DE19814048A1 - Planare Multipatch-Mehrbereichsantenne mit schüsselförmigem Richtdiagramm für LEO-Satelliten - Google Patents

Planare Multipatch-Mehrbereichsantenne mit schüsselförmigem Richtdiagramm für LEO-Satelliten

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DE19814048A1
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Ralf Schneider
Uwe Meier
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Abstract

Die beschriebene planare Multipatch-Mehrbereichsantenne ermöglicht mit ihrem schüsselförmigen Richtdiagramm eine stabile Linkverbindung für LEO-Satelliten mit der Bodenstation bzw. mobilen Bodenkomponenten. Es bewirkt, daß die Empfangsfeldstärke während der gesamten Kontaktzeit (Überflug) nahezu konstant bleibt und auch bei geringer Elevation stabile Funkverbindungen existieren. DOLLAR A Die mehrlagige Multi-Patch-Planarantenne gestattet den gleichzeitigen Sende-/Empfangsbetrieb in zwei verschiedenen Frequenzbereichen bzw. Kanälen. DOLLAR A Die beschriebene Antenne ist eine Beispiellösung. Mit dem vorgestellten Prinzip können Antennen für verschiedene Frequenzbereiche entwickelt werden. DOLLAR A Die planare Antennenstruktur gestattet eine Integration in die Satellitenhülle.

