DE60131581T2 - Terminal mit phasengesteuerten Gruppenantennen für äquatoriale Satellitenkonstellationen - Google Patents

Terminal mit phasengesteuerten Gruppenantennen für äquatoriale Satellitenkonstellationen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne zur Verwendung bei einem kommerziellen Satellitenterminal- bzw. -endgerät mit: einer allgemein kreisförmigen, sich drehenden Platte zum mechanischen Absuchen nach Wellensignalen in einer Azimut-Richtung; und einer Vielzahl von Strahlungselementen, die auf der kreisförmigen Platte zum elektronischen Absuchen nach Wellensignalen in einer Elevations-Richtung angeordnet sind, wobei die Strahlungselemente Elementsignale bilden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bilden mehrerer Strahlen mit einer kommerziellen Satellitenantenne, das die folgenden Schritte aufweist: Vorsehen einer Vielzahl von Strahlungselementen auf einer Oberfläche der kommerziellen Satellitenantenne zum Empfangen einer Vielzahl von individuellen Wellensignalen und zum Bilden von jeweiligen Elementsignalen; Drehen der Vielzahl von Strahlungselementen derart, dass eine Wellenfront der Vielzahl von individuellen Wellensignalen nach einer Hauptachse der Vielzahl von Strahlungselementen ausgerichtet ist.
  • Ein derartiges Verfahren und System ist aus der WO 97/33342 bekannt.
  • In dem Dokument US 5,077,562 wird ein effizientes digitales strahlformendes bzw. strahlbündelndes Netzwerk offenbart, das relativ wenige A/D-Wandler kleinen Maßstabs verwendet. Das intensive strahlformende Netzwerk ist angeordnet, um einen Ausgangsstrahl B in Reaktion auf einen Satz von N Signalen zu erzeugen. Ein Satz von Eingangssignalen wird durch eine Antennengruppe mit N Elementen vorgesehen, auf die eine elektromagnetische Welle einfällt, die an eine Frequenz eines ersten Trägers gebunden ist. Das digitale strahlformende Netzwerk umfasst eine orthogonale Verschlüsselungsschaltung zum Erzeugen eines Satzes von N orthogonalen Spannungswellenformen. Ein Satz von zweiphasigen Modulatoren moduliert die Phase jedes Eingangssignals in Reaktion auf die orthogonalen Spannungswellenformen, wodurch ein Satz von N phasenmodulierten Eingangssignalen erzeugt wird. Die N phasenmo dulierten Eingangssignale werden innerhalb einer Addiereinrichtung kombiniert, um ein zusammengesetztes Eingangssignal zu bilden. Das erfinderische Netzwerk umfasst des Weiteren eine Abwärtsmischeinrichtung zum Erzeugen eines IF-Eingangssignals in Reaktion auf das zusammengesetzte Eingangssignal. Das ES-Eingangssignal wird dann durch ein EQ-Spaltnetzwerk in eine Basisbandkomponente, die in Phase ist, und eine Quadraturphasenkomponente getrennt. Ein Paar aus A/D-Wandlern tastet dann die in Phase befindliche Komponente und die Quadraturphasenkomponente des Eingangssignals ab. Eine Decodiereinrichtung, die durch die orthogonale Verschlüsselungsschaltung angekoppelt ist, liefert decodierte digitale Signale in Phase und decodierte digitale Quadraturphasensignale in Reaktion auf das digitale phasengleiche Signal und das Quadraturphasensignal. Ein digitaler Strahlformer zum Erzeugen des Ausgangsstrahls B ist des Weiteren umfasst, wobei das decodierte Signal in Phase und das Quadraturphasensignal verwendet werden.
  • Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung eine phasengesteuerte Gruppenantenne. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine kostengünstige, phasengesteuerte Verfolgungsgruppenantenne mit niedrigem Profil zur Verwendung bei einem kommerziellen Satellitenterminal für äquatoriale Satellitenkonstellationssysteme.
  • Aktuelle, nicht-geostationäre Satellitentechnologien, die auf den Verbrauchermarkt ausgerichtet sind, erfordern typischerweise einen Bodenverfolgungsterminal. Die Verfolgungsantennen mit dieser aktuellen Technologie sind jedoch teuer und sperrig und werden daher von Verbrauchern allgemein nicht akzeptiert. Aktuelle Programme, einschließlich Programme des Ka-Bands und des Ku-Bands, erfordern die Entwicklung einer weniger teuren Antenne mit niedrigem Profil.
