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Die Erfindung betrifft eine retrodirektive Antenne zum Empfangen eines Empfangssignals aus einer Empfangsrichtung und zum Aussenden eines Sendesignals in zur Empfangsrichtung entgegengesetzter Richtung.
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Breitbandige Satellitenkommunikation für mobile Nutzer erfordert Satellitenantennen mit sehr hoher Richtcharakteristik, die sich der geänderten Position des Kommunikationspartners in Echtzeit anpassen (Nachverfolgung). Mit der Erfindung lassen sich Kommunikationssysteme bauen, die sowohl die benötigte sehr hohe Richtcharakteristik aufweisen als auch eine sehr einfache, kostengünstige und energieeffiziente Nachverfolgung des Kommunikationspartners ermöglichen. Diese Antennenarchitektur kann auch als transparenter Transponder eingesetzt werden, um z.B. Informationen von einer Bodenstation mit Hilfe eines geostationären Satelliten über ein bestimmtes Gebiet abzustrahlen (regionales Fernsehen, regionale Datenübertragung). Dies ist vor allem für Gebiete mit natürlichen Hindernissen (z.B. Gebirge) wichtig, die keine direkte Bodenübertragung erlauben.
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Retrodirektive Antennen sind in der Lage, Signale in Richtung von Kommunikationspartner, von denen sie zuvor Signale empfangen haben, zu schicken, ohne deren Position zu kennen und ohne aufwendige Richtungsschätzung. Dadurch lässt sich eine sehr einfache und energieeffiziente Signalnachführung in Richtung der Kommunikationspartner realisieren. Nahezu sämtliche bekannten retrodirektiven Antennen basieren auf direktstrahlenden Antennenarrays, bei denen die Arrayelemente paarweise auf spezielle Art verbunden sind. Die einfachste Variante stellt das sog. Van-Atta-Array [1] dar, bei dem Elemente mit Leitungen gleicher Länge verbunden werden. Diese Variante ist rein passiv und kann nur das empfangene Signal abstrahlen (transparenter Transponder). Es existieren auch aktive Arten von retrodirektiven Antennen, bei denen sich das empfangene und das abgestrahlte Signal unterscheiden können und eine Frequenzumsetzung und Änderung der Modulationsart erlauben [2], wie es für bidirektionale Kommunikation erforderlich ist.
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Die bekannten Architekturen von retrodirektiven Antennen basieren auf direktstrahlenden Arrayantennen. Die Richtcharakteristik solcher Antennen steigt mit der Anzahl der Arrayelemente an. Für sehr hohe Direktivität, die in der Satellitenkommunikation nötig ist, um mobile Nutzer mit breitbandigen Down-Links zu versorgen, werden in der Regel für geostationäre Satelliten mehrere tausend Arrayelementen benötigt. Eine so hohe Anzahl an Elementen führt aber zu sehr komplexen Strukturen mit hohem Energieverbrauch. Deswegen werden die existierenden Architekturen von retrodirektiven Antennen und andere Arten von direktstrahlenden Arrays in der Kommunikation via geostationärer Satelliten kaum eingesetzt. Die meisten Satellitenantennen für mobile Kommunikation basieren auf großen Reflektoren, die durch eine spezielle Speisung mehrere räumlich getrennte Beams (Spots) erzeugen können. Diese Spots lassen sich aber in der Regel nicht nachführen.
