DE102018201580B4

DE102018201580B4 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102018201580B4
Application number: DE102018201580.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander POPUGAEV; Mengistu Tessema; Rainer Wansch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: EP3747084B1; US11424553B2; ES2913762T3; DE102018201580A1; WO2019149820A1; CA3090193A1; EP3747084A1; CA3090193C; US20200366001A1

Abstract

Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') zur Speisung einer Antennenstruktur mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Eingang (10e1) für LHCP-Signale, einem zweiten Eingang (10e2) für RHCP-Signale;
vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4);
einem ersten Quadraturhybrid (12);
einem zweiten und dritten Quadraturhybrid (14, 16), und
mindestens zwei Verzögerungsleitungen (7, 7');
wobei das erste Quadraturhybrid (12) eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Eingang (10e1, 10e2) gekoppelt ist und ausgangsseitig mit dem zweiten und dem dritten Quadraturhybrid (14, 16),
wobei das zweite Quadraturhybrid (14) ausgangsseitig mit zwei der vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist und wobei das dritte Quadraturhybrid (16) ausgangsseitig mit zwei weiteren der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist;
wobei die mindestens zwei Verzögerungsleitungen (7, 7') an zwei der vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) angeordnet sind.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Antennenstruktur sowie auf eine Antennenanordnung mit einer entsprechenden Schaltungsanordnung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Speisenetzwerk mit erweiterter Bandbreite für dual und einfach zirkular polarisierende Antennenstrukturen.
Stand der Technik formt unter anderem die US 2013 / 0 201 066 A1 , die ein schnurloses Kommunikationsmodul zeigt, das vier Einspeisepunkte aufweist. Hier ist offenbart, dass zwei Eingänge für LHCP- und RHCP-Signale vorgesehen sind. Des Weiteren formt die DE 10 2009 011 542 A1 weiteren Stand der Technik. Diese Schrift zeigt eine Antenne für den Empfang zirkular in eine Drehrichtung der Polarisation auf gestrahlte Satelliten-Funksignale.
Die US 6 618 016 B1 beschreibt eine Antenne für ein Flugzeug zum Empfangen von GPS-Signalen.
Die DE 38 82 430 T2 beschreibt eine in die Flugzeughaut integrierte Mehrmodenrundumantenne.
Zirkulare Polarisation bietet für viele Anwendungen den Vorteil, dass auf eine Polarisationsnachführung verzichtet werden kann. So sind beispielsweise die Signale der globalen Navigationssysteme (GNSS) rechtshändig zirkular polarisiert (RHCP). In diesem Zusammenhang wird auf 6 verwiesen, die die GNSS-Signale im L-Band darstellt. Hierbei sind mit unterschiedlichen Schraffierungen die Bänder der einzelnen GNSS-Systeme (GPS - markierten Bezugszeichen L, GLONASS - markiert mit dem Bezugszeichen G, Galileo - markiert mit dem Bezugszeichen E und Beidou - markiert mit dem Bezugszeichen B) erkenntlich gemacht.
In einigen Störszenarien, z.B. bei Vorhandensein starker Mehrweginterferenzen oder bei Anwendungen von Spoofing-Attacken, kann durch eine zusätzliche Auswertung der orthogonal polarisierten Komponente eine höhere Robustheit und Zuverlässigkeit des GNSS-Empfangs ermöglicht werden. Die orthogonal polarisierte Komponente ist beispielsweise linkshändig zirkulär polarisiert (LHCP).
Im Stand der Technik wird dies beispielsweise dadurch ermöglicht, dass eine zusätzliche LHCP-Antenne eingesetzt wird. Alternativ kann auch ein zusätzlicher Ausgang für die LHCP-Komponente bzw. eine dual zirkulär polarisierte Antenne eingesetzt werden. Letzteres ist aus Kostengründen und aus Größengründen besonders vorteilhaft.
Aus der Literatur sind zahlreiche Varianten der Speisenetzwerke für einfach (RHCP oder LHCP) zirkular polarisierte Antennen, z. B. mit kardioidenförmigen Richtcharakteristika bekannt. Derartige kardioidenförmige Richtcharakteristika im TM11-Modus wird beispielsweise in 7c dargestellt. Je nach Ausführung des Strahlers (ob symmetrisch oder unsymmetrisch) erfolgt die Anregung an einem, zwei oder vier Speisepunkten.
Von besonderem Interesse sind Antennen mit Vier-Punkt-Speisung, da solche verhältnismäßig großen Bandbreiten nicht nur hinsichtlich der Impedanzanpassung, sondern auch der Form der Richtcharakteristik, des Polarisationsverhaltens (Achsenverhältnis der Polarisationsellipse) und der Phasenzentrumsvariation (essenziell für hochqualitative GNSS-Antennen) ermöglichen. In 7a und 7b ist ein breitbandiger Vertreter von Antennen mit Vier-Punkt-Speisung dargestellt (vgl. [2] und [3]), während die 7d-7f Multibandkonfigurationen zeigen (vgl. [4] und [5]), die nachfolgend mit Bezugnahme auf 7g erläutert werden.
