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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare phasengesteuerte
Gruppenantenne mit mehreren Strahlen, die Folgendes aufweist:
eine
Vielzahl von strahlenden Elementen, die in einer planaren Gruppe
angeordnet sind,
eine Vielzahl von variablen Phasenschiebern,
wobei jede aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber mit jeweils
einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden ist, und
ein
Strahlformungsnetzwerk zum Ausbilden von Punktstrahlsignalen, wobei
das Strahlformungsnetzwerk horizontale und vertikale Stapel von
Rotman-Linsen besitzt, die mit einem ersten Satz von Anschlüssen und
einem zweiten Satz von Anschlüssen
versehen sind, wobei jeder Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen mit
jeweils einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden
ist, wobei jeweils einer aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber
dazwischen angeordnet ist, wobei die Stapel von Rotman-Linsen frequenzinvariante Punktstrahlsignale
erzeugen, die zwischen den strahlenden Elementen und den Stapeln
der Rotman-Linsen über
den ersten Satz von Anschlüssen übertragen
werden, um Punktstrahlen mit der Vielzahl der strahlenden Elemente
auszusenden oder zu empfangen,
und wobei die Phasenschieber
einstellbar sind, um die Punktstrahlen an gewünschte Stellen zu steuern.
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Ganz
allgemein bezieht sich die Erfindung auf phasengesteuerte Gruppenantennen
und etwas genauer auf rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantennen
mit mehreren Strahlen, bei denen Rotman-Linsen als Strahlformer
eingesetzt werden.
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Das
Auf kommen von drahtlosen Kommunikationsformen weckte einen Bedarf
nach Antennen. Antennen werden sowohl bei Kommunikationsanwendungen
als auch bei Radarsystemen benötigt und
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung werden Antennen sowohl für Sendesignale
als auch für
Empfangssignale benötigt.
In den Anfangszeiten der drahtlosen Kommunikation lagen die Sende- und Empfangssignale
bei Frequenzen unterhalb von 1 MHz, was zu Wellenlängen der
Signale von mehr als 0,3 km führt.
Ein Problem mit solch relativ großen Wellenlängen besteht darin, dass die
Antenne nicht in der Lage ist, eine gerichtete Abstrahlung bzw.
einen gerichteten Empfang zu liefern, wenn die Größe der Antenne
nicht zumindest gleich der Wellenlänge ist. Bei moderneren Formen
der drahtlosen Kommunikation, wie zum Beispiel mit Kommunikationssatelliten,
wurde der Frequenzbereich der gesendeten Signale in das Mikrowellenspektrum
verlagert, wo die Wellen längen
der Signale im Bereich von 1,0 cm bis 30,0 cm liegen. Es ist daher
realisierbar, dass die Antennen deutlich größer sind als die Wellenlänge der Signale,
und man erreicht hochgradig gebündelte bzw.
gerichtete Strahlungskeulen.
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In
vielen Fällen
benötigen
Antennen eine hohe Richtwirkung, eine hohe Winkelauflösung sowie
die Fähigkeit,
elektronisch gesteuert bzw. rekonfiguriert zu werden. Diese Funktionen
erreicht man typischerweise, indem man eine phasengesteuerte Gruppenantenne
einsetzt. Eine phasengesteuerte Gruppenantenne beinhaltet eine Ansammlung
von strahlenden Elementen, die in einem vorbestimmten Muster eng
beieinander angeordnet sind und mit Energie gespeist werden, um
Strahlen in bestimmten Richtungen zu erzeugen. Wenn man Elemente
in einer Gruppe zusammenstellt, führt eine konstruktive Interferenz
der Strahlung zu einer Hauptkeule mit konzentrierter Strahlung,
während
eine destruktive Interferenz der Strahlung außerhalb der Hauptkeule die
Streustrahlung reduziert. Um gewünschte
Strahlungsmuster zu erzeugen, wird jedes einzelne strahlende Element
mit der richtigen Phase und Amplitude in Bezug zu den anderen Elementen
in der Gruppe mit Energie versorgt.
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Bei
Satellitenkommunikationssystemen werden die Signale typischerweise
zwischen Satelliten und festen Abdeckungsbereichen auf der Erde übertragen.
