EP1524720B1 - Antenna system for multiple frequency bands - Google Patents
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- EP1524720B1 EP1524720B1 EP04024780A EP04024780A EP1524720B1 EP 1524720 B1 EP1524720 B1 EP 1524720B1 EP 04024780 A EP04024780 A EP 04024780A EP 04024780 A EP04024780 A EP 04024780A EP 1524720 B1 EP1524720 B1 EP 1524720B1
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zum gleichzeitigen Betrieb in wenigstens zwei verschiedenen Frequenzbereichen, insbesondere zum Senden und Empfangen im Vollduplex-Betrieb, insbesondere für die Verwendung bei U-Booten.The invention relates to an antenna system for simultaneous operation in at least two different frequency ranges, in particular for transmitting and receiving in full-duplex operation, in particular for use in submarines.
Bei der Satellitenkommunikation zwischen feststehenden und bewegten Anwendern aus Luft- und Schifffahrt, somit unter anderem auch bei der Satellitenkommunikation von U-Booten, werden üblicherweise Antennenstrukturen verwendet, die bei einer zirkularen Polarisierung ein quasi-hemisphärisches Abstrahlungsdiagramm aufweisen, da in diesem Fall die Notwendigkeit eines Nachführens des Antennensystems an die gegebenenfalls geostationären Satellitensysteme vermieden werden kann.Satellite communications between fixed and moving aeronautical and aeronautical users, including but not limited to submarine satellite communication, typically uses antenna structures that exhibit a quasi-hemispherical radiation pattern in circular polarization, in which case the need for a Tracking the antenna system can be avoided to the possibly geostationary satellite systems.
Nach dem heutigen Kenntnisstand ist die einzige Antennenstruktur, die diese geforderten Eigenschaften aufweist, eine resonante quadrifilare Helixantenne. Diese besteht üblicherweise aus zwei Doppelwendeln, die sich um eine gemeinsame Längsachse winden, orthogonal zueinander angebracht sind und mit 90° Phasenverschiebung angeregt werden.As far as we know today, the only antenna structure with these required properties is a resonant quadrifilar helix antenna. This usually consists of two double helices that wind around a common longitudinal axis, are mounted orthogonally to each other and are excited by 90 ° phase shift.
Da es sich bei einem derartigen Antennensystem um ein resonant arbeitendes System handelt, ist die nutzbare Bandbreite beschränkt und es ist schwierig, eineSince such an antenna system is a resonant-working system, the usable bandwidth is limited and it is difficult to achieve
Anpassung an eine Breitbandnutzung oder an eine Verwendung für zwei verschiedene Frequenzen zu erreichen. In Fällen, bei denen ein Betrieb in verschiedenen Frequenzbereichen benötigt wird, muss demzufolge üblicherweise auf zwei separate, räumlich getrennte quadrifilare Helixantennen zurückgegriffen werden. Dies gilt insbesondere, wenn ein Betrieb gleichzeitig in beiden Frequenzbereichen möglich sein soll.Adaptation to broadband usage or use for two different frequencies. Consequently, in cases where operation in different frequency ranges is required, usually two separate spatially separated quadrifilar helix antennas must be used. This is especially true if operation is to be possible simultaneously in both frequency ranges.
Ein Beispiel für einen derartigen Fall bildet das UHF-Satcom Satellitenkommunikations-System, bei dem das Senden und das Empfangen von Daten in unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgen:
Als vorteilhaft ist hierbei anzusehen, wenn gleichzeitig und unabhängig voneinander gesendet und empfangen werden kann (sog. Voll-Duplex-Betrieb). Dabei ist eine geringe Verkoppelung, also ein geringes Übersprechen zwischen den Sende- /Empfangsantennen erforderlich. Hierzu ist es, wie oben bereits erwähnt wurde, üblicherweise notwendig, dass die Sende- und Empfangsantennen als getrennte Elemente ausgebildet sind.It is to be regarded as advantageous if it is possible to send and receive at the same time and independently of each other (so-called full-duplex operation). In this case, a low coupling, ie a low crosstalk between the transmitting / receiving antennas is required. For this purpose, as already mentioned above, it is usually necessary for the transmitting and receiving antennas to be designed as separate elements.
Sind jedoch die Abmessungen des Antennensystems durch den zur Verfügung stehenden Raum begrenzt, so kann eine räumliche Trennung von Sende- und Empfangsantennen nur unter erheblichem Aufwand erfolgen.However, if the dimensions of the antenna system are limited by the available space, then a spatial separation of transmitting and receiving antennas can be done only with considerable effort.
Ein Beispiel hierfür bildet ein Antennensystem eines U-Bootes. Neben den oben genannten Frequenzbereichen für eine Satellitenkommunikation im UHF-Satcom System werden hier üblicherweise sogar darüber hinaus noch weitere Frequenzbereiche benötigt, beispielsweise:
Neben dem nur beschränkt zur Verfügung stehenden Raumangebot, besteht insbesondere für ein von U-Booten benutztes Antennensystem eine weitere Anforderung darin, dass der gesamte Aufbau der Antenne aufgrund der Positionierung an der Außenhaut des U-Bootrumpfes und der damit verbundenen Belastungen durch das umströmende Wasser möglichst kompakt sein muss. Gleichzeitig ist auch eine möglichst große Stabilität des Antennensystems gegenüber mechanischen Belastungen zu gewährleisten, da durch Schockwellen im Wasser kurzzeitige Horizontalbelastungen bis zu 400 G sowie Vertikalbelastungen bis in den Bereich von 150 G auftreten können.In addition to the limited space available, there is a further requirement in particular for an antenna system used by submarines that the entire structure of the antenna due to the positioning on the outer skin of the submarine hull and the associated burden of the circulating water as possible must be compact. At the same time, the greatest possible stability of the antenna system with respect to mechanical loads is to be ensured since short-term horizontal loads of up to 400 G and vertical loads of up to 150 G can occur due to shock waves in the water.
