhältnis von Gewinn (G) zu Systemrauschtemperatur (T)
- S/N:
- Verhältnis von Signalleistung (S) zu Rauschleistung (N)
- G ANT :
- Win the antenna
- G ES :
- Gain of the antenna element
10 - G / T:
- Ratio of gain (G) to system noise temperature (T)
- S / N:
- Ratio of signal power (S) to noise power (N)
Bei einer Reduktion der Phasengewichtungskomponenten kann die Forderung nach dem Abstand der Stellelemente von 0,5 Wellenlängen nicht mehr eingehalten werden. Dies führt bei Schwenkung der Empfangscharakteristik zum Auftreten von so genannten 'Grating Lobes'. Dies sind unerwünschte zusätzliche Hauptkeulen, welche Störsignale in das Empfangssystem koppeln können und das Signalleistungs- zu Rauschleistungsverhältnis (S/N) verschlechtern.at a reduction of the phase weighting components may be the requirement after the distance of the actuators of 0.5 wavelengths no longer be respected. This leads to tilting the receiving characteristic to the occurrence of so-called 'Grating Praise '. These are unwanted additional main lobes, which interference signals can couple into the receiving system and the signal power to noise power ratio (S / N) deteriorate.
Schwenkbereichswivel range
Um einen möglichst großen operationellen Einsatzraum zu unterstützen ist ein gegenüber klassischen Aufbauten (Elevation: +/–55°) erweiterter Schwenkbereich (Elevation: +/–70°) der Antennenempfangscharakteristik erforderlich.Around the largest possible operational space to support is one over classic constructions (Elevation: +/- 55 °) extended swivel range (Elevation: +/- 70 °) of the antenna reception characteristic required.
2 Problemlösung2 problem solving
Die zuvor beschriebene Problemstellung wurde durch die nachfolgend beschriebenen konstruktiven Maßnahmen gelöst und in ein funktionsfähiges Antennensystem nach Anspruch 1 umgesetzt, das nach den Ansprüchen 17 und 18 verwendet wird und nach den Verfahren nach Ansprüchen 19 und 20 zu Anwendung kommt.The The problem described above has been described by the following solved constructive measures and into a functional Antenna system implemented according to claim 1, according to the claims 17 and 18 is used and according to the methods of claims 19 and 20 applies.
Im
Einzelnen wurde ein in Azimut und Elevationswinkel elektronisch
einstellbares Antennensystem (
Das gesamte Antennensystem ist hierarchisch gegliedert, modular aufgebaut und besteht aus folgenden Hauptbaugruppen mit folgenden Bezugszeichen:The entire antenna system is hierarchically structured, modular and consists of the following main assemblies with the following reference numbers:
- 11
- TrackSatTM AntennensystemTrackSat TM antenna system
- 22
- Antenneantenna
- 33
- Gehäusecasing
- 44
- Antennenmodulantenna module
- 55
- ROW_PCB, ZeilensummierschaltungROW_PCB, Zeilensummierschaltung
- 66
- COL_PCB, SpaltensummierschaltungCOL_PCB, Spaltensummierschaltung
- 77
- Montagerahmenmounting frame
- 88th
- Sub-ArraySub-array
- 99
- Signal Processing Element (SPE)signal Processing Element (SPE)
- 1010
- Antennenelement (AE)antenna element (AE)
In
2.1 Kurzbeschreibung der Abbildungen2.1 Brief description of the illustrations
Es zeigen:It demonstrate:
3 Beschreibung3 description
3.1 Einzelnes Strahlungselement3.1 Single radiating element
Das einzelne Strahlungselement ist als geschichteter Aufbau von Microstrip Patch Antennen mit Schlitzkopplung realisiert.The single radiating element is as a layered structure of microstrip Patch antennas realized with slot coupling.
Um die Anforderungen nach einfacher Herstellbarkeit und flachem Aufbau zu gewährleisten wurde auf die Verwendung der Microstrip Patch Antennentechnologie zurückgegriffen, die für den vorliegenden Anwendungsfall modifiziert wurde.Around the requirements for ease of manufacture and flat design to ensure the use of the microstrip Patch antenna technology used for the present application has been modified.
Microstrip Patch Antennen werden durch planare Strukturen auf Leiterplattenmaterialien realisiert, was einen einfachen physikalischen Aufbau ermöglicht. Es kann auf Methoden der Fertigung von elektronischen Mehrlagenleiterplatten zurückgegriffen werden.microstrip Patch antennas are made by planar structures on printed circuit board materials realized, which allows a simple physical structure. It can apply to methods of manufacturing electronic multilayer printed circuit boards be resorted to.
Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften erweisen sich Microstrip Patch Antennen als effiziente aber schmalbandige Strahler. Typische erzielbare Bandbreiten sind 2% – max. 5% bezogen auf die Mittenfrequenz. Im vorliegenden Anwendungsfall werden aber mindestens 17% (Ku-Band: 10,75 GHz bis 12,75 GHz) benötigt.In terms of electrical properties, microstrip patch antennas prove to be efficient but narrowband emitters. Typical achievable bandwidths are 2% - max. 5% relative to the center fre frequency. In the present application, however, at least 17% (Ku band: 10.75 GHz to 12.75 GHz) is required.