Durch die zunehmende Anwendung von Satelliten für viele verschiedene Kommunikationsanwendungen ändern sich
die Marktanforderungen beständig.
Dementsprechend muss ein Satellit in der Lage sein, sich an Veränderungen
hinsichtlich der Orte einer Dienstanforderung anzupassen. Daher müssen Antennen,
die für
bzw. an Satelliten vorgesehen sind, eine rekonfigurierbare Abdeckung
bieten.
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Eine
rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen
ist eine ideale Lösung
für die
sich ständig ändernden
Anforderungen in Bezug auf die Strahlabdeckung. Strahlabdeckung
kann in Form einer Anzahl von Punktstrahlen und Bereichsstrahlen
vorliegen, die über
bestimmten Regionen angeordnet sind. Punktstrahlen decken diskrete
und voneinander getrennte Gebiete ab, wie zum Beispiel Städte. Bereichsstrahlen
decken größere Gebiete
ab, wie etwa Länder.
Bereichsstrahlen erzeugt man, indem man eine Vielzahl von Punktstrahlen
kombiniert. Punktstrahlen erzeugt man, indem man die strahlenden
Elemente mit ausgewählten
Amplituden und Phasen anregt. Eine rekonfigurierbare phasengesteuerte
Gruppenantenne mit mehreren Strahlen sollte die Möglichkeit
bieten, die Lage der Strahlen, die Größe der Strahlen und die in
jedem Strahl abgestrahlte Leistung zu rekonfigurieren.
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Ein
Problem bei rekonfigurierbaren phasengesteuerten Gruppenantennen
mit mehreren Strahlen aus dem Stand der Technik besteht darin, dass diese
mit Strahlen einheitlicher Größe arbeiten
und eine große
Anzahl von Phasenschiebern verwenden, die zum Steuern der Strahlen
benötigt
werden. Die Anzahl der Phasenschieber ist typischerweise gleich der
Anzahl der Elemente multipliziert mit der Anzahl der Strahlen. Des
Weiteren besitzen die rekonfigurierbaren phasengesteuerten Gruppenantennen
mit mehreren Strahlen nach dem Stand der Technik aufgrund der Frequenztastung
der Strahlen eine begrenzte Bandbreite. Die begrenzte Bandbreite
hat zur Folge, dass der Antennengewinn und die Kanalstörungen (co-channel
interference C/I) schlechter werden.
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US 4,381,509 offenbart eine
dreidimensionale, raumgespeiste, breitbandige, tastende Mikrowellenantenne.
Die Antenne, die zylinderförmig
eingebunden ist, kann mehrere unabhängige und in hohem Maße fokussierte
Strahlen aus zeilenförmigen
Speiseelementen erzeugen, und zwar über einen breiten Abtastbereich
sowohl im Azimut als auch in der Elevation. Sie zielt darauf ab,
eine solche Abtastung zu ermöglichen,
ohne komplexe Zeitverzögerungseinheiten
an jedem einzelnen strahlenden Element zu verwenden und ohne Beschränkungen
hinsichtlich der Bandbreite in den phasengesteuerten Gruppen, die
aus den Unterschieden der Weglängen
während der
Abtastung resultieren. Für
einen breitbandigen Betrieb wird ein Strahl in der groben Richtung
des gewünschten
Abtastbereichs erzeugt und anschließend mit Hilfe von Phasenschiebern
an den strahlenden Elementen über
einen begrenzten Raumbereich bewegt.
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In
einer Veröffentlichung
von Smith M. S.: „Rotman
lens multiple beamformers" [Multiple
Strahlformer mit Rotman-Linsen],
(Conference Proceedings, Military Microwaves '86 [Tagungsband der Tagung Military
Microwaves '86],
24.–26.
Juni 1986, Seiten 279–283,
Brighton, GB) werden die jüngsten Arbeiten
und derzeitigen Arbeiten in Bezug auf Rotman-Linsen zusammengefasst.
Die Veröffentlichung beschreibt
einige neue Entwicklungen beim Aufbau von Linsen in Mikrostreifenleitertechnik
sowie eine Anzahl von neuen Anwendungen für Rotman-Linsen.
