DE4128972A1 - Funkgeraet fuer ein satelliten-kommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Funkgerät für ein Sa­ telliten-Kommunikationssystem nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Satelliten-Kommunikationssysteme gewinnen u. a. wegen ihrer geringen Störanfälligkeit immer mehr an Bedeutung. Sie werden z. B. zur Abwicklung des transkontinentalen Telefon­ verkehrs durch die Post oder zur Navigation von Schiffen oder im Bereich der Logistik für den Landfrachtverkehr eingesetzt.

In einem Satelliten-Kommunikationssystem werden Funkver­ bindungen zwischen Sender und Empfänger nicht auf direktem Weg hergestellt, sondern über einen oder mehrere geosta­ tionäre Satelliten. Zum Aufbau einer Funkverbindung müssen die Sende/Empfangsantennen von Sender und Empfänger auf den Satelliten ausgerichtet werden, der als Relaisstation die vom Sender ausgesendeten Signale empfängt und - gege­ benenfalls über weitere Satelliten-Relaisstationen - in Richtung des Empfängers abstrahlt.

Sender bzw. Empfänger können zum Beispiel ortsfeste posta­ lische Vermittlungsstationen sein, die auf diese Art und Weise eine Telefonverbindung zwischen einem Teilnehmer im Bereich eines ersten Telefonnetzes (z. B. in Europa) und einem Teilnehmer im Bereich eines zweiten Telefonnetzes (z. B. in den USA) herstellen.

Sender bzw. Empfänger können aber auch mobile Stationen sein, die entweder miteinander oder über eine der oben er­ wähnten ortsfesten postalischen Vermittlungsstationen mit einem Teilnehmer des entsprechenden Telefonnetzes kommuni­ zieren.

Wie bereits vorgeschlagen wurde, kann eine solche mobile Station beispielsweise ein Funkgerät sein, dessen Gehäuse als Aktenkoffer ausgebildet ist. Der Koffer besteht aus einem kastenförmigen Kofferunterteil und einem am oberen Rand der Rückwand des Kofferunterteils um eine Schwenkachse schwenkbar befestigten Kofferdeckel. Die An­ tenne ist bei diesem Funkgerät als planares Antennenarray ausgebildet, das im Kofferdeckel angeordnet ist. Zur hori­ zontalen Ausrichtung des Arrays ist ein Kompaß vorgesehen und zur vertikalen Ausrichtung des Arrays mindestens ein das Kofferunterteil mit dem Kofferdeckel verbindender Bü­ gel, wobei der Bügel aus zwei formschlüssig ineinander verschiebbaren Teilen besteht (in der Art eines Teleskop­ gehäuses).

Falls Sender und Empfänger sich gleichzeitig in dem von einem geostationären Satelliten ausgeleuchteten Gebiet be­ finden, sendet der mit seiner Antenne auf den Satelliten ausgerichtete Sender die Nachrichtensignale zum Satelli­ ten, der sie empfängt und entsprechend der Strahlcharak­ teristik seiner Sende/Empfangsantenne wieder in das von ihm ausgeleuchtete Gebiet zurücksendet, wo sie der mit seiner Antenne ebenfalls auf den Satelliten ausgerichtete Empfänger empfängt.

Während ortsfeste Sende/Empfangsstationen in der Regel nur einmal - nämlich bei der Inbetriebnahme - mit ihrer Sende/Empfangsantenne auf den ihnen jeweils zugeordneten geostationären Satelliten ausgerichtet werden müssen, müs­ sen mobile Teilnehmerstationen mit ihrer Sende/Empfangsantenne für jede einzelne gewünschte Funk­ verbindung in Abhängigkeit von ihrem momentanen Aufent­ haltsort auf den geostationären Satelliten neu aus­ gerichtet werden, in dessen Strahlbereich der Aufent­ haltsort belegen ist. Dies ist je nach den Gegebenheiten wegen der erforderlichen Justierungen häufig mit hohem Zeitaufwand und des öfteren mit großen Justierproblemen verbunden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Funkgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich die Aus­ richtung der Antenne auf den entsprechenden geostationären Satelliten besonders einfach durchführen läßt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergege­ ben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß bei einem Funkgerät der eingangs genannten Art der mindestens eine Bügel im Schwenkwinkelbereich zum definierten Einrasten der beiden Bügelteile mehrere Rastmarken aufweist.

