DE102012013129A1 - Broadband-antenna system for communication between mobile carriers and satellites for aeronautical applications, has radiators designed such that centers of beam elements lie at distance smaller than wavelength of transmission frequency - Google Patents

Broadband-antenna system for communication between mobile carriers and satellites for aeronautical applications, has radiators designed such that centers of beam elements lie at distance smaller than wavelength of transmission frequency Download PDF

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Michael Wenzel
Michael Seifried
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Abstract

The system has an antenna field (1) comprising single radiators (2) with beam elements (3, 4) that are fed independent of each other. The beam elements assist polarizations and are configured on transmission and receiving bands, respectively. A supply network (5) is designed such that hyperbole amplitude allocation is produced, and another supply network (6) is designed such that parabole amplitude allocation is produced. The radiators are designed such that phase centers of the beam elements lie at a distance smaller than wavelength (lambdac) of maximum transmission frequency. The radiators are designed as dielectric filled horn radiators or quad-ridged horn radiators.

Description

Die Erfindung betrifft ein Breitband-Antennensystem zur Kommunikation zwischen mobilen Trägern und Satelliten, insbesondere für aeronautische Anwendungen.The invention relates to a broadband antenna system for communication between mobile carriers and satellites, in particular for aeronautical applications.

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.The demand for wireless broadband data transmission channels with very high data rates, especially in the field of mobile satellite communications, is steadily increasing. However, especially in the aeronautical field, there is a lack of suitable antennas, which in particular can fulfill the conditions required for mobile use, such as small dimensions and low weight. For directional, wireless data communication with satellites (eg in the Ku or Ka band), there are also extreme requirements on the transmission characteristics of the antenna systems, since interference with neighboring satellites must be reliably excluded.

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.In aeronautical applications, the weight and size of the antenna system is of great importance, as it reduces the payload of the aircraft and causes additional operating costs.

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.The problem therefore is to provide antenna systems that are as small and lightweight as possible, which nevertheless satisfy the regulatory requirements for transmitting and receiving operation when operating on mobile carriers.

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. 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.The regulatory requirements for the transmission operation arise z. B. from the Standards 47 CFR 25.209 . 47 CFR 25.222 . 47 CFR 25.138 . ITU-R M.1643 . ITU-R p.524-7 . ETSI EN 302 186 or ETSI EN 301 459 , All these regulatory provisions are intended to ensure that no interference of adjacent satellites can occur in the directional transmission mode of a mobile satellite antenna. For this purpose, envelopes (envelopes or masks) of maximum spectral power density are typically defined as a function of the distance angle to the target satellite. The values specified for a certain distance angle must not be exceeded in the transmission mode of the antenna system. This leads to stringent requirements for the angle-dependent antenna characteristic. As the distance from the target satellite increases, the antenna gain must drop sharply. This can be achieved physically only by very homogeneous amplitude and phase assignments of the antenna. Typically, therefore, parabolic antennas are used which have these properties.

Bei Parabolantennen („Parabolspiegeln”) tritt jedoch bei sehr kleinen Abmessungen das Problem auf, dass die Breite des Hauptstrahls sehr groß wird. Es ist bekannt, dass bei gegebener Wellenlänge der zu sendenden oder zu empfangenden elektromagentischen Wellen die Breite des Hauptstrahls proportional zum effektiven Durchmesser eines Parabolspiegels ist (z. B. J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ).With parabolic antennas ("parabolic mirrors"), however, the problem arises at very small dimensions that the width of the main beam is very large. It is known that for a given wavelength of the electromagnetic waves to be transmitted or received, the width of the principal ray is proportional to the effective diameter of a parabolic mirror (eg. JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ).

Mit zunehmender Breite des Hauptstrahls steigt jedoch die elektromagnetische Leistung, die von den dem Zielsatelliten benachbarten Satelliten von der Antenne empfangen wird (Störsignal). Diese Leistung überlagert sich mit der Leistung, welche vom Zielsatelliten empfangen wird (Nutzsignal) und es kommt zu unerwünschter destruktiver Interferenz. Das Signal zu Rausch Verhältnis des Nutzsignals sinkt, da das Störsignal im Allgemeinen wie zusätzliches Rauschen wirkt.However, with increasing width of the main beam, the electromagnetic power received by the satellite adjacent to the target satellite from the antenna increases (noise). This power is superimposed on the power received from the target satellite (payload) and undesirable destructive interference occurs. The signal-to-noise ratio of the wanted signal decreases because the noise generally acts like additional noise.

Liegt der Durchmesser des Parabolspiegels zum Beispiel bei etwa 10 Wellenlängen der Empfangsfrequenz (z. B. im Ku-Band ca. 25 cm), dann ist der Hauptstrahl für typische Parabolspiegel bereits so breit, dass der Antennengewinn in Richtung eines vom Zielsatelliten 2° auf dem geostationären Orbit entfernten, benachbarten Satelliten nur um etwa 1 dB geringer ist als der Antennengewinn in Richtung des Zielsatelliten.If the diameter of the parabolic mirror, for example, at about 10 wavelengths of the reception frequency (eg in Ku-band about 25 cm), then the main beam for typical parabolic mirror is already so broad that the antenna gain in the direction of one of the target satellite 2 ° remote geostationary orbit is only about 1 dB lower than the antenna gain towards the target satellite.

Sendet der benachbarte Satellit nun auf der Nutzfrequenz, was typischerweise der Fall ist, dann kann das Signal zu Rausch Verhältnis des Nutzsignals bis auf 1 dB absinken. Bei zwei solchen direkt benachbarten Satelliten wird das Signal zu Rausch Verhältnis des Nutzsignals negativ und ein Empfang des Nutzsignals ist typischerweise nicht mehr möglich.If the neighboring satellite is now transmitting at the useful frequency, which is typically the case, then the signal-to-noise ratio of the useful signal can drop to 1 dB. In the case of two such directly adjacent satellites, the signal-to-noise ratio of the useful signal becomes negative and reception of the useful signal is typically no longer possible.

Auch wenn die abgestrahlte Leistung (EIRP) des benachbarten Satelliten nur geringfügig (>1 dBW) größer ist als die abgestrahlte Leistung des Zielsatelliten ist typischerweise kein Empfang des Nutzsignals mehr möglich, wenn die Antenne sehr klein ist.Even if the radiated power (EIRP) of the neighboring satellite is only slightly (> 1 dBW) larger than the radiated power of the target satellite, it is typically no longer possible to receive the wanted signal if the antenna is very small.

Da die Amplitudenbelegung von Parabolspiegeln nur in sehr engen Grenzen variiert werden kann, kann dieses Problem mit solchen Antennen prinzipiell nicht gelöst werden.Since the amplitude occupancy of parabolic mirrors can be varied only within very narrow limits, this problem can not be solved with such antennas in principle.

