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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Antenne mit einer Mehrzahl von Hornstrahlern, bei der durch konstruktive Maßnahmen an der Trennwand zweier Hornstrahler die Verkopplung zwischen benachbarten Hornstrahlern verringert wird. Solche Antennen werden insbesondere für die aeronautische Satellitenkommunikation im Ku- und Ka-Band benötigt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wie in der
WO 2014/005699 A1 ausgeführt steigt der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen Datenraten, insbesondere im Bereich der aeronautischen, d.h. flugzeugbasierten, Satellitenkommunikation ständig. Geeignete Antennen sollen dafür geringe Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen und zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik erfüllen, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss. Geringe Abmessungen verringern die Nutzlast des Flugzeugs und damit auch die Betriebskosten.
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Hornstrahler eignen sich als Einzelstrahler in Feldern und können zudem breitbandig ausgelegt werden. Hornstrahler werden im Sinne einer E-Feld Einkopplung mit einem kleinen Stift angeregt und weisen bezüglich der abstrahlenden Wellenfront leichte Verschiebungen der Abstrahlungscharakteristik vom Mittelpunkt des Hornstrahls auf.
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Damit kommt es zur positiven Interferenz benachbarter Hornstrahler der Antenne und damit zur Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche. Die Leistungsfähigkeit der Antenne wird daher im Bereich der Resonanzfrequenzen dieser Interferenzen deutlich reduziert. Abstrahlverhalten, Eingangsanpassung und Resonanzfrequenzen hängen von der Geometrie des Hornstrahlers ab und können in der Standardgeometrie nur begrenzt unabhängig voneinander eingestellt werden. Dieser Effekt ist besonders groß in den in
WO2014/005699 A1 dargestellten Steghornstrahlern, die als Gruppenstrahler auf kleinstem Raum nebeneinander in einer Ebene angeordnet werden.
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WO 2014/ 005 699 A1 zeigt ein Antennensystem, mit zumindest zwei Modulen, wobei jedes Modul zumindest zwei Einzelstrahler enthält, mit zumindest einem Mikrostreifenleitungsnetzwerk zur Speisung der Einzelstrahler innerhalb eines Moduls, mit zumindest einem Hohlleiternetzwerk zur Speisung der Module.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Antenne anzugeben, bei der die Verkopplung benachbarter Hornstrahler verringert wird. Die Aufgabe wird mit einer Antenne mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antenne sind in den weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
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Eine erfindungsgemäße Antenne mit mehreren, nebeneinander in einer Ebene angeordneten Hornstrahlern trennt benachbarte Hornstrahler mit einem Hornrand, wobei die Ebene im Wesentlichen plan ist. Der Hornrand ragt zumindest abschnittsweise aus der Ebene der Hornstrahler heraus.
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Durch eine Veränderung der Geometrie des Hornrandes wird die Stromverteilung, die in der Ebene der Antenne (Aperturebene) durch die Überlagerung der Stromverteilungen der Einzelhornstrahler entsteht, beeinflusst. Durch eine geeignete Wahl der Geometrie des Hornrandes ist es daher möglich, störende Resonanzen, die durch eine Verkopplung der Hornstrahler untereinander im Nutzfrequenzbereich der Antenne entstehen können, in Frequenzbereiche außerhalb des Nutzfrequenzbereiches zu verschieben.
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Das Herausragen aus dem Hornrand wird mittels eines Stifts bewirkt, der aus dem Hornrand in Richtung Freiraum heraussteht. Dieser Stift kann im Sinne einer Minimierung der Verkopplung auf dem Hornrand positioniert und unterschiedlich dimensioniert werden. Die Form des Stiftes kann dabei zylinderförmig, rechteckig oder kegelförmig sein, wobei die Form - wenn eine vereinfachte Fertigung im Vordergrund steht - eher zylinderförmig sein kann und - falls die Antenne eine besonders gute Kreuzpolarisationsunterdrückung aufweisen soll- die rechteckige Form gewählt werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stift mittig auf dem Hornrand angeordnet. Bei rechteckigen Hornstrahlern ist die Mitte eines Hornrades das Gebiet, mit der größten Felddichte und hat damit über einen hohen Stromfluss den größten Einfluss auf die Verkopplung der benachbarten Hornstrahler. Eine Veränderung der Wegstrecke zwischen den Hornstrahlern durch einen dort positionierten Stift hat eine erhebliche Wirkung auf die Verkopplung.
