DE4135828A1

DE4135828A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE4135828A1
Application number: DE4135828A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. 8036 Hersching De Splitt; Hans 8911 Windach De Forster
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1993-05-06
Also published as: GB2261118A; FR2685979A1; GB9222717D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur gleichzei tigen Kommunikation mit einem geostationären und einem be liebig umlaufenden Satelliten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Antennenanord nung so auszubilden, daß mittels nur einer solchen, nicht nachführbaren Antennenanordnung auf sehr nahe beieinander liegenden Frequenzbändern gleichzeitig sowohl mit einem geo stationären als auch mit einem beliebig umlaufenden Satel liten kommuniziert werden kann. Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un teransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung sind zwei Anten nensysteme vorgesehen, nämlich ein höher angeordnetes und montiertes Antennensystem, das einen (oder mehrere überein ander angeordnete) zirkular polarisierten, kreisförmigen Streifenleitungsstrahler aufweist, welcher im Englischen als Patch bezeichnet wird, der im Grundmode strahlt und die für umlaufende Satelliten, beispielsweise im Global Positioning System (GPS) erforderliche Halbkugel-Charakteristik erzeugt, und ein darunter angeordnetes Antennensystem, das mindestens eine (oder auch mehrere, übereinander angeordnete) kreis ringförmige Antenne(n) aufweist, die in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) strahlt (strahlen). Die höheren Moden erzeu gen Strahlungscharakteristiken mit einer Nullstelle in der Zenitrichtung, welche für die Kommunikation mit geostationä ren Satelliten von dem europäischen Gebiet aus optimal sind. Die mit höheren Moden angeregten Antennen sind als kreis ringförmige Streifenleitungsstrahler ausgeführt, die bei Verwenden von zwei oder mehr Strahlern auf einem zwei- oder mehrstufigen, achssymmetrischen Zentralkörper gehaltert sind. Hierbei dient dieser Zentralkörper dazu, daß durch die Durchführung einer Speiseleitung für die oberste Antenne die Symmetrieeigenschaften nicht beeinflußt werden. Durch den abgestuften Zentralkörper ist eine verbesserte Anpassung des zweiten (n-ten) kreisringförmigen Streifenleitungsstrahlers, d . h. des am tiefsten angeordneten Streifenleitungsstrahlers erreicht, wenn die Einspeisestelle optimal für den ersten kreisringförmigen Streifenleitungsstrahler gewählt ist.

Durch die beschriebene Kombination orthogonaler Moden ist bei einer achssymmetrischen Anordnung in vorteilhafter Weise eine besonders gute Entkopplung der beiden übereinander an geordneten Antennensysteme bewirkt.

Durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung sind zwei Kanä le, von welchen der eine einem geostationären und der andere einem beliebig umlaufenden Satelliten zugeordnet ist, gut entkoppelt. Da die erfindungsgemäße Antennenanordnung für eine Anbringung auf Autodächern oder in einer ähnlichen Um gebung bestimmt ist, ist die erfindungsgemäße Antennenanord nung besonders kompakt ausgeführt und in einem aerodynamisch vorteilhaft geformten Radom geringer Höhe untergebracht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus führungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnun gen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Ansicht von unten und

Fig. 1B eine mittig vorgenommene Schnittansicht einer vorteilhaften Ausführungsform einer mit einem Radom abgedeckten Antennenanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine in Einzelteile aufgelöste perspektivi sche Darstellung der in Fig. 1A und 1B wieder gegebenen, bevorzugten Ausführungsform einer Antennenanordnung ohne Radom;

Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung Basisfunkti onen sowie in Draufsicht Stromverteilungsbil der eines kreisförmigen Resonators bei drei verschiedenen Moden;

Fig. 4 eine Elevations-Schnittansicht eines gemesse nen Strahlungsdiagramms für das Global Positioning System (GPS) bei einem Azimutwin kel Φ = 0°;

Fig. 5 und 6 eine Elevations-Schnittansicht eines gemesse nen Strahlungsdiagramms für eine INMARSAT- Standard-C-Antenne für einen Azimutwinkel Φ = 0° für einen SAT-COM Kanal von 1,5375 GHz bzw. 1,635 GHz; sowie,

Fig. 7 und 8 konische Schnitte eines gemessenen Strah lungsdiagramms für eine INMARSAT-Standard-C bei Elevationswinkeln 90°-ϑ= 20° und 45° für SAT-COM-Kanäle von 1,5375 GHz und 1,635 GHz.