Demgegenüber ist bekannt, dass geeignete hyperbole Amplitudenbelegungen bei gegebener Größe einer Antennenapertur zu einer Verringerung der Breite des Hauptstrahls führen können (z. B. J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ). Konstruktionsgemäß ist eine hyperbole Amplitudenbelegung eines Parabolspiegels allerdings nicht möglich.In contrast, it is known that suitable hyperbolic amplitude assignments for a given size of an antenna aperture can lead to a reduction in the width of the main beam (eg. JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ). However, according to the design, a hyperbolic amplitude occupancy of a parabolic mirror is not possible.

Antennenfelder, welche aus Einzelstrahlern aufgebaut sind und über geeignete Speisenetzwerke verfügen, können hingegen mit einer hyperbolen Amplitudenbelegung versehen werden indem die Leistungsteiler der Speisenetzwerke geeignet gewählt werden. Antenna fields, which are constructed of individual radiators and have suitable feed networks, however, can be provided with a hyperbolic amplitude occupancy by the power divider of the feed networks are selected appropriately.

Hier tritt dann allerdings das Problem auf, dass bei hyperbolen Amplitudenbelegungen der Antennengewinn der Nebenkeulen zwingend ansteigt und damit ein regulatorisch konformer Sendebetrieb nicht mehr oder nur auf Kosten sehr großen Bandbreitenkonsums (Frequenzspreizung) möglich ist.Here then, however, the problem arises that for hyperbolic amplitude assignments of the antenna gain of the sidelobes necessarily increases and thus a regulatory compliant transmission operation is no longer possible or only at the expense of very large bandwidth consumption (frequency spread).

Ein im Sendebetrieb regulatorisch konformes Antennendiagramm kann nur mit parabolen Amplitudenbelegungen erreicht werden, wenn die spektrale Effizienz im Sendbetrieb nicht zu stark abfallen soll.An antenna pattern that is compliant in the transmission mode can only be achieved with parabolic amplitude assignments if the spectral efficiency in transmission mode should not drop too much.

Bei Antennenfeldern tritt zudem 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.In the case of antenna fields, the known problem of the so-called "grating lobes" also occurs. Grating lobes are significant parasitic side lobes, which arise from the fact that the beam centers (phase centers) of the antenna elements that make up the antenna field, due to the design have to have a certain distance from each other. This leads at certain beam angles to the positive interference of the antenna radiators and thus to the unwanted emission of electromagnetic power in unwanted solid angle ranges. From the theory of two-dimensional antenna fields (eg JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ) shows that significant parasitic grating lobes do not occur only if the beam centers of the antenna array are less than a wavelength of the minimum useful wavelength of each other.

Damit ergeben sich folgende Problemstellungen für mobile, insbesondere aeronautische Satellitenantennen geringer Größe, die simultan gelöst werden müssen:

  • 1. regulatorisch konformes, „grating lobe” freies Antennendiagramm im Sendefrequenzband das den Betrieb der Antenne mit maximaler spektraler Leistungsdichte erlaubt,
  • 2. möglichst geringe Breite des Hauptstrahls im Empfangsbetrieb bei gleichzeitig möglichst kleinem Antennengewinn der Nebenkeulen des Antennendiagramms.
This results in the following problems for mobile, in particular aeronautical satellite antennas of small size, which must be solved simultaneously:
  • 1. regulatory compliant, "grating lobe" free antenna pattern in the transmit frequency band that allows operation of the antenna with maximum spectral power density,
  • 2. The smallest possible width of the main beam in the receiving mode at the same time the smallest possible antenna gain of the side lobes of the antenna pattern.

Werden diese beiden Probleme durch eine geeignete Anordnung simultan gelöst, dann kann auch dann, wenn nur ein begrenzter Bauraum für eine kleine Antenne zur Verfügung steht, ein optimal leistungsfähiges System zur Verfügung gestellt werden.If these two problems are solved simultaneously by a suitable arrangement, then even if only a limited installation space for a small antenna is available, an optimally efficient system can be made available.

Insbesondere im aeronautischen Bereich ist dies z. B. bei sogenannten „tail-mounted” Antennen der Fall. Diese Antennensysteme sind im Seitenruder (typischerweise an der Spitze des Seitenruders) von Flugzeugen untergebracht. Die aerodynamische Umhüllung der Antenne (Radom) folgt dabei der Kontur des Seitenruders. Dies bedingt, dass nur ein sehr kleiner Bauraum von typischerweise ca. 30 cm im Durchmesser zur Verfügung steht.In particular, in the aeronautical area this z. As in so-called "tail-mounted" antennas of the case. These antenna systems are housed in the rudder (typically at the top of the rudder) of aircraft. The aerodynamic envelope of the antenna (Radom) follows the contour of the rudder. This requires that only a very small space of typically about 30 cm in diameter is available.

In allen bekannten Anwendungen werden hier zurzeit kreisförmige Parabolspiegel mit einem maximalen Durchmesser von ca. 30 cm eingesetzt. Um solche Antennen regulatorisch konform betreiben zu können, müssen jedoch spezielle Frequenzspreizungsverfahren eingesetzt werden, da ansonsten die Verbindung mit einem geostationären Satelliten typischerweise nicht hergestellt werden kann. Zudem müssen wegen des oben beschriebenen Problems der Störsignale von Nachbarsatelliten („Adjacent Satellite Interference” (ASI)) spezielle Kodierungsverfahren und Wellenformen eingesetzt werden. Dies macht den Betrieb solcher Antennen in einem Satellitendienst sehr ineffizient und wegen des hohen Bandbreitenkonsums auch sehr teuer. Preisgünstige Standardverfahren der Satellitenkommunikation wie z. B. DVBS-2 können nicht verwendet werden.In all known applications circular parabolic mirrors are currently used here with a maximum diameter of about 30 cm. However, in order to be able to operate such antennas in a regulatory manner, special frequency spreading methods must be used, since otherwise the connection to a geostationary satellite can not typically be established. In addition, due to the above-described problem of adjacent satellite interference (ASI), special coding techniques and waveforms have to be used. This makes the operation of such antennas in a satellite service very inefficient and also very expensive because of the high bandwidth consumption. Inexpensive standard methods of satellite communication such. Eg DVBS-2 can not be used.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, dass mit Antennen welche als Felder von Einzelstrahlern ausgelegt sind, grating-lobe freie Antennendiagramme dann erzielt werden können, wenn die Phasenzentren der Einzelstrahler weniger als eine Wellenlänge der maximalen Nutzfrequenz auseinander liegen. Zudem ist bekannt, dass durch parabole Amplitudenbelegungen solcher Antennenfelder die Nebenkeulen des Antennendiagrams unterdrückt werden können (z. B. J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ). Durch spezielle Amplitudenbelegungen kann ein bei gegebener Antennengröße optimal an die regulatorische Maske angepasstes Antennendiagramm erzielt werden (z. B. DE 10 2010 019 081 A1 ; Seifried, Wenzel et. al.). Weiterhin ist bekannt, dass durch hyperbole Amplitudenbelegungen die Breite des Haupstrahls eines Antennendiagrams vermindert werden kann (z. B. J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ).It is known that with antennas which are designed as fields of individual emitters, grating-free free antenna diagrams can be achieved if the phase centers of the individual emitters are less than one wavelength of the maximum useful frequency. In addition, it is known that the side lobes of the antenna diagram can be suppressed by parabolic amplitude assignments of such antenna fields (eg. JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ). Due to special amplitude assignments, an antenna pattern which is optimally adapted to the regulatory mask for a given antenna size can be achieved (eg. DE 10 2010 019 081 A1 ; Seifried, Wenzel et. al.). Furthermore, it is known that the width of the main beam of an antenna diagram can be reduced by hyperbolic amplitude assignments (eg. JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ).

