DE19531309C2 - Phasengesteuerte zweidimensionale Gruppenantenne als teiladaptives Empfangssystem für den Satellitenrundfunk mit elektronischer Beeinflussung der Richtcharakteristik und der Polarisation - Google Patents

Abstract

Technisches Problem der Erfindung, technische Aufgabe und Zielsetzung DOLLAR A Übliche zweidimensionale Gruppenantennen, bei denen die Hauptempfangsrichtung fest senkrecht zur Antennenfläche zeigt, müssen mechanisch ausgerichtet werden. Dies führt beim Satellitenempfang dazu, daß die Antenne bei Montage an einer Hauswand von der Wand absteht, was sich negativ auf das Erscheinungsbild auswirkt. DOLLAR A Die neue phasengesteuerte Gruppenantenne erlaubt nun die Montage flach an einer grob zu dem gewünschten Satelliten ausgerichteten Hauswand und eine automatische Anpassung der Richtcharakteristik und der Polarisation. DOLLAR A Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe DOLLAR A Durch die Vorprägung der Richtcharakteristik der seriell gespeisten Elemente einer Spalte wird die starke Neigung in Elevationsrichtung vermieden. Die Anpassung an den Azimutwinkel erfolgt durch Phasengewichtung der Signale der Spalten. Die Anpassung der Polarisation erfolgt durch Überlagerung orthogonal polarisierter Anteile benachbarter Spalten. Hierdurch wirken sich die Phasengewichte der Spaltensignale sowohl auf die Richtcharakteristik als auch auf die vom Einfallswinkel abhängige Polarisation aus. DOLLAR A Anwendunggebiet DOLLAR A Die phasengesteuerte Gruppenantenne eignet sich für den stationären als auch mobilen Empfang von Wellen beliebiger Polarisation auch bei Mehrwegeausbreitung.

Description

Stand der Technik mit Fundstellen

Die zur Zeit für den Satellitenrundfunk eingesetzten Empfangsanlagen bestehen aus einem Empfänger und einem Parabolspiegel oder einer Flachantenne. Dabei muß die Antenne exakt auf den gewünschten Satelliten ausgerichtet werden. Sollen mehrere Satelliten empfangen werden können, ist eine mechanische Verstellung der Antenne mit einem Zweiachsenmotor oder einer Polarmounthalterung mit Schubstange notwendig [TechniSat Produktkatalog]. Aufgrund der Abmessungen der eingesetzten Antennen, stehen diese bei einem seitlichen Einfall relativ zur Hauswand sehr weit von der Wand ab, was sich bei einer Vielzahl von Antennen an einer Hauswand, wie z. B. bei Hochhäusern, sehr negativ auf das Erscheinungsbild des Gebäudes auswirkt. Der bei Reflektorantennen notwendige Empfangskonverter (LNC), der im Abstand der Focuslänge vor dem Reflektor befestigt werden muß, entfällt bei Flachantennen. Übliche Flachantennen müssen aber da ihre Hauptempfangsrichtung mit der Flächennormalen übereinstimmt, für ASTRA- und EUTELSAT/HotBird-Anlagen um ca. 30° geneigt werden [TechniSat Produktkatalog].

In (JP 3-266506) wird ein Verfahren dargestellt, eine Planarantenne flach an einer Hauswand zu montieren. Die Hauptkeule der eigentlichen Antenne besitzt eine feste Ausrichtung, welche sich jedoch durch das Vorschieben von optischen Linsen beeinflussen läßt. Nachteilig ist hier jedoch, daß die Beeinflussung der Hauptempfangsrichtung mechanisch und nicht elektronisch erfolgt. Um dies zu umgehen, wurden Antennen entwickelt, deren Hauptkeule durch Phasengewichtung der Einzelelementsignale elektronisch geschwenkt werden kann [Properties of phased arrays, Proceedings IRE, Vol 48, Oct. 1960, pp 1715-1727] [Theory and Analysis of Phased Array Antennas, Wiley-Interscience, Bell Telephone Laboratories, Inc., and Victor Galindo]. An der Universität Paderborn wurde auch eine solche phasengesteuerte Antenne für den Empfang des Digitalen Hörrundfunks (DSR) vom Satelliten TV-Sat2 entwickelt und aufgebaut [A Mobile Antennna for the Digital Satellite Radio (DSR), 21. European Microwave Conference, Conference Proceedings, pp 392-397, Stuttgart, Germany 1991]. Diese Antenne besitzt Phasenschieber zur Steuerung der Azimut- und der Elevationscharakteristik. Als Gütekriterium für die Adaption wird die Empfangsleistung verwendet. Es können aber nur linkszirkular polarisierte Wellen empfangen werden. Die am Markt erhältlichen Flachantennen weisen pro Polarisation eine eigene Antennenebene auf, die übereinander angebracht sind. Damit können zwei feste Polarisationen gleichzeitig empfangen werden.

