DE69205423T2

DE69205423T2 - Antennensystem für funkwellen.

Info

Publication number: DE69205423T2
Application number: DE69205423T
Authority: DE
Inventors: Patrice F-67100 Strasbourg Fremanteau; Masahiro F-67000 Strasbourg Fujimoto; David F-67000 Strasbourg Harrison; Christopher F-67000 Strasbourg Howson
Original assignee: Thomson Multimedia SA
Current assignee: Vantiva SA
Priority date: 1991-05-13
Filing date: 1992-05-09
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2012-05-10
Also published as: US5625368A; KR100272790B1; JPH06507284A; DE69205423D1; WO1992021159A1; EP0584153B1; CA2102907C; EP0584153A1; ES2080501T3; CA2102907A1; JP3380240B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem mit Funkwellenkonzentrationsmitteln wie einem Reflektor, einer Linse oder dergl. und mit einer Antenne mit primärer Ein- Speisung, die in einem Brennpunkt angeordnet ist, wo ankommende Funkwellenstrahlen konzentriert werden.
Es ist allgemein bekannt, Antennensysteme zu verwenden, die einen parabolischen Reflektor enthalten, und bei denen ein Einspeise-Horn im Brennpunkt des parabolischen Reflektors vorgesehen ist, um Funkwellensignale zu empfangen.
Aus US 4,742,359 ist es bekannt, daß das Einspeise-Horn durch eine Wendelantenne mit zwei Enden ersetzt werden kann, wobei das erste Ende mit einer Einspeiseleitung verbunden ist. Bei der nachfolgenden Erläuterung ist zu verstehen, daß die Speiseleitung mit der Achse der Wendelantenne fluchtet. Eine solche Wendelantenne kann als eine sogenannte Wendel-Längsstrahlantenne aufgebaut sein, wobei unter maximal empfangenen Leistungsbedingungen die Richtung des Signalleistungsflusses an dem ersten Ende in derselben Richtung verläuft wie die empfangene Strahlung. Eine solche Wendelantenne kann auch als sogenannte Wendel- Ruckstrahlantenne aufgebaut sein, wobei im Zustand von maximal empfangener Leistung die Richtung des Signalleistungsflusses am ersten Ende entgegengesetzt zu der empfangenen Strahlung ist.
In dem genannten US-Patent wird ein Antennensystem aufgezeigt, das einen Reflektor und eine primäre Wendelantenne mit einer zwei Enden aufweisenden Spule enthält, wobei die Spule im Brennpunkt des Reflektors angeordnet ist, so daß die Achse der Wendelantenne im wesentlichen mit der Achse des Reflektors zusammenfällt. Eine Einspeiseleitung koppelt das Antennensystem mit einer externen Schaltung, so daß die primäre Wendelantenne eine rückstrahlende Wendelantenne darstellt, die mit der Einspeiseleitung an dem dem Reflektor zugekehrten Ende gekoppelt ist, während das andere Ende der Wendelantenne freisteht, wobei die Einspeiseleitung ein koaxiales Kabel ist.
Ein übliches halbsteifes koaxiales Kabel hat eine Einfügungsdämpfung von 1,5 dB/m bei einer Frequenz von 12 GHZ, die für den laufenden direkten Empfang von Satelliten-Fernsehsignalen verwendet wird. Bei bekannten Systemen ist für einen Reflektor mit einem Durchmesser von 40 cm eine Länge von etwa 0,1 m erforderlich, was zu einem Gesamt-Kabelverlust von etwa 0,15 dB führt. Dieser Wert addiert sich unmittelbar zu der Rauschzahl des Antennensystems (üblicherweise weniger als 1,4 dB) und ist beträchtlich höher bei höheren Frequenzen, z.B. in dem 22 GHZ- Band, das für zukünftige Satelliten-Fernsehsysteme vorgeschlagen wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Antennensystem vorzusehen, um elektromagnetische, vorzugsweisemikrowellensignale, zu empfangen, wobei die Verwendung einer Einspeiseleitung für Mikrowellen zwischen einer Antenne mit primärer Einspeisung und externen Schaltungen in großem Maße verringert oder sogar vermieden werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Antennensystem gemäß den Ansprüchen 1 und 3 gelöst.
Durch Anordnung der elektronischen Mittel innerhalb des rohrförmigen Aufbaus kann die Verwendung von teuren Einspeiseleitungen, z.B. eines haibsteifen Koaxialkabels in einem großen Ausmaß verringert oder sogar vermieden werden. Zusätzlich können entsprechende Verbindungen oder Anschlüsse vermieden werden. Das erfindungsgemäße Antennensystem hat gegenüber dem Stand der Technik weniger mechanische Teile, ein geringeres Gewicht und geringere Kosten.