7g illustriert eine Speisenetzwerkarchitektur 1 für einfach zirkular polarisierte Antennen dar (Vier-Punkt-Speisung für ein RHCP-Netzwerk). Das Speisenetzwerk 1 umfasst ein erstes Quadraturhybrid 12, das eingangsseitig am Speisenetzwerk 1 angeordnet ist (vgl. Eingang 1e) sowie ein zweites und ein drittes Quadraturhybrid 14 und 16, die ausgangsseitig angeordnet sind (vgl. Antennenausgänge 1a1, 1a2, 1a3 und 1a4). Jedes dieser Quadraturhybride 12, 14 und 16 umfasst zwei Eingänge 12e1 und 12e2 bzw. 14e1 und 14e2 bzw. 16e1 und 16e2 sowie zwei Ausgänge 12a1 und 12a2 bzw. 14a1 und 14a2 bzw. 16a1 und 16a2. Jedes Quadraturhybrid kann ein über einen der Eingänge 12e1 bis 16e2 empfangenes Signal mit einem Phasenversatz an einem der Ausgänge 12a1 bis 16a1 sowie ohne einen Phasenversatz einen anderen der Ausgänge 12a2 bis 16a2 weiterleiten.
Das Speisenetzwerk 1 hat am Eingang 1e das Quadraturhybrid 12 vorgesehen, das über das Quadraturhybrid 14 mit den Ausgängen 1a1 und 1a2 verbunden ist. Weiter ist das Quadraturhybrid 12 über das Hybrid 16 mit den Ausgängen 1a3 und 1a4 verbunden. Im Detail: das erste Quadraturhybrid 12 ist eingangsseitig angeordnet und erhält über den Ausgang 12e1 ein RHCP-Signal, wobei der zweite Ausgang 12e2 als terminiert anzusehen ist (vgl. Abschlusswiderstand 5). Das Quadraturhybrid 12 leitet das RHCP-Signal mit einem Phasenversatz von 90 Grad an den Ausgang 12a1 weiter und ohne Phasenversatz an den Ausgang 12a2. Über eine Verzögerungsleitung 7 (90 Grad Phasenversatz-Verzögerung) ist der Ausgang 12a1 mit dem Eingang 14e1 des zweiten Quadraturhybrids 14 verbunden. Der zweite Eingang des Quadraturhybrids 14, nämlich der Eingang 14e2 ist terminiert (vgl. Abschlusswiderstand 5). Die Ausgänge des zweiten Quadraturhybrids 14 sind mit den Ausgängen 1a1 und 1a2 verbunden (14a1 an 1a1 und 14a2 an 1a2). Einer der zwei Ausgänge 14a1 und 14a2, nämlich der Ausgang 14a2 fügte einen weiteren Phasenversatz von 90 Grad hinzu. Infolge des Phasenversatzes des ersten Quadraturhybrids 12 um 90 Grad, des Phasenversatzes der Verzögerungsleitung 97 Grad und folgend des Phasenversatzes des Ausgangs 14a2 (90 Grad-Ausgang) ist das Signal am Ausgang 1a2 um 270 Grad phasenversetzt, während das Ausgangssignal am 0 Grad-Ausgang 14a1, der mit dem Antennenausgang 1a1 verbunden ist, um 180 Grad phasenversetzt ist. Das dritte Quadraturhybrid 16 ist mit seinem Eingang 16e1 an den Ausgang 12a2 des ersten Quadraturhybrids 12 angekoppelt, während der zweite Eingang 16e2 terminiert ist (vgl. Abschlusswiderstand 5). Die Ausgänge 14a1 (0 Grad-Ausgang) und 16a2 (90 Grad-Ausgang) sind an die Antennenausgänge 1a3 und 1a4 angekoppelt (16a1 auf 1a3 und 16a2 auf 1a4). Das RHCP-Signal wird in Folge dieser Anordnung am Ausgang 1a3 um 0 Grad phasenversetzt, während es im Ausgang 1a4 um 90 Grad phasenversetzt ist (Versatz erfolgt durch das dritte Quadraturhybrid 16).
Mittels dieses hier erläuterten Vier-Punkt-Speisenetzwerks 1 kann beispielsweise auch die in 7a und 7b dargestellte Antenne betrieben werden, sofern Hybridkoppler eingesetzt werden, die für den Betrieb im gesamten GNSS-Frequenzbereich im L-Band (vgl. 6) konzipiert sind. Derartige Quadraturhybride (konzipiert für 1200-1600 MHz) sind in [6] offenbart.
Im Gegensatz zu der Speisenetzwerktopologie aus 7g sind nur sehr wenige Topologien bekannt, welche die Speisung von dual zirkular polarisierten Antennenstrukturen ermöglichen.
7h zeigt eine Speisenetzwerktopologie mit RHCP- und LHCP-Modus. Hierbei wird von einer Zweipunktspeisung ausgegangen. Das Speisenetzwerk 2 aus 7h umfasst einen für LHCP- und RHCP-Signale konzipierten Eingang 2e sowie zwei Ausgänge 2a1 und 2a2. Dazwischen ist ein Quadraturhybrid 12 geschaltet. Bei diesem Quadraturhybrid 12 werden über den Eingang 12e1 LHCP-Signale empfangen, während über den Eingang 12e2 RHCP-Signale empfangen werden. Der Ausgang 12a1 (90 Grad-Ausgang) ist mit dem Antennenausgang 2a2 verbunden, während der Ausgang 12a2 (0 Grad-Ausgang) mit dem Antennenausgang 2a2 verbunden ist. Die Aufteilung der Leistung in gleichen Teilen (jeweils -3 dB im Idealfall) erfolgt unter Zuhilfenahme des Quadraturhybrids 12 mit einem Phasenversatz von ∓ 90 Grad. Hierbei kann das Quadraturhybrid aus [6] verwendet werden. Die resultierende Amplitudenbelegung und Phasenbelegung ist in 7i dargestellt, wobei eben von dem Quadraturhybriden aus [6] ausgegangen wird.