Zeichnungendrawings

1 stellt beispielhaft den erfindungsgemäßen Aufbau eines Antennenfeldes schematisch dar. 1 exemplifies the structure of an antenna array according to the invention schematically.

2 zeigt schematisch eine hyperbole und eine parabole Amplitudenbelegung des Antennenfeldes. 2 schematically shows a hyperbolic and a parabolic amplitude assignment of the antenna field.

3 zeigt beispielhaft ein rechteckiges Antennenfeld von dual-polarisierten Einzelstrahlern. 3 shows an example of a rectangular antenna array of dual-polarized individual radiators.

4 zeigt beispielhaft ein Antennenfeld von dual-polarisierten Einzelstrahlern rechteckiger Geometrie. 4 shows an example of an antenna array of dual-polarized individual radiators rectangular geometry.

5 zeigt schematisch ein Antennenfeld mit extrem hyperboler Amplitudenbelegung sowie das zugehörige Speisenetzwerk. 5 schematically shows an antenna field with extremely hyperbolic amplitude assignment and the associated feed network.

6 zeigt den beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes in Mehr-Lagen-Technologie. 6 shows the exemplary structure of an antenna array according to the invention in multi-layer technology.

7 zeigt den beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Antennenfeldes in Mehr-Lagen-Technologie, das mit einem Polarisator ausgestattet ist. 7 shows the exemplary structure of an antenna array according to the invention in multi-layer technology, which is equipped with a polarizer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein breitbandiges Antennensystem, insbesondere für aeronautische Anwendungen zur Verfügung zu stellen, das bei minimalen Dimensionen einen regulatorisch konformen Sendebetrieb mit maximaler spektraler Leistungsdichte erlaubt und gleichzeitig im Empfangsbetrieb die Störsignale aus unerwünschten Raumwinkelbereichen minimiert.The object of the invention is to provide a broadband antenna system, in particular for aeronautical applications available that allows a minimum size regulatory compliant transmission mode with maximum spectral power density while minimizing the interference signals from unwanted solid angle ranges in the receive mode.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst.This object is achieved with the invention.

Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus einem Antennenfeld (1) von Einzelstrahlern (2) wobei jeder Einzelstrahler über mindestens zwei Strahlelemente (3), (4) verfügt, welche unabhängig voneinander gespeist werden können, und jeder Einzelstrahler damit zwei unabhängige orthogonale Polarisationen unterstützen kann.The antenna according to the invention consists of an antenna field ( 1 ) of individual radiators ( 2 ) each individual emitter via at least two radiating elements ( 3 ) 4 ), which can be fed independently, and each single emitter can thus support two independent orthogonal polarizations.

Die Einzelstrahler sind dabei derart ausgelegt, dass das eine der mindestens zwei Strahlelemente die eine der beiden Polarisationen unterstützt und auf das Sendeband der Antenne ausgelegt ist und das andere der mindestens zwei Strahlelemente die andere der beiden Polarisationen unterstützt und auf das Empfangsband der Antenne ausgelegt ist.The individual radiators are designed such that one of the at least two radiating elements which supports one of the two polarizations and is designed for the transmission band of the antenna and the other of the at least two radiating elements supports the other of the two polarizations and is designed for the reception band of the antenna.

Alle Strahlelemente, welche auf das Empfangsband ausgelegt sind, sind durch ein erstes Speisenetzwerk (5) miteinander verbunden und alle Strahlelemente, welche für das Sendeband ausgelegt sind, sind durch ein zweites Speisenetzwerk (6) miteinander verbunden und beide Speisenetzwerke sind voneinander entkoppelt.All radiating elements which are laid out on the receiving band are connected by a first feed network ( 5 ) and all the radiation elements which are designed for the transmission band are connected by a second feed network ( 6 ) and both feed networks are decoupled from each other.

Das erste Speisenetzwerk ist dabei derart ausgelegt, dass eine hyperbole Amplitudenbelegung (7) erzeugt wird, so dass die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler zur Gesamtleistung entlang mindestens einer geraden Linie durch das Antennenfeld vom Rand des Antennenfeldes zur Mitte des Antennenfeldes hin derart voneinander verschieden sind, dass die Leistungsbeiträge der am Rand liegenden Einzelstrahler größer sind als die Leitungsbeiträge der in der Mitte liegenden Einzelstrahler.The first feed network is designed such that a hyperbolic amplitude assignment ( 7 ) is generated, so that the power contributions of the individual radiators to the total power along at least one straight line through the antenna array from the edge of the antenna array to the center of the antenna array are different from each other such that the power contributions of the peripheral individual radiators are greater than the line contributions of in the Center single radiator.

Das zweite Speisenetzwerk ist dabei derart ausgelegt, dass eine parabole Amplitudenbelegung (8) erzeugt wird, so dass die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler zur Gesamtleistung entlang mindestens einer geraden Linie durch das Antennenfeld vom Rand des Antennenfeldes zur Mitte des Antennenfeldes hin derart voneinander verschieden sind, dass die Leistungsbeiträge der am Rand liegenden Einzelstrahler kleiner sind als die Leitungsbeiträge der in der Mitte liegenden Einzelstrahler.The second feed network is designed such that a parabolic amplitude assignment ( 8th ) is generated, so that the power contributions of the individual radiators to the total power along at least one straight line through the antenna array from the edge of the antenna array to the center of the antenna field are different from each other such that the power contributions of the peripheral individual radiators are smaller than the line contributions in the Center single radiator.

Wobei das Antennenfeld derart aufgebaut ist, dass die Phasenzentren der Strahlelemente, welche auf das Empfangsband ausgelegt sind entlang mindestens eines Schnittes durch das Antennenfeld kleiner als die Wellenlänge λc der maximalen Sendefrequenz voneinander entfernt liegen.Wherein the antenna field is constructed such that the phase centers of the beam elements, which are designed on the receiving band along at least one section through the antenna field are smaller than the wavelength λ c of the maximum transmission frequency away from each other.

