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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Polarisationsverschiebungen mit einer Umschalteinheit zum Vertauschen der Signalanteile mit unterschiedlichen Polarisationen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Um Flugzeuge zur Übertragung von Multimediadaten an ein Satellitennetz anzuschließen, bedarf es drahtloser Breitbandkanäle zur Datenübertragung mit sehr hohen Datenraten. Dazu müssen auf den Flugzeugen Antennen installiert sein, die geringe Abmessungen haben, um unter einem Radom installiert zu werden, und trotzdem für eine gerichtete drahtlose Datenkommunikation mit dem Satelliten (z.B. im Ku-, Ka- oder X-Band) extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik zu erfüllen, da eine Störungen benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss.
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Bei sich bewegenden Flugzeugen ändert sich die Relativposition der Antenne zum Satelliten fortlaufend, die Ausrichtung der Antenne muss also ständig nachgeführt werden. Die Antenne ist unterhalb des Radoms beweglich, um die Ausrichtung auf den Satelliten bei Bewegung des Flugzeugs nachzuführen.
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Nicht nur die Ausrichtung der Antenne in zwei Richtungen muss eingestellt werden, sondern auch Polarisationsverschiebungen eines empfangenen Signals müssen ausgeglichen werden. Die Polarisationsverschiebungen ergeben sich aus den Änderungen des Neigungswinkels der fahrzeugbasierten Satellitenantenne.
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Aus
EP 2 425 490 B1 ,
7, ist eine sogenannte Skew-Kompensationsregelung für eine Polarisationsrichtung bekannt, die auf einem drehbaren Wellenleitermodul beruht. Es wird jedoch anwenderseitig oft gewünscht, dass das horizontal und vertikal polarisierte Signal gleichzeitig zur Verfügung gestellt wird. Die Auskopplung des hochfrequenten Signales aus dem drehenden Wellenleitermodul ist kritisch, da bei der Auskopplung zweier Signalanteile die Führung der Signalleiter eine Einschränkung darstellt.
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Bei einer solchen zweikanaligen Auskopplung des skewkompensierten Signales ist aus Gründen der Leitungsführung die Drehbarkeit bezüglich des Winkels eingeschränkt. Diese Einschränkung führt dazu, dass am Rand des Bereiches eine Zurückdrehung des Winkels an den anderen Rand erforderlich werden kann. Diese Zurückdrehung ist mit einer Unterbrechung des Signales verbunden (Totzeit). Die Totzeit kann 15 Sekunden betragen und wirkt sich störend bei einer Multimediaübertragung aus.
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Aus der
DE 2 128 688 A ist eine Vorrichtung zur Kompensation von Polarisationsverschiebungen von Signalen mit mehreren Wellenleiterabschnitten bekannt, von denen einer drehbar angeordnet ist. Über Ein- und Auskoppelstellen sind die Wellenleiter mit Sendern und Empfängern verbunden.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung bei eingeschränkter Drehbarkeit die Totzeit beim Empfang des Signals gering zu halten. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den weiteren Patentansprüchen aufgeführt.
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Die erfinderische Vorrichtung zur Kompensation von Polarisationsverschiebungen von Signalen nutzt einen Wellenleiter bestehend aus einem ersten und einem zweiten Wellenleiterabschnitt, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, zueinander verdrehbar sind und jeweils zwei Ein- bzw. Auskoppelstellen für Signale mit Signalanteilen zweier unterschiedlicher Polarisationen aufweisen. Die Drehbarkeit kann auf kleiner 360° eingeschränkt sein, in der Regel kann sie sogar auf eine Winkelbereich von etwa 90° eingeschränkt werden. Signalleitungen Verbinden die Ein- bzw. Auskoppelstellen mit Signalempfängern (bzw. Signalsendern), wobei eine Umschalteinheit die Signalanteile des Signals mit unterschiedlichen Polarisationen vertauscht.
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Durch das Vertauschen der zwei Signalanteile erfolgt ein Verkippen der Signale um 90°, das damit einen Ausgleich für eine erweiterte Drehbarkeit um diese 90° bietet. Ein Drehbarkeit von 180° ist damit ausreichend. Man erhält damit zwei unabhängige einkanalige Einheiten zur Kompensation von Polarisationsverschiebungen von Signalen, die 90° phasenverschoben betrieben werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Umschalteinheit zwischen Auskoppelstellen für die Signalanteile mit unterschiedlichen Polarisationen und Signalempfängern bzw. Signalsendern angeordnet. Das Umschalten erfolgt dadurch in einem Bereich der Vorrichtung, in dem keine Phasenanpassung nötig ist (im Gegensatz zum Bereich zwischen Antenne und Wellenleiter). Dadurch können wesentlich preiswertere Umschalter benutzt werden. Beispielsweise besteht die Umschalteinheit aus zwei 3-dB Kopplern und zwei Umschaltern, die nur zwischen zwei Positionen schalten müssen, wodurch preisgünstig verfügbare Standardkomponenten genutzt werden können. Alternativ können auch vier separate Umschalter genutzt werden, wodurch vorteilhafterweise die Verluste geringer ausfallen.