7i oben zeigt den Betrag (Magnitude) über die Frequenz aufgetragen, während 7i unten die Transmissionsparameterphase über die Frequenz aufgetragen aufweist. Das Argument des komplexen Transmissionsfaktors S41 bei der Mittenfrequenz f₀ ist mit -θ₀ gekennzeichnet. Die realisierbare Bandbreite von so gespeisten Patch-Antennen hinsichtlich der Form der Richtcharakteristik und der Kreuzpolarisationsunterdrückung ist jedoch deutlich geringer als eine Vier-Punkt-gespeiste Antenne mit beispielsweise dem Speisenetzwerk 1 aus 7g. Auch im Fall von Multiband-Stack-Patch-Antennen beträgt die Bandbreite jeweils nur wenige Prozent.
Deshalb besteht der Bedarf nach Speisenetzwerken, die gleichsam breitbandig und fähig für den RHCP und den LHCP-Betrieb sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also ein Speisenetzwerk zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus Breitbandigkeit und Flexibilität aufweist.
Die Aufgabe durch die unabhängigen Patentansprüche ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Antennenstruktur. Die Schaltungsanordnung umfasst einen ersten Eingang für LHCP-Signale, einen zweiten Eingang für RHCP-Signale sowie vier Antennenausgänge. Das Schaltungsnetzwerk hat zwischen den Ein- und Ausgängen ein erstes, ein zweites, ein drittes Quadraturhybrid sowie mindestens zwei Verzögerungsleitungen vorgesehen. Das erste Quadraturhybrid ist eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Eingang gekoppelt und ausgangsseitig mit dem zweiten und dem dritten Quadraturhybrid. Das zweite Quadraturhybrid ist ausgangsseitig mit zwei der vier Antennenausgänge gekoppelt, wobei das dritte Quadraturhybrid ausgangsseitig mit zwei weiteren der vier Antennenausgänge gekoppelt ist. Die mindestens zwei Verzögerungsleitungen sind an zwei der vier Antennenausgänge, z. B. am zweiten und am dritten oder auch am ersten und vierten vorgesehen.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Schaltungsanordnung mit mindestens drei Quadraturhybriden und mindestens zwei Verzögerungsleitungen ein Speisenetzwerk mit zwei vordefinierten Signalpfaden geschaffen werden kann, das (erstens) eine erweiterte Bandbreite aufweist und (zweitens) sowohl für dual (erster und zweiter Pfad) als auch einfach zirkular-polarisierende (erster oder zweiter Pfad) Antennenstrukturen eingesetzt werden kann. Insofern werden die bezüglich des Stands der Technik diskutierten Nachteile vollumfänglich vermieden. Durch die geringe Komponentenzahl ist das Speisenetzwerk auch einfach aufzubauen. Entsprechend der bevorzugtem Ausprägung ist das Speisenetzwerk ausgebildet, um Antennen mit bis zu vier Speisepunkten anzusteuern.
Nachfolgend werden Varianten der Schaltung gemäß Ausführungsbeispielen erläutert: Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann das zweite Quadraturhybrid ausgangsseitig direkt mit dem ersten der vier Antennenausgängen gekoppelt sein und das Quadraturhybrid ausgangsseitig direkt mit dem vierten der vier Antennenausgänge gekoppelt sein. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind dann zur Ankopplung des dritten und vierten Antennenausgangs zu dem zweiten und dem dritten Quadraturhybrid Verzögerungsleitungen vorgesehen.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Schaltungsanordnung mit fünf Quadraturhybriden. Für diese Schaltungsanordnung wird von der oben erläuterten Basistopologie ausgegangen, wobei das vierte der fünf Quadraturhybride und das fünfte der fünf Quadraturhybride in Reihe geschaltet sind und eingangsseitig mit jeweils einem Ausgang des zweiten und dritten Quadraturhybrids verbunden sind und zwar derart, dass das zweite und dritte Quadraturhybrid über den vierten und fünften Quadraturhybrid mit den Antennenausgängen 2 und 3 gekoppelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind dann beispielsweise die Verzögerungsleitungen an den Antennenausgängen 1 und 4 oder alternativ auch an den Antennenausgängen 2 und 3 bzw. an allen vier Antennenausgängen vorgesehen. Diese Variante des Speisenetzwerks wird dem mehrlagigen Aufbau ermöglicht in vorteilhafter Weise die Applikation derselben mit speziellen Antennentypen, wie z. B. aperturgekoppelten Antennen mit einem ringförmigen Schlitz.
