DE19752160A1 - In einem Satellitenfunk-Terminal für Systeme mit nichtgeostationären Satelliten vorgesehene, elektronisch phasengesteuerte Antenne (Phased Array Antenne) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine in einem Satellitenfunk- Terminal für Systeme mit nichtgeostationären Satelliten vor­ gesehene, elektronisch phasengesteuerte Antenne (Phased Array Antenne) mit der Fähigkeit einer schnellen Hauptkeulenrich­ tungsschwenkung von einem Satelliten zu einem anderen Satel­ liten bei einem Satellitenwechsel.

Breitbandige Satellitensysteme mit niedrigfliegenden Satelli­ ten benötigen am Boden häufig Satellitenfunk-Terminals mit intelligenten Antennen, deren Hauptkeule dem Satelliten stän­ dig nachgeführt wird und darüber hinaus in Abständen von ei­ nigen Minuten sehr schnell von einem Satelliten zum nachfol­ genden Satelliten wechseln muß. Eine typische Konfiguration, die sich unter anderem auch aus Kostengründen so darstellt, besteht in einem Satellitenfunk-Terminal mit einer Sende­ hauptkeule und zwei Empfangshauptkeulen. Dabei müssen die Sendehauptkeule und eine der beiden Empfangshauptkeulen stets auf den aktuellen Satelliten ausgerichtet sein, während die zweite Empfangshauptkeule zum Suchen des dem aktuellen Satel­ liten jeweils nachfolgenden Satelliten benötigt wird.

Damit der Nutzer den Umschaltvorgang der Sendeantenne vom ak­ tuellen auf den nachfolgenden Satelliten nicht bemerkt, muß dieser Vorgang sehr schnell, also innerhalb weniger Millise­ kunden, ablaufen. Aus diesem Grund müssen in den Satelliten­ funk-Terminals als Antennen sogenannte elektronisch schwenk­ bare Antennen (Phased Array Antennen) verwendet werden.

Da, von der Erde aus betrachtet, die Satellitenbahnen stark unterschiedlich verlaufen können, ist es erforderlich, daß die Antennenhauptkeulen in alle Richtungen geschwenkt werden können. Im Falle einer elektronisch phasengesteuerten Antenne führt diese totale Schwenkvoraussetzung zu einer ziemlich aufwendigen Lösung, die in einem ebenen (zweidimensionalen) Array besteht. Eine solch aufwendige Antennenausführung schlägt sich stark auf die Kosten des Terminals nieder.

Verschärft wird dieser Sachverhalt noch durch die Tatsache, daß neuere Satellitenfunksysteme höhere Trägerfrequenzen (z. B. 20/30 GHz) benutzen, die für die elektronisch phasenge­ steuerten Antennen die kostspielige Galliumarse­ nid-Technologie erfordern. Bekanntlich sind die Kosten einer elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne zur Anzahl der benötigten aktiven Antennenelemente im wesentlichen propor­ tional.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Maßnahme anzugeben, welche dafür sorgt, daß der durch die elektronisch phasengesteuerte Antenne (Phased Array Antenne) in einem Satellitenfunk-Terminal für Systeme mit nichtgeosta­ tionären Satelliten verursachte, große technische und damit auch kostenmäßige Aufwand erheblich reduziert wird.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine elektronisch phasenge­ steuerte Antenne der eingangs genannten Art bezieht, ist die­ se Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektronisch phasenge­ steuerte Antenne eine linear (eindimensional) ausgebildete Antenne ist, deren Hauptkeule also nur in einer Ebene elek­ tronisch schwenkbar ist, daß die elektronisch phasengesteu­ erte Antenne baulich auf einer mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung angeordnet ist, die eine Schwenkung der Schwenkebene der phasengesteuerten Antenne in beliebige räum­ liche Lagen erlaubt, und daß die elektronisch phasengesteuer­ te Antenne mittels der mechanisch angetriebenen Schwenkvor­ richtung so positioniert wird, daß die Schwenkebene der elek­ tronisch steuerbaren Hauptkeule der elektronisch phasenge­ steuerten Antenne sowohl die beiden genannten Satelliten als auch das Terminal enthält.

