-
Reflektorantennen werden beispielsweise in der Satellitennavigation zur Kommunikation zwischen mobilen terrestrischen oder auf sog. LEO-Satelliten installierten Terminals mit geostationären Satelliten (auch als GEO-Satelliten bezeichnet) genutzt. LEO-Satelliten sind dabei Satelliten mit einer niedrigen Umlaufbahn um die Erde, welche ca. 200 bis 1500 km über der Erdoberfläche liegt. Reflektorantennen fokussieren die Antennenstrahlung in einer Fokalebene und erreichen somit einen hohen Gewinn, der aufgrund der hohen Freiraumdämpfung bei einer Satellitenkommunikation auch erforderlich ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Reflektorantennen weisen dabei eine vorgegebene Strahlungskeule auf, welche durch mechanische Steuerung der Reflektorantenne in verschiedene Richtungen ausgerichtet werden kann.
-
Aus dem Stand der Technik sind ferner direkt strahlende bzw. Strahlung empfangende Antennenarrays mit einer Vielzahl von Antennenelementen bekannt. Es existieren dabei sog. Phased-Arrays, bei denen mit einer elektronischen Ansteuerung die Phase des analogen Antennensignals verändert wird und hierdurch eine Strahlschwenkung bewirkt wird. Darüber hinaus sind Antennenarrays mit digitaler Strahlformung bekannt, bei denen rein durch digitale Signalverarbeitung die Strahlungskeule geformt wird. Direkt strahlende Antennenarrays können technologisch nicht für eine Übertragung über große Distanzen mit hohen Datenraten realisiert werden. Dies liegt daran, dass hierzu Antennenarrays mit mehreren zehntausend Antennenelementen verwendet werden müssten. Dies würde bei Phased-Arrays die gleiche Anzahl an entsprechenden Phasenschiebern bzw. bei Antennenarrays mit digitaler Strahlformung die gleiche Anzahl an entsprechenden Frontends mit A/D-Wandlern nach sich ziehen. Derartige Arrays sind mit den derzeitigen Datenverarbeitungsgeschwindigkeiten der verwendeten Prozessoren nicht herstellbar.
-
In dem Dokument [1] wird eine adaptive Strahlformung für eine Reflektorantenne mit einer Speisung durch ein Antennenarray mit fester Verschaltung beschrieben. Mit der in diesem Dokument gezeigten Strahlformung werden Strahlungskeulen mit Nullstellen zur Störunterdrückung generiert, jedoch wird keine Strahlschwenkung über größere Winkelbereiche ermöglicht.
-
Das Dokument
EP 0 963 005 A2 zeigt eine Reflektorantenne mit einem Antennenarray umfassend eine Vielzahl von Antennenelementen. Zur analogen Strahlformung wird ein rekonfigurierbares Strahlformungsnetzwerk in Kombination mit zwei hybriden Matrizen verwendet, um hierdurch Signale für die jeweiligen Antennenelemente zu generieren.
-
In dem Dokument
DE 10 2006 029 024 B3 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Antennenanordnung mit einzelnen Antennenelementen mit einer Mehrzahl von matrixförmig angeordneten Schaltern beschrieben, wobei die Schalter über das Magnetfeld einer Spulenanordnung betätigbar sind.
-
In dem Dokument
EP 0 446 610 A1 ist eine Reflektorantenne mit einer Linse in der Fokalebene des Reflektors und einem hinter dem Reflektor angeordneten Antennenarray gezeigt. An das Antennenarray ist ein digitales Strahlformungsmittel gekoppelt.
-
Die Druckschrift
US 2006/0227049 A1 offenbart ein Antennenarray mit einer Vielzahl von aktivierbaren und deaktivierbaren Antennenelementen, die in Teilarrays aufgeteilt sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflektorantenne zu schaffen, welche eine Datenübertragung über große Distanzen mit einer elektronischen Strahlschwenkung kombiniert.