Wie in 1 schematisch dargestellt, besteht eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Feld von Einzelstrahlern (2), wobei jeder Einzelstrahler jeweils zwei Strahlelemente (3) und (4) besitzt. Die Strahlelemente unterstützen dabei zwei verschiedene Polarisationen, welche orthogonal zueinander sind. Die Einzelstrahler können dabei z. B. als Hornantennen, Patchantennen, orthogonale Dipolantennen, Kreuzdipole, etc. ausgebildet sein. Auch Ausführungsformen, bei denen die Einzelstrahler zwei orthogonale zirkulare Polarisationen unterstützen sind denkbar.As in 1 schematically illustrated, an arrangement according to the invention consists of a field of individual radiators ( 2 ), each individual emitter in each case two beam elements ( 3 ) and ( 4 ) owns. The beam elements support two different polarizations, which are orthogonal to each other. The individual emitters can z. B. as horn antennas, patch antennas, orthogonal dipole antennas, cross dipoles, etc. may be formed. Embodiments in which the individual radiators support two orthogonal circular polarizations are also conceivable.

Eine räumliche Trennung der beiden Strahlelemente eines Einzelstrahlers ist nicht zwingend erforderlich, solange die beiden Polarisationen genügend entkoppelt sind und unabhängig voneinander gespeist werden können (wie z. B. bei dual-polarisierten Patchantennen).A spatial separation of the two beam elements of a single radiator is not absolutely necessary as long as the two polarizations are sufficiently decoupled and can be fed independently of each other (as in the case of dual-polarized patch antennas, for example).

Damit mit der Antenne gesendet und empfangen werden kann, ist jeweils ein Strahlelement eines Einzelstrahlers für das Empfangsband und das andere Strahlelement für das Sendeband ausgelegt. Dies ermöglicht eine Anwendung auch dann, wenn Sende- und Empfangsband frequenzmäßig weit auseinander liegen, wie z. B. im konventionellen Ku-band, wo das Sendeband bei ca. 14 GHz und das Empfangsband bei ca. 11 GHz liegt.In order to be able to be transmitted and received with the antenna, in each case one beam element of a single radiator for the reception band and the other radiation element for the transmission band are designed. This allows an application even if the transmitting and receiving band are far apart in frequency, such. B. in the conventional Ku-band, where the transmission band is at about 14 GHz and the receiving band at about 11 GHz.

Die Einzelstrahler können jedoch auch noch weitere co-polare Strahlelemente besitzen. So ist zum Beispiel denkbar, dass ein weiteres Strahlelement hinzugefügt wird, dass eine zu dem Strahlelement, dass für das Sendeband ausgelegt ist, co-polare Polarisation erzeugt, aber auf das Empfangsband ausgelegt ist. Mit einer solchen Anordnung können dann zwei orthogonale lineare polarisierte Signale empfangen werden, während weiterhin auf einer der beiden orthogonalen Polarisationen simultan gesendet werden kann.However, the individual radiators can also have other co-polar radiating elements. For example, it is conceivable to add another beam element such that one generates co-polar polarization with respect to the beam element designed for the transmission band, but on the other Receiving band is designed. With such an arrangement, two orthogonal linear polarized signals can then be received, while still being able to be transmitted simultaneously on one of the two orthogonal polarizations.

Auch eine Anordnung bei der jeder Einzelstrahler mit vier Strahlelementen ausgestattet ist, ist denkbar. Die Strahlelemente sind dann beispielsweise paarweise co-polar und paarweise orthogonal zueinander angeordnet (d. h. z. B. sternförmig mit jeweils 90° Winkelabstand). Zwei der orthogonalen Elemente sind dabei auf das Sendeband, die anderen zwei orthogonalen Elemente auf das Empfangsband ausgelegt. Mit einer solchen Anordnung können zwei orthogonal polarisierte Signale empfangen und gleichzeitig zwei orthogonale polarisierte Signale gesendet werden.Also, an arrangement in which each individual radiator is equipped with four radiating elements is conceivable. The radiating elements are then, for example, co-polar in pairs and arranged in pairs orthogonal to one another (that is to say, for example, in a star shape with an angular spacing of 90 ° in each case). Two of the orthogonal elements are designed for the transmission band, the other two orthogonal elements for the reception band. With such an arrangement, two orthogonally polarized signals can be received and simultaneously two orthogonal polarized signals can be transmitted.

Alle Strahlelemente, welche für das Empfangsband ausgelegt sind und damit auch ein und dieselbe Polarisation unterstützen, werden durch ein Speisenetzwerk verbunden. Ebenso werden alle Strahlelemente, welche für das Sendeband ausgelegt sind, durch ein separates Speisenetzwerk verbunden. Die Speisenetzwerke können dabei als serielle oder parallele Netzwerke ausgelegt werden. Auch eine Kombination ist möglich.All the radiating elements which are designed for the receiving band and thus also support one and the same polarization are connected by a feed network. Likewise, all the beam elements which are designed for the transmission band are connected by a separate feed network. The feed networks can be designed as serial or parallel networks. A combination is possible.

Die Verwendung von zwei getrennten Speisenetzwerken für das Sendeband und das Empfangsband und die Verwendung unterschiedlicher Polarisationen im Sende- und im Empfangsbetrieb ermöglich es nun, das Antennenfeld für das Sendeband und für das Empfangsband unterschiedlich zu belegen.The use of two separate feed networks for the transmit band and the receive band and the use of different polarizations in transmit and receive mode now makes it possible to occupy the antenna field differently for the transmit band and for the receive band.

Für den Sendebetrieb wird die hier optimale parabole Amplitudenbelegung verwendet, weil diese eine maximale regulatorisch konforme spektrale Leistungsdichte erlaubt. Im Sendeband werden die Nebenkeulen des Antennendiagramms durch die parabole Amplitudenbelegung effizient unterdrückt.For transmission, the optimal parabolic amplitude assignment is used here, because this allows a maximum regulatory power spectral density. In the transmission band, the side lobes of the antenna diagram are efficiently suppressed by the parabolic amplitude assignment.

Im Empfangsbetrieb hingegen wird eine hyperbole Amplitudenbelegung verwendet. Hierdurch wird die Breite der Hauptkeule stark vermindert und es werden damit, insbesondere bei sehr kleinen Aperturflächen, die Störsignale benachbarter Satelliten stark abgeschwächt.In reception mode, however, a hyperbolic amplitude assignment is used. As a result, the width of the main lobe is greatly reduced and it will thus, especially at very small aperture areas, the interference of adjacent satellites greatly attenuated.

Da die regulatorische Konformität und die Verminderung der Breite des Hauptstrahls nur entlang einer Tangente an den geostationären Orbit am Ort des Zielsatelliten wirksam werden müssen, ist es ausreichend, dass entlang einer bestimmten geraden Linie durch das Antennenfeld die jeweils erforderliche Amplitudenbelegung realisiert ist. Die Antenne kann dann mit dieser Richtung parallel zur Tangente an den Orbit ausgerichtet werden.Since the regulatory conformity and the reduction of the width of the main beam only have to be effective along a tangent to the geostationary orbit at the location of the target satellite, it is sufficient that along a certain straight line through the antenna field the respectively required amplitude occupancy is realized. The antenna can then be aligned with this direction parallel to the tangent to the orbit.