  • Diese aktuellen, herkömmlichen Mehrfachstrahl-Bodenverfolgungsanschlüsse umfassen Gruppen mit Mechanismen zum Lenken von Strahlen, wie z. B. Phasenschieber und/oder Gimble. Diese Gruppen umfassen des Weiteren integrierte Mechanismen zum gleichzeitigen Verfolgen der Zeigerichtungen der mehreren Strahlen, wie z. B. Monoimpuls-Verfolgungsschleifen, Schrittabtastung und offene Schleifen-Richtpläne. Diese herkömmlichen phasengesteuerten Verfolgungsgruppen sind für den Verbrau chermarkt zu teuer, da primär jeder Strahl einen getrennten Elektroniksatz aufweisen muss, der mit jedem Element verknüpft ist, um die verschiedenen Signale zu verarbeiten, einschließlich vieler Phasenschieber und vieler Duplizierungsstränge aus Elektronik. Deshalb liegen die Herstellungskosten für diese herkömmlichen phasengesteuerten Verfolgungsgruppen im Allgemeinen hinter dem, was für den Verbrauchermarkt praktisch ist, sei es zur Verwendung als feste Antenne oder durch einen Nutzer als mobile Antenne.
  • Außerdem liefern aktuelle herkömmliche Verfolgungsvorrichtungen, wie z. B. kleine parabolische Verfolgungsreflektoren, eine mögliche Lösung für stationäre Nutzer. Für Mehrfachstrahlanschlüsse werden mehrere Reflektoren benötigt, wobei jeder Reflektor einen spezifischen Strahl verfolgt. Kleine parabolische Verfolgungsvorrichtungen weisen jedoch während ihres Betriebs ein extrem hohes Profil auf. Eine herkömmliche phasengesteuerte Verfolgungsgruppe vorzusehen, die mit einem akzeptablen Profil konstruiert werden könnte, wäre verboten teuer. Des Weiteren stellen diese kleinen parabolischen Verfolgungsreflektoren keine brauchbare Alternative für einen mobilen Nutzer dar, und zwar aufgrund sowohl der Größe als auch der Kosten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte Mehrfachstrahlen-Verfolgungsgruppenantenne mit niedrigem Profil bereitzustellen.
  • Es ist des Weiteren eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte Verfolgungsgruppenantenne mit niedrigem Profil für ein Terminal bzw. einen Anschluss bereitzustellen, der zur Verwendung bei einer kommerziellen Äquatorsatellitenkonstellation gedacht ist.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte Verfolgungsgruppenantenne mit niedrigem Profil zur Verwendung entweder bei einem kommerziellen stationären oder einem mobilen Verbrauchersatellitenanschluss für eine Äquatorsatellitenkonstellationen vorzusehen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte Verfolgungsgruppenantenne vorzusehen, die zur Verwendung bei einem kommerziellen Satellitenanschluss für Äquatorsatellitenkonstellationen geeignet ist und die ein Verbraucherprodukt darstellt, die eine hohe Leistung ermöglicht, die relativ günstig ist und die ein niedriges Profil aufweist.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte Verfolgungsgruppenantenne mit einem integrierten retrodirektiven bzw. einen parallel zur Einfallsrichtung zurückstrahlenden Mechanismus vorzusehen.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine günstige Antenne mit niedrigem Profil vorzusehen, die die Azimut-Richtung mechanisch absucht und die die Elevations-Richtung elektrisch absucht.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Antenne der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei die Antenne des Weiteren einen Code-Generator zum Koppeln eines jeweiligen Codes an ein jeweiliges Elementsignal der Elementsignale, um jeweils codierte Elementsignale zu bilden; einen ersten Multiplexer, der mit jedem Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen verknüpft ist, um die codierten Elementsignale zu einem analogen Bit-Strom zu vereinen; einen Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des analogen Bit-Stroms in einen digitalen Bit-Strom; eine Anpassungsfilterschaltung zum Bilden mehrerer digitaler Signale aus dem digitalen Bit-Strom; eine digitale strahlbildende Schaltung zum Strahlformen von mehreren digitalen Strahlsignalen aus den mehreren digitalen Signalen; einen jeweiligen zweiten Code-Generator zum Koppeln eines Strahlcodes an jedes der mehreren digitalen Strahlsignale, um eine Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen zu bilden; einen zweiten Multiplexer zum Vereinen der Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen, um einen Signalstrom zu bilden; und einen digitalen Empfänger zum gleichzeitigen Überwachen der Signale der mehreren Strahlen aufweist.
