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Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul 1 für einen Empfänger 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten- Signalen mit einem Hochfrequenzeingang 28 und einem DCout-Anschluss 12 zur Stromversorgung für periphere Geräte umfassend eine im Wesentlichen horizontal orientierte elektrisch leitende Grundfläche 6 und einen Antennenmodul-Anschluss 4 zum Anschluss des Empfängers 2
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Insbesondere bei Satelliten-Navigationssystemen kommt es besonders auf die Wirtschaftlichkeit sowohl bezüglich der vom Satelliten abgestrahlten Sendeleistung als auch auf die Effizienz der Empfangsantenne an. Satellitenfunksignale werden aufgrund von Polarisationsdrehungen auf dem Übertragungsweg in der Regel mit zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen übertragen und werden für alle bekannten Satelliten-Navigationssystemen angewandt. Moderne Navigationssysteme sehen insbesondere für die globale Erreichbarkeit in Verbindung mit einer hohen Navigationsgenauigkeit bei der mobilen Navigation vor, die gleichzeitig empfangenen Funksignale mehrerer Satelliten-Navigationssysteme auszuwerten. Solche im Verbund empfangenden Systeme sind unter dem Begriff GNSS Global Navigation Satellite System zusammengefasst und beinhalten bekannte Systeme, wie zum Beispiel GPS, GLONASS, Galileo und Beidou etc. Satellitenantennen für die Navigation auf Fahrzeugen werden in der Regel auf der elektrisch leitenden Außenhaut der Fahrzeugkarosserie aufgebaut. Es kommen zirkular polarisierte Satelliten-Empfangsantennen zur Anwendung, wie sie zum Beispiel aus den Druckschriften
DE102009040910.6 ,
DE-A-4008505 und
A-10163793 bekannt sind. Für den Aufbau auf Fahrzeugen eignen sich besonders solche Antennen, welche sich durch eine niedrige Bauhöhe in Verbindung mit kostengünstiger Herstellbarkeit auszeichnen. Hierzu zählt besonders zum Beispiel die aus der Druckschrift
DE102009040910.6 bekannte, als Resonanzstruktur gestaltete kreisförmige, polygonförmige oder quadratische Ringleitungsantenne 13 mit kleinem Bauvolumen, welches insbesondere für mobile Anwendungen zwingend gefordert ist. Die Antenne weist eine notwendige leitende Grundfläche 3 von verhältnismäßig geringer Größe auf und ist mit einer Höhe von weniger als einem Zehntel der Freiraumwellenlänge sehr niedrig. Als weitere Antennen für die Satelliten-Navigation auf Fahrzeugen sind nach dem Stand der Technik Patch-Antennen 14 bekannt, welche jedoch bezüglich des Empfangs unter niedrigem Elevationswinkel weniger leistungsfähig sind.
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Antennen für den Empfang von Navigationssatelliten-Signalen sind In Abstimmung auf die von den Satelliten abgestrahlten Signale rechtshändig zirkular polarisiert RHCP. Im Normalfall wird die Antenne über eine Hochfrequenzleitung an den Hochfrequenzeingang 28 eines Empfängers 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten-Signalen angeschlossen. Beim mobilen Empfang befinden sich die Pegel der Empfangssignale einzelner Satelliten deutlich unter dem Pegel des stochastischen Rauschens. Weshalb die Auswertung der Empfangssignale ausschließlich über Korrelationstechnologien erfolgen kann. Im Empfänger 2 ist demnach eine Vielzahl von Koordinatoren vorhanden, wobei jeder Korrelator einem Ortungssatelliten zugeordnet ist. Ist das Signal eines Satelliten über ein Korrelator im verrauschten Signal erkannt, so kann dieses Signal während der Bewegung des Fahrzeugs sehr sicher verfolgt getrackt werden, d. h. dass es einer beträchtlichen Störung des Strahlungsweges bedarf, um das Signal zu verlieren. Das Erkennen der einzelnen digital modulierten Satellitensignale 1, 2, 3,.. im verrauschten Empfangssignal erfolgt dadurch, dass mit dem jeweils zugeordneten Korrelator durch Synchronisierung das Autokorrelationsmaximum gefunden werden muss. Das heisst, dass das jedem Satelliten zugeordnete Codesignal C1, C2, C3 mit dem Empfangssignal korreliert wird, indem zwischen den Codesignalen und dem Empfangssignal jeweils eine variable Zeitverzögerung t1, t2, t3,... in einem Durchlauf realisiert wird, bis jeweils eine Synchronität zwischen dem im Empfangssignal empfangenen Satellitencode und dem im Empfänger erzeugten Codesignal C1, C2, C3 besteht. Dabei entsteht in der jeweiligen Korrelationsfunktion ct1, ct2, ct3 ... ein Maximum und die dafür notwendigen idealen Zeitverzögerungen t1=t1opt, t2=t2opt, t3=t3opt,... sind ermittelt. Nach dem Finden der Signale kann auf dieser Basis eine Ortung per Triangulation durchgeführt werden, wenn mindestens vier Signale erfasst wurden. Das vierte Signal ist zur Definition einer gemeinsamen Zeitbasis nötig, da der Zeitpunkt des Absendens der Signale an den Satelliten dem Empfänger sonst nicht genau bekannt ist und somit aus den Ankunftszeiten entsprechenden Zeitverzögerungen tlopt, t2opt, t3opt nicht auf die drei Koordinaten x, y, z des Empfängers geschlossen werden könnte. Aus der Vielzahl von Satellitensignalen müssen somit mindestens vier Signale in dieser Weise empfangbar sein, dass sie per Korrelation synchronisiert werden können, um eine Ortsbestimmung zu ermöglichen.
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Für das Auffinden der Satellitensignalen ist ein möglichst starkes Antennensignal notwendig, damit die Satelliten schnell gefunden werden können. Ein großes Problem der Satelliten-Funkverbindung besteht deshalb beim Systemstart oder nach einem, über längere Zeit verloren gegangenes Signal, welches demnach über einen Aufstart neu gesucht und über die Korrelation identifiziert werden muss.
Insbesondere in urbanen oder bewaldeten auch gebirgigen Gebieten ist die Sichtverbindung line of sight zwischen dem Fahrzeug und mehreren Satelliten oft nicht gegeben, womit für deren Signale aufgrund von Abschattungen eine drastische Reduktion der Empfangssignalstärke einhergeht und der Aufstart des Systems sich lange hinzieht oder im Extremfall an einem Ort nicht möglich ist. Nach dem Aufstarten können die Satellitensignale getrackt werden, indem die oben beschriebenen Zeitverzögerungen von den gefundenen optimalen Werten aus nachgeführt werden. Hierfür kann eine längere Integrationszeit pro Zeitverzögerung gewählt werden, da nicht alle möglichen Zeitverzögerungen durchlaufen werden müssen. Daher ist ein deutlich geringeres Empfangssignal nun für die Ortung ausreichend.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Antennenmodul 1 für einen Empfänger 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten- Signalen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, welches bei teilweise unterbrochener Sichtverbindung line of sight zwischen dem Fahrzeug und mehreren Satelliten, also insbesondere in urbanen oder bewaldeten auch gebirgigen Gebieten den Aufstart des Ortungssystems zeitlich zu verkürzen bzw. im Extremfall zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Antennenmodul 1 für einen Empfänger 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten-Signalen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die in den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst.
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Offenbart ist
ein Antennenmodul 1 für einen Empfänger 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten- Signalen mit einem Hochfrequenzeingang 28 umfassend eine im Wesentlichen horizontal orientierte elektrisch leitende Grundfläche 6 und einen Antennenmodul-Anschluss 4 zum Anschluss der Hochfrequenzleitung 40 als Verbindung zum Hochfrequenz-Anschluss 41 des Empfängers 2,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale, durch welche das Antennenmodul 1 eine Antennen-Diversityfunktion enthält.