Bei allen obigen Ausführungsbeispielen kann als erstes, zweites, drittes sowie auch als viertes und fünftes Quadraturhybrid einer mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen zum Einsatz kommen. Das erste Quadraturhybrid bildet eingangsseitig mit seinem ersten Eingang den ersten Eingang für LHCP-Signale und mit seinem zweiten Eingang den zweiten Eingang für RHCP-Signale. Ausgangsseitig sind über die zwei Ausgänge des ersten Quadraturhybrids jeweils ein Eingang des zweiten und dritten Quadraturhybrids angekoppelt. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der jeweils andere Eingang des zweiten und dritten Quadraturhybrids mittels eines Abschlusswiderstands terminiert. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge der Quadraturhybride bzw. die Quadraturhybride selber so ausgebildet, dass sie ein Weiterleiten der Signale von der Eingangsseite zur Ausgangsseite an einem der Ausgänge einen Phasenversatz bei 0 Grad generieren und an einem anderen der zwei Ausgänge einen Phasenversatz bei 90 Grad generieren. Eine weitere Variante mit fünf Quadraturhybriden ist das vierte Quadraturhybrid beispielsweise an den 0 Grad-Ausgang des zweiten und dritten Quadraturhybrids angekoppelt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Schaltungsanordnung ausgebildet, um im RHCP-Modus und im LHCP-Modus betrieben zu werden. Im RHCP-Modus erhält das zweite Quadraturhybrid von dem ersten Quadraturhybrid ein durch das ersten Quadraturhybriden um 90 Grad versetztes Signal weitergeleitet, während das dritte Quadraturhybrid von dem ersten Quadraturhybrid ein durch das erste Quadraturhybrid um 0 Grad versetztes Signal weitergeleitet bekommt. Umgekehrt erhält im LHCP-Modus das dritte Quadraturhybrid von dem ersten Quadraturhybrid ein durch das erste Quadraturhybrid um 90 Grad versetztes Signal, wobei das zweite Quadraturhybrid von dem ersten Quadraturhybrid ein durch das erste Quadraturhybrid um 0 Grad versetztes Signal erhält. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist im RHCP-Modus der erste Eingang mittels eines Abschlusswiderstands terminiert, wobei im LHCP-Modus der zweite Eingang mittels eines Abschlusswiderstands terminiert ist.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Antennenanordnung mit beispielsweise vier Speisepunkten sowie eine Schaltungsanordnung, wie sie oben erläutert worden ist.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert und zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung zur Vier-Punkt-Speisung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
2a, 2b schematische Diagramme zur Illustration mit Transmissionsparametern der Schaltungsanordnung aus 1;
3a-c schematische Blockdiagramme von Schaltungsanordnungen gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
4a, 4b schematische Blockdiagramme zur Illustration der unterschiedlichen Modi (RHCP und LHCP) mit der Schaltungsanordnung aus 3a;
4c, 4d schematische Diagramme zur Illustration der Transmissionsparameter der Schaltungsanordnung aus 3a;
5a, 5b schematische Darstellungen von Antennen zum Betrieb mit einer Schaltungsanordnung nach 1a, nach 3a, 3b oder 3c gemäß Ausführungsbeispielen;
5c vier schematische, normierte Richtdiagramme zur Illustration der Abstrahlcharakteristik bei Einsatz des neuen Speisenetzwerks gemäß obigen Ausführungsbeispielen;
6 eine schematische Illustration der GNSS-Signale im L-Band; und
7a-7i schematische Blockdiagramme und Diagramme zur Diskussion des Stands der Technik.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer austauschbar bzw. aufeinander anwendbar ist.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 mit zwei Eingängen 10e1 und 10e2 sowie vier Ausgängen 10a1 bis 10a4. Die Schaltungsanordnung 10 weist weiter insgesamt drei Quadraturhybride 12 bis 16 auf. Das erste Quadraturhybrid 12 ist eingangsseitig angeordnet, d. h. an den Eingängen 10e1 und 10e2, während das dritte und vierte Quadraturhybrid 14 und 16 ausgangsseitig angeordnet sind.
Die Quadraturhybride 14 und 16 sind direkt an die Ausgänge 12a1 und 12a2 des ersten Quadraturhybrids 14 mit einem ihrer Eingänge (14e1 bzw. 16e1) angekoppelt. Im Detail verbindet das zweite Quadraturhybrid 14 den Ausgang 12a1 des ersten Quadraturhybrids mit dem Ausgang 10a1 und dem Ausgang 10a3, während das dritte Quadraturhybrid 16 den Ausgang 12a2 des ersten Quadraturhybrids 12 mit den Ausgängen 10a2 und 10a4 koppelt. Der jeweils zweite Eingang 14e2 bzw. 16e2 ist über einen Abschlusswiderstand (z. B. 50 Ohm und 50 Ohm-System) terminiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem zweiten Quadraturhybrid 14 und dem dritten Antennenausgang 10a1 sowie zwischen dem dritten Quadraturhybrid 16 und dem zweiten Antennenausgang 10a1 jeweils eine Verzögerungsleitung 7 mit einer bestimmten Länge, von welcher die Verzögerung abhängig ist, vorgesehen. Die Ankopplung der Antennenausgänge 2 und 3 bzw. 10a2 und 10a3 erfolgt jeweils über den 90 Grad phasenversetzten Quadraturhybridausgang 14a2 bzw. 16a2 mit der dazwischen geschalteten Verzögerungsleitung 7. Über die Null-Grad-Quadraturhybridausgänge 14a1 bzw. 16a1 sind die Antennenausgänge 1 und 4 bzw. 10a1 sowie 10a4 direkt angebunden.