Zum Aufbau einer Funkverbindung muß die Strahlungskeule des planaren Antennenarrays in Richtung des geostationären Satelliten ausgerichtet werden, der das Gebiet aus­ leuchtet, in dem sich das Funkgerät gerade befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Funkgerät zunächst in eine horizontale Lage gebracht, d. h. in eine Lage, in der die Strahlungskeule des planaren Antennenarrays bei geschlossenem Kofferdeckel senkrecht nach oben ausgerichtet ist.

Die vertikale Ausrichtung der Strahlungskeule wird dadurch realisiert, daß der Kofferdeckel (mit dem darin unter­ gebrachten planaren Antennenarray) mittels des mindestens einen Bügels um den erforderlichen Elevationswinkel ε um die Schwenkachse geschwenkt und in dieser Position fixiert wird. Die horizontale Ausrichtung der Strahlungskeule wird mit Hilfe des Kompasses durchgeführt.

Da die erforderliche horizontale Winkelstellung wegen der bekannten geostationären Position des Satelliten problem­ los mit der gewünschten Genauigkeit abzuschätzen ist (z. B. mittels einer einfachen Tabelle), stellt diese Art der Ausrichtung keine größeren Anforderungen an den Benutzer.

Auf ähnlich einfache Weise kann auch die vertikale Aus­ richtung der Antennenkeule mit Hilfe des erwähnten Bügels realisiert werden. Die geostationären Satelliten werden z. B. von Mittel-Europa aus entsprechend der geographischen Breite von ca. 50°N unter einem Elevationswinkel ε von ca. 40° gesehen.

Mit der beschriebenen Ausrichtvorrichtung ist es bequem möglich, nach einer groben Abschätzung der geographischen Lage des jeweiligen Betriebsortes (z. B. Süd-, Mittel- bzw. Nord-Europa) die geeignete Ausrichtung der Strahlungskeule des Antennensystems zu erreichen.

Wegen der vorzugsweise planaren Oberflächen des Koffers ist die horizontale Positionierung des Funkgeräts sowie die horizontale und vertikale Ausrichtung der Strahlungs­ keule des planaren Antennenarrays besonders einfach durch­ zuführen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht der mindestens eine Bügel aus zwei formschlüssig auf einem Kreisbogen ineinander verschiebbaren Teilen, wobei der Mittelpunkt des zu diesem Kreisbogen gehörenden Kreises auf der Schwenkachse liegt.

Der mindestens eine Bügel ist zweckmäßigerweise an einer der beiden Seitenwände oder an der Vorderwand des Koffers angeordnet.

Mindestens ein weiterer Bügel kann zur mechanischen Stabi­ lisierung an der anderen der beiden Seitenwände und/oder an der Vorderwand des Koffers vorgesehen werden, um wäh­ rend des Betriebs des Funkgeräts mit geöffnetem Koffer eine seitliche Verwindung des Kofferdeckels zu verhindern.

Zweckmäßigerweise werden die Rastmarken im Schwenkwinkel­ bereich von z. B. 30°-70°, vorzugsweise im Bereich von 40°-60° zum definierten Einrasten der beiden Bügel-Teile (und damit zum definierten und reproduzierbaren vertikalen Aus­ richten der Strahlungskeule des planaren Antennenarrays) an dem (oder den) Bügel(n) angebracht.

Besonders vorteilhaft ist es, die Rastmarken in Winkelstu­ fen von z. B. 5° oder 10° auf dem (oder den) Bügel(n) an­ zubringen, die vorzugsweise bei 30° oder 40° beginnen. Für den Betrieb des Funkgeräts in Süd-, Mittel- bzw. Nord-Eu­ ropa beispielsweise werden für Anstellwinkel des Koffer­ deckels bzw. Elevationswinkel der Strahlungskeule Rastmar­ ken bei 40°, 50° und 60° benötigt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur einfacheren horizontalen Positionierung des Funkgeräts eine Wasser­ waage im Kofferunterteil angebracht.