Außerdem kann die Einfügungsdämpfung eines solchen Kabels vermindert bzw. beseitigt werden, wodurch die Rauschzahl verbessert und die Wirksamkeit des Antennensystems erhöht werden kann.
Wenn der rohrförmige Aufbau mit einem Einstellmechanismus versehen wird, kann die Einspeiseposition geändert. werden, um zu Konzentrationsmitteln init unterschiedlichen Brennpunkten zu passen, z.B. durch Verwendung von Reflektoren mit unterschiedlichen Durchmessern.
Die Verwendung von wendelförmigen Spulen hat den Vorteil, daß sie sehr leicht geändert werden können, wodurch der Empfang von Signalen mit rechtsdrehender oder linksdrehender Kreispolarisastion möglich ist.
Die Verwendung von Rückstrahlwendelantennen hat den Vorteil, daß ein solches Antennensystem sehr kompakt ist.
Wenn Teile der elektronischen Mittel integriert werden und als Teil einer integrierten Schaltung realisiert werden, z.B. einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung, oder als Teil einer hybriden Schaltung, können Raum und weitere Kosten eingespart werden.
Da insbesondere in bekannten Systemen, die einen Mikrowellenreflektor verwenden, die benötigte Quantität der Einspeiseleitung hoch ist, kann die Erfindung vorzugsweise solche Systeme ersetzen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems unter Verwendung eines parabolischen Reflektors,
Fig. 2 Einzelheiten der verwendeten Lageranordnung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform unter Verwendung einer kugelförmigen Linse vom Luneburg-Typ und einer wendelförmigen primären Längsstrahleinspeisung,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform unter Verwendung einer halbkugelförmigen Linse vom Luneburg-Typ und einer wendelförmigen primären Rückstrahleinspeisung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines parabolischen Reflektors 10, an dem ein rohrförmiger Aufbau 11 angebracht ist, der in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt den rohrförmigen Aufbau 11, der elektronische Mittel 13 umschließt, z.B. einen rauscharmen Konverter, mit elektronischen Komponenten auf einer unteren gedruckten Leiterplatte 13a und einer oberen gedruckten Leiterplatte 13b, die vorzugsweise Rücken an Rücken angeordnet sind. Eine primäre Einspeisung 14, die bei diesem Ausführungsbeispiel als Rückstrahlwendelantenne ausgeführt ist, wird von einer Kunststoff-Antennenkuppel 17 umschlossen und ist über eine Leitung 15 mit den elektronischen Mitteln 13 verbunden.
Der rohrförmige Aufbau besteht aus einer rohrförmigen metallischen Halterung 16, die die elektronischen Mittel 13 umschließt, und die auch eine Metallplatte 16a enthält. Diese Platte 16a ist zwischen den gedruckten Leiterplatten 13a und 13b angeordnet, die mit mehreren Schrauben 12a und Muttern 12b befestigt sind.
Kritische elektronische Komponenten, die z.B. leicht durch äußere Strahlung beeinflußt werden können oder die Strahlung aussenden, sind durch ein Gehäuse 18 geschützt, das mit der oberen gedruckten Leiterplatte 13b verlötet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die kritischen elektronischen Komponenten Teil eines Oszillators, und dessen Frequenz kann durch eine Einstellanordnung 19 verändert werden, die im oberen Teil des Gehäuses 18 vorgesehen ist.
Das Eingangssignal von der primären Einspeisung 14 wird verstärkt, gefiltert und/oder durch die elektronischen Mittel 13 umgewandelt, und ein entsprechendes Ausgangssignal wird über einen Ausgangsanschluß 20 weiteren nicht dargestellten Vorrichtungen zugeführt.
Um die Position der primären Einspeisung 14 in Abhängigkeit von den verwendeten Konzentrationsmitteln einzustellen, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Reflektor 10 und ein einstellbares Lager 21 vorgesehen. Dies kann als einfache Schraubgewindeeinstellung realisiert werden oder als irgendeine andere bekannte Einstellungsvorrichtung.