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein möglich kompaktes Antennensystem zu schaffen, welches einen vorzugsweise gleichzeitigen Betrieb in wenigstens zwei verschiedenen Frequenzbändern, insbesondere im Bereich der Satellitenkommunikation unter Verwendung von zirkular polarisierten Wellen mit einer quasi-hemisphärischen Abstrahlcharakteristik, ermöglicht.It is therefore the object of the invention to provide a possible compact antenna system, which allows a preferably simultaneous operation in at least two different frequency bands, in particular in the field of satellite communication using circularly polarized waves with a quasi-hemispheric radiation characteristic.
Hierbei findet ein derartiges Antennensystem vorzugsweise Verwendung auf einem U-Boot. Jedoch kann auch ein Anwender beim Betrieb auf herkömmlichen Schiffen über Wasser oder an Land von den erfindungsgemäßen Vorteilen profitieren.In this case, such an antenna system is preferably used on a submarine. However, a user can benefit from the inventive advantages when operating on conventional ships over water or on land.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich-aus den Unteransprüchen.This object is solved by the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments result from the subclaims.
Demzufolge wird ein Antennensystem zum gleichzeitigen Betrieb, insbesondere zum Senden und Empfangen im Vollduplex-Betrieb, in wenigstens zwei verschiedenen Frequenzbereichen vorgeschlagen, das neben gegebenenfalls sonstigen vorhandenen Antennen wenigstens zwei quadrifilare Helixantennen umfasst, von denen jede zwei orthogonal zueinander angeordnete und mit 90° Phasenverschiebung angeregte Doppelwendeln aufweist. Hierbei ist orthogonal so zu verstehen, dass die beiden Doppelwendeln einer Helixantenne jeweils mit einem Versatz von 90° in Umlaufrichtung zueinander um die Längsachse der Helixantenne ineinander laufen, so dass in einer radialen Schnittebene betrachtet die gedachten Verbindungslinien zwischen den Schnittpunkten der jeweiligen Wendeln einer Doppelwendel mit der Ebene orthogonal zueinander liegen, wie beispielsweise in
Diese spezielle Anordnung der beiden Helixantennen zeichnet sich durch eine besonders hohe Symmetrie aus, so dass hierdurch erfindungsgemäß die gegenseitige Beeinflussung der beiden Antennen minimiert wird.This special arrangement of the two helical antennas is characterized by a particularly high symmetry, so that according to the invention, the mutual influence of the two antennas is minimized.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die jeweiligen Doppelwendeln der beiden Helixantennen auch dieselbe Steigung auf, wodurch die Symmetrie des Systems noch einmal weiter verbessert werden kann.In a preferred embodiment, the respective double helices of the two helical antennas also have the same pitch, whereby the symmetry of the system can be improved even further.
Vorzugsweise sind hierbei die Doppelwendeln der beiden Helixantennen auf der Mantelfläche eines zur Längsachse rotationssymmetrischen Körpers angeordnet. Als rotationssymmetrischer Körper kommt hier insbesondere ein Zylinder in Frage, jedoch sind auch andere geometrische Körper wie beispielsweise ein Konus denkbar.Preferably, in this case the double helices of the two helical antennas are arranged on the lateral surface of a body rotationally symmetrical to the longitudinal axis. As a rotationally symmetrical body is in particular a cylinder in question, but other geometric body such as a cone are conceivable.
Die Einspeisung der jeweiligen Helixantenne erfolgt in einer quer zur Längsachse verlaufenden Ebene, die an einem Ende der jeweiligen Helix liegt.The feeding of the respective helical antenna takes place in a plane extending transversely to the longitudinal axis, which lies at one end of the respective helix.
In dieser Einspeiseebene erfolgt die Einspeisung der jeweiligen Helixantenne auf übliche Weise, d. h. dass die jeweiligen Doppelwendeln mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad betrieben werden, wobei die Einspeisung jeder einzelnen Doppelwendel über einen Symmetriertrafo in Form einer Kurzschlussleitung mit λ/4-Längeerfolgt.In this feed-in level, the feed of the respective helical antenna is carried out in the usual way, i. H. that the respective double helices are operated with a phase shift of 90 degrees, wherein the feeding of each single coiled coil via a balancing transformer takes place in the form of a short-circuit line with λ / 4-length.
Die phasenversetzte Einspeisung zur Erzeugung der Zirkularpolarisation erfolgt vorzugsweise unter Verwendung von Hybridkopplungen oder Ähnlichem.The out of phase feed to generate the circular polarization is preferably done using hybrid couplings or the like.
