DE4135828A1 - Antennenanordnung - Google Patents
AntennenanordnungInfo
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- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/0464—Annular ring patch
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Description
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur gleichzei
tigen Kommunikation mit einem geostationären und einem be
liebig umlaufenden Satelliten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Antennenanord
nung so auszubilden, daß mittels nur einer solchen, nicht
nachführbaren Antennenanordnung auf sehr nahe beieinander
liegenden Frequenzbändern gleichzeitig sowohl mit einem geo
stationären als auch mit einem beliebig umlaufenden Satel
liten kommuniziert werden kann. Gemäß der Erfindung ist dies
bei einer Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un
teransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung sind zwei Anten
nensysteme vorgesehen, nämlich ein höher angeordnetes und
montiertes Antennensystem, das einen (oder mehrere überein
ander angeordnete) zirkular polarisierten, kreisförmigen
Streifenleitungsstrahler aufweist, welcher im Englischen als
Patch bezeichnet wird, der im Grundmode strahlt und die für
umlaufende Satelliten, beispielsweise im Global Positioning
System (GPS) erforderliche Halbkugel-Charakteristik erzeugt,
und ein darunter angeordnetes Antennensystem, das mindestens
eine (oder auch mehrere, übereinander angeordnete) kreis
ringförmige Antenne(n) aufweist, die in einem höheren Mode
(2.1 oder 3.1) strahlt (strahlen). Die höheren Moden erzeu
gen Strahlungscharakteristiken mit einer Nullstelle in der
Zenitrichtung, welche für die Kommunikation mit geostationä
ren Satelliten von dem europäischen Gebiet aus optimal sind.
Die mit höheren Moden angeregten Antennen sind als kreis
ringförmige Streifenleitungsstrahler ausgeführt, die bei
Verwenden von zwei oder mehr Strahlern auf einem zwei- oder
mehrstufigen, achssymmetrischen Zentralkörper gehaltert
sind. Hierbei dient dieser Zentralkörper dazu, daß durch die
Durchführung einer Speiseleitung für die oberste Antenne die
Symmetrieeigenschaften nicht beeinflußt werden. Durch den
abgestuften Zentralkörper ist eine verbesserte Anpassung des
zweiten (n-ten) kreisringförmigen Streifenleitungsstrahlers,
d . h. des am tiefsten angeordneten Streifenleitungsstrahlers
erreicht, wenn die Einspeisestelle optimal für den ersten
kreisringförmigen Streifenleitungsstrahler gewählt ist.
Durch die beschriebene Kombination orthogonaler Moden ist
bei einer achssymmetrischen Anordnung in vorteilhafter Weise
eine besonders gute Entkopplung der beiden übereinander an
geordneten Antennensysteme bewirkt.
Durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung sind zwei Kanä
le, von welchen der eine einem geostationären und der andere
einem beliebig umlaufenden Satelliten zugeordnet ist, gut
entkoppelt. Da die erfindungsgemäße Antennenanordnung für
eine Anbringung auf Autodächern oder in einer ähnlichen Um
gebung bestimmt ist, ist die erfindungsgemäße Antennenanord
nung besonders kompakt ausgeführt und in einem aerodynamisch
vorteilhaft geformten Radom geringer Höhe untergebracht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus
führungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnun
gen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A eine Ansicht von unten und
Fig. 1B eine mittig vorgenommene Schnittansicht einer
vorteilhaften Ausführungsform einer mit einem
Radom abgedeckten Antennenanordnung gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 eine in Einzelteile aufgelöste perspektivi
sche Darstellung der in Fig. 1A und 1B wieder
gegebenen, bevorzugten Ausführungsform einer
Antennenanordnung ohne Radom;
Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung Basisfunkti
onen sowie in Draufsicht Stromverteilungsbil
der eines kreisförmigen Resonators bei drei
verschiedenen Moden;
Fig. 4 eine Elevations-Schnittansicht eines gemesse
nen Strahlungsdiagramms für das Global
Positioning System (GPS) bei einem Azimutwin
kel Φ = 0°;
Fig. 5 und 6 eine Elevations-Schnittansicht eines gemesse
nen Strahlungsdiagramms für eine INMARSAT-
Standard-C-Antenne für einen Azimutwinkel
Φ = 0° für einen SAT-COM Kanal von 1,5375 GHz
bzw. 1,635 GHz; sowie,
Fig. 7 und 8 konische Schnitte eines gemessenen Strah
lungsdiagramms für eine INMARSAT-Standard-C
bei Elevationswinkeln 90°-ϑ= 20° und 45°
für SAT-COM-Kanäle von 1,5375 GHz und 1,635
GHz.
In Fig. 1A, 1B und 2 ist in einer Ansicht von unten, in einer
mittigen Schnittansicht bzw. in einer in Einzelteile aufge
lösten, perspektivischen Darstellung eine bevorzugte Ausfüh
rungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung in Form
einer kombinierten GPS/INMARSAT-Antennenanordnung darge
stellt. Wie aus Fig. 1B und 2 zu ersehen ist, weist die An
tennenanordnung drei übereinander angeordnete zirkularpola
risierte Streifenleitungsstrahler 3, 6 und 12 für drei be
nachbarte, nahe beieinander liegende Frequenzbänder auf.
