DE102011121138B4

DE102011121138B4 - Breitband-Antennensystem zur Satellitenkommunikation

Info

Publication number: DE102011121138B4
Application number: DE102011121138.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Oppenländer; Michael Wenzel; Michael Seifried
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: DE102011121138A1

Abstract

Antenne zur Breitband-Satellitenkommunikation, bestehend aus zwei Antennenfeldern (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtungen (7, 8) so angeordnet sind, dass sich die beiden Antennenfelder (1, 2) nicht vollständig gegenseitig abschatten, jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) aus einem Feld (3, 5) gebildet aus primären Strahlelementen, die für das jeweilige Empfangsband ausgelegt sind, und einem Feld (4, 6) gebildet aus Strahlelementen, die für das jeweilige Sendeband ausgelegt sind, besteht, für das erste Antennenfeld (1) das Sendebandfeld (4) und das Empfangsbandfeld (3) in vertikaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind, für das zweite Antennenfeld (2) das Sendebandfeld (6) und das Empfangsbandfeld (5) in horizontaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind, die maximale Ausdehnung des Sendebandfeldes (4) des ersten Antennenfeldes (1) in horizontaler Richtung größer ist als die maximale Ausdehnung des Sendebandfeldes (6) des zweiten Antennenfeldes (2) in vertikaler Richtung, für das Sendebandfeld (4) des ersten Antennenfeldes (1) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der horizontalen Achse kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz ist, für das Sendebandfeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der vertikalen Achse kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz ist, und die beiden Antennenfelder (1, 2) mechanisch derart verbunden sind, dass sie sich um eine gemeinsame Achse (9) drehen können und die Hauptstrahlrichtung (7, 8) jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) senkrecht zu dieser Achse liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Breitband-Antennensystem zur Kommunikation zwischen mobilen Trägern und Satelliten, insbesondere für aeronautische Anwendungen.
Der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen Datenraten, insbesondere im Bereich der mobilen Satellitenkommunikation steigt ständig an. Es fehlt jedoch insbesondere im aeronautischen Bereich an geeigneten Antennen, welche insbesondere die für den mobilen Einsatz erforderlichen Bedingungen, wie geringe Abmessungen und geringes Gewicht, erfüllen können. Für die gerichtete, drahtlose Datenkommunikation mit Satelliten (z.B. im Ku- oder Ka-Band) bestehen zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik der Antennensysteme, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss.
In aeronautischen Anwendungen ist das Gewicht und die Größe des Antennensystems von sehr großer Bedeutung, da es die Nutzlast des Flugzeugs verringert und zusätzliche Betriebskosten verursacht.
Das Problem besteht deshalb darin, möglichst kleine und leichte Antennensysteme zur Verfügung zu stellen, welche dennoch im Betrieb auf mobilen Trägern den regulatorischen Anforderungen an den Sende- und Empfangsbetrieb genügen.
Die regulatorischen Anforderungen an den Sendebetrieb ergeben sich z.B. aus den Normen 47 CFR 25.209, 47 CFR 25.222, 47 CFR 25.138, ITU-R M.1643, ITU-R S.524-7, ETSI EN 302 186 oder ETSI EN 301 459. Alle diese regulatorischen Vorschriften sollen sicherstellen, dass im gerichteten Sendebetrieb einer mobilen Satellitenantenne keine Störung benachbarter Satelliten auftreten kann. Hierzu werden typischerweise Envelopen (Hüllkurven bzw. Masken) maximaler spektraler Leistungsdichte in Abhängigkeit vom Abstandswinkel zum Zielsatelliten definiert. Die für einen bestimmten Abstandswinkel vorgegebenen Werte dürfen im Sendebetrieb des Antennensystems nicht überschritten werden. Dies führt zu strengen Anforderungen an die winkelabhängige Antennencharakteristik. Als Beispiel ist in 5a die Anforderung aus CFR 22.209 an den winkelabhängigen Antennengewinn im Ku-Band in Richtung des Azimuts (tangential zum Clarke-Orbit) dargestellt (fett markierte Kurve). Mit zunehmendem Abstandswinkel vom Zielsatelliten muss der Antennengewinn stark abfallen. Dies kann physikalisch nur durch sehr homogene Amplituden- und Phasenbelegungen der Antenne erreicht werden. Typischerweise werden daher Parabolantennen verwendet, die diese Eigenschaften aufweisen. Für den mobilen Einsatz, insbesondere auf Flugzeugen, sind solche Antennen jedoch nicht geeignet. Hier werden zur Verringerung des Luftwiderstands rechteckige oder rechteckähnliche Antennenaperturen verwendet welche ein Aspektverhältnis Höhe zu Breite von höchstens 1:4 aufweisen. Da Parabolspiegel bei solchen Aspektverhältnissen nur sehr geringe Effizienzen besitzen, kommen für die Anwendungen z.B. auf Flugzeugen oder Kraftwagen bevorzugt Antennenfelder in Frage.