Reflektorantennen für Drehanlagen benutzen zur Einstellung der Polarisation einen Polarisator, durch den eine einfallende linear polarisierte Welle um 90° räumlich gedreht und eine zirkular polarisierte Welle in eine linear polarisierte umgewandelt werden kann. Eine Erweiterung der herkömmlichen Antennen für den gleichzeitigen Empfang von Satelliten auf verschiedenen Orbitpositionen ist nur bei Reflektorantennen möglich. Befinden sich die gewünschten Satelliten auf geringfügig unterschiedlichen Orbitpositionen, kann ein zusätzlicher LNC neben dem zentralen angebracht werden. Diese Lösung wird auch als Schiel-Lösung mit Multifeed-Halterung bezeichnet. Sie ermöglicht über einen Matrix-Verteiler den gleichzeitigen Empfang jeweils der beiden Polarisationsebenen pro verwendetem LNC. Diese Art Antennen mit Multifeed-Halterung sind für den Gemeinschaftsempfang und für TWIN-Receiver geeignet [Eutelsat info news, Feb. 95].

Problem

Zentralgespeiste Reflektorantennen und Flachantennen müssen mechanisch in der Elevation und dem Azimut ausgerichtet werden, so daß sie sich nicht flach an einer Hauswand befestigen lassen und sich auch nicht in diese integrieren lassen.

In (DE 35 24 503) wird zwar eine Flachantenne mit Rampart-Line-Elementen beschrieben, die sich in sofern modifizieren läßt, daß die Elemente um 90° gedreht werden und durch Stauchung oder Streckung eine geschwenkte Richtcharakteristik erzeugt wird. Die dort vorgestellten Elemente sind aber nicht für eine relative Bandbreite von 8,5%, wie sie für den Frequenzbereich von 10,7 bis 11,7 GHz benötigt wird, geeignet, da der Schwenkwinkel dieser Elemente stark von der Betriebsfrequenz abhängig ist. Daher weist die Antenne dort auch gegenüberliegende Elemente auf, bei denen die frequenzbedingte Schwenkung gegenläufig ist, um diesen Effekt zum Teil kompensieren zu können. Zudem ist auch keine Variation der Polarisation mit dem dort vorgestellten Konzept möglich, wodurch ein einfacher Wechsel zwischen vertikaler und horizontaler Polarisation nicht möglich ist. Weiterhin ist die horizontale Polarisation der ASTRA- und EUTELSAT- Satelliten unterschiedlich gegenüber dem Horizont geneigt, so daß sich bei einer Festlegung auf eine bestimmte Neigung der horizontalen Polarisation für andere Satelliten eine nicht ausreichende Polarisationstrennung ergibt. Die Polarisation der Antenne kann also nicht an die Polarisation des jeweiligen Satelliten nachträglich elektronisch angepaßt werden, es sei denn, die Antenne wird um ihre Achse mechanisch gedreht.

Beim Einsatz von Polarisatoren für Reflektorantennen kann keine optimale Polarisationsanpassung erfolgen. Es ist nicht möglich, eine einfallende linear polarisierte Welle um einen beliebigen Winkel zu drehen. Nachteilig wirkt sich dies zum Beispiel beim Empfang der französischen TELECOM-Satelliten aus, deren horizontale Polarisation um ca. 20° gegenüber der Äquatorebene gedreht ist [W Thurl, A. Ilsanker, Antennen für den Satellitenempfang, Franzis Verlag, München 1993]. Hier ist durch Variation des Polarisatorstroms keine gute Polarisationsanpassung und damit keine ausreichende Kreuzpolarisationsentkopplung möglich. Dies führt zu Störungen des empfangenen Fernsehbildes durch orthogonal polarisierte Wellen gleicher Frequenz. Es treten weiße und schwarze Flecken auf, die von den Bildinhalten und Synchronzeichen der Nachbartransponder, die orthogonal polarisierte Wellen abstrahlen, stammen, da sich ihre Frequenzspektren aufgrund der Verkämmung überlappen und nur durch die Polarisation der ausgesendeten Wellen unterscheiden.