Für den Fall, daß das Funkgerät auf einem zwar planaren, aber schrägen Untergrund oder auf einem unebenen Unter­ grund horizontal positioniert werden muß, sind in einer anderen Weiterbildung der Erfindung am Boden des Kofferun­ terteils mehrere, vorzugsweise vier in der Höhe verstell­ bare Füße vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Funkgeräts;

Fig. 2 einen Teil des Kofferdeckels des Aktenkoffers ge­ mäß Fig. 1 in der Aufsicht mit mehreren Anten­ nenelementen des planaren Antennenarrays;

Fig. 3 eines der Antennenelemente gemäß Fig. 2 von unten und im Querschnitt von der Seite.

Das Funkgerät in Fig. 1 ist in einem geeignet großen Ak­ tenkoffer 1 (z. B. von der Größe eines mittelgroßen Bu­ siness-Koffers mit 300×450×200 mm Länge x Breite x Höhe) mit einem Unterteil 10 und einem Deckel 11 unterge­ bracht. Der Deckel 11 ist am oberen Rand der Rückwand des Unterteils 10 z. B. mit Scharnieren schwenkbar befestigt. Die Schwenkachse 18 verläuft dabei entlang des oberen Ran­ des des Kofferunterteils 10.

An einer der beiden Seitenwände des Koffers 1 ist ein aus zwei Teilen bestehender Bügel 12 angebracht. Die beiden Teile sind formschlüssig auf einem Kreisbogen ineinander verschiebbar, wobei der Mittelpunkt des zu diesen Kreisbo­ gen gehörenden Kreises auf der Schwenkachse 18 am oberen Rand der Rückwand des Kofferunterteils 10 liegt. Der Bügel weist mehrere Rastmarken auf. Im Kofferunterteil 10 sind ein Kompaß 13 sowie weitere Baugruppen 16 des Funkgeräts angeordnet. In die Oberfläche des Kofferdeckels 11 ist ein an sich bereits bekanntes planares Antennenarray 14 inte­ griert, und zwar zweckmäßigerweise so, daß die Normale der Oberfläche des Kofferdeckels 11 übereinstimmt mit der Nor­ malen des planaren Antennenarrays 14. Mit 15 ist in der Figur die Strahlungskeule des planaren Antennenarrays 14 bezeichnet. Am Kofferunterteil ist ein Tragegriff 17 ange­ bracht.

Bei dem Funkgerät kann es sich z. B. um ein Standard C/M- Terminal für ein Satelliten-Kommunikationssystem handeln.

Da die Aufgabenstellung im Standard M-Mode nur einen mini­ malen Antennengewinn von 12 dBi erfordert, ist das Anten­ nenarray zweckmäßigerweise mit einer entsprechend schmal­ gebündelten Richtstrahl-Charakterisitk auszulegen. Eine geeignet ausgebildete Strahlungskeule weist zum Beispiel eine Halbwertsbreite auf, die im Bereich von 20°-50°, vor­ zugsweise im Bereich von 25°-35° liegt. Eine Halbwerts­ breite von angenähert 30° beispielsweise hat eine Aus­ richt-Toleranz von ca. ±10° in Richtung des geostatio­ nären Satelliten zur Folge. Die vertikale Ausrichtung der Strahlungskeule 15 wird einfach dadurch realisiert, daß der Kofferdeckel 11 mit dem darin untergebrachten Anten­ nenarray 14 mittels des Bügels 12 auf eine bestimmte Posi­ tion angestellt wird. Die horizontale Ausrichtung wird mit Hilfe des im Kofferunterteil 10 untergebrachten Kompasses 13 durchgeführt. Da die erforderliche horizontale Winkel­ stellung wegen der bekannten geostationären Position des Satelliten problemlos mit der gewünschten Genauigkeit ab­ zuschätzen ist (z. B. mittels einer einfachen Tabelle, die auf der Bedienoberfläche im Kofferunterteil 10 dargestellt werden kann), stellt diese Art der Ausrichtung keine größeren Anforderungen an den Benutzer.

Auf ähnliche Weise kann auch die vertikale Ausrichtung der Antennenkeule 15 mit Hilfe des erwähnten Bügels 12 reali­ siert werden. Die geostationären Satelliten werden z. B. von Mittel-Europa aus entsprechend der geographischen Breite von ca. 50°N unter einem Elevationswinkel von ca. 40° gesehen.

Auf dem Bügel 12 sind markierte Rasterstellungen an­ gebracht, z. B. bei 40°, 50° und 60°. Diese Markierungen wären für den Anstellwinkel des Kofferdeckels 11 bei Be­ trieb in Süd-, Mittel- bzw. Nord-Europa gültig.