  • Diese Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei das Verfahren des Weiteren die Schritte aufweist: Codieren der jeweiligen Elementsignale, um codierte Elementsignale zu bilden; Vereinen der Vielzahl von codierten Elementsignalen zu einem einzelnen analogen Signal; Wandeln des analogen Signals in ein digitales Signal; Bilden mehrerer digitaler Strahlsignale aus dem einzelnen analogen Signal nach einem Anpassungsfiltern; Koppeln jeweiliger Strahlencodes an jedes der mehreren digitalen Strahlsignale, um eine Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen zu bilden; Vereinen der Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen, um einen Signalstrom zu bilden; und gleichzeitiges Überwachen der Signale von allen mehreren Strahlen.
  • In Übereinstimmung mit den oben genannten und weiteren Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird eine neue Satellitenantenne vorgesehen. Die Antenne umfasst eine sich drehende kreisförmige Platte zum Absuchen der Azimut-Richtung. Eine Vielzahl von Strahlungselementen ist miteinander kämmend entlang der Oberfläche der kreisförmigen Platte beabstandet, um die Elevations-Richtung elektronisch abzusuchen. In einem Empfangsmodus werden eine Vielzahl von individuellen Wellen bei den Strahlungselementen empfangen. Die Strahlungselemente werden derart gedreht werden, dass eine Wellenfront des beabsichtigten Signals mit der Hauptachse der langen Elemente ausgerichtet sein wird. Eine Multiplexervorrichtung innerhalb jedes Elements multiplext die Vielzahl der Signale zu einem einzigen analogen Signal, bevor das Signal in einen digitalen Bit-Strom durch einen Analog-Digital-Computer gewandelt wird. Der digitale Bit-Strom wird dann an eine Vorrichtung geleitet, die den digitalen Bit-Strom in mehrere digitale Strahlformen transformiert. Die mehreren Strahlformen werden dann an einen digitalen Empfänger zur Verarbeitung der Information aus den Signalen gesendet. Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum digitalen Formen von Mehrfachstrahlen durch FFT-Verfahren vorgesehen, die eine Retrodirektivität ermöglichen.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden, wenn man sie in Übereinstimmung mit den beigefügten Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen betrachtet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines Satellitenverfolgungssystems in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
  • 2 stellt eine perspektivische Ansicht einer sich drehenden Antennenkonfiguration dar, die geschlitzte Wellenleiter in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 3 stellt eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von kreuzgeschlitzten Wellenleitern zur Verwendung auf einer Antennenoberfläche in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
  • 4 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Abfangen der hereinkommenden Welle und zum Wandeln der Wellensignale in digitale Ströme in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 stellt ein schematisches Diagramm eines integrierten retrodirektiven Verfolgungsmechanismus in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • 1 veranschaulicht eine Umgebungsansicht der offenbarten Antenne gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist eine bevorzugte Antenne 10 in einer stationären Position auf dem Boden positioniert und steht mit einer Vielzahl von umlaufenden Satelliten 12 in Verbindung, um Signale dort hin zu übertragen und um Signale von dort zu empfangen. Eine weitere Antenne 10 ist an einem Kraftfahrzeug angebracht, das entlang dem Boden fährt und das ebenfalls mit einer Vielzahl von umlaufenden Satelliten 12 in Verbindung steht, um Signale dort hin zu senden und um Signale von dort zu empfangen. Die offenbarte Antenne kann auch an anderen mobilen Fahrzeugen, wie z. B. Flugzeugen oder Booten, angebracht werden. Die Satelliten 12 sind vorzugsweise äquatoriale Satelliten mit mittlerer Erdumlaufbahn.
  • Die bevorzugte Antenne 10 ist in den 2 bis 4 veranschaulicht und ermöglicht eine kostengünstige Konfiguration mit niedrigem Profil, die auch eine hohe Leistung ermöglicht. Es versteht sich, dass die veranschaulichte Antennenkonfiguration lediglich eine bevorzugte Ausführungsform zum Erreichen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung darstellt und dass andere Konfigurationen verwendet werden können, die günstig sind, ein niedriges Profil ermöglichen und eine hohe Leistung ermöglichen.