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In [3] ist ein direktstrahlendes retrodirektives Antennenarray (sogenanntes phased array) beschrieben, das als Primärstrahler (primary feed) eines Reflektors dient, so dass die Gesamtkonstruktion aus retrodirektivem Array und Reflektor ein retrodirektives Verhalten aufweist. Wie in dieser Schrift erwähnt, wird die Funktionalität der bekannten Konstruktion mit Phasenkonjugation in direktstrahlenden Array erreicht; denn retrodirektive „phased arrays“ arbeiten stets nach dem Prinzip der Phasenkonjugation. Für die Phasenkonjugation existieren in der Literatur verschiedene Verfahren; sie sind allerdings entweder recht komplex oder gehen mit vergleichsweise großen Einschränkungen, wie z.B. Beam-Pointing Error (Schielen) bei Frequenzumsetzung zwischen Senden und Empfangen einher. Daher werden bis heute retrodirektive Antennen eher selten eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine retrodirektive Antenne anzugeben, die bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion eine hohe Richtcharakteristik mit der Möglichkeit einer energieeffizienten und einfach zu bewerkstelligenden Nachverfolgung von Kommunikationspartnern ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine retrodirektive Antenne zum Empfangen eines Empfangssignals aus einer Empfangsrichtung und zum Aussenden eines Sendesignals in zur Empfangsrichtung entgegengesetzter Richtung vorgeschlagen, die versehen ist mit
- - einem z.B. parabolischen, sphärischen oder geformten Reflektor, der einen Fokalbereich definiert, innerhalb dessen sich der Fokus oder die Fokalebene des Reflektors befindet,
- - einem im Fokalbereich des Reflektors angeordneten Array von Antennenelementen,
- - einem Detektor zur Ermittlung der Leistung von ggfs. untereinander Phasenversatz aufweisenden Teilsignalen, die die Antennenelemente beim Vorliegen eines Empfangssignals empfangen, und zur Ermittlung der Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen unter den Antennenelementen und
- - einer Sendesignal-Erzeugungseinheit zur Erzeugung eines Sendesignals als Gesamtheit von von den Antennenelementen gleichphasig auszusendenden Sendeteilsignalen, d.h. ohne Berücksichtigung einer Phasenkonjugation,
- - wobei die Verteilung der Sendeteilsignalleistungen unter den Antennenelementen gleich der oder proportional zu der Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen ist.
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Die erfindungsgemäße retrodirektive Antenne weist ein Array von einzelnen Antennenelementen auf, das ein-, zwei- oder dreidimensional ausgebildet sein kann. Neben einer einzelnen Reihe von derartigen Antennenelementen können diese auch zweidimensional in einer Ebene oder dreidimensional und damit eine gewölbte Fläche oder Zylinder aufspannend angeordnet sein.
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Das Array von Antennenelementen befindet sich in der Fokalebene oder aber im Fokus oder aber im Fokalbereich eines parabolischen Reflektors. Durch den Reflektor lassen sich vergleichsweise große Aperturen der retrodirektiven Antenne realisieren.
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Eine Empfangswellenfront (Empfangssignal), die auf den parabolischen, sphärischen oder geformten Reflektor trifft, wird von diesem zum Antennenelement-Array reflektiert. Damit empfängt ein Teil des Antennenelement-Arrays (Sub-Array, Teil-Array) aus einer Richtung Signale. Die Lage des die Empfangsteilsignale empfangenden Sub-Arrays innerhalb des Antennenelement-Arrays hängt von der Richtung der ankommenden Welle und die Anzahl der Elemente im Sub-Array von der Größe der Elemente, ihrem Abstand und Position ab. Mittels eines Detektors o.dgl. Ermittlungseinheit wird nun für jedes Teilsignal die Empfangsleistung und damit die Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen auf die Antennenelemente ermittelt.
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Erfindungsgemäß wird mittels einer Sendesignal-Erzeugungseinheit ein Sendesignal erzeugt, das sich als die Gesamtheit von Sendeteilsignalen darstellt, die von den einzelnen Antennenelementen ausgesendet werden, die zuvor die Teilsignale des Empfangssignals empfangen haben. Erfindungsgemäß wird dabei die Leistung, mit der die Sendeteilsignale ausgestrahlt werden, entsprechend der Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen gewählt, was bedeutet, dass die Verteilung der Sendeteilsignalleistungen unter den Antennenelementen gleich bzw. im Wesentlichen gleich der Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen oder proportional zur Verteilung der Empfangsteilsignalleistungen ist.
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Die Leistungen, mit denen die Sendeteilsignale abgestrahlt werden, sind also gleich den Leistungen, mit denen die betreffenden Antennenelemente zuvor die Empfangsteilsignale empfangen haben. Alternativ und wahrscheinlich in der Anwendung typischerweise werden die Leistungen der Sendeteilsignale im Vergleich zu den Leistungen der der Empfangsteilsignale verstärkt sein. Dabei werden die Sendeteilsignale von den Antennenelementen des Antennenarray gleichphasig ausgesendet.
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Durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf eine Phasenkonjugation ist die Antennenarchitektur gemäß der Erfindung deutlich einfacher, kostengünstiger und energieeffizienter als Antennenarchitekturen nach dem Stand der Technik.
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Bei der Entstehung der Erfindung hat sich gezeigt, dass aus den nachfolgend genannten Gründen auf eine Phasenkonjugation sehr gut verzichtet werden kann, und zwar nicht nur das, sondern dass die Sendeteilsignale gleichphasig gesendet werden können.
