DE202018002041U1

DE202018002041U1 - Controlled Radiation Pattern Antenne

Info

Publication number: DE202018002041U1
Application number: DE202018002041.9U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2028-04-21
Also published as: DE202018002096U1; DE102018203191A1; DE202018002095U1; WO2019166360A1

Abstract

Controlled Radiation Pattern Antenne mit,
einer elektrisch leitenden Grundplatte (12),
vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d), die auf der Grundplatte (12) angeordnet sind und deren Betrieb im L1/E1-Band erfolgt,
einer mittigen dielektrischen Resonator-Antenne (16), die mittig auf der Grundplatte (12) in radialer Richtung zwischen den vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d) angeordnet ist und deren Betrieb in einem der Bänder E5a und L5 und insbesondre L2 und/oder E6 erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Controlled Radiation Pattern Antenne.
Derartige Antennen sind aus dem Stand der Technik zur Verwendung in der GNSS-Navigation bekannt. Sie sind in der Lage, Interferenzen von ungewollten oder gewollten Störquellen (beispielsweise Angreifern) zu unterdrücken.
Die wesentlichen Elemente einer CRPA-Antenne sind eine Antennenanordnung, eine Frontend-Einheit und ein digitaler Signalprozessor. Die Antennenanordnung weist mehrere einzelne Antennen auf, von denen jeweils GNSS-Signale empfangen werden können. Bei geeigneter Kombination der Eingangssignale können Richtungen, aus denen Signale schlechter empfangen werden können, in die Richtung von interferierenden Signalen gelegt werden, so dass diese unterdrückt werden. Die Frontend-Einheit überführt die RF-Signale, die am Ausgang der Antennen anliegen, in gefilterte Intermediate Frequency (IF)-Signale, die dem digitalen Signalprozessor zugeführt werden. Hier werden Algorithmen zur Interferenzunterdrückung verwendet, indem die empfangenen Signale für die Unterdrückung der Interferenzen analysiert werden. Beispielsweise können an den Antennenausgängen geeignete Gewichtungsvektoren berechnet werden, so dass die interferierenden Signale unterdrückt werden können.
Aus dem Stand der Technik bekannte CRPA-Antennenanordnungen sind zum Beispiel das Novatel GAJT-710ML Antennensystem und das Raytheon's Landshield system bekannt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Antennen weisen üblicherweise große Abmessungen auf, so dass sie nicht in mobile Geräte integriert werden können. Weiterhin weisen aus dem Stand der Technik bekannte Antennen eine Interferenzunterdrückung sowohl im GPS L1- als auch im L2-Band auf. Dies erhöht die Komplexität der Antenne, da zwei nicht benachbarte Bänder in derselben Antenne untergebracht werden müssen. Wenn die zur Verfügung stehende Größe für die Antenne beschränkt ist, leidet häufig die Leistungsfähigkeit bei jedem Band. Um eine gute Leistungsfähigkeit in beiden Bändern zu erreichen, müssen die Antennen vergrößert werden, was jedoch ihre Verwendbarkeit in verschiedenen Geräten negativ beeinflusst. Außerdem wird durch die Unterdrückung sowohl im L1- als auch im L2-Band die Anzahl der Kanäle erhöht (die sich aus der Anzahl der Antennen multipliziert mit der Anzahl der Bänder ergibt, bei denen die Interferenzen unterdrückt werden sollen). Dies erhöht die Berechnungskomplexität in der Signalverarbeitung. Wenn weitere Bänder wie zum Beispiel L5/E5a/E6 berücksichtigt werden müssen, kann eine Unterdrückung von Interferenzen aufgrund des starken Anstiegs der Komplexität und der damit verbundenen Kosten nicht gewährleistet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Controlled Radiation Pattern Antenne bereitzustellen, die kompakte Abmessungen aufweist und gleichzeitig die notwendigen Bandbreiten für alle GNSS-Signale im L-Band bereitstellt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Controlled Radiation Pattern Antenne weist eine elektrisch leitende Grundplatte auf, deren Kante bevorzugt von einem Ring aus RF-absorbierendem Material umgeben ist. In sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung kann ein RF-absorbierendes Material beispielsweise dielektrische Verluste von mehr als 0,01 (Tangens Delta) aufweisen. Weiterhin sind vier L1/E1 dielelektrische Resonator-Antennen vorgesehen, die auf der Grundplatte angeordnet sind und deren Betrieb im L1/E1-Band erfolgt. Es ist weiterhin eine mittige dielelektrische Resonator-Antenne vorgesehen, die mittig auf der Grundplatte in radialer Richtung zwischen den vier L1/E1 dielelektrischen Resonator-Antennen angeordnet ist und deren Betrieb in einem der Bänder E5a und L5 und bevorzugt L2 und/oder E6 erfolgt. Die genannten vier Antennen können ferner zusätzlich Signale im Glonass G1-Band empfangen.