- • Auf der elektrisch leitenden Grundfläche 6 ist ein Mehrantennensystem 3 aus mehreren zu einander konzentrisch angeordneten Einzelantennen 3a, 3b, 3c.. für den Empfang von jeweils gesonderten Ortungssatellitensignalen 5a, 5b, 5c mit jeweils azimutalem Runddiagramm der Strahlungsdichte und azimutal linearer Verteilung des Phasenwinkels Ø = 0 - 2π*N von ganzzahlig N-ter Ordnung der Strahlung über einen entsprechenden azimutalen Winkelbereich von α = 0 - 2π gebildet,
bestehend aus einer zirkular polarisierten ersten Empfangsantenne 3a N = 1-ter Ordnung für den Empfang von Ortungssatellitensignalen mit Strahlungshauptrichtung zum Zenit.
und
mindestens einer weiteren Einzelantenne 3b, 3c.., deren Ordnung N jeweils um die ganze Zahl 1 von der Ordnung der ersten Einzelantenne 3a abweicht.
- • Im Antennenmodul 1 ist ein nach einem fest installierten Ablaufprogramm gesteuerter Empfangssignal-Kombiner 7 mit ausgangsseitiger Verbindung zum Antennenmodul-Anschluss 4 vorhanden, welchem eingangsseitig die gesonderten Empfangssignale 5a, 5b, 5c der Einzelantennen 3a, 3b, 3c.. zugeführt sind, aus denen - in einer sich zyklisch nach einer Periode t0 der Zeitdauer t0 wiederholenden Folge über ein Empfangsintervall t1 der Zeitdauer t1 das Empfangssignal 5a der ersten Einzelantenne 3a und diesem über mindestens ein Suchintervall t2 der Zeitdauer t2 ein in seiner Phase in Schritten getaktetes und - mindestens einmal - zwischen dem Phasenwinkelbereich β = 0 bis β = 2π verschobenes Empfangssignal 5a, 5b einer der weiteren Einzelantennen 3b, 3c additiv überlagert und somit als linear kombiniertes Empfänger-Signal 9 am Antennenmodul-Anschluss 4 vorliegt, sodass während des Suchintervalls t2 ein Strahlungs-Richtdiagramm mit azimutal zwischen α = 0 bis α = 2π - also mindestens einmal - über eine volle Umdrehung in Schritten geschwenkter Hauptrichtung gegeben ist.
- • Die Periode t0 und deren Unterteilung in das Empfangsintervall t1 und das Suchintervall t2 sowie die Anzahl der Umdrehungen der Hauptrichtung sind in der Weise aufeinander abgestimmt und fest eingestellt, dass die Synchronisationszeit für möglichst viele empfangene Satellitensignale statistisch möglichst klein ist.
- • Es ist im Antennenmodul 1 ein DCin-Anschluss 13 vorhanden, mit dessen Anschluss an eine äußere Gleichstromversorgung über einen DC-out-Anschluss 12 das Ablaufprogramm des Empfangssignal-Kombiners (7) gestartet ist.
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Es kann der Empfangssignal-Kombiner 7 eine gesteuert geschaltete Kombinationsschaltung 8 umfassen, welcher die gesonderten Empfangssignale 5a, 5b, 5c der Einzelantennen 3a, 3b, 3c.. zugeführt sind, zur gesteuerten Auswahl des Empfangssignals 5b während des Empfangsintervallls t1 als Empfänger-Signal 9
und es kann dessen während des Suchintervalls t2 gebildete additive Überlagerung mit dem gesteuert schrittweise in der Phase gedrehtem Empfangssignal 5b, 5c einer der weiteren Einzelantennen 3b, 3c als linear kombiniertes Empfänger-Signal 9 jeweils am Antennenmodul-Anschluss 4 gebildet sein.
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Der Empfangssignal-Kombiner 7 kann ferner eine mit dem Ablauf programmierte Steuerlogikschaltung 10 umfassen zur Einstellung verschiedener Schaltzustände der schaltbaren Kombinationsschaltung 8 sowie einen selbständig arbeitenden Taktgenerator 11 zur Erzeugung einer sich zyklisch wiederholenden Taktfolge mit Periode t0, jeweils aufeinanderfolgend unterteilt in Takte mit Zeitabstand t1 und Takte mit Zeitabstand t2 zur getakteten Ansteuerung der programmierten Steuerlogikschaltung 10.
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Die gesteuert geschaltete Kombinationsschaltung 8 kann den Signalpfad 15a des Empfangssignals 5a der ersten Einzelantenne 3a mit Summationsglied 16 umfassen zur Überlagerung dieses Empfangssignals mit den Empfangssignalen aus dem Signalpfad 15b der weiteren Empfangsantenne 3b zur Bildung des Empfänger-Signals 9 am Antennenmodul-Anschluss 4.
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Die gesteuert geschaltete Kombinationsschaltung 8 kann ferner den Signalpfad 15b des weiteren Empfangssignals 5b, 5c einer der weiteren Einzelantennen 3b, 3c umfassen mit einem während des Suchintervalls t2 durch die Steuerlogikschaltung 10 in Phasenschritten zwischen β = 0 bis β = 2π gesteuerten Phasendrehglied 23 und mit einem durch Steuerung während des Empfangsintervalls t1 offenen und während des Suchintervalls t2 geschlossenen Schalter 14 zur gesteuerten Weiterleitung des in der Phase gedrehten weiteren Empfangssignals 5b, 5c zum Summationsglied 16 zur Bildung des Empfänger-Signals 9 durch Überlagerung mit dem Empfangssignal 5a.
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Die gesteuert geschaltete Kombinationsschaltung 8 kann ferner Steuerleitungen zwischen der programmierten Steuerlogikschaltung 10 und dem gesteuerten Phasendrehglied 23 enthalten zur getakteten Einstellung Phasendrehglieds 23 während des Suchintervalls t2 und dem Schalter 14 zur Steuerung von dessen Öffnung während des Empfangsintervalls t1 und dessen Schließung während des Suchintervalls t2.
- • In der Kombinationsschaltung 8 kann in dem Signalpfad 15a des zugeführten ersten Empfangssignals 5a ein Summationsglied 16 vorhanden sein, in welchem während des Suchintervalls t2 durch den von der Steuerlogikschaltung 10 gesteuerten Schalter 14a, 14b die nach den Schaltern auftretenden Empfangssignale 5a,5b überlagert sein können.
- • Im Signalpfad 15b des zweiten Empfangssignal 5b kann ein durch die Steuerlogikschaltung 10 in Phasenschritten gesteuertes Phasendrehglied 23 und es kann in Serie hierzu ein von der Steuerlogikschaltung 10 gesteuerter Schalter 14 zur gesteuerten Durchschaltung des Empfangssignals 5b an das Summationsglied 16 eingefügt sein.
- • Die Steuerlogikschaltung 10 kann in der Weise programmiert sein, dass der Schalter 14 während des Empfangsintervallls t1 geöffnet und während des Suchintervalll t2 geschlossen ist, sodass am Antennenmodul-Anschluss 4 wechselweise jeweils während des Empfangsintervalls t1 die Wirkung einer rechtsdrehend zirkular polarisierten RHCP mit der Strahlungshauptrichtung zum Zenit weisenden Antenne und es kann während des Suchintervalls t2 durch die Überlagerung mit dem im einstellbaren Phasendrehglied 23 in Schritten in der Phase geänderten zweiten Empfangssignal 5b nach der Überlagerung im Summationsglied 16 am Antennenmodul-Anschluss 4 eine Antenne mit azimutal gebündelter Strahlung mit in Schritten azimutaler geschwenkter Hauptstrahlungsrichtung gegeben sein.