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Die Phasenkonjugation der Antennenelemente ist nämlich bei einem Zusammenspiel von Antennenarray als Feed und Reflektor nicht für die Senderichtung verantwortlich, wie das bei direktstrahlenden Antennenarrays (ohne Reflektor) der Fall ist, sondern vor allem ist die Phasenkonjugation für die optimale Ausleuchtung des Reflektors verantwortlich, was wiederum jedoch einen Einfluss auf den erzielbaren Gewinn der Antenne und nicht auf die Senderichtung hat. Nur wenn die Phase ungünstige, sehr weit vom Optimum entfernt liegende Werte annimmt, und die Ausleuchtung des Reflektors damit tatsächlich unzureichend werden könnte, ändert sich dadurch „die Blickrichtung“ des Reflektors. Wenn man die Phase konjugiert, dann zeigt der Sendestrahl des Primärstrahlers (d.h. des Antennenarrays) in Richtung des Reflektorzentrums, was der optimalen Ausleuchtung des Reflektors entspricht. Wenn man dagegen mit gleicher Phase bei sämtlichen Antennenelementen arbeitet, dann zeigt der resultierende Beam des Antennenarrays senkrecht nach oben und die Ausleuchtung des Reflektors ist zwar nicht ganz optimal, aber in den meisten Fällen gut genug. Diese nicht optimale Ausleuchtung hat erst einen nennenswerten Einfluss bei einem Schwenkwinkel von typischerweise größer als 5° (wenn das Teil-Array zur Erreichung eines größeren Schwenkwinkels wesentlich von der Mitte des Reflektors verschoben ist und die fokale Länge des Reflektors relativ klein ist).
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Die Abstrahlung der Teilsendesignale bei gleicher Phase für sämtliche Antennenelemente kann man mit der Konfiguration mit einem zentralen lokalen Oszillator und mit von diesem ausgehenden und zu den Antennenelementen führenden Leitungen gleicher Länge erreichen. Das ist der wesentliche Aspekt der Erfindung, wenn die Elemente auf einer solchen Fläche liegen, dass der Empfang aus jeder Richtung gleichphasig oder annährend gleichphasig ist.
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Um einen gleichphasigen Empfang der ankommenden Signale bei allen Arrayelementen zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn ein eindimensionales, also zeilenförmiges Antennenarray auf einer konkav gewölbten Linie und ein zweidimensionales Antennenarray auf einer zweidimensional gekrümmten konkaven Fläche, der Reflektor also durch ein konformes Antennenarray ausgeleuchtet wird. In [4] sind diesbezüglich die wesentlichen Grundlagen für die Konstruktion von konformen Feed-Arrays für gleichphasige Reflektorausleuchtung beschrieben. Der gleichphasige Empfang kann auch durch ein entsprechendes Design der Geometrie des Reflektors (geformter Reflektor, engl. Shaped Reflector) unterstützt werden. Derartig geformte Reflektoren sind z.B. in [5] und [6] beschrieben.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich umgekehrt, dass bei Verwendung eines planaren Antennenarray eine optimale Ausleuchtung des Reflektors dadurch erreicht werden kann, dass die von einem zentralen Oszillator zu den einzelnen Antennenelementen führenden Leitungen nicht die gleichen Längen aufweisen, sondern spezielle unterschiedliche Längen, die die gewünschte Neigung des resultierenden Sendebeams unterstützen. Allerdings ist eine derartige Lösung frequenzabhängig, so dass Leitungen mit fester Länge nur für eine (im Idealfall einzige) Frequenz angepasst sein können oder man zusätzliche Phasenschieber in die Leitungen integrieren müsste, die den frequenzabhängigen Verlauf der Phase korrigieren. Mit derartig einfachen Methoden kann man also das Erfordernis einer Phasenkonjugation umgehen.
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Wird die erfindungsgemäße retrodirektive Antenne als transparenter Transponder bzw. Repeater eingesetzt, so wird von der Sendesignal-Erzeugungseinheit ein Sendesignal erzeugt, das hinsichtlich seiner Leistung gegenüber derjenigen des Empfangssignals unverändert oder verstärkt ist und hinsichtlich seines Informationsgehalts gleich dem des Empfangssignals ist. Es wird also sozusagen ein Duplikat des Empfangssignals als Sendesignal erzeugt oder aber das Empfangssignal ggf. nach Verstärkung und/oder Frequenzumsetzung direkt als Sendesignal abgestrahlt.
