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Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Gruppenantenne, insbesondere für den GHz-Frequenzbereich und für die Anwendung auf mobilen Trägern wie etwa Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen.
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In mobilen Anwendungen hat die Phasensteuerung der Gruppenantenne die Funktion, den Hauptstrahl der Gruppenantenne während der räumlichen Bewegung eines mobilen Trägers immer optimal auf ein Ziel auszurichten. In vielen Fällen muss dabei eine permanente Richtfunkverbindung zur Zielantenne auch bei schneller Bewegung des Trägers zuverlässig aufrechterhalten werden.
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Mit Hilfe der Phasensteuerung kann jedoch auch mit einer stationären oder mobilen Gruppenantenne ein sich bewegendes Ziel verfolgt werden, wie dies etwa bei Radaranwendungen der Fall ist.
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Es ist bekannt, dass sich mit Hilfe von variablen, steuerbaren Phasenstellgliedern ("phase shifters") das Antennendiagramm von stationären Antennengruppen räumlich verändern und so der Hauptstrahl in verschiedene Richtungen schwenken lässt.
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Die Phasenstellglieder verändern dabei die relative Phasenlage der Signale, die von verschiedenen einzelnen Mitgliedern der Gruppenantennen empfangen oder gesendet werden. Wird die relative Phasenlage der Signale der einzelnen Antennen mit Hilfe der Phasenstellglieder entsprechend eingestellt, dann zeigt die Hauptkeule ("main beam") des Antennenrichtdiagramms der Gruppenantenne in die gewünschte Richtung.
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Die derzeit bekannten Phasenstellglieder sind meist aus nichtlinearen Festkörpern ("solid state phase shifters"), meist Ferriten, Mikroschaltern (MEMS-Technologie, binäre Schalter), oder Flüssigkristallen ("liquid cristals") aufgebaut. Alle diese Technologien haben jedoch den Nachteil, dass sie zu einem oft erheblichen Signalverlust führen, da ein Teil der Hochfrequenzleistung in den Phasenstellgliedern dissipiert wird. Insbesondere bei Anwendungen im GHz-Bereich sinkt die Antenneneffizienz der Gruppenantennen dadurch stark ab.
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Dies stellt, insbesondere für Gruppenantennen, welche auf mobilen Trägern zum Einsatz kommen sollen, eine erhebliches Problem dar, weil bei diesen Anwendungen wegen des begrenzt zur Verfügung stehenden Bauraumes, Antennen mit möglichst hoher Effizienz benötigt werden. Die Antennen müssen möglichst klein und leicht sein, was sich mit den bekannten Phasensteuerungen nicht erreichen lässt.
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Herkömmliche Phasenstellglieder müssen darüber hinaus immer in den Speisenetzwerken der Gruppenantennen untergebracht werden, was solche Gruppenantennen typischerweise sehr schwer oder ihre Dicke sehr groß macht.
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Im Gegensatz dazu sind insbesondere für Anwendungen auf sich schnell bewegenden Trägern wie Flugzeugen und Zügen, kleine und leichte Antennensysteme mit niedrigem Profil erwünscht.
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Zudem sind phasengesteuerte Gruppenantennen, bei denen herkömmliche Phasenstellglieder verwendet werden sehr teuer.
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Insbesondere für zivile Anwendungen oberhalb von 10 GHz verhindert dies eine Verwendung.
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Ein weiteres Problem stellen die Anforderungen an die genaue Kontrolle des Antennendiagramms der Gruppenantennen dar. Werden die Gruppenantennen in Richtfunkanwendungen mit Satelliten eingesetzt, dann bestehen strenge Anforderungen an die regulatorische Konformität des Antennendiagramms. Für jede Hauptstrahlrichtung muss im Sendebetrieb das Diagramm der regulatorischen Maske gehorchen. Dies kann nur dadurch zuverlässig gewährleistet werden, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl die Amplitude als auch die Phase jedes einzelnen Antennenelements der Gruppenantenne bekannt ist.
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Keine der derzeit bekannten Technologien für Phasenstellglieder erlaubt jedoch die zuverlässige instantane, d.h. sofortige, ohne weitere Berechnung zur Verfügung stehende Bestimmung der Phasenlage des Signals nach dem Phasenstellglied. Hierzu wäre es erforderlich den Zustand des Phasenstellglieds jederzeit zuverlässig bestimmen zu können. Dies ist jedoch praktisch weder bei Festkörper-, noch bei MEMS- oder Flüssigkristallphasenschiebern möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine phasengesteuerte Gruppenantenne, insbesondere im GHz-Frequenzbereich und insbesondere für die Anwendung auf mobilen Trägern, zur Verfügung zu stellen, welche
- 1. die exakte Ausrichtung und Steuerung des Hauptstrahls der Gruppenantenne erlaubt,
- 2. die exakte Steuerung und Kontrolle der relativen Phasenlage der Signale der verschiedener Antennenelemente der Gruppenantenne ermöglicht,
- 3. zu jedem Zeitpunkt die instantane Bestimmung der Phasenlage und der relativen Amplitude des an einem Antennenelement der Gruppenantenne anliegenden Signals und damit zu jedem Zeitpunkt und in jedem Zustand der Gruppenantenne die Bestimmung ihres Antennendiagramms zulässt,
- 4. keine oder nur sehr geringe Verluste hat,
- 5. ein niedriges Profil und ein geringes Gewicht besitzt, und
- 6. kostengünstig realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne umfasst mindestens vier, über mindestens ein Speisenetzwerk (12) verbundene phasengesteuerte Antennenelemente (1). Die Antennenelemente umfassen jeweils einen Hohlleiterstrahler (2) mit einer Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8), ein Phasenstellglied (3), das im Hohlleiterstrahler (1) drehbar angebracht ist, eine Halterung (4) und mindestens zwei Polarisatoren (5) enthält, wobei jeder der mindestens zwei Polarisatoren (5) ein zirkular polarisiertes Signal in ein linear polarisiertes Signal umwandeln kann. Weiterhin umfassen die Antennenelemente ein Verbindungselement (6) und eine, auf einem Träger (9) angebrachte Antriebseinheit (7), die über das Verbindungselements (6) mit dem Phasenstellglied (3) derart verbunden ist, dass die Antriebseinheit (7) das Phasenstellglied (3) um eine Achse (11) des Hohlleiterstrahlers (2) drehen kann. Die Gruppenantenne umfasst weiterhin eine Recheneinheit (13), die über Steuerleitungen (10) mit der oder den Antriebseinheiten (7) der phasengesteuerten Antennenelemente (1) verbunden ist und die Drehung der jeweiligen Phasenstellglieder (3) einstellt.