  • Wie in 2 gezeigt, weist die Antenne 10 eine Vielzahl von Antennenstrahlungselementen 14 auf, die auf einer kreisförmigen Platte 16 positioniert sind. Die kreisförmige Platte 16 ist eine sich drehende Platte, die sich um eine Mittelachse dreht, wie es nachfolgend beschrieben werden wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die sich drehende Platte 16 weniger als ein Inch (1'') dick und weist einen Durchmesser von fünfzehn Inch (15'') oder weniger auf. Offensichtlich können die Dimensionen der sich drehenden Platte 16 variieren. Je größer der Durchmesser und die Dicke jedoch sind, desto größer und teurer wird die Antenne 10 werden. Wie in 3 gezeigt, sind die Antennenstrahlungs elemente 14 vorzugsweise unter Verwendung einer Vielzahl von parallelen, geschlitzten Wellenleitern 18 konstruiert. Eine Vielzahl von verschiedenen Antennenstrahlungselementen kann anstatt dessen verwendet werden, wie z. B. eine Patch-Gruppe. Der Betrieb der offenbarten Antennenkonfiguration wird lediglich in einem Empfangsmodus beschrieben. Der entsprechende Betrieb im Sendemodus versteht sich für den Fachmann auf einfache Weise im Wege der Reziprozität.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes geschlitzte Wellenleiterelement 18 ungefähr 10 Wellenlängen lang. Bei einer Ausführungsform sind 16 lange Wellenleiterelemente 18 auf der kreisförmigen Platte 16 positioniert. Die Wellenleiterelemente 18 sind in zwei Gruppen gruppiert und kämmen miteinander, wie in 2 gezeigt, so dass ein Wellenleiter 1a und ein Wellenleiter 1b bei gegenüberliegenden Enden der kreisförmigen Platte 16 beginnen und einander überlappen. Jeder der individuellen Wellenleiter ist vorzugsweise um eine halbe Wellenlänge (1/2 λ) getrennt. Deshalb beträgt die gesamte Strahleröffnung bzw. Blende, in der die Wellenleiterelemente positioniert sind, etwa ein Quadrat der Größe 10 × 10 Wellenlängen und die erwartete Spitzenverstärkung eines geraden Ausgangsstrahls bzw. Mittelachsenstrahls von dieser Blende beträgt ungefähr 28 bis 30 dB. Während sich die kreisförmige Platte 16 dreht, drehen sich die Antennenstrahlungselemente 14 mit, wobei die vertikale Position der kreisförmigen Platte 16 im Allgemeinen stationär bleibt. Es versteht sich, dass die Anzahl der Wellenleiter, die auf der kreisförmigen Platte positioniert sind, variieren kann. Die bevorzugte Anzahl der Wellenleiterelemente liegt jedoch zwischen 10 und 20. Des Weiteren können der Abstand zwischen den Wellenleiterelementen und ihre Länge ebenfalls variieren.
  • In einem Empfangsmodus wird sich die Gruppenantenne 10 in der Azimut-Richtung derart drehen, dass alle geschlitzten Gruppenelemente 18 nach einer ebenen Wellenfront eines beabsichtigten hereinkommenden Signals ausgerichtet sind. Folglich werden alle Schlitze in einem langen Wellenleiterelement 18 durch die gleiche ebene Wellenfront gleichzeitig angeregt.
  • Jedes geschlitzte Wellenleiterelement 18 weist ein erstes Ende 20 und ein zweites Ende 22 auf. Die ersten Enden 20 sind auf einer Oberfläche der Blende 24 positioniert, die die Strahlungselemente definiert, wobei die zweiten Enden 22 durch angrenzende geschlitzte Wellenleiterelemente derart überlappt sind, dass die Elemente doppelkammartig beabstandet sind. Jedes Wellenleiterelement 18 weist eine Vielzahl von kreuzgeschlitzten Öffnungen 26 auf, die auf ihren Oberseiten 28 ausgebildet sind. Eine H-Ebenentrennwand (eine Metallplatte) 30 wird in jedes Wellenleiterelement 18 eingeführt. Jede Metallplatte 30 weist eine Vielzahl von geneigten Schlitzen 32 auf, die durchgehend ausgebildet sind und die als einer der Hauptanregungsmechanismen für eine zirkulare Polarisation wirken.
