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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne mit einer Mehrzahl von Hornstrahlern, die mit einer dielektrischen Abdeckung versehen sind. Solche Antennen werden insbesondere für die aeronautische Satellitenkommunikation im Ku- und Ka-Band benötigt.
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Stand der Technik
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Der Bedarf an drahtlosen Breitbandkanälen zur Datenübertragung mit sehr hohen Datenraten, insbesondere im Bereich der aeronautischen, d.h. flugzeugbasierten, Satellitenkommunikation steigt ständig. Geeignete Antennen sollen dafür geringe Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen und zudem extreme Anforderungen an die Sendecharakteristik erfüllen, da eine Störung benachbarter Satelliten zuverlässig ausgeschlossen werden muss. Geringe Abmessungen verringern die Nutzlast des Flugzeugs und damit auch die Betriebskosten.
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Hornstrahler eignen sich als Einzelstrahler in Feldern und können zudem breitbandig ausgelegt werden. Hornstrahler werden im Sinne einer E-Feld Einkopplung mit einem kleinen Stift angeregt und weisen bezüglich der abstrahlenden Wellenfront leichte Verschiebungen der Abstrahlungscharakteristik vom Mittelpunkt des Hornstrahls auf.
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Damit kommt es zu positiven Interferenz benachbarter Hornstrahler der Antenne und damit zur Abstrahlung von elektromagnetischer Leistung in unerwünschte Raumwinkelbereiche. Diese Verkopplungen erzeugen zudem Resonanzen, die im Bereich der jeweiligen Resonanzfrequenz folgende Probleme verursachen: die Eingangsanpassung der Hornstrahler, das Abstrahlverhalten (Richtdiagramm, Keule) der Hornstrahler und die Kreuzpolarisationsisolation des Hornstrahlers wird verschlechtert.
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Die Leistungsfähigkeit der Antenne wird daher im Bereich der Resonanzfrequenzen dieser Interferenzen deutlich reduziert. Abstrahlscharakteristik, Eingangsanpassung und Resonanzfrequenzen hängen von der Geometrie des Hornstrahlers ab und können in der Standardgeometrie nur begrenzt unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Der für die Antenne zur Verfügung stehende Bauraum ist begrenzt, so dass konstruktive Lösungen zur Verringerung der Verkopplung von Hornstrahlern mit den gegebenen Abmessungen auskommen müssen.
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Aus
WO2014/005691A1 ist ein System zur breitbandigen Satellitenkommunikation bekannt, das mittels eines dielektrischen Gitters die Impedanzanpassung von Hornstrahlern dieser Antenne besonders im unteren Frequenzband verbessert. Im Zentrum der Hornstrahler sind dazu dielektrische Kreuze angeordnet.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne anzugeben, die eine möglichst gute Eingangsanpassung, niedrige Verkopplung (Übersprechen) mit benachbarten Hornstrahlern und ein symmetrisches Richtdiagramm aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Antenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Voreilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Antenne umfasst eine Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Hornstrahlern und eine an den Hornstrahlern angebrachten Abdeckung aus einem Dielektrikum. Diese Abdeckung ist flächig ausgestaltet und überdeckt die Antenne komplett oder zumindest mehrere Hornstrahler. Damit werden Hornstrahler gegen Verschmutzung und Witterungseinflüsse abgedichtet. Zusätzlich enthält die Abdeckung im Bereich eines Hornstrahlers einen Vorsprung aus Dielektrikum, der die Strahlungscharakteristik zusätzlich steuert. Die Abstrahlungscharakteristik des einzelnen Hornstrahlers, vor deren Öffnung sich der Vorsprung befindet, wird in Richtung dieses Vorsprungs ausgerichtet. Eine eventuelle Neigung der Abstrahlung wird korrigiert und damit auch die Verkopplung mit benachbarten Hornstrahlern verringert.
