EP2955788A1 - Antenna system for broadband satellite communication in the ghz frequency range with dielectrically filled horn radiators - Google Patents
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- EP2955788A1 EP2955788A1 EP15178569.8A EP15178569A EP2955788A1 EP 2955788 A1 EP2955788 A1 EP 2955788A1 EP 15178569 A EP15178569 A EP 15178569A EP 2955788 A1 EP2955788 A1 EP 2955788A1
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Definitions
- the invention relates to an antenna system for broadband communication between earth stations and satellites, in particular for mobile and aeronautical applications.
- the weight and size of the antenna system are very important because they reduce the payload of the aircraft and cause additional operating costs.
- the problem therefore is to provide antenna systems that are as small and lightweight as possible, which nevertheless satisfy the regulatory requirements for transmitting and receiving operation when operating on mobile carriers.
- envelopes envelopes or masks
- envelopes envelopes or masks
- the values specified for a certain distance angle may be used in the transmission mode of the antenna system not be exceeded. This leads to stringent requirements for the angle-dependent antenna characteristic.
- the antenna gain must drop sharply. This can be achieved physically only by very homogeneous amplitude and phase assignments of the antenna. Typically, therefore, parabolic antennas are used which have these properties.
- parabolic mirrors are poorly suited for most mobile applications, especially on airplanes, because of their size and because of their circular aperture.
- the antennas are mounted on the fuselage and therefore may only have the lowest possible height because of the additional air resistance.
- Antennas which are designed as sections of paraboloid ("banana-shaped mirror"), although possible, but have geometrie DIN only a very low efficiency.
- Antenna fields which are constructed of individual radiators and have suitable feed networks, however, can be performed in any geometry and any length to aspect ratio without the antenna efficiency suffers. In particular, antenna fields of very low height can be realized.
- horns are by far the most efficient single emitters in fields.
- horns can be designed broadband.
- grating lobes In the case of antenna fields which are constructed from horn radiators and are fed with pure waveguide networks, however, the known problem of significant parasitic sidelobes (so-called “grating lobes” or “grating lobes”) occurs in the antenna pattern. These grating lobes are caused by the fact that the beam centers (phase centers) of the antenna elements which form the antenna field, due to the dimension of the Hohleiternetztechnike by design too far away from each other. This can, in particular at frequencies above about 20 GHz, under certain Beam angles for positive interference of the antenna radiator and thus lead to the unwanted emission of electromagnetic power in unwanted solid angle ranges.
- reception and transmission frequencies are also far apart in terms of frequency, and if the distance between the beam centers has to be designed according to the minimum useful wavelength of the transmission band, then the horns regularly become so small that the reception band can no longer be supported by them.
- the minimum useful wavelength is only about 1cm. So that the radiation elements of the antenna field are dense, so no parasitic side lobes (grating lobes) occur, the aperture area of a square horn may only be about 1cm x 1cm. However, conventional horns of this size have only a very low performance in the reception band at approx. 18 GHz - 21 GHz, since they have to be operated close to the cut-off frequency because of the finite aperture angle. The Ka-receiving band can no longer support such horns or their efficiency decreases very much in this band.
- the horns generally have to support two orthogonal polarizations, which further restricts the geometrical margin, since an orthomode signal converter, so-called transducers, becomes necessary at the horn output.
- An embodiment of the orthomode signal converter in waveguide technology fails regularly because at higher GHz frequencies not enough space is available.
- feed networks for fields of horns which are implemented in high-power technology, produce only very small dissipative losses.
- the individual horns of the fields are fed by waveguide components and the entire feed network also consists of waveguide components.
- the receiving and the transmitting band are far apart in terms of frequency, however, the problem arises that conventional waveguides can no longer support the then required frequency bandwidth.
- the required bandwidth is more than 13 GHz (18 GHz - 31 GHz).
- Conventional rectangular waveguides can not efficiently support such a large bandwidth.
- grating-free free antenna diagrams can be achieved if the phase centers of the individual emitters are less than one wavelength of the maximum useful frequency.
- the side lobes of the antenna diagram can be suppressed by parabolic amplitude assignments of such antenna fields (eg JD Kraus and RJ Marhefka, "Antennas: for all applications", 3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002 ).
- an antenna pattern which is optimally adapted to the regulatory mask for a given antenna size can be achieved (eg DE 10 2010 019 081 A1; Seifried, Wenceslas et. al.).
- a horn antenna array is known in which in the Einzelhornstrahler a pyramidal dielectric can be introduced into the center to improve the directivity of the antenna.
- GB 2 426 876 A shows an antenna system with multiple horns, the multi-layered is constructed, but so that no separation of different polarization supporting microstrip lines is connected.
- the object of the invention is to provide a broadband antenna system in the GHz frequency range, in particular for aeronautical applications, which allows a regulatory compliant transmission operation over a wide bandwidth with maximum spectral power density and at the same time has a high antenna efficiency and low intrinsic noise in the receive mode ,
- the antenna system consists of at least four horns, which are completely filled with a dielectric.
- the effective wavelength in the horns increases and these are able to support much larger bandwidths than would be the case without filling.
- dielectric fillings lead to parasitic losses through the dielectric, these losses remain comparatively small, especially in the case of very small horns. For example, e.g. For applications in the Ka band, a dielectric filling with a dielectric constant of about 2 is sufficient. With horns only a few centimeters deep, this leads to losses of ⁇ 0.2 dB when using suitable materials.
- the dielectric per filled horn consists of at least three layered parts, wherein between each two parts of the dielectric one of the feeds of the horn is arranged.
- the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric with which the horn radiators are filled is chosen such that the dielectrically filled horn radiators can still be optimally operated in the lowest frequency useful band of the antenna system.
- the condition for this is that the wavelength belonging to the lowest usable frequency in the Dielectric still sufficiently far above the lowest operating frequency, which is given by the geometric dimensions of the horn, is removed.
- the dimension of the aperture of the horns is at least in one direction less than or equal to the wavelength ⁇ S a reference frequency, which lies in the transmission band of the antenna.
- ⁇ E is the free space wavelength of the lowest usable frequency
- ⁇ e . medium ⁇ e ⁇ . if ⁇ denotes the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric at the corresponding frequency.
- a horn only works satisfactorily if at least one aperture dimension is close to the wavelength of the lowest useful frequency, because only then does a regular antenna pattern of the single radiator result.
- condition (3) applies to single insulated horns and is too strict for antenna systems composed of multiple horns, since the mutual electromagnetic couplings of the horns are not considered.
- the individual radiators support a first and a second polarization and the two polarizations are mutually orthogonal.
- the first and second polarization are linear polarizations.
- the signals of the two orthogonal polarizations are carried in separate feed networks, which has the advantage that with the aid of corresponding components, such as e.g. Polarizers or 90 ° hybrid couplers, both linearly polarized signals and circularly polarized signals can be sent or received.
- corresponding components such as e.g. Polarizers or 90 ° hybrid couplers
- the antennas can have the smallest possible size and nevertheless a regulatory compliant transmission mode with maximum spectral power density is possible, it is also provided according to an advantageous development of the invention that at least a portion of the individual radiator is dimensioned so that the distance of the directly adjacent individual radiator Phase centers of the individual radiator is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency at which no parasitic sidelobes (grating lobes) may occur (reference frequency in the transmission band).
- At least four adjacent individual radiators are also located in different directly adjacent modules, then at least one direction is defined by the antenna field, so that for this direction the distance of the phase centers of the individual radiators is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency, in which no parasitic side lobes ( grating-lobes) may occur.
- grating lobes In this direction, preferably along a straight line through the antenna field, directly adjacent individual radiators are then close, so that no parasitic side lobes ("grating lobes") can occur in the corresponding section through the antenna pattern. Otherwise, these grating lobes would lead to a sharp reduction in the regulatory spectral power density.
- Such rectangular modules can be assembled in a space-saving manner to antenna fields.
- the rectangular modules can be fed in a relatively simple manner with binary microstrip networks.
- the individual radiators In order to realize antennas with the lowest possible dissipative losses, it is advantageous to design the individual radiators as horn radiators, which belong to the lowest-loss antennas. Both horns with rectangular and with a round aperture can be used. If grating lobes are not to occur in any section through the antenna pattern, square aperture horns are advantageous, the size of the aperture opening then being chosen such that the spacing of the phase centers of directly adjacent horns is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency as the reference frequency. in which no grating praise may occur.
- the apertures of the horns and the steps are designed such that the horns function optimally both in the receiving and in the transmission band of the antenna.
- the horns have a rectangular aperture whose two edge lengths are less than or equal to the free space wavelength of a reference frequency which lies in the transmission band of the antenna.
- the area available for the antenna system is optimally utilized and a maximum antenna gain is achieved.
- the horns are designed so that they have at least one rectangular cross section between the aperture (horn opening) and the horn end, for the longer edge k E applies k e ⁇ ⁇ e 2 ⁇ ⁇ .
- ⁇ E denotes the free space wavelength of the lowest usable frequency
- ⁇ the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric filling. This ensures that the lowest usable frequency (typically the lowest reception frequency) is above the lower cut-off frequency ("cut-off" frequency) of the horn.
- the horns also have at a deeper point over another rectangular cross-section, for the longer edge k T applies k T ⁇ ⁇ T 2 ⁇ ⁇ .
- ⁇ T denotes the free space wavelength of the highest use frequency.
- the individual radiators are designed as horn radiators in such a way that in the two polarization planes with symmetrical geometrical constrictions, i. Constrictions are equipped and fed separately at its output for each of the two orthogonal polarizations on the belonging to the respective polarization direction geometric constriction.
- Such geometrical constrictions can greatly increase the bandwidth of the horns.
- the horns are designed as stepped horns ("stepped horns"). By adjusting the width and length of the stages, as well as the number of stages, then the antenna can be optimally adapted to the respective usable frequency bands.
- the horns are designed to support two orthogonal linear polarizations. With such horns, insulations far exceeding 40 dB can be achieved. Especially with signal codings with high spectral efficiency such isolation values are required.
- a further improvement in the reception power in particular in the case of very small horn radiators, can be achieved by equipping the individual horn radiators with a dielectric cross-septum or a dielectric lens.
- the insertion loss (S 11 ) in the receiving band can be significantly reduced by such structures, even if the aperture areas of the individual radiators are already so small that a free-space wave without these additional dielectric structures would already be almost completely reflected.
- the horns of the antenna array are fed in parallel according to a further advantageous development of the invention. This is most effective when the microstrip lines and the waveguides are constructed as binary trees, since the number of power dividers needed in the general case of arbitrary values of the total number of individual radiators N and arbitrary values of the number of individual radiators in a module N i becomes so minimal.
- the binary trees are in the general case neither completely nor completely symmetrical.
- the feed networks of the antenna system can be designed as complete and fully symmetrical binary trees and all individual emitters can have equal length feeder lines, ie also similar attenuations.
- microstrip lines are located on a thin substrate and are guided in closed metallic cavities, wherein the cavities are typically filled with air.
- a substrate is typically referred to as being thin if its thickness is smaller than the width of the microstrip lines.
- the production of densely packed antenna systems can be greatly facilitated by being constructed of multiple layers and by having the microstrip networks of the two orthogonal polarizations between different layers.
- the modules of the antenna system can then be assembled from a few layers.
- the layers of aluminum or similar electrically conductive materials which can be structured with the known structuring method (milling, etching, lasers, wire erosion, water cutting, etc.).
- the microstrip line networks are patterned on a substrate by known etching techniques.
- the cavities through which the microstrip lines are routed are structured directly with the metallic layers. If the cavities are designed as notches or depressions in the metal layers lying above and below the microstrip line, then the microstrip line lies together with its substrate in a cavity which consists of two half shells. The walls of the cavity can be electrically closed by providing the substrate with electrical vias. In such arrangements, "fences" by Vias can almost completely prevent the loss of electromagnetic power.
- reception and transmission bands of the antenna are very far apart in terms of frequency, then it may be the case that standard hollow conductors (rectangular waveguides) can no longer support the required bandwidth.
- the number and arrangement of constrictions depend on the design of the antenna system.
- double-ridged waveguides are advantageous, which can have a significantly larger bandwidth than standard waveguide.
- These Waveguides have a geometric constriction parallel to the supported polarization direction, preventing the formation of parasitic higher modes.
- dielectrically filled waveguides are used for the waveguide supply networks.
- Such waveguides require much less space than air-filled waveguide.
- a part or a whole waveguide network may additionally consist of dielectric filled waveguides. Also a partial filling is possible.
- LNA low noise amplifier
- HPA high power amplifier
- Such frequency diplexers separate the reception from the transmission band.
- waveguide diplexers are advantageous because they can achieve a very high isolation and are also very low attenuation.
- each module of the antenna array is equipped with a diplexer directly at its output or input.
- At the input and output of these diplexers are then all signal combinations in pure form: polarization 1 in the receiving band, polarization 2 in the receiving band, polarization 1 in the transmission band and polarization 2 in the transmission band.
- the modules can then be interconnected by four corresponding waveguide supply networks. This embodiment has the advantage that the waveguide supply networks do not have to be very broadband in terms of frequency since they each only have to be suitable for signals of the receiving or transmitting band.
- the frequency diplexers are mounted only at the input or output of the waveguide networks. Such an embodiment saves space, but typically requires a broadband design of the waveguide networks.
- both the intra-modular microstrip line networks and the inter-modular waveguide networks are designed to simultaneously support the transmit and receive bands.
- the antenna is provided with frequency diplexers which are connected to a suitable radio frequency switching matrix, then dynamic switching between the orthogonal polarizations is possible (polarization switching).
- Such embodiments are particularly advantageous when the antenna is to be used in satellite services, which work with the so-called “spot beam” technology.
- spot beam coverage areas (cells) of relatively small area are formed on the earth's surface (typical diameter in the Ka band approx. 200km -300km).
- frequency re-use adjacent cells are only distinguished by the polarization of the signals.
- the antenna is used in satellite services where the polarization of the transmit signal is fixed and does not change temporally or geographically, it is advantageous if the first intra-modular microstrip line network and the associated inter-modular waveguide network point to the Receiving band of the Antennne, and the second intra-modular microstrip network and the associated inter-modular waveguide network are designed for the transmission band of the antenna system.
- This embodiment has the advantage that the respective feed networks can be optimized for the respective usable frequency band, and thus a very low-loss antenna system of very high performance is created.
- the feed networks are equipped with so-called 90 ° hybrid couplers.
- 90 ° hybrid couplers are four-gates which have two orthogonal linearly polarized signals in two orthogonal circular convert polarized signals or vice versa. With such arrangements, it is then possible to send or receive also circularly polarized signals.
- the antenna array for receiving and transmitting circularly polarized signals can also be equipped with a so-called polarizer.
- these are suitably structured metallic layers ("layers") which lie in a plane approximately perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave.
- the metallic structure acts in such a way that it acts capacitively in one direction and inductively in the orthogonal direction. For two orthogonally polarized signals, this means that a phase difference is imposed on the two signals. If the phase difference is now set to be just 90 ° when passing through the polarizer, then two orthogonal linearly polarized signals are converted to two orthogonal circularly polarized signals, and vice versa.
- the polarizer advantageously consists of several layers, which are mounted at a certain distance (typically in the region of a quarter wavelength) from each other.
- a particularly suitable embodiment of the polarizer is a multi-layer meander polarizer.
- metallic meander structures of suitable dimensions are patterned on a typically thin substrate using the usual structuring methods.
- the substrates structured in this way are then glued onto foam boards or laminated to form sandwiches.
- foams are e.g. low-loss closed-cell foams such as Rohacell or XPS in question.
- very high useful bandwidths and high cross-polarization isolations are achieved when the polarizer is not mounted exactly perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave in front of the antenna field, but slightly tilted.
- the typical distance of the polarizer to the aperture surface of the antenna array is in the range of a wavelength of the useful frequency and the tilt angle to the aperture plane in the range of 2 ° to 10 °.
- the antenna pattern of the antenna system in the transmission band must be below a regulatory mask and can only be transmitted with high spectral power densities for small antennas if the diagram is as close as possible to the mask, it can be used by Be advantageous to provide the antenna system with an amplitude assignment ("aperture amplitude tapering").
- Parabole amplitude assignments of the aperture are particularly suitable in the case of flat aperture openings for this purpose.
- Parabole amplitude assignments are characterized in that the power contributions of the individual radiators from the edge of the antenna field towards the center increase and z. B. results in a parabolic-like course.
- Such amplitude assignments of the antenna field lead to a suppression of the side lobes in the antenna pattern and thus to a higher regulatory allowable spectral power density.
- the amplitude occupancy of the antenna system is preferably designed to be at least along the direction through the antenna system in which the radiating elements are close. acts.
- the beam elements are dense in the direction in which the distance of the phase centers of the individual radiators is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency at which no significant parasitic side lobes (grating lobes) may occur.
- Fig. 1 represents an exemplary embodiment of an antenna module of an antenna according to the invention.
- the individual emitters 1 are designed here as rectangular horns, which can support two orthogonal polarizations.
- the intra-modular microstrip line networks 2, 3 for the two orthogonal polarizations are located between different layers.
- the dimensions of the individual radiators and the size of their aperture surfaces are chosen so that the distance of the phase centers of the individual beam elements along both major axes is smaller than ⁇ min , where ⁇ min denotes the wavelength of the highest useful frequency. This distance ensures that parasitic sidelobes, so-called “grating lobes", can not occur in any direction in the antenna diagram up to the highest usable frequency (reference frequency).
- both microstrip line networks provide a 64: 1 power splitter as they combine the signals from 64 individual emitters.
- An exemplary internal organization of the two microstrip transmission networks is in Fig. 2 shown.
- modules have a smaller or larger number of horns include.
- K / Ka-band antennas for example, 4 x 4 modules are optimal.
- the microstrip line networks then provide a 16: 1 power splitter that merges the signals from 16 individual emitters.
- the microstrip lines in this case are relatively short and their noise contribution therefore remains small.
- an antenna with optimum performance parameters can be constructed by appropriate design of the module sizes.
- the modules are only made as large as necessary in order to feed them with waveguides can. The parasitic noise contribution of the microstrip lines is thereby minimized.
- the two microstrip line networks 2, 3 couple the merged signals into polarized-to-waveguide couplings 4, 5, respectively, according to polarization, as shown in FIG Fig. 1b is shown.
- polarized-to-waveguide couplings 4, 5 By means of these waveguide couplings 4, 5, an arbitrarily large number of modules can be coupled efficiently and with low attenuation to form an antenna system according to the invention with the aid of waveguide networks.
- Fig. 2 shows two exemplary microstrip line networks 2, 3 for feeding the individual radiator 1 of the 8 x 8 antenna module of Fig. 1 , Both networks are designed as binary 64: 1 power dividers.
- the orthogonally polarized signals in the individual horns of the 8 x 8 module or coupled is input or output to the waveguide couplings 4a and 5a in waveguides. Since the two microstrip line networks 2, 3 are typically superimposed in two planes, waveguide feedthroughs 4b and 5b are also located on the corresponding board in order to create an opening and the connection to the waveguide couplings 4a and 5a, respectively.
- the microstrip line networks 2, 3 can be made by any known method. Whereby low-loss substrates for antennas are particularly suitable.