  • Die Wellenleiterelemente 18 werden in einem Modus einer stehenden Welle betrieben und weisen identische Fächerstrahlmuster bei einem elliptischen Strahl von 6° bis 150° auf, der durch die kreuzgeschlitzten Öffnungen 26 auf der Oberseite 28 der Wellenleiter 18 erzeugt wird. Die kreuzgeschlitzten Wellenleiter 18 und die Trennwandplatte 30 sind beide in der 4 veranschaulicht. Die geneigten Schlitze 32 an der Trennwandplatte 30 weisen einen Winkel von etwa 45° auf, und wenn sie innerhalb jedes Wellenleiterelements 18 positioniert sind, werden sie mit den entsprechenden rechtwinkligen Kreuzschlitzen 26 auf der Oberseite 28 (bzw. E-Ebene) des jeweiligen Wellenleiterelements 18 Wechselwirken. Im Ergebnis wird eine hereinkommende (rechts-)zirkular polarisierte Welle auf der E-Ebenen-Wand eine TE01-Moduswelle innerhalb jedes Wellenleiterelements 18 anregen. Um die entgegengesetzt (links-)polarisierte Welle zu empfangen, muss sich der geneigte Winkel der geneigten Schlitze 32 an der Trennwand 30 um ungefähr 135° oder 45° in die entgegengesetzte Richtung ändern. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden einige der longitudinalen Elemente 18 auf der vorgegebenen Platte 16 Trennwände 30 mit geneigten Schlitzen 32 mit ungefähr 45° aufweisen, und einige der Elemente 18 werden Trennwände 30 mit geneigten Schlitzen 32 mit ungefähr 135° aufweisen. Es versteht sich, dass eine Vielfalt anderer Wellenleiterelementtypen verwendet werden kann, solange sie die Ausbildung von mehreren Strahlen ermöglichen.
  • Im Betrieb wird sich die kreisförmige Platte 16 derart um eine Position drehen, dass die Wellenfront einer beabsichtigten hereinkommenden Welle parallel zur Mittelachse dieser geschlitzten Wellenleiter 18 liegt. Das Fächerstrahl-Strahlungsmuster von jedem geschlitzten Wellenleiterelement 18 wird die hereinkommende Welle individuell abfangen, die dann verstärkt, gefiltert, codiert, gemultiplext und abwärtskonvertiert wird. Wie schematisch in 5 gezeigt, wird das konditionierte Signal in digitale Ströme gewandelt, die dann decodiert, digital strahlgeformt und anschließend an einen digitalen Empfänger transferiert werden. Der digitale Empfänger wird dann die empfangene Wellenform in Informationssignale wandeln.
  • Wie insbesondere in 5 gezeigt, wird jedes der Paare der sechzehn geschlitzten Wellenleiter 18 eine hereinkommende Welle individuell abfangen. Die Wellen werden durch die phasengesteuerten Gruppenelemente 18 abgefangen. Der obere Teil der 5 stellt eine schematische Ku-Band-Empfangsgruppe dar. Ähnliche Architekturen können für andere Frequenzbänder verwendet werden, wie z. B. das L-Band, das S-Band und das Ka-Band. Offensichtlich kann die vorliegende Erfindung für jedes dieser Frequenzbänder eingesetzt werden. Wie es schematisch durch die Bezugsziffern 34, 36 gezeigt ist, werden die bei den Wellenleiterelementen 18 empfangenen Wellen durch eine Schaltung verarbeitet, die mit jedem der Elemente verknüpft ist. Die hereinkommende Welle wird dann durch einen jeweiligen Linearverstärker 38 verstärkt, bevor sie an ein herkömmliches Bandpassfilter 40 geleitet wird, wo das Signal gefiltert wird. Nachdem das Signal gefiltert wurde, wird es dann bei einem Code-Generator 42 codiert, bevor es an einen Multiplexer 44 transferiert wird. Das gemultiplexte Signal wird an einen Verstärker 46 geleitet, bevor es gemultiplext und dann durch einen Analog-Digital-Wandler 50 in einen digitalen Strom 48 gewandelt wird.
  • Die im oberen Teil der 4 veranschaulichte Code-Multiplex-Technik verringert die Anzahl der Komponenten in der Abwärtswandlungskette sowie die Anzahl der Analog-Digital-Wandler. Die von den Wellenleiterelementen 18 empfangenen Signale werden bei dem Multiplexer 44 durch bekannte CDMA-Verfahren zu einem einzigen Mikrowellenstrom gemultiplext, wie es z. B. in dem US-Patent 5,077,562 offenbart ist. Das Multiplexen der mehreren Signale verringert die Anzahl der Kom ponenten, die zum Verarbeiten der Signale erforderlich ist, und verringert folglich die Kosten der Bodenendgeräte. Wenn er mit dominantem Rauschen betrieben wird (über Einspeisung des orthogonalen Rauschens vor einer Analog-Digital-Wandlung), kann die dynamische Reichweite des Empfängers auch signifikant durch das Überabtasten des Analog-Digital-Wandlers verbessert werden.