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Wenn die erfindungsgemäße retrodirektive Antenne für die bidirektionale Kommunikation verwendet wird, wobei die Frequenz des Empfangssignals verschieden ist von derjenigen des Sendesignals, so ist es von Vorteil, wenn die Antennenelemente jeweils ein Phasenzentrum aufweisen, dessen Lage innerhalb der von dem Array der Antennenelemente aufgespannten Ebene hinsichtlich des Frequenzbereichs, innerhalb dessen die Frequenz des Empfangssignals und die Frequenz des Sendesignals liegt, oder für die Empfangssignalfrequenz und die Sendesignalfrequenz im Wesentlichen konstant ist. Eine Variation der Phasenzentren in z-Richtung, also orthogonal zu der von dem Antennenelement-Array aufgespannten Ebene, ist demgegenüber weniger kritisch bzw. gänzlich unkritisch. Entscheidend ist, dass hinsichtlich der Frequenzen des Empfangs- und Sendesignals davon ausgegangen werden kann, dass die Phasenzentren der Antennenelemente im Wesentlichen konstant sind (in der von dem Array der Antennenelemente aufgespannten Ebene).
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Sollte diese Bedingung nicht erfüllt sein, d.h. dass die Frequenzen von Empfangssignal und Sendesignal also verschieden sind und die Antennenelemente jeweils ein Phasenzentrum aufweisen, dessen Lage sich in Abhängigkeit von der Frequenz in bekannter Weise ändert, so kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung derart vorgegangen werden, dass die Verteilung der Sendeleistungen, mit denen die einzelnen Antennenelemente auf ein Empfangssignal hin die das Sendesignal bildenden Sendeteilsignale aussenden, in Abhängigkeit von der sich aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen ergebenden Lageverschiebung des Phasenzentrums erfolgt.
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Die notwendige Veränderung der Verteilung, mit der die Sendeleistung auf die verschiedenen Antennenelemente aufgeteilt werden muss, wenn sich die Phasenzentren für die Empfangsfrequenz und die Sendefrequenz verschieden sind, lässt sich am einfachsten für den Fall beschreiben, bei dem sich die Phasenzentren um den Mittenabstand benachbarter Antennenelemente verschieben. Es sei angenommen, dass die Phasenzentren für die Empfangsfrequenz in der Mitte der Aperturen der Antennenelemente liegen. Dann sind die Phasenzentren bei der Sendefrequenz genau um den Mittenabstand zweier benachbarter Antennenelemente verschoben, so dass das jeweils benachbarte Antennenelement sein Sendeteilsignal mit derjenigen Leistung absendet, mit der zuvor das zu ihm benachbarte Antennenelement das Empfangsteilsignal empfangen hat. Ist der Versatz der Phasenzentren geringer, was selbstverständlich typischerweise der Fall ist, so muss entsprechend verfahren werden, wobei z.B. zwischen den Werten der Empfangsteilsignale interpoliert werden kann, um auf die Werte zu kommen, mit denen dann die von den Antennenelementen die einzelnen Sendeteilsignale abgestrahlt werden.
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Die erfindungsgemäße retrodirektive Antenne ist sowohl für breitbandige Satellitenkommunikation einsetzbar als auch dort, wo Signale über einen territorialen Bereich ausgestrahlt werden sollen, in dem keine geeignete Bodeninfrastruktur für die Verbreitung der Signale zur Verfügung steht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
- 1a) und 1b) jeweils schematisch die Anordnung von Reflektor und Antennenelement-Array eines Ausführungsbeispiels einer retrodirektiven Antenne zur Verdeutlichung der Ausrichtung eines Sendesignals entgegengesetzt zu derjenigen Richtung, aus der zuvor das Empfangssignal empfangen wurde,
- 2 schematisch eine vereinfachte Architektur des Speisearrays für eine Array basierte retrodirektive Reflektorantenne in der Ausführung als transparenter Transponder,
- 3 die vereinfachte Architektur eines einzelnen Kanals einer arraygespeisten retrodirektiven Reflektorantenne für die bidirektionale Kommunikation,
- 4 ein Beispiel für die Leistungsverteilung für empfangene und zurückgesendete Wellen bei unterschiedlichen Phasenzentren eines linearen Antennenarrays mit beispielhaft fünf Antennenelementen (bezeichnet mit -2, -1, 0, +1 und +2), wobei der Phasenzentrumsversatz zwischen der Frequenz Fr1 beim Empfangen und der Frequenz Fr2 beim Senden gleich Δr ist, und
- 5 und 6 Simulationsergebnisse.