Vorzugsweise ist die primäre Einspeisung 14 an einem Träger 30 befestigt, der an der rohrförmigen Halterung 16 angebracht ist und Mittel für einen elektrischen Kontakt zwischen der primären Einspeisung 14 und den elektronischen Mitteln 13 enthält.
Der Träger 30 kann sehr leicht ausgewechselt werden, so daß verschiedene Arten von primären Einspeisungen installiert werden können.
Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen unter Verwendung von Linsen des Luneburg-Typs. Mittel mit derselben Funktion wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, das anhand von Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, haben gleiche Bezugsziffern erhalten und werden nur insoweit beschrieben, wie es notwendig zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 3 zeigt im Prinzip ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine sphärische Luneburg-Linse 22 bricht einen ankommenden Strahl 23 an einem Brennpunkt 24.
Der rohrförmige Aufbau 11 ist außerhalb der Luneburg-Linse so angeordnet, daß die primäre Einspeisung 14, die als Längsstrahlwendelantenne ausgebildet ist, sich nahe dem Brennpunkt 24 befindet. Der rohrförmige Aufbau 11 ist an Lagermitteln 25 befestigt, die nur angedeutet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nahezu jede Art von Einspeisung möglich: Einspeise-Hörner, Mehrstab-Einspeisungen, Patch-Antenneneinspeisungen, Vivaldi-Antenneneinspeisungen usw.
Fig. 4 zeigt im Prinzip eine dritte Ausführungsform unter Verwendung einer halbkreisförmigen Luneburg-Linse 26, die an einer Metallplatte 27 angebracht ist. Diese Platte 27 reflektiert den ankommenden Strahl 23, und die halbkreisförmige Luneburg- Linse 26 bricht ihn am Brennpunkt 24.
Der rohrförmige Aufbau 11 ist innerhalb der halbkreisförmigen Luneburg-Linse so angebracht, daß die primäre Einspeisung 14, die als Rückstrahlwendelantenne ausgeführt ist, sich nahe dem Brennpunkt 24 befindet.
Der rohrförmige Aufbau 11 ist an der Metallplatte 27 befestigt. Sowohl bei dem zweiten Ausführungsbeispiel als auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel kann der Brechungsindex der verwendeten Linse 22, 26 verändert werden, so daß der entsprechende Brennpunkt 24 sich innerhalb oder außerhalb der Linsenoberfläche befindet. Dadurch kann die Stärke des empfangenen Signals verbessert werden.
Andererseits kann die Position der primären Einspeisung 14 verändert werden, wodurch die Signalstärke verbessert werden kann.
Es sei erwähnt, daß bei den anhand von Fig. 1 und Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen die Änderung des Einspeisetyps durch die Notwendigkeit begrenzt ist, daß die Einspeisung sich am Ende der Lagerung befinden muß, aber die Strahlung durch die Konzentrationsmittel 10 bzw. 22 fokussiert empfangen wird. Andere Beispiele für eine geeignete Einspeisung sind eine primäre Dipolantenne, eine Ring-Fokus-Einspeisung und eine "Kurzrückstrahl"-Antenne.
Aus Gründen der Klarheit ist die einstellbare Lagerung 21 in Fig. 3 und 4 nicht dargestellt. Es sei erwähnt, daß ein solches Mittel vorgesehen werden kann, um die Position der Einspeisung 14 in bezug auf die Position des Brennpunkts 24 einzustellen.
Bei den Ausführungsformen der Antennensysteme gemäß Fig. 3 und 4, die zum Empfang von mehreren Mikrowellenstrahlen verwendet werden können, können mehrere primäre Einspeisungen vorgesehen werden. Diese Einspeisungen sin an oder nahe den Brennpunkten der zu empfangenden Strahlen angeordnet, und eine oder mehrere der primären Einspeisungen werden von einer gemeinsamen hohlen Konstruktion getragen und/oder durch getrennte Konstruktionen, die entsprechende elektronische Mittel umschließen.
Bei einer Version der Ausführungsformen können die Mittel zur Konzentration ein Gitter enthalten oder aus einem solchen aufgebaut sein, das ankommende Funkwellen beugt. Als Antenne mit primärer Einspeisung kann jede der erwähnten Antennen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Funkwellen-, insbesondere ein Mikrowellen-Antennensystem dar, das Mittel für die Konzentration der Mittel enthält wie z.B. einen parabolischen Reflektor oder eine Linse vom Luneburg-Typ.