Nach der Erfindung kommt also in einer die Anzahl der benö­ tigten aktiven Antennenelemente minimierenden Weise eine elektronisch phasengesteuerte Antenne zum Einsatz, die nicht in allen Richtungen, sondern lediglich in einer Ebene ge­ schwenkt werden kann. Eine solche Antenne wird als lineare oder eindimensionale elektronisch phasengesteuerte Antenne bezeichnet. Die Verwendung einer solchen linearen Antenne führt zu einer drastischen Verringerung der Anzahl der benö­ tigten aktiven Antennenelemente und somit der Terminalkosten.

Um ein Schwenken in jede Richtung und somit das Umschalten auf den nachfolgenden Satelliten trotzdem zu ermöglichen, wird nach der Erfindung die eindimensionale elektronisch pha­ sengesteuerte Antenne durch die mechanisch angetriebene Schwenkvorrichtung immer so positioniert, daß der aktuelle Satellit und der diesem nachfolgende Satellit in der elektro­ nischen Schwenkebene der elektronisch phasengesteuerten An­ tenne liegen.

Diese hybride Lösung nach der Erfindung, d. h. die Kombination aus einer eindimensionalen elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne mit einer mechanischen Schwenkvorrichtung, er­ laubt sowohl das geforderte schnelle Umschalten zum nachfol­ genden Satelliten als auch das Schwenken in jede beliebige Richtung und ist darüber hinaus kostengünstiger als die Lö­ sung mit einer zweidimensionalen elektronisch phasengesteuer­ ten Gruppenantenne. Hierbei besteht der Kostenvorteil darin, daß eine lineare elektronisch phasengesteuerte Antenne nur n aktive Antennenelemente benötigt, wogegen eine quadratische zweidimensionale elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne n x n aktive Antennenelemente erfordern würde. Wie bereits erwähnt worden ist, hängen die Kosten einer Phased Array An­ tenne wesentlich von der Anzahl der eingesetzten aktiven An­ tennenelemente ab. Es ergibt sich also ein erheblicher Ko­ stenunterschied zwischen der eindimensionalen und der quadra­ tischen, rechteckförmigen oder auch runden zweidimensionalen elektronisch phasengesteuerten Gruppenantenne.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die räumlich be­ liebige Schwenkung der phasengesteuerten Antenne auch durch andere entsprechend wirkende mechanische Lösungen, wie z. B. hydraulische Kippvorrichtungen in Verbindung mit einem Dreh­ teller, erreicht werden kann.

Aus dem Aufsatz von P.W. Hannan: "2-D Coverage with l-D Phased Arrays" in der Zeitschrift "Microwave Journal" , Juni 1976, Seiten 16 bis 22, ist bereits bekannt, für manche An­ wendungen eine zweidimensionale Phased Array Antenne durch den Einsatz einer eindimensionalen Phased Array Antenne zu ersetzen. Dabei ist es bekannt, gemäß einer Hybridabtastung eine zweidimensionale Überdeckung durch eine mechanische Schwenkabtastung in einer Dimension, z. B. im Azimut, und eine elektronische Abtastung in der anderen Dimension, z. B. in der Elevation, zu erreichen.

In dem Aufsatz ist allerdings eigens darauf hingewiesen, daß eine solche hybride Abtastung nur beschränkt einsatzfähig ist, weil die mechanische Abtastung im Gegensatz zur elektro­ nischen Abtastung langsam und nicht agil abläuft. Bisher be­ kannte Kombinationen aus mechanischer und elektronischer Schwenkung erlauben zudem keine räumlich beliebige mechani­ sche Schwenkung der Schwenkebene der elektronisch schwenkba­ ren Antenne, was aber für das Umschalten zwischen zwei belie­ bigen Satelliten notwendig ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prin­ zips zeichnet sich dadurch aus, daß die elektronisch phasen­ gesteuerte Antenne zweigeteilt ist und aus einer linear aus­ gebildeten Sendeanntenne mit einer elektronisch schwenkbaren Hauptkeule und aus einer linear ausgebildeten Empfangsantenne mit zwei voneinander unabhängig elektronisch schwenkbaren Hauptkeulen besteht. Hierbei sind sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne auf der gleichen mechanisch ange­ triebenen Schwenkvorrichtung angeordnet, und zwar derart, daß die Ebenen zur elektronischen Schwenkung der Hauptkeule der Sendeantenne und der beiden Hauptkeulen der Empfangsantenne zueinander im wesentlichen parallel liegen und jeweils die beiden genannten Satelliten enthalten.