Je nachdem, ob über den Eingang 10e1 (gebildet über den Quadraturhybrideingang 12e1 ein LHCP-Signal) oder über den Eingang 10e2 (gebildet über den Quadraturhybrideingang 12e1 ein RHCP-Signal) angelegt wird, kann das hier dargestellte Speisenetzwerk im RHCP- oder im LHCP-Modus betrieben werden, wie nachfolgend erläutert werden wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der jeweils andere Eingang 12e1 bzw. 12e2 dann entsprechend mit einem Abschlusswiderstand terminiert. Wenn beispielsweise ein RHCP-Signal über den Eingang 10e2 bzw. 12e2 anliegt, wird dieses durch das Quadraturhybrid 12 an dem Ausgang 12a1 zu 90 Grad phasenversetzt, wobei es dann durch das Quadraturhybrid 14 einmal direkt zum Ausgang 10a1 mittels des Ausgangs 14a1 weitergeleitet wird und zum anderen noch einmal um 90 Grad phasenversetzt über den Ausgang 14a2 an die Verzögerungsleitung 7 (90 Grad Verzögerung) weitergeleitet wird. Diese führen einen weiteren Phasenversatz durch, so dass dann im Resultat am Ausgang 10a3 ein um zu 270 Grad phasenversetztes Signal anliegt. Der zweite Signalstrang ausgehend von dem ersten Quadraturhybriden 12 verläuft über den 0 Grad phasenversetzten Eingang 12a2 zu dem dritten Quadraturhybriden 16, der das Signal vollkommen unverzögert an dem 0 Grad-Ausgang 16a1 zum Antennenausgang 10a4 weiterleitet, wobei über den 90 Grad-Ausgang 16a2 des Quadraturhybrids 16 das Signal zu dem Verzögerungselement 7 (90 Grad Verzögerung) weitergeleitet wird. Dieses führt eine erneute Verzögerung durch, so dass dann an dem zweiten Antennenausgang 10a2 ein um 180 Grad verzögertes Signal anliegt. Im LHCP-Modus (Anliegen eines Signals am Eingang 10e1 bzw. 12e1) sind die Phasenverschiebungen an den Ausgängen 12a1 und 12a2 getauscht, nämlich so dass der Ausgang 12a1 den 0Grad-Ausgang bildet und der Ausgang 12a2 den 90 Grad-Ausgang. Infolgedessen liegt dann an dem Ausgang 10a4 ein um 90 Grad phasenversetztes Signal (Phasenversatz durch das erste Quadraturhybrid 12), an dem Ausgang 10a3 ein um 180 Grad phasenversetztes Signal (Phasenversatz durch das zweite Quadraturhybriden 14 und die Verzögerungsleitung 7), an dem Ausgang 10a2 ein um 270 Grad phasenversetztes Signal (90 Grad Phasenversatz durch die Verzögerungsleitung 7, 90 Grad Phasenversatz durch das dritte Quadraturhybrid 16 und 90 Grad Phasenversatz durch das erste Quadraturhybrid 12) und einem Ausgang 10a1 ein um 0 Grad phasenversetztes Signal (Weiterleitung über 0 Grad-Ausgang bei 12 und 14) an. Insgesamt betrachtet kann die Anordnung 10 sowie die Verschaltung ihrer Komponenten 7, 12, 14 und 16 sowie 10a1-10a4 als symmetrisch betrachtet werden. Hierbei sei angemerkt, dass selbstverständlich auch ein umgekehrtes anlegen RHCP an 10e1 und LHCP an 10e2 ebenso möglich wäre.
Die Architektur 10 ist aufgrund ihrer Symmetrie auch für die Speisung von dual zirkular polarisierten Antennen geeignet. Wenn man davon ausgeht, dass breitbandige Hybride 12, 14 und 16 eingesetzt werden, sind auch entsprechend große Bandbreiten, vor allem in Bezug auf die Form der Richtcharakteristik und die Kreuzpolarisationsunterdrückung erzielbar. Hierzu sei beispielsweise auf die Diagramme aus 2a und 2b verwiesen.
2a zeigt den Betrag bzw. die Magnitude aufgetragen über die Frequenz, während 2b die Phase aufgetragen über die Frequenz zeigt. Wie zu erkennen ist, ist die Magnitude der Antennenausgänge, welche mit dem Bezugszeichen S31-S61 gekennzeichnet ist, konstant, was im Vergleich zu dem oben erläuterten Diagramm 7i die Breitbandigkeit ermöglicht. S21 illustriert die Verkopplung zwischen den Eingängen 10e1 und 10e2 (zw. -25 u. -38 dB, d.h. Isolation zw. +25 u. +28 dB).
3a zeigt eine weitere Schaltungsanordnung 10' mit den Eingängen 10e1, 10e2 sowie den Ausgängen 10a1 bis 10a4. Die Schaltungsanordnung 10' hat die zwei Quadraturhybride 12, 14 und 16 sowie zwei zusätzliche Quadraturhybride 18 und 20, die an die Ausgänge 14a1 und 16a1 (jeweils null Phasenausgänge) mit den Eingängen 18e1 und 18e2 des vierten Quadraturhybrids 18 angekoppelt sind. Das fünfte Quadraturhybrid 20 ist mit seinen Eingängen 20e1 und 20e2 an die Ausgänge 18a1 und 18a2 gekoppelt. Bezüglich der Verbindung zwischen dem zweiten und ersten Quadraturhybrid 14, 12 bzw. dem dritten und ersten Quadraturhybrid 16 und 12, sei auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel aus 1 verwiesen. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 sind die Eingänge 14e2 und 16e2 mittels Abschlusswiderständen 5 terminiert. Ausgangsseitig sind die Quadraturkoppler 14 jeweils über eine Verzögerungsleitung 7', hier z.B. 180 Grad-Verzögerungsleitung (Im Idealfall, wenn θ₀=0) mit den Ausgängen 10a1 und 10a4 gekoppelt. Umgekehrt sind die Ausgänge 10a2 und 10a3 direkt mit den Ausgängen 20a1, 20a2 verbunden. Die Schaltungsanordnung 10' ist im Vergleich zur Schaltungsanordnung 10 aus 1 mit einem Kreuzkoppler aus zwei kaskadierten Hybriden ergänzt. Diese Variante bietet ebenfalls, wie das Vier-Punkt-Speisenetzwerk aus 1 die Möglichkeit, eine breitbandige GNSS-Antenne im RHCP und LHCP-Modus über vier Speisepunkte zu versorgen. Diese komplexere Schaltung 10' wird bevorzugterweise dann eingesetzt, wenn die Schaltungsvariante 10 nicht ohne weiteres verwendet werden kann, z. B. im Falle einer aperturgekoppelten Antenne mit einem ringförmigen Schlitz. Insofern ist die etwas komplexere Speisenetzwerkanordnung 10' für manche Anwendungen die bessere Wahl.