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Erfindungsgemäß können störende Resonanzen unterdrückt bzw. in andere Frequenzbereiche verschoben werden. Die Hornstrahlergeometrie kann unabhängig von Resonanzfrequenzen auf minimale Abmessungen und gute Eingangsanpassung optimiert werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Antennen, die aus einem breiten Frequenzbereich nur einzelne Teilfrequenzbänder unterstützen sollen. Die Resonanzfrequenzen können in die nicht verwendeten Frequenzbereiche verschoben werden. Die Leistung der Antenne im Nutzfrequenzbereich wird somit maximiert.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Vorsprung als Stift ausgeformt. Damit kann ein ausreichendes Volumen von Dielektrikum außerhalb der gemeinsamen Abdeckung mehrerer Hornstrahler angeordnet werden, dass neben der Unterstützung einer Impedanzanpassung vor allem die Ausrichtung der Abstrahlungscharakteristik des darunterliegenden Hornstrahls positiv beeinflusst wird.
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Der Vorsprung kann dabei auf der dem Hornstrahler entgegengesetzten oder zugewandten Seite der Abdeckung angeordnet sein. Im ersten Fall kann der Vorsprung breiter sein, wirkt sich weniger auf die Impedanzanpassung aus, sollte jedoch zur Minimierung des Bauraumbedarfs auch nicht zu weit aus der Abdeckung herausragen. Durch diese Art der Anordnung des Vorsprungs löst sich das Feld des Hornstrahlers im Sendefall leichter ab. Im zweiten Fall hat der im Inneren des Hornstrahlers liegende Vorsprung auch eine Impedanzanpassungswirkung und kann bei gleichen Volumen wie auf der Außenseite der Abdeckung weit in den Hornstrahler hinreichen ohne selbst breit zu sein.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stift mittig über einem Hornstrahler angeordnet. Damit kann, unabhängig vom Wissen über die mögliche Abweichung der Abstrahlungscharakteristik eines Hornstrahlers von einer Symmetrieachse, die Abstrahlungscharakteristik in Richtung der Symmetrieachse verschoben werden.
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Bei einer E-Feld Einkopplung in den Hornstrahler wird üblicherweise ein Einkoppelstift genutzt. Dieser ragt von einer Seite des Hornstrahlers in dessen Innenraum hinein. Vorteilhafterweise wird der Stift aus Dielektrikum nicht mittig, sondern versetzt zu einer Mitte oder Symmetrieachse des Hornstrahlers und gegenüber dem Einkoppelstift angeordnet. Dabei wurde erkannt, dass die nichtkorrigierte Abstrahlung von der Symmetrieachse des Hornstrahlers zur Seite der Einkopplung durch den Einkoppelstift abweichen würde. Dies wird besser kompensiert, wenn der Stift entsprechend zur anderen Seite, von der Symmetrieachse aus gesehen, versetzt angeordnet wird. Vorteilhafterweise beträgt der Versatz des Stifts zur Mitte des Hornstrahlers maximal ein Viertel einer Hornstrahlerbreite, und zwar hier die Breite des Hornstrahlers, die der Polarisation der durch den Einkoppelstift eingekoppelten Signale zugeordnet ist. Es werden zwei Einkoppelstifte (in 2 nur ein Einkoppelstift ST dargestellt) benutzt, wenn Signale in zwei Polarisationen abgestrahlt werden. Der Versatz des dielektrischen Stifts zur Mitte erfolgt daher auf zwei Achsen, so muss auch eine Neigung der Abstrahlungscharakteristik für beide, typischerweise senkrecht aufeinander stehenden Polarisationen kompensiert wird. Um zusätzlich die Impedanzanpassung zu verbessern wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf der dem Hornstrahler zugewandten Seite der Abdeckung ein Kreuz aus Dielektrikum angeordnet.