- Fig. 3 shows by way of example how different antenna modules 8 can be coupled to antenna systems according to the invention.
- Antenna systems according to the invention consist of a number M of modules, where M must be at least two.
- modules may e.g. also be arranged in a circle. Also, not all modules must have the same size (number of individual emitters).
- the modules 8 are now connected to each other by means of the waveguide networks 9, 10.
- the waveguide networks 9, 10 themselves each represent an M: 1 power divider, so that the two orthogonally polarized signals can be fed into the antenna system via the sum ports 13, 14 or be coupled out of the antenna system.
- waveguides 9, 10 can be provided with a wide variety of waveguides, such as, for example, waveguide networks.
- waveguide networks Conventional rectangular or round waveguides or broad-banded ridged waveguides are used. Dielectric filled waveguide are conceivable.
- the individual radiators 1 are dimensioned (s. Fig. 1 ) that for at least one direction through the antenna array, the distance of the phase centers of the horns is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency at which no grating lobes may occur.
- the individual radiators 1 are supplied separately by microstrip lines for each of the two orthogonal polarizations (see FIG. Fig. 2 Microstrip-to-waveguide couplings 6, 7).
- microstrip lines of one orthogonal polarization are connected to the first intra-modular microstrip line network 2 and the microstrip lines of the other orthogonal polarization are connected to the second intra-modular microstrip line network 3.
- the first micro-strip intra-modular network 2 is coupled to the first inter-modular waveguide network 9 and the second micro-strip intra-modular network 3 is coupled to the second inter-modular waveguide network 10 such that the first inter-modular waveguide network 9 receives all of the one orthogonal signals Polarization at the first sum port 13 merges and the second inter-modular waveguide network 10 all signals of the other orthogonal polarization at the second summing port 14 merges.
- microstrip line networks 2, 3 and the waveguide networks 9, 10 are constructed here as complete and fully symmetrical binary trees, so that all individual radiators 1 are fed in parallel.
- the Figures 3c and 3d show a physical realization of a corresponding antenna system.
- the modules 8 consist of individual radiators 1 and have two different sizes, ie the number of individual radiators 1 per module 8 is not the same for all modules 8.
- the middle four modules 8 each have 8 individual emitters 1 more than the other four modules 8.
- the height of the antenna system at the left and right edges is less than in the central area.
- Such embodiments are particularly advantageous when the antenna system must be optimally adapted to an aerodynamic radome.
- the modules 8 are fed separately with two waveguide networks 9 and 10 for each polarization.
- the waveguide networks 9, 10 are located in two separate layers behind the modules and the modules are connected to the waveguide networks 9, 10 through the coupling points 11, 12, which are coupled to the waveguide couplings of the modules 4, 5 ,. Both waveguide networks 9, 10 are realized here as cutouts.
- the receive frequency band is approximately 19GHz - 20GHz and the transmit frequency band is approximately 29GHz - 30GHz.
- the aperture of the individual radiators 1 must not be more than 1 cm x 1 cm in size ⁇ min is 1 cm).
- the primary individual radiators 1 are designed as ridged horns. Such horns may have a much wider than conventional horns frequency bandwidth.
- the impedance matching of such toothed horns to the free space then takes place according to the method of antenna physics.
- the toothed horns can be designed so that they can support two orthogonal polarizations. This is achieved, for example, by virtue of the fact that the horns are quadripartite-toothed ("quad-ridged").
- the signals of the orthogonal Polarizations are supplied and removed by separate microstrip line networks 2, 3.
- Fig. 4a schematically shows the detailed structure of a equipped with symmetrical geometrical constrictions horn with the example of a four-tooth horn horn 1.
- the horn 1 consists of three segments (layers), which are located between the segments, the two microstrip lines networks 2.3.
- the horns 1 are provided with symmetrical geometric constrictions 15, 16 corresponding to the orthogonal directions of polarization which extend along the propagation direction of the electromagnetic wave.
- Such horns are referred to as "toothed" horns.
- Is shown in Fig. 4a an exemplary quadruple toothed single horn that can support broadband two orthogonal polarizations.
- horns 1 can be realized, which can also support frequency far distant transmitting and receiving bands without significant losses in efficiency.
- An example of this are K / Ka band satellite antennas.
- the reception band lies at 18 GHz - 21 GHz and the transmission band at 28 GHz - 31 GHz.
- the depth, width and length of the steps depend on the desired frequency bands and can be determined with numerical simulation methods.
- the coupling or decoupling of the signals onto the microstrip network 2, 3 typically takes place at the narrowest point of the constrictions 15, 16 for the respective polarization direction, which allows a very broadband impedance matching.
- Fig. 4d schematically shows a part of the longitudinal section through a toothed horn at the location of two opposing constrictions 16.
- the constrictions 16 are executed stepped and the distance d i of opposite stages decreases from the aperture of the horn (above) to the horn end (down) down.
- the horn itself is stepped (cf. Fig. 4a-c ), so that at each stage, the edge length a i of the horn opening in the corresponding cross section from the aperture of the horn to the horn end also decreases.
- the distances d i and the associated edge lengths a i , or at least a part thereof, are now designed so that the associated lower limit frequency of the respective toothed waveguide section is below the lowest useful frequency of the horn. Only when this condition is met can the electromagnetic wave of the appropriate wavelength penetrate into the horn to waveguide-to-microstrip line coupling, where it can be coupled in and out.
- the distances d i and the associated edge lengths a i are advantageously chosen so that a sufficient distance to the cutoff frequency remains and the attenuation does not become too high.
- Fig. 5 3 schematically shows the structure according to the invention of a 2 ⁇ 2 antenna module consisting of four quadruple toothed horns 1, four outcouplings 17 on the microstrip line networks 2, 3, two microstrip line networks 2, 3 separated for each of the two orthogonal polarizations, and outcouplings of the microstrip line networks 2, 3 on the waveguide coupling 4, 5 has.
- the constrictions as symmetrical teeth 15, 16 of the horns 1 are also shown.
- the two orthogonally polarized signals pol 1 and pol 2 whose reception or radiation is supported by the horns 1 are fed through the extraction or injection points 17 in the corresponding microstrip line network 2, 3 and extracted from this.
- microstrip line networks 2, 3 are designed as binary 4: 1 power dividers and couple the sum signals into the waveguides 4, 5.
- the distance of the phase centers of two adjacent horns 1 in the vertical direction is smaller than ⁇ min , so that at least in this direction in the antenna diagram no unwanted parasitic sidelobes ("grating lobes") can occur and the horns are close in this direction.
- phase centers of the horns 1 fall in the in Fig. 5 illustrated example with the beam centers of the horns 1 together. In general, however, this is not necessarily the case. However, the position of the phase center of a horn 1 of any geometry can be determined by numerical simulation methods.
- microstrip lines For the coupling and decoupling of the signals supported by the toothed horns 1 microstrip lines are due to their known broadband in a special way. In addition, microstrip lines require very little space, so that high-efficiency, broadband horn antenna systems whose antenna patterns have no parasitic sidelobes ("grating lobes"), even for very high frequencies (for example, 30 GHz - 40 GHz) can be realized.
- grating lobes parasitic sidelobes
- the antenna modules are constructed of dielectrically filled horns 18.
- the horns 18 filled with a dielectric 19 are arranged here by way of example in an 8 ⁇ 8 antenna field and are coupled to one another via the microstrip line networks 2 and 3.
- the microstrip line networks 2, 3 couple the sum signals into the waveguide couplings 4, 5.
- the dielectric packing (dielectric) 19 also consists of three segments, each defined by the microstrip line networks 2, 3.
- the individual radiators 1 can support two widely spaced frequency bands, they are executed stepped in their interior, as in the sections Fig. 7b-c is shown by way of example.
- the extraction or coupling of the highest frequency band is typically at the narrowest or lowest point by the microstrip network 3, which is farthest from the aperture of the single radiator 1.
- the lower frequency band is switched on or coupled in at a further point to the aperture opening, by a microstrip line network 2.
- the depth, width and length of the steps depend on the desired frequency bands and can also be determined with numerical simulation methods.
- the horn 1 can also be designed so that both inputs and outputs can support both the transmit and the receive frequency band.
- the dielectric filling body 19 is also designed to match exactly stepped.
- the shape of the filling body 19 on the aperture surface depends on the electromagnetic requirements of the antenna pattern of the single radiator 1.
- the filler 19 can be performed flat as shown at the aperture opening. However, others, e.g. curved inwards or outwards, versions possible.
- dielectrics come a variety of known materials such as Teflon, polypropylene, polyethylene, polycarbonate, or polymethylpentene in question.
- a dielectric having a dielectric constant of about 2 is sufficient (e.g., Teflon, polymethylpentene).
- the horn antenna 18 is completely filled with a dielectric 19.
- embodiments with only partial filling are also possible.
- the advantage of using dielectrically filled horns is that the horns themselves have a much less complex internal structure than in the case of toothed horns.
- Fig. 7d is an advantageous embodiment of a stepped executed dielectrically filled horn radiator, which has a rectangular aperture has shown schematically.
- Fig. 7d shows the view of the horn from above (top view) with the aperture edges k 1 and k 2 , and the longitudinal sections through the horn along the lines AA 'and B-B'.
- the horn is now designed so that there is a first rectangular cross-section through the horn, the opening of which has a long edge k E , and a second cross-section exists through the horn, the opening of which has a long edge k s .
- the horn support the reception band.
- the horn can also support the transmission band, and this is true even if receiving band and transmission band are far apart.
- Such stepped horn radiators can also be operated without or only with partial dielectric filling and that the in Fig. 7d illustrated embodiment can be extended to any number of rectangular horn sections and thus to any number of Nutzb Sn.
- the edge lengths k 1 and k 2 of the rectangular aperture of the horn are chosen so that both k 1 as well as k 2 are smaller or highest equal to the wavelength of the reference frequency, which is in the transmission band of the antenna.
- the available space is then optimally utilized and a maximum antenna gain is achieved.
- Fig. 8 shows an exemplary 2 x 2 antenna module, which consists of four dielectrically filled horns 18. As in Figure 7b-c shown here are the inputs or outputs in the microstrip network 2, 3 completely embedded in the dielectric 19. Otherwise, the module does not differ from the corresponding module of toothed horns, as in Fig. 5 is shown, the microstrip line networks 2, 3 are connected to the waveguide couplings 4, 5 respectively.
- Fig. 9 is shown a further advantageous embodiment.
- the module is equipped with a dielectric grid 20 extending over the entire aperture opening.
- Such dielectric gratings 20 can greatly improve the impedance matching, particularly at the lower frequency band of the single radiators 1, by reducing the effective wavelength in the vicinity of the aperture openings of the single radiators 1.
- Fig. 9 This is achieved by the fact that dielectric crosses are located above the centers of the aperture openings of the individual radiators.
- dielectric grid 20 need not be regular or periodic.
- the grating for the horns 1 at the edge of the antenna has a different geometry than for the horns 1 in the center.
- edge effects could be modeled.
- Fig. 10a-b represents an exemplary module, which is built in layer technology.
- modules according to the invention can be produced particularly cost-effectively.
- the reproducibility of the modules is guaranteed.
- the first layer consists of an optional polarizer 21, which is used in circularly polarized signals.
- the polarizer 21 converts linearly polarized signals into circularly polarized and vice versa, depending on the polarization of the incident signal.
- circularly polarized signals are converted into linearly polarized signals, so that they can be received lossless from the horns of the module.
- the radiated from the horns converted linearly polarized signals into circularly polarized signals and then emitted into the free space.
- the next two layers form the front part of the horn radiation field, which comprises the primary horn structures 22 without coupling-in or coupling-out unit.
- the following layers 23a, 2 and 23b form the coupling in and out of the first linear polarization from the horns of the field.
- the microstrip line network 2 of the first polarization and its substrate are embedded in metallic carriers (layers) 23a, 23b.
- the carriers 23a, 23b have recesses (notches) at the locations where a microstrip line runs (cf. Fig. 11d , Reference numeral 25).
- microstrip line network 3 of the second, orthogonal polarization with its substrate is embedded in the carriers 23b, 23c.
- the primary horn structures 22, supports 23a-c and waveguide terminations 24 are electrically conductive and can be inexpensively formed by the known methods of metalworking, e.g. made of aluminum (e.g., milling, laser cutting, water jet cutting, electroerodizing).
- the layers from plastic materials, which are subsequently completely or partially coated with an electrically conductive layer (for example galvanically or chemically).
- an electrically conductive layer for example galvanically or chemically.
- the plastic layers e.g. also the known injection molding process can be used.
- Such embodiments have the advantage over layers of aluminum or other metals that a significant weight reduction can result, which is particularly advantageous in applications of the antenna system on aircraft.
- Fig. 11a-d 10 show the detail structure of the microstrip line networks 2, 3 embedded in the metallic carriers.
- the recesses (notches) 25 are designed so that the microstrip lines 26 of the microstrip line networks 2, 3 run in closed metallic cavities. The microwave losses are thereby minimized.
- the substrates (circuit board) of the microstrip lines 26 since with the finite thickness of the substrates (circuit board) of the microstrip lines 26 a gap remains between the metallic layers, could escape through the microwave power, it is provided to the substrates with metallic vias 27 at the edges of the notches, so that the metallic supports are galvanically connected, and so the cavities are completely electrically closed. If the plated-through holes 27 are sufficiently dense along the microwave lines 26, then microwave power can no longer escape.
- the plated-through holes 27 are flush with the metallic walls of the cavity 25.
- the electromagnetic properties of such a structure are similar to those of an air-filled coaxial line.
- a very broadband microwave line is possible and parasitic higher modes are not capable of propagation.
- the tolerance requirements are low.
- the Hornstrahlereinkopplitch or -auskopplungen 6, 7 are integrated directly into the metallic carrier.
- Fig. 12 shows the vacuum model of an exemplary 8 x 8 antenna module.
- the horns 1 are densely packed and still leaves more than enough space for the microstrip line networks 2, 3, and for the waveguide terminations 28 of the individual radiator 1 and the waveguide couplings 4, 5.
- a dielectric grating 20 is mounted in front of the aperture plane.
- the waveguide networks which couple the modules together from toothed waveguides.
- toothed waveguide a much larger Frequency bandwidth can have as conventional waveguide or can be designed specifically for different utility bands.
- FIG Fig. 13 An exemplary network of dual-toothed waveguides is shown in FIG Fig. 13 shown schematically.
- the rectangular waveguides are provided with symmetrical geometrical constrictions 29, which are supplemented by vertical constrictions 30 at the location of the power dividers.
- the design of the toothed waveguides and corresponding power dividers can be done by the methods of numerical simulation of such components, depending on the requirements of the network.
- the waveguides of the inter-modular waveguide networks are completely or partially filled with a dielectric.
- Such fillings can significantly reduce the space requirement compared to unfilled waveguides with the same useful frequency. This results in very compact, space-optimized antennas, which are particularly suitable for applications on aircraft.
- Both standard waveguides and waveguides with geometric constrictions can be filled with a dielectric.
- the antenna is equipped with a multilayer meander polarizer.
- Fig. 14 shows an example of a position of such a polarizer.
- multilayer meander polarizers are used.
- Fig. 14 several of the in Fig. 14 layers shown in parallel planes arranged one above the other. Between the layers there is a low-loss layer of foam material (eg Rohacell, XPS) with a thickness in the region of a quarter of a wavelength. With lower axle ratio requirements, however, fewer layers may be used. Likewise, more layers can be used if the axis ratio requirements are high.
- a low-loss layer of foam material eg Rohacell, XPS
- fewer layers may be used.
- more layers can be used if the axis ratio requirements are high.
- An advantageous arrangement is a 4-layer meander polarizer with the axial ratios of less than 1 dB can be achieved, which is usually sufficient in practice.
- the design of the meander polarizers depends on the useful frequency bands of the antenna system and can be done with methods of numerical simulation of such structures.
- the meandering lines 31 are in the embodiment of Fig. 14 at an angle of about 45 ° to the main axes of the antenna. This results in incident, linearly polarized along a major axis signals are converted into circularly polarized signals. Depending on which main axis the signals are linearly polarized, a left-circularly polarized or a right-circularly polarized signal is produced.
- the meander polarizer is a linear device, the process is reciprocal, i. In the same way, left- and right-circularly polarized signals are converted into linearly polarized signals.
- the polarizer 21 may be mounted in front of the aperture opening. This makes it possible in a relatively simple manner to use the antenna for both linearly polarized signals and for circularly polarized signals, without the need to change the internal structure for it.
- the antenna is equipped with a parabolic amplitude assignment, which is realized by a corresponding design of the power divider of the feed networks. Since the antenna pattern must be below a mask prescribed by regulations, such amplitude assignments can achieve much higher maximum permitted spectral EIRP densities in the transmit mode than without such assignments. This is of great advantage, in particular for antennas with a small aperture area, since the maximum regulatory-compliant spectral EIRP density is directly proportional to the achievable data rate and thus to the cost of a corresponding service.
- Fig. 15a such an amplitude assignment is shown schematically.
- the power contributions of the individual horns fall from the center of the aperture to the edge.
- this is exemplified by different degrees of blackening (dark: high performance contribution, bright: low contribution to performance).
- the contributions to performance fall in both main axis directions (azimuth and elevation). This results in an approximately optimally matched to the regulatory mask antenna pattern for all angles of rotation ("skew").
- amplitude occupancy only runs parabolically in the area around the antenna center, but increases again when approaching the edge, so that there is a closed curve around the antenna center and the power contributions of the individual radiators from the center of the antenna to each point of this curve fall off.
- amplitude assignments may be of particular advantage for non-rectangular antennas.
- EIRP SD maximum regulatory compliant spectral EIRP density
- skew the angle of rotation about the main beam axis
- the EIRP SD would be about 8 dB lower in the range of 0 ° skew to about 55 ° skew, and about 4 dB lower in the range of about 55 ° skew to about 90 ° skew.
- Fig. 16-18 show the basic structure of a number of antenna systems according to the invention with different functional scope in the form of block diagrams.
- the antenna system whose basic structure in Fig. 16 is particularly suitable for applications in the K / Ka band (reception band approx. 19.2GHz -20.2GHz, transmission band approx. 29GHz -30GHz) where the polarizations of the transmission and reception signals are fixed and orthogonal to each other (ie Polarization direction of the signals does not change).
- a polarizer 21 is provided. This is followed by an antenna field 32, which is constructed either of four-toothed ("quad-ridged") horn radiators or of dielectrically filled horn radiators.
- the Aperture openings of the individual horns typically have dimensions smaller than 1cm x 1cm in this frequency range.
- the antenna array 32 is organized in modules, each individual radiator having two microstrip line couplings or outcouplings 33 separated by polarization, which in turn are connected to two microstrip line networks 36 separated by polarization.
- the microstrip line network 36 of one polarization be placed on the transmit band and the microstrip line network 36 of the other polarization on the receive band.
- the polarizer 21 is oriented so that the signals in the transmission band 34 are right-handed circular and the signals in the receiving band 35 are left-handed circularly polarized.
- the signals separated by polarization and frequency band of the two microstrip line networks 36 of the individual modules are now coupled with microstrip line-to-waveguide couplings 37 in two waveguide networks 38.