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Was
die Rotman-Linse angeht, wird auf die technische Literatur verwiesen,
und zwar insbesondere auf die Veröffentlichung „"Wide-Angle Microwave
Lens for Line Source Applications" [Weitwinklige Mikrowellenlinsen für Anwendungen
mit zeilenförmigen
Erregern] von W. Rotman und R. F. Turner, die in den IEEE Transactions
on Antennas and Propagation, Band AP-11, Seiten 623–632 (1963)
veröffentlicht
ist. Weitere Beschreibungen mit zusätzlichen Informationen über die
Rotman-Linse und ihre Anwendungen schließen die Veröffentlichung „Lens-Fed Multiple-Beam Arrays" [Linsengespeiste
Gruppen mit mehreren Strahlen] von Donald Archer ein, die in dem
Microwave Journal, Band 18, Oktober 1975, Seiten 37–42 veröffentlicht
ist, sowie eine Veröffentlichung
mit dem Titel „Microstrip
and Triplate Rotman Lenses" [Rotman-Linsen
in Mikrostreifenleitertechnik und Triplate-Technik] von A. Y. Niazi,
M. S. Smith und D. E. N. Davis, veröffentlicht von den Microwave
Exhibitions and Publishers, Sevenoaks, Kent, England in dem Tagungsband
Military Microwaves „80".
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rekonfigurierbare
phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen anzugeben, die
Strahlen mit wechselnder Größe erzeugt,
wie etwa Punkt- und Bereichsstrahlen, wie sie bei zukünftigen
Satellitensystemen benötigt
werden, die von einem einzigen Satelliten aus eine Anzahl von Dienstleistungen
mit unterschiedlichen Datenraten unterstützen. Des Weiteren sollte die
Gruppenantenne eine Anzahl an Phasenschiebern verwenden, wobei jeder
mit einem entsprechenden Gruppenelement verbunden ist, um Strahlen
auf unterschiedliche Orbitalpositionen zu steuern, wobei die Anzahl
der Phasenschieber auf die Anzahl der Elemente beschränkt ist.
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In
Ausführung
der oben genannten Aufgabe und weiterer Aufgaben schlägt die vorliegende
Erfindung eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit rekonfigurierbaren
Strahlen vor. Die Gruppenantenne beinhaltet eine Vielzahl von strahlenden
Elementen, die in einer ebenen Gruppe angeordnet sind, sowie eine
Vielzahl von variablen Phasenschiebern. Jeder aus der Vielzahl der
variablen Phasenschieber ist mit einem entsprechenden Element aus
der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden.
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Die
Gruppenantenne beinhaltet ferner ein festes passives Strahlformungsnetzwerk
zum Ausbilden von Punktstrahlsignalen sowie ein rekonfigurierbares
aktives Strahlformungsnetzwerk zum Ausbilden von Bereichsstrahlsignalen.
Das rekonfigurierbare Strahlformungsnetzwerk bildet Bereichsstrahlsignale
aus einer Kombination von Punktstrahlsignalen. Das feste Strahlformungsnetzwerk
besitzt Stapel von Rotman-Linsen, die mit einem ersten Satz von
Anschlüssen
und einem zweiten Satz von Anschlüssen versehen sind, sowie einen
horizontalen und einen vertikalen Stapel von Linsen beinhalten.
Jeder Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen ist jeweils mit einem
aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden. Der jeweils
entsprechende Phasenschieber aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber
ist dazwischen angeordnet. Die Stapel der Rotman-Linsen erzeugen
frequenzinvariante Punktstrahlsignale, die zwischen den strahlenden
Elementen und den Stapeln mit den Rotman-Linsen über den ersten Satz Anschlüsse übertragen
werden, um Punktstrahlen und Bereichsstrahlen mit der Vielzahl der
strahlenden Elemente abzustrahlen bzw. zu empfangen. Die Phasenschieber
werden eingestellt, um die Punktstrahlen und die Bereichsstrahlen
an die gewünschten
Stellen zu steuern.