- • Das Mehrantennensystems 3 kann als erste Einzelantenne 3a eine Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit umfassen und sie kann als eine über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordnete Ringleitung 18 mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt, gebildet sein, welche mit vier mit der Ringleitung 18 verbundenen und azimutal um 90 Grad gegeneinander versetzten vertikalen Strahlern 19a, 19b, 19b, 19c gestaltet sein kann, mit Abgriff des ersten Empfangssignals 5a an einem ersten der vertikalen Strahler 19a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
- • Das Mehrantennensystems 3 kann als zweite Einzelantenne 3b eine zur Ringleitungsantenne 17 der N = 1-ten Ordnung konzentrisch angeordnete, vertikale Monopolantenne 18 mit N = 0-ter Ordnung umfassen - zum Empfang des zweiten Empfangssignal 5b und zur dessen Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
- • Das Mehrantennensystems 3 kann jedoch anstelle der im Zentrum angeordneten Ringleitungsantenne (17) mit N = 1-ter Ordnung eine Patchantenne (24) mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation (RHCP) und einer Verteilung des Phasenwinkels der Strahlung von β = 0 - 2π über dem azimutalen Raumwinkel α = 0 - 2π und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit als erstes Empfangssignal (5a) enthalten und die konzentrisch angeordnete, vertikale Monopolantenne (18) mit N = 0-ter Ordnung zum Empfang des zweiten Empfangssignal (5b) kann zentral in geringer Höhe über der Patchantenne (24) angeordnet sein.
- • Das Mehrantennensystems 3 kann als erste Einzelantenne 3a eine Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit umfassen, welche als eine über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordnete Ringleitung 18 gestaltet sein kann, mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt. Es können vier mit der Ringleitung verbundene und azimutal um 90 Grad gegeneinander versetzte vertikale Strahler 19a, 19b, 19b, 19c vorhanden sein und der Abgriff des gesonderten ersten Empfangssignals 5a kann an einem ersten der vertikalen Strahler 19a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7 gestaltet sein.
- • Das Mehrantennensystems 3 kann als zweite Einzelantenne 3b eine Ringleitungsantenne 2-ter Ordnung 20 mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit umfassen, welche als eine über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordnete Ringleitung 18 mit N = 2-ter Ordnung 21 mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 4π beträgt, gestaltet sein kann. Es können 8 mit der Ringleitung verbundene und azimutal um 45 Grad gegeneinander versetzte weitere vertikale Strahlern 22a,...22h vorhanden sein, mit Abgriff des zweiten Empfangssignals 5a an einem ersten der vertikalen Strahler 22a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
Es kann anstelle der Ringleitungsantenne 17 der N = 1-ter Ordnung als erste Einzelantenne 3a im Zentrum der zweiten Einzelantenne 3b eine Patchantenne 24 mit N = 1-ter Ordnung vorhanden sein, mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und einer Verteilung des Phasenwinkels der Strahlung von β = 0 - 2π über dem azimutalen Raumwinkel α = 0 - 2π und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit, als erstes Empfangssignal 5a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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Es kann anstelle der Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung als erste Einzelantenne 3a mit dem ersten Empfangssignal 5a im Zentrum der zweiten Einzelantenne 3b eine gekreuzte Dipolantenne 26 mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit vorhanden sein.
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Diese kann aus zwei auf einem senkrecht über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Mast befindlichen, um 90 Grad gekreuzten, im Wesentlichen horizontal orientierten Dipolen 16a, 16b bestehen, deren Dipolhälften sich v-förmig nach unten öffnen und deren Empfangssignale über ein 90 Grad Phasendrehglied 25 zu dem ersten gesonderten Empfangssignal 5a zusammengefasst sind - zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner.
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Das Mehrantennensystems 3 kann als erste Einzelantenne 3a eine Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit umfassen. Diese kann durch eine, über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordneten Ringleitung 18 mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung gebildet sein, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt. Die Ringleitung 18 kann mit vier azimutal um 90 Grad gegeneinander versetzten vertikalen Strahlern 22a, ...22c verbunden sein, wobei der Abgriff des ersten Empfangssignals 5a an einem ersten der vertikalen Strahler 22a zur Weiterleitung des Empfangssignale 5a an den Empfangssignal-Kombiner 7 gegeben sein kann.
Die zweite Einzelantenne 3b des Mehrantennensystems 3 kann als kombinierte Schleifen-Monopolantenne 27 mit N = 0-ter Ordnung mit zirkular polarisierter, azimutal gleichphasiger Strahlung in der Weise gebildet sein, dass eine Schleifenantenne 35 aus einer Leiterschleife 31 mit Kapazitäten 36 - konzentrisch zur Ringleitungsantenne 17 - gestaltet ist, welche aus einer im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene parallel über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Leiterschleife 31 mit in Phase- und Amplitude gleichförmiger Stromverteilung bestehen kann. Das an einer Unterbrechung der Leiterschleife 31 vorhandene Empfangssignal kann über ein 90° Phasendrehglied 25 mit dem Empfangssignal einer im Zentrum der Leiterschleife 31 angeordneten vertikalen Antenne 34 mit N = 0-ter Ordnung zum Empfangssignal 5b mit ebenfalls N = 0-ter Ordnung für rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP im Summationsglied 16 zur Bildung der Strahlungshauptrichtung im mittleren Bereich der Elevation zusammengefasst sein - zur Weiterleitung der Empfangssignale 5b an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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Das Mehrantennensystems 3 kann als erste Einzelantenne 3a mit N = 1-ter Ordnung eine gekreuzte Dipolantenne 26 mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit, bestehend aus zwei auf einem senkrecht über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Mast 28 befindlichen, um 90 Grad gekreuzten, im Wesentlichen horizontal orientierten Dipolen umfassen, deren Dipolhälften sich v-förmig nach unten öffnen und deren Empfangssignale über ein 90 Grad Phasendrehglied 25 zu dem ersten gesonderten Empfangssignal 5a zusammengefasst sind zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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Das Mehrantennensystem 3 kann als zweite Einzelantenne 3b mit N = 0 - ter Ordnung eine auf dem Mast 28 befindliche vertikale Monopolantenne 18 zur Weiterleitung von deren Empfangssignal 3b an den Empfangssignal-Kombiner 7 umfassen.
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Anstelle des Summationsglieds 16 und des Schalters 14 kann eine in der Signalübertragung V1, V2 durch die Steuerlogikschaltung 10 eingestellte Hochfrequenzweiche 38 eingesetzt sein, in welcher das erste Empfangssignal 5a mit dem Faktor V1 und das nach dem einstellbaren Phasendrehglied 23 auftretende zweite Empfangssignal 5b' mit dem Faktor V2 bewertet und beide Empfangssignale 5a, 5b' zum kombinierten Empfänger-Signal 9 überlagert sind.
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Die Steuerlogikschaltung 10 kann in der Weise erweitert programmiert sein, dass V1 = 1 eingestellt ist und auch die Einstellung der Signalübertragung V2 der Hochfrequenzweiche beginnend mit der Einstellung V2 = 1 mit in V2-Schritten abnehmenden Werten eingestellt ist. Für jeden V2-Schritt kann die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds 23 in Phasenschritten den Phasenumfang beginnend von 0° bis 360° durchlaufen, sodass jeweils eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und das Strahlungsdiagramm mit azimutaler Hauptrichtung mit abnehmenden Signalübertragungswerten V2 in Schritten bis zu V2 = 0 in ein azimutales Runddiagramm mit Hauptrichtung zum Zenit übergeführt sein kann.