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1 zeigt schematisch die Funktionsweise einer retrodirektiven arraygespeisten Reflektorantenne 10, die einen parabolischen Reflektor 12 aufweist, in dessen Fokalbereich 14 ein Array 16 von einzelnen eindimensional oder zweidimensional angeordneten Antennenelementen P1, P2, P3, P4 und P5 angeordnet ist. Ein Signal Rx kommt aus der Richtung Θ1 und wird in diesem Beispiel durch den Reflektor 12 fokussiert auf die Antennenelemente P3, P4 und P5, die jeweils Teilsignale RxP3, RxP4 und RxP5 empfangen. Die Leistungen dieser Empfangssignale sind typischerweise unterschiedlich groß und werden von einem Detektor 18 detektiert. Beim Erzeugen des Sendesignals Tx erzeugt eine Sendesignal-Erzeugungseinheit 20 Teilsignale TxP3, TxP4 und TxP5 mit einer Leistungsverteilung, die proportional verstärkt oder gleich der Leistungsverteilung der Teilsignale RxP3, RxP4 und RxP5 des Sendesignals Rx ist. Das sich aus diesen Teilsignalen TxP3, TxP4 und TxP5 zusammensetzende Sendesignal Tx wird dann von dem Reflektor 12 in Richtung Θ2 abgestrahlt, wobei Θ1 = Θ2 ist, die Richtung, in der das Sendesignal Tx abgestrahlt wird, also entgegengesetzt zu derjenigen Richtung ist, aus der das Empfangssignal Rx empfangen worden ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vereinfachten Architektur des Speisearrays für die arraybasierte retrodirektive Reflektorantenne 10 in der Ausführung als transparenter Transponder, wobei in 2 der Reflektor 12 nicht dargestellt ist. Das ankommende Signal wird an jedem Antennenelement P1, P2, P3, P4 und P5 mit einer bestimmten Leistung empfangen, durch Zirkulatoren Z1, Z2, Z3, Z4 und Z5 in die jeweiligen Empfangspfade E1, E2, E3, E4 und E5 weitergeleitet und für jeden Kanal (Empfangspfad) um den gleichen Faktor verstärkt (siehe die Verstärker VE1, VE2, VE3, VE4 und VE5). Danach erfolgt eine synchrone Frequenzumsetzung, die durch einen zentralen Lokaloszillator ZLO und Leitungen L1, L2, L3, L4 und L5 gleicher Länge und durch die Mischer M1 bis M5 realisiert wird. Diese synchrone Frequenzumsetzung kann entfallen, wenn die Frequenz des Sendesignals gleich derjenigen des Empfangssignals ist. Anschließend wird das Signal ggfs. um den gleichen Verstärkungsfaktor in allen Kanälen verstärkt (siehe die Verstärker VA1, VA2, VA3, VA4 und VA5), durch die Zirkulatoren Z1, Z2, Z3, Z4 und Z5 zu den Antennenelementen P1, P2, P3, P4 und P5 geführt und von diesen abgestrahlt. Dadurch breitet sich das Sendesignal Tx genau entgegengesetzt zur Richtung des Empfangssignals Rx aus.
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3 zeigt die vereinfachte Architektur eines Kanals bei der Ausführung als retrodirektive Antenne für eine bidirektionale beispielsweise mobile Kommunikation. Der Leistungspegel eines Teilsignals des Empfangssignals hinter jedem Antennenelement (in diesem Ausführungsbeispiel wird das Antennenelement P1 betrachtet) wird mit Hilfe eines Leistungspegeldetektors LPD bestimmt und dieses Signal wird zu dem Satellitentransponder ST geführt. Das auszusendende Signal kommt vom Satellitentransponder ST und wird proportional zu der Leistung des empfangenen Teilsignals verstärkt. Dadurch wird die Leistungsverteilung des Empfangssignals bei allen Antennenelementen des Arrays auch beim Erzeugen des Sendesignals verwendet und damit ein Signal in zur Empfangsrichtung entgegengesetzter Richtung abgestrahlt. Dabei kann sich das abgestrahlte Sendesignal hinsichtlich der Modulationsart und Frequenz von dem ankommenden Empfangssignal unterscheiden.
