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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Antennensystem
und im besonderen ein verbessertes Antennensystem für Anwendungen
auf dem Boden.
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Hintergrund der Erfindung
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Der
Betrieb von Satelliten-Fernmeßeinheiten
(RSMUs) mit Bodenstationen für
Satelliten-Landesysteme (SLS) ist besonders anfällig für Mehrkanalfehler. Diese Fehler
entstehen typischerweise durch das Anleuchten der Antenne durch
Strahlen, die von der Erde oder von Oberflächenobjekten oder -strukturen
reflektiert werden. Mithin ist es erwünscht, ein bodengestütztes System
zu konstruieren, das Emissionen empfängt, die oberhalb des Horizonts
entstehen, jedoch Strahlen unterdrückt, die von unterhalb des
Horizonts ankommen. Antennensysteme, die solch ein Strahlungen scharf
abschneidendes Diagramm aufweisen, sind typischerweise sehr groß.
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Bei
früheren
Versuchen zur Verminderung von Mehrkanalfehlern wurden L-Band-Antennenkonstruktionen
verwendet. Diese Bemühungen
erbrachten nur einen beschränkten
Erfolg. Bei jedem frühen
Versuch waren Patchantennen und vieradrige spiralförmige Konstruktionen
beteiligt. Um die Leistung dieser Antennen verbessern zu helfen,
wurden Drosselringe um die Basis der Antennengrundelemente herum
eingesetzt, um zu versuchen, die Empfangsfähigkeit für Signale zu vermindern, die
von der Erde und von anderen Objekten unterhalb des Horizonts reflektiert
werden. Des weiteren wurden "Hebeausstattungen" bei Patchantennen
eingebaut, um die Patches auf verschiedene Höhen oberhalb der Drosselringbasis
der Antenne zu heben. Zwar erbrachten einige dieser Versuche einen
beschränkten
Erfolg, jedoch wurde keiner die Mehrkanalfehler in befriedigender
Weise beseitigt.
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Bei
dem neuesten Versuch zur Verminderung von Mehrkanalfehlern werden
eine große
Anordnung, die eine vertikale Aufreihung von vertikal polarisierten Dipolen
aufweist, und eine zweite Antenne verwendet, die eine schraubenförmige Schüssel ist,
die oberhalb der vertikalen Dipolanordnung angebracht ist. Durch
die vertikale Dipolanordnung wird für die Erfassung von niedrigeren
Höhenwinkeln
gesorgt und wird scharf unterhalb einer Höhe von annähernd 5–10 Grad gekappt. Weiterhin
kappt die vertikale Dipolanordnung auch bei höheren Höhenwinkeln im Bereich von etwa
35–40
Grad über
dem Horizont. Wie zu erkennen ist, wäre die Erfassung von Höhenwinkeln
nahe am Zenit mit der vertikalen Dipolanordnung grundsätzlich beschränkt, da die
vertikalen Dipolelemente in vertikaler Richtung nicht abstrahlen
oder empfangen.
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Unabhängig von
der Konstruktion der Anordnung wird typischerweise nicht für eine Erfassung
in einer Richtung gesorgt, in der die Grundelemente nicht abstrahlen
oder empfangen. Deshalb sind zwei Anntenabschnitte für die Erfassung
der niedrigen Höhenwinkel
und der hohen Höhenwinkel
konfiguriert. Insbesondere ist die vertikale Dipolanordnung für die niedrigen
Höhenwinkel
vorgesehen, und die spiralförmige
Schüssel
ist für
die hohen Höhenwinkel
vorgesehen.
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Für eine Zweiantennen-Konfiguraton
mit der Kombination von spiralförmiger
Schüssel
und vertikaler Dipolanordnung müssen
typischerweise zwei getrennte Empfängerkanäle verwendet werden. Die Signale
von den zwei Antennenabschnitten lassen sich vor der Erfassung des
Signals nicht zu einem einzigen analogen oder digitalen Signal kombinieren,
weil bei manchen Höhenwinkeln
die Summierung zweier Funkfrequenz-(RF), Zwischenfrequenz-IF)- oder
digitaler Signale zu einer Signalverzerrung oder -löschung in
dem gemeinsamen Bereich beiträgt,
in dem sich die Strahlungsdiagramme der zwei Abschnitte überlappen.
Das führt im
Diagramm zu unerwünschten
Nullen und Spitzen, die gewöhnlich
als Rasterzipfel bezeichnet werden. Während die Situation, die auf
Grund der Signalverzerrung zu Spitzen in einem Antennendiagramm
führt,
im allgemeinen nicht als Problem betrachtet wird, sind Nullen, die
durch Signallöschung
entstehen, auf Grund einer Verminderung des Erfassungsvolumen unerwünscht.