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In besonders vorteilhafter Ausführungsform ist die Steuerlogikschaltung (10) in der Weise erweitert programmiert, dass V1 = 1 und V2 = 0 eingestellt ist, sodass das für den normalen Empfang herrschende azimutale Runddiagramm eingestellt ist und, dass mit Beginn des Zyklus die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds (23) nach Beginn des Zyklus in Phasenschritten den Phasenumfang beginnend von 0° bis 360° durchläuft, sodass jeweils eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und während dieser Phasenumdrehung (oder weniger Phasenumdrehungen) das Richtdiagramm durch kontinuierlich in kleinen Schritten zunehmende Signalübertragungswerte V2 bis zu einem Maximalwert (z.B, V2=0,2) in das Strahlungsdiagramm mit azimutaler Hauptrichtung überführt ist sodass jeweils eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und dass die Einstellung des Maximalwertes von V2 (optional) für wenige Umdrehungen gehalten wird und, dass zur Beendigung des Zyklus die Einstellung der Signalübertragung V2 der Hochfrequenzweiche beginnend mit dessen Maximalwert in kontinuierlich abnehmenden Werten eingestellt ist und dass das Strahlungsdiagramm mit azimutaler Hauptrichtung in der Zeit, während die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds (23) weiter in Phasenschritten den Phasenumfang beginnend von 0° bis 360° durchlaufen hat, vom Maximalwert von V2 bis zum Wert V2 = 0 in das Strahlungsdiagramm mit azimutalem Runddiagramm mit Hauptrichtung zum Zenit wieder übergeführt ist.
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Dabei kann die Hochfrequenzweiche kann alternativ bei auch durch ein variables Dämpfungsglied in Serie mit dem Phasendrehglied und einen Leistungskombinierer oder ähnliche Komponenten aufgebaut werden.
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Das Mehrantennensystems 3 kann zusätzlich als dritte Einzelantenne 3b eine im Zentrum der Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung konzentrisch angeordnete, vertikale Monopolantenne 18 mit N = 0-ter Ordnung zum Empfang des dritten Empfangssignal 5c aufweist und der selbstgesteuerte Signal-Kombiner 7 folgende Merkmale aufweisen.
- • Dem einstellbaren Phasendrehglied 23 kann ein von der Steuerlogikschaltung 10 gesteuerter Umschalter 39 vorgeschaltet sein, welchem das zweite Empfangssignal 5b und das dritte Empfangssignal 5c zur alternativ geschalteten Weiterleitung an das einstellbare Phasendrehglied 23 zugeführt sind.
- • Die Programmierung der Steuerlogikschaltung 10 kann in der Weise ergänzt und der Umschalter 39 entsprechend von der Steuerlogikschaltung 10 gesteuert sein, dass das Suchintervall t2 unterteilt ist in das Suchintervall t2a, während dieser das zweite Empfangssignal 5b zum Phasendrehglied 23 durchgeschaltet ist und in das Suchintervall t2b, während dieser das dritte Empfangssignals 5b zum Phasendrehglied 23 durchgeschaltet ist und das Phasendrehglied 23 während des Suchintervalls t2a und des Suchintervalls t2b jeweils über den Bereich β = 0 bis β = 2π in Phasenschritten gesteuert und der Schalter 14 während der beiden Suchintervalle t2a und t2b geschlossen ist.
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Anstelle des Summationsglieds 16 und des Schalters 14 kann eine in der Signalübertragung V1, V2 durch die Steuerlogikschaltung 10 eingestellte Hochfrequenzweiche 38 eingesetzt sein, in welcher das erste Empfangssignal 5a mit dem Faktor V1 und das nach dem einstellbaren Phasendrehglied 23 während des Suchintervalls t2b auftretende zweite Empfangssignal 5b' kann mit dem Faktor V2b und das während des Suchintervalls t2c auftretende dritte Empfangssignal 5c' mit dem Faktor V2c bewertet und jeweils beide Empfangssignale 5a, 5b'bzw. 5a, 5c' zum kombinierten Empfänger-Signal 9 überlagert sein.
- • die Steuerlogikschaltung 10 kann in der Weise erweitert programmiert sein, dass V1 = 1 eingestellt ist und die Einstellung der Signalübertragung V2a bzw. V2b der Hochfrequenzweiche etwa beginnend mit der Einstellung V2a = V2b = 1 mit in Stufen abnehmenden Werten eingestellt ist und für jede Stufe kann die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds 23 in Phasenschritten den Phasenumfang, beginnend von 0° bis 360° mindestens einmal durchlaufen sein, sodass für beide Stellungen des Umschalters 39 jeweils mindestens eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und das Strahlungsdiagramm mit azimutaler Hauptrichtung mit abnehmenden Signalübertragungswerten V2a bzw.V2b in Schritten bis zu V2a = 0 bzw. V2b = 0 jeweils in ein azimutales Runddiagramm mit Hauptrichtung zum Zenit übergeführt ist.
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Im selbstgesteuerten Signal-Kombiner 7 kann ein in der Weise gestaltetes Ablaufprogramm abgelegt sein, dass mit dessen Start (t = 0) vor Einsetzen der zeitlichen Folgen der Periode t0 ein Aufstartintervall tA der zeitlichen Länge tA abläuft, während dessen der Schalter 14 geschlossen ist. In aufeinanderfolgenden zeitlichen Schrittlängen ta kann das einstellbare Phasendrehglied 23 jeweils entsprechend geändert eingestellt sein, sodass das horizontale Strahlungsdiagramm mit seiner Hauptrichtung im Azimut um einen Winkelschritt weiter gedreht ist, wodurch das Strahlungs-Richtdiagramm mit seiner Hauptrichtung während der Umdrehungszeit tu jeweils einmal und während des Aufstartintervalls tA mindestens z = 1mal - über eine volle horizontale Umdrehung gedreht ist.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Empfangsanlage ergeben sich u. a. die folgenden besonderen Vorteile:
- Das Antennenmodul 1 mit selbst gesteuerter Antennen-Diversity-Funktion für einen serienmäßig hergestellten Empfänger 2 zum mobilen Empfang von Ortungssatelliten- Signalen mit einem Hochfrequenzeingang 28 kann ausschließlich über diesen mit dem Empfänger verbunden sein. Eine weitere Verbindung zum Empfänger 2 ist nicht notwendig.
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Diese Antennen-Diversity-Anordnung zeichnet sich durch besondere Wirtschaftlichkeit aus.
Die DC-Stromversorgung des Antennenmoduls 1 kann aufwandslos über das Fahrzeug- Bordnetz oder bei Vorhandensein eines DCout-Anschlusses 12 am Empfänger 2 durch diesen erfolgen.
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Die Gestaltung des Antennenmoduls 1 aus jeweils unterschiedlichen auf kleinem Raum kombinierbarer ineinander geschriebener Antennenstrukturen wie zum Beispiel einer zirkular polarisierten Ringleitungsantenne erster Ordnung kombiniert mit einer Linearantenne 0-ter Ordnung sowie einer Ringleitungsantenne 1-ter Ordnung kombiniert mit einer Ringleitungsantenne 2-ter Ordnung sowie einer Kombination aus einer Ringantenne mit einem Stabmonopol zur Ring-Monopolantenne etc. ermöglichen die gewünschte Antennendiversity-Funktion bei besonders kleinem Flächenbedarf auf der Fahrzeugoberfläche.