-
Diese Aufgabe wird durch die Reflektorantenne gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Die erfindungsgemäße Reflektorantenne umfasst eine Reflektoranordnung zur Fokussierung von Antennenstrahlung in einer Fokalebene sowie ein in der Fokalebene oder in der Umgebung der Fokalebene angeordnetes Antennenarray mit einer Mehrzahl von Antennenelementen. Unter dem Begriff „Umgebung der Fokalebene” ist eine Anordnung des Antennenarrays mit einem Abstand zu der Fokalebene zu verstehen, der um höchstens 10% von der entsprechenden Brennweite der Fokalebene abweicht. Es sollen hierdurch Toleranzen berücksichtigt werden sowie die Tatsache, dass in gewissen Grenzen auch eine Anordnung des Antennenarrays versetzt zu der Fokalebene eine sinnvolle Speisung der Reflektorantenne ermöglicht. Bei der Anordnung des Antennenarrays in der Umgebung der Fokalebene wird das Antennenarray vorzugsweise in einer parallel zur Fokalebene verlaufenden Ebene angeordnet. Als Antennenarray wird vorzugsweise ein planares Antennenarray verwendet.
-
Um eine Strahlschwenkung in einem größeren Winkelbereich zu ermöglichen, umfasst die erfindungsgemäße Reflektorantenne eine Steuereinrichtung umfassend ein Strahlformungsmittel mit digitaler Signalverarbeitungseinheit, wobei durch die Steuereinrichtung Teilarrays umfassend ein oder mehrere Antennenelemente des Antennenarrays zum Empfang und/oder Aussenden von Antennenstrahlung aktivierbar und deaktivierbar sind und wobei im Betrieb der Reflektorantenne für ein jeweiliges aktiviertes Teilarray durch das digitale Strahlformungsmittel eine Strahlungskeule zum Empfang und/oder Aussenden von Antennenstrahlung geformt wird. Der Begriff „Strahlungskeule” bezeichnet dabei den für das Teilarray geformten räumlichen Bereich, in dem Antennenstrahlung durch die Reflektorantenne ausgesendet bzw. empfangen wird. Die digitale Strahlformung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie beruht darauf, dass mit einem Prozessor auf digitaler Ebene die entsprechenden Strahlungskeulen geformt werden. Dabei sind entsprechende Wandler zur A/D-Wandlung von empfangenen Antennensignalen bzw. zur D/A-Wandlung von auszusendenden Antennensignalen vorgesehen.
-
Die erfindungsgemäße Reflektorantenne zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Steuereinrichtung verschiedene Teilarrays aktiviert werden können und die für ein aktiviertes Teilarray digital geformten Strahlungskeulen zum Empfang bzw. Aussenden von Antennenstrahlung genutzt werden können. Auf diese Weise wird ein räumlicher Versatz der Strahlungskeulen der Teilarrays und damit eine Strahlschwenkung ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reflektorantennen kann auf eine mechanische Ansteuerung zur Strahlschwenkung verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Reflektorantenne kombiniert dabei die Vorteile des hohen Gewinns einer Reflektorantenne mit einer flexiblen digitalen Strahlformung basierend auf einer geeigneten Aktivierung und Deaktivierung von Teilarrays.
-
Die erfindungsgemäße Reflektorantenne ist insbesondere zum Empfangen und/oder Aussenden von Signalen von und/oder hin zu Satelliten einsetzbar. Bei der Satellitenkommunikation werden Antennen mit hohem Gewinn und Flexibilität benötigt, um z. B. mit hohen Datenraten zwischen mobilen Nutzern und geostationären Satelliten bzw. zwischen LEO- und GEO-Satelliten Informationen zu übertragen bzw. um Spotbeams in der Kommunikation mit hochfliegenden Plattformen oder neuen Systemen zur Satellitennavigation zu generieren.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne sind durch die Steuereinrichtung zu einem Zeitpunkt ein einzelnes Teilarray oder mehrere Teilarrays gleichzeitig aktivierbar. Auf diese Weise wird eine besonders flexible Strahlformung gewährleistet.
-
In einer weiteren Ausgestaltung überlappen die Teilarrays zumindest teilweise miteinander, wodurch auf einfache Weise eine lückenlose Strahlschwenkung gewährleistet wird. Nichtsdestotrotz ist es jedoch auch möglich, dass die Teilarrays zumindest teilweise disjunkt sind.