Mit der beschriebenen Ausrichtvorrichtung ist es bequem möglich, nach einer groben Abschätzung der geographischen Lage des jeweiligen Betriebsortes (z. B. Süd, Mittel- bzw. Nord-Europa) die geeignete Ausrichtung der Strahlungskeule 15 des Antennenarrays 14 zu erreichen.

In Fig. 2 ist ein Teil des Kofferdeckels 11 des Aktenkof­ fers gemäß Fig. 1 in der Aufsicht dargestellt mit bei­ spielhaft drei Antennenelementen 141-143 des planaren An­ tennenarrays 14, die unmittelbar in die Oberfläche des Kofferdeckels 11 integriert sind. Zu sehen sind die metal­ lisierten Oberseiten der einzelnen Antennenelemente, die mit Kreuzschlitzen 1410, 1420, 1430 versehen sind, in denen das dielektrische Substrat unter der Metallisierung sichtbar wird.

In Fig. 3 ist eines der Antennenelemente (141) gemäß Fig. 2 von unten und im Querschnitt entlang des Schnittes AA von der Seite gezeigt.

Mit 1411 bzw. 1412 sind die Anschlüsse für den Sende- bzw. Empfangszweig des Funkgeräts bezeichnet, mit 1410 ist der Kreuzschlitz auf der Oberseite des Antennenelements, mit 1413 ist die Verbindungsleitung zum Anschluß 1411 des Sen­ dezweigs des Funkgeräts und mit 1414 entsprechend die Ver­ bindungsleitung zum Anschluß 1412 des Empfangszweigs des Funkgeräts bezeichnet.

Das Antennenelement 141 besteht aus einem beidseitig me­ tallisierten dielektrischen Substrat, in dem die Verbin­ dungsleitungen 1413 und 1414 bzw. der Kreuzschlitz 1410 z. B. durch Wegätzen der Metallisierung eingebracht sind. Das dielektrische Substrat ist über einem Hohlraum ange­ ordnet.

Das an sich bekannte planare Antennenarray kann z. B. in der einfachsten Form eine Strahlungskeule aufweisen, die in ihrer Ausrichtung relativ zur Arrayoberfläche unverän­ derlich ist. Hier kann bereits mit vier auf einem Quadrat mit 210 mm Kantenlänge angeordneten Elementen ein Anten­ nengewinn von ca. 10 dBi bei einer Keulen-Halbwertsbreite von etwa 45° erzielt werden. Mit neun auf einem Quadrat mit 330 mm Kantenlänge angeordneten Elementen erhöht sich der Antennengewinn auf etwa 12,5 dBi bei einer Keulen- Halbwertsbreite von etwa 33°.

Alternativ hierzu kann das Antennenarray in einer vorteil­ haften Weiterbildung eine Strahlungskeule aufweisen, die in ihrer Ausrichtung relativ zur Arrayoberfläche in einem bestimmten Raum-Winkelbereich elektronisch schwenkbar ist, indem das Array in an sich bekannter Weise als phasenge­ steuertes Antennenarray realisiert wird.

Bei Satelliten-Kommunikationssystemen mit Pilotsignal-Re­ ferenz kann das Pilotsignal in vorteilhafterweise zum Aus­ richten der Strahlungskeule des planaren Antennenarrays benutzt werden.

Bei einem Array mit feststehender Strahlungskeule könnte dies dadurch geschehen, daß durch eine durch das Pilotsi­ gnal gesteuerte optische und/oder akustische Anzeige dem Benutzer des Funkgeräts angezeigt wird, in welcher Stel­ lung des Koffers (horizontal) und des Kofferdeckels (ver­ tikal) die optimale Ausrichtung der Strahlenkeule auf den Satelliten erreicht ist. Bei einem phasengesteuerten Array mit elektronisch schwenkbarer Strahlungskeule könnte das Pilotsignal vorteilhaft zur Feinabstimmung der Ausrichtung der Strahlungskeule verwendet werden. Hierzu ist in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Funkge­ räts eine Schaltung zum automatischen Ausrichten der Strahlungskeule auf den das Pilotsignal aussendenden Sa­ telliten vorgesehen ("self-phasing network").