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Entsprechend einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die ein Schalten der Umschalteinheit, eine Änderung des Vorzeichens der zwei Signalanteile und eine Änderung der Drehrichtung des zweiten Wellenleiterabschnitts vornimmt. Durch eine gleichzeitige Änderung der Drehrichtung und dem Vertauschen der Signalanteile wird eine Spiegelung der Signale bewirkt, so dass die geänderte Drehrichtung und der 90° Sprung durch die Vertauschung der Signalanteile zusammen zu einer kontinuierlichen Skew-Kompensation führt. Zusätzlich kann auch eine 180°-Phasenverschiebung (Vorzeichenwechsel) im Umschaltmoment erfolgen, um dem Signalempfänger ein schnelles Einregeln zu ermöglichen. Dadurch ist eine kontinuierliche Kompensation ohne jegliche Totzeit möglich. Das Umschalten erfolgt vorteilhafterweise bei einem Winkel von 45° zwischen ersten und zweiten Wellenleiterabschnitt, wodurch beide Signalanteile im Schaltmoment gleich stark sind.
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Die Drehung wird vorteilhafterweise durch einen Elektromotor und ein Zahnrad bewirkt, wobei mittels eines Getriebes entweder ein Schrittmotor mit wenigen Positionen hochgeregelt oder ein hochtouriger Motor heruntergeregelt werden kann. Elektrische Energie ist in der Vorrichtung durch den Betrieb der Verstärker vorhanden und kann für die mechanische Bewegung zusätzlich genutzt werden. Der Motor ist vorzugsweise bürstenlos und wird elektronisch angesteuert.
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Für die Signalleitungen können flexible und/oder semi-rigide Kabel genutzt werden. Flexible Kabel bieten größere Freiräume bei der Anordnung der verschiedenen Komponenten. Semi-rigide Kabel sind extrem verlustarm und können sehr kompakt verbaut werden, bedürften jedoch zusätzlicher Befestigungselemente.
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Bei flexiblen Koaxial-Kabeln wird vorteilhafterweise eine Drehführung zur Trennung und Führung der Bewegung der Signalleitungen eingesetzt. Die Signalleitungen weisen eine Länge von mindestens dem doppelten Abstand von Auskoppelstellen und Umschalteinheit auf. Ausreichend lange Kabel und als Drehführung beispielsweise eine steife, ggf. gebogene Trennfolie führen zu einer gleichmäßig Drehung des Signalleiters, der an einem Ende der Drehung des zweiten Wellenleiterabschnitts folgt. Hierdurch werden Verhakungen mit anderen Bauteilen, aber auch Knicke bzw. enge Verdrehungen im Signalleiter vermieden. Die Drehführung ist zwischen den Kabeln bzw. zwischen Kabel und weiteren Bauteilen angeordnet.
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Bei der Verwendung von semi-rigiden Kabeln wird vorteilhafterweise eine Drehführung zwischen der Auskoppelstelle des zweiten Wellenleiterabschnitts und einem Ende des zweiten Wellenleiterabschnitts verwendet, vorzugsweise sogar zwei Drehdurchführungen, die eine Verbindung zu Kontaktelementen an unterschiedlichen Enden des Wellenleiters herstellen. Durch diese Wahl können zwei einkanalige Drehdurchführungen statt einer viel teureren zweikanaligen Drehdurchführung verwendet werden.
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Vorteilhafterweise ist der Wellenleiter ein Hohlleiter, auf dessen Rotationsachse ein Zahnrad angeordnet ist, das über ein zweites Zahnrad, ein Getriebe und einen Elektromotor angetrieben wird. Hohlleiter sind sehr verlustarme Wellenleiter, die in den hier interessierenden Frequenzbereichen der X, Ka- und Ku-Bänder auch akzeptable Abmessungen aufweisen.
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Zur Bestimmung und Einstellung des Drehwinkel des zweiten Wellenleiterabschnitts ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Steuereinheit vorgesehen, die Daten zur aktuellen Position der Antenne und der Position eines Satelliten, zu dem eine Verbindung aufgebaut werden soll, speichert, die Positionen vergleicht und daraus eine Korrektur des Drehwinkels des zweiten Wellenleiterabschnitts vornimmt.