In einer bevorzugten Ausführungsform fallen die beiden Einspeiseebenen der beiden Helixantennen zusammen. Die gemeinsame Einspeiseebene beider Helixantennen kann hierbei vorzugsweise an dem der Abstrahlungsrichtung zugewandten Ende der Helixantennen liegen. In diesem Fall können die vorzugsweise verwendeten Symmetriertrafos problemlos in einer symmetrischen Anordnung im Inneren der Helixantennen untergebracht werden.In a preferred embodiment, the two feed planes of the two helical antennas coincide. In this case, the common feed-in level of both helical antennas may preferably lie at the end of the helix antennas facing the emission direction. In this case, the preferably used balancing transformers can be easily accommodated in a symmetrical arrangement inside the helix antennas.
Bevorzugt sind die Doppelwendeln wenigstens einer Helixantenne an dem nicht angeregten Ende offen. Auf diese Weise kann über die Länge der Doppelwendeln die jeweilige Resonanz der Helixantenne beeinflusst werden. In dieser Ausführungsform weisen die Doppelwendeln der beiden ineinander verschachtelt aufgebauten Helixantennen eine unterschiedliche Länge auf, so dass die beiden Helixantennen unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben.Preferably, the double helices of at least one helix antenna are open at the unexcited end. In this way, over the length of the double helices, the respective resonance of the helical antenna can be influenced. In this embodiment, the double helices of the two nested helix antennas have a different length, so that the two helix antennas have different resonance frequencies.
Bei den zwei Frequenzbereichen, auf denen die beiden Helixantennen des erfindungsgemäßen Antennensystems betrieben werden können, kann es sich bevorzugt um die Bereiche von 210 - 300 MHz, insbesondere 240 - 270 MHz und von 260 - 350 MHz, insbesondere 290 - 320 MHz, handeln, um auf diese Weise ein Senden und Empfangen im UHF-Satcom System zu ermöglichen.The two frequency ranges on which the two helix antennas of the antenna system according to the invention can be operated may preferably be the ranges of 210-300 MHz, in particular 240-270 MHz and of 260-350 MHz, in particular 290-320 MHz. to enable sending and receiving in the UHF Satcom system.
Obwohl die beiden Helixantennen des erfindungsgemäßen Antennensystems vorzugsweise gleichzeitig betrieben werden können, d. h. im so genannten Full-Duplex-Betrieb, können sie auch im so genannten Half-Duplex-Betrieb verwendet werden, bei dem immer nur eine der beiden Antennen in Betrieb ist.Although the two helical antennas of the antenna system according to the invention can preferably be operated simultaneously, d. H. In so-called full-duplex operation, they can also be used in so-called half-duplex mode, in which only one of the two antennas is always in operation.
Welche der beiden Betriebsarten letztendlich verwendet wird, hängt von den Anforderungen des Benutzers sowie der elektronischen Ausstattung des Antennensystems ab.Which of the two modes of operation will ultimately be used depends on the requirements of the user and the electronic equipment of the antenna system.
Vorzugsweise sind die beiden Helixantennen von ihren geometrischen Abmessungen, also beispielsweise Anzahl der Windungen oder Steigung der Windungen, insbesondere aber von ihrem Verhältnis Durchmesser zu Länge so ausgelegt, dass die eine Helixantenne ihre Resonanz im Bereich von 210 - 300 MHz, insbesondere 240 - 270 MHz und die zweite Helixantenne ihre Resonanz im Bereich von 260 - 350 MHz, insbesondere 290 - 320 MHz hat und gleichzeitig für zirkular (vorzugsweise rechtspolarisiert) polarisierte Wellen eine omni-hemisphärische Strahlungscharakteristik erreicht wird.Preferably, the two helical antennas are of their geometric dimensions, so for example number of turns or pitch of the turns, but in particular from their ratio of diameter to length designed so that the one helical antenna their resonance in the range of 210-300 MHz, in particular 240-270 MHz and the second helical antenna has its resonance in the range of 260-350 MHz, in particular 290-320 MHz, and at the same time for circular (preferably right-polarized) polarized waves an omni-hemispherical radiation characteristic is achieved.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Antennensystem wenigstens eine weitere Antenne, die koaxial zu den beiden Helixantennen, vorzugsweise im von den beiden Helices definierten Innenraum angeordnet ist.According to a further aspect of the present invention, the antenna system according to the invention comprises at least one further antenna, which is arranged coaxially to the two helix antennas, preferably in the interior defined by the two helices.
Bei dieser wenigstens einen weiteren Antenne kann es sich beispielsweise um einen Monopolstrahler, insbesondere um eine Stabantenne handeln. Jedoch sind hierbei auch andere Antennenformen denkbar, solange eine koaxiale Anordnung, vorzugsweise im Innenraum, der Helixantennen möglich ist.This at least one further antenna may, for example, be a monopole radiator, in particular a rod antenna. However, in this case also other types of antennas are conceivable as long as a coaxial arrangement, preferably in the interior, of the helix antennas is possible.