Die linear ausgebildete Sendeantenne und die linear ausgebil­ dete Empfangsantenne lassen sich dabei in zweckmäßiger Weise auf einer Plattform der mechanisch angetriebenen Schwenkvor­ richtung parallel nebeneinander anordnen. Mit der entspre­ chend dieser Weiterbildung ausgeführten hybrid schwenkbaren Antenne reduzieren sich die Terminalkosten deutlich. Anstatt einer elektronisch phasengesteuerten Antenne mit beispiels­ weise ca. 10×10 aktiven Antennenelementen wird nur noch ei­ ne eindimensionale Phased Array Antenne mit beispielsweise ca. 10 aktiven Antennenelementen benötigt. Aufgrund der An­ ordnung der Sende- und der Empfangsantenne auf der gleichen mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung wird entsprechend dieser Ausführungsform der Erfindung eine zusätzliche Ko­ stenersparnis erreicht.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der zuletzt angegebenen Aus­ führungsform mit zwei linearen elektronisch phasengesteuerten Antennen besteht in der Verwendung einer Ansteuersoftware zur mechanischen und elektronischen Schwenkung der Hauptkeulen der Sendeantenne und der Empfangsantenne in der Weise, daß während des Ausgerichtetseins der einen Empfangshauptkeule und der Sendehauptkeule auf den aktuellen Satelliten ein be­ liebiges Schwenken der anderen Empfangshauptkeule möglich ist.

Die andere Empfangshauptkeule wird vorteilhaft nach einem Suchvorgang in Richtung auf einen dem aktuellen Satelliten nachfolgenden Satelliten ausgerichtet. Bei einem Satelli­ tenwechsel wird die Sendehauptkeule also durch rein elektro­ nische Schwenkung in kürzester Zeit auf den nachfolgenden Sa­ telliten ausgerichtet, dessen Richtung in bezug zum Terminal aufgrund der Suche und der korrekten Ausrichtung der anderen Empfangshauptkeule bereits vorher ermittelt wurde.

Diese Schwenkung der Sendehauptkeule von der ursprünglichen Position in die Position der anderen Empfangshauptkeule er­ folgt also rein elektronisch in der vorher bereits durch die mechanische Schwenkvorrichtung eingestellten Ebene der elek­ tronischen Schwenkung der Antennenhauptkeule, was eine äu­ ßerst schnell und zügig ablaufende Richtungsumschaltung der Sendehauptkeule von einem Satelliten zum nachfolgenden Satel­ liten hin bedeutet.

Aus Kostengründen, d. h. um die Kosten noch weiter zu reduzie­ ren, können die phasengesteuerte Sendeantenne und die phasen­ gesteuerte Empfangsantenne auch durch eine einzige phasenge­ steuerte Sende/Empfangsantenne ersetzt werden. Zudem sind verschiedene Ausführungen bei den linearen elektronisch pha­ sengesteuerten Antennen denkbar.

Die elektronisch phasengesteuerte Antenne nach der Erfindung ist in vorteilhafter Weise sowohl für feste als auch für mo­ bile Satellitenfunk-Terminals einsetzbar. Bei den mobilen Terminals ist dabei kein zusätzlicher Hardware-Aufwand bei der Antennennachführung zum Zwecke der Kompensation der Ter­ minalbewegung erforderlich, falls Tracking-Verfahren zur An­ tennennachführung eingesetzt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungs­ beispielen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht einer prinzipiellen Kombination einer mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung mit einer linearen, elektronisch phasengesteuerten Anten­ ne nach der Erfindung einschließlich der Ausrichtung der Antennenschwenkebene, und

Fig. 2 ebenfalls in Schrägansicht eine für ein Satellitensy­ stem besonders vorteilhafte Kombination einer mecha­ nisch angetriebenen Schwenkvorrichtung mit einer zweiteiligen, linearen, elektronisch phasengesteuer­ ten Antenne nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist in einer Schrägansicht das der Erfindung zu­ grunde liegende Prinzip einer Kombination einer mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung 1 mit einer linearen elek­ tronisch phasengesteuerten Antenne 2 dargestellt, deren Hauptkeule nur in einer Schwenkebene 3 elektronisch schwenk­ bar ist. Diese Kombination soll in einem Satelliten­ funk-Terminal für Systeme mit nichtgeostationären Satelliten eingesetzt werden können. Die Ausrichtung der Schwenkebene 3 im Raum erfolgt durch die mechanisch angetriebene Schwenkvor­ richtung 1.