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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 den schematischen Aufbau einer einkanaligen Kompensationsvorrichtung für Polarisations verschiebungen nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine Kompensationseinrichtung aus Wellenleitern nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen zweikanaligen Kompensationsvorrichtung für Polarisations verschiebungen.
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4 zeigt den Aufbau einer Umschalteinheit.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung mit semi-rigiden Kabeln.
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung mit flexiblen Kabeln.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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1 zeigt eine Antenne 2, die mit einem Satelliten 1 in Verbindung steht, wobei sich die Polarisation der empfangenen hochfrequenten Signale ständig ändert, bedingt durch die Position der Antenne 2, die auf einem sich bewegenden Flugzeug montiert ist. Ursachen für eine Verdrehung der Polarisationsachsen sind:
- • Antenne blickt "von der Seite" auf den Satelliten. Die Position des Satelliten hat einen anderen Längengrad als die eines Beobachters.
- • "Roll"-Bewegung des Flugzeugs.
- • Satelliten strahlen manchmal von sich aus schon mit gekipptem Skewwinkel, wodurch die Satellitenschüsseln der meisten Beobachter am Horizont orientiert werden können.
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Eine nicht kompensierte Polarisationsverschiebung ist mit einem schräggestellten Kreuz angedeutet. Die von der Antenne 2 abgehenden Signale werden im phasenangepassten Bereich mit Vorverstärkern LNA verstärkt und in einen Wellenleiter HL eingekoppelt. Dieser Wellenleiter HL besteht aus zwei Teilen, einem ersten und einen zweiten Wellenleiterabschnitt HL1, HL2, die zueinander verdrehbar sind, wodurch einen Kompensation der Polarisationsverschiebung erfolgt. Diese Kompensation ist durch ein nun ausgerichtetes Kreuz über dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 angedeutet. Das kompensierte Signal wird aus dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 ausgekoppelt und weiter verarbeitet.
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In 2 ist der Wellenleiter HL bestehend aus zwei Wellenleiterabschnitten HL1, HL2 dargestellt, wobei der zweite Wellenleiterabschnitt HL2 durch einen Motor EM und zwei Zahnräder Z1, Z2 relativ zum ersten Wellenleiterabschnitt HL1 gedreht wird. Im Sinne einer einkanaligen Kompensation der Polarisationsverschiebung ist ein Signalleiter S3, der ein aus dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 ausgekoppeltes Signal weiterleitet, als Drehdurchführung ausgebildet, so dass eine 360° Drehung des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 nicht behindert ist. Über dem gesamten Winkelbereich kann die Polarisationsverschiebung hiermit kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß wird der Aufbau der Vorrichtung für eine zweikanalige Kompensation entsprechend 3 weiterentwickelt. Über Signalleitungen S1, S2 werden weiterhin vorverstärkte hochfrequente Signale in einen Wellenleiter HL eingekoppelt. Der Wellenleiter HL ist als Hohlleiter ausgebildet. Der zweite Wellenleiterabschnitt HL2 ist wiederum drehbar, jedoch mit eingeschränktem Winkelbereich von ca. 90°. Aus dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 werden zwei Signalanteile über Signalleitungen S3, S4 ausgekoppelt und einer Umschalteinheit U zugeführt. Umschalteinheit U und Drehung des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 werden durch eine Steuereinheit ST gesteuert. Die durch die Umschalteinheit U geschalten Signale werden durch Verstärker AMP1, AMP2 im nicht phasenabgestimmten Bereich verstärkt und einer Empfangseinrichtung Rx zugeführt. Im Sendefall ist der Signalfluss von einer Sendeeinrichtung Tx hin zur Antenne 2.
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Die Umschalteinheit U, in 4 näher erklärt, und die Steuerung durch die Steuereinheit ST wirken zusammen zur Verwirklichung der Erfindung. Die Umschalteinheit U besteht aus zwei 3-dB Koppeln V1, V2, die die Signale in zwei Signalanteile aufteilen, die dann mit zwei Umschaltern SPDT1, SPDT2 vertauscht werden können. Dies bewirkt eine Vertauschung der Signalanteile zweier unterschiedlicher Polarisationsrichtungen bzw. eine 90° Verkippung des Signals. Im Sinne der Erfindung wird durch die Steuereinheit ST im Moment des Umschaltens eine Änderung der Drehrichtung des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 eingeleitet und optional auch eine Inversion des Signals durch einen Vorzeichenwechsel (Phasenverschiebung um 180° in einem zwischen Auskoppelstellen K21, K22 und 3dB-Kopplern V1, V2 angeordneten Phasenschieber (nicht gezeigt)) durchgeführt. Der Phasenschieber kann nur in einem Signalpfad, besser jedoch beiden Signalpfaden der Signalanteile zweier unterschiedlicher Polarisationsrichtungen eingebracht sein und wird gleichzeitig mit der Umschalteinheit U geschaltet. Ohne Totzeit wird die Kompensation der Polarisationsverschiebung fortgesetzt, in dem die Drehung nun zurück in den 90° Drehbereich des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 erfolgt.