Es ist bevorzugt, dass die vier L1/E1 dielelektrischen Resonator-Antennen in Form eines Quadrats relativ zueinander angeordnet sind, wobei jede der vier Antennen jeweils eine Ecke des Quadrats ausbildet. Genau im Mittelpunkt dieses Quadrats befindet sich bevorzugt die mittige DRA-Antenne.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass die CRPA-Funktionalität nur in den L1/E1-Bändern unbedingt notwendig ist, während der Signalempfang bei niedrigeren Bändern (selbst mit einer einzelnen Antenne ohne integrierte Interferenzunterdrückung) dazu verwendet werden kann, die Verfügbarkeit zu erhöhen und alternative Signale im Fall von starken Interferenzen bereitzustellen. Ferner wird in den niedrigeren Bändern (L2/E5a) eine Widerstandsfähigkeit gegen Störquellen bereits durch die Verschlüsselung der Signale für militärische Zwecke erreicht, so dass Antennen in diesen Bändern weniger angreifbar sind.
Durch die erfindungsgemäße Antenne ist es möglich, alle Signale in den GNSS-Bändern zu empfangen, einschließlich der Breitbandsignale, zum Beispiel E1, E5 im Galileo-System. Ferner kann eine Interferenzunterdrückung für alle L1/E1-Signale stattfinden.
Das Frontend und die digitale Signalverarbeitung können erfindungsgemäß vereinfacht werden, da es nicht notwendig ist, in allen Bändern eine Interferenzunterdrückung vorzunehmen.
Es ist bevorzugt, dass alle dielelektrischen Resonator-Antennen zylindrisch ausgebildet sind und insbesondere eine kreiszylindrische Form aufweisen. Sie können weiterhin eine relative elektrische Permettivität von über 20 aufweisen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die dielelektrischen Resonator-Antennen ein glaskeramisches Material aufweisen. Hierdurch wird ein sehr kompakter Aufbau der Antennen ermöglicht. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die von der Grundplatte abgewandte Seite der dielelektrischen Resonator-Antennen mit einer insbesondere kreisrunden Kupferplatte bedeckt ist. Hierdurch kann die Miniaturisierung weiter verbessert werden. Weiterhin kann hierdurch die Feinabstimmung der Antennen verbessert werden.
Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und zum Schutz gegen äußere Einwirkungen kann ferner eine Abdeckhaube aus massivem Material vorgesehen sein, die im Bereich der dielelektrischen Resonator-Antennen insbesondere zylindrische Ausnehmungen zur Aufnahme der jeweiligen dielelektrischen Resonator-Antenne aufweist. Diese Abdeckhaube ist nicht hohl, sondern besteht aus Vollmaterial und weist lediglich die genannten Ausnehmungen zur Aufnahmen der dielelekrischen Resonator-Antennen auf, so dass eine verbesserte mechanische Stabilität erreicht werden kann. Die Abdeckhaube kann aus Plexiglas oder Kunstharz gefertigt sein. Weiterhin kann sie aus einem Plastikmaterial gegebenenfalls durch einen 3D-Drucker hergestellt sein. Weiterhin ist die Verwendung eines dielelektrischen Materials mit niedrigen Verlusten bevorzugt.
Es sind weiterhin bevorzugt, vier Befestigungsschrauben zur Befestigung der CRPA-Antenne an einer darunterliegenden Oberfläche vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass die vier Befestigungsschrauben in Form eines Quadrats relativ zueinander angeordnet sind, wobei jede Befestigungsschraube an einer Ecke des Quadrats angeordnet ist. Das Quadrat hat bevorzugt eine Seitenlänge von 4,8 cm. Dies entspricht den derzeit in Gebrauch befindlichen Einzelantennen, wie zum Beispiel der GPS S67-1575 Antenne. Die Nachrüstung der erfindungsgemäßen Antenne bei bestehenden Plattformen wird somit vereinfacht. Die Befestigungsschrauben können ein metallisches Material aufweisen, das bei der Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften der Antenne berücksichtigt wurde. Die Beeinflussung der elektromagnetischen Eigenschaften durch das metallische Material der Schrauben kann durch das RFabsorbierende Material reduziert werden, das die Schrauben umgibt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

1a - 1c ein Beispiel einer Antenne,
2a - 2c ein weiteres Beispiel einer Antenne,
3a - 3c eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne.