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Die
Gruppenantenne beinhaltet außerdem ein
Strahlformungsnetzwerk mit einem ersten Satz von Anschlüssen, die
jeweils mit einem entsprechenden Anschluss aus dem zweiten Satz
von Anschlüssen
an dem Stapel der Rotman-Linsen verbunden sind, wobei das Strahlformungsnetzwerk
ferner einen zweiten Satz mit gepaarten Anschlüssen besitzt, die mit jedem
Anschluss des ersten Satzes von Anschlüssen des Strahlformungsnetzwerks
verbunden sind.
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Die
Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, sind
zahlreich. Die vorliegende Erfindung besitzt die Flexibilität, Punkt-
und Bereichsstrahlen auf unterschiedliche Orbitalpositionen eines
Satelliten zu legen sowie die Strahlen aus einer einzigen Orbitalposition
auf unterschiedliche Dienstbereiche zu legen. Im Kern ermöglicht die
vorliegende Erfindung einen herkömmlichen
Antennenaufbau für
verschiedene Orbitalpositionen/Bereichsabdeckungen sowie für mehrfache
Strahlen mit nicht-gleichförmiger
Abdeckung, wodurch die nichtwiederkehrenden Kosten für den Entwurf
und die Entwicklung von zukünftigen
Satelliten reduziert werden. Indem man Stapel mit Rotman-Linsen
in dem Strahlformungsnetzwerk verwendet, werden die Strahlpositionen
unabhängig
von der Frequenz und dementsprechend kann man größere Bandbreiten erzielen.
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung lassen sich unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung,
die angehängten
Ansprüche
und die beigefügten
Zeichnungen noch besser verstehen.
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1 ist
ein allgemeines Blockdiagramm einer rekonfigurierbaren phasengesteuerten
Gruppenantenne mit mehreren Strahlen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2A ist
eine Querschnittsdarstellung einer integrierten Erregeranordnung;
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2B ist
eine Querschnittsdarstellung der integrierten Erregeranordnung,
die in 2A gezeigt ist, jedoch um 90° gedreht;
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3 ist
eine Grafik, die die Geometrie einer beispielhaften Rotman-Linse
zeigt;
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4 ist
eine perspektivische Darstellung von zweidimensionalen Stapeln von
Rotman-Linsen, die voneinander getrennt sind;
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5 ist
ein Blockdiagramm des Strahlzusammenführungsnetzwerks; und
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6 ist
eine Darstellung einer abbildenden Antenne mit zwei Reflektoren.
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In 1 ist
eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne 10 mit
mehreren Strahlen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Antenne 10 kann sowohl zum Aussenden
als auch zum Empfangen von strahlen verwendet werden, und zwar gleichzeitig
oder abwechselnd zueinander, und sie ist zur Verwendung an einem
Satelliten (hier in 1 nicht besonders dargestellt)
vorgesehen. Die Antenne 10 beinhaltet zwei Antennensubsysteme 12a und 12b für eine linksdrehende
und eine rechtsdrehende zirkulare Polarisation, die über jeweilige
Bandpassfilter 16(a–n)
und Polarisatoren 18(a–n)
entlang von einzelnen getrennten Speisewegen 20(a–n) mit
N-strahlenden Elementen 14(a–n) verbunden sind. Vorzugsweise
sind die strahlenden Elemente 14(a–n) Hörner, die in einer hexagonalen
Gitterstruktur einer planaren Gruppe entweder für sich selbst oder zum Speisen einer
abbildenden Antenne mit zwei Reflektoren mit zueinander konfokalen
Paraboloiden (hier nicht gesondert dargestellt) angeordnet sind.
Da die Subsysteme 12a und 12b dieselben Elemente
beinhalten, wird im Weiteren nur das Antennensubsystem 12a im Detail
beschrieben.
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Es
wird nun kurz auf die 2A und 2B Bezug
genommen, wonach die strahlenden Elemente 14, die Bandpassfilter 16 und
die Polarisatoren 18 vorzugsweise in einer integrierten
Speiseanordnung 19 zusammengefasst sind, wie sie hier dargestellt
ist. Das strahlende Elemente 14 kann ein runder Hornstrahler
sein, wie zum Beispiel ein Potter-Horn oder ein Hornstrahler mit
einem dominanten TE11-Mode. Das Bandpassfilter 16 ist
ein Lochblendenfilter zum Unterdrücken von Sende- (Tx)
oder Empfangs- (Rx)-Frequenzen. Der Polarisator 18 ist
vorzugsweise ein Wandpolarisator (septum polarizer). Die integrierte
Erregeranordnung 19 beinhaltet des weiteren ein Paar von Übergängen 21(a–b) zum
Empfangen von linksdrehend und rechtsdrehend zirkular polarisierten Signalen
aus den Antennensubsystemen 12a bzw. 12b.