-
In der erfindungsgemäßen Reflektorantenne sind eine oder mehrere Gruppen von Teilarrays vorgesehen, wobei im Betrieb der Reflektorantenne jede Gruppe mittels der Steuereinrichtung durch Aktivieren und Deaktivieren der Teilarrays der Gruppe zum Nachführen eines separaten Signals angesteuert wird. Auf diese Weise können eine Vielzahl von verschiedenen Signalen parallel in einer einzelnen Reflektorantenne kontinuierlich empfangen bzw. ausgesendet werden. Ein separates, von einer Gruppe von Teilarrays nachgeführtes Signal ist dabei vorzugsweise ein Signal von und/oder hin zu einem sich relativ zur Reflektorantenne bewegenden Objekt, wobei das Objekt vorzugsweise ein Satellit ist. Auf diese Weise wird insbesondere die Nachverfolgung der Signale einer Mehrzahl von Satelliten, insbesondere von LEO-Satelliten, durch die Reflektorantenne gewährleistet. Die Reflektorantenne ist dabei beispielsweise Teil eines GEO-Datenrelais auf einem GEO-Satelliten.
-
Ferner umfasst die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Reflektorantenne eine Schaltmatrixanordnung mit einer oder mehreren Schaltmatrizen, mit der die Antennenelemente der jeweiligen Teilarrays mit dem Strahlformungsmittel zur Aktivierung und Deaktivierung verschaltbar sind. Hierdurch wird eine einfach realisierbare Ausgestaltung einer Aktivierung bzw. Deaktivierung von Teilarrays geschaffen. Vorzugsweise ist die Schaltmatrixanordnung dabei basierend auf der MEMS-Technologie realisiert (MEMS = Micro Electromechanical System), mit der hochpräzise miniaturisierte Bauteile geschaffen werden können. Die MEMS-Technologie ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
-
In der erfindungsgemäßen Reflektorantenne verschaltet im Betrieb der Reflektorantenne eine jeweilige Schaltmatrix der Schaltmatrixanordnung eine jeweilige Gruppe von Teilarrays. Jede Schaltmatrix wird somit eindeutig einer entsprechenden Gruppe von Teilarrays zum Nachführen eines separaten Signals zugeordnet.
-
In der erfindungsgemäßen Reflektorantenne ist dem digitalen Strahlformungsmittel eine Anzahl von über eine Schaltmatrixanordnung mit den Antennenelementen verbindbaren Frontend-Modulen zugeordnet, die wiederum mit der digitalen Signalverarbeitungseinheit verbunden sind. Dabei führen die Frontend-Module im Betrieb der Reflektorantenne eine Vorverarbeitung der von der digitalen Signalverarbeitungseinheit stammenden Signale und/oder der an die digitale Signalverarbeitungseinheit zu übermittelnden Signale für die Antennenelemente bzw. die digitale Signalverarbeitungseinheit durch. Solche auch als Frontends bezeichneten Module sind aus der digitalen Strahlformung hinlänglich bekannt und umfassen insbesondere ein entsprechendes HF-Teil, ZF-Teil und einen A/D-Wandler.
-
Erfindungsgemäß entspricht die Anzahl an verwendeten Frontend-Modulen der Anzahl von Antennenelementen eines Teilarrays für eine jeweilige Gruppe von Teilarrays, wobei durch die jeweilige Schaltmatrix einer Gruppe von Teilarrays die Antennenelemente des aktivierten Teilarrays mit jeweils einem Frontend-Modul verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der vorgesehenen Frontend-Module wesentlich geringer als die Anzahl der Antennenelemente ist. Insbesondere muss nicht mehr für jedes Antennenelement ein einzelnes Frontend-Modul vorgesehen sein, sondern es reicht aus, dass lediglich für jedes Antennenelement eines aktivierten Teilarrays der jeweiligen Gruppe ein Frontend-Modul vorhanden ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne kann die digitale Signalverarbeitungseinheit die Strahlungskeule eines aktivierten Teilarrays in vorbestimmten Grenzen verändern und/oder eine Störunterdrückung durch Nullstellengenerierung oder Nebenkeulenabsenkung durchführen. Entsprechende Verfahren einer derartigen digitalen Strahlformung sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt (siehe beispielsweise Druckschrift [1]). Es können somit alle Möglichkeiten der digitalen Strahlformung auch zum Verändern der Strahlungskeule des einzelnen Teilarrays eingesetzt werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reflektorantenne kann das digitale Strahlformungsmittel auch derart ausgestaltet sein, dass die digitale Signalverarbeitungseinheit zumindest teilweise eine Aktivierung und/oder Deaktivierung von Teilarrays mittels digitaler Signalverarbeitung durchführen kann. Das heißt, es kann alternativ oder zusätzlich auch eine Aktivierung bzw. Deaktivierung der Teilarrays rein auf digitaler Ebene durchgeführt werden, so dass zumindest teilweise auf eine entsprechende Schaltmatrixanordnung verzichtet werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne steuert die digitale Signalverarbeitungseinheit des digitalen Strahlformungsmittels die Schaltmatrixanordnung zum Aktivieren und Deaktivieren der Teilarrays an.