Um eine möglichst geringe Kopplung zwischen den Helixantennen einerseits und der zusätzlichen Antenne andererseits zu erhalten, ist eine möglichst genaue koaxiale Ausrichtung der zusätzlichen Antenne im Zentrum der Helix wünschenswert. Vorzugsweise weisen demzufolge die Strahler der zusätzlichen Antenne eine rotationssymmetrische Form auf.In order to achieve the lowest possible coupling between the helical antennas on the one hand and the additional antenna on the other hand, the most accurate coaxial alignment of the additional antenna in the center of the helix is desirable. The emitters of the additional antenna therefore preferably have a rotationally symmetrical shape.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antennensystems handelt es sich bei der weiteren Antenne um eine Stabantenne mit einer Dachkapazität in Form einer Platte, die aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen zum Empfang in den Frequenzbereichen von 0,5 - 60 MHz und 125 - 190 MHz, insbesondere in den Frequenzbereichen von 1 - 30 MHz und 155 - 160 MHz verwendet werden kann.In a preferred embodiment of the antenna system according to the invention is in the other antenna to a rod antenna with a roof capacity in the form of a plate, due to their geometric dimensions for receiving in the frequency ranges of 0.5 - 60 MHz and 125 - 190 MHz, in particular can be used in the frequency ranges of 1 - 30 MHz and 155 - 160 MHz.
Wie bereits weiter oben angedeutet wurde, ist eine möglichst symmetrische Anordnung des Antennensystems für eine Entkopplung der einzelnen Antennen voneinander äußerst wichtig. Um eine derartige symmetrische Anordnung auch bei den Umweltbedingungen, denen die Antenne im Einsatz unterworfen wird, zu gewährleisten, ist entsprechend eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ein spezieller mechanischer Aufbau vorgesehen.As already indicated above, the most symmetrical possible arrangement of the antenna system for a decoupling of the individual antennas from each other is extremely important. In order to ensure such a symmetrical arrangement in the environmental conditions to which the antenna is subjected in use, according to a further aspect of the present invention, a special mechanical structure is provided.
Demzufolge umfasst das erfindungsgemäße Antennensystem vorzugsweise einen stabilen Grundkörper, auf dessen Außenfläche die Doppelwindungen der beiden Helixantennen entlang einer Längsachse des Grundkörpers fest angeordnet sind. Die Doppelwendeln können hierbei beispielsweise die Form von Drähten aufweisen, die auf der Außenfläche befestigt sind. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um Bänder aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupferbänder, die flach auf der Außenfläche des Grundkörpers angeordnet sind.Accordingly, the antenna system according to the invention preferably comprises a stable base body, on whose outer surface the double turns of the two helical antennas are fixedly arranged along a longitudinal axis of the base body. The double helices may in this case, for example, have the form of wires which are fastened on the outer surface. Preferably, however, are bands of an electrically conductive material, such as copper bands, which are arranged flat on the outer surface of the base body.
Der Grundkörper besteht aus einem beliebigen elektrisch nicht leitenden Material, das die gewünschten mechanischen Eigenschaften bezüglich Stabilität und/oder Steifigkeit aufweist. Denkbar sind hier Polymere oder sonstige Kunststoffe, beispielsweise Kapton, Mylar oder ähnliches.The main body is made of any electrically non-conductive material having the desired mechanical properties in terms of stability and / or rigidity. Conceivable here are polymers or other plastics, for example Kapton, Mylar or the like.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper des Antennensystems die Form eines Hohlzylinders auf. Die Einspeisung der Helixantennen erfolgt auf einer Stirnseite des Grundkörpers, vorzugsweise von der Befestigungsseite des Antennensystems aus gesehen am distalen Ende und somit an dem der Anstrahlungsrichtung zugewandten Ende.According to a preferred embodiment, the main body of the antenna system in the form of a hollow cylinder. The feeding of the helical antennas takes place on an end face of the main body, preferably seen from the attachment side of the antenna system at the distal end and thus at the end facing the direction of irradiation.
Auf der Stirnseite des Grundkörpers erfolgt die Einspeisung der Doppelwendeln von einem zentralen Punkt aus, der im Wesentlichen mit der Längsachse der Helixantennen und somit das Grundkörpers zusammenfällt, über radial nach außen verlaufende Segmente aus leitenden Material, die auf der Stirnseite aufgebracht sind und jeweils zu den zusammengehörenden Doppelwendeln führen.On the front side of the main body, the feeding of the double helices takes place from a central point, which essentially coincides with the longitudinal axis of the helical antennas and thus the base body, via radially outwardly extending segments of conductive material, which are applied on the front side and respectively to the lead together associated double helices.
Um zu verhindern, dass die im Inneren des Grundkörpers verlaufenden Einspeiseleitungen sowie die jeweils zugehörigen Symmetriertrafos in Form von λ/4-Kurzschluss-Leitungen bei mechanischer Belastung des Antennensystems ihre Lage ändern und somit ihre zur Entkopplung der beiden Helixantennen notwendige, symmetrische Anordnung verlieren, werden diese Leitungen erfindungsgemäß durch ein ausreichend steifes Schaumstoffmaterial ortsfest an ihren Positionen gehalten. Als Schaumstoffmaterial kann hier beispielsweise Polyurethanschaum, Polystyrol, Polyvinylchloridschaum, aber auch andere Schaumstoffe verwendet werden, solange die zum Haltern der Leitungen notwendige Steifheit gewährleistet ist.In order to prevent that running in the interior of the body feeder lines and the respective associated baluns in the form of λ / 4 short-circuit lines under mechanical stress of the antenna system change their position and thus lose their necessary for decoupling the two helical antennas, symmetrical arrangement, are These lines according to the invention held by a sufficiently rigid foam material stationary at their positions. As a foam material, for example, polyurethane foam, polystyrene, polyvinyl chloride, but also other foams can be used here, as long as the stiffness necessary for holding the lines is ensured.