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Eine beispielhafte räumliche Anordnung der Elemente der Gruppenantenne ist in 1 gezeigt. Hierbei sind beispielhaft vier Antennenelemente (1) in einer Reihe angeordnet. Es kann jedoch auch eine Anordnung der Antennenelemente (1) mit einer größeren Anzahl und/oder in mehreren Reihen, also zweidimensional, erfolgen. Eine Recheneinheit (13) steuert die gesamte Gruppenantenne. Jedes der Antennenelemente (1) hat eine eigene Antriebseinheit (7). Dies kann wie später gezeigt auch weiter vereinfacht werden, in dem gemeinsame Antriebseinheiten (7) für mehrere Antennenelemente (1) genutzt werden.
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Die prinzipielle Funktionsweise eines phasengesteuerten Antennenelements ist in 2 dargestellt. Eine in den Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) einfallende Welle (14a) mit zirkularer Polarisation und Phasenlage φ wird durch den ersten Polarisator (5a) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle mit linearer Polarisation (14b) transformiert. Diese Welle linearer Polarisation wird durch den zweiten Polarisator (5b) des Phasenstellglieds (3) in eine Welle mit zirkularer Polarisation (14c) rückverwandelt.
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Wird das Phasenstellglied (3) jetzt mit Hilfe der Antriebseinheit (7) und dem Verbindungselement (6) um einen Winkel ∆θ gedreht, dann rotiert der Polarisationsvektor (14b) der linearen Welle zwischen den beiden Polarisatoren (5a) und (5b) in einer Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung mit. Da sich auch der Polarisator (5a) mit dreht, hat die zirkulare Welle (14c), welche vom zweiten Polarisator (5b) generiert wird, jetzt eine Phasenlage von φ + 2 ∆θ. Die zirkulare Welle (14c) mit Phasenlage φ + 2 ∆θ kann daraufhin mit Hilfe der Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) aus dem Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) ausgekoppelt bzw. in den Hohlleiterstrahler (2) eingekoppelt werden.
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Die Antriebseinheit (7) ist auf einem Träger (9) montiert und wird über Versorgungsleitungen mit der erforderlichen Energie und über Steuerleitungen (10) mit Hilfe der Recheneinheit (13) mit der für die Drehung um den Winkel ∆θ notwendigen Information versorgt.
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Bedingt durch die Konstruktion der Phasensteuerung des Antennenelements (1) ist die Abhängigkeit der Phasenwinkeldifferenz zwischen auslaufender (14c) und einlaufender (14a) zirkularer Welle von der Drehung des Phasenstellglieds (3) streng linear, stetig und streng 2π periodisch. Zudem kann jede beliebige Phasendrehung bzw. Phasenschiebung kontinuierlich durch die Antriebseinheit (7) eingestellt werden.
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Da es sich beim Phasenstellglied (3) elektrodynamisch betrachtet um ein rein passives Bauelement handelt, welches keinerlei nichtlineare Komponenten enthält, ist seine Funktion vollständig reziprok. D.h., dass eine Welle, welche von unten nach oben durch das Phasenstellglied (3) läuft, in gleicher Weise in ihrer Phase gedreht wird wie eine Welle, welche von oben nach unten durch das Phasenstellglied (3) läuft.
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Die Phasenlage eines vom Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) abgesendeten bzw. empfangenen Signals kann damit beliebig eingestellt werden. Auch der simultane Sende- und Empfangsbetrieb ist möglich.
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Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist in der Darstellung der 2 als Mikrostreifenleitung (8) auf einem Substrat (81) ausgeführt. Der Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) ist hierzu an der Stelle der Ein- bzw. Auskopplung mit einer Aussparung versehen, die es erlaubt die Mikrostreifenleitung samt Substrat in den Hohlleiterstrahler (2) einzuführen. Damit die an den Innenwänden des Hohlleiterstrahlers (2) fließenden Hochfrequenzströme nicht gestört werden, sind elektrisch leitende Durchkontaktierungen ("vias") (83) vorgesehen, welche einen elektrischen Kontakt zwischen der Ober- und der Unterseite des Hohlleiterstrahlers (2) herstellen. Zudem ist eine Aussparung (82) im Substrat (81) vorgesehen, durch welche die Achse (6), die die Antriebseinheit (7) mit dem Phasenstellglied (3) verbindet, geführt werden kann.
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Werden nun mehrere phasengesteuerte Antennenelemente (1) miteinander verschaltet, dann entsteht eine erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne. Dies ist in 3 schematisch gezeigt
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3a zeigt schematisch die Gruppenantenne, 3b das zugehörige Speisenetzwerk (12). Es besteht aus zwei Netzwerken (12a) und (12b), die jeweils orthogonale Polarisation verarbeiten.
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Die Signale aller vier Antennenelemente (1) werden über die Speisenetzwerke (12a) und (12b), welche die Ein- bzw. Auskopplungen (8a) und (8b) enthalten, zusammengeführt bzw. im Sendebetrieb verteilt.
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Die Steuerung der Antriebe (7) der einzelnen Phasensteuerungen erfolgt durch eine Recheneinheit (13), welche z.B. ein Mikroprozessor sein kann, der an die Signalleitungen (10), welche alle Antriebseinheiten mit der Recheneinheit verbinden, angeschlossen ist.