- the two waveguide networks 38 will be optimized for the corresponding band they are to support.
- different waveguide cross sections are used for the receive band waveguide network and the transmit band waveguide network.
- enlarged waveguide cross sections can be used, which greatly reduce the dissipative losses in the waveguide networks and thus can significantly increase the efficiency of the antennas.
- a receive band frequency filter 39 is provided to protect the low noise receive amplifier, which is typically mounted directly on the receive band output of the antenna, from being overdriven by the strong transmit signals.
- an optional transmission band filter 40 is also provided. This is e.g. required when a transmit band power amplifier (HPA), not shown, does not have a sufficient filter at its output.
- HPA transmit band power amplifier
- the in Fig. 16 shown construction of an antenna system according to the invention has another, especially for satellite antennas, very important advantage. Since the transmit band feed network and the receive band feed network are completely separated from each other both at the microstrip line level and at the waveguide level, it becomes possible to use different amplitude assignments for the two networks.
- the receive band feed network is homozygously occupied, i. the power contributions of all of the antenna's horns are the same in the receive band and all power dividers at both the receive band microstrip line level and the receive band waveguide network level are balanced 3dB power dividers when the feed network is constructed as a complete and fully symmetric binary tree.
- the transmit band feed network can be provided with a parabolic amplitude assignment independently of the receive band feed network in such a way that the regulatory compliant spectral EIRP density becomes maximum.
- the essential features of satellite antennas are the G / T and the maximum regulatory compliant spectral EIRP density.
- the G / T is directly proportional to the data rate that can be received via the antenna.
- the maximum regulatory compliant spectral EIRP density is directly proportional to the data rate that can be transmitted with the antenna.
- Fig. 17 the structure of an antenna system according to the invention is shown in the form of a block diagram, which allows simultaneous operation with all four possible polarization combinations of the signals.
- the antenna system initially consists of an antenna array 41 of broadband, dual polarized horns, e.g. fourfold toothed horns, which are organized according to the invention in modules.
- each horn receives or transmits two orthogonal linear polarized signals, which, however, also contain the full information when operating with circularly polarized signals.
- the main difference to the embodiment in Fig. 16 consists in the fact that is not separated at the level of the feed networks in a receive band and a transmit band feed network, but the signals are separated only according to their different polarization.
- All signals 42 of the same polarization are combined after the extraction 33 from the antenna field in the first microstrip network, all signals of the orthogonal polarization 43 in the second microstrip network.
- the two microstrip line networks 36 are designed such that they support both the transmission band and the receiving band.
- An optimization of the feed networks on one of the tapes is possible here only to a limited extent. However, all four polarization combinations are simultaneously available for this.
- microstrip networks 36 of the present invention are typically already broadband by design (coaxial line like construction) to simultaneously support the receive and transmit bands
- waveguide networks 44 must be used if very large bandwidths are required specially designed. This can be done by the in Fig. 13 described toothed waveguide done. However, it is also possible to use, for example, dielectrically filled waveguides.
- the frequency diplexers 45, 46 are e.g. low attenuation waveguide diplexer.
- two 90 ° hybrid couplers 47, 48 When operating with circularly polarized signals, two 90 ° hybrid couplers 47, 48, one for the receive 49 and one for the transmit band 50, are additionally provided, with the aid of which at the output of the frequency diplexers 45, 46 present linear polarized signals, circularly polarized signals can be combined.
- the 90 ° hybrid couplers 47, 48 are, for example, low-attenuation waveguide couplers.
- the antenna system can also be used for simultaneous operation with four different linearly and four different circularly polarized signals be used. Many other combinations and the corresponding antenna configurations are possible.
- Fig. 18 the structure of an antenna system according to the invention in the form of a block diagram is shown, which has the same scope of functions as in Fig. 16 has shown antenna, but is organized differently.
- a polarizer 21 is used instead of the 90 ° hybrid couplers 47, 48 of the design Fig. 17 ,
- the feed networks 36, 44 process again two orthogonal polarizations separated from each other (in this case left-circular and whilzikular) and are each designed correspondingly broadband for the receiving band and the transmission band.
- the frequency diplexers 45, 46 are then directly the four polarization combinations of circularly polarized signals simultaneously.
- the frequency-diplexer 45 for the first circular polarization the signal in the receive and transmit band
- the frequency diplexer 46 for the second (to the first orthogonal) circular polarization the signal in the receive and transmit band.
- radomes by the radome material and the radome curvature may have polarization anisotropies which cause the axis ratio of circularly polarized signals to be greatly altered as it passes through the radome.
- a structure of the antenna after Fig. 17 now allows the axis ratio of the circularly polarized signals, for example, in the transmit mode to be adjusted so that a subsequent, caused by the Radom trimgang polarization distortion is compensated. A degradation of the cross-polarization isolation thus does not take place effectively.
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Antennensystem mit mindestens vier Hornstrahlern, die vollständig mit einem Dielektrikum gefüllt sind. Entsprechend den dielektrischen Eigenschaften der Füllung steigt dann die effektive Wellenlänge in den Hörnern und diese sind in der Lage sehr viel größere Bandbreiten zu unterstützen als dies ohne Füllung der Fall wäre. Dielektrische Füllungen führen zwar zu parasitären Verlusten durch das Dielektrikum, doch insbesondere bei sehr kleinen Hörnern für Anwendungen im Ka-Band bleiben diese Verluste vergleichsweise klein. Die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ist so gewählt, dass die dielektrisch gefüllten Hornstrahler im frequenzmäßig niedrigsten Nutzband des Antennensystems noch optimal betrieben werden können. The invention relates to an antenna system with at least four horns, which are completely filled with a dielectric. According to the dielectric properties of the filling, the effective wavelength in the horns increases and these are able to support much larger bandwidths than would be the case without filling. Although dielectric fillings lead to parasitic losses through the dielectric, but especially for very small horns for applications in the Ka band, these losses remain relatively small. The dielectric constant of the dielectric is chosen so that the dielectrically filled horns can be optimally operated in the lowest frequency band of the antenna system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur breitbandigen Kommunikation zwischen Erdfunkstellen und Satelliten, insbesondere für mobile und aeronautische Anwendungen.The invention relates to an antenna system for broadband communication between earth stations and satellites, in particular for mobile and aeronautical applications.
Der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen Datenraten, insbesondere im Bereich der mobilen Satellitenkommunikation steigt ständig an. Es fehlt jedoch insbesondere im aeronautischen Bereich an geeigneten Antennen, welche insbesondere die für den mobilen Einsatz erforderlichen Bedingungen, wie geringe Abmessungen und geringes Gewicht, erfüllen können. Für die gerichtete, drahtlose Datenkommunikation mit Satelliten (z.B. im Ku- oder Ka-Band) bestehen zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik der Antennensysteme, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss.The demand for wireless broadband data transmission channels with very high data rates, especially in the field of mobile satellite communications, is steadily increasing. However, especially in the aeronautical field, there is a lack of suitable antennas, which in particular can fulfill the conditions required for mobile use, such as small dimensions and low weight. For directional, wireless data communication with satellites (for example in the Ku or Ka band), there are also extreme demands on the transmission characteristics of the antenna systems, since interference with neighboring satellites must be reliably excluded.
In aeronautischen Anwendungen sind das Gewicht und die Größe des Antennensystems von sehr großer Bedeutung, da sie die Nutzlast des Flugzeugs verringern und zusätzliche Betriebskosten verursachen.In aeronautical applications, the weight and size of the antenna system are very important because they reduce the payload of the aircraft and cause additional operating costs.
Das Problem besteht deshalb darin, möglichst kleine und leichte Antennensysteme zur Verfügung zu stellen, welche dennoch im Betrieb auf mobilen Trägern den regulatorischen Anforderungen an den Sende- und Empfangsbetrieb genügen.The problem therefore is to provide antenna systems that are as small and lightweight as possible, which nevertheless satisfy the regulatory requirements for transmitting and receiving operation when operating on mobile carriers.
Die regulatorischen Anforderungen an den Sendebetrieb ergeben sich z.B. aus den Normen 47 CFR 25.209, 47 CFR 25.222, 47 CFR 25.138, ITU-R M.1643, ITU-R S.524-7, ETSI EN 302 186 oder ETSI EN 301 459. Alle diese regulatorischen Vorschriften sollen sicherstellen, dass im gerichteten Sendebetrieb einer mobilen Satellitenantenne keine Störung benachbarter Satelliten auftreten kann. Hierzu werden typischerweise Envelopen (Hüllkurven bzw. Masken) maximaler spektraler Leistungsdichte in Abhängigkeit vom Abstandswinkel zum Zielsatelliten definiert. Die für einen bestimmten Abstandswinkel vorgegebenen Werte dürfen im Sendebetrieb des Antennensystems nicht überschritten werden. Dies führt zu strengen Anforderungen an die winkelabhängige Antennencharakteristik. Mit zunehmendem Abstandswinkel vom Zielsatelliten muss der Antennengewinn stark abfallen. Dies kann physikalisch nur durch sehr homogene Amplituden- und Phasenbelegungen der Antenne erreicht werden. Typischerweise werden daher Parabolantennen verwendet, die diese Eigenschaften aufweisen.For example, the regulatory requirements for broadcasting arise from the
Für die meisten mobilen Anwendungen, insbesondere auf Flugzeugen, sind Parabolspiegel wegen ihrer Größe und wegen ihrer kreisförmigen Apertur allerdings nur sehr schlecht geeignet. Bei Verkehrsflugzeugen zum Beispiel werden die Antennen auf dem Rumpf montiert und dürfen daher wegen des zusätzlichen Luftwiderstandes nur eine möglichst geringe Höhe besitzen.However, parabolic mirrors are poorly suited for most mobile applications, especially on airplanes, because of their size and because of their circular aperture. In commercial aircraft, for example, the antennas are mounted on the fuselage and therefore may only have the lowest possible height because of the additional air resistance.
Antennen welche als Ausschnitte aus Paraboloiden ("bananenförmige Spiegel") ausgeführt sind, sind zwar möglich, besitzen jedoch geometriebedingt nur eine sehr geringe Effizienz.Antennas which are designed as sections of paraboloid ("banana-shaped mirror"), although possible, but have geometriebedingt only a very low efficiency.
Antennenfelder, welche aus Einzelstrahlern aufgebaut sind und über geeignete Speisenetzwerke verfügen, können hingegen in beliebigen Geometrien und beliebigem Längen zu Seitenverhältnis ausgeführt werden, ohne dass die Antenneneffizienz darunter leidet. Insbesondere können Antennenfelder sehr geringer Höhe realisiert werden.Antenna fields, which are constructed of individual radiators and have suitable feed networks, however, can be performed in any geometry and any length to aspect ratio without the antenna efficiency suffers. In particular, antenna fields of very low height can be realized.
Bei Antennenfeldern tritt jedoch insbesondere dann, wenn das Empfangsfrequenzband und das Sendefrequenzband weit auseinander liegen (wie z.B. im Ka-band mit Empfangsfrequenzen bei ca. 18 GHz - 21 GHz und Sendefrequenzen bei ca. 28 GHz - 31 GHz) das Problem auf, dass die Einzelstrahler der Felder eine sehr große Bandbreite unterstützen müssen.In the case of antenna fields, however, especially when the reception frequency band and the transmission frequency band are far apart (such as in the Ka band with reception frequencies at about 18 GHz - 21 GHz and transmission frequencies at about 28 GHz - 31 GHz), the problem arises that the Single radiators of the fields have to support a very large bandwidth.
Es ist bekannt, dass Hornstrahler die mit Abstand effizientesten Einzelstrahler in Feldern sind. Zudem können Hornstrahler breitbandig ausgelegt werden.It is well known that horns are by far the most efficient single emitters in fields. In addition, horns can be designed broadband.
Bei Antennenfeldern, welche aus Hornstrahlern aufgebaut sind und mit reinen Hohleiternetzwerken gespeist werden, tritt allerdings das bekannte Problem signifikanter parasitärer Nebenkeulen (sog. "grating lobes" oder "Gitterkeulen") im Antennendiagramm auf. Diese Gitterkeulen entstehen dadurch, dass die Strahlzentren (Phasenzentren) der Antennenelemente, welche das Antennenfeld bilden, wegen der Dimension der Hohleiternetzwerke konstruktionsbedingt einen zu großen Abstand zueinander haben. Dies kann, insbesondere bei Frequenzen oberhalb etwa 20 GHz, unter bestimmten Strahlwinkeln zur positiven Interferenz der Antennenstrahler und damit zur unerwünschten Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche führen.In the case of antenna fields which are constructed from horn radiators and are fed with pure waveguide networks, however, the known problem of significant parasitic sidelobes (so-called "grating lobes" or "grating lobes") occurs in the antenna pattern. These grating lobes are caused by the fact that the beam centers (phase centers) of the antenna elements which form the antenna field, due to the dimension of the Hohleiternetzwerke by design too far away from each other. This can, in particular at frequencies above about 20 GHz, under certain Beam angles for positive interference of the antenna radiator and thus lead to the unwanted emission of electromagnetic power in unwanted solid angle ranges.
Liegen Empfangs- und Sendefrequenz zudem frequenzmäßig weit auseinander und muss der Abstand der Strahlzentren aus regulatorischen Gründen gemäß der minimalen Nutzwellenlänge des Sendebandes ausgelegt werden, dann werden die Hornstrahler regelmäßig so klein, dass das Empfangsband von ihnen nicht mehr unterstützt werden kann.If reception and transmission frequencies are also far apart in terms of frequency, and if the distance between the beam centers has to be designed according to the minimum useful wavelength of the transmission band, then the horns regularly become so small that the reception band can no longer be supported by them.
Im Ka-Band beispielsweise liegt die minimale Nutzwellenlänge bei nur ca. 1cm. Damit die Strahlelemente des Antennenfeldes dicht liegen, also keine parasitären Nebenkeulen (Gitterkeulen) auftreten, darf die Aperturfläche eines quadratischen Hornstrahlers nur noch ca. 1cm x 1cm betragen. Konventionelle Hörner dieser Größe besitzen im Empfangsband bei ca. 18 GHz - 21 GHz jedoch nur noch eine sehr geringe Leistungsfähigkeit, da sie wegen des endlichen Öffnungswinkels nahe an der cut-off Frequenz betrieben werden müssen. Das Ka-Empfangsband können solche Hörner nicht mehr unterstützen oder ihre Effizienz nimmt in diesem Band sehr stark ab.In Ka band, for example, the minimum useful wavelength is only about 1cm. So that the radiation elements of the antenna field are dense, so no parasitic side lobes (grating lobes) occur, the aperture area of a square horn may only be about 1cm x 1cm. However, conventional horns of this size have only a very low performance in the reception band at approx. 18 GHz - 21 GHz, since they have to be operated close to the cut-off frequency because of the finite aperture angle. The Ka-receiving band can no longer support such horns or their efficiency decreases very much in this band.
Zudem müssen die Hornstrahler im Allgemeinen zwei orthogonale Polarisationen unterstützen, was den geometrischen Spielraum weiter einschränkt, da ein orthomode Signalwandler, sogenannte Transducer, am Hornausgang notwendig wird. Eine Ausführung der orthomode Signalwandler in Hohlleitertechnologie scheitert regelmäßig daran, dass bei höheren GHz Frequenzen nicht genügend Bauraum zur Verfügung steht.In addition, the horns generally have to support two orthogonal polarizations, which further restricts the geometrical margin, since an orthomode signal converter, so-called transducers, becomes necessary at the horn output. An embodiment of the orthomode signal converter in waveguide technology fails regularly because at higher GHz frequencies not enough space is available.
Sind die Hornstrahler in Feldern dicht gepackt, dann besteht ein weiteres Problem darin, dass im zur Verfügung stehenden Bauraum hinter dem Hornfeld keine effizienten Speisenetzwerke mehr untergebracht werden können.If the horns packed tightly in fields, then another problem is that in the available space behind the horn field no more efficient feed networks can be accommodated.
Es ist bekannt, das Speisenetzwerke für Felder von Hornstrahlern, welche in Hohleitertechnologie ausgeführt sind, nur sehr geringe dissipative Verluste erzeugen. Im optimalen Fall werden die einzelnen Hornstrahler der Felder von Hohlleiterkomponenten gespeist und das gesamte Speisenetzwerk besteht ebenfalls aus Hohlleiterkomponenten. Im Fall, dass das Empfangs- und das Sendeband frequenzmäßig weit auseinander liegen entsteht jedoch das Problem, dass konventionelle Hohlleiter die dann benötigte Frequenzbandbreite nicht mehr unterstützen können.It is known that feed networks for fields of horns, which are implemented in high-power technology, produce only very small dissipative losses. In the optimal case, the individual horns of the fields are fed by waveguide components and the entire feed network also consists of waveguide components. In the case that the receiving and the transmitting band are far apart in terms of frequency, however, the problem arises that conventional waveguides can no longer support the then required frequency bandwidth.
Beispielsweise beträgt im Ka-Band die benötigte Bandbreite mehr als 13 GHz (18 GHz - 31 GHz). Konventionelle Rechteckhohlleiter können eine solch große Bandbreite nicht effizient unterstützen.For example, in Ka band, the required bandwidth is more than 13 GHz (18 GHz - 31 GHz). Conventional rectangular waveguides can not efficiently support such a large bandwidth.
Damit ergeben sich folgende Problemstellungen für mobile, insbesondere aeronautische Satellitenantennen geringer Größe, die simultan gelöst werden müssen:
- 1. regulatorisch konformes Antennendiagramm ohne parasitären Nebenkeulen (Gitterkeulen) im Sendefrequenzband, das den Betrieb der Antenne mit maximaler spektraler Leistungsdichte erlaubt,
- 2. Hohe Antenneneffizienz sowohl im Empfangsband als auch im Sendeband auch bei kleinen Einzelstrahlerdimensionen,
- 3. Effiziente Speisenetzwerke, welche einen möglichst geringen Bauraum in Anspruch nehmen und möglichst geringe dissipative Verluste erzeugen,
- 4. Möglichst kompakter und raumsparender Aufbau der Antenne bei gleichzeitig möglichst hoher Antenneneffizienz.
- 1. regulatory compliant antenna diagram without parasitic side lobes (grating lobes) in the transmit frequency band, which allows the operation of the antenna with maximum spectral power density,
- 2. High antenna efficiency both in the reception band and in the transmission band, even with small individual radiator dimensions,
- 3. Efficient feed networks, which take up the smallest possible installation space and generate the lowest possible dissipative losses,
- 4. The most compact and space-saving design of the antenna with the highest possible antenna efficiency.
Werden diese Probleme durch eine geeignete Anordnung gelöst, dann kann auch dann, wenn nur ein begrenzter Bauraum für eine kleine Antenne zur Verfügung steht, ein leistungsfähiges System für große Bandbreiten zur Verfügung gestellt werden.If these problems are solved by a suitable arrangement, then even if only a limited installation space for a small antenna is available, a powerful system for large bandwidths can be made available.