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In den 3 und 4 ist nicht ausdrücklich gezeigt, dass die Phasenunterschiede, mit denen die Antennenelemente die Empfangsteilsignale empfangen, nicht berücksichtigt werden. Die Phasenunterschiede werden vielmehr nicht betrachtet und es wird sichergestellt, dass die Sendeteilsignale mit dem Phasenunterschied von 0, also gleichphasig abgestrahlt werden.
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Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Formgebung des Reflektors und diejenige der konkav gewölbten Fläche, auf der die Antennenelemente angeordnet sind, entsprechend konform zueinander sind. Damit wird nämlich erreicht, dass die Empfangsteilsignale bereits mit einem Phasenunterschied von Null empfangen werden, so dass dieser somit gleichphasige Empfang aller Teilsignale direkt umgesetzt werden kann in eine gleichphasige Abstrahlung der Sendeteilsignale.
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Anhand von 4 soll nachfolgend der Fall beschrieben werden, bei dem sich die Phasenzentren für eine empfangene Welle mit einer Empfangsfrequenz Fr1 gegenüber der Lage der Phasenzentren für eine Sendewelle mit der Sendefrequenz Fr2 verschiebt. Für eine derartige frequenzabhängige Änderung Δr der Position der Phasenzentren der Arrayelemente, die nicht für alle Arrayelemente gleich groß und vorzugsweise bekannt sein muss, ergibt sich bei der hier beschriebenen Variante der erfindungsgemäßen retrodirektiven Antenne ein Unterschied zwischen der Richtung der ankommenden und der abstrahlenden Welle, was zu einem „Schielen“ (pointing error) der Sende-Welle führen würde, wenn man dies nicht, wie nach der Erfindung vorgesehen kompensieren würde.
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Das Phasenzentrum eines Antennenelements lässt sich generell gesehen als ein Punkt auffassen, an dem die von dem Antennenelement abgestrahlte elektromagnetische Welle ihren Ursprung hat. Das Phasenzentrum beschreibt somit die effektive Lage des Antennenelements. Zusätzlich kann auch die Verkopplung zwischen den Antennenelementen die Lage und die Form der Phasenzentren beeinflussen (der größte Unterschied ist zwischen den Randelementen und den Elementen im Zentrum des Antennenarrays zu beobachten, die beide teilweise unterschiedliche „Umgebungen“ haben. Daraus resultieren dann unter anderem auch unterschiedlich große Phasenzentrumsverschiebungen in Abhängigkeit von der Frequenz.
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zeigt den vereinfachten eindimensionalen Fall eines Antennenarrays und ohne den Einfluss der Verkopplung auf die Verschiebung der Phasenzentren von Δr zwischen Fr1 und Fr2.
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Um diese Lageverschiebung der Phasenzentren um somit den Ausrichtungsfehler der retrodirektiven Antenne zu kompensieren, müssen die Sendeteilsignalleistungen modifiziert werden, bevor man sie (ggfs. verstärkt) für die Aussendung der Signale verwenden kann.
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Es sei angenommen, dass sich bei der Empfangsfrequenz Fr1 für eine aus einer bestimmten Richtung kommenden planaren Welle an den in 4 gezeigten fünf Antennenarrayelementen -2, -1, 0, +1 und +2 eine bestimmte Leistungsverteilung einstellt, wie es in 4 anhand der Kurve gezeigt ist. Diese Leistungsverteilung erzeugt an den Elementen -2, -1, 0, +1 und +2 die Leistungen P-2, P-1, P0, P+1 und P+2. Es wird ferner angenommen, dass sich bei der Sendefrequenz Fr2 die Lage jedes Phasenzentrums um den Wert Δr gegenüber derjenigen bei der Frequenz Fr1 verschiebt. Um diese Verschiebung des Phasenzentrums jedes Antennenelements zu kompensieren, damit man die abstrahlende Welle in zur Empfangsrichtung entgegengesetzter Richtung aussenden kann, muss mit modifizierten Teilleistungen P'-2, P'-1; P'0, P'+1 und P'+2 (ggfs. verstärkt) gesendet werden. Die Werte der modifizierten Teilleistungen kann man beispielsweise durch Interpolation der empfangenen Werte berechnen. Ggfs. kann man hier Kalibrierkoeffizienten ermitteln, die ihrerseits durch eine Vermessung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Elemente des Antennenarrays für alle relevanten Frequenzen in einer Antennenmessanlage ermittelt und in einer Look-Up-Tabelle gespeichert werden.