3b zeigt ein Speisenetzwerk 10" (Zwischenschritt, schmalbandige Ausführung), das im Wesentlichen mit dem Speisenetzwerk 10', insbesondere im Hinblick auf die Quadraturhybride 12, 14, 16, 18, und 20 vergleichbar ist. Der Unterschied liegt darin, dass die Verzögerungselemente 7' nicht an den Ausgängen 10a1 und 10a4, sondern an den Ausgängen 10a2 und 10a3 angeordnet sind. An dieser Stelle sei angemerkt, dass hier wiederum 180 Grad Verzögerungselemente (repräsentiert den Idealfall, wenn θ₀=0) zum Einsatz kommen.
3c zeigt eine weitere Speisenetzwerktopologie 10'", die mit der Speisenetzwerktopologie 10" vergleichbar ist, wobei allerdings an den Ausgängen 10a1 und 10a4 Verzögerungsleitungen 7"', hier 360 Grad Verzögerungsleitungen vorgesehen sind. Diese dienen zur zusätzlichen Laufzeitkompensation, was insbesondere für den breitbandigen Betrieb von solchen kreuzgekoppelten, kaskadierten Hybriden vorteilhaft ist. Die Speisenetzwerktopologie 10'" ist äquivalent zu 10', wobei alle vier Verzögerungsleitungen um jeweils (180°-2θ₀) gekürzt sind.
In den 4a und 4b ist ausgehend von der Schaltungstopologie 10' aus 3a der RHCP-Modus sowie der LHCP-Modus illustriert. Im RHCP-Modus (vgl. 4a) wird über den Eingang 12e2 das Signal empfangen, während der Eingang 12e1 mittels des Abschlusswiderstands 5 terminiert ist. Das RHCP-Signal wird dann am Ausgang 12a1 sowie am Ausgang 14a1 jeweils zu 90 Grad phasenverschoben, sowie an dem Verzögerungselement 7' um 180 Grad phasenverschoben, um dann an dem Ausgang 10a1 als 63 Grad-Signal ausgegeben zu werden. An dem Ausgang 14a2 steht es als 90 Grad phasenverschobenes Signal zur Verfügung und wird dann ausgehend von der zweimaligen Versetzung durch die Hybride 18 und 20 an dem Ausgang 10a3 als 180 Grad-Signal ausgegeben. Das am Ausgang 12a2 als 0 Grad bereitgestelltes Signal wird als 0 Grad-Signal an die Hybride 18 und 20 geliefert und nach einmaliger Phasenverschiebung an dem Ausgang 10a2 als 90 Grad-Signal ausgegeben. Dieses 0 Grad-Signal des Ausgangs 12a2 wird phasenverschoben durch das Hybride 16 an dem Ausgang 16a2 als 90 Grad phasenverschobenes Signal bereitgestellt und nach Phasenverschiebung durch das Element 7' an dem Ausgang 10a4 als 270 Grad-Signal zur Verfügung gestellt. Hierdurch ergibt sich also ein rechtsdrehendes Signal, wie durch die Pfeile illustriert ist.
4b illustrierte den LHCP-Modus, bei welchem an dem Eingang 12e1 das LHCP-Signal behalten wird. Hierbei ist der Eingang 12E2 mit dem Abschlusswiderstand 5 terminiert. Ausgehend von diesem Signal erfolgt eine Phasenverschiebung um 0 Grad an dem Ausgang 12a1, eine Phasenverschiebung um 90 Grad an dem Ausgang 14a1, sowie eine weitere Phasenverschiebung um 180 Grad durch das Verzögerungselement 7', so dass dann das Signal als 270 Grad-Signal an dem Ausgang 10a1 bereitgestellt wird. Das Signal des Ausgangs 12a1 wird an dem Eingang 14a2 als 0 Grad-Signal weitergeleitet und dann nach einmaliger Phasenverschiebung an den Ausgang 10a3 als 90 Grad-Signal zur Führung gestellt. Das Hybrid 12 leitet das Signal als 90 Grad-Signal an den Ausgang 12a2 weiter, das dann auch als 90 Grad-Signal an dem Ausgang 16a1 den Hybriden 18 und 20 zur Verfügung gestellt wird. Durch diese erfolgt eine weitere 90 Grad-Phasenverschiebung, so dass dann an dem Ausgang 10a2 ein 180 Grad-Signal anliegt. An dem Ausgang 10a4 liegt ein 360 Grad-Signal an, das sich dadurch zusammensetzt, dass das Signal am Ausgang 12a2 eine 90 Grad-Phasenverschiebung erfährt sowie eine weitere 90 Grad-Phasenverschiebung am Ausgang 16a2. Durch das Verzögerungselement 7' an dem Ausgang 10a4 erfolgt eine zusätzliche Verschiebung um 180 Grad. Wie durch den Fall illustriert, handelt es sich infolge dieser Verschaltung um eine linksdrehende Ansteuerung.