Eine primäre Einspeisung, die die konzentrierten Mikrowellen empfängt, wird von einem rohrförmigen Aufbau getragen. Dieser rohrförmige Aufbau umschließt elektronische Mittel, z.B. einen rauscharmen Konverter (LNC).
Bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und Fig. 4 muß die wendelförmige primäre Einspeisung in einem Rückstrahlbetrieb arbeiten. In diesen Fällen ist die Erfindung sehr vorteilhaft, da die Eliminierung oder Verminderung der Einspeiseleitung in einem großen Ausmaß zu einer verbesserten Wirkungsweise und niedrigeren Kosten führt. Die kompakten elektronischen Mittel in der Lagerung erlauben weniger mechanische Teile, ein geringeres Gewicht und verminderte Kosten gegenüber dem Stand der Technik.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist kompakter, mechanisch einfacher und leichter als übliche Anordnungen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann die Länge der benötigten Einspeiseleitung vermindert werden, oder eine solche Leitung kann sogar vermieden werden. Dadurch kann Zeit und Geld für die Montage gespart werden, und die Wirkungsweise wird verbessert. Auch die mechanischen Teile sind billiger, einfacher und leichter; und der für die Installation benötigte Raum wird vermindert, da keine Umwandlungsmittel hinter dem Reflektor benötigt werden.
Weitere Versionen der Ausführungsbeispiele können wenigstens eine der folgenden Varianten enthalten:
Die primäre Einspeisung 14 ist mit den elektronischen Mitteln durch eine einfache koaxiale Konstruktion unter Verwendung eines dielektrischen Lagers verbunden, das in seinen Standort gedrückt wird und einen federnden Mittelleiter trägt, um den Mittelleiter der Einspeisung aufzunehmen. Auf diese Weise können die Einspeisungen leicht ausgewechselt werden, um zu unterschiedlichen Saltelliten zu passen, und ein Prüfanschluß kann erforderlichenfalls angeschlossen werden. Typische Einspeisearten sind die wendelförmige Einspeisung und Mikrostreifeneinspeisungen;
die elektronischen Mittel können realisiert werden beispielsweise mit einem Verstärker mit geringem Rauschen (LNA), einem Bandpaßfilter (BPF), und eine integrierte monolithische Mikrowellenschaltung (MMIC) kann auf einer Leiterplatte angebracht werden, und Stromversorgungskomponenten werden auf einer anderen Leiterplatte angebracht. Durch Verwendung einer MMIC kann die Anzahl (ca. 50) von diskreten Komponenten vermindert und dadurch die Größe der elektronischen Mittel vermindert werden;
der LNA kann zwei Transistoren mit hoher Elektronen-Mobilität (HEMT) verwenden, um eine sehr niedrige Rauschzahl zu erreichen;
das BPF kann als parallelgeschaltetes Mikrostreifen-Leiterfilter realisiert werden und um einige Grad, z.B. 30º, gedreht werden, um die Länge zu minimieren;
die verwendeten Komponenten können vom oberflächenmontierten Typ (leiterlos) sein, um die Größe zu minimieren.
Zusätzlich sei erwähnt, daß die Verwendung der Erfindung zusammen mit einer Linse, z.B. einer Linse vom homogenen Typ, einer Linse vom Luneburg-Typ usw. zum Empfang von Signalen von unterschiedlichen Quellen, wie z.B. Satelliten, den Vorteil hat, daß die Quellen dicht nebeneinander sein können. Wenn eine Linse mit versetztem Brennpunkt mit einem Abstand des zweifachen Radius der Linse verwendet wird (dies wird als optimal betrachtet, wenn Größe/Gewicht der Linse, Richtfaktor/Größe der Einspeisung und Abmessungen des LNC betrachtet werden) können Signale von Satelliten mit einem engen Abstand von nur 3º empfangen werden. Bei Verwendung für Antennen vom Linsentyp ist die Erfindung von optimaler Form zur Anbringung radial zur Linse. Für Mehrfach- Quellen-Anwendungen (Z.B. Mehrfach-Satelliten in geostationärem Umlauf) ermöglicht die kompakte radial gelagerte Eigenschaft die Anordnung von Mehrfach-Versionen der Erfindung in eng benachbarten Brennpunkten.