Neben der notwendigen Steifheit sollte der verwendete Schaumstoff auch noch spezielle elektrische Eigenschaften aufweisen, um insbesondere die Abstrahlungseigenschaften der Helixantennen möglichst wenig zu beeinflussen. Demzufolge weist erfindungsgemäß der verwendete Schaumstoff vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante und einen Verlustfaktor auf, die mit denen von Luft vergleichbar sind.In addition to the necessary stiffness of the foam used should also have special electrical properties, in particular to influence the radiation characteristics of the helical antennas as little as possible. Accordingly, according to the invention, the foam used preferably has a dielectric constant and a loss factor comparable to those of air.
Erfindungsgemäß erfolgt die Halterung der entsprechenden Leitungen in Nuten auf der Mantelfläche von separaten Schaumstoffkörpern.According to the invention, the holder of the corresponding lines in grooves on the lateral surface of separate foam bodies.
Erfindungsgemäß werden die Leitungen durch den verwendeten Schaumstoff über den Großteil der Länge im Inneren des Grundkörpers auf einem konstanten Abstand gehalten. Dieser Abstand wird jedoch nahe dem Einspeisepunkt auf der Stirnfläche des Grundkörpers verringert, um durch eine möglichst geringe Überleitung zwischen der jeweiligen Einspeiseleitung und dem zugehörigen Symmetriertrafo eine möglichst gute Symmetrisierung zu erhalten.According to the invention, the lines are held by the foam used over the majority of the length in the interior of the body at a constant distance. However, this distance is reduced near the feed point on the end face of the base body in order to obtain the best possible symmetrization by the lowest possible transition between the respective feed line and the associated balancing transformer.
In einer bevorzugten Ausführungsform können selbstverständlich im Inneren der Schaumstoffkörper Bohrungen für weitere Leitungen für die Versorgung zusätzlicher Antennen vorgesehen sein.In a preferred embodiment, of course, can be provided in the interior of the foam body holes for further lines for the supply of additional antennas.
Zum Schutz des Antennensystems gegen Wasser und den üblicherweise herrschenden Wasserdruck bei der Verwendung mit einem U-Boot ist die gesamte Konstruktion erfindungsgemäß mit einer Haube z.B. aus Kunststoff umgeben. Diese Kunststoffhaube besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form, die an ihrem bezüglich der Befestigung des Antennensystems am U-Boot-Rumpf distalen Ende mit einer halbkugelförmigen Abdeckung versehen ist und an ihrem proximalen Ende mit der am Rumpf zu befestigenden Platte dicht verbunden wird. Der Außendurchmesser dieser Kunststoffhaube wird durch den beim Einbau zur Verfügung stehenden Platz vorgegeben. Als Materialien kommen hier beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff, Epoxidharz oder ähnliches in Frage.In order to protect the antenna system against water and the usual prevailing water pressure when used with a submarine, the entire construction according to the invention is provided with a hood e.g. surrounded by plastic. This plastic hood has a substantially cylindrical shape, which is provided at its distal with respect to the attachment of the antenna system to the submarine hull end with a hemispherical cover and is connected at its proximal end with the hull to be fastened plate. The outer diameter of this plastic hood is determined by the space available during installation. As materials come here, for example, glass fiber reinforced plastic, epoxy resin or the like in question.
Im Fall der Verwendung auf einem normalen Schiff oder an Land dient diese Kunststoffhaube im Wesentlichen dem Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen. Da das Erfordernis des Standhaltens gegen Druck in diesem Fall nicht gegeben ist, können die Dicke der Haube geringer sein und/oder geringere Anforderungen an das verwendete Material gestellt werden.When used on a normal ship or on land, this plastic hood essentially serves to protect against external environmental influences. Since the requirement of withstand pressure in this case does not exist, For example, the thickness of the hood may be smaller and / or lower requirements may be placed on the material used.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1:
- eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Antennensystems mit zwei quadrifilaren Helixantennen;
- Fig. 2:
- eine Aufsicht auf die Deckplatte an der Stirnseite des in der in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendeten Grundkörpers, auf der die gemeinsame Einspeiseebene der Helixantennen liegt; - Fig. 3:
- eine Aufsicht auf die Anschlussplatte der Einspeiseleitungen der in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsform; - Fig. 4:
- eine Schnittansicht der in
Fig.2 dargestellten Deckplatte und - Fig. 5:
- eine Detailldarstellung eines Teilbereichs von
Fig.1 .