In den 4c und 4d sind die resultierenden Transmissionscharakteristika für den RHCP-Modus (vgl. 4a) der Schaltungsanordnung aus 3a illustriert. Wie anhand von 4c zu erkennen ist, ist die Amplitude an den Ausgängen 10a1-10a4 über den betrachteten Frequenzbereich nahezu konstant. Auch nehmen die Phasen an den Ausgängen linear ab, wobei an dem Ausgang 10a2 ein Phasensprung um 360 Grad bei der Frequenz 1,35 GHz zu verzeichnen ist.
Die oben erläuterten Schaltnetzwerke 10, 10', 10", 10'" können alle innerhalb oder außerhalb eines Ringschlitzes verziert werden und sind beispielsweise auf zweiseitigen Leiterplatten realisierbar. 5a und 5b zeigen zwei Darstellungen in einer aktiven dual zirkular polarisierten GNSS-Antenne mit einem Speisenetzwerk 10' auf der Unterseite (vgl. 5b). Die Antenne umfasst eine Massescheibe 100, einen zentral angeordneten Flächenstrahler 102, der über vier umgekantete Ecken 102e gegenüber der Masseplatte 100 befestigt ist. Zusätzlich weist die Masseplatte 100 auch noch den Flächenstrahler 102 umgebende parasitäre Elemente 104 auf. Das hier dargestellte Antennensystem hat erstens eine erweiterte Bandbreite hinsichtlich der Impedanzanpassung, ermöglicht darüber hinaus eine bessere Entkopplung der Tore, Form der Richtcharakteristik, Kreuzpolarisationsunterdrückung und Phasenzentrumsstabilität. Das Vier-Punkt-Speisenetzwerk ist darüber hinaus kompakt, wie insbesondere aus 5b ersichtlich wird. Aufgrund der guten HF-Eigenschaften, sind einfache, mechanisch stabile und kostengünstig herstellbare Strahlerkonfigurationen möglich (z. B. breitbandige Blechstrahler, wie sie hier in 5a dargestellt sind (ohne aufwendige Balunnetzwerke).
Jede in 5a dargestellte Antenne ist vollpolarimetrisch. Wie insbesondere beim Vergleich der 5c, welches die normierten Richtdiagramme der GNSS-Antenne mit einem Schaltnetzwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel (RHCP-Pfad) für ein Speisenetzwerk gemäß Ausführungsbeispielen darstellt, mit den Diagrammen aus 5c deutlich wird, weist die Speisenetzwerkvariante gemäß Ausführungsbeispielen etwas bessere Polarisationseigenschaften auf.
Anwendungsgebiete für oben erläuterte Speisenetzwerke sind Zwei-Tor-GNSS-Antennen für Positionierungen, für Messungen und Navigation, wie z. B. das Strahlerkonzept nach [2]. Es werden aber generell alle GNSS-Signale im L-Band (vgl. 6) unterstützt. Mögliche Ausführungen sind duale Sender/Empfänger (kombinierter RHCP- und LHCP-Betrieb), aber auch Sender/Empfänger für den einzelnen Betrieb von nur RHCP. In diesem Fall ist der LHCP-Ausgang mit einer angepassten Last abgeschlossen. Ebenso ist auch nur der LHCP-Betrieb denkbar, wobei dann der RHCP-Eingang mittels einer Last abgeschlossen ist.
An dieser Stelle sei zu obigen Ausführungsbeispielen angemerkt, dass die oben erläuterten Verzögerungselemente 7, 7', 7'" bzw. die Verzögerungsleitungen 7, 7', 7'" unterschiedliche Verzögerungen jeweils abhängig vom Argument θ₀, wie z. B. 90 Grad, 180 Grad, 360 Grad oder eine andere Verzögerung aufweisen können. Hierbei wird die Verzögerung entsprechend Ausführungsbeispielen durch die Länge der Verzögerungsleitung bestimmt.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde bezüglich der Anordnung der Verzögerungsleitungen diskutiert, dass diese entweder an den Ausgängen 10a1 und 10a4 oder 10a2 und 10a3 oder auch an allen vier Ausgängen 10a1-10a4 angeordnet sein können. Auch andere Paarungen wären denkbar.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die oben erläuterten Schaltnetzwerke symmetrisch ausgelegt, wobei jedes Schaltnetzwerk einen ersten Pfad für RHCP-Signale und einen zweiten Pfad für LHCP-Signale aufweist und jeder Pfad die Ausgänge entweder nach links herum (LHCP) mit einem 90 Grad Phasenversatz ansteuert oder nach rechts herum (RHCP) mit einem Phasenversatz von 90 Grad ansteuert. Insofern wird entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel an Betriebsverfahren geschaffen. Dieses umfasst den zentralen Schritt des Nutzens zumindest eines der zwei möglichen Pfade des Speisenetzwerks.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass obige Ausführungsbeispiele nur illustrativ die Funktionalität beschreiben und der Schutzbereich durch die nachfolgenden Patentansprüche bestimmt wird.
