DE60113671T2

DE60113671T2 - Sende-Empfangssatellitenantenne mit hoher Leistung und niedrigem Kostenaufwand

Info

Publication number: DE60113671T2
Application number: DE60113671T
Authority: DE
Inventors: Daniel Tits
Original assignee: Eutelsat SA
Current assignee: Eutelsat SA
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: CA2393949C; DK1278266T3; ATE305661T1; EP1278266B1; NO20023461L; KR100887043B1; US20030025641A1; DE60113671D1; EP1278266A1; MXPA02007128A; JP2003101331A; BR0202850A; CN1282311C; NO325941B1; NO20023461D0; TW578329B; ES2250322T3; JP4046565B2; RU2286625C2; CA2393949A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne, der ein Einspeisungshorn zugeordnet ist, das zur Verwendung in interaktiven Satellitenterminals optimiert ist.
Zur erfolgreichen Einführung von großen interaktiven Netzwerken, auf die von einigen Zehntausend einzelnen interaktiven Benutzerterminals zugegriffen wird, deren jedes aus einer Innenanlage und zugehöriger Außenanlage (d. h. Antenne und Sende/Empfangselektronik) gebildet ist, ist es wesentlich, dass am Markt kostengünstige, hoch leistungsfähige Sende/Empfangssatellitenantennen verfügbar sind. Es ist bekannt, dass die Antenne eine der kritischen Komponenten bei diesen Terminals bildet. Derzeit wurde immer für selbstverständlich gehalten, dass Hochleistungssendeantennen nicht zu vernünftigen Preisen hergestellt werden können.
Die europäische Patentanmeldung EP 1018781 offenbart ein Einspeisungshorn umfassend einen Wellenleiter mit einem Öffnungsteil mit kreisförmigem Querschnitt verbunden mit einem Hornteil mit einem elliptischen offenen Ende. Die britische Patentanmeldung GB 1525514 offenbart eine Offsetparabolreflektorantennenprimäreinspeisung umfassend durch Diskontinuität erzeugten höherrangigen Modus, die nur als stufenförmig beschrieben ist, die im Horn ausgebildet ist, was daher kreuzpolarisierte Komponenten ausschließt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein Hochleistungsantennensystem vorzuschlagen, um bestehende Regulations- und Betriebsspezifikationen zu erfüllen, das aber zu einem vernünftigen Preis produziert werden kann.
Um diese Aufgabe zu lösen, ist ein interaktives Satellitenantennensystem gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es eine elliptische Antenne und ein strukturiertes Einspeisungshorn umfasst mit einer äußeren elliptischen Apertur und einem inneren zylindrischen Leiterteil mit einer Stufe darin, und dass Hohlelemente am Stufenteil vorgesehen sind, um kreuzpolare Komponenten zu kompensieren. Außerdem müssen einige wesentliche mechanische Merkmale implementiert werden, damit die Optimierung wirksam ist.
Die Erfindung wird besser verständlich und ihre Ziele, Merkmale, Details und Vorteile werden besser ersichtlich aus der folgenden erläuternden Beschreibung mit Bezug zu den beigefügten schematischen Diagrammen, die nur als Beispiele angeführt sind, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellen und in denen:
1 bis 3 jeweils eine Seitenansicht, eine Frontansicht und eine Hinteransicht einer elliptischen kompensierten Einspeisungsantennenanordnung gemäß der Erfindung darstellen;
4 schematisch ein elliptisches Einspeisungshorn gemäß der Erfindung darstellt, wobei drei verschiedene Ansichten mit a, b und c bezeichnet sind;
5 und 6 schematische Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines Einspeisungshorns sind, das gemäß der Erfindung vorgeschlagen ist, mit den durch die Erfindung vorgeschlagenen Hohlelementen;
7 eine Karte mit Schwenkwinkelkonturen zeigt, die zum Einstellen der Antennenpolarisationsebene verwendet werden.