Bei Antennenfeldern tritt jedoch das bekannte Problem der sog. „grating lobes“ auf. Grating lobes sind signifikante parasitäre Nebenkeulen, welche dadurch entstehen, dass die Strahlzentren (Phasenzentren) der Antennenelemente, welche das Antennenfeld bilden, konstruktionsbedingt einen bestimmten Abstand zueinander haben müssen. Dies führt unter bestimmten Strahlwinkeln zur positiven Interferenz der Antennenstrahler und damit zur unerwünschten Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche. Aus der Theorie zweidimensionaler Antennenfelder (z.B. J.D. Kraus und R.J. Marhefka, „Antennas: for all applications“, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002) ergibt sich, dass signifikante parasitäre grating lobes nur dann nicht auftreten, wenn die Strahlzentren des Antennenfeldes weniger als eine Wellenlänge der minimalen Nutzwellenlänge von einander entfernt sind.
Insbesondere für Ka-Band Antennenfelder ist diese Bedingung nur sehr schwer einzuhalten, da die Wellenlänge im Sendeband bei nur ca. 1 cm liegt.
Da Antennenfelder über ein Speisenetzwerk verfügen müssen, ergibt sich das praktische Problem Netzwerk- und Antennenfeldtopologien zu finden, die zum einen die obige Bedingung an den maximalen Abstand der Strahlzentren erfüllen und zum anderen so wenig Bauraum wie möglich beanspruchen. Zudem dürfen die Speisenetzwerke nur minimal dissipativ sein, um hohe Antenneneffizienzen und damit minimale Antennengrößen realisieren zu können.
Insbesondere bei aeronautischen Anwendungen stellen die regulatorischen Vorschriften sehr hohe Anforderungen an das Antennensystem. Da solche Systeme typischerweise auf dem Flugzeugrumpf angebracht sind und über einen Zwei-Achsen Positionierer verfügen, liegt die Antennenapertur mit ihrer Azimutachse immer in der Flugzeugebene. Die Flugzeugebene ist typischerweise eine Tangentialebene zur Erdoberfläche. Sind nun Flugzeugposition und Satellitenposition nicht auf der gleichen geographischen Länge, dann ist die Antennenapertur, wenn sie auf den Satelliten gerichtet ist, immer um einen bestimmten Winkel, der von der geographischen Länge abhängt, gegenüber der Ebene des Clarke-Orbits, verdreht. Dieser sog. geographische skew kann bei mobilen Anwendungen nicht durch eine Drehung der Antenne um eine senkrecht zur Aperturebene liegende Achse kompensiert werden, wie dies bei stationären terrestrischen Antennen möglich ist. Da die Aperturen typischerweise rechteckig sind, ändert sich das Antennendiagram bezüglich der Tangente an den Clarke Orbit am Ort des Satelliten, wenn der skew Winkel sich ändert. Mit zunehmendem skew Winkel wird die Hauptkeule immer breiter und stößt irgendwann an die regulatorische Maske (vgl. 5(a) und (b)). Die Sendeleistung muss dann sukzessive reduziert werden. Ein aeronautisches Antennensystem muss daher so gebaut sein, dass es trotz des im Prinzip ungünstigen Längen zu Seiten Verhältnisses auch bei Vorliegen eines geographischen skews die regulatorischen Anforderungen erfüllen kann.
Soll das Antennensystem möglichst global (bis auf die von geostationären Satelliten nicht erreichbaren Polregionen) einsetzbar sein, dann müssen die regulatorischen Anforderungen im gesamten Winkelbereich des geographischen skew (0° bis 90°) erfüllt werden. Insbesondere in Ka-band, bei dem das Sende- und das Empfangsband fast 10 GHz auseinander liegen, stellt dies für mobile Antennensysteme mit geringer Höhe ein erhebliches Problem dar. Bei einem skew Winkel von 90° ist die Antenne mit ihrer schmalen Seite auf den Satelliten gerichtet und das Antennendiagramm damit stark verbreitert, was zu einer erheblichen Reduktion der regulatorisch erlaubten spektralen Leistungsdichte im Sendbetrieb führen kann.
Zudem ist es bei den erforderlichen Antennenfeldern sehr schwierig primäre Strahlelemente zu finden, welche sowohl im Sende- als auch im Empfangsband simultan funktionieren. Wegen des sehr großen Bandabstands im Ka-band sind auch die Anforderungen an die Speisenetzwerke sehr hoch. Beides macht diese Art von Antennenfeldern sehr komplex und teuer.
Damit ergeben sich folgende Problemstellungen für mobile, insbesondere aeronautische Satellitenantennen, die simultan gelöst werden müssen:

1. minimal mögliche Dimension zur Erfüllung der regulatorischen Anforderungen,
2. höchste Antenneneffizienz bei minimalem Gewicht,
3. große Bandbreite um das Empfangs- und das Sendeband abzudecken (z.B. Ku-Band Betrieb: 10,7-12,75 GHz und 13,75-14,5 GHz, Ka-band Betrieb: 19.2-20.2 GHz und 29-30 GHz),
4. sehr gute Richtcharakteristik,
5. hohe Polarisationstrennung,
6. möglichst hohe regulatorisch konforme Spektrale Leistungsdichte bei großen geographischen skew Winkeln.