  • Das Integrieren dieser Multiplex-Verfahren, wie in 4 gezeigt, in bekannte digitale Strahlformverfahren ermöglicht eine verbesserte Empfangsleistung im Bereich von hochdynamischen Betriebsumgebungen. Es versteht sich, dass ein herkömmliches analoges Strahlformen für die Signale in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Jedoch stellt ein Verringern der Anzahl der Linearverstärker 38 und der Phasenschieberelektroniksätze von 360 Elementen auf 16 Elemente für eine Empfangsantenne einen merklichen Vorteil und eine Kostenverringerung dar, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird. Der Einsatz eines bekannten digitalen Strahlformens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht weitere Komponenten- und Kostenverringerungen.
  • Die gesamte Empfangsantennenverarbeitung wird durch die Kombination eindimensionaler Strahlungselemente 14 mit niedrigem Profil durchgeführt, die parallel auf der kreisförmigen, sich drehenden Platte 16 angeordnet sind. Die Verarbeitung wird des Weiteren durch Ausrichten der langen Strahlungselemente 14 entlang der beabsichtigten hereinkommenden Wellenform erreicht, indem die kreisförmige Platte 16 gedreht und anschließendes ein Strahlformen in der senkrechten Richtung durch Aufsummieren der Ausgangssignale der langen Strahlungselemente durchgeführt wird. Indem Signale auf diese Weise verarbeitet werden, kann eine Hochleistungsantenne mit einem kreisförmigen Volumen mit sehr geringem Profil vorgesehen werden.
  • 5 veranschaulicht einen retrodirektiven Mechanismus, der in die oben beschriebene Antenne 10 mit niedrigem Profil integriert ist, um die Kosten des herkömmlichen Verfolgungsmechanismus, in Übereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zu eliminieren. Wie in 5 gezeigt, wird der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 48 anschließend in eine Vielzahl von Match-Filter 52 eingegeben, deren Ausgänge an die digitale Mehrfachstrahl-strahlformende Vorrichtung 54 übermittelt werden. Die digitalen Strahlen 56 werden anschließend an einen jeweiligen Code-Generator 58 transferiert, bevor sie bei einem Multiplexer 60 gemultiplext werden. Der gemultiplexte Strahl 62 wird dann an einen digitalen Empfänger 64 übermittelt, wobei die empfangenen Wellenformen in Informationssignale 66 gewandelt werden.
  • Ähnlich zu der in den vorhergehenden Figuren offenbarten Antenne erfolgt die gesamte Empfangsantennen- und Verfolgungsverarbeitung dieser bevorzugten Ausführungsform durch die eindimensionalen Strahlungselemente 14 mit niedrigem Profil. Die Strahlungselemente 14 werden wiederum vorzugsweise parallel auf der kreisförmigen Platte 16 angeordnet, die sich um ihre Mittelachse dreht. Die langen Strahlungselemente 16 sind auch entlang der beabsichtigten, hereinkommenden Wellenform mittels der sich drehenden kreisförmigen Platte 16 ausgerichtet und werden anschließend einer Mehrfachstrahlformung durch schnelle Fourier-Transformationen (FFT) bei der digitalen Mehrfachstrahl-strahlformenden Vorrichtung 54 unterworfen. Die Ausgänge der digitalen Mehrfachstrahl-strahlformenden Vorrichtung 54 mittels FFT werden mit Signalen von verschiedenen Richtungen verknüpft, die von den verschiedenen (benachbarten) Strahlen abgedeckt werden. Die Ausgänge der FFT werden in einen retrodirektiven Verarbeitungsmechanismus, wie oben beschrieben, eingegeben, um zu bestimmen, von wo das beabsichtigte Signal kommt und um anschließend das Sendesignal in die gleiche Richtung zu senden. Die günstige Verfolgung wird mittels Retrodirektivität erzielt. Die Historie der Strahlpositionierung wird in dem Anschluss als Referenz für die Satellitenemphamerie gespeichert.