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Die Ein- bzw. Auskopplungen (8a) und (8b) sowie die Speisenetzwerke (12a) und (12b) sind als Mikrostreifenleitung (8a, b) auf einem Substrat ausgeführt, analog zur Darstellung in 2.
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Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist zudem zweigeteilt als stiftförmige, orthogonale Mikrostreifenleitung (8a) und (8b) auf separaten Substraten ausgeführt.
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Solche Ausführungsformen können von Vorteil sein, wenn mit der Gruppenantenne zwei Signale orthogonaler Polarisation gleichzeitig empfangen und/oder gesendet werden sollen. Auch können Phasenungleichgewichte ("phase imbalances") kompensiert werden, wenn die Signale in einem orthogonalen System verarbeitet werden.
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Werden die Phasensteuerungen (3) nun mit Hilfe der Recheneinheit (13) so eingestellt, dass zwischen den Signalen der Einzelelemente eine konstante relative Phasendifferenz ∆φ besteht, dann zeigt der Hauptstrahl der Gruppenantenne in eine bestimmte, von der Phasendifferenz ∆φ abhängige Richtung.
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Da über das Speisenetzwerk (12) die Amplitudenrelationen der gesendeten bzw. empfangenen Signale der einzelnen Antennenelemente (1) genau bekannt sind und zusätzlich über die Phasensteuerungen (3) die Phasenlage jedes dieser Signale genau bestimmbar ist, ist das Antennendiagramm der Gruppenantenne in jedem Zustand der Gruppenantenne (d.h. auch zu jedem beliebigen Zeitpunkt) vollständig deterministisch bestimmt.
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Wenn die erforderliche Rechenleistung in einem Mikroprozessor oder an einer anderen Stelle des Antennensystems zur Verfügung steht, ist es daher möglich, das gesamte Antennendiagramm zu jedem Zeitpunkt mit sehr hoher Genauigkeit analytisch zu berechnen. Dies stellt, insbesondere im Hinblick auf die typischerweise in zivilen Anwendungen geforderte regulatorische Konformität des Antennendiagramms, einen wesentlichen Vorteil erfindungsgemäßer Anordnungen dar.
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Auch wenn die Gruppenantennen mehrere tausend Einzelantennen beinhalten, wie dies z.B. im Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz typischerweise der Fall ist, kann mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation (FFT) das entsprechende Antennendiagramm mit relativ geringer Rechenleistung sehr genau berechnet werden. Entsprechend schnelle FFT Algorithmen sind hinlänglich bekannt.
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Das Gewicht der Phasensteuerung (Phasenstellglied (3), Verbindung (6) und Antriebseinheit (7)) der einzelnen Antennenelemente (1) ist typischerweise sehr klein. Werden die Polarisatoren (5) in Dünnschichttechnologie auf dünnen HF-Substraten ausgeführt, und wird die Halterung aus geschlossenzelligem Schaum hergestellt, dann beträgt das Gewicht der Phasensteuerung typischerweise nur wenige Gramm. Daher sind auch für die Antriebseinheit nur sehr kleine und leichte Aktuatoren, wie etwa Mikro-Elektromotoren, erforderlich. Das Gewicht solcher Mikro-Elektromotoren liegt ebenfalls im Grammbereich.
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Das Gewicht einer einzelnen Phasensteuerung, insbesondere im Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz, beträgt dann nur einige Gramm, was selbst bei Gruppenantennen mit tausend Einzelstrahlern ein Gesamtgewicht der gesamten Phasensteuerung der Gruppenantenne von nur einigen Kilogramm ergibt. Dies ist insbesondere bei Anwendungen auf Flugzeugen, bei denen das Gewicht so gering wie möglich sein sollte, von Vorteil.
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Hinzu kommt die sehr geringe Dissipation der erfindungsgemäßen Phasensteuerung. Der Wärmeeintrag der Phasenstellglieder ist wegen der sehr geringen Ohmschen Verluste vernachlässigbar. Werden Elektromotoren als Antriebseinheiten verwendet, dann beträgt deren Wirkungsgrad typischerweise > 95%, so dass auch die Antriebseinheiten praktisch keinen Wärmeeintrag hervorrufen. Zudem liegt die Leistungsaufnahme etwa von Mikro-Motoren lediglich im mW-Bereich, so dass der Leistungsbedarf der Phasensteuerungen selbst bei Gruppenantennen mit tausend Einzelstrahlern nur bei einigen Watt liegt.
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Dies ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Phasensteuerung. Selbst bei Gruppenantennen mit vielen tausend Einzelstrahlern ist weder im Sendebetrieb noch im Empfangsbetrieb eine aktive Kühlung erforderlich. Im Gegensatz dazu ist bei Gruppenantennen, welche herkömmliche Halbleiter-Phasenschieber oder MEMS-Phasenschieber verwenden, mindestens im Sendebetrieb wegen der hohen Verluste eine aufwändige aktive Kühlung unerlässlich.
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Die Speisenetzwerke (12) der phasengesteuerten Gruppenantenne können wie in 3b schematisch dargestellt aus Mikrostreifenleitungen auf einem geeigneten HF-Substrat bestehen. Zur Minimierung von Verlusten können diese Mikrostreifenleitungen auch als aufgehängte Mikrostreifenleitungen ("suspended striplines"), also in koaxialer Bauweise, ausgeführt werden. Auch können Teile der Speisenetzwerke (12) aus Hohlleitern bestehen, was die Verluste noch weiter reduzieren kann.
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So ist es z.B. vorteilhaft, Gruppen von phasengesteuerten Antennenelementen (1) innerhalb der Gruppenantennen über Mikrostreifenleitungen zu verbinden und diese Gruppen dann weiter über Hohlleiter zusammenzuschalten. Solche hybriden Speisenetzwerke (12) lassen dann eine hohe Antennenelementdichte zu. Wenn die langen Wege, z.B. bei großen Gruppenantennen, in Hohlleitertechnik ausgeführt werden, bleiben die Verluste aber dennoch begrenzt.