Stand der Technik
Es ist bekannt, dass z.B. Antennen welche als Felder von Hornstrahlern ausgebildet sind, über eine sehr hohe Effizienz verfügen. Werden Felder von Hornstrahlern mit einem Netzwerk von Hohlleitern gespeist, dann kann die Dämpfung elektromagnetischer Wellen durch solche Netzwerke sehr klein werden. Ein solches Feld wird z.B. in der Patentschrift US5243357A vorgeschlagen. Es handelt sich dabei allerdings um eine reine Empfangsantenne (Spalte 1, Zeile 10 ff.). Die für den Betrieb als Sendeantenne notwendige, sehr hohe Polarisationsentkopplung kann mit dem vorgeschlagenen Netzwerk aus quadratischen Hohlleitern nicht erreicht werden. Zudem ist der Abstand zwischen den Strahlerelementen konstruktionsbedingt vergleichsweise groß, da die quadratischen Hohlleiter zur effizienten Wellenleitung Abmessungen im Bereich der halben Wellenlänge der Nutzfrequenz haben müssen und die Zentren der Strahlelemente daher weit mehr als eine Wellenlänge voneinander entfernt sind. Es ist bekannt, dass dies in der Antennencharakteristik zu signifikanten Nebenkeulen(sog. „grating lobes“) führt. Im reinen Empfangsbetrieb sind diese Nebenkeulen unschädlich. Ein regulatorisch erlaubter Sendebetrieb ist jedoch nicht möglich, da z.B. CFR 25.209 bzw. CFR 25.222 sehr strenge Anforderungen an die Nebenkeulenunterdrückung setzen. Eine Verbesserung der Polarisationstrennung kann durch separate Speisenetzwerke erreicht werden. So wird z.B. in US 2005/0146477 A1 vorgeschlagen, jeweils ein eigenes Speisenetzwerk für die linkszirkulare und die rechtszirkulare Polarisation zu verwenden. Die Strahlerelemente (hier Aperturkreuze) müssen hierzu jedoch seriell gespeist werden. Dies schränkt die nutzbare Bandbreite stark ein. Ein typischer Ku-Band Betrieb, z.B., mit einem Empfangsband von 10,7 GHz bis 12,75 GHz und einem Sendeband von 14,0 GHz bis 14,5 GHz, ist mit einer solchen Anordnung nicht möglich. In z.B. US5568160A wird ebenfalls vorgeschlagen, das Verteilernetzwerk mit Aperturkreuzen zu speisen. Primäre Antennenelemente sind hier jedoch quadratische Hornstrahler. Das Speisenetzwerk zerfällt in ein Netzwerk für die horizontale und ein Netzwerk für die vertikale Polarisation. Eine hohe Polarisationsentkopplung ist damit möglich. Konstruktionsbedingt liegen die Strahlerzentren jedoch auch hier vergleichsweise weit auseinander, so dass parasitäre Nebenkeulen auftreten. Dasselbe Problem tritt bei den z.B. in US6225960 B1 , WO2006/061865 A1 und GB2247990 A vorgeschlagenen Anordnungen auf. In US6201508 B1 wird vorgeschlagen, zur Homogenisierung der Aperturbelegung über jedem einzelnen Hornstrahler ein Gitter („crossed septum“; Spalte 3, Zeile 26)anzubringen. Die Strahlzentren liegen jedoch auch hier konstruktionsbedingt weit mehr als eine Wellenlänge voneinander entfernt und phasenkorrelationsbedingte parasitäre Nebenkeulen treten weiterhin auf. Auch besitzt die Vorrichtung konstruktionsbedingt eine erhebliche Höhe (Ausdehnung senkrecht zur Aperturebene), was sie für mobile und insbesondere für aeronautische Anwendungen kaum brauchbar macht (im Ku-Band „0.37 m“; Spalte 5, Zeile 15).
Aus der EP 1 764 867 A1 ist ein Antennensystem für Mobilfunkanwendungen bekannt, bei dem Einzelstrahler unterschiedlichen Modulen zugeordnet sind und die Module entweder zum Senden oder zum Polarisations-Diversitätsempfang geeignet sind.
Auch bei der US 7 183 995 B2 werden unterschiedliche Module zum Senden und Empfangen genutzt. Eine Steuereinrichtung kann gleichzeitig mehrere Sende- und Empfangskeulen formen.
Figurenliste

1 stellt den erfindungsgemäßen Aufbau zweier Antennenfelder dar.
2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der beiden Antennenfelder um eine gemeinsame Achse.
3 zeigt eine beispielhafte Amplitudenbelegung der Antennenfelder, welche der Erhöhung der maximal regulatorisch erlaubten spektralen EIRP Dichte dient.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung bei der zwischen den Antennenfeldern zusätzliche Hochfrequenzkomponenten (z.B.
Verstärker) angebrachte sind.
5 stellt exemplarisch dar, wie die Antenne auf der Elevationsachse eines Zwei-Achsen Positionierungssystems angebracht werden kann.
6a und 6b zeigen ein typisches Antennendiagramm einer erfindungsgemäßen Antenne zusammen mit einer typischen regulatorischen Maske.