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Steghornstrahler haben Vorteile bei der Unterstützung einer großen Bandbreite von Sende- und/oder Empfangssignalen, jedoch auch eine besonders hohe Verkopplung zwischen benachbarten Hornstrahlern durch den Einfluss von Restriktionen innerhalb der Hornstrahler. Der Stift wird vorteilhafterweise so positioniert, dass er auf einer Achse mit einer Restriktion des Steghornstrahlers ausgerichtet ist. Diese Achse ist für Steghornstrahler das Gebiet mit der höchsten Felddichte.
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Zu einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird nicht nur die Position, sondern auch die Länge des Stifts zur Minimierung der Verkopplung abgestimmt. Bei Steghornantennen ist dies besonders in Bezug auf die darunterliegende Restriktion nötig. Für Antennen mit geringer Bauhöhe beträgt die Länge des Stiftes vorteilhafterweise nicht mehr als λ/2, wobei λ die Wellenlänge ist, besonders die kleinste unterstützte Wellenlänge.
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Die Erfindung wurde bisher anhand einer einzigen Hornwand und eines auf der Hornwand angebrachten Stiftes erläutert. Der Erfindungsgemäße Gedanke wird auch bei Konstruktionen verwirklicht bei denen anderweitig eine Höhe der Hornwand so variiert wird, dass entstehende Resonanzen bei der Verkopplung benachbarter Hornstrahler nur in Frequenzbändern auftreten, die außerhalb der Frequenzbänder liegen, in denen die Antenne betrieben werden soll.
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Die Verkopplung zwischen benachbarten Hornstrahlern wird in der Regel zwischen einer Mehrzahl von Hornstrahlern der Antenne gleichzeitig auftreten. Daher wird vorgeschlagen, vorteilhafterweise auf vielen oder allen Rändern eines Hornstrahlers Stifte anzuordnen, die eine einheitliche Länge aufweisen und somit bei baugleichen Hornstrahlern die Verkopplung im gleichen Frequenzband reduzieren.
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Für eine quadratische Öffnung der Hornstrahler ist im Allgemeinen ein Stift, dessen Querschnitt ebenfalls quadratisch ist, vorteilhaft. Für die Kantenlängen (a, b) jedes Stiftes gilt: d/2 ≤ a ≤ λ/4, d/2 ≤ b ≤ A/4, wobei d die Breite der Wand ist, die einzelne Öffnungen der Hornstrahler separiert und A die Wellenlänge ist.
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Im Falle eines zylinderförmigen Stiftes gilt: d/4 ≤ r ≤ λ/8, wobei r der Radius des Stiftquerschnitts ist.
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Da für die Einstellung der Resonanzen der Verkopplung die Gesamtwegstrecke für den Strom zwischen zwei Hornstrahlern entscheidend ist, kann man bei der Dimensionierung der Stifte das Verhältnis von Länge (aus der Ebene der Antenne hinaus) und Breite (von Hornstrahler zu Hornstrahler) nutzen. Für eine gleichbleibende Resonanzfrequenz kann der Stift länger aber schmaler sein, oder kürzer und breiter.
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Zudem sollen die Hornstrahler im Allgemeinen zwei orthogonale Polarisationen unterstützen. Wenn zwei Polarisationen unterstützt werden, sind insgesamt vier Stifte, für jeden Hornrand eines Hornstrahlers ein Stift, anzubringen.
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Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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- 1 zeigt ausschnittsweise eine Antenne mit mehreren Hornstrahlern.
- 2 zeigt einen einzelnen Hornstrahler mit Abdeckung und Stiften auf den Hornrändern.
- 3 zeigt eine Abdeckung aus Dielektrikum mit einer im Hornstrahler gelegenen Struktur.
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Die in 1 dargestellte Antenne enthält eine große Zahl einzelner Hornstrahlern A1, A2, .. Ax, die entlang einer Ebene E angeordnet sind. Je mehr Einzelstrahler, hier Hornstrahler, nebeneinander in der Antenne angeordnet sind, umso besser kann die Abstrahlungscharakteristik der Antenne gesteuert werden. Dies ist besonders wichtig für die aeronautische Satellitenkommunikation, bei der die Antenne auf einem sich bewegenden Flugzeug montiert ist, typischerweise unter einem Radom, das sich auf der Oberseite des Flugzeugrumpfes befindet. Der dort verfügbare Bauraum ist jedoch sehr begrenzt, wodurch es notwendig ist, die Hornstrahler sehr eng nebeneinander zu positionieren.