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Die Wellenimpedanz des Antennenelements (1) ist konstruktionsbedingt vollkommen unabhängig von der relativen Phasenlage von ein- und auslaufender Welle. Bei Antennenelementen, welche mit Hilfe von nichtlinearen Phasenschiebern wie etwa Halbleiterphasenschiebern oder Flüssigkristallphasenschiebern in ihrer Phasenlage gesteuert werden, ist dies typischerweise nicht der Fall. Dort ist die Wellenimpedanz von der relativen Phasenlage abhängig, was diese Bauteile schwierig zu steuern macht.
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Der Hohlleiterstrahler (2) ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er mindestens ein zylinderförmiges Hohlleiterstück beinhaltet. Damit ist sicher gewährleistet, dass sich in seinem Innern eine zylindersymmetrische elektromagnetische Schwingungsmode (Mode) zirkularer Polarisation ausbilden kann, welche von den Polarisatoren (5) in eine Mode linearer Polarisation transformiert werden kann.
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Sowohl der Hohlleiterabschluss des Hohlleiterstrahlers, als auch seine Öffnung (Apertur) müssen hingegen nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Je nach Art der Aus- bzw. Einkopplung (8) kann der Hohlleiterabschluss z.B. konisch oder einseitig gestuft ausgeführt sein. Die Apertur des Hohleiterstrahlers kann z.B. bei der Anwendung in zweidimensionalen Antennenfeldern z.B. auch konisch (Hornstrahler), quadratisch oder rechteckig ausgelegt werden.
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Da sich zylindersymmetrische Moden auch in Hohlleitern mit nicht-kreisförmigen Querschnitten, wie z.B. elliptischen oder vieleckigen Querschnitten, ausbreiten können, sind jedoch auch andere Bauformen des Hohlleiterstrahlers denkbar.
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Für Anwendungen oberhalb von 10 GHz kann es für dicht gepackte Gruppenantennen von Vorteil sein, den Hohlleiterstrahler als Rundhohlleiter auszubilden, da solche Hohlleiter die höchste Packungsdichte erlauben und zudem zylindersymmetrische Hohlraummoden unterstützen.
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Um den Antennengewinn des phasengesteuerten Antennenelements zu verbessern, kann es darüber hinaus von Vorteil sein, den Hohlleiterstrahler als Hornstrahler auszulegen.
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Im Übrigen erfolgt die dimensionsmäßige Auslegung des Hohlleiterstrahlers (2) für ein bestimmtes Betriebsfrequenzband den bekannten Verfahren der Antennentechnik.
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Die Drehachse (11) der Phasenstellglieder (3) liegt vorzugsweise in der Symmetrieachse des jeweiligen zylinderförmigen Hohlleiterstücks, welches jeder Hohlleiterstrahler (2) vorzugsweise beinhaltet.
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Die Polarisatoren (5a) und (5b) sind vorzugsweise senkrecht zur Drehachse (11) und parallel zueinander in der Halterung (4) angebracht.
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Für die Drehung des Phasenstellglieds (3) ist eine Drehung um einen Viertelkreis (–45° bis +45°) typischerweise ausreichend um bei einer Gruppenantenne einen Schwenkbereich von –90° bis +90° zu realisieren und damit die gesamte Hemisphäre über der Antenne abzudecken.
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Die Phasensteuerung arbeitet dabei praktisch verlustlos, da bei entsprechender Auslegung die durch die Polarisatoren (5a, b) und den dielektrischen Halter (4) induzierten Verluste sehr klein sind. Bei Frequenzen von 20 GHz zum Beispiel betragen die gesamten Verluste weniger als 0, 2 dB, was einer Effizienz von mehr als 95% entspricht. Konventionelle Phasenschieber dagegen haben typischerweise bei diesen Frequenzen bereits Verluste von mehreren dB.
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Bezüglich seiner Hochfrequenzeigenschaften ist die erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantenne daher kaum von einem entsprechenden Antennenfeld ohne Phasensteuerung unterscheidbar.
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So ist bekannt, dass z.B. dielektrisch gefüllte Hornstrahler, insbesondere bei Frequenzen größer 20 GHz, wegen ihrer hohen Antenneneffizienz in Antennenfeldern zum Einsatz kommen. Werden solche Antennenfelder als erfindungsgemäße phasengesteuerte Gruppenantennen realisiert, dann ändern sich die HF-Eigenschaften, insbesondere Antennengewinn und Antenneneffizienz, der Antennenfelder trotz der zusätzlichen Phasensteuerung vorteilhafterweise nicht.
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Wird die Antriebseinheit (7) mit einem Winkellagegeber ausgestattet, oder ist sie selbst schon winkellagegebend (wie z.B. manche Piezomotoren), so kann die Phasenlage der vom Holleiterstrahler abgestrahlten Welle (14a) zu jedem Zeitpunkt instantan exakt bestimmt werden.
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Wegen des einfachen Aufbaus des Phasenstellglieds (3) und der Tatsache, dass lediglich sehr einfach aufgebaute Antriebe (7) für die Viertelkreisdrehung erforderlich sind, lässt sich die Phasensteuerung sehr kostengünstig realisieren. Auch große phasengesteuerte Gruppenantennen mit vielen tausend Antennenelementen sind ohne weiteres möglich.
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Als Antriebseinheiten (7) kommen zum Beispiel sowohl kostengünstige Elektromotoren bzw. Mikro-Elektromotoren, als auch Piezomotoren, oder einfache Aktuatoren, die aus elektroaktiven Materialen aufgebaut sind, in Frage.
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Vorzugsweise sind die Antriebselemente SMD-Bauteile, welche direkt auf eine geeignete Platine als Träger (9) gelötet werden können. Die Versorgungs- und Steuerleitungen (10) können dann als Mikrostreifenleitungen ausgeführt werden, was eine hohe Integrationsdichte erlaubt.