Referenzen

[1] K. Fletcher (ed.), „GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms", ESA Communications, ESA TM-23/1, May 2013
[2] DE 10 2007 004 612 B4
[3] A. Popugaev, L. Weisgerber „An Efficient Design Technique for Direction-Finding Antenna Arrays", in Proceedings of IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), Aruba, 2014
[4] EP 2 702 634 B1
[5] US 9 520 651 B2
[6] Datenblatt XC1400P-03S, Anaren
[7] US 2007/0254587 A1
[8] A. Popugaev, „Miniaturisierte Mikrosteifenleitungs-Schaltungen bestehend aus zusammengesetzten Viertelkreisringen", N&H Verlag, Erlangen, 2014 (Promotionsschrift, TU Ilmenau).

Claims

Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') zur Speisung einer Antennenstruktur mit folgenden Merkmalen: einem ersten Eingang (10e1) für LHCP-Signale, einem zweiten Eingang (10e2) für RHCP-Signale; vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4); einem ersten Quadraturhybrid (12); einem zweiten und dritten Quadraturhybrid (14, 16), und mindestens zwei Verzögerungsleitungen (7, 7'); wobei das erste Quadraturhybrid (12) eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Eingang (10e1, 10e2) gekoppelt ist und ausgangsseitig mit dem zweiten und dem dritten Quadraturhybrid (14, 16), wobei das zweite Quadraturhybrid (14) ausgangsseitig mit zwei der vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist und wobei das dritte Quadraturhybrid (16) ausgangsseitig mit zwei weiteren der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist; wobei die mindestens zwei Verzögerungsleitungen (7, 7') an zwei der vier Antennenausgängen (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) angeordnet sind.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Quadraturhybrid (14) ausgangsseitig mit dem ersten der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist und das dritte Quadraturhybrid (16) ausgangsseitig mit dem vierten der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste, das zweite und das dritte Quadraturhybrid (12, 14 16) jeweils zwei Eingänge aufweist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß Anspruch 3, wobei einer der zwei Eingänge (10e1, 10e2) des zweiten Quadraturhybrids (14) mit einem Abschlusswiderstand (5) gekoppelt ist und wobei einer der zwei Eingänge (10e1, 10e2) des dritten Quadraturhybrids (16) mit einem weiteren Abschlusswiderstand (5) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Quadraturhybrid (12, 14, 16, 18, 20) zwei Ausgänge (10e1, 10e2) aufweist, wobei das zweite Quadraturhybrid (14) ausgebildet ist, um an einem der zwei Ausgänge (10e1, 10e2) einen Phasenversatz von 0 Grad zu generieren und an dem anderen der zwei Ausgänge (10e1, 10e2) einen Phasenversatz von 90 Grad zu generieren.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß Anspruch 5, wobei die Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') zwei Verzögerungsleitungen (7, 7') umfasst, die so angeordnet sind, dass eine der zwei Verzögerungsleitungen (7, 7') den um 90 Grad versetzten Ausgang (12a1, 12a2, 14a1, 14a2, 16a1, 16a2) des zweiten Quadraturhybrids (14) mit einem der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) verbindet, während die andere der zwei Verzögerungsleitungen (7, 7') den um 90 Grad versetzten Ausgang (12a1, 12a2, 14a1, 14a2, 16a1, 16a2) des dritten Quadraturhybrids (16) mit einem weiteren der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) verbindet.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") ein viertes und ein fünftes Quadraturhybrid (18, 20) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei das vierte Quadraturhybrid (18) eingangsseitig mit dem zweiten Quadraturhybrid (14) und mit dem dritten Quadraturhybrid (16) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß Anspruch 7, wobei das vierte Quadraturhybrid (18) jeweils mit um 0 Grad versetzten Ausgängen (10e1, 10e2) des zweiten und dritten Quadraturhybrids (14, 16) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das fünfte Quadraturhybrid (20) ausgangsseitig mit dem zweiten und dritten der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß Anspruch 9, wobei die Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") zwei weitere Verzögerungsleitungen (7, 7') umfasst, die zwischen dem fünften Quadraturhybrid (20) und dem zweiten der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) und zwischen dem fünften Quadraturhybrid (20) und dem dritten der vier Antennenausgänge (10a1, 10a2, 10a3, 10a4) angeordnet sind.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') ausgebildet ist, um im RHCP-Modus und im LHCP-Modus betrieben zu werden.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß Anspruch 11, wobei im RHCP-Modus das zweite Quadraturhybrid (14) von dem ersten Quadraturhybrid (12) ein durch das erste Quadraturhybrid (12) um 90 Grad versetztes Signal erhält und das dritte Quadraturhybrid (16) von dem ersten Quadraturhybrid (12) ein durch das erste Quadraturhybrid (12) um 0 Grad versetztes Signal erhält; wobei im LHCP-Modus das dritte Quadraturhybrid (16) von dem ersten Quadraturhybrid (12) ein durch das erste Quadraturhybrid (12) um 90 Grad versetztes Signal erhält und das zweite Quadraturhybrid (14) von dem ersten Quadraturhybrid (12) ein durch das erste Quadraturhybrid (12) um 0 Grad versetztes Signal erhält.
Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10'") gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei im RHCP-Modus der erste Eingang (10e1) mittels eines Abschlusswiderstands (5) terminiert ist und wobei im LHCP-Modus der zweite Eingang (10e2) mittels eines Abschlusswiderstands (5) terminiert ist.
Antennenanordnung mit folgenden Merkmalen: einer Antennenstruktur mit vier Speisepunkten; einer Schaltungsanordnung (10, 10', 10", 10"') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die vier Ausgänge (12a1, 12a2, 14a1, 14a2, 16a1, 16a2) mit den vier Speisepunkten der Antennenstruktur verbunden sind.