Es ist bekannt, dass mit Antennen welche als Felder von Einzelstrahlern ausgelegt sind, grating-lobe freie Antennendiagramme dann erzielt werden können, wenn die Phasenzentren der Einzelstrahler weniger als eine Wellenlänge der maximalen Nutzfrequenz auseinander liegen. Zudem ist bekannt, dass durch parabole Amplitudenbelegungen solcher Antennenfelder die Nebenkeulen des Antennendiagrams unterdrückt werden können (z.B.
Aus
Die allgemeine Wirkung von Dielektrikum in Hornstrahlern ist in "
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein breitbandiges Antennensystem im GHz Frequenzbereich, insbesondere für aeronautische Anwendungen, zur Verfügung zu stellen, das einen regulatorisch konformen Sendebetrieb über eine große Bandbreite mit maximaler spektraler Leistungsdichte erlaubt und gleichzeitig im Empfangsbetrieb eine hohe Antenneneffizienz und ein geringes Eigenrauschen aufweist.The object of the invention is to provide a broadband antenna system in the GHz frequency range, in particular for aeronautical applications, which allows a regulatory compliant transmission operation over a wide bandwidth with maximum spectral power density and at the same time has a high antenna efficiency and low intrinsic noise in the receive mode ,
Diese Aufgabe wird durch das Antennensystem nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the antenna system according to
Erfindungsgemäß besteht das Antennensystem aus mindestens vier Hornstrahlern, die vollständig mit einem Dielektrikum gefüllt sind. Entsprechend den dielektrischen Eigenschaften der Füllung steigt dann die effektive Wellenlänge in den Hörnern und diese sind in der Lage sehr viel größere Bandbreiten zu unterstützen als dies ohne Füllung der Fall wäre. Dielektrische Füllungen führen zwar zu parasitären Verlusten durch das Dielektrikum, doch insbesondere bei sehr kleinen Hörnern bleiben diese Verluste vergleichsweise klein. So ist z.B. für Anwendungen im Ka-Band eine dielektrische Füllung mit einer Dielektrizitätszahl von ca. 2 ausreichend. Bei nur wenige Zentimeter tiefen Hörnern führt dies bei der Verwendung geeigneter Materialen zu Verlusten von < 0.2 dB.According to the invention, the antenna system consists of at least four horns, which are completely filled with a dielectric. According to the dielectric properties of the filling, the effective wavelength in the horns increases and these are able to support much larger bandwidths than would be the case without filling. Although dielectric fillings lead to parasitic losses through the dielectric, these losses remain comparatively small, especially in the case of very small horns. For example, e.g. For applications in the Ka band, a dielectric filling with a dielectric constant of about 2 is sufficient. With horns only a few centimeters deep, this leads to losses of <0.2 dB when using suitable materials.
Um den Hornstrahler zu füllen besteht das Dielektrikum pro gefüllten Hornstrahler aus zumindest drei geschichteten Teilen, wobei zwischen jeweils zwei Teilen des Dielektrikums eine der Speisungen des Hornstrahlers angeordnet ist.To fill the horn, the dielectric per filled horn consists of at least three layered parts, wherein between each two parts of the dielectric one of the feeds of the horn is arranged.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Antennensystems ist die Dielektrizitätszahl (Permittivitätszahl) des Dielektrikums mit dem die Hornsstrahler gefüllt sind, so gewählt, dass die dielektrisch gefüllten Hornstrahler im frequenzmäßig niedrigsten Nutzband des Antennensystems noch optimal betrieben werden können. Die Voraussetzung hierzu ist, dass die zur niedrigsten Nutzfrequenz gehörende Wellenlänge im Dielektrikum noch genügend weit über der niedrigsten Betriebsfrequenz, welche durch die geometrischen Abmessungen des Hornstrahlers gegeben ist, entfernt ist.In an advantageous embodiment of the antenna system, the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric with which the horn radiators are filled is chosen such that the dielectrically filled horn radiators can still be optimally operated in the lowest frequency useful band of the antenna system. The condition for this is that the wavelength belonging to the lowest usable frequency in the Dielectric still sufficiently far above the lowest operating frequency, which is given by the geometric dimensions of the horn, is removed.
Sind die Hornstrahler so ausgelegt, dass im Antennendiagramm oder wenigstens in einem Schnitt durch das Antennendiagramm des Antennensystems keine parasitären Nebenkeulen ("grating-lobes") auftreten, dann ist die Dimension der Apertur der Hornstrahler wenigstens in einer Richtung kleiner oder höchstens gleich der Wellenlänge λS einer Referenzfrequenz, welche im Sendeband der Antenne liegt.If the horns are designed such that no parasitic sidelobes occur in the antenna pattern or at least in a section through the antenna pattern of the antenna system, then the dimension of the aperture of the horns is at least in one direction less than or equal to the wavelength λ S a reference frequency, which lies in the transmission band of the antenna.
Ist nun λE die Freiraumwellenlänge der niedrigsten Nutzfrequenz, dann gilt für die entsprechende Wellenlänge im Dielektrikum
wenn ε die Dielektrizitätszahl (Permittivitätszahl) des Dielektrikums bei der entsprechenden Frequenz bezeichnet.If λ E is the free space wavelength of the lowest usable frequency, then the corresponding wavelength in the dielectric applies
if ε denotes the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric at the corresponding frequency.
Nun funktioniert ein Hornstrahler nur dann befriedigend, wenn zumindest eine Aperturdimension in der Nähe der Wellenlänge der niedrigsten Nutzfrequenz liegt, denn nur dann ergibt sich ein reguläres Antennendiagramm des Einzelstrahlers.Now, a horn only works satisfactorily if at least one aperture dimension is close to the wavelength of the lowest useful frequency, because only then does a regular antenna pattern of the single radiator result.
Somit muss
gelten, was zusammen mit Gleichung (1) zu der Bedingung
führt.Thus, must
apply what together with equation (1) to the condition
leads.
Bedingung (3) gilt jedoch für einzelne isolierte Hornstrahler und ist für Antennensysteme, welche aus mehreren Hornstrahlern zusammengesetzt sind zu streng, da die gegenseitigen elektromagnetischen Kopplungen der Hornstrahler nicht berücksichtigt sind.However, condition (3) applies to single insulated horns and is too strict for antenna systems composed of multiple horns, since the mutual electromagnetic couplings of the horns are not considered.
Werden die gegenseitigen Kopplungen berücksichtigt, dann hat sich gezeigt, dass es für ein Antennensystem, welches aus mehreren dielektrisch gefüllten Hornstrahlern besteht, optimal ist, wenn die Bedingung
erfüllt ist. Ist das Antennensystem entsprechend Bedingung (4) ausgelegt, dann kann das Antennensystem auch dann, wenn z.B. das Empfangs- und das Sendeband der Antenne frequenzmäßig weit auseinander liegen, über sehr gute Leistungsparameter verfügen.If the mutual couplings are taken into account, then it has been found that it is optimal for an antenna system consisting of several dielectrically filled horns if the condition
is satisfied. If the antenna system according to condition (4) designed, then the antenna system, even if, for example the receiving and transmitting bands of the antenna are far apart in frequency, have very good performance parameters.
Nach einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung unterstützen die Einzelstrahler eine erste und eine zweite Polarisation und die beiden Polarisationen sind zueinander orthogonal.According to an advantageous further development of the invention, the individual radiators support a first and a second polarization and the two polarizations are mutually orthogonal.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind die erste und zweite Polarisation lineare Polarisationen.According to a further advantageous development of the invention, the first and second polarization are linear polarizations.
Die Signale der beiden orthogonalen Polarisationen werden in getrennten Speisenetzwerken geführt, was den Vorteil hat, dass mit Hilfe entsprechender Komponenten, wie z.B. Polarisatoren oder 90° Hybridkopplern, sowohl linear polarisierte Signale als auch zirkular polarisierte Signale gesendet, bzw. empfangen werden können.The signals of the two orthogonal polarizations are carried in separate feed networks, which has the advantage that with the aid of corresponding components, such as e.g. Polarizers or 90 ° hybrid couplers, both linearly polarized signals and circularly polarized signals can be sent or received.
Damit die Antennen eine möglichst geringe Größe besitzen können und trotzdem ein regulatorisch konformer Sendebetrieb mit maximaler spektraler Leistungsdichte möglich wird, ist zudem gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Einzelstrahler so dimensioniert wird, dass für direkt benachbarte Einzelstrahler der Abstand der Phasenzentren der Einzelstrahler kleiner oder gleich der Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz ist, bei der keine parasitären Nebenkeulen (grating-lobes) auftreten dürfen (Referenzfrequenz im Sendeband).So that the antennas can have the smallest possible size and nevertheless a regulatory compliant transmission mode with maximum spectral power density is possible, it is also provided according to an advantageous development of the invention that at least a portion of the individual radiator is dimensioned so that the distance of the directly adjacent individual radiator Phase centers of the individual radiator is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency at which no parasitic sidelobes (grating lobes) may occur (reference frequency in the transmission band).
Befinden sich mindestens vier benachbarte Einzelstrahler zudem in verschiedenen direkt benachbarten Modulen, dann wird mindestens eine Richtung durch das Antennenfeld definiert, so dass für diese Richtung der Abstand der Phasenzentren der Einzelstrahler kleiner oder gleich der Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz ist, bei der keine parasitären Nebenkeulen (grating-lobes) auftreten dürfen.If at least four adjacent individual radiators are also located in different directly adjacent modules, then at least one direction is defined by the antenna field, so that for this direction the distance of the phase centers of the individual radiators is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency, in which no parasitic side lobes ( grating-lobes) may occur.
In dieser Richtung, vorzugsweise entlang einer geraden Linie durch das Antennenfeld, liegen direkt benachbarte Einzelstrahler dann dicht, so dass keine parasitären Nebenkeulen ("grating-lobes") im entsprechenden Schnitt durch das Antennendiagramm auftreten können. Andernfalls würden diese grating-lobes zu einer starken Reduktion der regulatorisch erlaubten spektralen Leistungsdichte führen.In this direction, preferably along a straight line through the antenna field, directly adjacent individual radiators are then close, so that no parasitic side lobes ("grating lobes") can occur in the corresponding section through the antenna pattern. Otherwise, these grating lobes would lead to a sharp reduction in the regulatory spectral power density.
Als Einzelstrahler kommen im Prinzip alle bekannten Strahlelemente, welche zwei orthogonale Polarisationen unterstützen, in Frage. Dies sind z.B. rechteckige oder runde Hornstrahler.In principle, all known radiation elements which support two orthogonal polarizations come into consideration as individual radiators. These are e.g. rectangular or round horns.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Module eine zumindest näherungsweise rechteckige Geometrie besitzen, also Ni = nl x nk Einzelstrahler enthalten, wobei Ni, n, i, l, k gerade Zahlen sind,
Um Antennen mit möglichst geringen dissipativen Verlusten zu realisieren ist es vorteilhaft die Einzelstrahler als Hornstrahler auszubilden, die zu den verlustärmsten Antennen gehören. Dabei können sowohl Hornstrahler mit rechteckiger als auch mit runder Aperturöffnung verwendet werden. Falls in keinem Schnitt durch das Antennendiagramm grating-lobes auftreten sollen, sind Hornstrahler mit quadratischer Aperturöffnung vorteilhaft, wobei die Größe der Aperturöffnung dann so gewählt wird, dass der Abstand der Phasenzentren direkt benachbarter Hornstrahler kleiner oder gleich der Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz als Referenzfrequenz ist, bei der keine grating-lobes auftreten dürfen.In order to realize antennas with the lowest possible dissipative losses, it is advantageous to design the individual radiators as horn radiators, which belong to the lowest-loss antennas. Both horns with rectangular and with a round aperture can be used. If grating lobes are not to occur in any section through the antenna pattern, square aperture horns are advantageous, the size of the aperture opening then being chosen such that the spacing of the phase centers of directly adjacent horns is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency as the reference frequency. in which no grating praise may occur.
Liegen die Hornstrahler des Antennensystems dicht und sind sie gestuft ausgeführt, dann sind in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Aperturen der Hornstrahler und die Stufen derart ausgelegt, dass die Hornstrahler sowohl im Empfangsals auch im Sendeband der Antenne optimal funktionieren.If the horns of the antenna system are tight and stepped, then in a further advantageous embodiment the apertures of the horns and the steps are designed such that the horns function optimally both in the receiving and in the transmission band of the antenna.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Hornstrahler eine rechteckige Apertur besitzen, deren beide Kantenlängen kleiner oder höchstens gleich der Freiraumwellenlänge einer Referenzfrequenz sind, welche im Sendeband der Antenne liegt. Die für das Antennensystem zur Verfügung stehende Fläche wird so optimal ausgenutzt und ein maximaler Antennengewinn wird erzielt.This can be achieved in that the horns have a rectangular aperture whose two edge lengths are less than or equal to the free space wavelength of a reference frequency which lies in the transmission band of the antenna. The area available for the antenna system is optimally utilized and a maximum antenna gain is achieved.
Damit die gestuften Hörner zudem im Empfangsband optimal angepasst sind, sind die Hornstrahler so ausgelegt, dass sie zwischen Apertur (Hornöffnung) und Hornende mindestens einen rechteckigen Querschnitt besitzen, für dessen längere Kante kE gilt
wobei λE die Freiraumwellenlänge der niedrigsten Nutzfrequenz, und ε die Dielektrizitätszahl (Permittivitätszahl) der dielektrischen Füllung bezeichnet. Damit ist gewährleistet, dass die niedrigste Nutzfrequenz (typischerweise die niedrigste Empfangsfrequenz) über der unteren Grenzfrequenz ("cut-off" Frequenz) des Hornstrahlers liegt.In order that the stepped horns are optimally adapted in the receiving band, the horns are designed so that they have at least one rectangular cross section between the aperture (horn opening) and the horn end, for the longer edge k E applies
where λ E denotes the free space wavelength of the lowest usable frequency, and ε the dielectric constant (permittivity number) of the dielectric filling. This ensures that the lowest usable frequency (typically the lowest reception frequency) is above the lower cut-off frequency ("cut-off" frequency) of the horn.
Um auch im Sendeband eine optimale Anpassung zu erzielen, verfügen die Hornstrahler darüber hinaus dann an einer tiefer liegenden Stelle über einen weiteren rechteckigen Querschnitt, für dessen längere Kante kT gilt
wobei λ T die Freiraumwellenlänge der höchsten Nutzfrequenz bezeichnet. Damit liegt auch am Hornende die höchste Nutzfrequenz der Antenne (typischerweise die maximale Sendefrequenz) über der "cut-off" Frequenz.In order to achieve optimal adaptation in the transmission band, the horns also have at a deeper point over another rectangular cross-section, for the longer edge k T applies
where λ T denotes the free space wavelength of the highest use frequency. Thus, at the horn end, the highest useful frequency of the antenna (typically the maximum transmission frequency) is above the "cut-off" frequency.
Um möglichst große Bandbreiten zu erzielen ist es zudem vorteilhaft, wenn die Einzelstrahler als Hornstrahlern so ausgebildet sind, dass sie in den beiden Polarisationsebenen mit symmetrischen geometrischen Konstriktionen, d.h. Verengungen, ausgestattet sind und an ihrem Ausgang für jede der beiden orthogonalen Polarisationen getrennt über die zu der jeweiligen Polarisationsrichtung gehörende geometrische Konstriktion gespeist werden. Solche geometrischen Konstriktionen können die Bandbreite der Hörner stark vergrößern.In order to achieve the widest possible bandwidths, it is also advantageous if the individual radiators are designed as horn radiators in such a way that in the two polarization planes with symmetrical geometrical constrictions, i. Constrictions are equipped and fed separately at its output for each of the two orthogonal polarizations on the belonging to the respective polarization direction geometric constriction. Such geometrical constrictions can greatly increase the bandwidth of the horns.
Liegen das Sende- und das Empfangsband frequenzmäßig weit auseinander dann sind, nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die Hornstrahler als gestufte Hörner ("Stufenhörner") ausgeführt. Mittels Einstellung der Breite und Länge der Stufen, sowie der Anzahl der Stufen, kann dann die Antenne an die jeweiligen Nutzfrequenzbänder optimal angepasst werden.If the transmitting and receiving bands are far apart in terms of frequency then, according to a further advantageous embodiment of the invention, the horns are designed as stepped horns ("stepped horns"). By adjusting the width and length of the stages, as well as the number of stages, then the antenna can be optimally adapted to the respective usable frequency bands.
Um eine hohe Kreuzpolarisationsentkopplung zu erreichen ist es außerdem von Vorteil, wenn die Hornstrahler so ausgelegt sind, dass sie zwei orthogonale lineare Polarisationen unterstützen. Mit solchen Hornstrahlern können Isolationen von weit mehr als 40 dB erreicht werden. Insbesondere bei Signalkodierungen mit hoher spektraler Effizienz sind solche Isolationswerte erforderlich.To achieve high cross-polarization decoupling, it is also advantageous if the horns are designed to support two orthogonal linear polarizations. With such horns, insulations far exceeding 40 dB can be achieved. Especially with signal codings with high spectral efficiency such isolation values are required.
Eine weitere Verbesserung der Empfangsleistung, insbesondere bei sehr kleinen Hornstrahlern, kann dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Hornstrahler mit einem dielektrischen Cross-Septum oder einer dielektrischen Linse ausgestattet werden. Die Einfügungsdämpfung (S11) im Empfangsband kann durch solche Strukturen signifikant reduziert werden, und zwar auch dann, wenn die Aperturflächen der Einzelstrahler bereits so klein sind, dass eine Freiraumwelle ohne diese zusätzlichen dielektrischen Strukturen bereits fast vollständig reflektiert werden würde.A further improvement in the reception power, in particular in the case of very small horn radiators, can be achieved by equipping the individual horn radiators with a dielectric cross-septum or a dielectric lens. The insertion loss (S 11 ) in the receiving band can be significantly reduced by such structures, even if the aperture areas of the individual radiators are already so small that a free-space wave without these additional dielectric structures would already be almost completely reflected.
Da bei parallel gespeisten Einzelstrahlern die dissipativen Verluste, etwa durch eine dielektrische Füllung, nur einmal auftreten, sind nach einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung die Hornstrahler des Antennenfeldes parallel gespeist. Am effektivsten ist dies dann, wenn die Mikrostreifenleitungen und die Hohlleiter als binäre Bäume aufgebaut sind, da die Anzahl der benötigten Leistungsteiler im allgemeinen Fall beliebiger Werte der Gesamtzahl von Einzelstrahlern N und beliebiger Werte der Zahl der Einzelstrahler in einem Module Ni so minimal wird.Since in parallel-fed individual radiators, the dissipative losses, such as by a dielectric filling occur only once, the horns of the antenna array are fed in parallel according to a further advantageous development of the invention. This is most effective when the microstrip lines and the waveguides are constructed as binary trees, since the number of power dividers needed in the general case of arbitrary values of the total number of individual radiators N and arbitrary values of the number of individual radiators in a module N i becomes so minimal.
Die binären Bäume sind dabei im allgemeinen Fall weder vollständig noch vollständig symmetrisch.The binary trees are in the general case neither completely nor completely symmetrical.