Vorzugsweise folgt die Richtung bei rechteckigen Feldern einer Kante des Antennenfeldes wie in 3 dargestellt. Bei anderen Feldtopologien oder bestimmten Bauraumerfordernissen kann die Richtung aber auch schräg durch das Feld zeigen, wie beispielhaft in 4 dargestellt.Preferably, in the case of rectangular fields, the direction follows an edge of the antenna field, as in FIG 3 shown. In other field topologies or specific space requirements, however, the direction may also be skewed through the field, as exemplified in FIG 4 shown.

Die parabolen Amplitudenbelegungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbeiträge derjenigen Strahlelemente, welche am Rand des Feldes liegen, kleiner sind, als die Beiträge derjenigen Strahlelemente, welche im Zentrum des Feldes liegen. Typischerweise wird eine solche Amplitudenbelegung dadurch realisiert, dass das entsprechende Speisenetzwerk aus asymmetrischen Leistungsteilern derart aufgebaut ist, dass auf die am Rand liegenden Strahlelemente weniger Leistung verteilt wird als auf die in der Mitte liegenden. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit durch entsprechend ausgelegte serielle Zuführungsleitungen die Leistung entsprechend zu verteilen. Auch können vor dem Feld elektromagnetische Linsen angebracht werden, welche die einfallende oder zu sendende Leistung entsprechend verteilen.The parabolic amplitude assignments are characterized in that the power contributions of those beam elements which lie at the edge of the field are smaller than the contributions of those beam elements which lie in the center of the field. Typically, such an amplitude assignment is realized in that the corresponding feed network is constructed of asymmetrical power dividers in such a way that less power is distributed to the peripheral beam elements than to the central one. However, there is also the possibility to distribute the power by appropriately designed serial supply lines. Also, electromagnetic lenses can be mounted in front of the field, which distribute the incident or to be transmitted power accordingly.

Hyperbole Amplitudenbelegungen hingegen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbeiträge der Strahlelemente, welche am Rand des Antennenfeldes liegen, größer sind als die Beiträge der Elemente, welche in der Mitte des Feldes liegen. Zur Realisierung solcher Amplitudenbelegungen kommen dieselben Verfahren zum Einsatz wie bei parabolen Belegungen.By contrast, hyperbolic amplitude assignments are characterized in that the power contributions of the radiating elements which are located at the edge of the antenna field are greater than the contributions of the elements which lie in the middle of the field. To realize such amplitude assignments, the same methods are used as in parabolic assignments.

Damit parasitäre „grating lobes” im Antennendiagramm des Sendebandes zuverlässig ausgeschlossen werden können, ist zudem vorgesehen, dass die Strahlelemente, welche für das Sendeband ausgelegt sind, mindestens entlang einer geraden Linie durch das Antennenfeld (Schnitt) dicht liegen, d. h., dass ihr Abstand zueinander kleiner ist als die Wellenlänge λc der maximalen Sendefrequenz. Hier reicht wiederum diejenige Richtung aus, welche parallel zur Tangente an den geostationären Orbit am Ort des Zielsatelliten liegt.So that parasitic "grating lobes" in the antenna diagram of the transmission band can be reliably excluded, it is also provided that the radiating elements which are designed for the transmission band, at least along a straight line through the antenna field (section) are tight, ie, that their distance from each other is smaller than the wavelength λ c of the maximum transmission frequency. Again, that direction is sufficient which is parallel to the tangent to the geostationary orbit at the location of the target satellite.

Insgesamt stellt eine erfindungsgemäße Anordnung damit ein Antennensystem zu Verfügung, dass auch bei sehr kleiner Größe über optimale Leistungsparameter sowohl im Sendbetrieb als auch im Empfangsbetrieb verfügen kann.Overall, an arrangement according to the invention thus makes available an antenna system which, even in the case of a very small size, can have optimum performance parameters both in the transmission mode and in the reception mode.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die hyperpole Amplitudenbelegung durch eine Amplitudenverteilung der Form a0 > a1 ≥ a2 ≥ a3 ≥ ... ≥ aN/2 ≤ aN/2+1 ≤ ... ≤ aN-3 ≤ aN-2 ≤ aN-1 < aN gegeben, wobei N die Anzahl der Strahlelemente entlang einer geraden Linie durch das Antennenfeld bezeichnet und an die Leistungsbeiträge der einzelnen Strahlelemente entlang dieser geraden Linie bezeichnet, und an ≈ aN-n gilt.In a further advantageous embodiment of the invention, the hyperpole amplitude occupancy is due to an amplitude distribution of the form a 0 > a 1 ≥ a 2 ≥ a 3 ≥ ... ≥ a N / 2 ≤ a N / 2 + 1 ≤ ... ≤ a N-3 ≤ a N-2 ≤ a N-1 <a N where N denotes the number of radiating elements along a straight line through the antenna array and denotes the power contributions of the individual radiating elements along this straight line, and a n ≈ a Nn .

Solche symmetrischen Amplitudenbelegungen können die Breite des Hauptstrahls stark vermindern. Es ist allerdings darauf zu achten, dass dabei die Nebenkeulen nicht zu stark angehoben werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Amplitudenverteilung durch Parametervariation so optimiert wird, dass die Summe der Beiträge der Störsignale benachbarter Satelliten minimiert wird. Da die Positionen der benachbarten Satelliten bekannt sind und damit mit bestimmten Winkelpositionen im Antennendiagram identifiziert werden können, kann eine solche Optimierung in einfacher Weise auch analytisch erfolgen.Such symmetrical amplitude assignments can greatly reduce the width of the main beam. However, it is important to ensure that the side lobes are not raised too much. This can be achieved by optimizing the amplitude distribution by parameter variation so that the sum of the contributions of the interfering signals of adjacent satellites is minimized. Since the positions of the neighboring satellites are known and can therefore be identified with specific angular positions in the antenna diagram, such an optimization can also be carried out analytically in a simple manner.

Zudem hat sich gezeigt, dass für sehr kleine Aperturen (typischerweise <20λ), dann sehr gute Ergebnisse bezüglich ASI Reduktion erreicht werden können, wenn die Amplitudenbelegung in etwa der Extremform a0 = a1 = ... = ar > ar+1 = ... = aN/2 = aN/2+1 = ... = aN-r-1 < aN-r = ... = aN-1 = aN folgen, mit r einer ganzen Zahl.In addition, it has been found that for very small apertures (typically <20λ), then very good ASI reduction results can be achieved when the amplitude occupancy is approximately the extreme a 0 = a 1 = ... = a r > a r + 1 = ... = a N / 2 = a N / 2 + 1 = ... = a Nr-1 <a Nr = ... = a N-1 = aN follow, with r an integer.