Eine schematische Zeichnung einer von der Erfindung vorgeschlagenen interaktiven Multisatellitenterminalantenne ist in den 1, 2 und 3 angegeben. Das Terminal umfasst im Wesentlichen einen elliptischen von vorn gespeisten Hauptreflektor 1, eine kompensiertes Einspeisungshorn 2, das von einem Zufuhrarm 3 getragen ist, der auf einem unteren Umfangsteil des Reflektors 1 befestigt ist, eine Drehscheibe 4, auf der der Hauptreflektor 1 angebracht ist und als wahlweise Möglichkeit eine zweite Einspeisung 5, die auf dem Zufuhrarm 3 benachbart zur kompensierten Einspeisung 2 angebracht ist, für den Empfang eines weiteren benachbarten Satelliten. Der elliptische Reflektor 1 kann ein handelsüblicher Reflektor sein.
Durch Wahl einer elliptischen Konfiguration wird eine hohe Isolation zwischen Satelliten erreicht und Multisatellitenfunktion wird erleichtert. Jedoch weist die von vorn gespeiste Reflektorgeometrie aufgrund ihrer kurzen Brennweite den Nachteil auf, dass das kreuzpolare Diagramm ziemlich hohe Ausschläge zeigt, die gut über 20 dB sein können und nahe der Antennenhauptausrichtung liegen, und dies bedeutet, dass selbst bei ziemlich akkurater Ausrichtung keine gute kreuzpolare Diskriminierungsleistung erreicht werden kann.
Dieses Problem wird durch das kompensierte Einspeisungssystem 2 überwunden, das der durch den Hauptreflektor bedingten Depolarisation elektrisch entgegen wirkt, d. h. durch Erzeugen eines spezifischen Mikrowellenmodus, der die selbe Amplitude, aber entgegengesetzte Phase wie die Depolarisationskomponente aufweist, die durch den Hauptreflektor induziert ist.
Die 4 bis 6 stellen die Ausführungsform einer Einspeisungshornkonfiguration dar, die entworfen ist, um die oben angegebene Depolarisationskomponente zu kompensieren. Diese kompensierte Einspeisungskonfiguration wurde entwickelt, so dass sie bei elliptischen Antennen anwendbar ist, um kreuzpolare Transmissionsdiskriminierung zu verbessern, in Massenfertigung herstellbar ist und keine Abstimmung benötigt. Wie in 4 gezeigt ist, weist das verwendete Einspeisungshorn allgemein die Struktur eines strukturierten Einspeisungshorns mit einer elliptischen Apertur Ap mit einem großen Durchmesser Dw und einem engen Aperturdurchmesser Dn auf, die jeweils in den 4b, 4c gezeigt sind, und einen inneren zylindrischen Wellenleiterteil 7 mit einem Leiterdurchmesser Dg gefolgt von einem Stufenabschnitt 8 mit einem Durchmesser Ds.
In diesem Einschnürungsteil des Einspeisungshorns unterscheiden sich die Einspeisungskonstruktion besonders von einer herkömmlichen strukturierten Einspeisung.
Es wurde gefunden, dass die zuvor genannte Kompensation durch Anregen eines TE₂₁-Modus im zylindrischen Wellenleiterteil erhalten werden kann, der durch eine Asymmetrie darin erzeugt ist. In der Tat ist der TE₂₁-Modus ein asymmetrischer Modus und erfordert deshalb eine Asymmetrie in der Einspeisungsstruktur. Das beste Verfahren zum Einführen der erforderlichen Asymmetrie ist die Verwendung von Längsschlitzen 10 im Leiter, wie es in den 5 und 6 gezeigt ist. Diese Schlitze sind in der Diskontinuität des Wellenleiters ausgebildet, wenn der Durchmesser vom Innenteil 7 zum Stufenbereich 8 zunimmt. Solche Schlitze sind parallel zur Wellenleiterachse im inneren Teil 7 ausgebildet und erstrecken sich von der Stufe 11, die etwas verjüngt ist. Durch Veränderung der Abmessungen der Schlitze kann die Amplitude des Modus beeinflusst werden.
Die 5 und 6 zeigen eine strukturierte Einspeisungshornkonfiguration mit drei Schlitzen 10. Ein Schlitz ist in der y-Achse gelegen, so dass er das erforderliche kreuzpolare Feld für die horizontale Polarisation erzeugt. Die anderen beiden Schlitze sind in Winkeln von von +/– 45° zu diesem Schlitz angebracht.