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Neben
den Nachteilen, die mit der Signallöschung bei einer Zweiantennen-Konfiguration zusammenhängen, entsteht
durch die erforderliche Verwendung zweier Empfänger für diese Antennenart ein Kostennachteil.
Beispielsweise ist eine einzelne SLS-Bodenstation typischerweise
mit drei RSMUs ausgestattet. Deshalb wären für eine Zweiantennen-Konfiguration
typischerweise sechs Empfänger
für jede
SLS-Bodenstation erforderlich. Des weiteren muß die Synchronisierung zwischen
mehreren RSMUs an jedem Ort bewältigt
werden, und es ist ein Schaltschwellenalgorithmus vonnöten, um
auf der Basis von Höhenwinkel,
Signalqualität und
einigen anderen geeigneten Parametern den richtigen Empfängerausgang
zu wählen.
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In
dem USA-Patent Nr. 5,534,882, erteilt am 9. Juli 1996 an Lopez,
wird ein Antennensystem mit Erfassung der oberen Hemisphäre nahe
am Zenit offenbart. In 1 ist
eine mit dem Computer erzeugte Graphik einer Antennenverstärkung als
Funktion des Höhenwinkels
für das
System von Lopez dargestellt. Wie gezeigt ist, ist die Verstärkung vom
Horizont zum Zenit (0 bis 90 Grad) ungleichmäßig. Es erfolgt eine scharfe Kappung
am Horizont, wobei die Seitenzipfel um annähernd 10 dB÷ unten liegen.
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Angesichts
des Vorstehenden ist eine Antennenanordnung erwünscht, die mit Grundelementen
konstruiert ist und für
eine verbesserte isotrope Erfassung der oberen Hemisphäre sorgt
und dabei Signale unterdrückt,
die von unterhalb einer geeigneten Schwelle oberhalb des Horizonts
ankommen (d.h. für
eine Erfassung der oberen Hemisphäre mit einer scharfen Kappung
nahe am Horizont). Des weiteren ist es erwünscht, die Verstärkung vom
Horizont zum Zenit zu stabilisieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demgemäß wird mit
der vorliegenden Erfindung ein Antennensystem geschaffen, wie es
in den beiliegenden Ansprüchen
im einzelnen beschrieben ist.
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Mit
verschiedenen Ausführungsformen
des vorliegenden Systems werden die Probleme nach dem Stand der
Technik durch Bereitstellung einer verbesserten Antenne mit einer
Mehrzahl von vertikal verteilten Elementaufreihungen beseitigt,
die derart konfiguriert sind, daß sie die obere Hemisphäre erfassen,
während sie
bei einem relativ kleinen Winkel über dem Horizont für eine scharfe
Kappung sorgen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Antenne eine Mehrzahl von Elementaufreihungen, die um mindestens αλ/2 beabstandet
sind, wobei α eine
einheitslose Konstante ist und λ die
Wellenlänge
ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Diese
sowie weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden besser an Hand der folgenden Beschreibung, der
beigefügten
Ansprüche
und der anliegenden Zeichnungen verständlich, in denen:
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1 eine mit dem Computer
erzeugte Antennendiagrammdarstellung nach dem Stand der Technik ist;
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2 ein Antennensystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ein Antennensystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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4 ein mit dem Computer erzeugtes
Antennendiagramm gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Ausführliche
Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform
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In 2 umfaßt ein Antennensystem 16 gemäß verschiedenen
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung einen Mast 20,
der im wesentlichen senkrecht zum Horizont 24 steht. An
dem Mast wird eine lineare Aufreihung von isotropen abstrahlenden
(oder empfangenden) Elementen getragen, die von mehreren vertikal ausgerichteten
Elementen 28, 32, 36, 40, 44 und 48 gebildet
werden. Jedes vertikal ausgerichtete Elemente (d.h. 28, 32, 36, 40, 44, 48)
erzeugt einen sich fortpflanzenden Strahl 60. Es sollte
zu erkennen sein, daß der Winkel
vom Zenit (Θ)
(wie er beispielsweise in 1 als Θ = 52° dargestellt
ist), das Komplement zu dem Höhenwinkel
(d.h. dem Winkel zwischen den sich fortpflanzenden Strahlen 60 und
dem Horizont 24) ist. Dabei sind die vertikal ausgerichteten
Elemente um einen Abstand (d) voneinander getrennt.