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5 und 6 zeigten zwei alternative Realisierungsformen des Hohlleiters HL und der Führung der Signalleitungen S3, S4 vom Hohlleiter HL zu den Verstärkern AMP1, AMP2.
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In 5 werden semi-rigide Signalleitungen benutzt, die als Drehdurchführungen S3, S4 Auskoppelstellen K21, K22 des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 mit jeweils unterschiedlichen Enden des Hohlleiters HL verbinden. In der Achse der beiden, zueinander auf dieser Achse verdrehbaren Wellenleiterabschnitte HL1, HL2 befindet sich an den beiden Enden die Weiterführung der jeweiligen Signalleitungen S3 und S4, die dann ohne weitere Bewegung von Leitungen mit der Umschalteinheit (nicht gezeigt) verbunden werden können.
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In den ersten Wellenleiterabschnitt HL1 werden die Signale über Einkoppelstellen K11, K12 eingekoppelt. Die Signalleitungen (nicht gezeigt) zu den Einkoppelstellen K11, K12 würden bei einer 360° Drehung mit der Drehdurchführung S4 kollidieren, wodurch eine Einschränkung des Drehbereichs nötig wird.
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Die Drehung des zweiten Wellenleiterabschnitts HL2 erfolgt durch einen parallel zur Achse des Hohlleiters HL angeordneten bürstenlosen und elektronisch steuerbaren Elektromotor EM, der über ein Getriebe G im Verhältnis 1:200 die schrittweise Drehbewegung des Elektromotors EM in eine feingliedrige Drehbewegung umwandelt. Auf der Achse des Elektromotors EM ist ein zweites Zahnrad Z2 angeordnet, das in ein auf der Achse des Hohlleiters HL und fest mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 verbundenen Zahnrad Z1 eingreift.
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Die Vorrichtung nach 6 benutzt anstelle semi-rigider Kabel flexible Koaxial-Kabel S3, S4 zwischen dem zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 und der Umschalteinheit U. Die Umschalteinheit U vertauscht die Signale der Signalleitungen S3 und S4 und leitet sie an die Verstärker AMP1, AMP2 weiter. Die Anordnung von Elektromotor EM, Getriebe G, Zahnrädern Z1, Z2 und Hohlleiterabschnitte HL1, HL2 ist ähnlich der in 5.
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Um eine sanfte Bewegung der Signalleitungen S3 und S4 zu gewährleisten sind die Signalleitungen S3 und S4 sehr lang ausgelegt, hier mehr als viermal so lang wie die kürzeste Verbindung zwischen Auskoppelstellen am zweiten Wellenleiterabschnitt HL2 und der Umschalteinheit U. Weiterhin ist eine Drehführung D, hier als durchsichtige, steife Plexiglasscheibe, eingeführt. Diese ist zwischen den Signalleitungen S3, S4 und anderen Bauelementen, wie den Signalempfänger und Signalsender Rx/Tx, angeordnet. Die Drehführung D führt die Verdrehung der Signalleitungen S3, S4, wenn sich der zweite Wellenleiterabschnitt HL2 innerhalb des 90° Bereiches dreht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit für beide Polarisationen gleichzeitig und ohne Totzeit die Polarisationsverschiebung kompensieren. Dies wird dann erforderlich, wenn mehrere Signalsender/-empfänger gleichzeitig verschiedene Transponder auf verschiedenen Polarisationen empfangen sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Satellit
- 2
- Antenne
- LNA
- Vorverstärker
- HL
- Wellenleiter
- HL1, HL2
- Erster, zweiter Wellenleiterabschnitt
- S1...S4
- Signalleitungen
- K11, K12
- Einkoppelstellen
- K21, K22
- Auskoppelstellen
- U
- Umschalteinheit
- AMP1, AMP2
- Signalverstärker
- V1, V2
- 3-dB Koppler
- SPDT1, SPDT2
- Umschalter
- ST
- Steuereinheit
- EM
- Elektromotor
- D
- Drehführung
- Z1, Z2
- Zahnräder
- G
- Getriebe
- Rx/Tx
- Signalempfänger bzw. Signalsender