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Weitere Verbesserungen der Erfindung betreffen die Befestigung der Abdeckung auf den Hornstrahlern. Dazu weist die Abdeckung im Bereich des Randes eines Hornstrahlers Ausnehmungen auf, die mit Ausformungen eines Hornrandes des Hornstrahlers korrespondieren. Die Abdeckung trägt damit kaum auf die Ebene der Hornstrahler auf, da sich Ausnehmungen und Ausformungen ergänzen. Dies kann dazu benutzt werden, dass die Ausnehmungen der Abdeckung mit den Ausformungen des Hornrandes kraftschlüssig verbunden werden.
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Sind die Ausnehmungen Durchgangslöcher, so ist die Abdeckung leichter zu fertigen. Sind die Ausnehmungen Sacklöcher, so ermöglicht die Abdeckung eine bessere Abdichtung der Hornstrahler.
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Die Erfindung kann auf einen oder einzelne Hornstrahler einer Antenne angewendet werden, die Wirkung der Erfindung erhöht sich mit der Anzahl von Vorsprüngen aus Dielektrikum, die erfindungsgemäß positioniert werden.
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Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung besonders vorteilhaft für Steghornstrahler (engl.: ridged horn) genutzt werden kann. Werden die Einzelstrahler in Steghorn (engl.: ridged horn) Bauweise ausgeführt, treten für bestimmte Frequenzen starke Verkopplungen zwischen den Einzelstrahlern auf. Diese Verkopplungen erzeugen Resonanzen, die im Bereich der jeweiligen Resonanzfrequenz die oben genanten Probleme verstärken. Durch die Erfindung wird die Verkopplung der benachbarten Steghornstrahler deutlich reduziert. Dadurch werden die inhärenten Vorteile von Steghornstrahlern, die größere unterstützte Bandbreite wieder nutzbar.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt ausschnittsweise eine Antenne mit mehreren Hornstrahlern.
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2 zeigt einen einzelnen Hornstrahler mit Abdeckung und Stiften auf den Hornrändern.
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3 zeigt eine Abdeckung aus Dielektrikum mit einer im Hornstrahler gelegenen Struktur.
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Die in 1 dargestellte Antenne enthält eine große Zahl einzelner Hornstrahlern A1, A2, ..Ax, die entlang einer Ebene E angeordnet sind. Je mehr Einzelstrahler, hier Hornstrahler, nebeneinander in der Antenne angeordnet sind, umso besser kann die Abstrahlungscharakteristik der Antenne gesteuert werden. Dies ist besonders wichtig für die aeronautische Satellitenkommunikation, bei der die Antenne auf einem sich bewegenden Flugzeug montiert ist, typischerweise unter einem Radom, das sich auf der Oberseite des Flugzeugrumpfes befindet. Der dort verfügbare Bauraum ist jedoch sehr begrenzt, wodurch es notwendig ist, die Hornstrahler sehr eng nebeneinander zu positionieren.
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Diese Antennen werden typischerweise im Ka- oder Ku-Band verwendet, die hierbei benutzten Frequenzen bedingen wiederum bestimmte Maximalgrößen der Einzelstrahler, wenn eine gut fokussierende Antennencharakteristik erreicht werden soll. Die erforderliche enge Anordnung der Hornstrahler bringt ein erhöhtes Risiko von Verkoppelungen zwischen den benachbarten Hornstrahlern mit sich. Diese Verkoppelung ist besonders groß, wenn Steghornstrahler benutzt werden. In 1 sind Merkmale von Steghornstrahlern A1, A2, ..Ax nur ansatzweise gezeigt. Die Hornstrahler A1, A2, ..Ax weisen in ihrem Innenraum abgestufte Restriktionen auf, die jeweils mittig auf den vier Seiten des Innenraumes der quadratischen Hornstrahler A1, A2, ..Ax angeordnet sind. Steghornstrahler haben den Vorteil einer sehr großen unterstützten Bandbreite, die gerade bei den für die Satellitenkommunikation vorgeschriebenen Frequenzbändern benötigt wird.