Durch Dielektrika mit grosser Schichtdicke kann diese Bandbreite erhöht werden führt aber zu ungewünschten Nebeneffekten, wie Oberflächenwellen.By Dielectrics with a large layer thickness can increase this bandwidth but leads to unwanted side effects, like surface waves.
Deshalb
wurde für die Realisierung eines breitbandigen Antennenelements
Als
Platinenmaterial wurde ein kostengünstiges Hochfrequenzmaterial
(Rogers RO4000 Serie) ausgewählt. Die Schichtung ist so
aufgebaut, dass ein direkter Mehrlagenaufbau (siehe
Durch Optimierung der Geometrie von Patch, Schlitz, und Speiseleitung wird der gewünschte Effekt erreicht.By Optimizing the geometry of patch, slot, and feedline the desired effect is achieved.
In
einem theoretisch optimalen Antennensystem müssen die Antennenelemente
Dies führt zu sehr hohen Zahlen an Komponenten und damit zu hohen Endpreisen. Es ist nun notwendig die Zahl der notwendigen Steuerkomponenten zu reduzieren. Dies kann durch Sub-Array Bildung erfolgen. Diese Sub-Array Bildung muss jedoch nach gewissen Gesetzmäßigkeiten erfolgen damit der gewünschte Effekt erzielt werden kann.This leads to very high numbers of components and thus high final prices. It is now necessary the number of necessary Reduce control components. This can be done by sub-array formation respectively. However, this sub-array formation must conform to certain laws done so that the desired effect can be achieved.
Bei der Sub-Array Bildung erhöht sich der Abstand zwischen den phasengesteuerten Antennen auf Werte deutlich größer als 0,5 Wellenlängen. Dies führt zu sogenannten Grating Lobes. Grating Lobes sind zusätzliche Hauptkeulen in Raumrichtungen die sich von der Ausrichtung der gewünschten Hauptkeule unterscheiden.at the sub-array formation increases the distance between the phase-controlled antennas to values significantly larger as 0.5 wavelengths. This leads to so-called Grating praise. Grating praises are additional main clubs in spatial directions differ from the orientation of the desired Main lobe differ.
3.2 Sub-Array Bildung durch gesteuerte Kombination von 4 einzelnen Strahlungselementen3.2 sub-array formation by controlled Combination of 4 individual radiation elements
Durch
symmetrische Speisung (0°/180°) der gegenüberliegenden
Speisepunkte kann der Gewinn der gruppierten Antennenelement
Die Microstrip Patch Stahlungselemente, welche in Rautenform orientiert sind, werden für die jeweilige Polarisation nur an einer Seite gespeist. Dies führt zu einer leichten Unsymmetrie des resultierenden Strahlungsdiagramms und äußert sich insbesondere bei niedrigen Einfallswinkeln der Signalwelle. in einer Richtung kommt es zu einer Reduktion des Gewinnverlauf (–1 dBi) in der Gegenrichtung zu einer Erhöhung (+1 dBi).The Microstrip patch steel elements, which are oriented in diamond shape are for the respective polarization only at one Page fed. This leads to a slight asymmetry of the resulting radiation pattern and expresses especially at low angles of incidence of the signal wave. In one direction, there is a reduction in profit (-1 dBi) in the opposite direction to an increase (+1 dBi).
Durch
die in
Durch die symmetrische Speisung werden darüber hinaus störende Komponenten des jeweils kreuzpolaren Feldes kompensiert und die Polarisationsentkopplung deutlich verbessert (von ca. 15 dB auf 25 dB).By the symmetrical feeding will also be disturbing Components of each cross-polar field compensated and the Polarization decoupling significantly improved (from about 15 dB to 25 dB).
3.3 Grobeinstellung der Azimutrichtung (90° Schritte) durch gesteuerte Sub-Array Bildung3.3 Coarse adjustment of the azimuth direction (90 ° steps) through controlled sub-array formation
Um
die Anzahl der benötigten Phasenschieberelemente zu reduzieren
werden jeweils 4 Einzelelemente zu einem Subarray zusammengefasst.
Dies geschieht für jede Polarisation (H-POL bzw. V-POL)
getrennt. Für die Zusammenfassung der Einzelelemente wird
ein elektronisch konfigurierbares Summiernetzwerk, welches in (
Die Signalausgänge der Strahlungselemente sind jeweils über zwei ¼ Wellenlängen lange Leitungen mit einer PIN Diode, welche als Schalter betrieben wird, verbunden. Signalausgang A mit TL1 und TL4, Signalausgang B mit TL2 und TL6, Signalausgang C mit TL5 und TL3, Signalausgang D mit TL4 und TL7.The Signal outputs of the radiation elements are each about two ¼ wavelength cables with one PIN diode, which is operated as a switch connected. signal output A with TL1 and TL4, signal output B with TL2 and TL6, signal output C with TL5 and TL3, signal output D with TL4 and TL7.