  • Die empfangenen Signale werden wieder zu einem einzelnen Mikrowellenstrahl mittels bekannter CDMA-Verfahren gemultiplext, um die Komponentenzahlen und die endgültigen Kosten der Bodenanschlüsse zu verringern. Das Einbetten der eindeutigen mehrfachen digitalen Strahlformverfahren in das Multiplexen ermöglicht benachbarte Mehrfachempfangsstrahlen. Der Empfänger überwacht die Signale von allen Mehrfachstrahlen gleichzeitig. Ausgänge des digitalen Mehrfachstrahlformers werden dann durch einen Satz von orthogonalen Codes indiziert, wie z. B. durch den Hadema-Code, von denen jeder die eindeutige Strahlrichtung repräsentiert. Indem der Code der Signale, die im Empfänger gesichert sind, identifiziert wird, wurde der Ort, von wo das Signal herkommt, sowie der entsprechende Phasenanstieg bzw. -abfall der empfangenen Blende identifiziert.
  • Das Übertragungssignal wird an die gleiche Antennenstrahlposition gerichtet, von wo das empfangene Signal herstammt. Der Sendestrahl kann dann durch einen Phasenkonjunktionsmechanismus gelenkt werden. Dieser Mechanismus zum Mehrfachstrahl-Strahlformen und Phasenkonjugieren, der eine Butler-Matrix verwendet, ist im US-Patent 4,812,788 beschrieben. Der vorliegende Mechanismus ist jedoch in digitaler Form mittels FFT integriert und ist deshalb eindeutig verschieden von einer Butler-Matrix. Der Sendestrahl verwendet die Phaseninformation, um eine Phasenkonjugation über dem Gruppenelement durchzuführen, und multipliziert die ausgehenden Signale digital mit der konjugierten Phasenlage (äquivalentes Durchführen einer DFT für die Signale bei der Gruppenblende). All diese retrodirektiven Funktionen können in einer günstigen digitalen Verbraucherelektronik mit sehr geringer Leistung erzielt werden.
  • Während einer Akquisitionsphase (eines Kaltstarts) werden die empfangenen Strahlen alle das gesamte Sichtfeld des Fächerstrahls abdecken (nahezu alle Elevationen bei einem vorgegebenen Azimutwinkel). Das mechanische Suchvolumen wird auf eine eindimensionale (azimutale) Richtung reduziert. Mit einer gewissen Kenntnis, von wo der neue Satellit in das Sichtfeld eintreten kann, kann man entscheiden, lediglich durch die hereinkommende Richtung auf die Empfangsstrahlen zu drehen.
  • Sobald die Satellitenverbindung errichtet ist, ist der Verfolgungsmechanismus ähnlich zu dem eines schrittweisen Absuchprinzips. Die Signalstärken von aneinander grenzenden empfangenen Strahlen werden überwacht und zum Vergleichen mit dem einen von dem Hauptstrahl hereinkommenden Strahl verwendet, wobei der Strahl mit dem stärksten Signal als der gesicherte (Haupt-)Strahl identifiziert wird. Da sich ein Satellit vom Horizont zum Horizont bewegt, wird ein Nutzeranschluss innerhalb des Sichtfelds ("field of view, FOV") die Antenne auf Empfang schalten und entsprechend Strahlen von einer Position zu einer anderen senden, und zwar ohne herkömmliche Antennenverfolgungsschleifen.
  • Wie für äquatoriale, nicht-geosynchrone Konstellationen können Nutzer den offenbarten Anschluss verwenden, um eine Unterbrechung während einer Übergabe zu verhindern. Während eines Durchlaufs wird ein Satellit hereintreten und ein anderer Satellit wird aus einem FOV eines Nutzers austreten. Des Weiteren gibt es lediglich ein begrenztes Zeitfenster, wenn die Satelliten die gleiche Elevation aufweisen oder nahe der gleichen Elevation, jedoch mit einem anderen Azimutwinkel, sind. Die offenbarte Antenne kann zwei Strahlen formen, die gleichzeitig in Richtung dieser zwei Satelliten ausgerichtet sind. Folglich sieht sie die Möglichkeit eines "Verbinden vor einem Abbruch" während der Übergabephase vor.
  • Diese Antennenkonfiguration mit niedrigem Profil mit einer Antennenkuppel mit niedrigem Profil kann wie eine dicke Pizza aussehen und kann auf dem Dach eines sich bewegenden Fahrzeugs befestigt werden, wie z. B. auf einem Kraftfahrzeug oder einem Flugzeug. Diese Konfiguration kann auch bei stationären Nutzern oder mobilen Anschlüssen bei Satellitenkonstellationen mit niedrigen Erdumlaufbahnen bei L-, S-, Ku- und Ka-Frequenzbändern verwendet werden.
  • Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass viele Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er nachfolgend definiert ist, zu verlassen.