Description

Die Länge der Funkstrecke zwischen einem Satelliten im "Low Earth Orbit" (LEO) und einer orts­ festen Erdstation ändert sich während der Kontaktzeit einer bestehenden Funkverbindung kontinu­ ierlich.
Eine planare Multipatch-Mehrbereichsantenne mit einem speziell geformten (schüsselförmigen) Richtdiagramm gleicht die entfernungsabhängigen Dämpfungsverluste aus und bewirkt eine nahezu konstante Funkfelddämpfung. Für einen in mehreren 100 km Höhe fliegenden Satelliten wird eine ebene, quadratische Gruppenantenne mit symmetrisch angeordneten Einzelstrahlern verwendet. Als Einzelstrahler kommen schlitzgekoppelte Doppelstock-Patchantennen für zirkulare Polarisation (RHCP) zum Einsatz, deren Anregungen durch ein Speisenetzwerk eingestellt werden. Jeweils vier Patchantennen bilden mit einem speziellen Speisenetzwerk eine Untergruppe. Die Un­ tergruppen werden durch ein paralleles Netzwerk versorgt. Durch die Anordnung von Patche mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz in verschiedenen Substratlagen werden verschiedene Frequenz­ bänder für den Sende- bzw. Empfangsbetrieb der Antenne erzielt.
Die Antenne hat mehrere Substratschichten, wobei durch die Verwendung eines weltraum­ tauglichen, mehrlagigen Materials die Eignung für den Einsatz im Orbit erreicht wird.
Richtdiagramm der Satellitenantenne
Die Satellitenantenne sei durch den winkelabhängigen Gewinn GS(ϑ) beschrieben. Der winkelab­ hängige Gewinn der Bodenantenne sei durch GE(o) beschrieben (Bild 2). Der Quotient aus Sende- und Empfangsleistung entspricht der Dämpfung a der Übertragungsstrecke mit
a = PS/PE = AL(4πfd)2/(GSGEco 2).
Geht man davon aus, daß die statistisch auftretende atmosphärische Zusatzdämpfung AL weitgehend konstant ist, so ist die Empfangsleistung nur noch von der Strecke d zwischen Satellit und Boden­ station abhängig. Für d gilt
d = (rE + h)cosϑ - sqr{rE 2 - (rE + h)2 sin2ϑ}.
Diese Strecke erreicht ein Minimum, wenn der Satellit senkrecht über der Bodenstation steht (ϑ = 0°, σ = 90°). An anderen Orten innerhalb der Ausleuchtzone (ϑ = 0° . . . ϑmax ist die Distanz größer. Damit kann das ideale Richtdiagramm der Satellitenantenne abgeleitet werden, das die Än­ derung der Strecke d bezüglich der Übertragungsdämpfung ausgleicht. Die maximale Ausleuchtzo­ ne (= Versorgungsbereich) wird durch den maximalen Öffnungswinkel ϑmax der Antenne beschrie­ ben. Außerhalb der Ausleuchtzone fällt das Richtdiagramm schnell ab, um die Sendeleistung zu minimieren. Beispielsweise liegen die lokalen Maxima für einen in 700 km Höhe fliegenden Satel­ liten bei etwa ± 63°, das um ca. 10 dB geringere Minimum 0 dB bei 0° (Bild 3: ideal).
Die Richtcharakteristik der Satellitenantenne ergibt sich aus der Überlagerung der Feldstärken unabhängiger Einzelstrahler (Patche). Die Ansteuerung der Patche erfolgt amplituden- und phasen­ bewertet. Die Patche sind äquidistant auf einer ebenen Fläche angeordnet. Optimal ist eine aus 16.16 = 256 Patchen bestehende Antenne. Eine geringere Patchanzahl bewirkt die Verschiebung der lokalen Maxima in Richtung Minimum (Bild 3).
Die planare Multipatchantenne hat ein rotationssymmetrisches, zirkular polarisiertes Antennendia­ gramm für verschiedene Frequenzbänder.
Antennenaufbau
Als Grundelement der Gruppenantenne wird eine zirkular polarisierte Patchantenne verwendet. Die gesamte Antenne ist in Untergruppen (UG) zu je vier Patchen aufgeteilt. Alle Untergruppen werden von einem parallelen Speisenetzwerk versorgt, um frequenzabhängige Änderungen der Richtcha­ rakteristik zu vermeiden (Bild 4). Die Leistungsaufteilung wird durch λ/4-Leitungen realisiert.
Im Bild 5 ist das Prinzip des Untergruppenspeisenetzwerkes zusammen mit den einzustellenden Phasen dargestellt. Die Phasen berücksichtigen, daß patch 1 und patch 3 gegenphasig zu patch 2 und patch 4 angeregt werden.
Das Untergruppenspeisenetzwerk ist seriell aufgebaut (Bild 6). Die Anregungsamplituden werden mit λ/4-Leitungen eingestellt. Branchline-Koppler erzeugen für jeden Einzelstrahler die zirkulare Polarisation und bewirken eine gute Anpassung der Antenne.
Die planare Multipatchantenne ist in "Sandwichbauweise" aufgebaut (Bild 7). Dabei befinden sich Patche mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz in den beiden obersten Metallisierungsebenen. Dar­ unter befindet sich eine Massemetallisierung mit Schlitzen. Diese Schlitze bewirken eine elektro­ magnetische Ankopplung der Patche an das unterhalb der Schlitzebene befindliche Speisenetzwerk (inp). Mit dieser Anordnung wurde erreicht, daß die Antenne in verschiedenen Frequenzbereichen betrieben werden kann.
Frequenzbereiche
Bei der Dimensionierung der Gruppenantenne wurden zwei ausgeprägte Resonanzbereiche reali­ siert. In diesen Bereichen können mehrere Kommunikationskanäle betrieben werden. Bild 8 zeigt das Ergebnis des Designs einer S-Band-Antenne.
1. Stand der Technik
  • - Einzelne Antennen bzw. Einzelelemente von Gruppenantennen verfügen über ein Normaldiagramm. Es ist durch ein blasen-/keulenförmiges Richtdiagramm gekennzeichnet, dessen Maximum in Hauptabstrahlrichtung (0 = 0°) liegt. Mit Hilfe von Gruppenantennen bzw. Multipatch-Antennensystemen wird der Antennengewinn in Hauptabstrahlrichtung erhöht. Gleichzeitig verkleinert sich die Keulenbreite.
  • - In der für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogenen Druckschrift (Kennziffer 56) wird eine theoretische Entwicklung und die elektrische Vermessung einer X-Band- Satellitenantenne (8,0-8,4 GHz) beschrieben. Die Antenne hat in rotationssymmetrisches Richtdiagramm, daß in Hauptabstrahlrichtung ein lokales Minimum und bei ca. 61° lokale Maxima besitzen soll. Dieses Richtdiagramm wird mit einer Reflektorantenne erzeugt. Die Aufgabe, das Richtdiagramm zu formen, übernimmt ein speziell gearbeiteter Reflektor.
2. Nachteile des Standes der Technik
  • - Mit einer Ausnahme verfügen bisherige (Satelliten-) Antennen über ein Richtdiagramm, das während der "Kontaktzeit" mit der Bodenkomponente die elevationsabhängige Schwankung der Feldstärke am Empfangsort nicht ausgleicht. Dadurch tritt eine Verschlechterung der Güte des Satellitenlinks für einen bedeutenden Zeitbereich ein, für Kanäle mit hohen Bitraten ist eine qualitativ hochwertige Datenübertragung während dieser Zeit nicht möglich.
  • - Bis auf die unter Punkt 1. genannte X-Band-Reflektorantenne verfügt kein bisher bekanntes Antennensystem über eine Richtcharakteristik, das an der Erdoberfläche für eine konstante Leistungsflußdichte sorgt.
  • - Aufgrund der räumlichen Abmaße sowohl der bisher bekannten Gruppenantennen als auch der unter Punkt 1. genannten X-Band-Reflektorantenne ist eine Integration in die Satellitenaußenhaut nicht möglich.
  • - Einzel- bzw. Multipatch-Antennen sind relativ schmalbandig. Herkömmliche Antennen haben eine relativ begrenzte Bandbreite. Die gleichzeitige Datenübertragung in zwei voneinander verschiedenen Frequenzbereichen ist mit annähernd gleich großen Antennengewinn nicht möglich.
  • - Das Gewicht mechanischer Antennensysteme zur Formung des speziellen "schlüsselförmigen" Richtdiagramms ist vergleichsweise hoch.
  • - Der Aufwand für die Fertigung hochgenauer, speziell geformter (mechanischer) Antennenreflektoren ist relativ hoch.
  • - Es ist nicht abschätzbar, ob die Modifizierung der X-Band-Reflektorantenne für die Nutzung in einem neuen Frequenzbereich ohne große Schwierigkeiten möglich ist.
3. Aufgabe der Erfindung
  • - (Satelliten-)Antenne mit schüsselförmigem Richtdiagramm
  • - Planarantenne, weltraumtauglich, in die Satellitenaußenhaut integrierbar
  • - Zwei Frequenzbereiche, Mehrbereichsantenne
  • - CAD-gestützter Lösungsansatz, der für andere Frequenzbereiche modifizierbar ist
4. Lösung der Aufgabe
  • 1. Planare Antenne für LEO-Satelliten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    • a) die Antenne weist ein speziell geformtes (schüsselförmiges) Richtdiagramm 1 auf, mit einem lokalen Minimum und lokalen Maxima,
    • b) die Antenne ist planar aufgebaut, wobei die planaren Elemente auf einer ebenen Fläche angeordnet sind (Bild 7).
  • 2. Antennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    • a) Patche als Einzelstrahler 2, 3, 4 verwendet werden,
    • b) diese Patche in einem quadratischen Feld aus n.n Patchen symmetrisch angeordnet sind (Bild 4 und Bild 6).
  • 3. Antennen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    • a) jeweils 2.2 Patche als Untergruppe 5 von seriellen Speisenetzwerk 6 angesteuert werden,
    • b) alle Untergruppen von einem parallelen Speisenetzwerk 7 angesteuert werden
  • 4. Antennen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne durch ein speziell ausgewähltes Substratmaterial 8 weltraumtauglich ist.
  • 5. Antennen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrlagenaufbau 9 verwendet wird, der zwei Patchebenen mit unterschiedlichen Patchabmessungen 3, 4 enthält, wodurch zwei getrennte Frequenzbänder 10, 11 besonders guter Anpassung entstehen, die für eine Mehrbereichsantenne benutzt werden können.
Liste der Abbildungen
Bild 1: Prinzipdarstellung des schüsselförmigem Richtdiagramms einer Satellitenantenne
Bild 2: Satellitenkonstellation
Bild 3: Patchanzahl vs. Richtdiagramm
Bild 4: Antennenaufbau mit parallelem Speisenetzwerk
Bild 5: Phasen der Anregung der Patche innerhalb einer Untergruppe
Bild 6: Serielles Speisenetzwerk einer Untergruppe
Bild 7: Mehrlagenaufbau
Bild 8: Eingangsreflexionsfaktor der planaren Multipatch-Mehrbereichsantenne für das S-Band.