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. Beispielsweise ist es möglich, anstelle des mecha­ nisch von Hand einzustellenden Bügels eine Vorrichtung vorzusehen, die selbsttätig (z. B. mittels eines Elek­ tromotors) z. B. mit Hilfe des erwähnten Pilotreferenz­ signals den Kofferdeckel in die geforderte Stellung bewegt und damit die Strahlungskeule vertikal ausrichtet. Zur Steuerung dieses Prozesses kann beispielsweise ein Mikro­ prozessor vorgesehen werden, in den als Eingabedaten le­ diglich die geographischen Längen- und Breitenangaben des augenblicklichen Standorts des Funkgeräts eingegeben wer­ den müssen und der daraus den Winkel der horizontalen Aus­ richtung und der vertikalen Ausrichtung der Strahlungs­ keule des Antennenarrays berechnet und die notwendigen Ein­ stellungen steuert.

Claims (15)

1. Funkgerät für ein Satelliten-Kommunikationssystem mit einem Gehäuse und einer Antenne, welches Gehäuse als Ak­ tenkoffer ausgebildet ist mit einem kastenförmigen Koffer­ unterteil und einem am oberen Rand der Rückwand des Kof­ ferunterteils um eine Schwenkachse schwenkbar befestigten Kofferdeckel, wobei zum einen die Antenne als planares An­ tennenarray ausgebildet und im Kofferdeckel angeordnet ist und zum anderen zur horizontalen Ausrichtung des Anten­ nenarrays ein Kompaß und zur vertikalen Ausrichtung des Antennenarrays mindestens ein das Kofferunterteil mit dem Kofferdeckel verbindender Bügel vorgesehen ist, welcher Bügel aus zwei formschlüssig ineinander verschiebbaren Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Bügel (12) im Schwenkwinkelbereich zum definierten Einrasten der beiden Bügelteile mehrere Rastmarken auf­ weist.

2. Funkgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastmarken im Schwenkwinkelbereich von 30°-70°, vor­ zugsweise von 40°-60°, auf dem mindestens einen Bügel (12) angebracht sind.

3. Funkgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastmarken in Winkelstufen von 5° oder 10° auf dem Bü­ gel (12) angebracht sind, vorzugsweise beginnend bei 30° oder 40°.

4. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Bügel (12) an einer der beiden Seitenwände oder an der Vorderwand des Aktenkoffers 1 angeordnet ist.

5. Funkgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Bügel an der anderen der beiden Seitenwände und/oder an der Vorderwand des Aktenkoffers 1 angeordnet ist.

6. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Bügelteile kreisbo­ genförmig ausgebildet sind und daß der Mittelpunkt des zu diesem Kreisbogen gehörenden Kreises auf der Schwenkachse (18) liegt.

7. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kompaß (13) im Koffer­ unterteil (10) angeordnet ist.

8. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das planare Antennenarray (14) unmittelbar in die Oberfläche des Kofferdeckels (11) bzw. integriert ist.

9. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halbwertsbreite der Strah­ lungskeule (15) des planaren Antennenarrays (14) im Be­ reich von 20°-50°, vorzugsweise im Bereich von 25°-35°, insbesondere bei 30° oder 35° liegt.

10. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Satelliten-Kommunikations­ systemen mit Pilotsignal-Referenz das Pilotsignal zum Aus­ richten der Strahlungskeule (15) des planaren Antennenar­ rays (14) auf den Satelliten verwendet wird.

11. Funkgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungskeule (15) des planaren Antennenarrays (14) in ihrer Ausrichtung relativ zur Arrayoberfläche unveränderlich ist.

12. Funkgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungskeule des planaren An­ tennenarrays (14) in ihrer Ausrichtung relativ zur Array­ oberfläche mechanisch und/oder elektronisch schwenkbar ist.

13. Funkgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Satelliten-Kommunikationssystemen mit Pilotsignal- Referenz das planare Antennenarray (14) eine Schaltung zum automatischen Ausrichten der Strahlungskeule (15) des pla­ naren Antennenarrays (14) auf den Satelliten aufweist.

14. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kofferunterteil (10) eine Wasserwaage zur horizontalen Ausrichtung des Funkgeräts vorgesehen ist.

15. Funkgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kofferunterteils (10) mit mehreren, vorzugsweise vier in der Höhe verstell­ baren Füßen versehen ist.