-
Die erfindungsgemäße Reflektorantenne arbeitet vorzugsweise in Frequenzbereichen, welche für die Satellitenkommunikation eingesetzt werden. Insbesondere wird die Reflektorantenne in einem Bereich von 10 bis 50 GHz, z. B. im Ku- und/oder Ka-Band, betrieben.
-
Die Anzahl von Antennenelementen des Antennenarrays der Reflektorantenne kann gegenüber direkt strahlenden Antennenarrays aufgrund der Strahlbündelung durch den Reflektor stark vermindert werden. Insbesondere umfasst das Antennenarray der erfindungsgemäßen Reflektorantenne höchstens 1000, vorzugsweise höchstens 500 und besonders bevorzugt höchstens 300 Antennenelemente.
-
Ein Teilarray umfasst in einer bevorzugten Variante höchstens 50, insbesondere höchstens 20 und besonders bevorzugt vier Antennenelemente. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reflektorantenne sind die Antennenelemente in dem Antennenarray und/oder dem Teilarray vorzugsweise matrixförmig angeordnet, wobei durch das Antennenarray und/oder das Teilarray insbesondere ein Quadrat gebildet wird.
-
Die Reflektoranordnung der Reflektorantenne kann verschieden ausgestaltet sein. In einer Ausführungsform weist die Reflektoranordnung einen Einzelreflektor mit Zentralspeisung oder Offset-Speisung auf, wobei der Einzelreflektor vorzugsweise einen Durchmesser von 100 bis 1000 cm aufweist. Ebenso kann die Reflektoranordnung eine Anordnung mit Cassegrain-Speisung mit Haupt- und Subreflektor umfassen, wobei der Hauptreflektor vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 100 und 1000 cm aufweist.
-
Die erfindungsgemäße Reflektorantenne wird vorzugsweise zur Satellitenkommunikation verwendet. Insbesondere wird die Reflektorantenne als GEO-Datenrelais zur Weiterleitung von Signalen zwischen Satelliten bzw. Satellit und mobilem Nutzer bzw. Satellit und Bodenstation genutzt. Die Erfindung umfasst deshalb auch einen Satelliten, der ein oder mehrere der erfindungsgemäßen Reflektorantennen aufweist.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne;
-
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne;
-
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne;
-
4A und 4B Strahlformungsdiagramme eines in einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Parabolreflektors mit einer im Fokus des Reflektors bzw. versetzt zum Fokus des Reflektors gebildeten Strahlungskeule; und
-
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer in der erfindungsgemäßen Reflektorantenne verwendeten Steuereinrichtung.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne in der Form eines parabolischen Einzelreflektors 1 mit Antennenarray 2, welches in der Fokalebene E des Reflektors mittig in Fokus bzw. Brennpunkt F angeordnet ist. 1 stellt somit einen Einzelreflektor mit zentraler Speisung dar, wobei die Symmetrieachse A des Einzelreflektors durch den Brennpunkt F verläuft. Die Brennweite des Reflektors ist in 1 mit f bezeichnet und die Breite des Reflektors mit D. In der Ausführungsform der 1 wird die Reflektorantenne mit einer Frequenz von 30 GHz betrieben. Der Durchmesser D des Reflektors ist dabei derart groß, dass ein hoher Gewinn von ca. 50 dBi erreicht werden kann, was bedeutet, dass der Durchmesser D mindestens 111 cm groß ist. In 1 ist ferner ein Referenzkoordinatensystem mit x, y und z-Richtung gezeigt, wobei die Symmetrieachse A des Reflektors in z-Richtung verläuft. Dabei soll mit dem Reflektor Strahlung in verschiedenen Neigungswinkeln θ zur z-Achse des Koordinatensystems empfangen werden.