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Das Verbindungselement (6) ist bevorzugt als Achse ausgeführt und besteht dabei vorzugsweise aus einem nichtmetallischen, dielektrischen Kunststoffmaterial wie z.B. Plastik. Dies hat den Vorteil, dass zylindrische Hohlraummoden nicht, oder nur sehr wenig gestört werden, wenn die Achse symmetrisch im Hohlleiterstrahler (1) angebracht wird.
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Werden zum Betrieb des Hohlleiterstrahlers (2) Koaxialmoden verwendet, dann können allerdings auch metallische Achsen zur Anwendung kommen.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass die Antriebseinheit (7) z.B. neben dem Hohleiterstrahler (2) angebracht ist und das Verbindungselement (6) z.B. aus einem Riemen besteht, der durch kleine seitliche Öffnungen im Hohlleiterstrahler geführt wird, und so das Phasenstellglied antreibt.
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Zudem ist denkbar, dass die Antriebseinheit (7) das Phasenstellglied (3) kontaktlos, z.B. über ein rotierendes magnetisches Feld, dreht. Hierzu kann z.B. über dem Abschluss des Hohlleiterstrahlers ein magnetischer Rotator angebracht werden, der dann zusammen mit dem rotierenden magnetischen Feld als Verbindungselement (6) wirkt, wenn z.B. Teile des Polarisators aus magnetischen Materialien bestehen.
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Die Polarisatoren (5a, b) können z.B. aus einfachen, ebenen Mäanderpolarisatoren bestehen, welche auf ein herkömmliches Trägermaterial aufgebracht sind. Hergestellt werden können diese Polarisatoren durch bekannte Ätzverfahren oder durch additive Verfahren ("circuit printing").
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Wie in 4 dargestellt, besitzen die mindestens zwei Polarisatoren (5a) und (5b) vorzugsweise eine zur Achse (11) symmetrische Form, so dass sie im zylindersymmetrischen Hohlleiterstück des Hohlleiterstrahlers in einfacher Weise untergebracht werden können.
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Der in 4 dargestellte Polarisator (5a, b) ist als Mäanderpolarisator ausgeführt. Vorteilhaft sind dabei Mehrschicht-Mäanderpolarisatoren, da diese große Frequenzbandbreiten aufweisen können und so einen breitbandigen Betrieb ermöglichen.
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Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es jedoch auch eine Vielzahl von anderen möglichen Ausführungsformen von Polarisatoren für elektromagnetische Wellen, welche eine Welle zirkularer Polarisation in eine Welle linearer Polarisation transformieren können.
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So sind z.B. Ausführungsformen denkbar, bei denen die Umwandlung der Signalpolarisation nicht durch ebene Polarisatoren sondern durch räumlich in der Halterung verteilte Strukturen erfolgt (z.B. Septum-Polaristoren). Für die Funktion der Erfindung kommt es lediglich darauf an, dass diese Strukturen eine in den Hohlleiterstrahler (2) einfallende Welle mit zirkularer Polarisation zunächst in eine Welle mit linearer Polarisation transformieren und anschließend in eine Welle mit zirkularer Polarisation zurücktransformieren können.
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Für die Halterung (4) können z.B. geschlossenzellige Schäume mit geringer Dichte, welche bekanntermaßen sehr geringe HF-Verluste aufweisen, aber auch Plastikmaterialien wie Polytetrafluorethylen (Teflon) oder Polyimide verwendet werden. Wegen der insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz geringen Größe des Phasenstellglieds im Bereich einer Wellenlänge, bleiben die HF-Verluste bei entsprechender Impedanzanpassung an die entsprechende elektromagnetische Mode im Hohlleiterstrahler (1) auch hier sehr klein.
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Da elektrodynamisch betrachtet die dimensionsmäßige Auslegung des Phasenstellglieds (3) bei einer bestimmten Betriebsfrequenz in ähnlicher Weise erfolgt wie die dimensionsmäßigen Auslegung des Hohlleiterstrahlers (2) bei einer bestimmten Betriebsfrequenz, kann das Phasenstellglied (3) typischerweise ohne weiteres im Inneren des Hohlleiterstrahlers (2) angebracht werden.
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In jedem Fall kann, auch wenn die Dimension des Hohlleiterstrahlers (2) sehr klein gewählt wird, durch entsprechende Wahl der Dielektrizitätszahl für das Material des Halters (4), das Phasenstellglied (3) so klein gemacht werden, dass es im Hohlleiterstrahler (2) Platz findet.
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So liegt nach den bekannten Auslegungsvorschriften für einen Hohlleiterstrahler dessen minimaler Durchmesser typischerweise im Bereich einer Wellenlänge der Betriebsfrequenz. Die Ausdehnung des Hohlleiterstrahlers in Richtung der einfallenden Wellen liegt typischerweise bei einigen Wellenlängen der Betriebsfrequenz.
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Da die Polarisatoren (5a) und (5b) und ihr Abstand (z.B. halbe Wellenlänge) zueinander ebenfalls entsprechend der Wellenlänge der Betriebsfrequenz nach den bekannten Verfahren der Impedanzanpassung ausgelegt werden, liegen die Dimensionen des Phasenstellglieds immer im Bereich der Dimensionen des Hohlleiterstrahlers.