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Ein Mehrantennensystem 3 für ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung kann vorteilhaft aus mehreren Einzelantennen 3a, 3b, 3c.. mit jeweils voneinander unterschiedlicher Polarisation und/oder Hauptrichtung zum Empfang von Ortungssatelliten-Signalen mit jeweils gesonderten Empfangssignalen 5a, 5b, 5c gebildet sein. Solche Einzelantennen 3a, 3b, 3c.. basieren nach dem Stand der Technik häufig auf zirkular polarisierten Satelliten-Empfangsantennen, wie sie zum Beispiel aus den Druckschriften
DE102009040910.6 ,
DE-A-4008505 und
A-10163793 bekannt sind. Für den Aufbau auf Fahrzeugen eignen sich diese Antennen besonders, weil sie sich durch eine niedrige Bauhöhe und kleinen Grundflächenbedarf in Verbindung mit kostengünstiger Herstellbarkeit auszeichnen. Hierzu zählt besonders zum Beispiel auch die aus der Druckschrift
DE102009040910.6 bekannte, als Resonanzstruktur gestalteten kreisförmigen, polygonförmigen oder quadratischen Ringleitungsantenne mit kleinem Bauvolumen oder Patchantennen etc.
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Eine Diversity-Empfangsanlage für ein Satelliten-Empfangs-System für den Satellitenrundfunk-Empfang ist bekannt aus der
DE 10206385 . Dort bildet die Antennenanordnung zur Herstellung der Diversityfunktion eine vom Empfänger gesonderte Einheit. Dort erfolgen die Prüfung des Empfangspegels und die Umschaltung der Antennen synchronisiert mit dem Symboltakt der Datensignale. Hierfür werden sowohl Symboltaktsignale als auch die Empfangspegel-Signale aus dem Empfänger der Antennenanordnung zur Herstellung der Diversityfunktion zugeführt.
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Die selbstgesteuerte Diversity-Empfangsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet vom Empfänger in wirtschaftlich vorteilhafter Weise autonom. Die Zuführung der im Empfänger erzeugten Taktsignale und Empfangspegel-Signale ist nicht vorgesehen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: Zeigt den Grundaufbau eines Antennenmoduls 1 nach der Erfindung mit den Einzelantennen 3a, 3b als Mehrantennensystem 3 und einen daran angeschlossenen selbstgesteuerten Signal-Kombiner 7 mit der steuerbaren und schaltbaren Kombinationsschaltung 8 zur gesteuerten Auswahl und gesteuerten Bildung von Linearkombinationen aus den ausgewählten Empfangssignalen 5a, 5b zum kombinierten Empfänger-Signal 9 und dessen Weiterleitung über den Antennenmodul-Anschluss 4 und die Hochfrequenzleitung 39 zum HF-Eingangsanschluss 40 des Empfängers 2. Die Steuerung der Kombinationsschaltung 8 erfolgt durch die programmierbare Steuerlogikschaltung 10, deren Steuersignale im Takte des Taktgenerators 11 gebildet sind und an die Kombinationsschaltung 8 zu deren Einstellung abgegeben werden. In der programmierbaren Steuerlogikschaltung 10 ist ein fest installiertes Ablaufprogramm abgelegt, durch welches jeweils eine durch den Perioden-Takt initiierte vorbestimmte Linearkombination aus den Empfangssignalen 5a, 5b am Ausgang der steuerbaren und schaltbaren Kombinationsschaltung 8 vorliegt. Die im Taktgenerator 11 erzeugte Periode t0 und deren Unterteilung in das Empfangsintervall t1 und das Suchintervall t2 sowie die Anzahl der Umdrehungen der Hauptrichtung sind in der Weise aufeinander abgestimmt und fest eingestellt, dass die Synchronisationszeit für möglichst viele empfangene Satellitensignale statistisch möglichst klein ist. Die Einstellung der sich zyklisch nach einer Periode t0 der Zeitdauer t0 der wiederholenden Folge der Takte für die Unterteilung in ein Empfangsintervall t1 der Zeitdauer t1, in ein Suchintervall t2 der Zeitdauer t2 sowie in die während des Suchintervalls t2 in Schritten jeweils nach einem Schritttaktabstand ts wiederholend getaktete Phase des Empfangssignals 5b können nach empirisch gefundenen Werten eingestellt werden und können in weiten Grenzen variieren.
Günstige Ergebnisse können mit t0 im Bereich einer Updateperiode über die Satellitenpositionen im Bereich der Größenordnung von 10 Sekunden und mit einem Suchintervall im Bereich der Größenordnung von Sekunden und dem Schrittaktabstand ts im Bereich der Größenordnung von Zehntelsekunden oder Hunderdstelsekunden zur Einstellung der aufeinanderfolgenden Phasenschritte innerhalb des Suchzyklus t2 erreicht werden.
- 2: Zeigt ein Antennenmodul nach der Erfindung mit Ortungssatelliten-Empfänger 2 wie in 1 zur grundsätzlichen Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung anhand eines Mehrantennensystems 3. Dieses besteht aus einer Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung als erste Einzelantenne 3a mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung mit, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π mit dem ersten Empfangssignal 5a und als zweite Einzelantenne 35, bestehend aus einer vertikalen Monopolantenne 18 mit N = 0-ter Ordnung zum Empfang des zweiten Empfangssignal 5b.
Die erste Einzelantenne 3a gilt als Normalantenne und ihr Empfangssignal 5a ist über das Summationsglied 16 permanent zum Antennenmodul-Anschluss 4 durchgeleitet und liegt dort während des Empfangsintervalls t1 vor.
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Diesem Signal ist bei Schließung des Schalters 14 während des Suchintervals t2 unter einem eingestellten Phasenwinkel des Phasendrehglieds 23 im Summationsglied 16 überlagert.
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Beide Antennen besitzen ein azimutales Runddiagramm der Strahlungsdichte und eine azimutal lineare Verteilung des Phasenwinkels Ø = 0 - 2π*N von ganzzahlig N-ter Ordnung der Strahlung über einen entsprechenden azimutalen Winkelbereich von α = 0 - 2π gebildet. Der Unterschied in der Ordnungszahl N der beiden Antennen und die Überlagerung von deren Empfangssignalen 5a und 5b im Summationsglied 16 unter einem bestimmten Phasenwinkel bewirkt am Antennenmodul-Anschluss 4 ein azimutales Richtdiagramm mit einem Maximum der azimutalen Strahlung unter einer bestimmten azimutalen Hauptrichtung. Bei schrittweise getakteter Veränderung der Phase im einstellbaren Phasendrehglied 23 zwischen dem Phasenwinkelbereich β = 0 bis β = 2π und Überlagerung des in der Phase verschobenen Empfangssignals 5b stellt sich während des Suchintervalls t2 ein Strahlungs-Richtdiagramm mit azimutal zwischen α = 0 bis α = 2π - also mindestens einmal - über eine volle Umdrehung in Schritten geschwenkter Hauptrichtung der Strahlung ein. Das azimutale Richtdiagramm beschreibt in der Grundform eine mehr oder weniger ausgeprägten Kardioide mit einer deutlichen Erhöhung der Strahlung im Strahlungsmaximum. Durch die Erhöhung der Strahlung in der Hauptrichtung ist eine deutliche Erhöhung der Auffindungswahrscheinlichkeit von Satelliten mit schwach einfallenden Satellitensignalen gegeben. Mit Ablauf jeder Periode t0 werden durch die wiederholende Drehung des azimutalen Richtdiagramms die jeweils aus der azimutalen Umgebung der sich drehenden Hauptrichtung einfallenden Satellitensignale in der Empfangsstärke angehoben, wodurch diese Signale im Empfänger erkannt und erfasst werden können. Danach kann sowohl die Synchronisation als auch die Auswertung der Signale bezüglich der Ortungsdaten anhand der kleineren Signalstärke während der Empfangsintervalle t1 erfolgen. Anhand der vorliegenden Erfindung werden somit eine größere Anzahl von Satelliten festgestellt und ausgewertet werden, sodass im Ergebnis eine größere Ortungsgenauigkeit erreicht wird.