In Fig. 1A, 1B und 2 ist in einer Ansicht von unten, in einer mittigen Schnittansicht bzw. in einer in Einzelteile aufge lösten, perspektivischen Darstellung eine bevorzugte Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung in Form einer kombinierten GPS/INMARSAT-Antennenanordnung darge stellt. Wie aus Fig. 1B und 2 zu ersehen ist, weist die An tennenanordnung drei übereinander angeordnete zirkularpola risierte Streifenleitungsstrahler 3, 6 und 12 für drei be nachbarte, nahe beieinander liegende Frequenzbänder auf. Hierbei liegt die GPS-Frequenz von 1,575 GHz des kreisför migen Streifenleitungsstrahlers 3 zwischen den beiden INMARSAT-Frequenzbändern von 1,535 bis 1,545 GHz und 1,625 bis 1,645 GHz der beiden kreisringförmigen Streifenleitungs strahler 6 und 12.

Der GPS-Strahler 3 ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, als oberster Strahler angeordnet, und er wird im Grundmode 1.1 angeregt. Der GPS-Strahler 3 ist aus einem etwa 5mm dickem Substrat mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (ε= 6) hergestellt, um auf diese Weise eine möglichst breite Strah lungscharakteristik zu erhalten.

Die beiden übereinander, jedoch unter dem GPS-Strahler 3 an geordneten, kreisringförmigen Streifenleitungsstrahler 6 und 12 arbeiten beispielsweise in dem Mode 2.1. Die beiden Strahler 6 und 12 bestehen aus einem Polyolefin-Sutstrat mit einer erheblich kleineren Dielektrizitätskonstante (ε= 2,3) und sie werden mittels eines Hybrids 13 gespeist. Durch einen in der dargestellten Ausführungsform aus drei Teilen 8 bis 10 bestehenden Zentralkörper ist eine Koaxialleitung 5, 11 geführt, mittels welcher über einen auf der Oberseite des GPS-Strahlers 3, vorgesehenen, in Reihe geschalteten Konden sator 2 der GPS-Strahler 3 gespeist ist. Dieser Kondensator 2 dient dazu, die Induktivität der Speiseleitung im Bereich des GPS-Strahlers 3 zu kompensieren, und damit gleichzeitig die Anpassung der Antenne zu verbessern. Eine Zirkularpola risation ist durch eine Störung der Kreissymmetrie des GPS- Strahlers 3 in Form von zwei Ausfräsungen 3 ₁ und 3 ₂ im Außenumfang des kreisscheibenförmigen Strahlers 3 erzeugt. Die beiden Ausfräsungen 3 ₁ und 3 ₂ im Strahler 3 sind bei Azimutwinkeln von 45° und 245° diametral zueinander ausge bildet.

Die Einspeisung der beiden INMARSAT-Strahler 6 und 12 er folgt über das Hybrid 13, welches in Mikrostreifenleiter bzw. Microstrip-Technik ausgeführt ist, an vier Stellen 6 ₁ bis 6 ₄ über dort angeordnete Kondensatoren 4 ₁ bis 4 ₄ bzw. an vier Stellen 12 ₁ bis 12 ₄ des Strahlers 12. Durch das Hybrid 13 werden zwei um 45° im Azimut versetzte 2.1-Moden mit einer Phasendifferenz von 90° angeregt, wodurch eine annä hernd zirkular polarisierte, nahezu azimut-unabhängige Strahlungscharakteristik erzeugt wird. Um die Symmetrie zu verbessern, ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, jeder der Mo den 2.1 an zwei diametral einander gegenüberliegenden Stel len 6 ₁, 6 ₃ und 6 ₂, 6 ₄ bzw. 12 ₁, 12 ₃ und 12 ₂, 12 ₄ eingespeist.

Das Hybrid 13 ist mit dem Resonator-Dielektrikum des unter sten Strahlers 12 verklebt, so daß das Hybrid 13 und der Strahler 12 dasselbe Substrat nutzen. Durch diese Maßnahme ist beispielsweise im Vergleich zu einem Hybrid in der Drei-Platten-Leitungstechnik eine Substratebene eingespart und dadurch die Gesamthöhe der Antennenanordnung vermindert.

Die unerwünschte elektrodynamische Verkopplung des Hybrids 13 und des Strahlers 12 ist dadurch gering gehalten, daß die Substratdicke der Platine des Hybrids 13 gering gegenüber derjenigen des untersten Strahlers 12 gewählt ist. (Ein Teil der Unsymmetrie in den in Fig. 7 und 8 wiedergegebenen Azi mut-Charakteristiken ist auf diese Kopplungen zurückzufüh ren).