Insgesamt entsteht durch diese Anordnung eine geschlossene Leiterstruktur. Jeweils zwei gegenüberliegende PIN Dioden D1 und D2 sowie D3 und D4 sind gleichartig polarisiert eingebaut. In der orthogonalen Ebene betrachtet sind diese invertiert polarisiert (D1 und D2 gegenüber D3 und D4). Durch diese Anordnung können durch Anlegen eines Steuersignals von +10 mA oder –10 mA die PIN Dioden wechselweise in einen leitfähigen (entsprechend einem Kurzschluß) oder in einen sperrenden Zustand (entsprechend einem hochohmigen Zustand) gebracht werden.All in all created by this arrangement, a closed conductor structure. Two opposite PIN diodes D1 and D2 as well D3 and D4 are installed similarly polarized. In the orthogonal plane these are inverted polarized (D1 and D2 opposite D3 and D4). By this arrangement, by applying a control signal of +10 mA or -10 mA the PIN diodes alternately in a conductive (corresponding to a short circuit) or in a blocking state (corresponding to a high-impedance State).
Fall 1:Case 1:
Das Steuersignal AZSW ist auf +10 mA eingestellt. Dadurch sind die PIN Dioden D1 und D2 in den leitenden Zustand entsprechend einer niederohmigen Impedanz (ideal Kurzschluß, 0 Ohm) geschaltet. Die Dioden D3 und D4 sperren und stellen eine hochohmige Impedanz dar, welche durch die Leitungseigenschaften von TL4, TL5 sowie TL6 und TL7 nicht beeinflusst. Durch die ¼ Wellenlängen langen Leitungsstücke TL1 und TL2 wird dieser Kurzschluß in einen Leerlaufzustand am Punkt A und B transformiert. Gleiches erfolgt durch Transformation des Kurzschlusses durch D2 über TL3 und TL4 an Punkt C und D.The Control signal AZSW is set to +10 mA. This causes the PIN Diodes D1 and D2 in the conductive state corresponding to a low-resistance Impedance (ideal short circuit, 0 ohm) switched. The diodes D3 and D4 lock and represent a high impedance, which by the line characteristics of TL4, TL5 as well as TL6 and TL7 not affected. Through the ¼ wavelength long pipe sections TL1 and TL2, this short circuit is in an idle state transformed at point A and B. The same is done by transformation short circuit through D2 over TL3 and TL4 at point C and D.
Der Kurzschluß an D1 wird über die ¼ Wellenlängen langen Leitung TL10 ebenso in einen Leelauf am Summenpunkt S1 transformiert. Es bilden also TL4, TL5 und TL8 eine Summierstruktur, welche die Summe der Eingangssignale von A und C an S1 ergibt.Of the Short to D1 will be over the ¼ wavelengths long line TL10 also transformed into a Leelauf at the summation point S1. Thus, TL4, TL5 and TL8 form a summing structure which the Sum of the input signals from A and C to S1 gives.
Der Kurzschluß an D2 wird über die ¼ Wellenlängen langen Leitung TL11 ebenso in einen Leelauf am Summenpunkt S2 transformiert. Es bilden also TL6, TL7 und TL9 eine Summierstruktur, welche die Summe der Eingangssignale von B und D an S2 ergibt.Of the Short to D2 will be over the ¼ wavelengths long line TL11 also transformed into a Leelauf at the summing point S2. Thus, TL6, TL7 and TL9 form a summing structure which the Sum of the input signals from B and D to S2 gives.
Fall 2:Case 2:
Das Steuersignal AZSW ist auf –10 mA eingestellt. Dadurch sind die PIN Dioden D3 und D4 in den leitenden Zustand entsprechend einer niederohmigen Impedanz (ideal Kurzschluß, 0 Ohm) geschaltet. Die Dioden D1 und D2 sperren und stellen eine hochohmige Impedanz dar, welche durch die Leitungseigenschaften von TL1, TL2 sowie TL3 und TL4 nicht beeinflusst. Durch die ¼ Wellenlängen langen Leitungsstücke TL4 und TL5 wird dieser Kurzschluß in einen Leerlaufzustand am Punkt A und C transformiert. Gleiches erfolgt durch Transformation des Kurzschlusses durch D4 über TL6 und TL7 an Punkt D und B.The Control signal AZSW is set to -10 mA. Thereby are the PIN diodes D3 and D4 in the conductive state according to a low impedance (ideally shorted, 0 ohms). The diodes D1 and D2 block and provide a high impedance which is due to the line characteristics of TL1, TL2 and TL3 and TL4 not affected. By the ¼ wavelengths long line pieces TL4 and TL5, this short circuit in an idle state at points A and C transformed. The same happens by transformation of the short circuit by D4 via TL6 and TL7 at points D and B.
Der Kurzschluß an D3 wird über die ¼ Wellenlängen langen Leitung TL8 ebenso in einen Leelauf am Summenpunkt S1 transformiert. Es bilden also TL1, TL2 und TL10 eine Summierstruktur, welche die Summe der Eingangssignale von A und B an S1 ergibt.Of the Short to D3 will be over the ¼ wavelengths long line TL8 also transformed into a Leelauf at the summation point S1. Thus, TL1, TL2 and TL10 form a summing structure which the Sum of the input signals from A and B to S1 gives.