- Fig. 1:
- a sectional view through an embodiment of an inventive antenna system with two quadrifilar helical antennas;
- Fig. 2:
- a plan view of the cover plate on the front side of the in
Fig. 1 shown embodiment, on which lies the common feed plane of the helix antennas; - 3:
- a plan view of the connection plate of the feed lines of in
Fig. 1 embodiment shown; - 4:
- a sectional view of in
Fig.2 shown cover plate and - Fig. 5:
- a detailed representation of a portion of
Fig.1 ,
In den zylindrischen Grundkörper 1 ist an dessen bezüglich der Befestigung des Antennensystems proximalen Ende ein halb offener Montagezylinder 6 eingebracht, dessen geschlossenes Ende in Richtung der Abstrahlung des Antennensystems zeigt. In der Mitte dieser Stirnfläche 61 des Montagezylinders 6 ist eine kreisförmige Aussparung zur Aufnahme einer Befestigungsplatte 5 vorgesehen, die mit Hilfe von Schrauben 56 an dem Montagezylinder 6 befestigt wird.In the cylindrical base body 1, a
Zu jedem dieser vier Anschlüsse 51,52,53,54 ist jeweils diametral zur Längsachse des Grundkörpers 1 ein Anschluss 51 a,52a,53a,54a vorgesehen, der jeweils das Ende der zu der entsprechenden Doppelwendel T0,R0,T90,R90 gehörigen λ/4-Kurzschlussleitung 8 darstellt. Diese insgesamt acht Anschlüsse 51,52,53,54,51a,52a,53a,54a sind symmetrisch im gleichen Winkelabständen von 45 Grad auf einer Kreislinie mit konstantem Abstand zur Längsachse des Grundkörpers 1 angeordnet.For each of these four
Von den vier Anschlüssen 51,52,53,54 verlaufen im Inneren des zylindrischen Grundkörpers 1 koaxiale Kabel 7 in Richtung des distalen Endes des Grundkörpers 1, um dort zunächst die Deckplatte 2, mit der das distale Ende des Grundkörpers 1 verschlossen ist, in einem zentralen Bereich zu durchstoßen. Wie in
Jeweils diametral zu den Sektoren 21,22,23,24, die jeweils mit den Außenleitern der entsprechenden Einspeiseleitungen 7 verbunden sind, befinden sich Sektoren 21a,22a,23a,24a, die ebenfalls aus Kupferfolie bestehen und radial von dem zentralen Bereich radial nach außen führen, um von dort die zweite Wendel der jeweilige Doppelwendel T0,R0,T90,R90 zu speisen.Respectively diametrically to the
Um eine korrekte Speisung der jeweiligen Doppelwendeln T0,R0,T90,R90 zu erhalten, wird der jeweilige Innenleiter 7a der Einspeiseleitungen 7 einer Doppelwendel T0,R0,T90,R90, wie in
Aufgrund des Erfordernisses, dass diese λ/4-Kurzschluss-Leitung einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz der jeweiligen Helixantenne 3,4 entsprechen muss, ergeben sich die Lage der Platte 5 und somit die geometrischen Abmessungen des Montagezylinders 6 im Inneren des Grundkörpers 1.Due to the requirement that this λ / 4 short-circuit line must correspond to a quarter of the wavelength of the resonance frequency of the respective
Im vorliegenden Fall werden die Einspeiseleitungen 7 und die Leitungen 8 von der Platte 5 ausgehend im Inneren des Grundkörpers 1 zunächst von drei zur Längsachse des Grundkörpers ausgerichteten Zylindern 9 aus Schaumstoffmaterial, sowie zwischen diesen Zylindern 9 angeordneten Trennscheiben 10 gehaltert. Die Zylinder 9 weisen hierbei einen identischen Querschnitt auf, wobei die Einspeiseleitungen 7 und die Leitungen 8 in entsprechenden Nuten in den Mantelflächen der Zylinder 9, sowie in Durchgangsöffnungen in den Trennscheiben 10 geführt sind. Auf diese Weise werden die Leitungen 7,8 in ihrer symmetrischen Anordnung mit im wesentlichen identischen Abstand zur Längsachse des Grundkörpers 1 gehalten.In the present case, the
Im Anschluss an die dritte Trennscheibe 10 werden die Leitungen 7,8 dann in Nuten in der Mantelfläche eines im Wesentlichen konusförmigen Schaumstoffkörpers 9a geführt, der sich in Richtung der Deckplatte 2 verjüngt. An diesem konusförmigen Schaumstoffkörper 9a schließt sich eine weitere Trennscheibe 10a mit kleineren Radius an, die wiederum Durchgangsöffnungen für die durch zu führenden Leitungen 7,8 aufweist. Schließlich ist zwischen der Trennscheibe 10a und der Deckplatte 2 ein weiterer Zylinder 11 aus Schaumstoff angeordnet, der wiederum Nuten in seiner Mantelfläche aufweist, um die durch zu führenden Leitungen 7,8 aufzunehmen.Following the
Auf diese Weise kann symmetrisch der Abstand zwischen den zu einer Doppelwendel T0,R0,T90,R90 gehörenden Leitungen 7,8 verringert werden, so dass zu einer besseren Symmetrisierung der in
Im vorliegenden Fall wird als Schaumstoffmaterial für die Zylinder 9, den konusförmigen Schaumstoffkörper 9a und den Zylinder 11 ein Material verwendet, das vorzugsweise die folgenden physikalischen Eigenschaften aufweist:
Als kommerziell erhältliches Schaumstoffmaterial kommt hierfür beispielsweise ein geeigneter Polymethacrylimid-(PMI-)-Hartschaumstoff wie Rohacell®31 in Frage.For example, a suitable polymethacrylimide (PMI) rigid foam such as Rohacell® 31 is suitable as a commercially available foam material.