Die Schlitzdimensionen sind kritisch zum Bestimmen des Ausmaßes des erzeugten Modus. Die Länge S des Schlitzes und die Breite W des Schlitzes spielen eine bedeutende Rolle beim Ausmaß des er zeugten Modus zusammen mit der Stufe im Wellenleiter. Je länger die Schlitzlänge S, desto höher das Ausmaß des erzeugten TE₂₁-Modus. Die Tiefe D des Schlitzes ist im Grund die halbe Differenz zwischen dem Leiterdurchmesser Dg und dem Stufendurchmesser Ds. Die Tiefe muss etwas kleiner sein als dieser, um zu gewährleisten, dass die Außenkante des Schlitzes immer im Stufendurchmesser liegt. Dies ist nötig, um zu gewährleisten, dass die Stufe druckgegossen werden kann. Die Neigung T im Stufenabschnitt ist nicht erforderlich, damit das Horn funktioniert, aber er ist vorgesehen, um zu gewährleisten, dass das Horn leichter druckgegossen werden kann. Wenn ein senkrechter Abschnitt verwendet wird, kann an diesem Punkt das Werkzeug anhaften und schwierig zu entfernen sein.
Es wurde gefunden, dass die beiden Schlitze in 45° signifikante Größen des höherrangigen TE₂₁-Modus erzeugen. Die Höhe des mit den beiden Schlitzen für vertikale Polarisation erzeugten Modus ist sehr ähnlich zu dem durch einen einzigen Schlitz für die horizontale Polarisation erzeugten. Es wurde gefunden, dass die kreuzpolare Aufhebung bei beiden Polarisationen mit der selben Einspeisungsanordnung erreicht wurde. Als Beispiel war die Länge des mittleren Schlitzes 7,5 mm, wobei die äußeren Schlitze 6,5 mm Länge betrugen. Der mittlere Schlitz war 3 mm breit und die äußeren Schlitze 2 mm breit. Die Stufenlänge Ls betrug 19 mm. Die Länge des Eingangsleiters Lg betrug 10 mm und die Durchmesser Ds und Dg betrugen jeweils 24 mm und 18 mm. Die Hauptachse der Apertur Ellipse. Die Schlitze waren auf der Nebenachse des Horns orientiert.
Es ist anzumerken, dass der Mittelschlitz der drei Schlitze 10 der Schlitz ist, der die Moduserzeugung der horizontalen Polarisation entlang der Hauptachse des Horns beeinflusst. Die beiden Schlitze in einem Winkel von +/– 45° zur Nebenachse des Horns erzeugen einen höheren Modus für die vertikale Polarisation. Die Stufenlänge wird einge stellt, um die Phase der kreuzpolaren Ausschläge in Phase oder gegenphasig zum kreuzpolaren Muster zu bringen.
Es ist anzumerken, dass, da die Kompensation keine Verlustelemente aufweist, die absolute Sende- und Empfangsverstärkung nicht beeinflusst werden. Ferner ist zu erwähnen, dass der Kompensationseffekt frequenzabhängig ist, aber nachgewiesen wurde, dass er über mindestens 5 % Frequenzband funktioniert. Auf diese Weise können bei 14 GHz einige 500 MHz abgedeckt werden, bei 30 GHz einige 1000 MHz. Damit wird die kreuzpolare Sendeisolation der Antenne wesentlich verbessert und kreuzpolare Ausschläge sind stark reduziert auf 30 dB oder weniger.
Im Folgenden werden einige weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung mit Bezug zu den 1 bis 3 beschrieben.
Da die kompensierte Einspeisung so angepasst ist, dass sie der Depolarisation entgegenwirkt, die durch den Hauptreflektor 1 bedingt ist, ist es verboten, Einspeisungsrotation anzuwenden, um die Polarisationsebene der Antenne einzustellen. Die Erfindung schlägt für diesen Zweck vor, das gesamte Antennensystem zu drehen. Diese Rotation kann kostengünstig mittels einer Drehscheibe 4 erreicht werden, die mit geschlitzten Durchbrüchen 12 versehen ist, die sich in Umfangsrichtung und einer bei 13 gezeigten Gradskala erstrecken. Das Einstellen des Schwenkwinkels hängt von der Lage des Terminals ab und kann dem Installateur zum Beispiel durch eine einfache Karte bereitgestellt werden, die die Schenkwinkelkonturen zeigt. 7 zeigt ein Beispiel.