7 zeigt beispielhaft die maximale regulatorisch erlaubte spektrale EIRP Leistungsdichte in Abhängigkeit vom geographischen skew Winkel für eine erfindungsgemäße Anordnung am Beispiel der Norm 47 CFR 25.138.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein breitbandiges Antennensystem, insbesondere für aeronautische Anwendungen zur Verfügung zu stellen, das bei minimalen Dimensionen einen regulatorisch konformen Sende- und Empfangsbetrieb auch für sehr große geographische skew Winkel und die präzise Ausrichtung der Antenne auf den Zielsatelliten erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst. Das erfindungsgemäße Antennensystem besteht aus zwei Antennenfeldern (1), (2) welche bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtungen (7), (8) so angeordnet sind, dass sich die beiden Antennenfelder nicht gegenseitig abschatten. Jedes der beiden Antennenfelder besteht dabei aus einem Feld (3), (5) gebildet aus primären Strahlelementen, die für das jeweilige Empfangsband ausgelegt sind, und einem Feld (4), (6) gebildet aus Strahlelementen, die für das jeweilige Sendeband ausgelegt sind. Für das erste Antennenfeld (1) sind das Sendefeld (4) und das Empfangsfeld (3) in vertikaler Richtung nebeneinander angeordnet. Für das zweite Antennenfeld (2) sind das Sendefeld (6) und das Empfangsfeld (5) in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet.
Die maximale Ausdehnung L_{1,horizontal,Tx} des Sendebandfeldes (4) des ersten Antennenfeldes (1) ist in horizontaler Richtung größer als die maximale Ausdehnung H_{2,vertical,Tx} des Sendebandfeldes (6) des zweiten Antennenfeldes (2) in vertikaler Richtung.
Für das Sendebandfeld (4) des ersten Antennenfeldes (1) sind die Strahlzentren (Phasenzentren) der Primärstrahler dabei so angeordnet, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der horizontalen Achse kleiner als die Wellenlänge λ_c der maximalen Sendefrequenz ist. Für das Sendebandfeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) sind die Strahlzentren (Phasenzentren) der Primärstrahler dabei so angeordnet, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der vertikalen Achse kleiner als die Wellenlänge λ_c der maximalen Sendefrequenz ist.
Die beiden Antennenfelder (1), (2) sind mechanisch dabei derart verbunden, dass sie sich um eine gemeinsame Achse (9) drehen können und die Hauptstrahlrichtung (7), (8) jedes der beiden Antennenfelder senkrecht zu dieser Achse liegt.
Wie in 1 und 2 dargestellt, besteht eine erfindungsgemäße Anordnung aus zwei Antenennfeldern die um eine gemeinsame Drehachse so angeordnet sind, dass sie sich nicht gegenseitig abschatten. Damit wird ermöglicht, dass durch eine Drehung um die Achse zwischen dem einen und dem anderen Antennenfeld gewechselt werden kann. Sind die beiden Antennenfelder z.B. antiparallel (d.h. Rückseite an Rückseite) angeordnet und ist eines der beiden Felder auf den Zielsatelliten ausgerichtet, dann ist nach einer Drehung um 180° um die gemeinsame Achse, das jeweils andere Feld auf den Satelliten ausgerichtet. Die beiden Antennenfelder können jedoch auch in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sein, solange sie sich nicht gegenseitig abschatten. Auch müssen die Hauptstrahlrichtungen nicht senkrecht auf den Aperturflächen liegen.
Jedes der beiden ebenen Antennenfelder besteht erfindungsgemäß wiederum aus Sub-Antennenfeldern für das Sende- und das Empfangsband, welche nebeneinander liegend angeordnet sind.
Durch die Verwendung separater Sub-Antennenfelder für das Sendeband und das Empfangsband wird erreicht, dass die jeweiligen primären Strahlelemente und die zugehörigen Speisenetzwerke auf das jeweilige Band optimal abgestimmt werden können. Insbesondere für Anwendungen bei denen zwischen dem Sende- und dem Empfangsband eine sehr große Bandlücke existiert (wie z.B. im Ka-Band mit einer Bandlücke von ca. 10 GHz), ist eine solche Anordnung von großem Vorteil. Sowohl im Sende- als auch im Empfangsband können damit auch bei sehr großen Bandbreiten (z.B. 2 GHz im Empfangs- und 2 GHz im Sendeband) hohe Antenneneffizienzen erzielt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht dabei darin, dass keine Frequenzdiplexer zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen benötigt werden. Da das Sendefeld explizit auf das Sendeband und das Empfangsfeld explizit auf das Empfangsband ausgelegt sind, ergibt sich bereits generischerweise eine sehr hohe Isolation zwischen Sendesignalen und Empfangssignalen.
Dadurch, dass die beiden Sub-Antennenfelder in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind, kann simultan empfangen und gesendet werden. Zudem sind mit dieser Anordnung beide Sub-Felder immer simultan auf denselben Satelliten ausgerichtet, auch wenn sich die Breite des Hauptstrahls für die Sendefrequenz und die Empfangsfrequenz unterscheidet.
Sind die Sub-Antennenfelder für den Empfang und das Senden nun im einen Antennenfeld entlang der vertikalen Achse nebeneinander liegend angeordnet und im anderen Antennenfeld entlang der horizontalen Achse nebeneinander liegend angeordnet, dann können die beiden Felder bezüglich ihrer jeweiligen Richtcharakteristik unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Dies kann dazu verwendet werden das Problem der regulatorischen Konformität für große Bereiche des geographischen skew Winkels zu lösen.