Hierbei liegt die GPS-Frequenz von 1,575 GHz des kreisför
migen Streifenleitungsstrahlers 3 zwischen den beiden
INMARSAT-Frequenzbändern von 1,535 bis 1,545 GHz und 1,625
bis 1,645 GHz der beiden kreisringförmigen Streifenleitungs
strahler 6 und 12.
Der GPS-Strahler 3 ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, als
oberster Strahler angeordnet, und er wird im Grundmode 1.1
angeregt. Der GPS-Strahler 3 ist aus einem etwa 5mm dickem
Substrat mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (ε= 6)
hergestellt, um auf diese Weise eine möglichst breite Strah
lungscharakteristik zu erhalten.
Die beiden übereinander, jedoch unter dem GPS-Strahler 3 an
geordneten, kreisringförmigen Streifenleitungsstrahler 6 und
12 arbeiten beispielsweise in dem Mode 2.1. Die beiden
Strahler 6 und 12 bestehen aus einem Polyolefin-Sutstrat mit
einer erheblich kleineren Dielektrizitätskonstante (ε= 2,3)
und sie werden mittels eines Hybrids 13 gespeist. Durch
einen in der dargestellten Ausführungsform aus drei Teilen 8
bis 10 bestehenden Zentralkörper ist eine Koaxialleitung 5,
11 geführt, mittels welcher über einen auf der Oberseite des
GPS-Strahlers 3, vorgesehenen, in Reihe geschalteten Konden
sator 2 der GPS-Strahler 3 gespeist ist. Dieser Kondensator
2 dient dazu, die Induktivität der Speiseleitung im Bereich
des GPS-Strahlers 3 zu kompensieren, und damit gleichzeitig
die Anpassung der Antenne zu verbessern. Eine Zirkularpola
risation ist durch eine Störung der Kreissymmetrie des GPS-
Strahlers 3 in Form von zwei Ausfräsungen 3 1 und 3 2 im
Außenumfang des kreisscheibenförmigen Strahlers 3 erzeugt.
Die beiden Ausfräsungen 3 1 und 3 2 im Strahler 3 sind bei
Azimutwinkeln von 45° und 245° diametral zueinander ausge
bildet.
Die Einspeisung der beiden INMARSAT-Strahler 6 und 12 er
folgt über das Hybrid 13, welches in Mikrostreifenleiter
bzw. Microstrip-Technik ausgeführt ist, an vier Stellen 6 1
bis 6 4 über dort angeordnete Kondensatoren 4 1 bis 4 4 bzw. an
vier Stellen 12 1 bis 12 4 des Strahlers 12. Durch das Hybrid
13 werden zwei um 45° im Azimut versetzte 2.1-Moden mit
einer Phasendifferenz von 90° angeregt, wodurch eine annä
hernd zirkular polarisierte, nahezu azimut-unabhängige
Strahlungscharakteristik erzeugt wird. Um die Symmetrie zu
verbessern, ist, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, jeder der Mo
den 2.1 an zwei diametral einander gegenüberliegenden Stel
len 6 1, 6 3 und 6 2, 6 4 bzw. 12 1, 12 3 und 12 2, 12 4 eingespeist.
Das Hybrid 13 ist mit dem Resonator-Dielektrikum des unter
sten Strahlers 12 verklebt, so daß das Hybrid 13 und der
Strahler 12 dasselbe Substrat nutzen. Durch diese Maßnahme
ist beispielsweise im Vergleich zu einem Hybrid in der
Drei-Platten-Leitungstechnik eine Substratebene eingespart
und dadurch die Gesamthöhe der Antennenanordnung vermindert.
Die unerwünschte elektrodynamische Verkopplung des Hybrids
13 und des Strahlers 12 ist dadurch gering gehalten, daß die
Substratdicke der Platine des Hybrids 13 gering gegenüber
derjenigen des untersten Strahlers 12 gewählt ist. (Ein Teil
der Unsymmetrie in den in Fig. 7 und 8 wiedergegebenen Azi
mut-Charakteristiken ist auf diese Kopplungen zurückzufüh
ren).
Wie aus Fig. 1B und 2 zu ersehen ist, sind Drähte 7 1 bis 7 4
durch in entsprechenden Bohrungen 6 1 bis 6 4 bzw. 12 1 bis 12 4
in den beiden Strahlern 6 und 12 vorgesehene Kunststoffbuch
sen 15 mit den auf der Oberseite des oberen Strahlers 6 vor
gesehenen vier Kondensatoren 4 1 bis 4 4 bzw. mit Koaxialstec
kern 16 1und 16 3 verbunden. Die Koaxialstecker 16 1 bis 16 3
sind an einer Grundplatte 14 befestigt, an welcher mittels
eines Schraubbolzens 1 die gesamte Antennenanordnung 3, 6,
12/13 und mittels durch Bohrungen 14 0 in der Grundplatte 14
eingebrachte, nicht näher dargestellte Befestigungsmittel
ein die gesamte Antennenanordnung überdeckendes Radom 20 be
festigt ist, wie aus Fig. 1B zu ersehen ist.