Gilt jedoch nach einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung für alle Module des Antennensystems oder zumindest für den größten Teil der Module Ni =2 n
Besonders günstig ist es, wenn zusätzlich N =2 n , mit n einer ganzen Zahl, gilt. Dann können die Speisenetzwerke des Antennensystems als vollständige und vollständig symmetrische binäre Bäume ausgelegt werden und alle Einzelstrahler können gleich lange Speiseleitungen, d.h. auch gleichartige Dämpfungen, haben.It is particularly favorable if, in addition, N = 2 n , where n is an integer. Then the feed networks of the antenna system can be designed as complete and fully symmetrical binary trees and all individual emitters can have equal length feeder lines, ie also similar attenuations.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Mikrostreifenleitungen sich auf einem dünnen Substrat befinden und in geschlossenen metallischen Hohlräumen geführt werden, wobei die Hohlräume typischerweise mit Luft gefüllt sind. Ein Substrat wird typischerweise dabei dann als dünn bezeichnet, wenn seine Dicke kleiner als die Breite der Mikrostreifenleitungen ist.It is also advantageous if the microstrip lines are located on a thin substrate and are guided in closed metallic cavities, wherein the cavities are typically filled with air. A substrate is typically referred to as being thin if its thickness is smaller than the width of the microstrip lines.
Dieser koaxialleitungsähnliche Aufbau mit typischerweise Luft als Füllung führt zu vergleichsweise verlustarmen Hochfrequenzleitungen. So hat sich gezeigt, dass die dissipativen Verluste solcher Leitungen z.B. bei Ka-band Frequenzen nur um zirka einen Faktor 5 bis 10 höher als die Verluste von Hohlleitern sind. Da diese Leitungen nur für vergleichsweise kurze Strecken verwendet werden, bleiben die absoluten Verluste vergleichsweise klein. Auch der Rauschbeitrag solcher Leitungen zum Eigenrauschen des Systems bleibt damit relativ klein.This coaxial line-like structure with typically air as a filling leads to comparatively low-loss High-frequency lines. Thus it has been shown that the dissipative losses of such lines, for example at Ka-band frequencies, are only about a factor of 5 to 10 higher than the losses of waveguides. Since these lines are used only for relatively short distances, the absolute losses remain relatively small. The noise contribution of such lines to the inherent noise of the system thus remains relatively small.
Die Herstellung dicht gepackter Antennensysteme kann dadurch stark erleichtert werden, dass sie aus mehreren Lagen aufgebaut sind und sich die Mikrostreifenleitungsnetzwerke der beiden orthogonalen Polarisationen zwischen unterschiedlichen Lagen befinden. Die Module des Antennensystems können dann aus wenigen Lagen zusammengebaut werden. Vorteilhafterweise sind die Lagen aus Aluminium oder ähnlichen elektrisch leitenden Werkstoffen, welche mit den bekannten Strukturierungsverfahren (Fräsen, Ätzen, Lasern, Drahterodieren, Wasserschneiden, etc.) strukturiert werden können. Die Mikrostreifenleitungsnetzwerke werden mit bekannten Ätzverfahren auf einem Substrat strukturiert.The production of densely packed antenna systems can be greatly facilitated by being constructed of multiple layers and by having the microstrip networks of the two orthogonal polarizations between different layers. The modules of the antenna system can then be assembled from a few layers. Advantageously, the layers of aluminum or similar electrically conductive materials, which can be structured with the known structuring method (milling, etching, lasers, wire erosion, water cutting, etc.). The microstrip line networks are patterned on a substrate by known etching techniques.
Vorteilhafterweise werden die Hohlräume, durch welche die Mikrostreifenleitungen geführt werden, direkt mit den metallischen Lagen strukturiert. Werden die Hohlräume als Kerben oder Vertiefungen in der jeweils über und unter der Mikrostreifenleitung liegenden metallischen Lagen ausgeführt, dann liegt die Mikrostreifenleitung zusammen mit ihrem Substrat in einem Hohlraum, welcher aus zwei Halbschalen besteht. Die Wände des Hohlraums können elektrisch geschlossen werden indem das Substrat mit elektrischen Durchkontaktierungen (Vias) versehen wird. "Zäune" von Vias können in solchen Anordnungen dabei den Verlust elektromagnetischer Leistung fast vollständig verhindern.Advantageously, the cavities through which the microstrip lines are routed are structured directly with the metallic layers. If the cavities are designed as notches or depressions in the metal layers lying above and below the microstrip line, then the microstrip line lies together with its substrate in a cavity which consists of two half shells. The walls of the cavity can be electrically closed by providing the substrate with electrical vias. In such arrangements, "fences" by Vias can almost completely prevent the loss of electromagnetic power.
Liegen das Empfangs- und das Sendeband der Antenne frequenzmäßig sehr weit auseinander, dann kann es der Fall sein, dass Standard-Hohleiter (Rechteckhohlleiter) die erforderliche Bandbreite nicht mehr unterstützen können. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Hohlleiter längs der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle mit geometrischen Konstriktionen (Verengungen) zu versehen. Durch solche Konstriktionen kann die Nutzbandbreite stark erhöht werden. Zahl und Anordnung der Konstriktionen hängen dabei von der Auslegung des Antennensystems ab.If the reception and transmission bands of the antenna are very far apart in terms of frequency, then it may be the case that standard hollow conductors (rectangular waveguides) can no longer support the required bandwidth. In this case, it is advantageous to provide the waveguides along the propagation direction of the electromagnetic wave with geometric constrictions (constrictions). By such constrictions, the useful bandwidth can be greatly increased. The number and arrangement of constrictions depend on the design of the antenna system.
Bei sehr großen Nutzbandbreiten sind sogenannte double-ridged Hohlleiter vorteilhaft, welche eine signifikant größere Bandbreite als Standard-Hohlleiter besitzen können. Diese Hohlleiter verfügen über eine geometrische Konstriktion parallel zur unterstützten Polarisationsrichtung, was die Entstehung parasitärer höherer Moden verhindert.For very large useful bandwidths so-called double-ridged waveguides are advantageous, which can have a significantly larger bandwidth than standard waveguide. These Waveguides have a geometric constriction parallel to the supported polarization direction, preventing the formation of parasitic higher modes.
Bei sehr hohen Nutzfrequenzen oder sehr dicht liegenden Einzelstrahlern besteht eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung darin, dass dielektrisch gefüllte Hohlleiter für die Hohlleiterspeisenetzwerke verwendet werden. Solche Hohlleiter benötigen wesentlich weniger Bauraum als luftgefüllte Hohlleiter. Je nach Anforderungen an den Bauraum kann dabei zusätzlich ein Teil oder ein ganzes Hohlleiternetzwerk aus dielektrisch gefüllten Hohlleitern bestehen. Auch eine teilweise Füllung ist möglich.At very high useful frequencies or very close individual emitters, an advantageous development of the invention is that dielectrically filled waveguides are used for the waveguide supply networks. Such waveguides require much less space than air-filled waveguide. Depending on the requirements of the installation space, a part or a whole waveguide network may additionally consist of dielectric filled waveguides. Also a partial filling is possible.
Zur weiteren Verarbeitung der Signale, z.B. durch Ankopplung eines rauscharmen Verstärkers ("Low-Noise Amplifier", LNA) an das Empfangs-Speisenetzwerk und/oder eines Leistungsverstärkers ("High Power Amplifier", HPA) an das Sende-Speisenetzwerk, kann es vorteilhaft sein die Speisenetzwerke mit Frequenz-Diplexern auszustatten. Solche Frequenz-Diplexer trennen das Empfangs- vom Sendeband. Hierbei sind insbesondere Hohlleiter-Diplexer vorteilhaft, weil sie eine sehr hohe Isolation erreichen können und zudem sehr dämpfungsarm sind.For further processing of the signals, e.g. By coupling a low noise amplifier (LNA) to the receive feed network and / or a high power amplifier (HPA) to the transmit feed network, it may be advantageous to feed the frequency diplexer feed networks equip. Such frequency diplexers separate the reception from the transmission band. In particular waveguide diplexers are advantageous because they can achieve a very high isolation and are also very low attenuation.
An welcher Stelle die Frequenz-Diplexer in die Speisenetzwerke eingefügt werden, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. So ist z.B. denkbar, dass jedes Modul des Antennenfelds direkt an seinem Ausgang bzw. Eingang mit einem Diplexer ausgestattet wird. Am Ein- bzw. Ausgang dieser Diplexer liegen dann alle Signalkombinationen in reiner Form vor: Polarisation 1 im Empfangsband, Polarisation 2 im Empfangsband, Polarisation 1 im Sendeband und Polarisation 2 im Sendeband. Die Module können dann durch vier entsprechende HohlleiterSpeisenetzwerke miteinander verbunden werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die HohlleiterSpeisenetzwerke frequenzmäßig nicht sehr breitbandig sein müssen, weil sie jeweils lediglich für Signale des Empfangs- bzw. des Sendebandes geeignet sein müssen.At which point the frequency diplexers are inserted into the feed networks depends on the particular application. For example, e.g. conceivable that each module of the antenna array is equipped with a diplexer directly at its output or input. At the input and output of these diplexers are then all signal combinations in pure form:
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Frequenz-Diplexer lediglich jeweils am Ein- bzw. Ausgang der Hohlleiternetzwerke angebracht werden. Eine solche Ausführungsform spart Bauraum, erfordert jedoch typischerweise eine breitbandige Auslegung der Hohlleiternetzwerke.However, it is also conceivable that the frequency diplexers are mounted only at the input or output of the waveguide networks. Such an embodiment saves space, but typically requires a broadband design of the waveguide networks.
Für Anwendungen, bei denen in unterschiedlichen Polarisationen gesendet bzw. empfangen werden soll, oder bei Anwendungen, bei denen die Polarisation des Sende- bzw. des Empfangsignals dynamisch wechselt ("Polarization Diversity"), ist es vorteilhaft, wenn sowohl die intra-modularen Mikrostreifenleitungsnetzwerke als auch die inter-modularen Hohleiternetzwerke so ausgelegt sind, dass sie simultan das Sende- und das Empfangsband unterstützen können.For applications where you want to transmit or receive in different polarizations, or in applications where the polarization of the transmit or receive signal It is advantageous if both the intra-modular microstrip line networks and the inter-modular waveguide networks are designed to simultaneously support the transmit and receive bands.
Wird die Antenne mit Frequenz-Diplexern versehen, welche mit einer geeigneten Hochfrequenz-Schaltungsmatrix ("switching matrix") verbunden sind, dann ist das dynamische Umschalten zwischen den orthogonalen Polarisationen möglich ("polarization switching").If the antenna is provided with frequency diplexers which are connected to a suitable radio frequency switching matrix, then dynamic switching between the orthogonal polarizations is possible (polarization switching).
Solche Ausführungsformen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn die Antenne in Satellitendiensten eingesetzt werden soll, welche mit der sog. "spot beam" Technologie arbeiten. Bei der "spot beam" Technologie entstehen auf der Erdoberfläche Abdeckungsgebiete (Zellen) relativ kleiner Fläche (typischer Durchmesser im Ka-Band ca. 200km -300km). Um in benachbarten Zellen dieselben Frequenzbänder verwenden zu können ("frequency re-use"), werden benachbarte Zellen lediglich durch die Polarisation der Signale unterschieden.Such embodiments are particularly advantageous when the antenna is to be used in satellite services, which work with the so-called "spot beam" technology. In "spot beam" technology, coverage areas (cells) of relatively small area are formed on the earth's surface (typical diameter in the Ka band approx. 200km -300km). In order to be able to use the same frequency bands in neighboring cells ("frequency re-use"), adjacent cells are only distinguished by the polarization of the signals.
Bei Anwendung der Antenne auf sich schnell bewegenden Trägern, insbesondere auf Flugzeugen, finden dann typischerweise sehr viele und sehr schnelle Zellenwechsel statt und die Antenne muss in der Lage sein die Polarisation der Empfangs- bzw. Sendesignale schnell umzuschalten.When using the antenna on fast-moving carriers, in particular on aircraft, then typically very many and very fast cell changes take place and the antenna must be able to quickly switch the polarization of the receive or transmit signals.
Wird die Antenne hingegen in Satellitendiensten eingesetzt, bei denen die Polarisation des Empfangs- bzw. Sendesignals fest ist und sich weder zeitlich noch geographisch ändert, dann ist es von Vorteil, wenn das erste intra-modulare Mikrostreifenleitungsnetzwerk und das zugehörige inter-modulare Hohleiternetzwerk auf das Empfangsband der Antennne, und das zweite intra-modulare Mikrostreifenleitungsnetzwerk und das zugehörige inter-modulare Hohleiternetzwerk auf das Sendeband des Antennensystems ausgelegt sind.On the other hand, if the antenna is used in satellite services where the polarization of the transmit signal is fixed and does not change temporally or geographically, it is advantageous if the first intra-modular microstrip line network and the associated inter-modular waveguide network point to the Receiving band of the Antennne, and the second intra-modular microstrip network and the associated inter-modular waveguide network are designed for the transmission band of the antenna system.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die jeweiligen Speisenetzwerke auf das jeweilige Nutzfrequenzband optimiert werden können, und damit ein sehr verlustarmes Antennensystem sehr hoher Leistungsfähigkeit entsteht.This embodiment has the advantage that the respective feed networks can be optimized for the respective usable frequency band, and thus a very low-loss antenna system of very high performance is created.
Sind die Strahlelemente des Antennensystems auf zwei orthogonale lineare Polarisationen ausgelegt, dann sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Speisenetzwerke mit sog. 90° Hybridkopplern ausgestattet. 90° Hybridkoppler sind dabei Vier-Tore welche zwei orthogonale linear polarisierte Signale in zwei orthogonale zirkular polarisierte Signale umwandeln bzw. umgekehrt. Mit solchen Anordnungen ist es dann möglich, auch zirkular polarisierte Signale zu senden bzw. zu empfangen.If the radiation elements of the antenna system are designed for two orthogonal linear polarizations, then according to an advantageous embodiment of the invention, the feed networks are equipped with so-called 90 ° hybrid couplers. 90 ° hybrid couplers are four-gates which have two orthogonal linearly polarized signals in two orthogonal circular convert polarized signals or vice versa. With such arrangements, it is then possible to send or receive also circularly polarized signals.
Alternativ hierzu kann das Antennenfeld zum Empfang und zum Senden zirkular polarisierter Signale auch mit einem sogenannten Polarisator ausgestattet werden. Typischerweise handelt es sich hierbei um geeignet strukturierte metallische Schichten ("Layer") welche in einer Ebene annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle liegen. Die metallische Struktur wirkt dabei derart, dass sie in einer Richtung kapazitiv und in der orthogonalen Richtung induktiv wirkt. Für zwei orthogonal polarisierte Signale bedeutet dies, dass den beiden Signalen ein Phasenunterschied aufgeprägt wird. Wird der Phasenunterschied nun so eingestellt, dass er beim Durchgang durch den Polarisator gerade 90° beträgt, dann werden zwei orthogonale linear polarisierte Signale in zwei orthogonale zirkular polarisierte Signale umgewandelt bzw. umgekehrt.Alternatively, the antenna array for receiving and transmitting circularly polarized signals can also be equipped with a so-called polarizer. Typically, these are suitably structured metallic layers ("layers") which lie in a plane approximately perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave. The metallic structure acts in such a way that it acts capacitively in one direction and inductively in the orthogonal direction. For two orthogonally polarized signals, this means that a phase difference is imposed on the two signals. If the phase difference is now set to be just 90 ° when passing through the polarizer, then two orthogonal linearly polarized signals are converted to two orthogonal circularly polarized signals, and vice versa.
Um große Nutzbandbreiten zu erhalten besteht der Polarisator vorteilhafterweise aus mehreren Schichten, welche in einem bestimmten Abstand (typischerweise im Bereich einer Viertel Wellenlänge) voneinander angebracht werden.In order to obtain large useful bandwidths, the polarizer advantageously consists of several layers, which are mounted at a certain distance (typically in the region of a quarter wavelength) from each other.
Eine besonders geeignete Ausführungsform des Polarisators ist ein Mehr-Lagen-Mäanderpolarisator. Hierbei werden mit den üblichen Strukturierungsverfahren metallische Mäanderstrukturen geeigneter Dimension auf einem typischerweise dünnen Substrat strukturiert. Die so strukturierten Substrate werden dann auf Schaumplatten geklebt, bzw. zu Sandwiches laminiert. Als Schäume kommen z.B. verlustarme geschlossenzellige Schäume wie Rohacell oder XPS in Frage.A particularly suitable embodiment of the polarizer is a multi-layer meander polarizer. In this case, metallic meander structures of suitable dimensions are patterned on a typically thin substrate using the usual structuring methods. The substrates structured in this way are then glued onto foam boards or laminated to form sandwiches. As foams are e.g. low-loss closed-cell foams such as Rohacell or XPS in question.
Vorteilhaft ist hier eine Abfolge von Schaumplatten, Klebefolien und strukturierten Substraten aufeinanderzulegen und mit einer Presse zu verpressen. In relativ einfacher Weise entsteht dann ein geeigneter Polarisator geringen Gewichts.It is advantageous here to superimpose a sequence of foam sheets, adhesive sheets and structured substrates on one another and to press them with a press. In a relatively simple manner then creates a suitable polarizer light weight.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden sehr hohe Nutzbandbreiten und hohe Kreuzpolarisations-Isolationen erreicht, wenn der Polarisator nicht genau senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle vor dem Antennenfeld angebracht wird, sondern leicht verkippt. In diesen Anordnungen ist der typische Abstand des Polarisators zur Aperturfläche des Antennenfeldes im Bereich einer Wellenlänge der Nutzfrequenz und der Kippwinkel gegenüber der Aperturebene im Bereich von 2° bis 10°.According to a further advantageous embodiment of the invention, very high useful bandwidths and high cross-polarization isolations are achieved when the polarizer is not mounted exactly perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave in front of the antenna field, but slightly tilted. In these arrangements, the typical distance of the polarizer to the aperture surface of the antenna array is in the range of a wavelength of the useful frequency and the tilt angle to the aperture plane in the range of 2 ° to 10 °.
Da das Antennendiagramm ("antenna pattern") des Antennensystems im Sendeband unter einer regulatorisch vorgegebenen Maske liegen muss, und bei kleinen Antennen nur dann mit hohen spektralen Leistungsdichten gesendet werden kann, wenn das Diagramm so nahe wie möglich an der Maske liegt, kann es von Vorteil sein, das Antennensystem mit einer Amplitudenbelegung ("aperture amplitude tapering") zu versehen. Insbesondere bei ebenen Aperturöffnungen sind hierzu parabole Amplitudenbelegungen der Apertur besonders geeignet. Parabole Amplitudenbelegungen sind dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler vom Rand des Antennefeldes zur Mitte hin zunehmen und sich z. B. ein parabel-ähnlicher Verlauf ergibt.Since the antenna pattern of the antenna system in the transmission band must be below a regulatory mask and can only be transmitted with high spectral power densities for small antennas if the diagram is as close as possible to the mask, it can be used by Be advantageous to provide the antenna system with an amplitude assignment ("aperture amplitude tapering"). Parabole amplitude assignments of the aperture are particularly suitable in the case of flat aperture openings for this purpose. Parabole amplitude assignments are characterized in that the power contributions of the individual radiators from the edge of the antenna field towards the center increase and z. B. results in a parabolic-like course.