Sind im ersten Antennenfeld nämlich die Strahlelemente der Primärstrahler des Sendefeldes entlang der horizontalen Achse derart angeordnet, dass ihre Strahlzentren (Phasenzentren) jeweils kleiner als eine Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz voneinander entfernt sind, dann ergibt sich für niedrige skew Winkel (typischerweise 0° bis 50°) ein grating-lobe freies Richtdiagramm.
Andererseits ergibt sich wenn im zweiten Antennenfeld die Strahlelemente der Primärstrahler des Sendefeldes entlang der vertikalen Achse derart angeordnet sind, dass ihre Strahlzentren (Phasenzentren) jeweils kleiner als eine Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz voneinander entfernt sind, für große skew Winkel (typischerweise 40° bis 90°) eine grating-lobe freie Richtcharakteristik.
Dass die Strahlzentren dabei jeweils nur in einer Richtung dicht liegen müssen, hat den Vorteil, dass sie in der jeweils andere Richtung mehr als eine Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz voneinander entfernt sein können. So können z.B. Primärstrahler mit einem Seitenverhältnis von z.B. 1:2 verwendet werden. Damit sinkt die für einen bestimmten Antennengewinn erforderliche Zahl von Primärstrahlern deutlich. Zudem ergeben sich deutlich einfachere Speisenetzwerke als für den Fall in dem die Primärstrahler in beiden Richtungen (horizontal und vertikal) dicht liegen müssen.
Die Vorschrift, dass für das erste Antennenfeld die maximale Ausdehnung des Sendefeldes in horizontaler Richtung dabei großer ist als die Ausdehnung des Sendefeldes des zweiten Antennenfeldes in vertikaler Richtung, stellt sicher, das die jeweiligen grating-lobe freien skew Winkelbereiche annähernd gleich groß und komplementär zueinander sind.
Kann die Anordnung der beiden Antennenfelder nun um eine gemeinsame Achse gedreht werden, dann kann durch Wechsel der beiden Felder insgesamt eine Anordnung zur Verfügung gestellt werden, die im gesamten skew Winkel Bereich 0° bis 90° einen regulatorisch konformen Sendbetrieb erlaubt.
Da sich z.B. auch bei schnell fliegenden Verkehrsflugzeugen der geographische skew Winkel nur langsam ändert, ist die Zeit, welche zum Umschalten von einem Antennenfeld zum anderen Antennenfeld benötigt wird, typischerweise nicht kritisch.
Da mit erfindungsgemäßen Anordnungen die Zahl der erforderlichen Primärstrahler deutlich reduziert werden kann (typischerweise um mehr als 50%), können zudem erheblich flachere und kostengünstigere Antennenfelder realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil erfindungsgemäßer Anordnungen besteht darin, dass sich der erforderliche Bauraum (Schwenkbereich) und insbesondere die erforderliche Bauraumhöhe gegenüber einfachen Antennenfeldern nicht signifikant erhöht, obwohl erfindungsgemäße Anordnungen eine deutlich verbesserte Funktionalität zur Verfügung stellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ausdehnung L_{1,horizontal,Tx} des Sendefeldes des ersten Antennenfeldes in horizontaler Richtung mindestens doppelt so groß oder größer als die Ausdehnung H_{2,vertical,Tx} des Sendefeldes des zweiten Antennenfeldes in vertikaler Richtung. Somit ist diese Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass L_{1,horizontal,Tx} > 2 H_{2,vertical,Tx}.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich die regulatorisch konformen skew Winkel Bereiche der beiden Antennenfelder derart überlappen können, dass im gesamten Skew Winkel Bereich von 0° bis 90° hohe regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichten erreicht werden können.
Wegen der einfacheren Struktur der Speisenetzwerke ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass alle vier Sub-Antennenfelder eine ebene und rechteckige Aperturfläche aufweisen. Damit können die Primärstrahler der Felder effizient gespeist werden.
Von der Rechteckform kann jedoch, insbesondere an den Ecken, auch geringfügig abgewichen werden, ohne diesen Vorteil zu verlieren. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Anzahl n₁ der Strahlelemente, welche zur Rechteckform fehlen, sehr viel kleiner ist als die Gesamtzahl N der Strahlelemente im Antennenfeld, d.h. n₁ << N. Insbesondere für aeronautische Antennensystem kann diese Abweichung von Vorteil sein, weil dort der Bauraum unter einem typischen aeronautischen Radom nur annähernd rechteckförmig ist.
Durch eine an die jeweilige regulatorische Maske adaptierte Amplitudenbelegung der Antennenfelder(z.B. cosinusförmige oder trapezförmige Amplitudenbelegung), kann die erreichbare regulatorisch erlaubte spektrale EIRP Dichte weiter erhöht werden. Dies ist beispielhaft in 3 skizziert. Nimmt die Amplitude der Primärstrahler des jeweiligen Antennenfeldes vom Rand her zu und erreicht ihr Maximum etwa in der Feldmitte und nimmt dann wieder ab, dann ergibt sich typischerweise eine Antennendiagramm, dessen Nebenkeulen relativ zum Maximum der Hauptkeule tiefer liegen, als bei homogener Amplitudenbelegung. Die hat zur Folge, dass die regulatorisch erlaubte spektrale EIRP Dichte typischerweise ansteigt. Je nach dem Verlauf der regulatorischen Maske (Envelope) sind jedoch auch andere Amplitudenbelegungen denkbar.