Bei den zur Zeit bekannten adaptiven Antennen ist nur eine Beeinflussung der Richtcharakteristik und ein Umschalten zwischen zwei orthogonalen Polarisationen möglich, nicht aber eine Anpassung der Polarisation. Entweder kann auch nur zwischen zwei orthogonal linearen oder zwischen zwei orthogonal zirkularen Polarisationen umgeschaltet werden. Damit kann keine Anpassung an lineare Polarisationen mit beliebiger Richtung des Polarisationsvektors erfolgen. Es muß zwangsläufig eine Abnahme der Kreuzpolarisationsentkopplung hingenommen werden. Ein Verfahren, um die Polarisation einer Antenne in Hauptstrahlrichtung zu beeinflussen, wird in (US 5068668) beschrieben. Es kann hiermit aber nur die Polarisation in einer Richtung variiert werden. Die Polarisation als Funktion des Einfallswinkels ist nicht modifizierbar. So kann die Polarisation einer Nebenkeule nicht unabhängig von der Polarisation der Hauptkeule eingestellt werden. Um ein Störsignal aus einer anderen Richtung auszublenden, muß entweder eine Nullstelle in beiden Komponenten der vektoriellen Richtcharakteristik vorhanden sein oder die Polarisation der Antenne muß in dieser Richtung orthogonal zum Störsignal sein. Außerdem sind für das dort vorgestellte Konzept die Signale sowohl in der Phase als auch in der Amplitude zu wichten, wobei die veränderbare Amplitudengewichtung im Frequenzbereich um 12 GHz mit einem erhöhten Schaltungsaufwand verbunden ist.

Reflektorantennen weisen ein niedriges Nebenkeulenniveau auf, damit andere Satelliten ausreichend unterdrückt werden. Dies reduziert aber den Flächenwirkungsgrad. Quadratische Flachantennen können zur Erzielung eines geringen Nebenkeulenniveaus auf die Spitze gestellt werden [ASTRA-Satenne, Technisat Produktkatalog].

Zusätzlich besteht bei fest ausgerichteten Antennen oder Drehanlagen das Problem, daß die Ausrichtung der Antenne nicht kontinuierlich überprüft wird. Ist durch starke Windeinwirkung oder durch mangelnde Positioniergenauigkeit einer Drehanlage die Hauptkeule nicht optimal ausgerichtet, ergeben sich aufgrund der Abnahme des Empfangspegels weiße und schwarze Flecken im gesamten Fernsehbild. Dies erfordert eine Neuausrichtung der Antenne. Empfangsanlagen mit drehbaren Antennen verwenden zum Teil ein Verfahren bei der automatischen Ausrichtung, bei dem die Grenzwinkel gesucht werden, bei denen die Synchronisation des Vertikaloszillators ausfällt [System TechniFocus, TechniSat Produktkatalog]. Die optimale Richtung wird dann in der Mitte zwischen den beiden Grenzwinkeln angenommen. Eine solche Ausrichtung liefert nicht immer das beste Ergebnis, so daß oft durch eine manuelle Ausrichtung eine höhere Bildqualität erzielt werden kann. Bei einer regelmäßigen automatischen Auslösung einer Überprüfung der Ausrichtung entsprechend diesem Verfahren, würden regelmäßig Bildausfälle entstehen, die vom Rundfunkteilnehmer als sehr störend empfunden würden. Eine andere Alternative besteht darin die Ausrichtung der Antenne nach dem Gütekriterium Empfangsleistung vorzunehmen. Dies erweist sich aber in praktischen Versuchen als sehr ungenau, da das Maximum als Funktion des Drehwinkels sehr flach verläuft und aufgrund der Modulation kein eindeutiges Maximum als Funktion des Drehwinkels detektiert werden kann.