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Die
vertikal ausgerichteten Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung
sind derart konfiguriert, daß sie
kreisförmig
in Zenit-Richtung konfiguriert sind und bei den niedrigeren Höhenstufen
elliptisch polarisiert werden und dabei befriedigende axiale Verhältniswerte
aufrechterhalten. Durch die Ausrichtung der Elemente wird ein lineares
Aufreihungsmuster bereitgestellt, das die obere Hemisphäre erfaßt, wobei
bei einem relativ kleinen Winkel oberhalb des Horizonts, beispielsweise
von etwa 5°,
scharf gekappt wird. Die als Antennensystem 16 dargestellte
beispielhafte Ausführungsform
umfaßt
sechs vertikal ausgerichtete Elemente 28, 32, 36, 40, 44, 48,
welche die lineare Aufreihung von isotropen abstrahlenden Elementen
bilden. Es wird jedoch zu erkennen sein, daß die Anzahl der vertikal ausgerichteten
Elemente ohne Abweichung vom Umfang der Erfindung vergrößert oder
verkleinert werden kann. Das gesamte Erfassungsvolumen wird von
der weiter oben beschriebenen Kombination der vertikalen Aufreihung
von Dipolen und der spiralförmigen
Antennenschüssel
gebildet.
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Auf
Grund der isotropen Natur der Elemente 28, 32, 36, 40, 44 und 48 besteht
theoretisch eine gleiche Empfangsfähigkeit in allen Richtungen.
Es sollte jedoch zu erkennen sein, daß jedes Element elektromagnetische
Energie mit einer Amplitude und einer Phase ausstrahlt, die von
der Funkfrequenzleistung und der Phase des an das Element angelegten
Ansteuerungssignals abhängen.
Weiterhin ist das elektromagnetische Netzfeld an einem entfernt
gelegenen Beobachtungspunkt typischerweise die Summe sämtlicher
Felder von den einzelnen Elementen (wobei angenommen wird, daß der Beobachtungspunkt
ausreichend weit von der Aufreihung weg ist, so daß die Ausbreitungswege
als parallel angenähert
werden können).
Des weiteren ist, da die relativen Ausbreitungsstrecken von dem
Höhenwinkel
in bezug auf den Beobachtungspunkt abhängig sind, die von jedem sich
fortpflanzenden Signal durchlaufene Strecke anders, und das führt zu entsprechenden Phasenverzögerungen.
An dem Beobachtungspunkt ist die Phase einer einzelnen Komponente
des elektromagnetischen Feldes relativ zu den Phasen der von den
anderen Elementen erzeugten Signale vorgeeilt oder nachhängend. Demgemäß ist es
erwünscht,
die physischen Abmessungen der Aufreihung derart zu konstruieren,
daß die
notwendigen relativen Ausbreitungsstrecken als Funktion des Höhenwinkels
erzeugt werden. Des weiteren werden die einzelnen Elemente derart
mit Funkfrequenzsignalen gespeist, daß die elektromagnetischen Felder
an dem entfernt gelegenen Beobachtungspunkt zu den Höhen beitragen,
in denen die Signalerfassung erwünscht
ist, und die Höhen
schmälert/löscht, bei
denen eine Signalunterdrückung
erwünscht ist.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die Antennenanordnung derart konfiguriert, daß sie Signale
von etwa 5° bis
10° und
darüber
empfängt
und Signale an dem und unterhalb des Horizonts um etwa 40 dB unterdrückt. Die
Anzahl und der Abstand der vertikal ausgerichteten Elemente sowie
ihre jeweiligen Amplituden und Phasen können gemäß der Offenbarung optimiert
werden.
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Eine
spezielle Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 3 dargestellt.
Eine Antenne 200 umfaßt
sieben isotrope Elemente (d.h. m = –5, –3, –1, 0, 1, 3 und 5; bzw. Elemente 214, 212, 210, 208, 206, 204 und 202).
Bei dieser Ausführungsform
sind die Elemente längs
einem Mast 220 symmetrisch in Bezug auf das Element 208 verteilt.
Die Elemente 206 und 210 liegen in einem Abstand
von αλ/2 von dem Element 208,
wobei α eine
einheitslose Konstante ist und λ die
Wellenlänge
des Signals ist. Die übrigen
Elemente 202, 204, 212 und 214 sind
um Abstände αλ beabstandet.
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Es
sollte zu erkennen sein, daß die
in 3 gezeigte Antennenkonfiguration
effektiv eine Konstruktion mit elf Elementen (mit den Elementen
in Abständen
von αλ/2) ist,
die auf sieben Elemente "ausgedünnt" wurde. Durch diese
Konfiguration können
Elemente, die mit abnehmend niedrigen Pegeln angesteuert werden können, entfernt
werden, ohne daß sich
die Leistung der Antenne in starkem Maße ändert.
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Die
Antennenelemente 202–214 sind
gekreuzte, rechteckige, prismenartige Dipolelemente, die in Quadratur
gespeist werden. Durch diese Konfiguration wird eine kreisförmige Polarisierung
in den zwei zu der Ebene der Dipole senkrechten Richtungen (beispielsweise
nach oben und nach unten bei horizontalen Dipolen) erzeugt. Jedoch
nimmt das Axialverhältnis
bei solchen Systemen in Richtung von der senkrechten Achse weg ab
und wird in der Ebene der Dipole linear polarisiert. Diese Ausführungsform
mit gekreuzten prismenartigen Dipolen bietet eine gewünschte geringere
Verschlechterung.