In dem Beispiel gemäß den 1a - 1c weist die CRPA-Antenne eine elektrisch leitende Grundplatte 12 auf, deren Kante von einem Ring 15 aus RF-absorbierendem Material umgeben ist. Die elektrische Grundplatte 12 ist bevorzugt kreisrund ausgebildet. Die Antenne 10 weist genau vier L1/E1 dielektrische Resonator-Antennen 14a - 14d auf, die auf der Grundplatte 12 angeordnet sind. Der Betrieb dieser Antennen erfolgt im L1/E1-Band. Dies bedeutet, dass die Abmessungen und das Material dieser Antennen derart gewählt sind, dass ihre Resonanzfrequenz in den genannten Bändern liegt.
Jede dieser Antennen ist an ihrer von der Grundplatte 12 abgewandten Seite mit einer kreisrunden Kupferplatte 18a - 18d bedeckt.
In der Mitte der elektrisch leitenden Grundplatte 12 ist eine mittige dielektrische Resonator-Antenne 16 angeordnet, deren Betrieb in einem der Bänder E5/L5/L2 und/oder E6, bevorzugt in L2/E6 erfolgt.
Jede der dielektrischen Resonator-Antennen 14a - 14d, 16 wird durch zwei elektrische Leitungen versorgt, die mit elektrischen Komponenten verbunden sind, die unterhalb der metallischen Grundplatte 12 angeordnet sind. Jede dieser elektrischen Zuführleitungen 19a - 19d regt eine lineare Komponente des elektromagnetischen Felds an. Die Signale der zwei Zuführleitungen werden dann in der elektrischen Schaltung unterhalb der Grundplatte 12 durch eine Breitband 90° Hybridschaltung kombiniert. Es werden RHCP- und LHCPpolarisierte Ausgangssignale aus den zwei linearen Komponenten generiert. Diese werden dann an das Frontend und den digitalen Signalprozessor geleitet. Dies erfolgt durch RF-Verbinder, die bevorzugt MMBX-Verbinder sein können.
Es ist möglich, in sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung nur das RHCP-Ausgangssignal weiterzuleiten, während das LHCP-Ausgangssignal blockiert wird. Dies kann beispielsweise durch einen 50 Ohm Widerstand erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, sowohl das RHCP-Ausgangssignal als auch das LHCP-Ausgangssignal am Ausgang der Antenne bereitzustellen, so dass diese Signale in Anwendungen verwendet werden können, die polarimetrische Messungen verwenden (beispielsweise Multipath Mitigation).
Wie in 1c sichtbar, weist die Antenne 10 eine Abdeckhaube 24 aus Vollmaterial auf. Diese weist kreiszylindrische Ausnehmungen für jede DRA-Antenne 14a - 14d, 16 auf, so dass die mechanische Stabilität der Antenne 10 erhöht werden kann.
Die Antenne 10 kann einen Durchmesser von ca. 150 mm und eine axiale Höhe von weniger als 20 mm aufweisen. Der Durchmesser für die vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen 14a - 14d kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung 15 - 25 mm betragen. Der Durchmesser für die mittige Antenne 16 kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung 25 - 30 mm betragen. Die Höhe aller Antennen kann 5 - 20 mm betragen. Weiterhin kann der Abstand der vier dielektrischen L1/E1 Antennen 14a - 14d vom Mittelpunkt der Grundplatte 12 40 - 60 mm betragen. Bei dem zweiten und dritten Beispiel kann dieser Abstand 15 - 30 mm betragen.
Ferner wird die mittige DRA-Antenne 16 im L2/E6 Band betrieben und kann optional zusätzlich im L5/E5A Band betrieben werden.
Das zweite Beispiel gemäß den 2a - 2c ist grundsätzlich ähnlich aufgebaut, wobei hier die vier L1/E1 DRA-Antennen 14a - 14d einen geringeren Abstand zur mittigen Antenne aufweisen.
Dieser Abstand kann 15 - 30 mm betragen. Ferner kann die Höhe aller Antennen 5 - 30 mm betragen.
Bei dem Beispiel gemäß den 2a - 2c sind die Schrauben 22a - 22d in radialer Richtung außerhalb der vier L1/E1 DRA-Antennen 14a - 14d angeordnet, das heißt der Mittelpunkt jeder Schraube befindet sich radial weiter außen als der Mittelpunkt der jeweiligen DRA-Antenne 14a - 14d. Dementsprechend weisen die Befestigungsschrauben 22a - 22d keinen Ring aus RF-absorbierendem Material auf, wie dies noch bei der ersten Antenne der Fall war. Bei der ersten Antenne gemäß 1a - 1c sind die Befestigungsschrauben 22a - 22d dagegen in radialer Richtung innerhalb der vier dielektrischen Resonator-Antennen 14a - 14d angeordnet.
Beim Beispiel gemäß 2a - 2c kann die Antenne 10 einen Durchmesser von ca. 90 Millimetern und eine axiale Höhe von weniger als 20 Millimetern aufweisen.
Das genannte zweite Beispiel kann sämtliche Merkmale aufweisen, die in Zusammenhang mit der ersten Antenne gemäß 1a - 1c beschrieben wurden.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne 10 ist in 3a - 3c dargestellt. Auch hier sind die Befestigungsschrauben 22a - 22d in radialer Richtung außerhalb der DRA-Antennen 14a - 14d angeordnet.
Die Abdeckhaube 24 (s. 3c) ist gewölbt und weist somit eine verbesserte mechanische Stabilität auf. Die mittige Antenne 16 wird in L5/E5A Band betrieben und kann optional zusätzlich im L2/E6 Band betrieben werden.
Die Antenne kann einen Durchmesser von ca. 90 mm und eine Höhe von unter 30 mm aufweisen. Die erfindungsgemäße Antenne kann sämtliche Merkmale aufweisen, die in Zusammenhang mit dem ersten Beispiel der Antenne gemäß 1a - 1c beschrieben wurden.
In allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne ist es möglich, mehr als vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen vorzusehen. Beispielsweise kann zusätzlich eine Antenne für das Glonass G1-Band verwendet werden.
In allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antennen können die genannten Bänder die folgenden Frequenzen abdecken:

L1/E1: 1559-1591 MHz; L5/E5a: 1164-1189MHz; L2:1215-1239 MHz; E6: 1260-1300 MHz, Glonass G1-Band: 1593-1610 MHz

Claims

Controlled Radiation Pattern Antenne mit, einer elektrisch leitenden Grundplatte (12), vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d), die auf der Grundplatte (12) angeordnet sind und deren Betrieb im L1/E1-Band erfolgt, einer mittigen dielektrischen Resonator-Antenne (16), die mittig auf der Grundplatte (12) in radialer Richtung zwischen den vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d) angeordnet ist und deren Betrieb in einem der Bänder E5a und L5 und insbesondre L2 und/oder E6 erfolgt.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der mittigen dielelektrischen Resonator-Antenne in den Bändern L5 und E5a erfolgt, wobei der Abstand der vier L1/E1 dielektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d) vom Mittelpunkt der Grundplatte (12) 15 - 30 mm beträgt.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle dielelektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d, 16) zylindrisch ausgebildet sind und eine relative elektrische Permettivität von über 20 aufweisen.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielelektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d, 16) ein glaskeramisches Material aufweisen.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Grundplatte (12) abgewandte Seite der dielelektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d, 16) mit einer insbesondere kreisrunden Kupferplatte (18a - d, 20) bedeckt ist.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Abdeckhaube (24) aus massiven Material, die im Bereich der dielelektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d, 16) insbesondere zylindrische Ausnehmungen zur Aufnahme der dielelektrischen Resonator-Antennen (14a - 14d, 16) aufweist.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch vier Befestigungsschrauben (22a - 22d) zur Befestigung der CRPA-Antenne (10) an einer darunterliegenden Oberfläche.
Controlled Radiation Pattern Antenne nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante der elektrisch leitenden Grundplatte (12) von einem Ring aus RF-absorbierendem Material umgeben ist.