Die lineare, elektronisch phasengesteuerte Antenne 2 wird mittels der mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung 1 im­ mer so positioniert, daß der aktuelle Satellit und der nach­ folgende Satellit in der Schwenkebene 3 der Hauptkeule der elektronisch phasengesteuerten Antenne 2 liegen, wodurch das schnelle elektronische Umschalten vom aktuellen zum nachfol­ genden Satelliten und das Schwenken in jede beliebige Rich­ tung ermöglicht wird. Die Richtung zum aktuellen Satelliten hin ist mit dem Bezugszeichen 4 und die Richtung zum nachfol­ genden Satelliten mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet.

Die mechanisch angetriebene Schwenkvorrichtung 1 erlaubt eine totale Schwenkung der Schwenkebene der phasengesteuerten An­ tenne 2 in beliebige räumliche Lagen. Die mechanisch durch Gelenke und Drehvorrichtungen realisierbaren Schwenkbewegun­ gen der Schwenkvorrichtung 1 sind durch Doppelpfeile 6, 7 und 8 angedeutet, wobei der Doppelpfeil 6 eine Drehung im Azimut, der Doppelpfeil 7 eine Schwenkung um eine Horizontalachse 9 und der Doppelpfeil 8 eine Drehung einer die lineare elektro­ nisch phasengesteuerte Antenne 2 enthaltenden Plattformebene 10 um eine durch deren Schwenkung um die Horizontalachse de­ finierte Achse bedeuten.

Der im Unterschied dazu gestrichelt dargestellte Doppelpfeil 11 symbolisiert die rein elektronische Schwenkung der Haupt­ keule der phasengesteuerten Antenne 2 innerhalb deren Schwen­ kebene 3. Während des Vorgangs des Satellitenwechsels bewegt sich die Hauptkeule der Antenne nur innerhalb dieser Schwen­ kebene 3 und zwar rein elektronisch gesteuert, was sehr rasch erfolgen kann.

In Fig. 2 ist gleichfalls in einer Schrägansicht eine beson­ ders vorteilhafte, zum Einsatz in einem Satelliten­ funk-Terminal für Systeme mit nichtgeostationären Satelliten vorgesehene Ausführungskombination einer mechanisch angetrie­ benen Schwenkvorrichtung 12 mit einer zwei lineare elektro­ nisch phasengesteuerte Antennen 13 und 14 gemeinsam enthal­ tenden Antennenplattform 15 dargestellt. Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion gleicht die mechanisch angetriebene Schwenkvorrichtung 12 der Schwenkvorrichtung 1 nach Fig. 1, so daß diesbezüglich auf eine detaillierte Beschreibung verzich­ tet ist.

Die eindimensionale phasengesteuerte Antenne 13 dient als Sendeantenne und die ebenfalls eindimensionale phasenge­ steuerte Antenne 14 als Empfangsantenne. Sowohl die Sendean­ tenne 13 als auch die Empfangsantenne 14 sind somit oben auf der gleichen, mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung 12 angebracht. Die durch eine eindimensionale phasengesteuerte Antenne realisierte Empfangsantenne 11 ist genauso wie die durch ebenfalls eine eindimensionale phasengesteuerte Antenne realisierte Sendeantenne 13 nur in einer Ebene elektronisch schwenkbar ausgebildet. Die Empfangsantenne 11 hat aber im Gegensatz zur Sendeantenne 13, die nur eine elektronisch schwenkbare Hauptkeule bildet, zwei elektronisch schwenkbare Antennenhauptkeulen, die voneinander unabhängig schwenkbar sind.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die linear ausgebildete Sendeantenne 13 und die linear ausgebil­ dete Empfangsantenne 14 auf der Antennenplattform 15 auf der mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung 12 parallel ne­ beneinander angeordnet. Die Ebenen zur elektronischen Schwen­ kung der Antennenhauptkeule der Sendeantenne 13 und der bei­ den Antennenhauptkeulen der Empfangsantenne 14 liegen zuein­ ander im wesentlichen parallel und enthalten jeweils den ak­ tuellen und den nachfolgenden Satelliten.