Der Kurzschluß an D4 wird über die ¼ Wellenlängen langen Leitung TL9 ebenso in einen Leelauf am Summenpunkt S2 transformiert. Es bilden also TL3, TL4 und TL11 eine Summierstruktur, welche die Summe der Eingangssignale von C und D an S2 ergibt.Of the Short to D4 will be over the ¼ wavelengths long line TL9 also transformed into an empty run at the summing point S2. Thus, TL3, TL4 and TL11 form a summing structure which the Sum of the input signals from C and D to S2 gives.
An
den Summierpunkten S1 und S2 stehen nun Teilsummen von jeweils zwei
gegenüberliegenden Antennenelementen
Um eine Umschaltung in die vier Azimutalsektoren von 90° Öffnungswinkel zu ermöglichen ist es notwendig die Teilsummen an S1 und S2 mit einer schaltbaren Phasengewichtung zu addieren. Hierzu wird das Steuersignal ASZWPH benutzt. Ein Summensignalausgang wird mit einer festen Phasenverschiebung von 120° beaufschlagt, während der andere mit einer zwischen 0° und 240° schaltbaren Phasenverschiebung beaufschlagt wird. Zusammen mit den durch das Steuersignal AZSW möglichen Zustände ergeben sich nun vier Einstellmöglichkeiten für die grobe Ausrichtung des Strahlungsdiagramms des Sub-Arrays.Around a changeover to the four azimuthal sectors of 90 ° opening angle it is necessary to enable the partial sums at S1 and S2 with a switchable phase weighting to add. For this purpose is the control signal ASZWPH is used. A sum signal output is with a fixed phase shift of 120 ° applied, while the other with a switchable between 0 ° and 240 ° Phase shift is applied. Together with those by the Control signal AZSW possible states arise now four settings for the coarse alignment the radiation pattern of the sub-array.
Diese Anordnung wird für jede Polarisation H und V getrennt implementiert.These Arrangement is implemented separately for each polarization H and V.
In
der
3.4 Steuerung der Polarisation3.4 Polarization control
Die
Möglichkeit zur Auswahl und Nachführung der Polarisation
wird durch den Einsatz eines Antennenelementes
Die
Ausgangssignale der Funktionsblöcke AZ_SUM_V und AZ_SUM_H
stellen ein orthogonales Set von Eingangssignale dar. Zusammen mit
den zweiphasigen Dämpfungsgliedern BiA1 und BiA2 sowie
einer nachfolgenden Summationsstufe SUM wird eine Vektormodulatorstruktur
realisiert (
Durch
Verändern der Steuersignale POL_CTRL_H und POL_CTRL_V kann
die Dämpfung in den jeweiligen Zweigen verändert
werden. Die zweiphasigen Dämpfungsglieder sind durch Lange
Koppler in Dünnfilm Technologie sowie zwei PIN Dioden realisiert.
Durch Verändern des Stromflusses durch die Dioden kann der
Diodenwiderstand verändert werden. Hierdurch wird es möglich
die Dämpfung zwischen niedrig und maximal zu verändern
sowie die Phase zwischen 0° und 180° zu verändern
(
3.5 Steuerung der Phaseneinstellung3.5 Control of phase adjustment
Das
Ausgangssignal der Polarisationskontrolleinheit wird einer Phasenkontrolleinheit
zugeführt. Die Phasenkontrolleinheit ist aus einem rauscharmen
Verstärker LNA5, dem 90° Hybrid, den beiden zweiphasigen Dämpfungsgliedern
BiA3 und BiA4 sowie der Summierstufe SUM2 aufgebaut. Die vorgenannten
Komponenten ohne den LNA5 bilden einen Vektormodulator zur Steuerung
der Phase des Empfangssignals des Sub-Arrays. Durch die DC Kontrollsignale
PHA_CTRL_I und PHA_CTRL_Q kann die Phase zwischen 0° und
360° verändert werden. Der LNA5 dient dem Ausgleich
der Verluste im Phasenschieber. (
3.6 Integrierung der Signalverarbeitungselektronik in ein Signal Processing Element (SPE)3.6 Integration of signal processing electronics into a signal processing element (SPE)
Zur
Unterstützung des Konzepts für den modularen Aufbau
des Antennensystems werden die elektronischen Komponenten in integrierter
Technik realisiert (
3.7 Kombination der Sub-Arrays zu Modulen3.7 Combination of sub-arrays to modules
Jedes
Modul ist aus 16 Sub-Arrays, welche in einer 4×4 Matrix
angeordnet sind, aufgebaut (
3.8 Kombination der Module zum Antennensystem3.8 Combination of the modules to the antenna system
Um einen modularen/skalierbaren Aufbau zu unterstützen wurde das gesamte Antennenarray in sogenannte Antennenmodule untergliedert. Diese Antennenmodule sind in sich selbst vollfunktionsfähige Antennen.Around to support a modular / scalable structure the entire antenna array is divided into so-called antenna modules. These antenna modules are fully functional in themselves Antennas.