-
Im rechten Teil der 1 ist in vergrößerter Detaildarstellung eine Draufsicht auf das Antennenarray 2 wiedergegeben. Man erkennt, dass das Array 2 ein planares Array mit einer Mehrzahl von matrixförmig angeordneten einzelnen Antennenelementen 3 ist. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind dabei nur einige der Antennenelemente mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Die Antennenelemente sind um den Abstand d zueinander versetzt, wobei der Abstand d in etwa der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz der Antenne entspricht und bei in etwa 0,5 cm liegt. Die Darstellung des Antennenarrays der 1 ist lediglich beispielhaft und das Antennenarray weist im Regelfall eine größere Anzahl an Antennenelementen auf, insbesondere werden Antennenarrays mit 15 × 15 bzw. 16 × 16 Antennenelementen verwendet.
-
Beispielhaft sind in dem Antennenarray 2 in der Ausführungsform der 1 fünf Teilarrays bzw. Subarrays 2a, 2b, 2c, 2d und 2e dargestellt, welche jeweils eine Untergruppe von vier Antennenelementen des Arrays umfassen. Diese Teilarrays können mit einer (nicht in 1 gezeigten) Steuereinrichtung unabhängig voneinander zur Ausbildung von Strahlungskeulen zum Empfang bzw. Aussenden von Antennenstrahlung aktiviert bzw. deaktiviert werden. Das heißt, mit der Steuereinrichtung können die einzelnen Teil- bzw. Subarrays derart angesteuert werden, dass nur die Signale eines jeweils aktiven Teilarrays ausgewertet werden bzw. nur Signale dem jeweils aktiven Teilarray zugeführt werden. Die Ausbildung der einzelnen Strahlungskeulen der Teilarrays erfolgt erfindungsgemäß mit digitaler Strahlformung, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Wie man aus 1 erkennt, überlappen die Teilarrays miteinander, wobei das Teilarray 2a im Speisepunkt des Reflektors angeordnet ist und die anderen Teilarrays gegenüber dem Brennpunkt F verschoben sind.
-
Insbesondere wird durch die Aktivierung der Teilarrays 2b bis 2e eine Verschiebung des Speisepunktes des Reflektors (d. h. eine Defokussierung) in x- und/oder y-Richtung erreicht.
-
Die in 1 gezeigte Reflektorantenne wird beispielsweise in einem geostationären Satelliten als Empfangsantenne eines GEO-Datenrelais zum Empfang von Daten entsprechender LEO-Satelliten bzw. von Bodenstationen genutzt. Dabei kann durch eine geeignete, aufeinander folgende Aktivierung der Teilarrays das Signal eines bestimmten LEO-Satelliten nachverfolgt werden. Gilt dabei f/D = 0,5 und wird eine maximale Defokussierung von 10 cm angenommen, kann hierdurch eine Strahlschwenkung von maximal 10° in einer Richtung erzielt werden. Hierdurch kann bei voller Aussteuerung in x- und y-Richtung eine vollständige Abdeckung des Bewegungsbereichs eines vorbestimmten LEO-Satelliten erreicht werden. Aus dem Abstand d der Antennenelemente ergibt sich der minimale Schrittwinkel bei Umschaltung auf ein um den Abstand d zum vorhergehenden Teilarray versetztes Teilarray. Dieser Abstand beträgt bei üblichem Strahlenabstand von einer halben Wellenlänge (d = 0,5 cm) ca. 0,45° und ist damit kleiner als die übliche 3 dB-Strahlbreite eines Parabolreflektors von 0,6°.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne. Anstatt eines einzelnen Reflektors mit Zentralspeisung wird nunmehr eine sog. Cassegrain-Speisung verwendet. Bei dieser Speisung ist neben einem parabolischen Hauptreflektor 1 ein hyperbolischer Subreflektor 1' vorgesehen. Der hyperbolische Subreflektor 1' weist dabei die beiden Brennpunkte F1 und F2 auf, wobei der Brennpunkt F1 mit dem Brennpunkt des Hauptreflektors 1 übereinstimmt. Die Brennweite des Hauptreflektors 1 ist dabei mit f1 angegeben. Das Antennenarray 2 wird in der Cassegrain-Speisung in die Fokalebene E' des Brennpunkts F2 des Subreflektors 1' angeordnet. Das Antennenarray 2 entspricht dabei in seinem Aufbau dem Antennenarray der 1. Auch die Ansteuerung des Antennenarrays durch eine Steuereinrichtung ist die gleiche wie in 1. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich somit lediglich in der veränderten Reflektoranordnung.