Die Amplitudenbelegung erfolgt dabei nach den bekannten Verfahren der entsprechenden Auslegung der Leitungsteiler der Speisenetzwerke.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen alle vier Sub-Antennenfelder eine binäre Struktur auf, oder sind aus Sub-Sub-Antennenfeldern mit binärer Struktur aufgebaut. Die binäre Struktur besteht dabei darin, dass das Sub-Antennenfeld i jeweils $2^{k_{i}},$
i aus {1,2,3,4}, mit k_i positive ganze Zahlen >1, primäre Strahlelemente enthält, oder seinerseits aus Sub-Sub-Antennenfeldern zusammengesetzt ist, welche jeweils einzeln eine binäre Struktur aufweisen.
Solche Anordnungen haben den Vorteil, dass binäre Speisenetzwerke verwendet werden können. Binäre Speisenetzwerke sind die einfachste Speisenetzwerkform für parallel geschaltete Primärstrahler. Die Parallelschaltung hat dabei den Vorteil, dass mit ihr sehr hohe instantane Bandbreiten erzielt werden können.
Für Satellitendienste, welche zirkular polarisierte Signale verwenden, ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenfelder aus zirkular polarisierten Primärstrahlern bestehen. Werden zum Senden und zum Empfang orthogonale Polarisationen verwendet, reichen dann einfache ebene Speisenetzwerke aus und es ist für jedes Sub-Antennenfeld lediglich ein Speisenetzwerk notwendig. Dies hat den Vorteil, dass eine erfindungsgemäße Antennenanordnung sehr einfach wird und kostengünstig hergestellt werden kann.
Für flache Antennenfelder ist es zudem vorteilhaft, wenn die beiden erfindungsgemäßen Antennenfelder antiparallel, Rückseite gegenüber Rückseite um eine gemeinsame Achse angeordnet sind (vgl. 4). Da dann die beiden Antennenfelder maximal voneinander entkoppelt sind, werden gegenseitige Störeinflüsse minimiert. Zudem können, wie in 4 dargestellt, im Zwischenraum zwischen den beiden Antennenfeldern zusätzlich HF-Bauteile wie LNAs (10) und HPA (11) platzsparend untergebracht werden. Es resultiert eine sehr kompakte Bauform welche parasitäre Verluste, z.B. zwischen Antennenfeld und LNA, minimiert.
Für bestimmte Anwendungen können die beiden Antennenfelder jedoch auch unter einem Winkel < 180° zueinander angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass keine Drehung um 180° zum Wechsel der Antennenfelder notwendig ist.
Wie in 5 schematisch dargestellt, ist in einer weiteren Ausführungsform eine erfindungsgemäße Anordnung auf der Elevationsachse (12) eines Zwei-Achsen Positionierungssystems angebracht. Dies hat den Vorteil, dass beide Antennenfelder (1), (2) alternativ auf einen Zielsatelliten gerichtet werden können. Das Umschalten vom einen Antennenfeld zum anderen erfordert lediglich eine Drehung um die Elevationsachse um 180° bei antiparalleler, bzw. < 180° bei dreieckiger Anordnung.
Sind die beiden Antennenfelder (1), (2) antiparallel oder in einem bestimmten Winkel zueinander angebracht, dann ist eine Ausführungsform denkbar, bei der zwei LNAs und ein HPA zwischen den beiden Feldern montiert sind. Dabei ist jeweils ein LNA direkt mit einem Antennenfeld verbunden. Der HPA verfügt an seinem Ausgang über eine Hohlleiterweiche, welche so gesteuert werden kann, dass das HPA-Ausgangssignal entweder in das Sendefeld (4) der ersten Antennenfeldes (1) oder in das Sendefeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) eingespeist werden kann. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass nur ein HPA für beide Antennefelder benötigt wird.
Verfügt der HPA über einen integrierten up-converter, der das typischerweise im L-Band liegende Ausgangssignal eines Satellitenmodems auf die Sendefrequenz konvertiert, und verfügen die LNAs über integrierte down-converter (sog. LNBs), welche das Empfangssignal auf die intermediäre Frequenz (IF-Frequenz, typischerweise im L-Band) konvertieren, dann kann eine äußerst kompakte und kostengünstige Anordnung realisiert werden. Das Eingangs- und das Ausgangssignal der Antenne liegen dann bereits in der für typische Satellitenmodems direkt verarbeitbaren Form vor.
Zudem lassen sich die Signale kostengünstig über weite Strecken transportieren, was insbesondere für Ka-Band Signale nicht möglich ist.
Eine solche Anordnung löst zudem das Problem, insbesondere das Sendesignal möglichst verlustfrei auf die Elevationsachse eines Positionierungssystems zu leiten. Da sich die Antenne im Betrieb um die Elevationsachse dreht, sind hierzu gegenwärtig teure und mit hohen Verlusten behaftete flexible Koaxialkabel im Einsatz. Mit der beschriebenen Anordnung müssen jedoch lediglich L-Band Signale zur Elevationsachse geleitet werden und Verluste spielen im Prinzip keine Rolle, weil L-Band Signale sehr kostengünstig und einfach verstärkt werden können. Für Ku-Band oder gar Ka-Band Signale trifft dies nicht zu.