Je nach Anforderung hinsichtlich des Gewinns der Antenne bzw. der Form des Richtdiagramms können mehr oder weniger dieser Module kombiniert werden. Die Ausgangssignale der Antennenmodule werden dann über sogenannte Zeilen- bzw. Spaltensummierschaltungen zusammengefasst.ever as required for the gain of the antenna or the shape of the directional diagram can be more or less of these modules be combined. The output signals of the antenna modules are then over so-called row or column summation circuits.
Diese Zeilen- bzw. Spaltensummierschaltungen sind in Form einer Busstruktur aufgebaut und beinhalten auch die Aufbereitung der Steuersignale.These Row or column summing circuits are in the form of a bus structure and also includes the preparation of the control signals.
Durch den gewählten Aufbau ist sichergestellt, dass die Signalwege von jedem Modul zum zentralen Summenpunkt der gesamten Antenne gleich lang sind.By the chosen design ensures that the signal paths from each module to the central summation point of the entire antenna are long.
In
3.9 Funktionsbeschreibung des TrackSatTM Antennensystems3.9 Functional description of the TrackSat TM antenna system
Das TrackSatTM Antennensystem dient zum Empfang von breitbandigen Satellitensignalen im Ku-Band (10,7 GHz – 12,75 GHz). Das System kann mit geostationären, Medium Earth Orbit(MEO)- oder auch Low Earth Orbit(LEO)-Satelliten betrieben werden. Eine Anpassung an die verschiedenen Anwendungsszenarien wird durch das skalierbare Systemkonzept unterstützt.The TrackSat TM antenna system is used to receive broadband satellite signals in Ku band (10.7 GHz - 12.75 GHz). The system can be operated with geostationary Medium Earth Orbit (MEO) or Low Earth Orbit (LEO) satellites. An adaptation to the various application scenarios is supported by the scalable system concept.
Das TrackSatTM Antennensystem ist so ausgelegt, dass das zu empfangende Frequenzband von 10,7 GHz – 12,75 GHz, einer Bandbreite von 2,05 GHz entsprechend, verarbeitet und in zwei wählbaren Zwischenfrequenzbändern von 0,95 GHz bis 1,95 GHz sowie 1,1 GHz bis 2,15 GHz am Hochfrequenzsignalausgang in einem Signalpegelbereich, der den Anschluss handelsüblicher Satellitensignalempfänger erlaubt, zur Verfügung steht.The TrackSat TM antenna system is designed to handle the frequency band to be received from 10.7 GHz - 12.75 GHz, corresponding to a bandwidth of 2.05 GHz, and in two selectable intermediate frequency bands from 0.95 GHz to 1.95 GHz, as well as 1.1 GHz to 2.15 GHz at the high frequency signal output in a signal level range, which allows the connection of commercial satellite signal receiver is available.
Das
Antennenelement
Um
die Anzahl der Signalverarbeitungskomponenten im Antennensystem
zu minimieren wurde das Konzept der Sub-Array
Die
Art der Zusammenfassung und die Ansteuerung sind in
Um
das Richtdiagramm des Sub-Arrays in die Sektoren +45° bis
+135° und +225° bis +315° zu steuern,
werden getrennt nach Polarisation die Signale aus den zwei jeweils
nebeneinander angeordneten Antennenelementen
Um
das Richtdiagramm des Sub-Arrays in die Sektoren +315° bis
+45° und +135 bis +225° zu steuern, werden getrennt
nach Polarisation die Signale aus den zwei jeweils übereinander
angeordneten Antennenelementen
Die Ausgangssignale dieser Summierstufen werden jeweils einem rauscharmen Vorverstärker zugeführt und verstärkt.The Output signals of these summation stages are each a low-noise Pre-amplifier supplied and amplified.
Um das Richtdiagramm des Sub-Arrays in den Sektor +45° bis +135° und +225° bis +315° zu steuern, werden die zuvor gebildeten Teilsummen 1 und 2 getrennt nach Polarisation durch Umschaltung einer relativen Phasenverschiebung von +120° bzw. –120° summiert. Eine Phasenverschiebung von +120° zwischen Teilsumme 1 und 2 schwenkt das Richtdiagramm in den Sektor +45° bis +135°. Eine Phasenverschiebung von +120° zwischen Teilsumme 1 und 2 schwenkt das Richtdiagramm in den Sektor +225° bis +315°.Around the directional diagram of the sub-array in the sector + 45 ° to + 135 ° and + 225 ° to + 315 ° the previously formed partial sums 1 and 2 separated by polarization summed by switching a relative phase shift of + 120 ° or -120 °. A phase shift of + 120 ° between subtotal 1 and 2 pivots the directional diagram in the sector + 45 ° to + 135 °. A phase shift of + 120 ° between Subtotal 1 and 2 pans the directional diagram into sector + 225 ° to + 315 °.