Die Richtung zum aktuellen Satelliten ist für die Antennen­ hauptkeule der Sendeantenne 13 mit dem Bezugszeichen 16 und für die erste Empfangskeule der Empfangsantenne 14 mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet, wogegen die Richtung der zweiten Empfangskeule der Empfangsantenne 14 zum nachfolgenden Satel­ liten mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet ist.

Durch eine entsprechende Ansteuersoftware zum mechanischen bzw. elektronischen Schwenken wird es bei der in Fig. 2 ge­ zeigten Ausführungsform ermöglicht, daß die mit der Richtung 18 eingezeichnete zweite Empfangskeule zum Suchen und an­ schließenden Tracking des nachfolgenden Satelliten verwendet wird, während die mit der Richtung 17 eingezeichnete erste Empfangskeule und die mit der Richtung 16 eingezeichnete Sen­ dekeule auf den aktuellen Satelliten ausgerichtet bleiben.

Claims (7)

1. In einem Satellitenfunk-Terminal für Systeme mit nicht­ geostationären Satelliten vorgesehene elektronisch phasenge­ steuerte Antenne (Phased Array Antenne) mit der Fähigkeit ei­ ner schnellen Hauptkeulenrichtungsschwenkung von einem Satel­ liten zu einem anderen Satelliten bei einem Satellitenwech­ sel, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch phasenge­ steuerte Antenne (2) eine linear (eindimensional) ausgebil­ dete Antenne ist, deren Hauptkeule also nur in einer Ebene (2) elektronisch schwenkbar ist, daß die elektronisch phasen­ gesteuerte Antenne baulich auf einer mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung (1) angeordnet ist, die eine Schwenkung der Schwenkebene der phasengesteuerten Antenne in beliebige räumliche Lagen erlaubt, und daß die elektronisch phasenge­ steuerte Antenne durch die mechanisch angetriebene Schwenk­ vorrichtung so positioniert wird, daß die Schwenkebene (3) der elektronisch steuerbaren Hauptkeule der elektronisch pha­ sengesteuerten Antenne sowohl die beiden genannten Satelliten als auch das Terminal enthält.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch phasengesteuerte Antenne zweigeteilt ist und aus einer linear ausgebildeten Sendeantenne (13) mit einer elek­ tronisch schwenkbaren Hauptkeule und aus einer linear ausge­ bildeten Empfangsantenne (14) mit zwei voneinander unabhängig elektronisch schwenkbaren Hauptkeulen besteht, und daß sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne auf der glei­ chen mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung (12) ange­ ordnet sind und zwar derart, daß-die Ebene der elektronischen Schwenkung der Hauptkeule der Sendeantenne und die Ebene der Schwenkung der beiden Hauptkeulen der Empfangsantenne zuein­ ander im wesentlichen parallel liegen und jeweils die beiden genannten Satelliten enthalten.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die linear ausgebildete Sendeantenne (13) und die linear ausge­ bildete Empfangsantenne (14) auf der mechanisch angetriebenen Schwenkvorrichtung (12) parallel nebeneinander auf einer An­ tennenplattform (15) angeordnet sind.

4. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ansteuersoftware zur mechanischen und elek­ tronischen Schwenkung der Hauptkeulen der Sendeantenne (13) und der Empfangsantenne (14) in der Weise, daß während des Ausgerichtetseins der einen Empfangshauptkeule und der Sende­ hauptkeule auf den aktuellen Satelliten ein beliebiges Schwenken der anderen Empfangshauptkeule möglich ist.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Empfangshauptkeule in Richtung auf einen dem aktuellen Satelliten nachfolgenden Satelliten ausgerichtet wird.

6. Antenne nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem Satellitenwechsel die Sendehauptkeule durch rein elektronische Schwenkung auf den nachfolgenden Sa­ telliten ausgerichtet wird, dessen Richtung in bezug zum Ter­ minal aufgrund der Ausrichtung der anderen Empfangshauptkeule ermittelt ist.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch die Anwendung bei mobilen Satellitenfunk-Ter­ minals.