Solche Extremformen der Aperturbelegung können dadurch praktisch implementiert werden, dass die am Rand liegenden Strahlelemente (a0, ..., ar, aN-r, ..., aN) über eigene Speiseleitungen verfügen, welche erst kurz vor dem Speisepunkt des Gesamtnetzwerks in das Speisenetzwerk der restlichen Strahlelemente über geeignete Leistungsteiler eingekoppelt werden.Such extreme forms of aperture loading can be practically implemented by virtue of the fact that the peripheral beam elements (a 0 ,..., A r , a Nr ,..., A N ) have their own feed lines, which are only shortly before the feed point of the overall network be coupled into the feed network of the remaining beam elements via suitable power dividers.

Ein beispielhaftes Speisenetzwerk einer solchen Anordnung mit extremer Aperturbelegung ist in 5 dargestellt. Die „U”-förmige Belegung (9) ist dadurch realisiert, dass die beiden am Rand des Feldes liegenden Strahlelemente (10), (11) über eigene Speiseleitungen (12) verfügen, welche erst kurz vor dem Speisepunkt des gesamten Netzwerks mit dem Speisenetzwerk (13) aller anderen Strahlelemente des Feldes verkoppelt werden. Da die Amplituden innerhalb des Speisenetzwerks (13) alle gleich sind, werden hier nur symmetrische 3 dB Leistungsteiler (14) benötigt. Damit die Gesamtbelegung ebenfalls symmetrisch ist, werden die Speiseleitungen (12) ebenfalls durch einen symmetrischen 3 dB Leistungsteiler zusammengeführt bevor sie über den im Allgemeinen asymmetrischen Leistungsteiler (15) in das Gesamtnetzwerk eingekoppelt werden.An exemplary feed network of such an arrangement with extreme aperture is shown in FIG 5 shown. The "U" -shaped assignment ( 9 ) is realized by the fact that the two radiation elements located at the edge of the field ( 10 ) 11 ) via own supply lines ( 12 ), which only shortly before the feeding point of the entire network with the food network ( 13 ) of all other beam elements of the field are coupled. Since the amplitudes within the feed network ( 13 ) are all the same, only symmetric 3 dB power dividers ( 14 ) needed. So that the total occupancy is also symmetrical, the feeders ( 12 ) are also brought together by a balanced 3 dB power divider before being fed through the generally asymmetrical power divider ( 15 ) are coupled into the overall network.

Solche Anordnungen haben den großen Vorteil, dass die Höhe der Nebenkeulen im Antennendiagram und die Breite der Hauptkeule allein durch Modifikation des asymmetrischen Leistungsteilers (15) gesteuert werden können.Such arrangements have the great advantage that the height of the sidelobes in the antenna diagram and the width of the main lobe are limited solely by modification of the asymmetric power divider (FIG. 15 ) can be controlled.

Um eine stabile Amplitudenbelegung zu erzielen, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Speisenetzwerke für die beiden orthogonalen Polarisationen als binäre Bäume ausgelegt sind. Dann werden alle Strahlelemente parallel gespeist. Die binären Bäume müssen dabei nicht vollständig oder vollständig symmetrisch sein. Das in 5 dargestellte Speisenetzwerk zum Beispiel stellt einen unvollständigen binären Baum dar, welcher aus einem vollständigen und vollständig symmetrischen Teilnetzwerk (13) und einem vollständigen und vollständig symmetrischen Teilnetzwerk (12) aufgebaut ist.In order to achieve a stable amplitude assignment, it is furthermore advantageous if the feed networks for the two orthogonal polarizations are designed as binary trees. Then all the radiating elements are fed in parallel. The binary trees do not have to be completely or completely symmetrical. This in 5 For example, the presented feed network represents an incomplete binary tree consisting of a complete and fully symmetric subnetwork ( 13 ) and a complete and fully symmetric subnetwork ( 12 ) is constructed.

In der in 6 dargestellten Ausführungsform ist die Antenne vorteilhafter Weise aus mehreren Lagen in einer sogenannten Sandwich-Technik aufgebaut. Die Strahlelemente (3) und das zugehörige Speisenetzwerk der einen Polarisation (5) und die Strahlelemente (4) und das Speisenetzwerk der anderen Polarisation (6) befinden sich dabei jeweils in den Lagen (16) und (17). Die beiden Lagen (16), (17) sind durch geeignete metallische Strukturen voreinander getrennt. Die beiden unterschiedlichen Polarisationen werden jeweils in die Einzelstrahler (2) des Feldes eingekoppelt, welche damit die zwei orthogonalen linearen Polarisationen (3), (4) unterstützen.In the in 6 illustrated embodiment, the antenna is advantageously constructed of several layers in a so-called sandwich technique. The radiating elements ( 3 ) and the associated feed network of one polarization ( 5 ) and the radiating elements ( 4 ) and the feed network of the other polarization ( 6 ) are in each case in the layers ( 16 ) and ( 17 ). The two layers ( 16 ) 17 ) are separated from each other by suitable metallic structures. The two different polarizations are in each case in the individual radiator ( 2 ) coupled to the field, which thus the two orthogonal linear polarizations ( 3 ) 4 ) support.

Wie in 6 dargestellt, ist es in dieser Ausführungsform vorteilhaft wenn die Speisenetzwerke als Mikrostreifenleitungen oder als sogenannte Suspended Strip-Lines (SLL) ausgeführt sind. SSL welche in Hohlleitern eingebettet sind, haben dabei den Vorteil der sehr geringen Größe im Vergleich zu normalen Hohlleitern, der relative geringen dissipativen Dämpfung und der sehr hohen Bandbreite.As in 6 shown, it is advantageous in this embodiment, when the feed networks are designed as microstrip lines or as so-called Suspended Strip Lines (SLL). SSL embedded in waveguides have the advantage of very small size compared to normal waveguides, the relatively low dissipative attenuation and the very high bandwidth.

Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Speisenetzwerke in Hohlleitertechnologie ausgeführt sind, oder hybride Anordnungen, bei denen für kurze Wegstrecken zunächst Mikrostreifenleitungen bzw. SSL verwendet werden und bei langen Wegstrecken dann Hohlleiter.However, embodiments are also conceivable in which the feed networks are embodied in waveguide technology, or hybrid arrangements in which first microstrip lines or SSL are used for short distances and then waveguides for long distances.