Claims

1.) Antennensystem zum Empfang von Funkwellen, mit Funkwellen-Konzentrationsmitteln (26), die durch Reflexion, Brechung und/oder Beugung Funkwellenstrahlen in wenigstens einem Brennpunkt konzentrieren, wobei das Antennensystem aufweist:

eine wendelförmige primäre Einspeisung (14), die am Brennpunkt angeordnet ist, wobei die wendelförmige primäre Einspeisung (14) eine Rückstrahlwendelantenne ist und

elektrische Mittel (13), die Signale, die den empfangenen Funkwellen entsprechen, umwandeln, filtern und/oder verstärken, und die in einem hohlen Gehäuse (11) untergebracht sind, das die primäre Einspeisung (14) trägt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsmittel eine halbkugelförmige Mikrowellenlinse vorsehen, insbesondere eine Linse (26) vom Luneburg-Typ, und daß das hohle Gehäuse (11) der elektronischen Mittel (13) im wesentlichen zwischen der reflektierenden Seite der Mikrowellenlinse (26) und dem Brennpunkt vorgesehen ist.

2.) Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (30) innerhalb des hohlen Gehäuses (11) vorgesehen ist, daß die primäre Einspeisung (14) an dem Träger (30) befestigt ist, daß der Träger (30) Mittel für einen elektrischen Kontakt zwischen der primären Einspeisung (14) und den elektronischen Mitteln (13) enthält, um die Austauschbarkeit für mehrere Arten von primären Einspeisungen (14) zu ermöglichen.

3.) Antennensystem zum Empfang von Funkwellen, mit einem parabolischen Reflektor (10) als Funkwellenkonzentrationsmittel, der durch Reflexion Funkwellenstrahlen in wenigstens einem Brennpunkt konzentriert, wobei das Antennensystem aufweist:

eine wendelförmige primäre Zuführung (14), die an dem Brennpunkt angeordnet ist, wobei die wendelförmige primäre Zuführung (14) eine Rückstrahlwendelantenne ist und

elektronische Mittel (13), die Signale, die den empfangenen Funkwellen entsprechen, umwandeln, filtern und/oder verstärken, und die in einem hohlen Gehäuse (11) untergebracht sind,

wobei das hohle Gehäuse (11) rohrförmig ausgebildet ist und mit seinem ersten Ende nahe bei dem parabolischen Reflektor (10) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) an seinem zweiten Ende mit einem Träger (30) versehen ist, der an der primären Einspeisung befestigt ist, diese trägt und sich bis zu dieser erstreckt, daß der Träger (30) auswechselbar an dem rohrförmigen Gehäuse (11) angebracht ist und Mittel für einen elektrischen Kontakt zwischen der primären Einspeisung (14) und den elektronischen Mitteln (13) enthält, um die Auswechselbarkeit des Trägers (30) zu ermöglichen, damit verschiedene Arten von primären Einspeisungen (14) installiert werden können.

4.) Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (11) in einem Loch des reflektierenden Teils der Konzentrationsmittel (10, 26; 27) gelagert ist.

5.) Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß Teile der elektronischen Mittel (13) integriert und als Teil einer hybriden oder integrierten Schaltung realisiert sind, z.B. einer integrierten monolithischen Mikrowellenschaltung (MMIC).

6. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einstellmechanismus (21) vorgesehen ist, um eine Änderung der Position der Primäreinspeisung zu ermöglichen, damit die Konzentrationsmittel (10, 26) in Abhängigkeit von ihren Eigenschaften passen.