Wie aus Fig. 1B und 2 zu ersehen ist, sind Drähte 7 ₁ bis 7 ₄ durch in entsprechenden Bohrungen 6 ₁ bis 6 ₄ bzw. 12 ₁ bis 12 ₄ in den beiden Strahlern 6 und 12 vorgesehene Kunststoffbuch sen 15 mit den auf der Oberseite des oberen Strahlers 6 vor gesehenen vier Kondensatoren 4 ₁ bis 4 ₄ bzw. mit Koaxialstec kern 16 ₁und 16 ₃ verbunden. Die Koaxialstecker 16 ₁ bis 16 ₃ sind an einer Grundplatte 14 befestigt, an welcher mittels eines Schraubbolzens 1 die gesamte Antennenanordnung 3, 6, 12/13 und mittels durch Bohrungen 14 ₀ in der Grundplatte 14 eingebrachte, nicht näher dargestellte Befestigungsmittel ein die gesamte Antennenanordnung überdeckendes Radom 20 be festigt ist, wie aus Fig. 1B zu ersehen ist.

Die beiden Moden, nämlich der Grundmode 1.1 und der Mode 2.1 des GPS-Strahlers 3 bzw. der beiden INMARSAT-Strahler 6 und 12 sind orthogonal zueinander, d. h. der GPS-Kanal ist von den zwei INMARSAT-Kanälen entkoppelt. Dadurch wird ein GPS- Empfänger auch bei Sendebetrieb der INMARSAT-Antennen nicht überlastet, und die Charakteristiken der beiden Antennensy steme 3 und 6, 12 beeinflussen sich nicht, selbst wenn sich die entsprechenden Frequenzbänder überlappen.

In Fig. 3 sind in einer dreidimensionalen Darstellung Basis funktionen von drei verschiedenen Moden 1.1, 2.1 und 3.1 so wie jeweils darunter die entsprechenden Stromverteilungen eines kreisförmigen Resonators dargestellt. Ferner sind in Fig. 3 zur Orientierung die Polarkoordinaten ϕ und ρ einge tragen.

In den Fig. 4 bis 8 sind gemessene Strahlungsdiagramme der in Fig. 1A, 1B und 2 wiedergegebenen Ausführungsform einer er findungsgemäßen Antennenanordnung bei den jeweiligen Band- Mittenfrequenzen dargestellt. Hierbei war die Antennenanord nung in der Mitte einer etwa (1,4 m×1,5 m) großen Metall platte montiert, durch welche ein Autodach nachgebildet wor den war. Die Flächennormale ist hierbei die Polarachse ϑ = 0° eines Polarkoordinatensystems ϑ, Φ.

Im einzelnen ist in Fig. 4 ein Elevationsschnitt eines gemes senen Strahlungsdiagramms für GPS bei Φ = 0° mit einer Rechts- und Links-Zirkularpolarisation des GPS-Kanals von 1,575 GHz dargestellt.

In Fig. 5 ist ein Elevationsschnitt eines Strahlungsdiagramms für Standard-C bei Φ = 0° mit einer Links- und Rechts-Zirku larpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,5375 GHz wiederge geben.

In Fig. 6 ist ein weiterer Elevationsschnitt eines Strahlungs diagramms für Standard-C bei Φ = 0° mit einer Rechts- und Links-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,635 GHz wiedergegeben.

In Fig. 7 sind konische Schnitte eines gemessenen Strahlungs diagramms für Standard-C bei 90°-ϑ= 20° und 45° für eine Rechts-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,5375 GHz wiedergegeben.

In Fig. 8 sind weitere konische Schnitte eines gemessenen Strahlungsdiagramms für Standard-C bei 90°-ϑ= 20° und 45° bei einer Rechts-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals bei 1,635 GHz dargestellt.

Claims

1. Antennenanordnung zur gleichzeitigen Kommunikation mit einem geostationären und einem beliebig umlaufenden Satelli ten, gekennzeichnet durch
einen im Grundmode (1.1) betriebenen zirkular polarisierten, kreisförmigen Streifenleitungsstrahler (3) und
mindestens einen weiteren, darunter angeordneten, in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) betriebenen, kreisringförmigen, zirkular polarisierten Streifenleitungsstrahler (6; 12),
welche Streifenleitungsstrahler (3; 6; 12) auf einem achs symmetrisch ausgebildeten Zentralkörper (8 bis 10) konzen trisch gehaltert sind.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens zwei untereinander angeord nete, in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) betriebene, kreisringförmige, zirkular polarisierte Streifenleitungs strahler (6, 12) vorgesehen sind, und der Zentralkörper (8 bis 10) als ein mindestens zweistufi ger, achssymmetrischer Metallkörper ausgebildet ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der unterste kreisringförmige Streifen leitungsstrahler (12) und ein damit fest verbundenes Speise hybrid (13) in Mikrostreifenleiter-(Microstrip-)Ausführung dasselbe Substrat benutzen.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Antennenanord nung (3, 6, 12) unter einem aerodynamisch ausgebildeten Ra dom (20) untergebracht ist.