Eine adaptive Antenne mit Gütekriterium "Empfangsleistung" würde bei gleich starken Satellitensignalen mehrere Hauptkeulen ausbilden [M. Alberti, W. Grabow: Reaktionen adaptiver Antennen auf typische Signalsituationen des mobilen Satellitenempfangs, ITG- Fachbericht 111, VDE-Verlag GmbH, Berlin 1990]. Damit wäre der gezielte Empfang eines bestimmten gewünschten Satelliten nicht möglich.

Lösung

Das Problem der Neigung von Flachantennen kann durch eine Vorprägung der Elevationscharakteristik der verwendeten Spaltenelemente umgangen werden. Es ist dann, wenn die Antenne in Azimutrichtung elektronisch geschwenkt werden kann (Fig. 4), möglich, die Antenne flach an der Wand zu montieren (Fig. 1). Eine mögliche Ausgestaltung besteht darin, getaperte Rampart-Line-Elemente zu verwenden, deren Schwenkwinkel sich durch Stauchung oder Streckung einstellen läßt. Durch eine Abstufung der Größe der periodisch fortgesetzten Einheitszellen kann die Bandbreite erhöht werden. [J. R. James, P. S. Hall, Handbook of Microstrip antennas, Vol. 1 + 2, Peter Peregrinus Ltd., London 1989]. Die Abhängigkeit des Schwenkwinkels von der Frequenz wird hierdurch herabgesetzt. Gleichzeitig wird die Hauptkeulenbreite in Elevationsrichtung vergrößert. Häufig führt dies jedoch dazu, daß bei zirkular polarisierten Elementen die Kreuzpolarisationsentkopplung in der Schwenkrichtung abnimmt. Diese kann dadurch erhöht werden, daß der Abstand b zwischen der zweiten und dritten Ecke (Fig. 5) kleiner als ein Viertel der geführten Wellenlänge gewählt wird und zwar derart, daß im Fernfeld die Feldanteile dieser beiden Ecken in Schwenkrichtung genau eine Phasenverschiebung von +90° oder -90° aufweisen, je nachdem für welche Polarisation die Elemente ausgelegt werden. Der Elementabstand d_EL bleibt von diesem Verfahren unbeeinflußt, es muß lediglich die Leitung zwischen der zweiten und der dritten Ecke verkürzt und der Abstand zwischen der vierten Ecke und der nächsten Ecke um das gleiche Stück verlängert werden (Fig. 5).

Das Problem der Anpassung an beliebige Polarisationen kann durch die Überlagerung orthogonal polarisierter Wellen behoben werden. Es müssen hierzu die Signale von Elemente mit orthogonaler Polarisation oder die Signale an den Abgriffen, die orthogonal polarisierten Wellen zugeordnet sind, zu einem Signal summiert werden (Fig. 2 u. 3). Beim Einsatz von nur zwei Elementen oder zwei Gruppen von Elementen mit zueinander orthogonaler Polarisation wäre neben der Phasengewichtung noch eine Amplitudengewichtung notwendig (US 5068668). Die schaltungstechnisch aufwendige Amplitudengewichtung wird aber durch den Einsatz einer großen Anzahl von Elementen umgangen. Es ist nur noch eine Phasengewichtung notwendig. Hierdurch ergibt sich bei quantisierten Phasenschiebern allerdings eine Quantisierung aller möglichen Polarisationen. Simulationen zeigen, daß sich die Kreuzpolarisationsentkopplung bei 64 Elementen und 4-bit-Phasenschiebern auf Werte besser 40 dB einstellen läßt. Eine Kreuzpolarisationsentkopplung von 20 dB wird aber üblicherweise bei Satellitenempfangsanlagen als vollkommen ausreichend angesehen, so daß die Quantisierung praktisch irrelevant ist.

Werden zum Beispiel zwei orthogonal zirkular polarisierte Spaltenelemente nach Fig. 3, Fig. 4 und 12 mit D_y = 0 verwendet, ist im Sendefall eine zweielementige Gruppe vertikal polarisiert. Wird nun die Phasenlage eines der beiden Elemente verändert, dreht sich der Poiarisationsvektor um die Hälfte der Phasendifferenz zwischen der Anregung des einen und des anderen Elementes. Ist also die Phasendifferenz 180°, dreht sich die Polarisation um 90°.