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Die Antenne nach 1 zeigt für jeden dargestellten Hornstrahler A1, A2, ..Ax einen Stift S1 pro Hornrand R. Es wäre jedoch denkbar, dies auch nur für manche der Hornstrahler der Antenne anzuwenden. Ein Hornrand R ist hierbei die Trennwand zwischen benachbarten Hornstrahlern A1, A2. Gleiches gilt jedoch auch für den Hornrand R am Rand der Antenne, wenn sich kein weiterer Hornstrahler anschließt. Die Stifte S1 ragen aus der Ebene E der Antenne heraus und sind mittig innerhalb des Hornrandes R angeordnet. Der Stift S1 hat dabei eine Breite a, die größer als die Breite d einer Trennwand zwischen den Hornstrahlern A1, A2 ist. Alternativ könnte die Breite a des Stifts auch der Breite d der Trennwand entsprechen.
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2 zeigt einen einzelnen Hornstrahler A1 der in 1 gezeigten Antenne. Auf allen vier Hornrändern des Hornstrahlers A1 ist jeweils ein Stift S1, S2, S3, S4, der aus dem gleichen Material wie der Hornstrahler A1 besteht und einstückig mit dem Hornstrahler A1 ausgeformt ist, angeordnet.
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Diese Stifte S1, S2, S3, S4 dienen weiterhin als kraftschlüssige Verbindung für eine Abdeckung D, die aus dielektrischem Material besteht. Damit wird eine Abdichtung des Hornstrahlers A1 bewirkt, jedoch zusätzlich die Anpassung der abgestrahlten Welle zwischen Hornstrahler A1 und Freiraum verbessert. Im Sendefall wird ein Signal durch einen Einkoppelstift ST, der durch eine Wand des Hornstrahlers A1 hindurchgeführt wird, in den Hornstrahler A1 eingekoppelt. Eine das Signal tragende elektromagnetische Welle verlässt den Hornstrahler A1 durch die Abdeckung D. Mittig innerhalb der Abdeckung D eines Hornstrahlers A1 ist ein Stift D1 aus dielektrischem Material angeordnet. Dieser Stift D1 bildet einen Vorsprung innerhalb der Abdeckung D und wurde einstückig zusammen mit der Abdeckung D hergestellt. Sowohl die Metallstifte S1 bis S4 auf den Hornrändern als auch der Stift D1 aus Dielektrikum haben einen Einfluss auf die Verkoppelung benachbarter Hornstrahler A1, A2.
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Durch die Metallstifte S1 bis S4 modifiziert sich der Weg zwischen den Hornstrahler-Mittelpunkten benachbarter Hornstrahler A1, A2, wodurch sich Resonanzen dieser Verkoppelung benachbarter Hornstrahler aus Arbeitsfrequenzbändern der Antenne in andere, nicht genutzte Frequenzbänder verschieben lassen. Die Verkoppelung, die bei Steghornstrahlern besonders stark ist, erfolgt insbesondere durch die vier jeweils gegenüberliegend mittig angeordneten Restriktionen der Steghornstrahler. Somit sind auch die Metallstifte S1 bis S4 jeweils mittig angeordnet und beeinflussen den Weg möglicher parasitärer Ströme, die zwischen den Restriktionen benachbarter Steghornstrahler fließen.
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Die Stifte S1 bis S4 können dabei zylinderförmig sein. Alternativ sind auch Rechteckformen oder Kegelformen möglich. Mit der Länge und Breite der Stifte S1 bis S4 kann man die Frequenzen, bei denen die Resonanzen auftreten, einstellen. Der den Vorsprung bildende Stift D1 aus Dielektrikum hat eine unterstützende Wirkung bezüglich der Reduktion der Verkoppelung benachbarter Steghornstrahler. Dieser Stift D1 führt zu einer Ausrichtung der Abstrahlungscharakteristik, auch Keule genannt, eines Steghornstrahlers in Richtung des Dielektrikums. Diese Wirkung ist vom verwendeten Volumen für den Stift D1 abhängig. In 2 ist der Stift D1 nahezu mittig innerhalb des Steghornstrahlers A1 angeordnet und auf der dem Steghornstrahler A1 abgewandten Seite der Abdeckung D angebracht. Eine mittige Anordnung des dielektrischen Stifts D1 orientiert sich nicht an einer besonderen Neigung der nicht modifizierten Abstrahlungscharakteristik, sondern führt immer zu einer verbesserten Zentrierung.