Solche Amplitudenbelegungen des Antennenfeldes führen zu einer Unterdrückung der Nebenkeulen im Antennendiagramm und damit zu einer höheren regulatorisch erlaubten spektralen Leistungsdichte.Such amplitude assignments of the antenna field lead to a suppression of the side lobes in the antenna pattern and thus to a higher regulatory allowable spectral power density.
Da die Nebenkeulen bei Anwendungen in geostationären Satellitendiensten nur entlang einer Tangente an den geostationären Orbit am Ort des Zielsatelliten unterdrückt werden müssen, wird die Amplitudenbelegung des Antennensystems vorzugsweise so gestaltet, dass sie zumindest entlang der Richtung durch das Antennensystem, in welcher die Strahlelemente dicht liegen, wirkt. Dabei liegen die Strahlelemente in der Richtung dicht, in welcher der Abstand der Phasenzentren der Einzelstrahler kleiner oder gleich der Wellenlänge der höchsten Sendefrequenz ist, bei der keine signifikanten parasitären Nebenkeulen (grating-lobes)auftreten dürfen.Since the side lobes in applications in geostationary satellite services only need to be suppressed along a tangent to the geostationary orbit at the location of the target satellite, the amplitude occupancy of the antenna system is preferably designed to be at least along the direction through the antenna system in which the radiating elements are close. acts. In this case, the beam elements are dense in the direction in which the distance of the phase centers of the individual radiators is less than or equal to the wavelength of the highest transmission frequency at which no significant parasitic side lobes (grating lobes) may occur.
Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.In addition, other advantages and features of the present invention will be apparent from the description of preferred embodiments. The features described therein may be implemented alone or in combination with one or more of the features mentioned above. The following description of the preferred embodiments will be made with reference to the accompanying drawings.
-
Fig. 1a-b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Antennenmodul, welches aus einem Feld von 8 x 8 Einzelstrahlern besteht;Fig. 1a-b schematically show an inventive antenna module, which consists of a field of 8 x 8 individual radiators; -
Fig. 2a-b zeigen beispielhafte Mikrostreifenleitungsspeisenetzwerke für ein 8 x 8 Antennenmodul;Fig. 2a-b show exemplary microstrip feed networks for an 8x8 antenna module; -
Fig. 3a-d stellen schematisch den beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Antenne aus Antennenmodulen und die Vernetzung der Module durch Hohlleiternetzwerke dar;Fig. 3a-d schematically illustrate the exemplary structure of an antenna according to the invention of antenna modules and the networking of the modules by waveguide networks; -
Fig. 4a-d zeigen den Detailaufbau eines einzelnen vierfach gezahnten ("quad-ridged") Hornstrahlers;Fig. 4a-d show the detailed structure of a single quadruple-toothed horn radiator; -
Fig. 5 stellen schematisch den Detailaufbau eines 2 x 2 Antennenmoduls aus vierfach gezahnten ("quad-ridged") Hornstrahlers dar;Fig. 5 schematically illustrate the detailed structure of a 2 x 2 antenna module of four-toothed ("quad-ridged") horn radiator; -
Fig. 6a-b zeigen ein exemplarisches 8 x 8 Antennenmodul, welches aus dielektrisch gefüllten Hornstrahlern besteht;Fig. 6a-b show an exemplary 8 x 8 antenna module, which consists of dielectrically filled horns; -
Fig. 7a-d stellen den beispielhaften Detailaufbau eines einzelnen dielektrisch gefüllten Hornstrahlers dar;Fig. 7a-d illustrate the exemplary detailed construction of a single dielectrically filled horn radiator; -
Fig. 8 zeigt schematisch den Detailaufbau eines 2 x 2 Moduls aus dielektrisch gefüllten Hornstrahlern;Fig. 8 schematically shows the detailed structure of a 2 x 2 module of dielectrically filled horns; -
Fig. 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Modul, das zur Verbesserung der Impedanzanpassung mit einem dielektrischen Gitter versehen ist;Fig. 9 shows a module according to the invention, which is provided for improving the impedance matching with a dielectric grid; -
Fig. 10a-b zeigen ein erfindungsgemäßes Modul in Lagentechnik;Fig. 10a-b show a module according to the invention in layering technique; -
Fig. 11a-d zeigen den Detailaufbau eines erfindungsgemäßen Moduls in Lagentechnik;Fig. 11a-d show the detailed structure of a module according to the invention in layering technology; -
Fig. 12 zeigt schematisch das Vakuummodel eines erfindungsgemäßen Moduls;Fig. 12 schematically shows the vacuum model of a module according to the invention; -
Fig. 13 zeigt den exemplarischen Aufbau eines Hohlleiter-Leistungsteilers, welcher aus zweifachgezähnten ("double-ridged") Hohlleitern zusammengesetzt ist;Fig. 13 shows the exemplary construction of a waveguide power divider composed of double-ridged waveguides; -
Fig. 14 zeigt schematisch eine Lage eines Polarisators;Fig. 14 schematically shows a position of a polarizer; -
Fig. 15a-b zeigen beispielhaft eine schematische Amplitudenbelegung eines erfindungsgemäßen Antennensystems und die daraus resultierende maximale regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichte;Fig. 15a-b show, by way of example, a schematic amplitude assignment of an antenna system according to the invention and the resulting maximum regulatory-compliant spectral EIRP density; -
Fig. 16 zeigt einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Antennensystems mit fester Polarisation des Sende- und des Empfangssignals in Form eines Blockdiagramms;Fig. 16 shows a possible construction of an antenna system according to the invention with fixed polarization of the transmitted and the received signal in the form of a block diagram; -
Fig. 17 zeigt einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Antennensystems mit variabler Polarisation des Sende- und des Empfangssignals unter Verwendung von 90° Hybridkopplern in Form eines Blockdiagramms;Fig. 17 shows a possible construction of a variable polarization antenna system according to the invention of the transmitted and received signals using 90 ° hybrid couplers in the form of a block diagram; -
Fig. 18 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Antennensystems mit variabler Polarisation des Sende- und des Empfangssignals unter Verwendung eines Polarisators in Form eines Blockdiagramms.Fig. 18 schematically shows the structure of a variable polarization antenna system according to the invention of the transmitted and the received signal using a polarizer in the form of a block diagram.
Die in den Zeichnungen dargestellten exemplarischen Ausführungsformen der Antenne und ihrer Komponenten werden im Folgenden näher erläutert.The exemplary embodiments of the antenna and its components shown in the drawings are explained in more detail below.
Die intra-modularen Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 für die beiden orthogonalen Polarisationen befinden sich zwischen unterschiedlichen Lagen.The intra-modular
Das Antennenmodul besteht aus insgesamt 64 primären Einzelstrahlern 1 welche in einem 8 x 8 Antennenfeld angeordnet sind (Ni = 64). Die Dimensionen der Einzelstrahler und die Größe ihrer Aperturflächen ist dabei so gewählt, dass der Abstand der Phasenzentren der einzelnen Strahlelemente entlang beider Hauptachsen kleiner als λmin ist, wobei λmin die Wellenlänge der höchsten Nutzfrequenz bezeichnet. Durch diesen Abstand ist sichergestellt, dass im Antennendiagramm bis zur höchsten Nutzfrequenz (Referenzfrequenz) in keiner Richtung parasitäre Nebenkeulen, sog. "grating lobes", auftreten können.The antenna module consists of a total of 64 primary
Im exemplarischen Fall des in
Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, für die die Module eine kleinere oder größere Zahl von Hornstrahlern umfassen. Für K/Ka-Band Antennen z.B. sind 4 x 4 Module optimal. Die Mikrostreifenleitungsnetzwerke stellen dann einen 16:1 Leistungsteiler dar, der die Signale von 16 Einzelstrahlern zusammenführt. Die Mikrostreifenleitungen werden in diesem Fall relativ kurz und ihr Rauschbeitrag bleibt daher klein.However, embodiments are also conceivable for which the modules have a smaller or larger number of horns include. For K / Ka-band antennas, for example, 4 x 4 modules are optimal. The microstrip line networks then provide a 16: 1 power splitter that merges the signals from 16 individual emitters. The microstrip lines in this case are relatively short and their noise contribution therefore remains small.
Durch entsprechende Auslegung der Modulgrößen kann damit je nach Anwendung eine Antenne mit optimalen Leistungsparametern konstruiert werden. Vorteilhafterweise werden die Module nur so groß gemacht, wie erforderlich, um sie mit Hohlleitern speisen zu können. Der parasitäre Rauschbeitrag der Mikrostreifenleitungen wird dadurch minimiert.Depending on the application, an antenna with optimum performance parameters can be constructed by appropriate design of the module sizes. Advantageously, the modules are only made as large as necessary in order to feed them with waveguides can. The parasitic noise contribution of the microstrip lines is thereby minimized.
Die beiden Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 koppeln die zusammengeführten Signale jeweils nach Polarisationen getrennt in Mikrostreifen-zu-Hohleiterkopplungen 4, 5 wie dies in
Durch die beiden zueinander orthogonalen Mikrostreifen-zu-Hohleiterkopplungen 6, 7 werden die orthogonal polarisierten Signale in die einzelnen Hornstrahler des 8 x 8 Moduls ein- bzw. ausgekoppelt. Das Summensignal wird an den Hohlleiterkopplungen 4a bzw. 5a in Hohlleiter ein- bzw. ausgekoppelt. Da die beiden Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 typischerweise in zwei Ebenen übereinander liegen, befinden sich Hohlleiterdurchführungen 4b bzw. 5b ebenfalls auf der entsprechenden Platine, um einen Durchbruch und die Verbindung zu den Hohlleiterkopplungen 4a bzw. 5a zu schaffen.By the two mutually orthogonal microstrip-to-
Die Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 können mit allen bekannten Verfahren hergestellt werden. Wobei sich verlustarme Substrate für Antennen in besonderer Weise eignen.The
Erfindungsgemäße Antennensysteme bestehen aus einer Anzahl M von Modulen, wobei M mindestens zwei sein muss. In
Andere Anordnungen der Module und andere Modulgrößen sind jedoch ebenfalls denkbar. So können die Module z.B. auch kreisförmig angeordnet werden. Auch müssen nicht alle Module die gleiche Größe (Anzahl der Einzelstrahler) besitzen.However, other arrangements of the modules and other module sizes are also conceivable. Thus, the modules may e.g. also be arranged in a circle. Also, not all modules must have the same size (number of individual emitters).
Die Module 8 werden nun mit Hilfe der Hohlleiternetzwerke 9, 10 miteinander vernetzt. Hierzu werden die entsprechenden Hohlleitereinkoppelstellen 11, 12 der Hohlleiternetzwerke 9, 10 mit den entsprechenden Hohlleiterkopplungen 4, 5 (vgl.
Die Hohlleiternetzwerke 9, 10 selbst stellen jedes für sich einen M:1 Leistungsteiler dar, so dass die beiden orthogonal polarisierten Signale über die Summenports 13, 14 in das Antennensystem eingespeist bzw. aus dem Antennensystem ausgekoppelt werden können.The
Je nach Anwendung und erforderlicher Frequenzbandbreite können für die Hohlleiternetzwerke 9, 10 verschiedenste Hohlleiter, wie z.B. konventionelle rechteckige oder runde Hohleiter oder breitbandigere gezahnte ("ridged") Hohlleiter, zum Einsatz kommen. Auch dielektrisch gefüllte Hohlleiter sind denkbar.Depending on the application and the required frequency bandwidth,
So kann es z.B. vorteilhaft sein den Teil des Hohlleiternetzwerks, der direkt an die Hohlleiterkopplung 4, 5 anschließt, mit einem Dielektrikum zu füllen. Die Dimensionen der dielektrisch gefüllten Hohleiter verringern sich dann erheblich, so dass deren Bauraumbedarf minimal wird.So it can be e.g. be advantageous to fill the part of the waveguide network, which connects directly to the
Die in
- Die Antenne besteht aus einem Antennenfeld
von N Einzelstrahlern 1wobei jeder Einzelstrahler 1 zwei unabhängige orthogonale Polarisationen unterstützen kann und N dieGesamtzahl der Einzelstrahler 1 des Antennenfeldes bezeichnet.
- The antenna consists of an antenna array of N
individual radiators 1, wherein eachindividual radiator 1 can support two independent orthogonal polarizations and N denotes the total number ofindividual radiators 1 of the antenna array.
Zudem ist das Antennenfeld aus Modulen 8 aufgebaut, wobei jedes Modul Ni Einzelstrahler enthält und
Im Ausführungsbeispiel der
Die Einzelstrahler 1 sind so dimensioniert (s.
Die Einzelstrahler 1 werden für jede der beiden orthogonalen Polarisationen getrennt durch Mikrostreifenleitungen gespeist (s.
Die Mikrostreifenleitungen der einen orthogonalen Polarisation sind zu dem ersten intra-modularen Mikrostreifenleitungsnetzwerk 2 verbunden und die Mikrostreifenleitungen der anderen orthogonalen Polarisation sind zu dem zweiten intra-modularen Mikrostreifenleitungsnetzwerk 3 verbunden.The microstrip lines of one orthogonal polarization are connected to the first intra-modular
Das erste intra-modulare Mikrostreifennetzwerk 2 ist an das erste inter-modulare Hohlleiternetzwerk 9 angekoppelt und das zweite intra-modulare Mikrostreifennetzwerk 3 ist an das zweite inter-modulare Hohleiternetzwerk 10 angekoppelt, so dass das erste inter-modulare Hohleiternetzwerk 9 alle Signale der einen orthogonalen Polarisation am ersten Summenport 13 zusammenführt und das zweite inter-modulare Hohleiternetzwerk 10 alle Signale der anderen orthogonalen Polarisation am zweiten Summenport 14 zusammenführt .The first micro-strip
Zudem sind die Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 und die Hohlleiternetzwerke 9, 10 hier als vollständige und vollständig symmetrische binäre Bäume aufgebaut, so dass alle Einzelstrahler 1 parallel gespeist werden.In addition, the
Die
Die Module 8 werden mit zwei Hohlleiternetzwerken 9 und 10 für jede Polarisation getrennt gespeist. Die Hohlleiternetzwerke 9, 10 befinden sich dabei in zwei getrennten Schichten hinter den Modulen und die Module werden mit den Hohlleiternetzwerken 9, 10 durch die Einkoppelstellen 11, 12 verbunden, welche an die Hohlleiterkopplungen der Module 4, 5, angekoppelt sind. Beide Hohlleiternetzwerke 9, 10 sind hier als Ausfräsungen realisiert.The
Liegen nun das Sende- und das Empfangsband des Antennensystems frequenzmäßig weit auseinander, dann kann der Fall auftreten, dass die Dimensionen der Einzelstrahler 1 des Feldes so klein werden müssen, dass das tiefer liegende der beiden Frequenzbänder in die Nähe der Grenzfrequenz der Einzelstrahler 1 kommt, oder sogar darunter liegt. Konventionelle Hornstrahler zum Beispiel können dieses Frequenzband dann nicht mehr unterstützen oder ihre Effizienz nimmt stark ab.If the transmission and reception bands of the antenna system are far apart in terms of frequency, then the case may arise that the dimensions of the
So liegt z.B. bei einem K/Ka-Band Betrieb das Empfangsfrequenzband bei ca. 19GHz - 20GHz und das Sendefrequenzband bei ca. 29GHz - 30GHz. Um die Bedingung dafür, dass das Antennendiagramm im Sendeband frei von parasitären Nebenkeulen ("grating lobes") ist, zu erfüllen, darf die Apertur der Einzelstrahler 1 höchstens 1cm x 1cm groß sein λmin ist 1cm).For example, in a K / Ka band operation, the receive frequency band is approximately 19GHz - 20GHz and the transmit frequency band is approximately 29GHz - 30GHz. In order to fulfill the condition that the antenna pattern in the transmission band is free of parasitic sidelobes ("grating lobes"), the aperture of the
Konventionelle dual polarisierte Hornstrahler zum Beispiel mit einer Aperturöffnung von nur 1cm x 1cm funktionieren allerdings bei 19GHz - 20GHz (λmax= 1.58cm) so gut wie gar nicht mehr, weil eine akzeptable Impedanzanpassung an den Freiraum nicht mehr möglich ist. Zudem müsste der Hornstrahler sehr nahe an der unteren Grenzfrequenz ("cutoff"-Frequenz) betrieben werden, was zu sehr hohen dissipativen Verlusten und zu einer sehr geringen Antenneneffizienz führen würde.Conventional dual polarized horns, for example, with an aperture of only 1cm x 1cm, however, hardly work at 19GHz - 20GHz (λ max = 1.58cm), because an acceptable impedance match to the free space is no longer possible. In addition, the horn would have to be operated very close to the lower cutoff frequency ("cutoff" frequency), which would lead to very high dissipative losses and to a very low antenna efficiency.
Es kann daher vorteilhaft sein, dass die primären Einzelstrahler 1 als gezahnte ("ridged") Hornstrahler ausgeführt sind. Solche Hornstrahler können eine gegenüber konventionellen Hornstrahlern stark erweiterte Frequenzbandbreite besitzen.It may therefore be advantageous that the primary
Die Impedanzanpassung solcher gezahnten Hörner an den Freiraum erfolgt dann nach Verfahren der Antennenphysik. Die gezahnten Hörner können dabei so ausgelegt werden, dass sie zwei orthogonale Polarisationen unterstützen können. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass die Hörner vierfach symmetrisch gezahnt sind ("quad-ridged"). Die Signale der orthogonalen Polarisationen werden durch getrennte Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 zu- und abgeführt.The impedance matching of such toothed horns to the free space then takes place according to the method of antenna physics. The toothed horns can be designed so that they can support two orthogonal polarizations. This is achieved, for example, by virtue of the fact that the horns are quadripartite-toothed ("quad-ridged"). The signals of the orthogonal Polarizations are supplied and removed by separate
Die Hornstrahler 1 sind mit symmetrischen geometrischen Konstriktionen 15, 16 entsprechend der orthogonalen Polarisationsrichtungen ausgestattet, welche sich entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle erstrecken.The
Solche Hörner werden als "gezahnte" Hörner bezeichnet. Dargestellt ist in
Wie in den Schnitten in
Die Tiefe, Breite und Länge der Stufen richtet sich nach den gewünschten Nutzfrequenzbändern und kann mit numerischen Simulationsmethoden bestimmt werden.The depth, width and length of the steps depend on the desired frequency bands and can be determined with numerical simulation methods.
Die Ein- bzw. Auskopplung der Signale auf die Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 erfolgt typischerweise an der engsten Stelle der Konstriktionen 15, 16 für die jeweilige Polarisationsrichtung, was eine sehr breitbandige Impedanzanpassung erlaubt.The coupling or decoupling of the signals onto the
Zusätzlich ist das Horn selbst gestuft (vgl.