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Es
sei nun wieder auf die 1 Bezug genommen, in der jeder
der Erregerpfade 20(a–n)
mit einem entsprechenden Verstärker 22(a–n) aus
einer Gruppe von M-Verstärkern
und einem aus einer Gruppe von N-Phasenschiebern 24(a–n) verbunden ist.
Die Verstärker 22(a–n) und
Phasenschieber 24(a–n)
wirken zusammen, um die mit ihnen verbundenen Strahlen und Elemente 14(a–n) mit
einem Signal zu speisen, das eine bestimmte Amplitude und Phasenlage
relativ zu den anderen Elementen besitzt. Als ein Ergebnis davon
können
die erzeugten Strahlen an unterschiedliche Orbitalpositionen gesteuert
werden, indem man den Verstärkungspegel der
Verstärker 22(a–n) und
den Grad der Phasenverschiebung der Phasenschieber 24(a–n) einstellt.
Typischerweise ist der Verstärkungsgrad
für jeden
der Verstärker 22(a–n) der
gleiche und die Strahlen werden durch Anpassen der Phasenschieber 24(a–n) gesteuert.
Die in den Strahlen abgestrahlte Leistung kann durch Einstellen
der Verstärker 22(a–n) variiert werden.
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Die
Verstärker 22(a–n) sind
verteilte, nicht-redundante Verstärker, wie etwa rauscharme Verstärker im
Empfangsmodus und Halbleiter-Leistungsverstärker im Sendemodus. Die Phasenschieber 24(a–n) werden
digital gesteuert. Zusätzlich
zum Steuern der Strahlen auf verschiedene Orbitalpositionen korrigieren
die Phasenschieber 24(a–n) auch Lagefehler des Satelliten
im Orbit sowie Phasenschwankungen in den Speisepfaden 20(a–n), die
von den Verstärkern 22(a–n), den
Bandpassfiltern 18(a–n)
und Effekten aufgrund gegenseitiger Kopplung unter den strahlenden
Elementen 14(a–n)
herrühren.
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Das
Antennensubsystem 12a beinhaltet des Weiteren ein Strahlformungsnetzwerk 26 auf
unterer Ebene. Das Strahlformungsnetzwerk 26 beinhaltet einen
zweidimensionalen Stapel mit Rotman-Linsen 28, ein Strahlformungsnetzwerk 30 sowie
ein Strahlzusammenführungsnetzwerk 32.
Das Strahlformungsnetzwerk 26 ist vollständig reziprok
und dient dazu, die strahlenden Elemente 14(a–n) anzuregen, um
Punktstrahlen und Bereichsstrahlen in vorbestimmten Richtungen zu
erzeugen, und zwar sowohl für
den Sendevorgang als auch für
den Empfangsvorgang.
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Eine
Schaltmatrix 33 dient zusammen mit dem Strahlformungsnetzwerk 26 dazu,
Energie selektiv zuzuführen
bzw. aus dem Strahlformungsnetzwerk abzugreifen. In Abhängigkeit
von der Auswahl der Strahlen mit Hilfe der Schaltmatrix 33 stellt
das Strahlformungsnetzwerk 26 Strahlsignale für mehrere
diskrete Anregungen zur Verfügung,
um Punkt- und Bereichsstrahlen auszubilden, oder um umgekehrt empfangene
Signalenergie in diskrete entsprechende Strahlsignale aufzuspalten,
und zwar in Übereinstimmung
mit den Empfangswinkeln der Punkt- und Bereichsstrahlen.