Durch eine größere Anzahl von Elementen kann die Richtcharakteristik und die Polarisation als Funktion der Einfallsrichtung durch Variation der Phasengewichte ohne eine Variation von Amplitudengewichten beeinflußt werden. So kann bei Mehrwegeausbreitung, die in Mobilfunknetzen konstruktiv genutzt wird, der Fall auftreten, daß die Wellen aus Richtung der Echos untereinander und relativ zur direkten Komponente unterschiedlich polarisiert sind. Ist mit der Antenne nur der Empfang einer einzigen Polarisation möglich, kann der Fall auftreten, daß reflektierte Wellen mit orthogonaler Polarisation nicht konstruktiv im Echoentzerrer des Empfängers genutzt werden können. Ist eine optimale Anpassung an die Polarisation jedes einzelnen Echos möglich, sinkt die Bitfehlerrate, wodurch unter Umständen eine Zelle vergrößert werden kann.

Das Konzept ist ebenfalls nutzbar für Raummultiplex-Systeme (SDMA = Space Division multiple Access), bei denen unterschiedlichen Nutzern die gleiche Frequenz und der gleiche Zeitschlitz zugewiesen ist. Eine Trennung findet lediglich aufgrund der Einfallsrichtungen der Wellen statt. Nun kann es aber in einem solchen System vorkommen, daß die Echos von zwei Nutzern aus der gleichen oder näherungsweise der gleichen Richtung auf die Antenne der Basisstation eintreffen. Damit könnte eine adaptive Antenne, die nur die Richtcharakteristik nicht aber die Polarisation als Funktion des Einfallswinkels beeinflußt, nicht mehr zwischen diesen unterscheiden. Weisen die beiden Echos aus gleicher Richtung aber eine unterschiedliche Polarisation auf, können sie mit einer adaptiven Antenne, die auch die Polarisation adaptiert getrennt werden. Hierdurch läßt sich dann die maximale Anzahl Nutzer in einer Zelle und damit die Netzkapazität erhöhen.

Das Problem des Bildausfalls bei einer Überprüfung der Ausrichtung der Antenne nach dem oben beschriebenen Prinzip (Suche der Grenzwinkel für Bildausfall) wird dadurch umgangen, daß als Gütekriterium "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" verwendet wird. Sie ergeben sich als Unter- bzw. Überschreitungen des zulässigen Videopegelbereiches (Fig. 7) und werden als solche auch vom Fensterdiskriminator nach (Fig. 8) detektiert und mit einem 16-bit-Zähler gezählt. Die Rücksetzung des Zählers erfolgt im Takt der Vertikalsynchronisierung. Die Störungen werden häufig auch als "Fische" bezeichnet und werden auch bei gelegentlichem Auftreten vom Betrachter als sehr störend empfunden. Die Vertikalsynchronisation fällt typischerweise bei ca. 5000 Flecken pro Halbbild aus. Aufgrund des Wertebereichs von 0 bis ca. 5000 erhält man eine sehr hohe Auflösung des wertediskreten Gütekriteriums, die ja aufgrund der vielen Freiheitsgrade bei der Einstellung der Phasenschieber auch benötigt wird. Eine große Anzahl an Flecken wird aber nicht nur durch einen schwachen Signalpegel sondern auch gerade durch kreuzpolare Störungen und Nebenkeulen, die auf andere Satelliten ausgerichtet sind, hervorgerufen. Diese Störungen führen im Gegensatz zu einem schwachen Empfangspegel nicht zu Flecken auf dem gesamten Bildschirm sondern meist zu gestörten Zonen. Diese Zonen werden von der Zeilen- und Bildsynchronisationszeichen oder stark gesättigten Farben der Nachbartransponder hervorgerufen und wandern aufgrund geringer Frequenzdifferenzen zwischen den verschiedenen Zeilen- und Bildfrequenzen langsam durch das Bild durch (Schwebung). Daher ist es auch notwendig, die Flecken nicht nur über eine Zeile sondern mindestens über ein Halbbild zu zählen. Es zeigt sich in praktischen Versuchen, daß eine Mittelung über mehrere Halbbilder sinnvoll ist, da der Wert stark streut und vom Bildinhalt abhängig ist.