Die Abstände di und die zugehörigen Kantenlängen ai, oder jedenfalls mindestens ein Teil davon, werden nun so ausgelegt, dass die zugehörige untere Grenzfrequenz des jeweiligen gezahnten Hohlleiterabschnitts unter der niedrigsten Nutzfrequenz des Hornstrahlers liegt. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die elektromagnetische Welle der entsprechenden Wellenlänge in den Hornstrahler bis zu Hohlleiter-zu-Mikrostreifenleitungskopplung eindringen, und dort ein- bzw. ausgekoppelt werden.The distances d i and the associated edge lengths a i , or at least a part thereof, are now designed so that the associated lower limit frequency of the respective toothed waveguide section is below the lowest useful frequency of the horn. Only when this condition is met can the electromagnetic wave of the appropriate wavelength penetrate into the horn to waveguide-to-microstrip line coupling, where it can be coupled in and out.
Da die dissipative Dämpfung bei Annäherung an die untere Grenzfrequenz stark zunimmt, werden die Abstände di und die zugehörigen Kantenlängen ai vorteilhafter weise so gewählt, dass ein genügender Abstand zur Grenzfrequenz verbleibt und die Dämpfung nicht zu hoch wird.Since the dissipative damping greatly increases when approaching the lower limit frequency, the distances d i and the associated edge lengths a i are advantageously chosen so that a sufficient distance to the cutoff frequency remains and the attenuation does not become too high.
Zudem muss berücksichtigt werden, dass bei Antennensystemen, welche aus mehreren Hornstrahlern bestehen, gegenseitige Kopplungen der Strahler wirksam sind.In addition, it must be taken into account that in antenna systems which consist of several horn radiators, mutual couplings of the radiators are effective.
In
Die beiden orthogonal polarisierten Signale pol 1 und pol 2, deren Empfang bzw. Abstrahlung von den Hornstrahlern 1 unterstützt wird, werden durch die Aus- bzw. Einkopplungsstellen 17 in das entsprechende Mikrostreifenleitungsnetzwerk 2, 3 eingespeist bzw. aus diesem extrahiert.The two orthogonally
Die Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 wiederum sind als binäre 4:1 Leistungsteiler ausgelegt und koppeln die Summensignale in die Hohlleiter 4, 5.The
Der Abstand der Phasenzentren zweier benachbarter Hornstrahler 1 in vertikaler Richtung ist dabei kleiner als λmin, so dass zumindest in dieser Richtung im Antennendiagram keine unerwünschten parasitären Nebenkeulen ("grating lobes") auftreten können und die Hornstrahler in dieser Richtung dicht liegen.The distance of the phase centers of two
Die Phasenzentren der Hornstrahler 1 fallen in dem in
Für die Ein- und Auskopplung der von den gezahnten Hornstrahlern 1 unterstützten Signale eignen sich Mikrostreifenleitungen wegen ihrer bekannten Breitbandigkeit in besonderer Weise. Zudem benötigen Mikrostreifenleitungen nur sehr wenig Bauraum, so dass hocheffiziente, breitbandige Hornstrahler-Antennensysteme, deren Antennendiagramme keine parasitären Nebenkeulen ("grating lobes") aufweisen, auch noch für sehr hohe Frequenzen (z.B. 30 GHz - 40 GHz) realisiert werden können.For the coupling and decoupling of the signals supported by the
In
Die Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 koppeln die Summensignale in die Hohlleiterkopplungen 4, 5.The
In den
Damit die Einzelstrahler 1 zwei weit auseinander liegende Frequenzbänder unterstützen können, sind sie in ihrem Innern gestuft ausgeführt, wie dies in den Schnitten
Die Tiefe, Breite und Länge der Stufen richtet sich nach den gewünschten Nutzfrequenzbändern und kann auch hier mit numerischen Simulationsmethoden bestimmt werden.The depth, width and length of the steps depend on the desired frequency bands and can also be determined with numerical simulation methods.
Liegen die beiden Ein- bzw. Auskoppelstellen der Mikrostreifenleitungsnetzwerke 2, 3 räumlich genügend dicht beieinander, dann kann der Hornstrahler 1 jedoch auch so ausgelegt werden, das beide Ein- bzw. Auskoppelungen sowohl das Sende- als auch das Empfangsfrequenzband unterstützen können.If the two input or output coupling points of the
Der dielektrische Füllkörper 19 ist entsprechend passgenau ebenfalls gestuft ausgeführt. Die Form des Füllkörpers 19 an der Aperturoberfläche richtet sich nach den elektromagnetischen Erfordernissen an das Antennendiagramm des Einzelstrahlers 1. Der Füllkörper 19 kann wie dargestellt an der Aperturöffnung eben ausgeführt werden. Es sind jedoch auch andere, z.B. nach Innen oder Außen gewölbte, Ausführungen möglich.The
Als Dielektrika kommen verschiedenste bekannte Materialen wie etwa Teflon, Polypropylen, Polyethylen, Polycarbonat, oder Polymethylpenten in Frage. Zur simultanen Abdeckung des K und das Ka Bandes beispielsweise reicht ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl von etwa 2 aus (z.B. Teflon, Polymethylpenten).As dielectrics come a variety of known materials such as Teflon, polypropylene, polyethylene, polycarbonate, or polymethylpentene in question. For example, for simultaneous coverage of the K and Ka tape, a dielectric having a dielectric constant of about 2 is sufficient (e.g., Teflon, polymethylpentene).
In der in
Der Vorteil der Verwendung von dielektrisch gefüllten Hörnern besteht darin, dass die Hörner selbst eine wesentlich weniger komplexe innere Struktur aufweisen als im Fall von gezahnten Hörnern.The advantage of using dielectrically filled horns is that the horns themselves have a much less complex internal structure than in the case of toothed horns.
Um hocheffiziente Antennen auch noch bei sehr hohen GHz-Frequenzen darzustellen, ist es jedoch auch denkbar, z.B. vierfach gezahnte Hornstrahler mit einem Dielektrikum zu füllen. Auch andere Horngeometrien mit dielektrischer Füllung oder teilweiser Füllung sind möglich.However, in order to display high-efficiency antennas even at very high GHz frequencies, it is also conceivable, e.g. fourfold toothed horn with a dielectric to fill. Other horn geometries with dielectric filling or partial filling are also possible.
In
Der Hornstrahler ist nun so ausgelegt, dass ein erster rechteckiger Querschnitt durch das Horn existiert, dessen Öffnung eine lange Kante kE besitzt, und ein zweiter Querschnitt durch das Horn existiert, dessen Öffnung eine lange Kante ks hat.The horn is now designed so that there is a first rectangular cross-section through the horn, the opening of which has a long edge k E , and a second cross-section exists through the horn, the opening of which has a long edge k s .
Liegt nun das Empfangsband des Antennensystems frequenzmäßig tiefer als das Sendeband und wird die Kante kE nun so gewählt, dass die zugehörige untere Grenzfrequenz eines dielektrisch gefüllten Hohlleiters mit einer langen Kante kE unter der niedrigsten Nutzfrequenz des Empfangsbandes des Antennensystems liegt, dann kann der Hornstrahler das Empfangsband unterstützen.If now the reception band of the antenna system is lower in frequency than the transmission band and the edge k E is now chosen so that the associated lower limit frequency of a dielectric filled waveguide with a long edge k E is below the lowest useful frequency of the receiving band of the antenna system, then the horn support the reception band.
Wird zudem die Kante ks so gewählt, dass die zugehörige untere Grenzfrequenz eines dielektrisch gefüllten Hohlleiters mit einer langen Kante ks unter der niedrigsten Nutzfrequenz des Sendebands des Antennensystems liegt, dann kann der Hornstrahler auch das Sendeband unterstützen, und dies gilt auch dann wenn Empfangsband und Sendeband weit auseinander liegen.In addition, if the edge k s chosen so that the associated lower limit frequency of a dielectric filled waveguide with a long edge k s is below the lowest usable frequency of the transmission band of the antenna system, then the horn can also support the transmission band, and this is true even if receiving band and transmission band are far apart.
Da in
Derart gestuft ausgeführte Hornstrahler können auch ohne oder nur mit teilweiser dielektrischer Füllung entsprechend betrieben werden können und dass die in
Sollen die Hornstrahler des Antennensystems nun dicht liegen, d.h. sollen keine parasitären Nebenkeulen (grating lobes) im Antennendiagramm des Antennensystems auftreten, dann sind in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Kantenlängen k1 und k2 der rechteckigen Apertur der Hornstrahler so gewählt, dass sowohl k1 als auch k2 kleiner oder höchsten gleich der Wellenlänge der Referenzfrequenz sind, welche im Sendeband der Antenne liegt.If the horns of the antenna system are now close, ie should no parasitic side lobes (grating lobes) occur in the antenna pattern of the antenna system, then in a further advantageous embodiment, the edge lengths k 1 and k 2 of the rectangular aperture of the horn are chosen so that both k 1 as well as k 2 are smaller or highest equal to the wavelength of the reference frequency, which is in the transmission band of the antenna.
In diesem Fall wird der zur Verfügung stehende Bauraum dann optimal ausgenutzt und ein maximaler Antennengewinn wird erzielt.In this case, the available space is then optimally utilized and a maximum antenna gain is achieved.
In
Im in
Die erste Lage besteht aus einem optionalen Polarisator 21, der bei zirkular polarisierten Signalen zum Einsatz kommt. Der Polarisator 21 verwandelt linear polarisierte Signale in zirkular polarisierte und umgekehrt, je nach Polarisation des einfallenden Signals. So werden auf das Antennensystem einfallende zirkular polarisierte Signale in linear polarisierte Signale umgewandelt, so dass sie von den Hornstrahlern des Moduls verlustfrei empfangen werden können. Andererseits werden die von den Hornstrahlern abgestrahlten linear polarisierten Signale in zirkular polarisierte Signale umgewandelt und dann in den Freiraum abgestrahlt.The first layer consists of an
Die beiden nächsten Lagen bilden den vorderen Teil des Hornstrahlerfelds, der die primären Hornstrukturen 22 ohne Ein- bzw. Auskoppeleinheit umfasst.The next two layers form the front part of the horn radiation field, which comprises the
Die folgenden Lagen 23a, 2 und 23b bilden die Ein- bzw. Auskopplung der ersten linearen Polarisation aus den Hornstrahlern des Feldes. Das Mikrostreifenleitungsnetzwerk 2 der ersten Polarisation und sein Substrat sind in metallische Träger (Lagen) 23a, 23b eingebettet. Die Träger 23a, 23b verfügen über Aussparungen (Kerben) an den Stellen, an denen eine Mikrostreifenleitung verläuft (vgl. auch
In gleicher Weise ist das Mikrostreifenleitungsnetzwerk 3 der zweiten, orthogonalen Polarisation mit seinem Substrat in die Träger 23b, 23c eingebettet.Likewise, the
In der letzten Lage sind die Hohlleiterabschlüsse 24 der Hornstrahler sowie die Hohlleiterauskopplungen 4 und 5.In the last position, the
Die primären Hornstrukturen 22, die Träger 23a-c und Hohlleiterabschlüsse 24 sind elektrisch leitend und lassen sich kostengünstig mit den bekannten Verfahren der Metallbearbeitung z.B. aus Aluminium herstellen (z.B. Fräsen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Elektroerodieren).The
Es ist jedoch auch denkbar, die Lagen aus Plastikmaterialen herzustellen, welche anschließend ganz oder teilweise mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen werden (z.B. galvanisch oder chemisch). Zur Herstellung der Plastiklagen können dabei z.B. auch die bekannten Spritzgussverfahren verwendet werden. Solche Ausführungsformen haben gegenüber Lagen aus Aluminium oder anderen Metallen den Vorteil, dass sich eine erhebliche Gewichtsreduktion ergeben kann, was insbesondere bei Anwendungen des Antennensystems auf Flugzeugen von Vorteil ist.However, it is also conceivable to produce the layers from plastic materials, which are subsequently completely or partially coated with an electrically conductive layer (for example galvanically or chemically). For the production of the plastic layers, e.g. also the known injection molding process can be used. Such embodiments have the advantage over layers of aluminum or other metals that a significant weight reduction can result, which is particularly advantageous in applications of the antenna system on aircraft.
Mit dieser Lagentechnik wird damit selbst bei sehr hohen GHz-Frequenzen ein hocheffizientes und kostengünstiges Antennenmodul zur Verfügung gestellt.With this layer technology, a highly efficient and cost-effective antenna module is made available even at very high GHz frequencies.
Die beschriebene Lagentechnik lässt sich sowohl für Antennenmodule aus gezahnten Hörnern als auch für Module aus dielektrisch gefüllten Hörnern in gleicher Weise anwenden.
Da bei endlicher Dicke der Substrate (Platine) der Mikrostreifenleitungen 26 zwischen den metallischen Lagen ein Spalt verbleibt, durch den Mikrowellenleistung entweichen könnte, ist zudem vorgesehen, die Substrate mit metallischen Durchkontaktierungen (Vias) 27 an den Rändern der Kerben zu versehen, so dass die metallischen Träger galvanisch verbunden sind, und so die Kavitäten vollständig elektrisch geschlossen werden. Liegen die Durchkontaktierungen 27 entlang der Mikrowellenleitungen 26 genügend dicht, dann kann keine Mikrowellenleistung mehr entweichen.In addition, since with the finite thickness of the substrates (circuit board) of the microstrip lines 26 a gap remains between the metallic layers, could escape through the microwave power, it is provided to the substrates with
Vorzugsweise schließen die Durchkontaktierungen 27 mit den metallischen Wänden der Kavität 25 bündig ab. Wird zudem ein dünnes, verlustarmes Substrat (Platinenmaterial) verwendet, dann sind die elektromagnetischen Eigenschaften eines solchen Aufbaus denen einer luftgefüllten Koaxialleitung ähnlich. Insbesondere ist eine sehr breitbandige Mikrowellenleitung möglich und parasitäre höhere Moden sind nicht ausbreitungsfähig. Zudem sind selbst bei sehr hohen GHz-Frequenzen die Toleranzanforderungen gering.Preferably, the plated-through
Bei sehr dünnen Substraten (z.B. < 20µm) und entsprechend niedrigen Nutzfrequenzen kann unter Umständen auf die Durchkontaktierungen auch verzichtet werden, da auch ohne Durchkontaktierungen dann praktisch keine Mikrowellenleistung durch die dann sehr schmalen Schlitze entweichen kann.In the case of very thin substrates (for example <20 μm) and correspondingly low useful frequencies, it is also possible to dispense with the plated-through holes, since virtually no microwave power can escape through the then very narrow slots even without plated-through holes.
Die Hornstrahlereinkopplungen bzw. -auskopplungen 6, 7 sind direkt in die metallischen Träger integriert.The Hornstrahlereinkopplungen or -
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlleiternetzwerke, welche die Module miteinander verkoppeln aus gezahnten Hohlleitern aufgebaut. Dies hat den Vorteil, dass gezahnte Hohlleiter eine sehr viel größere Frequenzbandbreite besitzen können als konventionelle Hohlleiter bzw. gezielt auf unterschiedliche Nutzbänder ausgelegt werden können.In a further advantageous embodiment, the waveguide networks, which couple the modules together from toothed waveguides. This has the advantage that toothed waveguide a much larger Frequency bandwidth can have as conventional waveguide or can be designed specifically for different utility bands.
Ein beispielhaftes Netzwerk aus zweifach gezahnten Hohlleitern ist in
Die Auslegung der gezahnten Hohlleiter und der entsprechenden Leistungsteiler kann mit den Verfahren der numerischen Simulation solcher Bauteile erfolgen, je nach den Anforderungen an das Netzwerk.The design of the toothed waveguides and corresponding power dividers can be done by the methods of numerical simulation of such components, depending on the requirements of the network.
Es müssen nicht notwendigerweise zweifach gezahnte Hohlleiter zum Einsatz kommen. Auch z.B. einfach gezahnte oder vierfach gezahnte Hohlleiter sind denkbar.It does not necessarily have to use double-toothed waveguides. Also, e.g. simply toothed or fourfold toothed waveguides are conceivable.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die Hohlleiter der inter-modularen Hohlleiternetzwerke ganz oder teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt. Solche Füllungen können bei gleicher Nutzfrequenz den Bauraumbedarf im Vergleich zu ungefüllten Hohlleitern erheblich verringern. Es ergeben sich dann sehr kompakte, bauraumoptimierte Antennen, welche insbesondere für Anwendungen auf Flugzeugen geeignet sind. Es können dabei sowohl Standard-Hohlleiter als auch Hohlleiter mit geometrischen Konstriktionen mit einem Dielektrikum gefüllt werden.In one embodiment, not shown, the waveguides of the inter-modular waveguide networks are completely or partially filled with a dielectric. Such fillings can significantly reduce the space requirement compared to unfilled waveguides with the same useful frequency. This results in very compact, space-optimized antennas, which are particularly suitable for applications on aircraft. Both standard waveguides and waveguides with geometric constrictions can be filled with a dielectric.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Antenne mit einem Mehrlagen-Mäanderpolarisator ausgestattet.
Um Achsenverhältnisse der zirkular polarisierten Signale in der Nähe von 1 (0 dB) zu erreichen, werden Mehrlagen-Mäanderpolarisatoren verwendet.In order to achieve axis ratios of the circularly polarized signals in the vicinity of 1 (0 dB), multilayer meander polarizers are used.
In einer nicht dargestellten Ausführungform werden hierzu mehrere der in
Eine vorteilhafte Anordnung ist ein 4-Lagen Mäanderpolarisator mir dem Achsenverhältnisse von unter 1 dB erzielt werden können, was in der Praxis meist ausreichend ist.An advantageous arrangement is a 4-layer meander polarizer with the axial ratios of less than 1 dB can be achieved, which is usually sufficient in practice.
Die Auslegung der Mäanderpolarisatoren richtet sich nach den Nutzfrequenzbändern des Antennensystems und kann mit Verfahren der numerischen Simulation solcher Strukturen erfolgen.The design of the meander polarizers depends on the useful frequency bands of the antenna system and can be done with methods of numerical simulation of such structures.
Die Mäanderlinien 31 liegen im Ausführungsbeispiel der
Da der Mäander-Polarisator ein lineares Bauelement ist, ist der Vorgang reziprok, d.h. in gleicher Weise werden links- bzw. rechtszirkular polarisierte Signale in linear polarisierte Signale umgewandelt.Since the meander polarizer is a linear device, the process is reciprocal, i. In the same way, left- and right-circularly polarized signals are converted into linearly polarized signals.
Ebenfalls ist denkbar, für die Polarisatoren andere geometrische Strukturen als Mäander zu verwenden. Es ist eine Vielzahl von passiven geometrischen Leiterstrukturen bekannt, mit denen sich linear polarisierte in zirkular polarisierte Signale umwandeln lassen. Es hängt vom Anwendungsfall ab, welche Strukturen für die Antenne am geeignetsten sind.It is also conceivable to use other geometric structures as meanders for the polarizers. There are a variety of passive geometric conductor structures known, with which linear polarized can be converted into circularly polarized signals. It depends on the application, which structures are most suitable for the antenna.