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Nach Synchronisation dieser Satellitensignale im Empfänger kann die Auswertung der Satellitensignale während des länger andauernd eingestellten Empfangsintervalls t1 erfolgen. Die Auswertung stärker einfallender Satellitensignale wird bei Vermeidung einer Kardioidenform mit ausgeprägter Nullstelle im Richtdiagramm durch das rotierende Strahlungsdiagramm während des Suchintervall t2 praktisch nicht beeinflusst.
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Bereits ein geringfügiges Zugeständnis an den durch Überlagerung der beiden Empfangssignale 3a, 3b maximal sich ergebenden Antennengewinn in der azimutalen Hauptrichtung bewirkt einen deutlich geringeren Einbruch des Antennengewinns in der dazu azimutalen Gegenrichtung. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit des Verlierens von in der Gegenrichtung einfallender und vom Empfänger bereits erfasster Satellitensignale während der sehr kurzen Zeit des Durchlaufens der Gegenrichtung durch den wesentlich geringeren Einbruch des Antennengewinns entsprechend klein. Für die Vermeidung einer vollkommenen Auslöschung der überlagerten Empfangssignale 3a, 3b ist die Gewichtung der beiden Empfangssignale vor ihrer Überlagerung im Summationsglied 16 bzw. bei der Überlagerung in der einstellbaren Hochfrequenzweiche 38 vorteilhaft. Diese genaue Einstellung kann besonders wirkungsvoll dadurch erfolgen, dass die Empfangssignale 3a, 3b vor der Bildung ihrer Linearkombination mit rauscharmen Verstärkern in ihrer Größe angehoben werden, sodass sie im Anschluss daran mithilfe passiver Dämpfungsglieder in ihrer Größe zueinander entsprechend eingestellt werden. Hierzu können Einzelantenne 3a, 3b, 3c mit daran angeschlossenen Verstärkerschaltungen, d. h. aktive Antennen, vorteilhaft eingesetzt werden. Die möglicherweise durch hartes Umschalten mit den einzelnen Phasenschritten verbundenen Signalstörungen können weitgehend vermieden werden, wenn die Umschaltung als ein „weicher“ Vorgang gestaltet ist. Bei Phasendrehgliedern (23), deren Phase mit Kapazitätsdioden eingestellt ist, kann dies durch passende Ansteuerung der Dioden bei der Umschaltung problemlos realisiert werden.
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Über Steuerleitungen 29 werden sowohl die Taktsignale für die Periode t0, das Empfangsintervall t1, das Suchintervall t2 sowie für die Schritte zur Einstellung des Phasendrehglieds 23 vom Taktgenerator 11 an die programmierbare Steuerlogikschaltung 10 geleitet, durch welche gemäß dem Ablaufprogramm der Schalter 14 und das Phasendrehglieds 23 über weitere Steuerleitungen 29 koordiniert eingestellt sind.
3: Das Mehrantennensystems 3 nach der Erfindung umfasst, wie in 2, als erste Einzelantenne 3a die Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit, umfassend eine über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordnete Ringleitung 18 mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt, mit vier mit der Ringleitung 18 verbundenen und azimutal um 90 Grad gegeneinander versetzten vertikalen Strahlern 19a, 19b, 19b, 19c mit Abgriff des ersten Empfangssignals 5a an einem ersten der vertikalen Strahler 19a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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4: Zeigt ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung, in welchem anstelle der Ringleitungsantenne 17 der N = 1-ter Ordnung als erste Einzelantenne 3a im Zentrum der zweiten Einzelantenne 3b eine Patchantenne 24 mit N = 1-ter Ordnung vorhanden ist, mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und einer Verteilung des Phasenwinkels der Strahlung von β = 0 - 2π über dem azimutalen Raumwinkel α = 0 - 2π und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit, als erstes Empfangssignal 5a zur Weiterleitung an den Empfangssignal-I<ombiner 7.
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5: Zeigt ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung, in welchem anstelle der Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung als erste Einzelantenne 3a mit dem ersten Empfangssignal 5a im Zentrum der zweiten Einzelantenne 3b eine gekreuzte Dipolantenne 26 mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit vorhanden ist. Diese besteht aus zwei auf einem senkrecht über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Mast befindlichen, um 90 Grad gekreuzten, im Wesentlichen horizontal orientierten Dipolen 16a, 16b. Beide Dipolhälften sind jeweils v-förmig nach unten geöffnet. Deren Dipol-Empfangssignale sind über ein 90 Grad Phasendrehglied 25 zu dem ersten gesonderten Empfangssignal 5a zusammengefasst sind - zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7
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6: Das dargestellte Mehrantennensystem 3 nach der Erfindung umfasst als erste Einzelantenne 3a - wie in 1 und 2 eine Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit umfassend eine über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 angeordnete Ringleitung 18 mit der Stromverteilung einer laufenden Leitungswelle in einer einzigen Umlaufrichtung, deren Phasenunterschied über einen Umlauf gerade 2π beträgt, mit vier mit der Ringleitung verbundenen und azimutal um 90 Grad gegeneinander versetzten vertikalen Strahlern 22a, ...22c mit Abgriff des ersten Empfangssignals 5a an einem ersten der vertikalen Strahler 22a zur Weiterleitung des Empfangssignale 5a an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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Die zweite Einzelantenne 3b des Mehrantennensystems 3 ist als kombinierte Schleifen-Monopolantenne 27 mit N = 0-ter Ordnung mit zirkular polarisierter, azimutal gleichphasiger Strahlung in der Weise gebildet, dass eine Schleifenantenne 35 aus einer Leiterschleife 31 mit Kapazitäten 36 - konzentrisch zur Ringleitungsantenne 17 - vorhanden ist. Diese ist aus einer im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene parallel über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Leiterschleife 31 mit in Phase- und Amplitude azimutal gleichförmiger Stromverteilung gebildet. Das an einer Unterbrechung der Leiterschleife vorhandene Empfangssignal ist über ein 90 Grad Phasendrehglied 25 mit dem Empfangssignal einer im Zentrum der Leiterschleife 31 angeordneten vertikalen Antenne 34 mit N = 0-ter Ordnung zum Empfangssignal 5b im Summationsglied 16 zusammengefasst, sodass die Schleifen-Monopolantenne 27 gebildet ist. Die Phase der Strahlung dieser Antenne ist somit ebenfalls azimutal unabhängig, also von N = 0-ter Ordnung, und ist durch für rechtsdrehend zirkulare Polarisation RHCP gestaltet. Die Strahlungshauptrichtung ergibt sich im mittleren Bereich der Elevation gestaltet - zur Weiterleitung der Empfangssignale 5b an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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7: Das dargestellte Mehrantennensystems 3 nach der Erfindung umfasst als erste Einzelantenne 3a mit N = 1-ter Ordnung eine gekreuzte Dipolantenne 26 mit rechtsdrehend zirkularer Polarisation RHCP und der Strahlungshauptrichtung zum Zenit. Diese besteht - wie in 5 - aus zwei auf einem senkrecht über der leitenden Grundfläche 6 angeordneten Mast 28 befindlichen, um 90 Grad gekreuzten, im Wesentlichen horizontal orientierten Dipolen, deren Dipolhälften sich v-förmig nach unten öffnen und deren Empfangssignale über ein 90 Grad Phasendrehglied 25 zu dem ersten gesonderten Empfangssignal 5a zusammengefasst sind zur Weiterleitung an den Empfangssignal-Kombiner 7.