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Bei einer Frequenz von 20 GHz z.B. liegen die Abmessungen des Phasenstellglieds (3) typischerweise im Bereich kleiner als eine Wellenlänge, d.h. ca. 1cm × 1cm. Wird die Halterung (4) als dielektrischer Füllkörper ausgelegt und die Dielektrizitätskonstante entsprechend groß gewählt, dann können auch sehr viel kleiner Formfaktoren realisiert werden. Die Ohmschen Verluste steigen dann zwar leicht an, liegen aber immer noch lediglich im Prozentbereich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Figuren weitere erläutert, dabei zeigen:
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5 eine quadratische Gruppenantenne,
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6 ein Antennenelement mit zusätzlichem Polarisator,
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7 ein Antennenelement mit Füllkörper,
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8 ein Antennenelement mit drehbarem zusätzlichen Polarisator,
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9 eine Gruppenantenne mit gemeinsamen zusätzlichen Polarisator, und
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10 eine Gruppenantenne mit gemeinsamer Antriebseinheit für mehrere Antennenelemente.
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In 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer quadratischen Gruppenantenne mit 8 × 8 = 64 phasengesteuerten Antennenelementen (1) dargestellt.
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Die Antennenelemente (1) sind in einem zweidimensionalen Feld angeordnet und die Steuerleitungen (10) der Antriebseinheiten (7) der einzelnen phasengesteuerten Antennenelemente (1) sind mit einer Mikroprozessoreinheit (13) als Recheneinheit verbunden.
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Mit Hilfe solcher zweidimensionaler Anordnungen von phasengesteuerten Antennenelementen (1) lässt sich die Hauptkeule des Antennendiagramms des Antennenfelds, welches eine zweidimensionale Gruppenantenne bildet, in jede beliebige Richtung in der Halbkugel oberhalb des Feldes schwenken.
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Die Ausrichtung der Antennenstrahls ("antenna beam") erfolgt dabei in einer zu Darstellung in 3a analogen Weise dadurch, dass durch die Mikroprozessoreinheit (13) die Antriebseinheiten (7) der einzelnen Antennenelemente derart gesteuert werden, dass die Phasenstellglieder der einzelnen Antennenelemente (1) so gedreht werden, dass eine bestimmte relative Phasenbeziehung zwischen den Antennenelementen (1) der Gruppenantenne herrscht.
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Die Präzision der Ausrichtung des Hauptstrahls ist dabei sehr hoch, weil sich die Phasenlage der von den einzelnen Antennenelementen (1) abgestrahlten bzw. empfangenen Signale mit Hilfe der Phasensteuerung beliebig, und prinzipiell auch beliebig genau, einstellen lässt.
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Die stellt einen weiteren erheblichen Vorteil solcher Gruppenantennen z.B. im Vergleich mit phasengesteuerten Gruppenantennen, welche binäre Phasenschieber verwenden, dar. Denn bei binären Phasenschiebern kann prinzipiell die Phasenlage der Einzelsignale nur in bestimmten Schritten granular eingestellt werden. Eine hochpräzise Ausrichtung des Antennendiagramms ist so prinzipiell nicht möglich.
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Der direkte Empfang bzw. das Senden von Signalen mit linearer Polarisation durch die phasengesteuerte Gruppenantenne wird durch die Verwendung spezieller phasengesteuerter Antennenelemente (1) möglich.
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Ein solches Antennenelement ist in 6 schematisch dargestellt und dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlleiterstrahler (2) des phasengesteuerten Antennenelements (1) vor dem Phasenstellglied (3) mindestens ein weiterer Polarisator (15) angebracht ist, welcher Signale mit linearer Polarisation in Signale mit zirkularer Polarisation transformieren kann, und nach dem Phasenstellglied (3) und vor der Auskopplung (8) mindestens ein weiterer Polarisator (16) angebracht ist, welcher Signale zirkularer Polarisation in Signale linearer Polarisation transformieren kann.
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Das Phasenstellglied (3) besteht weiterhin aus der Halterung (4) und den Polarisatoren (5a) und (5b) und verfügt über eine Antriebseinheit (7), welche über das Verbindungselement (6) mit dem Phasenstellglied (3) bzw. der Halterung (4) derart verbunden ist, dass das Phasenstellglied (3) im Hornstrahler (2) gedreht werden kann.
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Dadurch, dass der erste zusätzliche Polarisator (15) ein einfallendes Signal mit linearer Polarisation in ein Signal mit zirkularer Polarisation umwandelt, kann das Phasenstellglied (3) seine Funktion ohne weiteres ausüben.
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Der Polarisator (16), welcher nach dem Phasenstellglied (3) und vor der Auskopplung (8) angebracht ist, transformiert das vom Phasenstellglied (3) erzeugte Signal zirkularer Polarisation dann wieder zurück in ein Signal linearer Polarisation, welches von einer entsprechend für lineare Moden ausgelegten Auskopplung (8) direkt ausgekoppelt werden kann.
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Die Funktion der Anordnung ist wieder vollständig reziprok. Im Sendefall wird durch die Einkopplung (8) eine lineare Mode im Hohlleiterstrahler (2) angeregt, welche durch den zweiten Polarisator (16) in eine zirkulare Mode transformiert wird. Dieser zirkularen Mode wird mit dem Phasenstellglied (3) eine vom Drehwinkel des Phasenstellglieds (3) um die Achse (11) abhängige Phasenlage aufgeprägt. Das zirkular polarisierte Signal mit der eingestellten Phasenlage, welches das Phasenstellglied (3) verlässt, wird vom ersten zusätzlichen Polarisator (15) in ein Signal mit linearer Polarisation und der aufgeprägten Phasenlage transformiert und vom Hohlleiterstrahler (2) des Antennenelements (1) abgestrahlt.
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Die in 6 dargestellte Anordnung funktioniert zudem auch für zwei simultan einfallende orthogonale lineare Polarisationen, wenn die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) entsprechend für zwei orthogonale lineare Moden ausgelegt ist, z.B. so wie in 3 dargestellt.
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Das simultane Senden und Empfangen von Signalen gleichartiger oder unterschiedlicher Polarisation ist ebenfalls möglich.
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Eine Ausführungsform des in 6 gezeigten Antennenelements ist in 7 schematisch dargestellt.
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Die Signalauskopplung bzw. -einkopplung (8) ist analog zur Darstellung der 2 als Mikrostreifenleitung auf einem Substrat einteilig ausgeführt.