Claims (11)

  1. Antenne (10) zum Verwenden mit einem kommerziellen Satellitenanschluss, mit: einer allgemeinen kreisförmigen, sich drehenden Platte (16) zum mechanischen Absuchen nach Wellensignalen (34, 36) in einer Azimut-Richtung; und einer Vielzahl von Strahlungselementen (14), die auf der kreisförmigen Platte (16) zum elektronischen Absuchen nach Wellensignalen (34, 36) in einer Elevations-Richtung angeordnet sind, wobei die Strahlungselemente (14) jeweils Elementsignale bilden; gekennzeichnet durch: einen Code-Generator (42) zum Koppeln eines jeweiligen Codes an ein jeweiliges Elementsignal der Elementsignale, um jeweils codierte Elementsignale zu bilden; einen ersten Multiplexer (44), der mit jedem der Vielzahl von Strahlungselementen (14) verknüpft ist, um die codierten Elementsignale zu einem analogen Bit-Strom zu vereinen; einen Analog-Digital-Wandler (50) zum Wandeln des analogen Bit-Stroms in einen digitalen Bit-Strom (48); eine Anpassungsfilterschaltung (52) zum Bilden mehrerer digitaler Signale aus dem digitalen Bit-Strom (48); eine digitale strahlbildende Schaltung (54) zum Strahlformen von mehreren digitalen Strahlsignalen aus den mehreren digitalen Signalen; einen jeweiligen zweiten Code-Generator (58) zum Koppeln eines Strahlcodes an jedes der mehreren digitalen Strahlsignale, um eine Vielzahl von codierten, digitalen Strahlsignalen zu bilden; einen zweiten Multiplexer (60) zum Vereinen der Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen, um einen Signalstrom zu bilden; und einen digitalen Empfänger (64) zum gleichzeitigen Überwachen der Signale der mehreren Strahlen.
  2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Strahlungselementen (14) eine Vielzahl von parallelen, kreuzgeschlitzten Wellenleitern (18) ist.
  3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl von parallelen kreuzgeschlitzten Wellenleitern (18) eine geschlitzte Trennwand (30) umfasst.
  4. Antenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Strahlungselementen (14) eine Vielzahl von miteinander kämmenden, beabstandeten geschlitzten Wellenleitern (18) ist.
  5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (54) zum Bilden mehrerer digitaler Strahlen (56) diese FFT-Verfahren bildet.
  6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungselemente (14) mehrere Strahlen zum Kommunizieren mit einer Vielzahl von Satelliten (12) in einer äquatorialen Satellitenkonstellation bilden.
  7. Verfahren zum Bilden mehrerer Strahlen mit einer kommerziellen Satellitenantenne (10), das die folgenden Schritte aufweist: – Vorsehen einer Vielzahl von Strahlungselementen (14) auf einer allgemeinen kreisförmigen, sich drehenden Platte (16) zum Empfangen einer Vielzahl von individuellen Wellensignalen (34, 36) und zum Bilden jeweiliger Elementsignale; – Drehen der Vielzahl von Strahlungselementen (14) und elektronisches Absuchen in einer Elevations-Richtung, so dass eine Wellenfront der Vielzahl von individuellen Wellensignalen (34, 36) mit einer Hauptachse der Vielzahl von Strahlungselementen (14) ausgerichtet ist; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Codieren der jeweiligen Elementsignale, um codierte Elementsignale zu bilden; – Vereinen der Vielzahl von codierten Elementsignalen zu einem einzelnen analogen Signal; – Wandeln des analogen Signals in ein digitales Signal; – Bilden mehrerer digitaler Strahlsignale aus dem einzelnen analogen Signal nach einem Anpassungsfiltern; – Koppeln jeweiliger Strahlencodes an jedes der mehreren digitalen Strahlsignale, um eine Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen zu bilden; – Vereinen der Vielzahl von codierten digitalen Strahlsignalen, um einen Signalstrom zu bilden; und – gleichzeitiges Überwachen der Signale von allen mehreren Strahlen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt: Anwenden von FFT-Verfahren, um die mehreren digitalen Strahlsignale (56) zu bilden, um parallel zurückstrahlende Satelliten zu ermöglichen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt: Einspeisen von Ausgaben nach dem Anwenden der FFT-Verfahren in einen parallel zurückstrahlenden Mechanismus.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt. Verarbeiten der mehreren digitalen Strahlsignale (56) vor einem Senden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Strahlungselementen (14) eine Vielzahl von kreuzgeschlitzten Wellenleitern (18) ist.
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