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Wie in 2 gezeigt, ist der Stift D1 versetzt zur Mitte des Hornstrahlers A1 und gegenüber dem Einkoppelstift ST angeordnet sein – in 2 ist dies leicht links von der Mitte versetzt. Diese Anordnung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass sich eine nicht modifizierte Abstrahlungskeule des Steghornstrahlers eher in Richtung des Einkoppelstiftes ST neigt und durch Anordnung des Stiftes D1 auf einer der Mitte gegenüberliegenden Seite diese ungewollte Neigung besser kompensiert werden kann als eine mittige Anordnung. Die Länge des Stiftes D1 ist hier in etwa die doppelte Dicke der Abdeckung D.
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3 zeigt die soeben erläuterte Abdeckung D, hier jedoch in einer Ansicht aus Richtung des Steghornstrahlers. Die Abdeckung D enthält an den vier Seiten jeweils eine Ausnehmung L1, L2, L3, L4, wobei die Ausnehmung L3 in 3 verdeckt ist. Die Ausnehmung L1, L2, L3, L4 zeigen in 3 jeweils eine Halbkreisform und sind als Durchgangslöcher ausgeformt. Im Sinne einer Abdeckung D, die mehrere Hornstrahler überdeckt, sind diese halbkreisförmigen Ausnehmungen jedoch Löcher, die in ihrer Form den in 1 gezeigten Metallstiften S1 entsprechen und für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Abdeckung D und Hornstrahlern A1 bis Ax deren Form, ob zylinderförmig, rechteckig oder kegelförmig, folgen würden.
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Zur verbesserten Anpassung der abgestrahlten Welle vom Hornstrahler in den Freiraum enthält die Abdeckung D nach 3 ein dielektrisches Kreuz DK, auf dem zusätzlich ein zweiter Vorsprung D2 aus Dielektrikum mittig angeordnet ist. Auch dieser Vorsprung D2 hat eine Stiftform und bewirkt zusätzlich eine Zentrierung der Abstrahlungscharakterstik des Hornstrahlers, die wiederum die Verkopplung mit benachbarten Hornstrahlern verringert. Die Länge dieses zweiten dielektrischen Stiftes D2 entspricht etwa der Dicke der Abdeckung D, kann jedoch auch wesentlich weiter in den Innenraum des Hornstrahlers hineinragen.
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In den 1 bis 3 wurden Ausführungsbeispiele gezeigt, die eine gleichbleibende Anordnung von Stiften S1 bis S4 auf den Rändern R der Hornstrahler und eine alle Hornstrahler überdeckende Abdeckung D mit mittig sowohl innen als auch außen angebrachten dielektrischen Stiften D1, D2 aufweisen. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich geometrische Variationen der Strukturen bei den Stiften S1 bis S2 und den dielektrischen Stiften D1, D2 einzuführen. Die Abdeckung könnte auch nur einen Teil der Hornstrahler bedecken, dielektrische Stifte nur auf der Außen- oder Innenseite der Abdeckung D angeordnet sein oder die Anzahl, Position und/oder Länge der Stifte S1 bis S4 zur Ausbildung einer besonderen Abstrahlungscharakteristik über die Ebene der Antenne hinweg variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- A1, A2, ..Ax
- Hornstrahlern
- E
- Ebene
- D
- Abdeckung
- D1, D2, ..Dx
- Vorsprung
- DK
- Kreuz aus Dielektrikum
- ST
- Einkoppelstift
- R
- Hornrand
- L1..L4
- Ausnehmungen
- S1..S4
- Ausformungen
- d
- Breite der Trennwand
- a
- Breite des Stifts
- λ
- Wellenlänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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