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Die zusätzlichen Polarisatoren (15) und (16) sind jeweils in einen dielektrischen Füllkörper (17a) bzw. (17b) eingebettet und typischerweise fest im Hohlleiterstrahler (2) montiert. Der Hohlleiterabschluss unterhalb der Aus- bzw. Einkopplung (8) ist ebenfalls mit einem dielektrischen Füllkörper (17) gefüllt.
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Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass der gesamte Innenraum des Hohlleiterstrahlers (2) mit einem typischerweise gleichartigen Dielektrikum gefüllt ist und es damit nicht zu Modendiskontinuitäten kommen kann.
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Der Polarisator (16) und sein dielektrischer Füllkörper (17a) besitzen ebenso wie der dielektrische Füllkörper (17) eine Aussparung für das Verbindungselement (6) analog zum Substrat (vgl. 2 (81)), so dass das Verbindungselement (6) frei gedreht werden kann.
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Analog zur der in 3a und 3b dargestellten zweiteiligen Auskopplung (8a, b) kann auch im Ausführungsbeispiel der 7 die Auskopplung (8) zweiteilig für zwei orthogonale lineare Moden ausgelegt werden.
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Um eine Polarisationsdrehung einer einfallenden Welle zu kompensieren, ist es zudem denkbar, den ersten zusätzlichen Polarisator (15) drehbar zu gestalten und mit einem eigenständigen Antrieb auszustatten, so dass dieser Polarisator (15) unabhängig vom Phasenstellglied (3) im Hohlleiterstrahler (2) um die Achse (11) gedreht werden kann.
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Eine solche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in mobilen Anordnungen wegen der Bewegung des Trägers eine Drehung des Polarisationsvektors der einfallenden Welle relativ zur fest auf dem Träger montierten Gruppenantenne auftritt.
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Da eine solche Polarisationsdrehung im Allgemeinen unabhängig von der Phasendrehung ist, welche der räumlichen Ausrichtung des Antennenstrahls dient, muss die Drehung des Polarisators (15) unabhängig von der Drehung des Phasenstellglieds (3) erfolgen können.
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Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 8 schematisch dargestellt.
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Der erste zusätzliche Polarisator (15) ist drehbar im Hohlleiterstrahler (2) montiert und mit Hilfe einer Achse (18) mit einem eigenen Antrieb (19) verbunden, so dass der Antrieb (19) den Polarisator (15) um die Achse (11) drehen kann.
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Die unabhängige Drehung des Polarisators (15) von der Drehung des Phasenstellglieds (3) ist im Ausführungsbeispiel der 8 so realisiert, dass die Achse (6), welche das Phasenstellglied (3) mit seinem Antrieb (7) verbindet, als Hohlachse ausgeführt ist. In dieser Hohlachse befindet sich die Achse (18), welche den Polarisator (15) mit seinem Antrieb (19) verbindet.
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Da die Polarisationsebene einer Welle mit linearer Polarisation nur in einem Winkelbereich von 180° definiert ist, ist für die Drehung des Polarisators (15) ein Winkelbereich von –90° bis +90°, d.h. eine Halbkreisdrehung, ausreichend.
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Der zweite zusätzliche Polarisator (16) ist fest im Hohlleiterstrahler (2) angebracht, da seine Ausrichtung die Ausrichtung der linearen Mode bestimmt, welche von der Aus- bzw. Einkopplung (8) aus- bzw. eingekoppelt wird. Die feste Ausrichtung des Polarisators (16) richtet sich daher nach der Lage der Aus- bzw. Einkopplung (8).
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Wird die Aus- bzw. Einkopplung (8) zweigeteilt realisiert, z.B. so wie im Ausführungsbeispiel der 3a und 3b, dann kann auf den Polarisator (16) auch verzichtet werden, da das vom Phasenstellglied erzeugte zirkular polarisierte Signal prinzipiell alle Information der einfallenden Welle enthält. Zur Rekombination des ursprünglichen Signals kann dann z.B. ein 90° Hybridkoppler verwendet werden, in welchem das in die Anteile der Kopplung (8a) und (8b) aufgeteilte Signal eingespeist wird.
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Für die phasengesteuerte Gruppenantenne ist dann, bedingt durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Phasensteuerung, nur ein einziger 90° Hybridkoppler erforderlich, der z.B. am Fußpunkt des Speisenetzwerks (12) der Gruppenantenne in das Speisenetzwerk (12) integriert werden kann.
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Da Polarisationsdrehungen einer einfallenden Welle linearer Polarisation alle Antennenelemente einer phasengesteuerten Gruppenantenne in gleicher Weise betreffen, ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der über der Gruppenantenne ein drehbarer Polarisator angebracht ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Gruppenantenne, welche aus erfindungsgemäßen phasengesteuerten Antennenelementen (1) besteht, und welche mit einem Polarisator (21) ausgestattet ist, der sich drehbar über der Antennengruppe befindet, wird in 9 schematisch dargestellt.
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Die Gruppenantenne der 9 besteht aus 52 Antennenelementen (1), welche in einem zweidimensionalen Feld kreisförmig angeordnet sind. Über der Antennengruppe ist ein gemeinsamer Polarisator (21) drehbar angebracht, welcher eine Mehrzahl, insbesondere auch alle Antennenelemente (1) abdeckt.
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Der Polarisator (21) ist hier als Mäanderpolarisator ausgelegt und kann um eine Achse (22), welche senkrecht zum Antennenfeld steht, gedreht werden.
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Fällt nun eine Welle linearer Polarisation auf die Anordnung ein, dann kann der Polarisator (21) so gedreht werden, dass er diese Welle linearer Polarisation in eine Welle zirkularer Polarisation transformiert.
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Bei einem Mäanderpolarisator ist dies ein Drehwinkel, bei dem die Achsen der Mäanderlinien mit dem Polarisationsvektor der einfallenden Welle einen Winkel von 45° einschließen. Bei anderen Drehwinkeln würde hingegen eine Welle mit allgemeiner elliptischer Polarisation entstehen.