Wie in
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Antenne mit einer parabolen Amplitudenbelegung ausgestattet, welche durch eine entsprechende Auslegung der Leistungsteiler der Speisenetzwerke realisiert ist. Da das Antennendiagramm unter einer regulatorisch vorgegebenen Maske liegen muss, können durch solche Amplitudenbelegungen sehr viel höhere maximal erlaubte spektrale EIRP Dichten im Sendebetrieb erreicht werden, als ohne solche Belegungen. Insbesondere für Antennen mit kleiner Aperturfläche ist dies von großem Vorteil, da die maximale regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichte direkt proportional zur erreichbaren Datenrate und damit zu den Kosten eines entsprechenden Dienstes ist.In a further advantageous embodiment, the antenna is equipped with a parabolic amplitude assignment, which is realized by a corresponding design of the power divider of the feed networks. Since the antenna pattern must be below a mask prescribed by regulations, such amplitude assignments can achieve much higher maximum permitted spectral EIRP densities in the transmit mode than without such assignments. This is of great advantage, in particular for antennas with a small aperture area, since the maximum regulatory-compliant spectral EIRP density is directly proportional to the achievable data rate and thus to the cost of a corresponding service.
In
Je nach Anforderungen an das Antennendiagramm kann es jedoch auch ausreichend sein die Apertur nur in einer Richtung zu belegen.Depending on the requirements of the antenna diagram, however, it may also be sufficient to occupy the aperture in one direction only.
Auch ist denkbar, dass die Amplitudenbelegung nur im Bereich um das Antennenzentrum parabol verläuft, bei Annäherung an den Rand aber wieder ansteigt, so dass eine geschlossene Kurve um das Antennenzentrum existiert und die Leistungsbeiträge der Einzelstrahler von der Mitte der Antenne zu jedem Punkt dieser Kurve hin abfallen. Solche Amplitudenbelegungen können insbesondere für nicht-rechteckige Antennen von Vorteil sein.It is also conceivable that the amplitude occupancy only runs parabolically in the area around the antenna center, but increases again when approaching the edge, so that there is a closed curve around the antenna center and the power contributions of the individual radiators from the center of the antenna to each point of this curve fall off. Such amplitude assignments may be of particular advantage for non-rectangular antennas.
In
Die
Das Antennensystem, deren prinzipieller Aufbau in
Da im K/Ka Band typischerweise mit zirkular polarisierten Signalen gearbeitet wird, ist zunächst ein Polarisator 21 vorgesehen. Dem folgt ein Antennenfeld 32, welches entweder aus vierfach gezahnten ("quad-ridged") Hornstrahlern oder aus dielektrisch gefüllten Hornstrahlern aufgebaut ist. Die Aperturöffnungen der einzelnen Hornstrahler haben in diesem Frequenzbereich typischerweise Dimensionen kleiner 1cm x 1cm.Since the K / Ka band typically uses circularly polarized signals, initially a
Das Antennenfeld 32 ist erfindungsgemäß in Modulen organisiert, wobei jeder Einzelstrahler über zwei nach Polarisationen getrennte Mikrostreifenleitungseinkopplungen bzw. -auskopplungen 33 verfügt, welche wiederum nach Polarisationen getrennt zu zwei Mikrostreifenleitungsnetzwerken 36 verbunden sind.The
Da die Polarisation der Sende- und der Empfangssignale fest vorgegeben und typischerweise orthogonal zueinander ist, ist hier vorgesehen, das Mikrostreifenleitungsnetzwerk 36 der einen Polarisation auf das Sendeband und das Mikrostreifenleitungsnetzwerk 36 der anderen Polarisation auf das Empfangsband auszulegen.Since the polarization of the transmit and receive signals is fixed and typically orthogonal to one another, it is envisaged here that the
Dies hat den Vorteil, dass das Mikrostreifenleitungsnetzwerk 36 des Empfangsbandes auf minimale Verluste hin ausgelegt werden kann, und damit das G/T der Antenne optimal wird.This has the advantage that the
Im beispielhaften Aufbau von
Die nach Polarisation und Frequenzband getrennten Signale der beiden Mikrostreifenleitungsnetzwerke 36 der einzelnen Module werden nun mit Mikrostreifenleitungs-zu-Hohlleiterkopplungen 37 in zwei Hohlleiternetzwerke 38 gekoppelt.The signals separated by polarization and frequency band of the two
Auch hier ist vorgesehen, dass die beiden Hohlleiternetzwerke 38 auf das entsprechende Band, das sie unterstützen sollen, optimiert werden.Again, it is envisaged that the two
So können z.B. unterschiedliche Hohlleiterquerschnitte für das Empfangsband-Hohleiternetzwerk und das Sendeband-Hohleiternetzwerk verwendet werden. Insbesondere können vergrößerte Hohlleiterquerschnitte verwendet werden, was die dissipativen Verluste in den Hohlleiternetzwerken stark vermindern und damit die Effizienz der Antennen erheblich erhöhen kann.Thus, e.g. different waveguide cross sections are used for the receive band waveguide network and the transmit band waveguide network. In particular, enlarged waveguide cross sections can be used, which greatly reduce the dissipative losses in the waveguide networks and thus can significantly increase the efficiency of the antennas.
Weiterhin ist ein Empfangsband-Frequenzfilter 39 vorgesehen um den rauscharmen Empfangsverstärker, welcher typischerweise direkt am Empfangsband-Ausgang der Antenne montiert wird, vor Übersteuerung durch die starken Sendesignale zu schützen.Furthermore, a receive
Um die regulatorisch geforderte Seitenbandunterdrückung im Sendeband zu erreichen ist zudem ein optionaler Sendebandfilter 40 vorgesehen. Dieser ist z.B. dann erforderlich, wenn ein Sendeband-Leistungsverstärker (HPA), nicht dargestellt, nicht über einen ausreichenden Filter an seinem Ausgang verfügt.In order to achieve the regulatory sideband suppression in the transmission band, an optional
Der in
So kann z.B. das Empfangsband-Speisenetzwerk homogen belegt werden, d.h. die Leistungsbeiträge aller Hornstrahler der Antenne sind im Empfangsband gleich und alle Leistungsteiler sowohl auf der Ebene des Empfangsband-Mikrostreifenleitungsnetzwerks als auch auf der Ebene des Empfangsband-Hohlleiternetzwerks sind symmetrische 3dB-Leistungsteiler, wenn das Speisenetzwerk als vollständiger und vollständig symmetrischer binärer Baum aufgebaut ist.Thus, e.g. the receive band feed network is homozygously occupied, i. the power contributions of all of the antenna's horns are the same in the receive band and all power dividers at both the receive band microstrip line level and the receive band waveguide network level are balanced 3dB power dividers when the feed network is constructed as a complete and fully symmetric binary tree.
Da homogene Amplitudenbelegungen zum maximal möglichen Antennengewinn führen, wird damit erreicht, dass die Antenne im Empfangsband maximal leistungsfähig wird und das Verhältnis von Antennengewinn und Eigenrauschen G/T der Antenne maximal wird.Since homogeneous amplitude assignments lead to the maximum possible antenna gain, this ensures that the antenna is maximally efficient in the receiving band and the ratio of antenna gain and inherent noise G / T of the antenna becomes maximum.
Andererseits kann das Sendband-Speisenetzwerk unabhängig vom Empfangsband-Speisenetzwerk derart mit einer parabolen Amplitudenbelegung versehen werden, dass die regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichte maximal wird.On the other hand, the transmit band feed network can be provided with a parabolic amplitude assignment independently of the receive band feed network in such a way that the regulatory compliant spectral EIRP density becomes maximum.
Zwar reduziert sich durch solche parabolen Amplitudenbelegungen der Antennengewinn, was jedoch unkritisch ist, weil dies konstruktionsbedingt nur auf das Sendeband beschränkt bleibt und das Empfangsband nicht betrifft.Although reduced by such parabolic amplitude assignments of the antenna gain, but this is not critical, because this is due to the design limited only to the transmission band and does not affect the receiving band.
Die wesentlichen Leistungsmerkmale von Satellitenantennen, insbesondere von Satellitenantennen geringer Größe, sind das G/T und die maximale regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichte.The essential features of satellite antennas, especially satellite antennas of small size, are the G / T and the maximum regulatory compliant spectral EIRP density.
Das G/T ist direkt proportional zur Datenrate, welche über die Antenne empfangen werden kann. Die maximale regulatorisch konforme spektrale EIRP Dichte ist direkt proportional zur Datenrate, welche mit der Antenne gesendet werden kann.The G / T is directly proportional to the data rate that can be received via the antenna. The maximum regulatory compliant spectral EIRP density is directly proportional to the data rate that can be transmitted with the antenna.
Mit Antennensystemen, welche entsprechend
Bei sehr kleinen Satellitenantennen ergibt sich daraus noch ein weiterer Vorteil. Dort besteht nämlich das Problem, das die Breite des Hauptstrahls im Empfangsband so groß werden kann, dass nicht nur Signale des Zielsatelliten, sondern auch Signale benachbarter Satelliten empfangen werden. Die Signale benachbarter Satelliten wirken dann effektiv wie ein zusätzlicher Rauschbeitrag, der zu einer erheblichen Degradation des effektiven G/T führen kann.For very small satellite antennas, this results in another advantage. Namely, there is a problem that the width of the main beam in the reception band can become so large that not only signals of the target satellite but also signals of adjacent satellites are received. The signals from adjacent satellites then effectively act as an additional noise contribution, which can lead to a significant degradation of the effective G / T.
Bei erfindungsgemäßen Antennensystemen, welche entsprechend
Durch eine zumindest in einem Teilbereich des Antennensystems hyperbolen Amplitudenbelegung kann damit erreicht werden, das die Stärke der von benachbarten Satelliten durch die Antenne empfangenen Störsignale abnimmt und das effektive G/T in einem solchen Interferenzszenario zunimmt.By means of a hyperbolic amplitude occupancy, at least in a partial area of the antenna system, it is possible to achieve that the intensity of the interference signals received by neighboring satellites by the antenna decreases and the effective G / T increases in such an interference scenario.
In
Das Antennensystem besteht zunächst aus einem Antennenfeld 41 von breitbandigen, dual polarisierten Hornstrahlern, also z.B. vierfach gezahnten Hornstrahlern, welche erfindungsgemäß in Modulen organisiert sind.The antenna system initially consists of an
Im Gegensatz zur Ausführungsform, die in
Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform in
Alle Signale 42 gleicher Polarisation werden nach der Auskoppelung 33 aus dem Antennenfeld im ersten Mikrostreifenleitungsnetzwerk zusammengeführt, alle Signale der orthogonalen Polarisation 43 im zweiten Mikrostreifenleitungsnetzwerk.All signals 42 of the same polarization are combined after the
Die beiden Mikrostreifenleitungsnetzwerke 36 sind dabei derart ausgelegt, dass sie sowohl das Sendeband als auch das Empfangsband unterstützen. Eine Optimierung der Speisenetzwerke auf eines der Bänder ist hier nur eingeschränkt möglich. Dafür stehen allerdings simultan alle vier Polarisationskombinationen zur Verfügung.The two
Während die erfindungsgemäßen Mikrostreifenleitungsnetzwerke 36 konstruktionsbedingt (koaxialleitungsähnlicher Aufbau) typischerweise bereits so breitbandig sind, dass sie das Empfangs- und das Sendeband simultan unterstützen können, müssen nach dem Übergang 37 Mikrostreifen-zu-Hohleiter die Hohlleiternetzwerke 44, falls sehr große Bandbreiten erforderlich sind, dazu speziell ausgelegt werden. Dies kann z.B. durch die in
Zur Trennung von Empfangsband- und Sendebandsignalen sind zwei Frequenz-Diplexer 45, 46, jeweils einer für jede Polarisation, vorgesehen. Die Frequenz-Diplexer 45, 46 sind dabei z.B. dämpfungsarme Hohlleiter-Diplexer.For the separation of receive band and transmit band signals, two
Beim Betrieb mit linear polarisierten Signalen sind dann am Ausgang der beiden Diplexer alle linearen Polarisationskombinationen simultan verfügbar: Jeweils zwei orthogonal polarisierte lineare Signale sowohl im Empfangsband 49 als auch im Sendeband 50.When operating with linearly polarized signals, all linear polarization combinations are then simultaneously available at the output of the two diplexers: two orthogonally polarized linear signals both in the
Beim Betrieb mit zirkular polarisierten Signalen sind zusätzlich zwei 90° Hybridkoppler 47, 48, einer für das Empfangs- 49 und einer für das Sendeband 50, vorgesehen, mit deren Hilfe aus den am Ausgang der Frequenz-Diplexers 45, 46 vorliegenden lineare polarisierten Signale, zirkular polarisierte Signale kombiniert werden können. Die 90° Hybridkoppler 47, 48 sind dabei z.B. dämpfungsarme Hohlleiterkoppler.When operating with circularly polarized signals, two 90 °
Am Ausgang der beiden 90° Hybridkoppler 47, 48 liegen dann alle vier möglichen zirkular polarisierten Signale (im Empfangs- 49 und Sendeband 50 je rechtshändig und linkshändig zirkular) simultan vor.At the output of the two 90 °
Werden zwischen Diplexer 45, 46 und 90° Hybridkoppler 47, 48 entsprechende HF-Schalter und/oder HF-Koppler eingebaut und damit die linear polarisierten Signale ausgekoppelt, dann kann das Antennensystem auch zum simultanen Betrieb mit vier unterschiedlichen linear und vier unterschiedlichen zirkular polarisierten Signalen verwendet werden. Auch viele andere Kombinationsmöglichkeiten und die entsprechenden Antennenkonfigurationen sind möglich.If appropriate RF switches and / or RF couplers are installed between
In
Im Aufbau nach
Die Speisenetzwerke 36, 44 verarbeiten wieder zwei orthogonale Polarisationen getrennt voneinander (hier linkszirkuar und rechtszikular) und sind jedes entsprechend breitbandig für das Empfangsband und das Sendeband ausgelegt.The feed networks 36, 44 process again two orthogonal polarizations separated from each other (in this case left-circular and rechtszikular) and are each designed correspondingly broadband for the receiving band and the transmission band.
Am Ausgang der Frequenz-Diplexer 45, 46 liegen dann direkt die vier Polarisationskombinationen zirkular polarisierter Signale simultan an. Am Frequenz-Diplexer 45 für die erste zirkulare Polarisation das Signal im Empfangs- und Sendeband, am Frequenz-Diplexer 46 für die zweite (zur ersten orthogonale) zirkulare Polarisation das Signal im Empfangs- und Sendeband.At the output of the
Durch die Verwendung von zwei 90° Hybridkopplern (nicht dargestellt), welche ähnlich wie im Aufbau der
Der Vorteil des Aufbaus nach
Der Vorteil des Aufbaus nach
Dies kann z.B. dann von Vorteil sein, wenn die Antenne unter einem Radom betrieben wird. Es ist bekannt, dass insbesondere für hohe GHz-Frequenzen Radome durch das Radommaterial und die Radomkrümmung Polarisationsanisotropien aufweisen können, die dazu führen, dass das Achsenverhältnis zirkular polarisierter Signale beim Durchgang durch das Radom stark verändert wird.This can e.g. then be advantageous if the antenna is operated under a radome. It is known that, in particular for high GHz frequencies, radomes by the radome material and the radome curvature may have polarization anisotropies which cause the axis ratio of circularly polarized signals to be greatly altered as it passes through the radome.
Dieser Effekt hat zur Folge, dass die Kreuzpolarisationsisolation stark absinken kann, was die erreichbare Kanaltrennung stark verschlechtern kann und letztendlich zu einer Degradation der erreichbaren Datenrate führt.This effect has the consequence that the cross-polarization isolation can fall sharply, which can severely degrade the achievable channel separation and ultimately leads to a degradation of the achievable data rate.
Ein Aufbau der Antenne nach
Claims (15)
mit mindestens vier Einzelstrahlern (18), wobei die Einzelstrahler (18) Hornstrahler sind, welche vollständig mit einem Dielektrikum (19) gefüllt sind.Antenna system
with at least four individual radiators (18), wherein the individual radiators (18) are horn radiators, which are completely filled with a dielectric (19).
dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums (19) größer oder mindestens gleich dem Verhältnis der Freiraumwellenlänge der niedrigsten Nutzfrequenz zur Freiraumwellenlänge einer Referenzfrequenz ist, wobei die Referenzfrequenz im Sendeband des Antennensystems liegt.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the dielectric constant of the dielectric (19) is greater than or at least equal to the ratio of the free space wavelength of the lowest usable frequency to the free space wavelength of a reference frequency, wherein the reference frequency lies in the transmission band of the antenna system.
dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums (19) zwischen 1,8 und 3, bevorzugt zwischen 1,9 und 2,1 liegt.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the dielectric constant of the dielectric (19) is between 1.8 and 3, preferably between 1.9 and 2.1.
dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (19) pro gefülltem Hornstrahler (19) aus zumindest drei geschichteten Teilen besteht und zwischen jeweils zwei Teilen eine der Speisungen (2, 3) des Hornstrahlers (18) angeordnet ist.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the dielectric (19) per filled horn radiator (19) consists of at least three layered parts and between each two parts of the feeds (2, 3) of the horn (18) is arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass die Hornstrahler (18) als gestufte Hornstrahler ausgeführt sind.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the horns (18) are designed as stepped horns.
dadurch gekennzeichnet, dass die Hornstrahler (18) eine annähernd rechteckige Apertur besitzen, deren beide Kantenlängen kleiner oder höchstens gleich der Wellenlänge einer Referenzfrequenz sind, wobei die Referenzfrequenz in einem Sendeband der Antenne liegt.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the horns (18) have an approximately rectangular aperture whose two edge lengths are smaller or at most equal to the wavelength of a reference frequency, wherein the reference frequency lies in a transmission band of the antenna.
dadurch gekennzeichnet, dass die Hornstrahler (18) eine erste und eine zweite Polarisation unterstützen und die beiden Polarisationen zueinander orthogonal sind, und die Hornstrahler (18) für die erste Polarisation mit einem ersten Mikrostreifenleitungsnetzwerk (2) und für die zweite Polarisation mit einem zweiten Mikrostreifenleitungsnetzwerk (3) gespeist werden und das Mikrostreifenleitungsnetzwerk (2) für die erste Polarisation und das Mikrostreifenleitungsnetzwerk (3) für die zweite Polarisation jeweils getrennte Mikrostreifenleitungsnetzwerke (2, 3) bilden.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the horns (18) support first and second polarizations and the two polarizations are mutually orthogonal, and the first polarization horns (18) having a first microstripline network (2) and the second polarization having a second microstripline network (3) and the microstrip line network (2) for the first polarization and the microstrip line network (3) for the second polarization each form separate microstrip line networks (2, 3).
dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil oder alle Hornstrahler (18) mit einem dielektrischen Cross-Septum und/oder einer dielektrischen Linse ausgestattet sind.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that a part or all of the horn radiators (18) are equipped with a dielectric cross-septum and / or a dielectric lens.
dadurch gekennzeichnet, dass das Antennensystem aus verschiedenen Lagen (22, 23a, 23b, 23c, 24) aufgebaut ist und das Mikrostreifenleitungsnetzwerk (2) der einen Polarisation und das Mikrostreifenleitungsnetzwerk (3) der anderen Polarisation sich dabei voneinander getrennt zwischen den Lagen (23a-c) befinden.Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized in that the antenna system is made up of different layers (22, 23a, 23b, 23c, 24) and the microstrip line network (2) of one polarization and the microstrip line network (3) of the other polarization are separated between the layers (23a). c) are located.
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