Die beiden Moden, nämlich der Grundmode 1.1 und der Mode 2.1
des GPS-Strahlers 3 bzw. der beiden INMARSAT-Strahler 6 und
12 sind orthogonal zueinander, d. h. der GPS-Kanal ist von
den zwei INMARSAT-Kanälen entkoppelt. Dadurch wird ein GPS-
Empfänger auch bei Sendebetrieb der INMARSAT-Antennen nicht
überlastet, und die Charakteristiken der beiden Antennensy
steme 3 und 6, 12 beeinflussen sich nicht, selbst wenn sich
die entsprechenden Frequenzbänder überlappen.
In Fig. 3 sind in einer dreidimensionalen Darstellung Basis
funktionen von drei verschiedenen Moden 1.1, 2.1 und 3.1 so
wie jeweils darunter die entsprechenden Stromverteilungen
eines kreisförmigen Resonators dargestellt. Ferner sind in
Fig. 3 zur Orientierung die Polarkoordinaten ϕ und ρ einge
tragen.
In den Fig. 4 bis 8 sind gemessene Strahlungsdiagramme der in
Fig. 1A, 1B und 2 wiedergegebenen Ausführungsform einer er
findungsgemäßen Antennenanordnung bei den jeweiligen Band-
Mittenfrequenzen dargestellt. Hierbei war die Antennenanord
nung in der Mitte einer etwa (1,4 m×1,5 m) großen Metall
platte montiert, durch welche ein Autodach nachgebildet wor
den war. Die Flächennormale ist hierbei die Polarachse ϑ = 0°
eines Polarkoordinatensystems ϑ, Φ.
Im einzelnen ist in Fig. 4 ein Elevationsschnitt eines gemes
senen Strahlungsdiagramms für GPS bei Φ = 0° mit einer
Rechts- und Links-Zirkularpolarisation des GPS-Kanals von
1,575 GHz dargestellt.
In Fig. 5 ist ein Elevationsschnitt eines Strahlungsdiagramms
für Standard-C bei Φ = 0° mit einer Links- und Rechts-Zirku
larpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,5375 GHz wiederge
geben.
In Fig. 6 ist ein weiterer Elevationsschnitt eines Strahlungs
diagramms für Standard-C bei Φ = 0° mit einer Rechts- und
Links-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,635 GHz
wiedergegeben.
In Fig. 7 sind konische Schnitte eines gemessenen Strahlungs
diagramms für Standard-C bei 90°-ϑ= 20° und 45° für eine
Rechts-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals mit 1,5375
GHz wiedergegeben.
In Fig. 8 sind weitere konische Schnitte eines gemessenen
Strahlungsdiagramms für Standard-C bei 90°-ϑ= 20° und 45°
bei einer Rechts-Zirkularpolarisation des SAT-COM-Kanals bei
1,635 GHz dargestellt.
Claims (4)
1. Antennenanordnung zur gleichzeitigen Kommunikation mit
einem geostationären und einem beliebig umlaufenden Satelli
ten, gekennzeichnet durch
einen im Grundmode (1.1) betriebenen zirkular polarisierten, kreisförmigen Streifenleitungsstrahler (3) und
mindestens einen weiteren, darunter angeordneten, in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) betriebenen, kreisringförmigen, zirkular polarisierten Streifenleitungsstrahler (6; 12),
welche Streifenleitungsstrahler (3; 6; 12) auf einem achs symmetrisch ausgebildeten Zentralkörper (8 bis 10) konzen trisch gehaltert sind.
einen im Grundmode (1.1) betriebenen zirkular polarisierten, kreisförmigen Streifenleitungsstrahler (3) und
mindestens einen weiteren, darunter angeordneten, in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) betriebenen, kreisringförmigen, zirkular polarisierten Streifenleitungsstrahler (6; 12),
welche Streifenleitungsstrahler (3; 6; 12) auf einem achs symmetrisch ausgebildeten Zentralkörper (8 bis 10) konzen trisch gehaltert sind.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens zwei untereinander angeord
nete, in einem höheren Mode (2.1 oder 3.1) betriebene,
kreisringförmige, zirkular polarisierte Streifenleitungs
strahler (6, 12) vorgesehen sind, und
der Zentralkörper (8 bis 10) als ein mindestens zweistufi
ger, achssymmetrischer Metallkörper ausgebildet ist.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der unterste kreisringförmige Streifen
leitungsstrahler (12) und ein damit fest verbundenes Speise
hybrid (13) in Mikrostreifenleiter-(Microstrip-)Ausführung
dasselbe Substrat benutzen.
4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Antennenanord
nung (3, 6, 12) unter einem aerodynamisch ausgebildeten Ra
dom (20) untergebracht ist.
Priority Applications (3)
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