Ist eine Erfindungsgemäße Anordnung wie in 5 dargestellt auf der Elevationsachse (12)eines Positionierungssystems angebracht, dann kann es zudem vorteilhaft sein, das Sendesignal und das Empfangssignal nicht durch flexible Hochfrequenzkabel auf die Elevationsachse zu leiten, sondern in den mechanischen Trägern der Achse Hochfrequenz-Drehdurchführungen (13) vorzusehen. Werden diese Drehdurchführungen zentriert um die Elevationsachse (12)angebracht, wie in 5 schematisch dargestellt, dann können Verluste minimiert werden, weil dann keine flexiblen Kabel mehr notwendig sind.
Da die Elevationsachse typischerweise über zwei mechanische Träger (14) verfügt (am einen und am anderen Ende der Antenne), ist eine vorteilhafte Ausführungsform denkbar, bei der in jeden Träger (14) eine einkanalige Drehdurchführung (13) um die Achse zentriert vorgesehen ist. Dann kann durch die eine Drehdurchführung das Sendesignal und durch die andere das Empfangssignal geleitet werden.
In 7 ist ein beispielhafter Verlauf der maximalen regulatorisch erlaubten spektralen EIRP Dichte einer erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend der Norm 47 CFR 25.138 dargestellt. Das Antennenfeld (1) (durchgezogene Linie) erreicht wegen seiner größeren Ausdehnung in horizontaler Richtung zwischen ca. 15° geographischem skew und ca. 75° geographischem skew eine höhere spektrale EIRP Leistungsdichte als das Antennenfeld (2). Das Antennenfeld (2) (gestrichelte Linie) hingegen erreicht in den Bereich 0° bis 15° und 75° bis 90°, also genau dort wo die spektrale EIRP Dichte des Antennenfeldes (1) sehr stark abfällt, eine höhere spektrale EIRP Leistungsdichte als das Antennenfeld (2). Sind nun die beiden Felder erfindungsgemäß angeordnet, dann kann jeweils dasjenige Antennenfeld verwendet werden, das die jeweils höhere spektrale EIRP Leistungsdichte erreicht.
Je nach den Erfordernissen des Satellitendienstes, für den die Antenne verwendet werden soll, kann durch entsprechende Auslegung der beiden Antennenfelder somit erreicht werden, dass die spektrale EIRP Leistungsdichte in keinem Bereich des geographischen skew Winkels unter den Wert abfällt, der zur Aufrechterhaltung der Satellitenverbindung erforderlich ist.
Die Auslegung der beiden Felder erfolgt dabei entsprechend der bekannten Verfahren zur Ermittlung des Antennengewinns von Antennenfeldern (vgl. z.B. J.D. Kraus und R.J. Marhefka, „Antennas: for all applications“, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002).
In einer nicht dargestellten, weiteren Ausführungsform ist das Antennenfeld (2) derart ausgelegt, dass das Empfangsbandfeld (5) und das Sendebandfeld (6) für andere Frequenzbänder ausgelegt sind als das Empfangsbandfeld (3) und das Sendebandfeld (4) des Antennenfeldes (1). Dadurch entsteht eine Dualband-Antenne, mit der das skew Problem ebenfalls gelöst werden kann. Insbesondere bei aeronautischen Anwendungen treten nämlich große skew Winkel insbesondere bei äquatornahen Flugrouten über unbewohnten Gebieten (typischerweise über Ozeanen) auf. Dort ist jedoch auch die Satellitendichte auf dem Clarke-Orbit typischerweise gering und es kann vorkommen, dass z.B. kein Ka-Band Satellit sich in der Reichweite der Antenne befindet, sondern nur ein Ku-Band Satellit. Ist eine erfindungsgemäße Antenne dann so ausgelegt, dass das Antennenfeld (1) z.B. auf das Sende- und das Empfangsband im Ka-band, und das Antennenfeld (2) auf das Sende- und das Empfangsband im Ku-Band, ausgelegt sind, dann kann durch Wechsel der Antennenfelder wie oben beschrieben eine Datenverbindung trotzdem faktisch ununterbrochen gewährleistet werden.
Auch die Kombination von L-band mit Ku-band oder Ka-Band bzw. die Kombination von anderen Bändern ist möglich.
Besonders vorteilhaft ist hier wiederum auch die Ausführungsform, bei der die den verschiedenen Sendebändern entsprechenden HPAs bzw. block-up converter zwischen den beiden Antennenfeldern (vgl. 4) angebracht sind. Da das IF-Signal typischerweise nicht von der Trägerfrequenz des Sendesignals abhängt, lassen sich so sehr kompakte und kostengünstige Antennen realisieren.