Die in 7 dargestellten Einzelstrahler (2) des Antennenfeldes sind Hornstrahler mit innerer Struktur, sogenannte Quad-Ridged Hörner. In jeder der beiden Polarisationsrichtungen verfügen diese Hornstrahler über eine symmetrische geometrische Konstriktion (Einschnürung). Damit wird die von den Hornstrahlern unterstützte Frequenz-Bandbreite stark erhöht. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Sende- und das Empfangsband weit auseinander liegen, wie dies z. B. im Ka-Band mit Empfangsfrequenzen im Bereich von 18 GHz–21 GHz und Sendefrequenzen im Bereich von 28 GHz–31 GHz der Fall ist. In der beispielhaft dargestellten Sandwich-Technik bestehen die Hornstrahler aus den metallischen Lagen (19) und (20), welche durch geeignet strukturierte folgende metallische Lagen mit den Einkoppelelementen und ihren Speisenetzwerke verbunden sind.In the 7 illustrated single radiator ( 2 ) of the antenna field are horns with internal structure, so-called quad-ridged horns. In each of the two directions of polarization, these horns have a symmetrical geometric constriction (constriction). This greatly increases the frequency bandwidth supported by the horns. This is particularly advantageous if the transmission and the reception band are far apart, as z. B. in the Ka band with reception frequencies in the range of 18 GHz-21 GHz and transmission frequencies in the range of 28 GHz-31 GHz is the case. In the example shown Sandwich technology, the horns consist of the metallic layers ( 19 ) and ( 20 ), which are connected by suitably structured following metallic layers with the coupling elements and their feed networks.

Um insbesondere bei Anwendungen bei sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich die Bedingung zu erfüllen, dass der Abstand der Strahlelemente, welche auf das Sendeband ausgelegt sind, kleiner ist als die Wellenlänge λc der maximalen Sendefrequenz, kann es von Vorteil sein, die Strahlelemente als dielektrisch gefüllte Hörner auszulegen. Die effektive Wellenlänge λc nimmt dann zu und es wird geometrisch einfacher die Strahlelemente dicht zu platzieren. Auch können solche Hörner auch dann noch hohe Effizienzen im Empfangsband erreichen, wenn die Empfangs- und die Sendefrequenz weit auseinander liegen, wie etwa im Ka-band.In order to fulfill the condition that the distance of the beam elements, which are designed for the transmission band, is smaller than the wavelength λ c of the maximum transmission frequency, in particular in applications at very high frequencies in the GHz range, it may be advantageous to use the beam elements as dielectrically filled horns interpreted. The effective wavelength λ c then increases and it becomes geometrically easier to densely place the beam elements. Also, such horns can still achieve high efficiencies in the receiving band even if the reception and the transmission frequency are far apart, such as in the Ka band.

Zum Empfang und zum Senden orthogonaler zirkularer Polarisationen kann es vorteilhaft sein, die Anordnung mit einem ebenen Mehrschicht-Polarisator auszustatten. Beispielhaft ist eine solche Anordnung in 7 dargestellt. Ein solcher Polarisator ist z. B. als Drei-Schicht-Meander-Polarisator (18) ausgeführt und wird in einer Ebene vor der Aperturfläche des Antennenfeldes montiert.For receiving and transmitting orthogonal circular polarizations, it may be advantageous to provide the device with a planar multilayer polarizer. By way of example, such an arrangement is in 7 shown. Such a polarizer is z. B. as a three-layer meander polarizer ( 18 ) and is mounted in a plane in front of the aperture surface of the antenna array.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform, insbesondere für Anwendungen auf Flugzeugen, ist die Antenne auf einem Drei-Achsen Positionier montiert. Der Positionierer verfügt dabei über eine Azimuthachse, eine Elevationsachse und eine Achse parallel zur Strahlrichtung der Antenne. Der mechanische Aufbau ist dabei derart ausgeführt, dass die Antenne zur Polarisationsnachführung um die Strahlachse gedreht werden kann. Diese Ausführungsform ist insbesondere für quadratische oder annähernd kreisförmige Antennenfelder geeignet. Mit Hilfe der entsprechenden Antriebe für die Azimuth- und die Elevationsachse kann die Antenne auf den Zielsatelliten ausgerichtet werden. Die Einstellung der Polarisationsebenen erfolgt dann mit Hilfe eines geeigneten Antriebes der dritten Achse, welche parallel zur Strahlachse der Antenne steht.In one embodiment, not shown, especially for aircraft applications, the antenna is mounted on a three-axis positioner. The positioner has an azimuth axis, an elevation axis and an axis parallel to the beam direction of the antenna. The mechanical structure is designed such that the antenna for polarization tracking can be rotated about the beam axis. This embodiment is particularly suitable for square or approximately circular antenna fields. With the help of the corresponding drives for the azimuth and the elevation axis, the antenna can be aligned with the target satellites. The adjustment of the planes of polarization then takes place with the aid of a suitable drive of the third axis, which is parallel to the beam axis of the antenna.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010019081 A1 [0021] DE 102010019081 A1 [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Normen 47 CFR 25.209 [0005] Standards 47 CFR 25.209 [0005]
  • 47 CFR 25.222 [0005] 47 CFR 25.222 [0005]
  • 47 CFR 25.138 [0005] 47 CFR 25.138 [0005]
  • ITU-R M.1643 [0005] ITU-R M.1643 [0005]
  • ITU-R S.524–7 [0005] ITU-R p.524-7 [0005]
  • ETSI EN 302 186 [0005] ETSI EN 302 186 [0005]
  • ETSI EN 301 459 [0005] ETSI EN 301 459 [0005]
  • J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0006] JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0006]
  • J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0012] JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0012]
  • J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0016] JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0016]
  • J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0021] JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0021]
  • J. D. Kraus und R. J. Marhefka, „Antennas: for all applications”, 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0021] JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 [0021]

Claims (9)