-
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 lediglich dahingehend, dass anstatt einer zentralen Speisung eine Offset-Speisung durch das Antennenarray 2 verwendet wird, wodurch eine Abschattung des Parabolreflektors 1 durch das Antennenarray 2 vermieden wird. In Übereinstimmung mit 1 ist dabei das Antennenarray 2 wiederum in der Fokalebene E im Brennpunkt F des Parabolreflektors 1 angeordnet.
-
Wie bereits oben erwähnt, werden erfindungsgemäß die Strahlungskeulen durch digitale Strahlformung ausgebildet. Dabei erfolgt die Strahlformung durch digitale Gewichtung der Phase und der Amplitude, wobei die Strahlrichtung einer Strahlungskeule zusätzlich in einem kleinen Winkelbereich verändert werden kann, so dass mit den einzelnen aktivierten Teilarrays eines Antennenarrays eine lückenlose Verfolgung eines entsprechenden Senders ermöglicht wird. Darüber hinaus können durch Verändern der Phasen- und Amplitudenbelegung weitere Eigenschaften der digitalen Strahlformung, wie z. B. die Generierung von Nullstellen zur Störunterdrückung, genutzt werden.
-
4A und 4B zeigen beispielhaft Strahlungsdiagramme, welche mit digitaler Strahlformung mittels einer Reflektoranordnung nach dem Prinzip der 1 generiert werden können. 4A zeigt dabei die Strahlungskeule bei einem im Fokus des Reflektors aktivierten Teilarrays. Man erkennt, dass scharfe Nullstellen generiert werden, mit denen entsprechende Störer ausgeschaltet werden können. 4B zeigt eine entsprechende Strahlungskeule bei Defokussierung des Reflektors, d. h. wenn ein aktives Teilarray gegenüber dem Brennpunkt des Reflektors versetzt ist. Man erkennt, dass die erzeugte Strahlungskeule immer noch eine ausreichend gute Störunterdrückung gewährleistet.
-
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer auf digitaler Strahlformung beruhenden Steuereinrichtung, mit der die Antennenelemente eines entsprechenden Antennenarrays aktivierbar bzw. deaktivierbar sind. Die einzelnen Antennenelemente des Antennenarrays sind dabei schematisch wiedergegeben, wobei nur einige der Antennenelemente aus Übersichtlichkeitsgründen mit dem entsprechenden Bezugszeichen 3 bezeichnet sind.
-
Die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Antennenelemente erfolgt mit einer Schaltmatrixanordnung 4, welche beispielsweise ein MEMS-Bauteil ist und mit der die Antennenelemente 3 derart angesteuert werden, dass drei Gruppen von Teilarrays gebildet werden, wobei ein Teilarray vier Antennenelemente umfasst. Durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung von Teilarrays der jeweiligen Gruppe kann dabei separat das Signal eines Satelliten verfolgt werden. Die Schaltmatrixanordnung 4 ist hierzu in der Form von drei (nicht aus 5 ersichtlichen) Schaltmatrizen aufgebaut, welche unabhängig voneinander die Teilarrays der jeweiligen Gruppe aktivieren. Die Aktivierung eines Teilarrays erfolgt gemäß 5 dadurch, dass über die jeweilige Schaltmatrix die entsprechenden Antennenelemente des zu aktivierenden Teilarrays mit sog. Frontends 5 verschaltet werden. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind dabei in 5 nur einige der Frontends mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Diese Frontends 5 sind einem digitalen Prozessor 6 vorgeschaltet, der die digitale Strahlformung durchführt. Die Frontends umfassen dabei einen HF-Teil, einen ZF-Teil sowie einen entsprechenden A/D-Wandler, der die analogen Antennensignale für die digitale Stahlformung durch den Prozessor 6 digitalisiert. Solche Frontends sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen insbesondere neben einem A/D-Wandler entsprechende Verstärker, Filter und Mischer.