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Diese Antennen werden typischerweise im Ka- oder Ku-Band verwendet, die hierbei benutzten Frequenzen bedingen wiederum bestimmte Maximalgrößen der Einzelstrahler, wenn eine gut fokussierende Antennencharakteristik erreicht werden soll. Die erforderliche enge Anordnung der Hornstrahler bringt ein erhöhtes Risiko von Verkoppelungen zwischen den benachbarten Hornstrahlern mit sich. Diese Verkoppelung ist besonders groß, wenn Steghornstrahler benutzt werden. In 1 sind Merkmale von Steghornstrahlern A1, A2, .. Ax nur ansatzweise gezeigt. Die Hornstrahler A1, A2, .. Ax weisen in ihrem Innenraum abgestufte Restriktionen auf, die jeweils mittig auf den vier Seiten des Innenraumes der quadratischen Hornstrahler A1, A2, .. Ax angeordnet sind. Steghornstrahler haben den Vorteil einer sehr großen unterstützten Bandbreite, die gerade bei den für die Satellitenkommunikation vorgeschriebenen Frequenzbändern benötigt wird.
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Die Antenne nach 1 zeigt für jeden dargestellten Hornstrahler A1, A2, .. Ax einen Stift S1 pro Hornrand R. Es wäre jedoch denkbar, dies auch nur für manche der Hornstrahler der Antenne anzuwenden. Ein Hornrand R ist hierbei die Trennwand zwischen benachbarten Hornstrahlern A1, A2. Gleiches gilt jedoch auch für den Hornrand R am Rand der Antenne, wenn sich kein weiterer Hornstrahler anschließt. Die Stifte S1 ragen aus der Ebene E der Antenne heraus und sind mittig innerhalb des Hornrandes R angeordnet. Der Stift S1 hat dabei eine Breite a, die größer als die Breite d einer Trennwand zwischen den Hornstrahlern A1, A2 ist. Alternativ könnte die Breite a des Stifts auch der Breite d der Trennwand entsprechen.
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2 zeigt einen einzelnen Hornstrahler A1 der in 1 gezeigten Antenne. Auf allen vier Hornrändern des Hornstrahlers A1 ist jeweils ein Stift S1, S2, S3, S4, der aus dem gleichen Material wie der Hornstrahler A1 besteht und einstückig mit dem Hornstrahler A1 ausgeformt ist, angeordnet.
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Diese Stifte S1, S2, S3, S4 dienen weiterhin als kraftschlüssige Verbindung für eine Abdeckung D, die aus dielektrischem Material besteht. Damit wird eine Abdichtung des Hornstrahlers A1 bewirkt, jedoch zusätzlich die Anpassung der abgestrahlten Welle zwischen Hornstrahler A1 und Freiraum verbessert. Im Sendefall wird ein Signal durch einen Einkoppelstift ST, der durch eine Wand des Hornstrahlers A1 hindurchgeführt wird, in den Hornstrahler A1 eingekoppelt. Eine das Signal tragende elektromagnetische Welle verlässt den Hornstrahler A1 durch die Abdeckung D. Mittig innerhalb der Abdeckung D eines Hornstrahlers A1 ist ein Stift D1 aus dielektrischem Material angeordnet. Dieser Stift D1 bildet einen Vorsprung innerhalb der Abdeckung D und wurde einstückig zusammen mit der Abdeckung D hergestellt. Sowohl die Metallstifte S1 bis S4 auf den Hornrändern als auch der Stift D1 aus Dielektrikum haben einen Einfluss auf die Verkoppelung benachbarter Hornstrahler A1, A2.
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Durch die Metallstifte S1 bis S4 modifiziert sich der Weg zwischen den Hornstrahler-Mittelpunkten benachbarter Hornstrahler A1, A2, wodurch sich Resonanzen dieser Verkoppelung benachbarter Hornstrahler aus Arbeitsfrequenzbändern der Antenne in andere, nicht genutzte Frequenzbänder verschieben lassen. Die Verkoppelung, die bei Steghornstrahlern besonders stark ist, erfolgt insbesondere durch die vier jeweils gegenüberliegend mittig angeordneten Restriktionen der Steghornstrahler. Somit sind auch die Metallstifte S1 bis S4 jeweils mittig angeordnet und beeinflussen den Weg möglicher parasitärer Ströme, die zwischen den Restriktionen benachbarter Steghornstrahler fließen.