Das Gütesignal "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" stellt somit ein Maß für das Verhältnis zwischen Nutzsignalleistung und Rausch- plus Störleistung S/(N + I) dar. Voraussetzung für die schaltungstechnische Bestimmung des S-zu-(N + I)- Verhältnisses mit einer Schaltung nach Fig. 8 ist aber, daß das der Schaltung bereitgestellte Videosignal "geklemmt" ist. Das heißt, daß die "hintere Schwarzschulter" (Fig. 7) einen definierten Pegel besitzen muß. Voraussetzung hierfür wiederum ist, daß der Horizontaloszillator, der für die "Klemmung" benötigt wird, synchronisiert ist [Fernsehtechnik ohne Ballast, O. Limann und H. Pelka, 14 Auflage, 1983]. Daher ist dieses Gütesignal nur dann definiert, wenn Synchronisation vorliegt, wofür wiederum eine Grobausrichtung der Antenne vorhanden sein muß. Diese kann zu Beginn eines Adaptionsvorgangs durch einen Absuchvorgang mit Hilfe des Gütekriteriums "Empfangsleistung" oder eine Schätzung der Phasengewichte bei Kenntnis des Einfallswinkels vorgenommen werden. Weiterhin empfiehlt sich, sobald das erste mal Vertikalsynchronisation detektiert wird, anhand mehrerer Tests der Synchronisation in Zeitabständen größer einer Halbbilddauer eine Synchronisationshäufigkeit zu definieren und diese mit Hilfe eines Serienadaptionsverfahrens [M. Alberti, W. Grabow: Reaktion adaptiver Antennen auf typische Signalsituationen des mobilen Satellitenempfangs, ITG- Fachbericht 111, Antennen, 20.-23.3.90, Wiesbaden] zu maximieren, bis ein stehendes Bild mit einer Synchronisationshäufigkeit nahe 1 erreicht wird. Der Vorteil von diesem Verfahren, ist, daß das Gütekriterium Empfangsleistung sehr früh im Verlaufe eines Adaptionsvorgangs nicht mehr berücksichtigt wird. Es besitzt den Nachteil, daß nicht zwischen Nutz- und Störleistung unterschieden werden kann. Die Vertikalsynchronisation reagiert aber sehr empfindlich auf Störsignale, so daß sehr früh während des Adaptionsvorgangs schon Störsignale erkannt und unterdrückt werden. Sobald das Bild stabil ist, kann auf das Gütekriterium "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" umgeschaltet werden.

Das Empfangssystem versucht also beim Fernsehempfang anhand des Gütekriteriums "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" genau das zu optimieren, was den Betrachter stört. Der Unterschied zu bisherigen adaptiven Systemen besteht darin, daß das Gütekriterium sehr weit hinten in der Empfangsstruktur abgegriffen wird. Das oft verwendete Gütekriterium "Signalleistung" stünde am Eingang des Empfängers schon zur Verfügung, ist aber für diesen Anwendungsfall ungeeignet, da sich ja wie oben erwähnt, mehrere Hauptkeulen ausbilden würden.

Beim Digitalen Hörrundfunk nach dem ASTRA-Digital-Radio-Standard (ADR) [Produktinformation zum ADR-Receiver ASTRASTAR AX-1, TechniSat] oder anderen digitalen Übertragungsverfahren für Video- und Audiosignale kann als Maß für den Signal-zu-Rausch-plus-Störabstand die Bitfehlerkorrekturhäufigkeit verwendet werden. Hierdurch wird das Problem der Ausbildung mehrerer Hauptkeulen beim Gütekriterium "Empfangsleistung" gezielt umgangen. Es müssen aber, wie beim Fernsehempfang auch, zunächst Schätzwerte für die Phasengewichte berechnet werden, damit eine Grobausrichtung und somit eine genügende Empfangsleistung zur Synchronisation und zum Einschwingen des im Gerät enthaltenen Viterbi-Decoders vorliegt. Die Verwendung des Gütekriteriums Bitfehlerrate führt bei adaptiven Antennen, die zusätzlich die Polarisation adaptieren, dazu, daß die Polarisation als Funktion des Einfallswinkels optimal an die aktuelle Signalsituation angepaßt wird. Dies geht über eine Anpassung der Richtung der Hauptkeule und der Polarisation nur in dieser Richtung, wie sie in (EP 0579408 A1) für Reflektorantennen beschrieben wird, hinaus.