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Das
Strahlformungsnetzwerk 26 bildet die Strahlen in zwei Stufen
aus. Die erste Stufe beinhaltet Stapel 28 mit Rotman-Linsen. Die Stapel 28 mit den
Rotman-Linsen besitzen N-Elementanschlüsse 34(a–n) und
L-Strahlanschlüsse 36(a–l). Jeder
der Elementanschlüsse 34(a–n) ist
mit jeweils einem der Speisepfade 20(a–n) verbunden, um beim Sendevorgang
Energie mit einer individuellen Phasenlage diskret zu den strahlenden
Elementen 14(a–n)
zu übertragen
und im Empfangsfall diskrete phasengesteuerte Information in Übereinstimmung
mit den Strahlrichtungen der Gruppenantenne 10 aufzunehmen. Die
Stapel 28 mit den Rotman-Linsen beinhalten Strahlanschlüsse 36(a–l) zum
Empfangen und zum Bereitstellen von L-Punktstrahlsignalen, die auf
der gemeinsamen Abdeckung von verschiedenen Orbitalabschnitten basieren.
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Es
sei nun auf 3 Bezug genommen, in der eine
beispielhafte Rotman-Linse 38 gezeigt ist, wobei weiterhin
auch 1 betrachtet wird. Die Rotman-Linse 38 beinhaltet
Eingangsanschlüsse 40 für die Strahlen,
Ausgangsanschlüsse 42 für die Elemente
sowie eine Anzahl von Leeranschlüssen
(hier nicht gesondert dargestellt). Die Leeranschlüsse sind mit
angepassten Lasten abgeschlossen, um interne Refektionen aus dem
Hohlraum 44 der Linse zu minimieren. Die Rotman-Linse 38 kann
sowohl in Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) als auch in Wandleitertechnik
(stripline) realisiert sein.
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Es
sein nun auf die 4 unter weiterer Betrachtung
der 1 Bezug genommen. Die Stapel 28 mit den
Rotman-Linsen beinhalten einen horizontalen und einen vertikalen
Stapel mit Linsen 46 bzw. 48. Jede Linse des vertikalen
Linsenstapels 48 besitzt Verbindungsanschlüsse 50 zum
Anschluss an die entsprechenden Anschlüsse des horizontalen Linsenstapels 46 (in 4 nicht
gesondert dargestellt). Diese Verbindungen kann man unter Verwendung von
Hochfrequenzleitungen realisieren. Einer der Linsenstapel 46 und 48 beinhaltet
Elementanschlüsse 34(a–n) zum
Anschluss der Speisezahlen 20(a–n) (in 4 nicht
gesondert dargestellt). Der andere Linsenstapel beinhaltet Strahlanschlüsse 36(a–l) (in 4 nicht
gesondert dargestellt).
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Die
Anzahl der Linsen, die man für
die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen benötigt, ist ungefähr das Zweifache
der Quadratwurzel von N, wobei N gleich der Anzahl der strahlenden
Elemente ist, wenn man eine quadratische Gitterstruktur betrachtet.
Bei einer hexagonalen Struktur benötigt man etwa 2,31 multipliziert
mit der Quadratwurzel der N Linsen.
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Die
Stapel 28 mit den Rotman-Linsen erzeugen Strahlsignale,
die frequenzinvariant sind. Als ein Ergebnis dessen ändern sich
die Positionen der gesendeten und empfangenen Strahlen über dem
gesamten Arbeitsfrequenzbereich nicht mit der Frequenz. Die Stapel 28 mit
den Rotman-Linsen besitzen diese Eigenschaft, weil sie über den
strahlenden Elementen 14(a–n) Verzögerungen in Echtzeit (bzw. Phase)
realisieren.
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Bezug
nehmend nun wieder auf die 1 beinhaltet
die zweite Stufe der Strahlformung ein Strahlteilernetzwerk 30 und
ein Strahlzusammenführungsnetzwerk 32.
Das Strahlteilernetzwerk 30 beinhaltet L Anschlüsse 52(a–l), von
denen jeder mit einem entsprechenden Strahlanschluss 36(a–l) an dem
Stapel 28 mit den Rotman-Linsen verbunden ist. Jeder Anschluss 52(a–l) ist
mit einem Paar von L Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l) verbunden.