Um das Richtdiagramm des Sub-Arrays in den Sektor +315° bis +45° und +135 bis +225° zu steuern, werden die zuvor gebildeten Teilsummen 1 und 2 getrennt nach Polarisation durch Umschaltung einer relativen Phasenverschiebung von +120° bzw. –120° summiert. Eine Phasenverschiebung von +120° zwischen Teilsumme 1 und 2 schwenkt das Richtdiagramm in den Sektor +135 bis +225°. Eine Phasenverschiebung von +120° zwischen Teilsumme 1 und 2 schwenkt das Richtdiagramm in den Sektor +315° bis +45°.In order to control the directional diagram of the sub-array in the sector + 315 ° to + 45 ° and +135 to + 225 °, the previously formed partial sums 1 and 2 are separated according to polarization by switching a relative phase shift of + 120 ° or 120 ° summed. A phase shift of + 120 ° between subtotals 1 and 2 pivots the directional diagram in the sector +135 to + 225 °. A phase shift of + 120 ° between subtotals 1 and 2 the directional diagram pivots into the sector + 315 ° to + 45 °.
Nach dieser Signalverarbeitungsstufe stehen zwei orthogonale durch das Richtdiagramm des Sub-Arrays gewichtete Signale zur Verfügung. Diese Signale werden nun der Polarisationsnachführungsschaltung zugeführt. Die orthogonalen Eingangssignale, zwei zweiphasige Dämpfungsglieder sowie eine abschließende Summierstufe bilden einen Vektormodulator. Durch unterschiedliche Gewichtung der beiden orthogonalen Signalkomponenten kann der Polarisationsvektor um 360° rotiert werden.To this signal processing stage are two orthogonal through the Directional diagram of the sub-array weighted signals available. These signals are now supplied to the polarization tracking circuit. The orthogonal input signals, two biphasic attenuators and a final summing stage form a vector modulator. By different weighting of the two orthogonal signal components the polarization vector can be rotated by 360 °.
Nach dieser Signalverarbeitungsstufe steht nur mehr ein der ausgewählten Polarisation entsprechendes Signal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung.To This signal processing stage is only one of the selected Polarization corresponding signal for further processing to disposal.
In
dieser Signalverarbeitungsebene findet die eigentliche Steuerung
und Nachführung des Antennendiagramms statt. Die aus den
vier Antennenelementen
Jedem
Sub-Array
Die Phaseneinstellungen werden gemäß folgender Formel berechnet:
- RD:
- Richtdiagramm
- M:
- Anzahl der Sub-Arrays in X-Richtung
- N:
- Anzahl der Sub-Arrays in Y-Richtung
- am,n:
- Amplitudengewichtung der einzelnen Antennen
- k0:
- Wellenzahl 2π/λ
- λ:
- Wellenlänge
- dx:
- relativer Abstand der Antennen in X-Richtung
- dy:
- relativer Abstand der Antennen in Y-Richtung
- u:
- sin(θ)cos(ϕ)
- v:
- sin(θ)sin(ϕ)
- u0:
- sin(θ0)cos(ϕ0)
- v0:
- sin(θ0)sin(ϕ0)
- θ:
- variabler Elevationswinkel
- ϕ:
- variabler Azimutwinkel
- θ0:
- Einfallswinkel Elevation
- ϕ0:
- Einfallswinkel Azimut
- RD:
- directivity pattern
- M:
- Number of sub-arrays in the X direction
- N:
- Number of subarrays in Y direction
- a m, n :
- Amplitude weighting of the individual antennas
- k 0 :
- Wave number 2π / λ
- λ:
- wavelength
- dx :
- relative distance of the antennas in the X direction
- dy :
- relative distance of the antennas in the Y direction
- u:
- sin (θ) cos (φ)
- v:
- sin (θ) sin (φ)
- u 0 :
- sin (θ 0 ) cos (φ 0 )
- v 0 :
- sin (θ 0 ) sin (φ 0 )
- θ:
- variable elevation angle
- φ:
- variable azimuth angle
- θ 0 :
- Incidence angle elevation
- φ 0 :
- Angle of incidence azimuth
Um
einen modularen, skalierbaren Aufbau zu ermöglichen, sind
mehrere Sub-Arrays
Für die Anwendung als Empfangsantenne für mobilen Satellitensignalempfang im Ku-Band ist aufgrund der Anforderungen an den Gewinn des Antennensystems die Kombination von 16 Antennenmodulen notwendig. Diese 16 Antennenmodule sind in einer 4×4 Matrix angeordnet. Der Abstand der Module in X- und Y-Richtung untereinander ergibt sich aus der notwendigen Größe der Antennenmodule und beträgt 90 mm.For the application as a receiving antenna for mobile satellite signal reception in the Ku band is due to the requirements of winning the antenna system the combination of 16 antenna modules necessary. These 16 antenna modules are arranged in a 4 × 4 matrix. The distance of the modules in the X- and Y-direction among each other results from the necessary Size of the antenna modules and is 90 mm.