Das Mehrantennensystems 3 umfasst als zweite Einzelantenne 3b mit N = 0 - ter Ordnung eine auf dem Mast 28 befindliche vertikale Monopolantenne 34 _ zur Weiterleitung von deren Empfangssignal 3b an den Empfangssignal-Kombiner 7.
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8: Zeigt ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung mit jeweils einem, wie in den 2 - 7 dargestellten - jedoch hier nicht näher ausgeführten - Mehrantennensystem 3 mit jeweils einem Empfangssignal-Kombiner 7. Im Empfangssignal-Kombiner 7 ist anstelle des Summationsglieds 16 und des Schalters 14 jedoch eine in der Signalübertragung V1, V2 durch die Steuerlogikschaltung 10 eingestellte Hochfrequenzweiche 38 eingesetzt, in welcher das erste Empfangssignal 5a mit dem Faktor V1 und das nach dem einstellbaren Phasendrehglied 23 auftretende zweite Empfangssignal 5b' mit dem Faktor V2 bewertet und beide Empfangssignale 5a, 5b' zum kombinierten Empfänger-Signal 9 überlagert sind.
Dabei ist die Steuerlogikschaltung 10 in der Weise erweitert programmiert, dass V1 = 1 eingestellt ist und die Einstellung der Signalübertragung V2 der Hochfrequenzweiche beginnend mit der Einstellung V2 = 1 mit in V2-Schritten abnehmenden Werten eingestellt ist. Dabei ist für jeden V2-Schritt die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds 23 in Phasenschritten den Phasenumfang beginnend von 0° bis 360° durchlaufen, sodass jeweils eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und das Strahlungsdiagramm mit azimutaler Hauptrichtung mit abnehmenden Signalübertragungswerten V2 in Schritten bis zu V2 = 0 in ein azimutales Runddiagramm mit Hauptrichtung zum Zenit übergeführt ist.
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9: Zeigt ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung wie in 3, dessen Mehrantennensystems 3 jedoch zusätzlich als dritte Einzelantenne 3b eine im Zentrum der Ringleitungsantenne 17 mit N = 1-ter Ordnung konzentrisch angeordnete, vertikale Monopolantenne 34 mit N = 0-ter Ordnung zum Empfang des dritten Empfangssignal 5c aufweist. Entsprechend ist der selbstgesteuerte Signal-Kombiner 7 in Figur wie folgt erweitert. Dem einstellbaren Phasendrehglied 23 ist ein von der Steuerlogikschaltung 10 gesteuerter Umschalter 39 vorgeschaltet, welchem das zweite Empfangssignal 5b und das dritte Empfangssignal 5c zur alternativ geschalteten Weiterleitung an das einstellbare Phasendrehglied 23 zugeführt sind. Die Programmierung der Steuerlogikschaltung 10 ist in der Weise ergänzt und der Umschalter 39 ist entsprechend von dem Taktgenerator 11 in Verbindung mit der Steuerlogikschaltung 10 gesteuert, dass das Suchintervall t2 unterteilt ist in das Suchintervall t2a und in das Suchintervall t2b, welche innerhalb einer Periode t0 auftreten, aber zeitlich nicht zwingend aufeinanderfolgen müssen. Während dieser beiden Suchintervalle ist der Schalter 14 geschlossen und das zweite Empfangssignal 5b und das dritte Empfangssignal 5c sind während des Suchintervalls t2a und während des Suchintervalls t2b alternierend an das einstellbare Phasendrehglied 23 weitergeleitet. Das Phasendrehglied 23 ist während des Suchintervalls t2a und des Suchintervalls t2b jeweils über den Bereich β = 0 bis β = 2π in Phasenschritten gesteuert und es sind alternierend jeweils ein unterschiedliches azimutal drehendes Richtdiagramm mit Hauptrichtung mit unterschiedlichem Vertikaldiagramm gegeben.
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10: Zeigt ein Antennenmodul 1 nach der Erfindung wie in 9, jedoch ist anstelle des Summationsglieds 16 und des Schalters 14 eine in der Signalübertragung V1, V2 durch die Steuerlogikschaltung 10 eingestellte Hochfrequenzweiche 38 eingesetzt. In dieser ist ein das erste Empfangssignal 5a mit dem Faktor V1 und das nach dem einstellbaren Phasendrehglied 23 während des Suchintervalls t2b auftretende zweite Empfangssignal 5b' mit dem Faktor V2b und das während des Suchintervalls t2c auftretende dritte Empfangssignal 5c' mit dem Faktor V2c bewertet und jeweils beide Empfangssignale 5a, 5b' bzw. 5a, 5c' alternierend zum kombinierten Empfänger-Signal 9 überlagert.
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Die Steuerlogikschaltung 10 ist in der Weise erweitert programmiert, dass V1 = 1 eingestellt ist und die Einstellung der Signalübertragung V2a bzw. V2b der ja also wie die Hochfrequenzweiche etwa beginnend mit der Einstellung V2a = V2b = 1 mit in Stufen abnehmenden Werten eingestellt ist und für jede Stufe die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds 23 in Phasenschritten den Phasenumfang, beginnend von 0° bis 360° mindestens einmal durchlaufen ist, sodass für beide Stellungen des Umschalters 39 jeweils mindestens eine volle azimutale Drehung der Hauptstrahlrichtung gegeben ist und das Strahlungsdiagramm am Antennenmodul-Anschluss 4 mit azimutaler Hauptrichtung mit abnehmenden Signalübertragungswerten V2a bzw.V2b in Schritten bis zu V2a = 0 bzw. V2b = 0 jeweils auch während der Suchintervalle in ein azimutales Runddiagramm mit Hauptrichtung zum Zenit übergeführt ist.
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11: Zeigt das räumliche Richtdiagramm des Empfangssignals mit Hauptrichtung am Antennenmodul-Anschluss 4 während eines Phasenschritts mit den in 3 dargestellten kombinierten Einzelantennen 3a und 3b.
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12: a) Zeigt ein Beispiel für die im Taktgenerator 11 erzeugte Taktfolge über der Zeit mit der Periode t0, mit der sich alle Vorgänge zyklisch wiederholen und welche in das zeitlich längere Empfangsintervall t1 und das Suchintervall t2 unterteilt ist. Während des Empfangsintervalls t1 ist die Normalantenne mit Hauptstrahlungsrichtung zum Zenit, hier mit erster Einzelantennen 3a bezeichnet, zum Antennenmodul-Anschluss 4 durchgeschaltet. Während dieser Zeit findet im Empfänger in der Hauptsache die Ortung über die vom Empfänger gefundenen Ortungssatelliten-Signale statt. Erfindungsgemäß findet während des Suchintervalls t2 das Auffinden mit schwach einfallenden Ortungssatelliten-Signalen dadurch statt, dass in zeitlichen Schritten mit dem Schritttaktabstand ts jeweils eine unterschiedliche Phase am einstellbaren Phasendrehglied 23 eingestellt ist. Aufgrund der kombinierten Signale von der ersten Einzelantenne 3a mit einer zweiten Einzelantenne 3b bzw. von der ersten Einzelantenne 3a mit einer dritten Einzelantenne 3c und aufgrund der unterschiedlichen Ordnung der jeweils kombinierten Einzelantennen ist mit jedem Phasenschritt ein horizontales Richtdiagramm gegeben mit jeweils einem Strahlungsmaximum in einer unterschiedlichen Hauptrichtung zum verstärkten Empfang von Satellitensignalen am Antennenmodul-Anschluss 4. Bei Einstellung des Phasendrehglieds 23 in Schritten zwischen 0 und 360° wird die Hauptrichtung um den gesamten Azimut gedreht und die Wahrscheinlichkeit zur Auffindung weiterer Satellitensignale gegeben.