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Wenn
sich die Gruppenantenne 10 im Empfangsmodus befindet, gelangen
L Punktstrahlsignale aus den Strahlanschlüssen 36(a–l) über die
Anschlüsse 52(a–l) in das
Strahlformungsnetzwerk 30. Das Strahlteilernetzwerk 30 teilt
jedes der L Punktstrahlsignale in zwei Signale an den Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l). Die
L Punktstrahlsignale von den Anschlüssen 54(a–l) werden
zu jeweils einem der L Schaltanschlüsse 58(a–l) der
Schaltmatrix 33 verbunden. Die anderen L Strahlsignale
von den Anschlüssen 56(a–l) werden über entsprechende
Anschlüsse 59(a–l) zu dem
Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 verbunden.
Das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 erzeugt
aus den L Punktstrahlsignalen N Bereichsstrahlsignale.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf die 1 wird nun
die 5 betrachtet, wonach das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 L
(1:M)-Teiler 60(a–l), M
Paare 62(a–m)
mit variablen Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern, die mit jeweils
einem der Teiler verbunden sind, sowie M (L:1)-Zusammenführer 64(a–n) beinhaltet.
Die Teiler 60(a–l)
teilen jedes der L Punktstrahlsignale aus den Anschlüssen 56(a–l) auf
M Pfade auf. Jedes der M auf geteilten Signale wird über ein
Paar 62(a–m)
mit einem Phasenschieber und einem Dämpfungsglied geführt. Die
Paare 62(a–m)
mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied
variieren die Phase und die Amplitude von jedem der M aufgeteilten
Signale. Die Paare 62(a–m) mit dem Phasenschieber
und dem Dämpfungsglied sind
aktive Bauteile und sie werden dazu verwendet, die Bereichsstrahlen
zu konfigurieren. Natürlich
kann das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 für feste Bereichsstrahlen
auch vollständig
passiv ausgebildet sein und in diesem Fall werden die Paare 62(a–m) mit
den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern nicht
benötigt.
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Jedes
der M aufgeteilten, phasenverschobenen und gedämpften Signale wird anschließend zu einem
entsprechenden Zusammenführer 64(a–m) geleitet.
Zum Beispiel wird jedes der M aufgeteilten Signale mit der Phasenverschiebung
und Dämpfung aus
dem ersten Paar 62a mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied,
das mit dem ersten Teiler 60(a–l) verbunden ist, zu dem ersten
Zusammenführer 64a geleitet.
In ähnlicher
Weise wird jedes der M Signale aus dem zweiten Paar 62b mit
dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied
zu dem zweiten Zusammenführer 64b geleitet.
Dieses Vorgehen wird fortgesetzt, bis die M Signale aus den Mten
Paar 62m mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied zu
dem Mten Zusammenführer 64m geleitet
wurde.
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Die
Zusammenführer 64(a–m) führen die
L Signale aus den Paaren 62(a–l) mit den Phasenschiebern
und Dämpfungsgliedern
zusammen, um M Bereichsstrahlsignale zu bilden. Der Ort und die
Größe der M
Bereichsstrahlen sind vollständig
konfigurierbar, indem man die Paare 62(a–m) mit
den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern
entsprechend einstellt. Die M Bereichsstrahl signale werden über die
Anschlüsse 66(a–m) des
Strahlzusammenführungsnetzwerks 32 zu
Anschlüssen 68(a–m) der Schaltmatrix 33 geleitet.
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Die
Schaltmatrix 33 wählt
aus den L Punktstrahlsignalen an den Anschlüssen 54(a–l) und
den M Bereichsstrahlsignalen an den Anschlüssen 66(a–m) die
gewünschten
Strahlen aus den L + M Strahlen aus. Die gewünschten Strahlen werden in Abhängigkeit
von der Orbitalposition des Satelliten und in Abhängigkeit
von den Anforderungen an die Konfigurierbarkeit ausgewählt.
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Wenn
die Gruppenantenne 10 im Sendemodus betrieben wird, kehrt
sich die oben beschriebene Vorgehensweise um. Die Schaltmatrix 33 wählt gewünschte Strahlen
aus den L + M Strahlen für
den Sendevorgang aus. Punktstrahlsignale von den Anschlüssen 58(a–l) werden
an die Anschlüsse 54(a–l) des
Strahlformungsnetzwerks 30 geliefert. Die Regionalstrahlsignale
von den Anschlüssen 68(a–m) werden
an die Anschlüsse 66(a–m) des
Strahlzusammenführungsnetzwerks 32 geliefert.