Antenne zur Breitband-Satellitenkommunikation, insbesondere für mobile Anwendungen, bestehend aus einem Antennenfeld von Einzelstrahlern dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelstrahler über mindestens zwei Strahlelemente (3), (4) verfügt, welche unabhängig voneinander gespeist werden können, und jeder Einzelstrahler damit zwei unabhängige orthogonale Polarisationen unterstützen kann, die Einzelstrahler derart ausgelegt sind, dass das eine der mindestens zwei Strahlelemente die eine der beiden Polarisationen unterstützt und auf das Sendeband der Antenne ausgelegt ist und das andere der mindestens zwei Strahlelemente die andere der beiden Polarisationen unterstützt und auf das Empfangsband der Antenne ausgelegt ist, alle Strahlelemente, welche auf das Empfangsband ausgelegt sind, durch ein erstes Speisenetzwerk (5) miteinander verbunden sind und alle Strahlelemente, welche für das Sendeband ausgelegt sind, durch ein zweites Speisenetzwerk (6) miteinander verbunden sind und die beide Speisenetzwerke voneinander entkoppelt sind, das erste Speisenetzwerk derart ausgelegt ist, dass eine hyperbole Amplitudenbelegung (7) erzeugt wird, so dass die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler zur Gesamtleistung entlang mindestens einer geraden Linie durch das Antennenfeld vom Rand des Antennenfeldes zur Mitte des Antennenfeldes hin derart voneinander verschieden sind, dass die Leistungsbeiträge der am Rand liegenden Einzelstrahler größer sind als die Leitungsbeiträge der in der Mitte liegenden Einzelstrahler, das zweite Speisenetzwerk derart ausgelegt ist, dass eine parabole Amplitudenbelegung (8) erzeugt wird, so dass die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler zur Gesamtleistung entlang mindestens einer geraden Linie durch das Antennenfeld vom Rand des Antennenfeldes zur Mitte des Antennenfeldes hin derart voneinander verschieden sind, dass die Leistungsbeiträge der am Rand liegenden Einzelstrahler kleiner sind als die Leitungsbeiträge der in der Mitte liegenden Einzelstrahler, und das Antennenfeld derart aufgebaut ist, dass die Phasenzentren der Strahlelemente, welche auf das Empfangsband ausgelegt sind entlang mindestens eines Schnittes durch das Antennenfeld kleiner als die Wellenlänge λc der maximalen Sendefrequenz voneinander entfernt liegen.Antenna for broadband satellite communication, in particular for mobile applications, consisting of an antenna array of individual radiators, characterized in that each individual radiator has at least two radiating elements ( 3 ) 4 ), which can be fed independently, and each individual radiator so that it can support two independent orthogonal polarizations, the individual radiators are designed such that the one of the at least two radiating elements which supports one of the two polarizations and is designed for the transmission band of the antenna and the another of the at least two radiating elements which supports the other of the two polarizations and is designed for the receiving band of the antenna, all the radiating elements which are laid out on the receiving band through a first feed network ( 5 ) are connected to each other and all the beam elements, which are designed for the transmission band, through a second feed network ( 6 ) are interconnected and the two feed networks are decoupled from each other, the first feed network is designed such that a hyperbolic amplitude assignment ( 7 ) is generated, so that the power contributions of the individual radiators to the total power along at least one straight line through the antenna array from the edge of the antenna array to the center of the antenna array are different from each other such that the power contributions of the peripheral individual radiators are greater than the line contributions of in the Center individual emitters, the second feed network is designed such that a parabolic amplitude occupancy ( 8th ) is generated, so that the power contributions of the individual radiators to the total power along at least one straight line through the antenna array from the edge of the antenna array to the center of the antenna field are different from each other such that the power contributions of the peripheral individual radiators are smaller than the line contributions in the Center lying single radiator, and the antenna field is constructed such that the phase centers of the radiating elements, which are designed on the receiving band along at least one section through the antenna field are smaller than the wavelength λ c of the maximum transmission frequency away from each other. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hyperbole Amplitudenbelegung jedenfalls näherungsweise der Relation a0 > a1 ≥ a2 ≥ a3 ≥ ... ≥ aN/2 ≤ aN/2+1 ≤ ... ≤ aN-3 ≤ aN-2 ≤ aN-1 < aN folgt, wobei N die Anzahl der Strahlelemente entlang einer geraden Linie durch das Antennenfeld und an die Leistungsbeiträge der einzelnen Strahlelemente entlang dieser geraden Linie bezeichnet.Device according to claim 1, characterized in that the hyperbolic amplitude assignment at least approximates the relation a 0 > a 1 ≥ a 2 ≥ a 3 ≥ ... ≥ a N / 2 ≤ a N / 2 + 1 ≤ ... ≤ a N-3 ≤ a N-2 ≤ a N-1 <a N where N denotes the number of radiating elements along a straight line through the antenna array and the power contributions of the individual radiating elements along this straight line. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hyperbole Amplitudenbelegung jedenfalls näherungsweise der Relation a0 = a1 = ... = ar > ar+1 = ... = aN/2 = aN/2+1 = ... = aN-r-1 < aN-r = ... = aN-1 = aN folgt, wobei r eine ganze Zahl ist, N die Anzahl der Strahlelemente entlang einer geraden Linie durch das Antennenfeld und an die Leistungsbeiträge der einzelnen Strahlelemente entlang dieser geraden Linie bezeichnet, und jedenfalls näherungsweise an = an gilt.Device according to claim 1, characterized in that the hyperbolic amplitude assignment at least approximates the relation a 0 = a 1 = ... = a r > a r + 1 = ... = a N / 2 = a N / 2 + 1 = ... = a Nr-1 <a Nr = ... = a N-1 = aN where r is an integer, N denotes the number of radiating elements along a straight line through the antenna field and the power contributions of the individual radiating elements along this straight line, and in any case approximately a n = a n . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisenetzwerke für die beiden orthogonalen Polarisationen als binäre Bäume ausgelegt sind und alle Strahlelemente parallel gespeist werden.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed networks are designed for the two orthogonal polarizations as binary trees and all the beam elements are fed in parallel. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne aus verschiedenen Lagen aufgebaut ist, die Strahlelemente und das zugehörige Speisenetzwerk der einen Polarisation und die Strahlelemente und das zugehörige Speisenetzwerk der anderen Polarisation sich dabei jeweils in unterschiedlichen Lagen befinden, die beiden Lagen durch geeignete metallische Strukturen voreinander getrennt sind und die beiden unterschiedlichen Polarisationen jeweils in die Einzelstrahler des Feldes eingekoppelt werden.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna is constructed of different layers, the beam elements and the associated feed network of one polarization and the beam elements and the associated feed network of the other polarization are each in different positions, the two layers through suitable metallic structures are separated from each other and the two different polarizations are each coupled into the individual radiators of the field. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrahler des Antennenfeldes als Quad-Ridged Hornstrahler ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual radiators of the antenna field are designed as Quad-Ridged horn radiator. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrahler des Antennenfeldes als dielektrisch gefüllte Hornstrahler ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual radiators of the antenna field are formed as a dielectrically filled horn radiator. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenfeld zum Empfang und zum Senden zirkular polarisierter Signale mit einem Polarisator ausgestattet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna field is equipped for receiving and transmitting circularly polarized signals with a polarizer. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne auf einem Drei-Achsen Positionierer montiert ist, welcher über eine Azimuthachse, eine Elevationsachse und eine Achse parallel zur Strahlrichtung der Antenne verfügt, und die Antenne derart montiert ist, dass sie zur Polarisationsnachführung um die Strahlachse gedreht werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna is mounted on a three-axis positioner having an azimuth axis, an elevation axis and an axis parallel to the beam direction of the antenna, and the antenna is mounted in such a way that it can be rotated around the beam axis for polarization tracking.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010019081A1 (en) 2009-04-30 2010-11-04 Qest Quantenelektronische Systeme Gmbh Broadband antenna system for satellite communication

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
47 CFR 25.138
47 CFR 25.222
ETSI EN 301 459
ETSI EN 302 186
ITU-R M.1643
ITU-R S.524-7
J. D. Kraus und R. J. Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002
Normen 47 CFR 25.209

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