Die Trennscheiben 10 und 10a bestehen im vorliegenden Fall aus einem vorzugsweise sehr steifen Material mit guter Bruchfestigkeit und geeigneten dielektrischen Eigenschaften. Beispielsweise werden diese Anforderungen von Polyvinylchlorid (PVC hart) erfüllt.The cutting
Weiterhin weisen die Zylinder 9, der konusförmige Schaumstoffkörper 9a, der Zylinder 11 sowie die Trennscheiben 10 und 10a im vorliegenden Fall eine zentraleFurthermore, the cylinders 9, the cone-shaped foam body 9a, the cylinder 11 and the cutting
Bohrung auf, so dass gegebenenfalls zentral auf der Längsachse des Grundkörpers 1 eine oder mehrere Einspeiseleitungen für zusätzliche Antennen, die beispielsweise auf der Deckplatte 2 befestigt sein können, geführt werden können.Hole on, so that optionally centrally on the longitudinal axis of the base body 1, one or more feed lines for additional antennas, which may be mounted, for example, on the
Die Doppelwendeln T0,R0,T90,R90 der beiden Helixantennen 3,4 werden in der vorliegenden Ausführungsform jeweils durch entsprechende Bänder aus Kupferfolie gebildet, die auf die Mantelfläche des Grundkörpers 1 gewickelt sind. Demzufolge sind die jeweiligen Doppelwendeln im vorliegenden Fall an dem der Einspeisung gegenüberliegenden Enden offen. Die Bänder sind an dem Übergangsbereich zwischen der Deckplatte 2 und der Mantelfläche des Grundkörpers 1 elektrisch leitend mit den jeweiligen Sektoren 21,21 a,22,22a,23,23a,24,24a der Doppelwendeln verbunden.The double helices T0, R0, T90, R90 of the two
Die beiden Helixantennen 3,4 des erfindungsgemäßen Antennensystems können in der gewählten Ausführungsform in den beiden Bereichen von 240 - 270 MHz bzw. von 290 - 320 MHz betrieben werden, so dass ein Senden und Empfangen im UHF-Satcom System möglich ist. Da eine Resonanz bei einer niedrigeren Frequenz mit einer größeren Länge der entsprechenden Doppelwendeln verbunden ist, wird aus
Je nach der verwendeten Elektronik können die beiden Helixantennen 3,4 in der vorliegenden Ausführungsform entweder im Full-Duplex-Modus oder im Half-Duplex-Modus betrieben werden.Depending on the electronics used, the two
Aufgrund der erfindungsgemäßen symmetrischen Anordnung der beiden ineinander gewickelten Helixantennen 3,4 kann im vorliegenden Fall bereits eine Isolierung zwischen den beiden Antennen von größer 15 dB erreicht werden. Durch eine zusätzliche Verwendung von Filtern kann diese Entkopplung noch weiter verstärkt werden, beispielsweise bis auf 30 dB.Due to the symmetrical arrangement according to the invention of the two
Der typische Gewinn des vorliegenden Antennensystems mit den beiden Helixantennen 3,4 liegt typischerweise bei 0 dBi, es können jedoch auch 2 dBi erreicht werden. Es wird ein omni-hemisphärisches Strahlungsbild bei einer rechtspolarisierten Abstrahlung erzeugt. Die Antennenimpedanz beträgt 50 Ohm. Die maximale Betriebsleistung 200 W.The typical gain of the present antenna system with the two
Hierbei handelt es sich um einen Monopol in Form einer Stabantenne mit einer Dachkapazität. Dieser Monopol wird im vorliegenden Fall durch einen Kupferring 63 gebildet, der mit Hilfe von Abstandshaltern 64 in einer Querebene des Grundkörpers 1 gehalten wird und der direkt über einen isolierten Anschluss mit dem Basismodul des Antennensystems verbunden ist.This is a monopoly in the form of a rod antenna with a roof capacity. This monopole is formed in the present case by a
Die zusätzliche Stabantenne wird im vorliegenden Fall zum Empfang in den Frequenzbereichen von 1 MHz - 30 MHz und 155 MHz - 160 MHz verwendet.The additional rod antenna is used in the present case for reception in the frequency ranges of 1 MHz - 30 MHz and 155 MHz - 160 MHz.
Weiterhin befinden sich im Inneren des Montagezylinders 6 die beiden 90°-Hybridkopplungen 62 zur Erzeugung der Phasenverschiebung für die Einspeisung der Helixantennen 3,4. Diese sind auf einer den Grundkörper 1 abschließenden Abdeckung 66 angeordnet, an deren Außenseite die Anschlüsse 65 vorgesehen sind, über die das Antennensystem mit der nicht dargestellten Versorgungseinheit verbunden wird.Furthermore, the two 90 °
Die Haube zum Schutz des Antennensystems gegen Umwelteinflüsse wird in der vorliegenden Ausführungsform von einem Radom aus Glasfaserverstärktem Epoxidharz gebildet, dessen Wandstärke von der Verwendung, entweder mit einem U-Boot oder über Wasser bzw. an Land, abhängt.The hood for protecting the antenna system against environmental influences is formed in the present embodiment of a radome made of glass fiber reinforced epoxy resin whose wall thickness depends on the use of either a submarine or over water or on land.