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Wenn
sich die Gruppenantenne 10 im Sendemodus befindet, agieren
die Zusammenführer 64(a–m) als
Teiler und sie teilen ein Regionalstrahlsignal in L Pfade auf. Jedes
der L geteilten Signale aus dem Zusammenführer wird zu einem entsprechenden
Paar 62(a–m)
mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied
geführt.
Die Paare 62(a–m)
mit den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern
stellen die Phase und die Amplitude der Signale ein und leiten die
M Signale an die Teiler 60(a–l) weiter. Jeder der Teiler 60(a–l) agiert
nun als Zusammenführer,
um die bereitgestellten M Signale in ein einziges Signal zusammenzuführen. Die
Signale von jedem der Teiler 60(a–l) werden an schließend an
den Anschlüssen 56(a–l) des
Strahlformungsnetzwerks 30 bereitgestellt. Das Strahlteilernetzwerk 30 agiert
nun als Zusammenführer
und führt
die Signale an den Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l) zusammen.
Die Anschlüsse 36(a–l) des
Strahlteilernetzwerks 30 liefern die L zusammengeführten Signale
an die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen. Die Stapel 28 mit
den Rotman-Linsen bilden dann die L Punktstrahlsignale für den Sendevorgang.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich bei satellitenbasierten Kommunikationssystemen einsetzen. Sie
ist besonders für
zukünftige
Kommunikationssatelliten von Interesse, wie etwa personalisierten
Kommunikationssatelliten (personal communication satellites PCS),
direkt abstrahlenden Satelliten (direct broadcast satellites DBS)
sowie mobilen Kommunikationssatelliten, die eine mäßige bis
hohe Anzahl an mehrfachen Punktstrahlen aufweisen.
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Es
versteht sich daher von selbst, dass mit der vorliegenden Erfindung
eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen
vorgestellt wurde, die die oben genannten Aufgaben, Ziele und Vorteile
vollständig
erfüllt.
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Es
sei beispielhaft auf die 6 Bezug genommen, in der in Übereinstimmung
mit einem auf die Erfindung bezogenen Ausführungsbeispiel eine Gruppenantenne 10 gezeigt
ist, die einen parabolischen Hauptreflektor 70 und einen
konkaven parabolischen Subreflektor 72 verwendet, wobei
die beiden Reflektoren einen gemeinsamen Brennpunkt besitzen. Die
planare Gruppe mit strahlenden Elementen 74(a–m) an der
Stelle CA bildet eine einfallende Welle an
dem Subreflektor 72 bei Cs. Der
Subreflek tor 72 ist im Nahfeld der strahlenden Elemente 74(a–m) angeordnet
und transformiert die näherungsweise
ebene Welle der strahlenden Elemente in eine vergrößerte Abbildung
unter Verwendung des konfokalen Paraboloids. Dadurch kann die Größe der planaren
Gruppe mit den strahlenden Elementen 74 um einen Vergrößerungsfaktor
von Mf (Mf > 1) reduziert
werden, wobei Mf der Vergrößerungsfaktor
des konfokalen Systems mit den Reflektoren 70 und 72 ist,
und wobei die Anzahl der strahlenden Elemente daher um Mf2 reduziert werden kann im Vergleich zu der
Anzahl der strahlenden Elemente bei dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Vergrößerung Mf
wird durch das Verhältnis
der Brennweite des Haupt- und Subreflektors 70 bzw. 72 bestimmt,
die gleich θs/θn ist. Die strahlenden Elemente 74 müssen mit
Mf multipliziert mit dem Abtastwinkel für die Strahlabdeckung abgetastet
werden. Typische Werte von Mf liegen im Bereich zwischen zwei und
drei. Dementsprechend wird die Anzahl der strahlenden Elemente also
zumindest um einen Faktor von vier reduziert, wenn man dies mit
der direkt abstrahlenden Gruppe mit den strahlenden Elementen nach
dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vergleicht.