Alle diese Gütekriterien führen dazu, daß die Antenne nicht mehr losgelöst vom Empfänger und dem verwendeten Modulationsverfahren betrachtet werden kann. Aufgrund der Rückwirkung des demodulierten Signals auf die Eigenschaften der Antenne, kann nicht wie bisher allein von einer adaptiven Antenne gesprochen werden, sondern es muß das Empfangssystem als Ganzes betrachtet werden. Die adaptive Antenne wird ein systembestimmendes Element des Empfangssystems.

Erreichte Vorteile

Die Vorteile der "Phasengesteuerten Zweidimensionalen Gruppenantenne als Teiladaptives Empfangssystem für den Satellitenrundfunk" bestehen darin, daß die Antenne flach an einer Hauswand montiert werden kann (Fig. 1), nicht mechanisch ausgerichtet werden muß und ständig durch Variation der Phasengewichte die Form der Richtcharakteristik und die Polarisation als Funktion des Einfallswinkels anhand eines Gütekriterium, das mit einer Schaltung nach Fig. 8 ermittelt wird, optimiert (Fig. 4) und somit eine möglichst optimale Bildqualität erzielt. Es können Wellen beliebiger Polarisation, insbesondere auch elliptisch polarisierte Wellen, empfangen werden. Weiterhin können Störquellen durch Nullstellen oder orthogonale Einstellung der Polarisation unterdrückt werden. Bei Mehrwegeausbreitung kann eine Anpassung der Polarisation individuell an jedes Echo unabhängig von der Polarisation einer eventuell vorhandenen direkten Komponente erfolgen. Durch das Empfangssystem erfolgt eine optimale Einstellung der Phasengewichte hinsichtlich der Bildqualität, die ja für den Verbraucher das wichtigste von ihm direkt wahrnehmbare Qualitätskriterium für die Empfangsanlage ist. Beim Empfang von ASTRA-Digital-Radio oder anderen digital übertragenen Diensten schaltet das Prozessorsystem vom Gütekriterium "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" auf das Gütekriterium "Bitfehlerkorrekturhäufigkeit" um. Hierdurch ist gewährleistet, daß ein Digitalempfänger möglichst wenig Übertragungsfehler korrigieren oder sogar verschleiern muß.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Die Elemente der Antenne mit orthogonaler Polarisation brauchen nicht notwendiger Weise nebeneinander angeordnet zu sein. Es ist auch möglich, die Elemente übereinander in verschiedenen Schichten anzuordnen wie z. B. in (DE 37 29 750 C2) beschrieben, oder Elemente zu verwenden, die über zwei Abgriffe verfügen, die Wellen mit orthogonaler Polarisation zugeordnet sind. Wesentlich ist aber, daß die Signale aller Elemente oder Abgriffe summiert werden und nicht nur die, die der gleichen Polarisation zugeordnet sind.

Die Antenne kann entsprechend Fig. 9 um ein Doppelsummationsnetzwerk erweitert werden. Hierdurch ist der gleichzeitige Empfang zweier orthogonaler Polarisationen möglich. Für den Satelliten ASTRA wird zum Beispiel die vertikale und horizontale Polarisation gleichzeitig benötigt, um den Betrieb von TWIN-Receivern oder Gemeinschaftsanlagen zu ermöglichen. Eine wesentliche Änderung dieses Summationsnetzwerkes gegenüber dem in (DE 28 55 623 A1) beschriebenen Doppelsummationsnetzwerk besteht darin, daß für einen Ausgang die Signale aller Elemente mit orthogonaler Polarisation zu einem Signal addiert werden, wobei für den zweiten Ausgang eine zusätzliche Phasengewichtung um 180° der Signale der Elemente der gleichen Polarisation erfolgt.

Eine darüber hinausgehende Erweiterung der Antenne mit einem zweiten Satz Phasenschieber und einem weiteren Doppelsummationsnetzwerk ermöglicht den Empfang jeweils beider orthogonaler Polarisationen von Satelliten unterschiedlichen Orbitpositionen, wobei die Neigung der horizontalen Polarisation relativ zum Horizont für die beiden Satelliten verschiedenen sein kann. Dies ist zum Beispiel bei den Satelliten ASTRA und EUTELSAT der Fall, wo die Richtung der horizontalen Polarisation einmal um +7° und einmal um -11° gegenüber der Äquatorebene verdreht ist [W. Thurl, A. Ilsanker, Antennen für den Satellitenempfang, Franzis Verlag, München 1993].

