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
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Abstract
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
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.
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
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.
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.
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.
- 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.
Zeichnungendrawings
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 (
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 (
Das erste Speisenetzwerk ist dabei derart ausgelegt, dass eine hyperbole Amplitudenbelegung (
Das zweite Speisenetzwerk ist dabei derart ausgelegt, dass eine parabole Amplitudenbelegung (
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
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
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
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
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
Solche Anordnungen haben den großen Vorteil, dass die Höhe der Nebenkeulen im Antennendiagram und die Breite der Hauptkeule allein durch Modifikation des asymmetrischen Leistungsteilers (
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
In der in
Wie in
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
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
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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Patent Citations (1)
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Title |
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J. D. Kraus und R. J. Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 |
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