Es ist anzumerken, dass es im Prinzip möglich ist, diese Drehverschiebung entweder um die elektrische oder mechanische Achse der Antenne auszuführen. Eine Differenz im erforderlichen Schwenkwinkel kann beim Erzeugen überschiedlicher Schwenkkonturpläne berücksichtigt werden. In beiden Fällen kann korrekte Ausrichtung erreicht werden.
Ausrichtung auf die oben beschriebene Weise bedeutet effektiv, dass die Hauptachse des elliptischen Reflektors 1 parallel zum geostationären Orbit ausgerichtet wird, wie es von einer Erdstation aus zu sehen ist, was zwei weitere große Vorteile aufweist.
Erstens ermöglicht es den Empfang eines anderen benachbarten Satelliten einfach durch Anbringen einer zweiten Einspeisung, wie der Einspeisung 5 seitlich zur kompensierten Haupteinspeisung 2, ohne zusätzliche vertikale Verschiebung, aufgrund der Tatsache, dass die Antenne mit dem Orbit ausgerichtet ist. Dies erleichtert Multisatellitenfunktion.
Zweitens ist anzumerken, dass gemäß industrieller Vorschriften, Relaxation der maximal zulässigen äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (EIRP, equivalent isotropic radiated power) für elliptische Antennen erreicht werden kann, unter der Bedingung, dass die Hauptantennenachse mit dem geostationären Orbit ausgerichtet ist. In diesem Fall wird nur das vorteilhaftere Azimuthstrahlungsmuster zur Bestimmung dieser EIRP berücksichtigt, was zu höheren zulässigen Leistungswerten führt. Offensichtlich erfüllt die vorgeschlagene Konfiguration diese Anforderung, was auf diese Weise objektiv hohe maximal zulässige EIRP-Zuordnung erreicht.
Zusammengefasst ermöglicht die Erfindung die Verwendung handelsüblicher Antennen mit elliptischen Referenzreflektoren aufgrund kompensierter Einspeisungshörner, die unter Verwendung standardmäßiger und für die Massenproduktion geeigneter Techniken produziert werden können, ohne dass eine Abstimmung nötig ist.

Claims

Satellitenantennensystem, umfassend einen elliptischen Parabolreflektor (1) und ein Einspeisungshorn (2) mit einer äußeren elliptischen Apertur, die diesem elliptischen Parabolreflektor (1) gegenüber liegt, um ein reflektiertes elektromagnetisches Feld zu empfangen, wobei dieses Einspeisungshorn (2) einen inneren zylindrischen Hohlleiter aufweist, wobei dieser Hohlleiter einen inneren Abschnitt (7) aufweist, gefolgt von einer Stufe (11) und von einem Stufenabschnitt (8) mit einem größeren Durchmesser, als dem des inneren Abschnitts (7), dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Längsschlitz (10) in den inneren zylindrischen Hohlleiterabschnitt (7) erstreckt und sich in die Stufe (11) öffnet und der Stufenabschnitt (8) gebildet wird, um einen höherrangigen Modus, als den Grundmodus des in dem Einspeisungshorn empfangenen, reflektierten elektromagnetischen Felds zu erregen.
Satellitenantennensystem nach Anspruch 1, wobei jeder Schlitz (10) eine Längslänge aufweist, die so ausgewählt ist, um den höherrangigen Modus mit einer Amplitude zu erregen, die so eingestellt ist, um die kreuzpolaren Komponenten aufzuheben.
Satellitenantennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein Schlitz (10) in Richtung der Neben- oder Hauptachse der elliptischen Apertur öffnet.
Satellitenantennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kompensierte Einspeisungshorn (2) in seinem inneren zylindrischen Hohlleiterabschnitt (7) drei Schlitze (10) umfasst, wobei einer davon an der Haupt- oder Nebenachse der elliptischen Apertur des Einspeisungshorns angeordnet ist und die anderen beiden Schlitze in Winkeln von +/– 45° zu diesem Mittelschlitz befestigt sind.
Satellitenantennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des gesamten Antennensystems durch eine Drehscheibe (4) bewerkstelligt wird, auf welcher das Antennensystem winkelförmig verstellbar angeordnet ist, was zu einer engen Ausrichtung der Scheitelebene mit kreisförmigem Bogen führt.
Satellitenantennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine zweite Einspeisung (5) umfassen kann, die zum Empfang eines weiteren benachbarten Satelliten seitlich der kompensierten Einspeisung (2) angebracht ist.