Claims (5)

1. Planare Antenne für LEO-Satelliten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) die Antenne weist ein speziell geformtes (schüsselförmiges) Richtdiagramm (1) auf, mit einem lokalen Minimum und lokalen Maxima,
  • b) die Antenne ist planar aufgebaut, wobei die planaren Elemente auf einer ebenen Fläche angeordnet sind (Bild 7).
2. Antennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) Patche als Einzelstrahler (2, 3, 4) verwendet werden,
  • b) diese Patche in einem quadratischen Feld aus n.n Patchen symmetrisch angeordnet sind (Bild 4 und Bild 6).
3. Antennen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) jeweils 2.2 Patche als Untergruppe (5) von einem seriellen Speisenetzwerk (6) ange­ steuert werden,
  • b) alle Untergruppen von einem parallelen Speisenetzwerk (7) angesteuert werden
4. Antennen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne durch ein speziell ausgewähltes Substratmaterial (8) weltraumtauglich ist.
5. Antennen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrlagenaufbau (9) verwendet wird, der zwei Patchebenen mit unterschiedlichen Patchabmessungen (3, 4) enthält, wodurch zwei getrennte Frequenzbänder (10, 11) besonders guter Anpassung entstehen, die für eine Mehrbereichsantenne genutzt werden können.
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LEE, K.F. et. al.: (Hrsg.): Advances in Microstrip and Printed Antennas, John Wiley & Sons, Inc., New York, Chichester/Weinheim/..., ISBN 0-471-04421-0 S. 190-211 *

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