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Die Stifte S1 bis S4 können dabei zylinderförmig sein. Alternativ sind auch Rechteckformen oder Kegelformen möglich. Mit der Länge und Breite der Stifte S1 bis S4 kann man die Frequenzen, bei denen die Resonanzen auftreten, einstellen. Der den Vorsprung bildende Stift D1 aus Dielektrikum hat eine unterstützende Wirkung bezüglich der Reduktion der Verkoppelung benachbarter Steghornstrahler. Dieser Stift D1 führt zu einer Ausrichtung der Abstrahlungscharakteristik, auch Keule genannt, eines Steghornstrahlers in Richtung des Dielektrikums. Diese Wirkung ist vom verwendeten Volumen für den Stift D1 abhängig. In 2 ist der Stift D1 nahezu mittig innerhalb des Steghornstrahlers A1 angeordnet und auf der dem Steghornstrahler A1 abgewandten Seite der Abdeckung D angebracht. Eine mittige Anordnung des dielektrischen Stifts D1 orientiert sich nicht an einer besonderen Neigung der nicht modifizierten Abstrahlungscharakteristik, sondern führt immer zu einer verbesserten Zentrierung.
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Wie in 2 gezeigt, ist der Stift D1 versetzt zur Mitte des Hornstrahlers A1 und gegenüber dem Einkoppelstift ST angeordnet sein - in 2 ist dies leicht links von der Mitte versetzt. Diese Anordnung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass sich eine nicht modifizierte Abstrahlungskeule des Steghornstrahlers eher in Richtung des Einkoppelstiftes ST neigt und durch Anordnung des Stiftes D1 auf einer der Mitte gegenüberliegenden Seite diese ungewollte Neigung besser kompensiert werden kann als eine mittige Anordnung. Die Länge des Stiftes D1 ist hier in etwa die doppelte Dicke der Abdeckung D.
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3 zeigt die soeben erläuterte Abdeckung D, hier jedoch in einer Ansicht aus Richtung des Steghornstrahlers. Die Abdeckung D enthält an den vier Seiten jeweils eine Ausnehmung L1, L2, L3, L4, wobei die Ausnehmung L3 in 3 verdeckt ist. Die Ausnehmung L1, L2, L3, L4 zeigen in 3 jeweils eine Halbkreisform und sind als Durchgangslöcher ausgeformt. Im Sinne einer Abdeckung D, die mehrere Hornstrahler überdeckt, sind diese halbkreisförmigen Ausnehmungen jedoch Löcher, die in ihrer Form den in 1 gezeigten Metallstiften S1 entsprechen und für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Abdeckung D und Hornstrahlern A1 bis Ax deren Form, ob zylinderförmig, rechteckig oder kegelförmig, folgen würden.
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Zur verbesserten Anpassung der abgestrahlten Welle vom Hornstrahler in den Freiraum enthält die Abdeckung D nach 3 ein dielektrisches Kreuz DK, auf dem zusätzlich ein zweiter Vorsprung D2 aus Dielektrikum mittig angeordnet ist. Auch dieser Vorsprung D2 hat eine Stiftform und bewirkt zusätzlich eine Zentrierung der Abstrahlungscharakterstik des Hornstrahlers, die wiederum die Verkopplung mit benachbarten Hornstrahlern verringert. Die Länge dieses zweiten dielektrischen Stiftes D2 entspricht etwa der Dicke der Abdeckung D, kann jedoch auch wesentlich weiter in den Innenraum des Hornstrahlers hineinragen.
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In den 1 bis 3 wurden Ausführungsbeispiele gezeigt, die eine gleichbleibende Anordnung von Stiften S1 bis S4 auf den Rändern R der Hornstrahler und eine alle Hornstrahler überdeckende Abdeckung D mit mittig sowohl innen als auch außen angebrachten dielektrischen Stiften D1, D2 aufweisen. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich geometrische Variationen der Strukturen bei den Stiften S1 bis S2 und den dielektrischen Stiften D1, D2 einzuführen. Die Abdeckung könnte auch nur einen Teil der Hornstrahler bedecken, dielektrische Stifte nur auf der Außen- oder Innenseite der Abdeckung D angeordnet sein oder die Anzahl, Position und/oder Länge der Stifte S1 bis S4 zur Ausbildung einer besonderen Abstrahlungscharakteristik über die Ebene der Antenne hinweg variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- A1, A2, .. Ax
- Hornstrahlern
- E
- Ebene
- D
- Abdeckung
- D1, D2, .. Dx
- Vorsprung
- DK
- Kreuz aus Dielektrikum
- ST
- Einkoppelstift
- R
- Hornrand
- L1 .. L4
- Ausnehmungen
- S1 .. S4
- Ausformungen
- d
- Breite der Trennwand
- a
- Breite des Stifts
- λ
- Wellenlänge