-
In der Ausführungsform der 5 sind insgesamt zwölf Frontends in drei Gruppen G1 bis G3 von jeweils vier Frontends vorgesehen. Jedes Frontend wird mit einem Antennenelement eines Teilarrays verschaltet, und die Frontends jeder Gruppe sind mit einer anderen Schaltmatrix der Schaltmatrixanordnung 4 verbunden, so dass jede Gruppe von Frontends einer Gruppe von Teilarrays zur Verfolgung eines separaten Satellitensignals zugeordnet ist. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl an Gruppen von Teilarrays und Frontends sowie eine entsprechend andere Anzahl von Schaltmatrizen vorgesehen sein, um hierdurch die Signale einer anderen Anzahl an Satelliten zu verfolgen. Ebenso kann ein Teilarray mehr oder weniger als vier Antennenelemente umfassen, wodurch auch die Anzahl der Frontends einer Gruppe verändert wird.
-
Die Verwendung der Schaltmatrixanordnung gemäß 5 hat den großen Vorteil, dass nicht für jedes einzelne Antennenelement ein separates Frontend vorgesehen sein muss. Die Anzahl an verwendeten Frontends muss lediglich für jedes zu verfolgende Signal der Anzahl an Antennenelementen des Teilarrays entsprechen. Hierdurch wird eine besonders einfache Realisierung einer Ansteuerung der Antennenelemente erreicht. Das Verschalten der Antennenelemente mit den Frontends mittels der Schaltmatrixanordnung wird in der Ausführungsform der 5 durch den digitalen Prozessor 6 gesteuert. Hierzu ist der Prozessor mit der Schaltmatrixanordnung über eine Schnittstelle 7 verbunden. Der Prozessor übernimmt somit neben der Aufgabe der digitalen Strahlformung auch die Aufgabe der Steuerung der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Antennenelemente. Die digitale Signalverarbeitung durch den Prozessor 6 kann parallel mit den jeweiligen vier Signalzweigen der Gruppen G1 bis G3 der Frontends erfolgen.
-
Zur Realisierung eines GEO-Datenrelais in einem geostationären Satelliten zur Nachverfolgung von 10 LEO-Satelliten kann in einer Variante der Erfindung beispielsweise ein Antennenarray mit 300 Antennenelementen verwendet werden. Anstatt von 300 Frontends werden basierend auf der Ausführungsform der 5 bei der Verwendung von Teilarrays mit vier Antennenelementen nur noch 40 Frontends benötigt.
-
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Reflektorantenne weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die geeignete Aktivierung von Teilarrays können flexible Strahlungskeulen in unterschiedlichen Raumrichtungen erzeugt werden, wobei durch die Kombination des Antennenarrays mit einer Reflektoranordnung auch ein entsprechend hoher Gewinn erreicht werden kann. Durch die Verwendung von digitaler Strahlformung kann eine gezielte Ansteuerung von Teilarrays basierend auf einer entsprechenden Schaltmatrix erreicht werden, wobei die Anzahl an Frontends stark reduziert werden kann. Darüber hinaus können die Vorteile der digitalen Strahlformung genutzt werden, bei der durch zusätzliche Phasen- und Amplitudenvariation eine exakte Ausrichtung der Strahlungskeule ermöglicht wird und ferner Verfahren zur Nebenkeulenabsenkung und Nullstellengenerierung zur Unterdrückung von Störsignalen implementiert werden können.
-
Literaturverzeichnis
-
- [1] J. Duggan und P. McLane, „Adaptive beamforming with a multiple beam antenna”, IEEE Int. Conf. Communications, Atlanta, GA, USA, Juni 1998, Vol. 1, Seiten 395–401.