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Die
einzelnen Elemente werden mit einer spezifischen Amplitude und spezifischen
Phasen angesteuert, um eine geeignete Löschung von Signalen unterhalb
eines Höhenschwellwinkels
zustande zu bringen. Die in 3 dargestellte
Antennenanordnung umfaßt
ein (nicht gezeigtes) Speisungsnetz zum Ansteuern jedes Elementes.
Das Netz umfaßt
in geeigneter Weise Signalkoppler, die derart konfiguriert sind,
daß sie
die richtigen Amplituden und Verzögerungsleitungen (Übertragungsleitungen,
beispielsweise Mikrostreifenleiter, Streifenleiter) zur Erzeugung
der richtigen Phasen für
jedes der einzelnen Elemente herstellen. Das Netz umfaßt ferner
die notwendige Quadraturspeisung für die gekreuzten prismenartigen
Dipole. Zu weiteren Hintergrundinformationen zur Antennentheorie
siehe beispielsweise Constantine Balanis, Antenna Theory Analysis
and Design (1982).
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Bein
einer beispielhaften Ausführungsform
des Antennensystems gemäß
3 ist die Konstante (α) annähernd gleich
0,90, was die folgenden geeigneten Ansteuerungspegel ergibt:
Tabelle
1 Beispielhafte
Ansteuerungskoeffizienten
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In 4 ist ein beispielhaftes,
mit dem Computer erzeugtes Antennendiagramm gemäß den Werten von Tabelle 1
gezeigt. Das endgültige
Antennendiagramm ist der Aufreihungsfaktor, multipliziert mit dem
Antennendiagramm der einzelnen Elemente. Das zentrale Element (m
= 0) wird mit –6
dB und α =
0,90 angesteuert. 4 demonstriert
die verbesserte Einheitlichkeit bei der Verstärkung vom Horizont zum Zenit
(0 bis 90 Grad) gegenüber
dem in 1 dargestellten
Diagramm nach dem Stand der Technik. Des weiteren sind unterhalb
des Horizonts alle Seitenzipfel als vom Horizont aus unten mindestens –20 dB betragend
angegeben.
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Der
einheitslose Parameter α kann
gemäß der speziellen
Anwendung verändert
werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist α eine reelle
Zahl von weniger als Eins, vorzugsweise im Bereich von 0,90–0,99. Es
sollte jedoch erkannt werden, daß abhängig von speziellen Konstruktionserfordernissen
auch andere Amplitudenwerte geeignet sein können. Die hier auftretenden
Erfinder stellten fest, daß sich
durch eine Sklalierung des Abstands zwischen den Elementen mit α das Diagramm
des Antennensystem sehr stark verbessert. Der Fachmann wird durch
einen Vergleich des Antennendiagramms nach dem Stand der Technik (1) und des beispielhaften
Antennendiagramms gemäß der vorliegenden
Erfindung (bei spielsweise gemäß 4) klar das verbesserte
Antennendiagramm gemäß der vorliegenden
Erfindung erkennen.
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Jedes
Element, und zwar 202, 204, 206, 208, 210, 212 und 214 bei
der dargestellten Ausführungsform,
ist im wesentlichen isotrop. Idealerweise ist die Verwendung von
Elementen zu wünschen,
die so nahezu isotropisch wie möglich
sind, praktisch jedoch ist ein echt isotropisches Strahlungsdiagramm
im allgemeinen selten. Bei einer Ausführungsform ist die Antennenpolarisierung
eine rechte, kreisförmige
Polarisierung (RHCP). Bei dieser Ausführungsform strahlen die einzelnen
Elemente elektromagnetische RHCP-Signale ab und empfangen sie.
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Eine
Antennenanordnung gemäß einer
Ausführungsform
mit einzelnen Elementen, die fast isotropisch und nahe am Zenit
der oberen Hemisphäre
abstrahlen, ist nicht auf linear polarisierte Elemente beschränkt und
liefert eine verbesserte Antennendiagrammkonstruktion gegenüber der
oberen Hemisphäre.
Der Empfang (die Strahlung im allgemeinen) nahe an oder unterhalb
des Horizonts wird durch den Aufreihungsfaktor vermindert, der die
Empfangsfähigkeit
(durch Löschung
des Feldvektors) nahe am Horizont und in der unteren Hemisphäre vermindert.
Die große
Aufreihungskonfiguration bietet eine verbesserte Signalunterdrückung nahe
am und unterhalb des Horizonts auf Grund der besseren Diagrammformungscharakteristiken
gegenüber Antennen
mit kleinerer Antennenöffnung.
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Die
vorliegende Erfindung wurde oben an Hand von beispielhaften Ausführungen
beschrieben.
