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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.
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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.
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Ein
derartiges Verfahren und System ist aus der
WO 97/33342 bekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte
Mehrfachstrahlen-Verfolgungsgruppenantenne mit niedrigem Profil
bereitzustellen.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine phasengesteuerte
Verfolgungsgruppenantenne mit einem integrierten retrodirektiven
bzw. einen parallel zur Einfallsrichtung zurückstrahlenden Mechanismus vorzusehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt
eine perspektivische Ansicht eines Satellitenverfolgungssystems
in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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2 stellt
eine perspektivische Ansicht einer sich drehenden Antennenkonfiguration
dar, die geschlitzte Wellenleiter in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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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;
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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
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5 stellt
ein schematisches Diagramm eines integrierten retrodirektiven Verfolgungsmechanismus
in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Bester Modus zum Ausführen der
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.