Die
Ausgangssignale der Module werden zunächst zeilenweise
(ROW_PCB)
Nachfolgend
werden die Ausgangssignale der Zeilensummierschaltung mittels einer
Spaltensummierschaltung (COL_PCB)
Das
Ausgangssignal der Spaltensummierschaltung wird dann einer Frequenzumsetzungsbaugruppe
Um das Richtdiagramm der Antenne in die gewünschte Richtung zu steuern und im Fall der Bewegung des Trägerfahrzeugs eine Nachführung der Ausrichtung zu ermöglichen, ist ein elektronisches Nachführsystem erforderlich. Grundsätzlich kann eine Nachführung der Ausrichtung des Richtdiagramms durch Auswertung von Summen- und Differenzdiagrammen (Monopuls Tracking) erfolgen. Hierzu wird jedoch ein nicht unerheblicher zusätzlicher Hardwareaufwand benötigt.Around the directional diagram of the antenna in the desired direction to control and in the case of movement of the host vehicle to allow a tracking of the alignment An electronic tracking system is required. in principle can be a tracking of the orientation of the directional diagram by evaluation of sum and difference diagrams (Monopuls Tracking) respectively. However, this will be a not inconsiderable additional Hardware required.
Um diesen Aufwand zu vermeiden wird für das beschriebene Antennensystem ein alternatives Verfahren angewandt.Around To avoid this expense for the described antenna system an alternative method applied.
Durch
dynamische Sensoren
Das dynamische Sensorsystem besteht aus einem zweidimensional messenden Neigungssensor und einem Gyroskop, welches Drehbewegungen um die Hochachse der Antenne ermittelt.The dynamic sensor system consists of a two-dimensional measuring Tilt sensor and a gyroscope which rotates around the Vertical axis of the antenna determined.
Mit
den dynamischen Sensoren ist nur eine relative Bestimmung der Ausrichtung
der Antennenplattform möglich. Für die Steuerung
des Richtdiagramms in Richtung auf den zu empfangenden Satelliten
ist aber eine absolute Bestimmung der Ausrichtung notwendig. Dies
wird durch Kopplung der Sensorinformation mit Positionsdaten aus
einem Satellitennavigationsempfänger
Zur Verifikation der Ausrichtung wird die Signalleistung im Empfangspfad gemessen. Diese muss innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters liegen. Ist dies nicht der Fall wird ein Optimierungsverfahren zur Ausrichtung des Diagramms ausgeführt.to Verification of the orientation is the signal power in the receive path measured. This must be within a specified tolerance window lie. If this is not the case will be an optimization method for alignment of the diagram.
4 Erreichte Vorteile:4 Achieved benefits:
Grosse SignalbandbreiteLarge signal bandwidth
Durch den rautenförmigen Aufbau, die Schichtung, Anpassung der Schlitzspeisung ergibt sich eine gegenüber Standardantennenanordnungen erhöhte Bandbreite bezüglich des Verlaufs der Eingangsimpedanz sowie des Polarisationsverhaltens.By the rhombic structure, the stratification, adaptation of the Slot feeding results in comparison to standard antenna arrangements increased bandwidth with respect to the course of Input impedance and the polarization behavior.
Großer Öffnungswinkel
der Richtcharakteristik des Antennenelements
Durch
die Größe, die rautenförmige Ausführung,
den vertikalen Abstand sowie die Auswahl des dielektrischen Materials
ergibt sich ein erweiterter Öffnungswinkel der Richtcharakteristik
des Antennenelements
Auswahl und Nachführung der PolarisationSelection and tracking of the polarization
Durch Integration von zweiphasigen Dämpfungsgliedern wird eine elektronische Auswahl bzw. Nachführung der Polarisation der Empfangsantenne ermöglicht.By Integration of two-phase attenuators becomes one electronic selection or tracking of the polarization the receiving antenna allows.
Optimierter Gewinn (S/N) bei großen SchwenkwinkelnOptimized profit (S / N) at large swivel angles
Durch
die Anordnung der Antennenelemente
Modularer AufbauModular construction
Die Aufteilung in die Sub-Arrays, die serielle Zusammenschaltung und der Einsatz des integrierten elektronischen Moduls ermöglichen einen skalierbaren Aufbau des Gesamtsystems. Die Antennengröße und damit die Empfangseigenschaften können durch Hinzufügen bzw. Entfernen von Moduleinheiten an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.The Division into the sub-arrays, the serial interconnection and enable the use of the integrated electronic module a scalable structure of the overall system. The antenna size and therefore the reception characteristics can be increased by adding or removal of module units to the respective needs be adjusted.
Verringerung der benötigten BauteileReduction of required components
Durch Anwendung des Konzepts der Sub-Array-Bildung kann eine Reduktion der benötigten Phasenschieberkomponenten um den Faktor 4 erzielt werden (Beispiel: statt 1024 nur 256 Komponenten).By Application of the concept of sub-array formation can be a reduction the required phase shifter components by the factor 4 (example: instead of 1024 only 256 components).
Einfache HerstellungSimple production
Die Herstellung kann durch standardisierte Prozesse einer Leiterplattenherstellung erfolgen. Die benötigten elektronischen Bauteile werden in SMD Technologie bestückt und kontaktiert.The Manufacturing can be done through standardized processes of PCB manufacturing respectively. The required electronic components are equipped and contacted in SMD technology.