- 11
- Grundkörperbody
- 22
- Deckplattecover plate
- 33
- Helixantennehelix antenna
- 44
- Helixantennehelix antenna
- 55
- Befestigungsplattemounting plate
- 66
- Montagezylindermounting cylinder
- 77
- Einspeiseleitungfeeder
- 7a7a
- Innenleiterinner conductor
- 88th
- Leitungmanagement
- 99
- Schaumstoffzylinderfoam cylinder
- 9a9a
- Schaumstoffkonusfoam cone
- 1010
- Trennscheibecutting wheel
- 10a10a
- Trennscheibecutting wheel
- 1111
- kleiner Schaumstoffzylin- dersmall foam cylinder
- 21, 21 a21, 21 a
- Sektorensectors
- 22, 22a22, 22a
- Sektorensectors
- 23, 23a23, 23a
- Sektorensectors
- 24, 24a24, 24a
- Sektorensectors
- 51,51 a51.51 a
- Anschlüsseconnections
- 52,52a52,52a
- Anschlüsseconnections
- 53,53a53,53a
- Anschlüsseconnections
- 54,54a54,54a
- Anschlüsseconnections
- 5555
- Schraubenlöcherscrew holes
- 5656
- Schraubenscrew
- 6161
- Stirnseite von 6Front side of 6
- 6262
- Hybridkopplungenhybrid couplings
- 6363
- Kupferringcopper ring
- 6464
- Abstandshalterspacer
- 6565
- Anschlüsseconnections
- 6666
- Abdeckungcover
- T0T0
- Doppelwendeldouble helix
- T90T90
- Doppelwendeldouble helix
- R0R0
- Doppelwendeldouble helix
- R90R90
- Doppelwendeldouble helix
Claims (10)
- An antenna system for simultaneous operations in at least two different frequency bands, in particular for transmitting and receiving in full duplex mode, comprising at least two helix antennas (3, 4) with four coils each, wherein each of the antennas comprises two double coils (R0, R90, T0, T90) disposed in a circumferential direction a with 90° offset from one another and is excited with a 90° degree phase shift, wherein- the two helix antennas (3, 4) are wound about the same longitudinal axis and are rotated relative to one another with respect to their common longitudinal axis by an angle of 45°,- the double coils (R0, R90, T0, T90) of both helix antennas, 3, 4) respectively have the same distance from the longitudinal axis in any sectional plane transversal to the longitudinal axis;- each double coil (R0, R90, T0, T90) is fed through a coaxial feed conductor (7), wherein one of the coils of the respective double coil (R0, R90, T0, T90) is connected with the outer conductor of the associated feed conduit (7) and the other coil is connected with the inner conductor (7a) of the feed conductor (7),- the symmetric control of each double coil of the helix antennas (3, 4) is respectively performed through a short circuit conductor (8),- the respective short circuit conductor (8) together with the inner conductor (8a) is connected with an associated other coil;- all feed conduits (7) and short circuit conduits (8) are symmetrically disposed in a longitudinal direction of the antenna system at the same distance from the longitudinal axis of the helix antennas (3, 4);- one respective feed conduit (7) and an associated shorting conduit (8) are diametrically opposed,- the feed conduits (7) and the short circuit conductors (8) are substantially run at a constant distance from the longitudinal axis and the distance is only reduced proximal to the feed points; and- the feed conduits (7) and the shorting conduits (8) are fixated in position at least over a portion through a foam material (9, 9a, 11) configured as separate foam material elements, wherein the feed conductor (7) and the short circuit conductor (8) are supported in grooves on the enveloping surface of separate foam material elements (9, 9a, 11).
- The antenna system according to claim 1, wherein- the double coils (R0, R90, T0, T90) of the two helix antennas (3, 4) are disposed on the enveloping surface of an element that is rotation symmetrical to the longitudinal axis, and- the rotation symmetrical element is a cylinder in particular.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein- the feeding for the respective helix antenna (3, 4) is performed in a plane extending transversal to the longitudinal axis, wherein the plane is disposed at an end of the respective helix;- feeding planes of both helix antennas, (3, 4) coincide in particular, and- a common feeding plane of both helix antennas (3, 4) is disposed in particular at an end of the helix antennas (3, 4) oriented towards a radiation direction.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein- the double coils (R0, R90, T0, T90) of at least one helix antenna (3, 4) are open at the non-excited end, or- the double walls (R0, R90, T0, T90) of the two helix antennas (3, 4) have the same pitch.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein- the double coils (R0, R90, T0, T90) of the two helix antennas (3, 4) have different lengths, so that the helix antennas (3, 4) have different resonance frequencies; and- in particular one helix antenna (3, 4) has a resonance frequency in a range of 210 to 300 MHz, in particular 240 to 270 MHz, and a second helix antenna (3, 4) has a resonance in a range of 260 to 350 MHz, in particular 290 to 320 MHz.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein the at least two frequency bands include frequency bands from 210 to 300 MHz, in particular from 240 to 270 MHz and from 260 to 350 MHz, in particular from 290 to 320 MHz.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein the two helix antennas (3, 4) with respect to their geometric dimensions, in particular their ratio of length to diameter, are configured, so that they include omni- hemispherical radiation characteristics for waves polarized in a right circular manner.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein- at least one additional antenna is provided coaxial to the two helix antennas (3, 4), and- in particular the at least one additional antenna is a mono-polar transmitter, in particular a rod antenna (63), which due to its geometric dimensions is usable for receiving in the frequency ranges of 0.5 to - 60 MHz and 125 - 190 MHz, in particular in the frequency ranges of 1 - 30 MHz and 155 - 160 MHz.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein the foam elements (9, 9a, 11) have a cylindrical or cone shape.
- The antenna system according to one of the preceding claims, wherein plates (10, 10a) made from a non-flexible material are disposed between the particular foam elements (9, 9a, 11), wherein the conductors (7, 8) to be supported are run through openings in the plates.
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