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Die 5 und 6 zeigen Simulationsergebnisse für eine reflektorbasierte retrodirektive Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Reflektor, der einen Durchmesser von etwa 400 cm (160 Zoll) und eine fokale Länge von etwa 600 cm (240 Zoll) aufweist. Der Reflektor wird von einem Array mit 25 runden Hohlleitern (als Antennenelemente) mit einem Durchmesser von 0,7 λ bei 12,5 GHz (5) bzw. bei 16,0 GHz (6) gespeist. Die jeweiligen vier Kurven zeigen simulierte Hauptschnitte von Strahlungsdiagrammen bei 12,5 GHz (siehe 5) bzw. bei 16,0 GHz (siehe 6) für jeweils vier unterschiedliche Richtungen (0,10°, 0,15°, 0,23° und 0,30°), aus denen planare Wellen (PW) empfangen werden. Die Maxima dieser Strahlungsdiagramme liegen (sowohl für 12,5 GHz als auch für 16,0 GHz) genau in den Richtungen der jeweiligen einfallenden planaren Wellen (PW). Damit ist gezeigt, dass die Richtungen von ankommenden und abgestrahlten planaren Wellen (PW) genau übereinstimmen, auch wenn die Frequenzen unterschiedlich sind. Dies belegt das retrodirektive Funktionsprinzip der Erfindung.
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Literaturverzeichnis
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- [1] US 2 908 002
- [2] L. Chen at all, „Overview on the Phase Conjugation Techniques of the Retrodirective Array“, Hindawi Publishing Corporation, International Journal of Antennas and Propagation, Vol. 2010, Article ID 564357, doi: 10.1155/2010/564357
- [3] US 3 500 411 A
- [4] V. Krichevsky at all, „Optimum Beam Scanning in Offset Single and Dual Reflector Antennas“, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-33, No. 2, February 1985
- [5] S. Parekh, „On the solution of best fit paraboloid as applied to shaped dual reflector antennas,“ IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 28, No. 4, pp. 560-562, July 1980, doi: 10.1109/TAP. 1980.1142365
- [6] Dau-Chyrh Chang and Chao-Hsiang Liao, „Shaping reflector antenna with similar gains in multiple beam directions,“ 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Washington, DC, USA, 2005, pp. 486-489 vol. 2B, doi: 10.1109/APS.2005.1552052.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reflektorantenne
- 12
- Reflektor
- 14
- Fokalbereich
- 16
- Array
- 18
- Detektor
- 20
- Sendesignal-Erzeugungseinheit
- E1
- Empfangspfad
- E2
- Empfangspfad
- E3
- Empfangspfad
- E4
- Empfangspfad
- E5
- Empfangspfad
- L1
- Leitung
- L2
- Leitung
- L3
- Leitung
- L4
- Leitung
- L5
- Leitung
- P1
- Antennenelement
- P2
- Antennenelement
- P3
- Antennenelement
- P4
- Antennenelement
- P5
- Antennenelement
- R×P1
- Empfangsteilsignal
- RxP2
- Empfangsteilsignal
- RxP3
- Empfangsteilsignal
- RxP4
- Empfangsteilsignal
- RxP5
- Empfangsteilsignal
- T1
- Richtung
- T2
- Richtung
- TxP1
- Sendeteilsignal
- TxP2
- Sendeteilsignal
- TxP3
- Sendeteilsignal
- TxP4
- Sendeteilsignal
- TxP5
- Sendeteilsignal
- M1
- Frequenzmischer
- M2
- Frequenzmischer
- M3
- Frequenzmischer
- M4
- Frequenzmischer
- M5
- Frequenzmischer
- Va1
- Verstärker
- Va2
- Verstärker
- Va3
- Verstärker
- Va4
- Verstärker
- Va5
- Verstärker
- Ve1
- Verstärker
- Ve2
- Verstärker
- Ve3
- Verstärker
- Ve4
- Verstärker
- Ve5
- Verstärker
- Z1
- Zirkulator
- Z2
- Zirkulator
- Z3
- Zirkulator
- Z4
- Zirkulator
- Z5
- Zirkulator
- ZIO
- Zentrale lokale Oszillator