Um den Bedienungskomfort der Antenne zu steigern, kann in die Antennensteuerung ein ASK-Demodulator für die Frequenz 7,2 kHz untergebracht und ein Satellitenreceiver gemäß dem TechniFocus-System verwendet werden (Fig. 4). Wird am Satellitenreceiver das Programm gewechselt, berechnet die Antennensteuerung automatisch aus den übermittelten Daten für die Richtung, die Polarisation und die Empfangsfrequenz neue Schätzwerte für die Phasengewichte. Sie werden anschließend variiert und es wird anhand der oben erwähnten Gütekriterien entschieden, ob eine Variation zu einer Verbesserung oder Verschlechterung geführt hat. Hierdurch wird die Richtcharakteristik und die Polarisation als Funktion des Einfallswinkels optimiert.

Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele

Eine mögliche Ausführung der Antennenfläche mit alternierend links- und rechtszirkular polarisierten getaperten Rampart-Line-Elementen zeigt Fig. 6. Die kontinuierliche Vergrößerung der Einheitszellen bewirkt hier eine Zunahme der Bandbreite. Am linken Ende der Leitung erfolgt die Durchkontaktierung zum Verstärker. Am rechten Ende ist ein geätzter Kondensator und anschließend ein Lötpunkt für den Abschlußwiderstand zu erkennen.

Eine mögliche Ausführung des Doppelsummationsnetzwerkes zeigen Fig. 14 und 15.

Claims (11)

1. Phasengesteuerte zweidimensionale Gruppenantenne als teiladaptives Empfangssystem für den Satellitenrundfunk mit elektronischer Beeinflussung der Form der Richtcharakteristik und der richtungsabhängigen Polarisation, die flach an einer Hauswand montiert ist, mit einem fest eingestellten Elevationswinkel, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend zueinander orthogonal polarisierte Strahlerelemente nebeneinander angeordnet sind, die jeweils in der Phase gewichtet zu einem Signal summiert werden.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente Rampart-Line-Elemente sind und der Elevationswinkel der Hauptstrahlrichtung durch Stauchung oder Streckung des Abstandes c eingestellt ist.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Leitungslängen in den Einheitszellen der Rampart-Line-Elemente vom Speisepunkt zum Abschluß in logarithmischer Abstufung ansteigen.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander orthogonal polarisierten Strahlerelemente übereinander angeordnet sind.

5. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung der Phasengewichte ein Gütekriterium für die Bild- und Tonqualität herangezogen wird, welches sich aus der Summe des Auftretens von Über- und Unterschreitungen des zulässigen Videopegelbereiches berechnet, welche vom Betrachter als schwarze und weiße Bildflecken wahrgenommen werden.

6. Gruppenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Torzeit für die Bestimmung der Anzahl der Über- und Unterschreitungen des zulässigen Videopegelbereiches eine Halbbilddauer beträgt.

7. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gütekriterium für die Beurteilung des Empfangs von Digitalradio die Bitfehlerkorrekturhäufigkeit herangezogen wird.

8. Gruppenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Phasengewichte in drei Phasen vorgenommen wird, wobei in der ersten Phase versucht wird, die Empfangsleistung zu maximieren, in der zweiten Phase versucht wird, die Bildsynchronisation zu erzielen und in der dritten Phase die Anzahl der Flecken minimiert wird.

9. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelsummationsnetzwerk verwendet ist, bei dem die in der Phase gewichteten Signale einmal direkt und das andere Mal mit einer festen zusätzlichen Phasengewichtung von 180° bei jedem zweiten Strahlerelement summiert werden.

10. Gruppenantenne nach Anspruch 1 für Mehrteilnehmerempfang, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen zweiten Satz Phasenschieber und ein zweites Doppelsummationsnetzwerk von zwei Satelliten mit verschiedenen Einfallsrichtungen jeweils beide zueinander orthogonale Polarisationen empfangbar sind.

11. Gruppenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine Wechselspannungskopplung zwischen dem Gate der ersten Stufe des rauscharmen Vorverstärkers und dem Rampart-Line-Element erfolgt, sondern nur entweder zwischen dem Ende des Rampart-Line-Elementes und dem Abschlußwiderstand oder nur zwischen dem Abschlußwiderstand und der Masse.