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Das so in ein Signal zirkularer Polarisation transformierte Signal wird in die phasengesteuerten Antennenelemente (1) der Gruppenantenne, welche z.B. entsprechend der in den 3, 7 oder 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgelegt sind, eingespeist. Die Phasenlage des Signals kann dann wieder in der bereits beschriebenen Weise über die Phasenstellglieder (3) der einzelnen Antennenelemente (1) eingestellt und der Hauptstrahl der Antennengruppe entsprechend gesteuert werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 10 schematisch dargestellt. Die Gruppenantenne besteht aus einen zweidimensionalen Feld von 16 phasengesteuerten Antennenelementen (1), welche quadratisch angeordnet sind. Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsbeispielen besitzt hier jedoch nicht jedes Antennenelement einen eigenen Antrieb (7), sondern jeweils 4 in einer Reihe liegende Antennenelemente haben einen gemeinsamen Antrieb. Die Antriebe (7) sind mit Hilfe der Verbindungselemente (6) mit jedem der Phasenstellglieder (3) der 4 Antennenelemente (1) verbunden.
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Die oberste Reihe hat keinen Antrieb. Die Phasenstellglieder dieser Antennenelemente sind gleich eingestellt und bestimmen damit die Referenzphase φ. Da es für die Ausrichtung des Hauptstrahls der Gruppenantenne nur auf die relativen Phasenlagen der Signale der Antennenelemente ankommt, ist eine solche Anordnung ganz allgemein möglich.
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Die Richtungen, in die der Hauptstrahl der Gruppenantenne geschwenkt werden kann, sind mit dieser Anordnung allerdings eingeschränkt auf eine Ebene, die senkrecht zum zweidimensionalen Antennenfeld und parallel zu der in 10 bezeichneten Linie A A' liegt. Nur in dieser Ebene kann der Hauptstrahl geschwenkt werden.
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Werden die Phasenstellglieder der verschiedenen Reihen der Antennengruppe nun mit Hilfe der Antriebe (7) so eingestellt, dass eine feste relative Phasendifferenz von ∆φ zwischen den Reihen besteht, dann schwenkt der Antennenstrahl der Gruppenantenne von der Normalen des zweidimensionalen Feldes in dieser Ebene weg. Der Schwenkwinkel ist wieder proportional zur Phasendifferenz ∆φ.
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Die Einschränkung des Schwenkbereichs auf eine Ebene muss für viele Anwendungen jedoch keine Einschränkung des Funktionsumfangs der so gebildeten Gruppenantennen darstellen.
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Wenn die Gruppenantenne auf einem drehbaren Träger (23) angebracht wird, und um eine Achse, die senkrecht zum Antennenfeld steht, gedreht werden kann, dann kann der Hauptstrahl der Anordnung wieder in jede Richtung in der über der Anordnung liegenden Halbkugel gesteuert werden.
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Der Vorteil der Ausführungsform liegt darin, dass die Zahl der erforderlichen Antriebseinheiten (7) stark reduziert wird. Im Allgemeinen sind nicht mehr N Antriebe, wenn N die Zahl der Antennenelemente einer Gruppenantenne bezeichnet, sondern nur noch √N Antriebe erforderlich. Hinzu kommt dann lediglich noch ein Antrieb für die Drehung der Gruppenantenne als Ganzes.
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Für Anwendungen bei denen es lediglich um ein möglichst niedriges Profil der Gruppenantenne geht, und bei denen keine allzu hohen Strahlschwenkgeschwindigkeiten erforderlich sind, kann die Ausführungsform daher von Vorteil sein.
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Da der in einer Ebene senkrecht zum Antennenfeld liegende Schwenkbereich einen Winkelbereich von –90° bis +90° umfasst, ist der für die Drehung der Antennengruppe erforderliche Winkelbereich lediglich ebenfalls nur 180°. Es ist also keine vollständige Drehung notwendig. Aufwändige Hochfrequenzdrehdurchführungen sind nicht erforderlich.
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In einer einfachen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Antennengruppe z.B. auf einem Flachbettlager montiert und wird von einem außen liegenden Antrieb gedreht und die Signalleitungen, sowie die Versorgungs- und Steuerleitungen der Antriebe werden mit Hilfe von flexiblen Kabeln und Kabelwicklern ("cable wraps") zur Antennengruppe geführt.
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Die Antriebseinheiten (7) der einzelnen Reihen können z.B. mit Hilfe von Zahnrädern oder Treibriemen die Achsen der Phasenstellglieder (3) der Antennenelemente (1) einer Reihe drehen. Auch Schneckengetriebe oder Schraubenantriebe sind z.B. als Verbindungselemente (6) möglich.
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Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die beschriebenen Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung eine Vielzahl von Variationen und Kombinationen möglich machen, welche hier nicht beschrieben sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antennenelemente
- 2
- Hohlleiterstrahler
- 3
- Phasenstellglied
- 4
- Halterung
- 5
- Polarisator
- 6
- Verbindungselement
- 7
- Antriebseinheit
- 8, 8a, 8b
- Signalaus/einkopplung, Mikrostreifenleit.
- 9
- Träger
- 10
- Steuerleitungen
- 11
- Achse
- 12, 12a, 12b
- Speisenetzwerk
- 13
- Recheneinheit, Mikroprozessor
- 14, 14a, 14b, 14c
- Welle
- 15, 16
- Zusätzliche Polarisatoren
- 17, 17a, 17b
- Füllkörper
- 18
- Achse des zusätzlichen Polarisators
- 19
- Antrieb des zusätzlichen Polarisators
- 21
- Polarisator für mehrere Antennenelemente
- 22
- Achse des Polarisators
- 23
- Drehbarer Träger
- 81
- Substrat
- 82
- Aussparung
- 83
- Durchkontaktierung