5 Anwendungsbeispiele:5 application examples:
Die vorab beschriebene Erfindung kann wie folgt angewandt werden.The The invention described above can be applied as follows.
5.1 Mobiler Empfang von Fernsehsatellitensignalen (DVB-S)5.1 Mobile reception of television satellite signals (DVB-S)
In
5.2 Mobiler Empfang von Satellitensignalen für breitbandigen Internetzugang5.2 Mobile reception of satellite signals for broadband internet access
In
- 11
- TrackSatTM AntennensystemTrackSat TM antenna system
- 22
- Antenneantenna
- 33
- Gehäusecasing
- 44
- Antennenmodulantenna module
- 55
- ROW_PCB, ZeilensummierschaltungROW_PCB, Zeilensummierschaltung
- 66
- COL_PCB, SpaltensummierschaltungCOL_PCB, Spaltensummierschaltung
- 77
- Montagerahmenmounting frame
- 88th
-
Sub-Array,
besteht aus Antennenelementen
10A , B, C, DSub-array, consists of antenna elements10A , B, C, D - 99
- Signal Processing Element (SPE)signal Processing Element (SPE)
- 1010
- Antennenelement (AE)antenna element (AE)
- 1111
- Kontrollcomputercontrol computer
- 1212
- Satellitennavigations Empfängersatellite navigation receiver
- 1313
- Dynamische Sensorendynamic sensors
- 1414
- Externe Schnittstelleexternal interface
- 1515
- HF SignalumsetzungHF signal conversion
- 1616
- HF SignalausgangHF signal output
- 1717
- Satelliten HF Signalsatellite RF signal
- 1818
- Externe Kommandosexternal commands
- 1919
- Externe ÜberwachungExternal monitoring
- A, B, C, DA, B, C, D
-
Antennenelemente
10 eines Sub-Arrays8 antenna elements10 a sub-array8th - AEAE
-
Antennenelement
10 antenna element10 - AS A S
- Abstrahlrichtungradiation direction
- AZ_SEL HAZ_SEL H
-
Azimut
Selektion des Sub-Arrays
8 : horizontale PolarisationAzimuth Selection of the sub-array8th : horizontal polarization - AZ_SEL VAZ_SEL V
-
Azimut
Selektion des Sub-Arrays
8 : vertikale PolarisationAzimuth Selection of the sub-array8th : vertical polarization - AZ_SUM HAZ_SUM H
-
Azimut
Summation des Sub-Arrays
8 : horizontale PolarisationAzimuth summation of the sub-array8th : horizontal polarization - AZ_SUM VAZ_SUM V
-
Azimut
Summation des Sub-Arrays
8 : vertikale PolarisationAzimuth summation of the sub-array8th : vertical polarization - BiABiA
- Biphase Attenuator, zweiphasiges DämpfungsgliedBiphase Attenuator, two-phase attenuator
- DC CTRL AZSW_HDC CTRL AZSW_H
-
Kontrollsignal
zur Auswahl der zu summierenden Signalausgänge der Antennenelement
10 für horizontale PolarisationControl signal for selecting the signal outputs of the antenna element to be summed10 for horizontal polarization - DC CTRL AZSW_VDC CTRL AZSW_V
-
Kontrollsignal
zur Auswahl der zu summierenden Signalausgänge der Antennenelement
10 für vertikale PolarisationControl signal for selecting the signal outputs of the antenna element to be summed10 for vertical polarization - DC CTRL AZSWPH_HDC CTRL AZSWPH_H
-
Kontrollsignal
zur Grobeinstellung des Azimutwinkels des Sub-Arrays
8 für horizontale PolarisationControl signal for coarse adjustment of the azimuth angle of the sub-array8th for horizontal polarization - DC CTRL AZSWPH_VDC CTRL AZSWPH_V
-
Kontrollsignal
zur Grobeinstellung des Azimutwinkels des Sub-Arrays
8 für vertikale PolarisationControl signal for coarse adjustment of the azimuth angle of the sub-array8th for vertical polarization - DLDL
- Delay Line, Verzögerungsleitungdelay Line, delay line
- HH
- horizontale Polarisationhorizontal polarization
- LNALNA
- Low Noise Amplifier, rauscharmer Verstärkerlow Noise Amplifier, low-noise amplifier
- PH_CTRL_IPH_CTRL_I
- Steuersignal für in-phase Komponentecontrol signal for in-phase component
- PH_CTRL_QPH_CTRL_Q
- Steuersignal für orthogonale Komponentecontrol signal for orthogonal component
- POL_CTRL_HPOL_CTRL_H
-
Steuersignal
des Sub-Arrays
8 für horizontale PolarisationControl signal of the sub-array8th for horizontal polarization - POL_CTRL_VPOL_CTRL_V
-
Steuersignal
des Sub-Arrays
8 für vertikale PolarisationControl signal of the sub-array8th for vertical polarization - SPESPE
- Signal Processing Element, Signalverarbeitungselementsignal Processing element, signal processing element
- SUMSUM
- Signaladdierersignal adder
- VV
- vertikale Polarisationvertical polarization
- VIA drillVIA drill
- Durchkontaktierungvia
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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---|---|---|---|
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