Eine Weiterentwicklung der Anordnung des Anspruch 1 kann darüber hinaus dadurch entstehen, dass die primären Strahlelemente der beiden Antennenfelder bezüglich einer Richtung, welche nicht der Richtung einer der beiden Achsen entsprechen muss, dicht angeordnet sind. D.h. dass die Strahlzentren der Elemente entlang mindestens einer Richtung weniger als die Wellenlänge λ_c der höchsten Sendefrequenz voneinander entfernt sind. Bezüglich dieser Richtung ist das Antennendiagramm dann frei von grating-lobes. Die Richtung kann dabei einem bestimmten geographischen skew Winkel entsprechen, bei dem das jeweilige Antennenfeld besonders gut funktionieren soll. Die Empfangsbandfelder können dann beliebig um das entsprechende Sendebandfeld angeordnet werden. Auch können für entsprechende Anwendungen wenn Sende- und Empfangsband nicht zu weit auseinander liegen die Sendeband-Strahlelemente auch zum Empfang verwendet werden, da das Antennendiagramm der Empfangsbandfelder dann entlang der jeweiligen Richtung ebenfalls grating-lobe frei ist, wenn die jeweilige Empfangsbandfrequenz tiefer liegt als die jeweilige Sendebandfrequenz. Auf diese Weise lassen sich auch kompakte und kostengünstige Dualband-Antennen mit sehr großer skew Winkel Abdeckung realisieren.

Claims

Antenne zur Breitband-Satellitenkommunikation, bestehend aus zwei Antennenfeldern (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtungen (7, 8) so angeordnet sind, dass sich die beiden Antennenfelder (1, 2) nicht vollständig gegenseitig abschatten, jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) aus einem Feld (3, 5) gebildet aus primären Strahlelementen, die für das jeweilige Empfangsband ausgelegt sind, und einem Feld (4, 6) gebildet aus Strahlelementen, die für das jeweilige Sendeband ausgelegt sind, besteht, für das erste Antennenfeld (1) das Sendebandfeld (4) und das Empfangsbandfeld (3) in vertikaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind, für das zweite Antennenfeld (2) das Sendebandfeld (6) und das Empfangsbandfeld (5) in horizontaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind, die maximale Ausdehnung des Sendebandfeldes (4) des ersten Antennenfeldes (1) in horizontaler Richtung größer ist als die maximale Ausdehnung des Sendebandfeldes (6) des zweiten Antennenfeldes (2) in vertikaler Richtung, für das Sendebandfeld (4) des ersten Antennenfeldes (1) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der horizontalen Achse kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz ist, für das Sendebandfeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang der vertikalen Achse kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz ist, und die beiden Antennenfelder (1, 2) mechanisch derart verbunden sind, dass sie sich um eine gemeinsame Achse (9) drehen können und die Hauptstrahlrichtung (7, 8) jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) senkrecht zu dieser Achse liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Sendebandfeldes (4) des ersten Antennenfeldes (1) in horizontaler Richtung mindestens doppelt so groß oder größer ist als die Ausdehnung des Sendebandfeldes (6) des zweiten Antennenfeldes (2) in vertikaler Richtung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) derart aufgebaut sind, dass alle ihre Sende- und Empfangsbandfelder (3, 4, 5, 6) eine ebene und rechteckige oder eine annähernd ebene und rechteckige Aperturfläche aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder mehrere Sendebandfelder und/oder Empfangsbandfelder (3, 4, 5, 6) der beiden Antennenfelder (1, 2) eine nicht-homogene Amplitudenbelegung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsantennenfelder (3, 4, 5, 6) eine binäre Struktur aufweisen, oder ihrerseits aus Unter-Antennenfeldern mit binärer Struktur aufgebaut sind, so dass jedes Antennenfeld i jeweils $2^{k_{i}},$
i aus {1,2,3,4}, mit k_i positive ganze Zahlen >1, primäre Strahlelemente enthält, oder seinerseits aus Antennenfeldern zusammengesetzt ist, welche jeweils einzeln eine binäre Struktur aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenfelder (1, 2) aus zirkular polarisierten Primärstrahlern bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) antiparallel, Rückseite gegenüber Rückseite, um eine gemeinsame Achse angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) unter einem bestimmten Winkel um eine gemeinsame Achse (9) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne auf der Elevationsachse eines Zwei-Achsen Positionierungssystems angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Antennenfeldern (1, 2) zusätzliche aktive Hochfrequenzmodule (10, 11) wie etwa Verstärker angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Antennenfeld (2) derart ausgelegt ist, dass das Empfangsbandfeld (5) und das Sendebandfeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) für andere Frequenzbänder ausgelegt sind als das Empfangsbandfeld (3) und das Sendebandfeld (4) des ersten Antennenfeldes (1).
Antenne zur Breitband-Satellitenkommunikation, bestehend aus zwei Antennenfeldern (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenfelder (1, 2) bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtungen (7, 8) so angeordnet sind, dass sich die beiden Antennenfelder (1, 2) nicht gegenseitig abschatten, jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) aus mindestens einem Feld (4, 6) gebildet aus primären Strahlelementen, die für das jeweilige Sendeband ausgelegt sind, besteht, für das Sendebandfeld (4) des ersten Antennenfeldes (1) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang mindestens einer Richtung kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz des ersten Antennenfeldes (1) ist, für das Sendebandfeld (6) des zweiten Antennenfeldes (2) die Strahlzentren der Primärstrahler so angeordnet sind, dass ihr jeweiliger Abstand entlang mindestens einer Richtung kleiner als die Wellenlänge der maximalen Sendefrequenz des zweiten Antennenfeldes (2) ist, und die beiden Antennenfelder (1, 2) mechanisch derart verbunden sind, dass sie sich um eine gemeinsame Achse (9) drehen können und die Hauptstrahlrichtung (7, 8) jedes der beiden Antennenfelder (1, 2) senkrecht zu dieser Achse liegt.