b) Zeigt ein Beispiel für die im Taktgenerator 11 erzeugte Taktfolge über der Zeit mit der Periode t0 wie in a), jedoch mit der Besonderheit, dass beim Start (t = 0) vor Einsetzen der zeitlichen Folgen der Periode t0 ein Aufstartintervall tA der zeitlichen Länge tA zur sicheren Erkennung möglichst vieler Satellitensignale eingeschoben ist. Während des Aufstartintervalls tA ist der Schalter 14 geschlossen und am Antennenmodul-Anschluss 4 liegt das aus den Einzelantennen 3a und 3b unter dem Phasenwinkel des einstellbaren Phasendrehglieds 23 kombinierte Signal vor. Die Phase des einstellbaren Phasendrehglieds 23 ist in Zeitschritten ta jeweils in der Weise geändert eingestellt, dass das horizontale Strahlungsdiagramm mit seiner Hauptrichtung im Azimut um einen entsprechenden Winkelschritt weitergedreht ist. Nach Ablauf der entsprechenden Anzahl von Zeitschritten ta ist zur Umdrehungszeit tu eine volle Umdrehung des Strahlungs-Richtdiagramms mit seiner Hauptrichtung erreicht. Dadurch Sind die Satellitensignale jeweils über die Zeit des Durchlaufs des Strahlungsdiagramms-Maximum zur leichteren Signalerkennung im Ortungssatelliten-Empfänger 2 erhöht. Günstige Ergebnisse sind zum Beispiel mit einem Aufstartintervall tA im Bereich der Größenordnung weniger Sekunden mit Zeitschritten ta im Bereich von Hunderdstelsekunden oder Zehntelsekunden und einer Umdrehungszeit tu im Bereich der Größenordnung einer Sekunde zur Einstellung der aufeinanderfolgenden Phasenschritte innerhalb der Zeitdauer tA erreicht.
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13: Die dargestellten Kurven beschreiben beispielhaft jeweils den Antennengewinn des Antennenmoduls in db über den gesamten Azimut bei einer Elevation des Signaleinfalls unter 45° mit den in 11 besprochenen und in 3 dargestellten kombinierten Ringantennen.
Kurve 1 beschreibt den über den Azimut konstanten Antennengewinn der inneren Ringantenne als erste Einzelantenne 3a mit der Ordnung N = 1 während des Empfangsintervalls t1.
Die Verläufe 2-5 beschreiben jeweils den während der Suchintervalle t2 mit unterschiedlichen Einstellungen des einstellbares Phasendrehglied 23 in 45°-Phasenschritten erreichten Antennengewinn, dargestellt für die Phasenschritte 45° bis 180° mit der sich entsprechend verschiebenden Hauptrichtung im Azimut.
Die Maxima in der azimutalen Hauptrichtung dieser Verläufe liefern jeweils nach jeder Periode t0 über die Zeitdauer eines Phasenschritts ts für jeden Azimutwinkel-Sektor gegenüber der Normalantenne einen vergrößerten Antennengewinn von bis zu 4 db. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit des Auffindens - andernfalls mit der Normalantenne unerkannt bleibender - schwacher Satellitensignale wesentlich erhöht.
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Der besondere Vorteil eines Antennenmoduls 1 der Erfindung besteht zum einen in der Wirtschaftlichkeit der Realisierung anhand der beispielhaft offenbarten oder ähnlichen Mehrantennensysteme 3, deren Einzelantennen 3a,... 3c zum Teil als Blechantennen, Stabantennen bzw. Patchantennen bestehen können, welche konzentrisch zueinander mit kleinem Platzbedarf angeordnet werden können. Zum anderen können der selbstgesteuerte Signal-Kombiner 7 mit seinen im Wesentlichen aus analogen Bausteinen bestehenden Komponenten und seinem aus elektronischen Bausteinen bestehenden Taktgenerator 11 und seiner programmierbaren Steuerlogikschaltung 10 preisgünstig in Serienherstellung erfolgen. Die hier getrennt dargestellten Komponenten des Taktgenerators 11 und der programmierbaren Steuerlogikschaltung 10 ist der klareren Darstellung geschuldet. Beide Komponenten können vorteilhaft zu einem integrierten digitalen und programmierbaren Prozessor zusammengefasst werden, welcher das einstellbares Phasendrehglied 23, den Schalter 14 sowie die einstellbare Hochfrequenzweiche 38 steuert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das vorgesehene Ablaufprogramm im programmierbaren Prozessor zur Einstellung des Antennenmoduls 1 für den Betrieb mit einem Ortungssatelliten-Empfänger 2 zum Beispiel über den Antennenmodul-Anschluss 4 geladen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antennenmodul
- 2
- Ortungssatelliten-Empfänger
- 3
- Mehrantennensystem
- 3a, 3b, 3c...
- Einzelantenne
- 4
- Antennenmodul-Anschluss
- 5a, 5b, 5c
- Gesonderte Empfangssignale
- 6
- leitende Grundfläche
- 7
- selbstgesteuerter Signal-Kombiner
- 8
- steuerbare, schaltbare Kombinationsschaltung
- 9
- kombiniertes Empfänger-Signal
- 10
- programmierbare Steuerlogikschaltung
- 11
- Taktgenerator
- 12
- DCout-Anschluss
- 13
- Dein-Anschluss
- 14
- Schalter
- 15a, 15b
- Signalpfad
- 16
- Summationsglied
- 17
- Ringleitungsantenne 1. Ordnung
- 18
- Ringleitung
- 19a, 19b, 19b, 19c
- vertikalen Strahlern
- 20
- Ringleitungsantenne 2. Ordnung
- 21
- Monopol-Anschlussstelle
- 22a,...22h
- vertikale Strahlern
- 23
- einstellbares Phasendrehglied
- 24
- Patchantenne
- 25
- 90 Grad Phasendrehglied
- 26
- gekreuzte Dipolantenne
- 27
- Schleifen-Monopolantenne 0-ter Ordnung
- 28
- Mast
- 29
- Steuerleitung
- 30
- DC-Leitungen
- 31
- Leiterschleife
- 32
- Zweidrahtleitung
- 33
- Umsymmetrierglied
- 34
- Vertikale Monopolantenne
- 35
- Schleifenantenne
- 36
- Kapazität
- 37
- Leiterschleifen- Anschlussstelle
- 38
- Einstellbare Hochfrequenzweiche
- 39
- Umschalter
- 40
- Hochfrequenzleitung
- 41
- Hochfrequenz-Anschluss
- V1 = 0 - 1, V2 = 0 - 1
- Leistungsverteilungs-Einstellung
- Ø = 0 - 2π*N
- Phasenwinkel der Antennenstrahlung vs. Azimut
- N
- Ganzzahlige Ordnung
- α = 0 - 2π,
- azimutaler Winkel
- t0
- Periode t0 der Zeitdauer
- t1
- Empfangsintervall t1 der Zeitdauer
- t2
- Suchintervall t2 der Zeitdauer
- β = 0 bis β = 2π
- Phasenwinkelbereich d. Phasenstellglieds
- ts
- Schrittaktabstand
- tA
- Auftaktintervall tA der Zeitdauer
- ta
- Schrittlängen
- tu
- Umdrehungszeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009040910 [0002, 0028]
- DE 4008505 A [0002, 0028]
- DE 10163793 A [0002, 0028]
- DE 10206385 [0029]
