DE68922682T2

DE68922682T2 - Verfahren zum Abgeben elektromagnetischer Leistung von einem Antennenelement.

Info

Publication number: DE68922682T2
Application number: DE68922682T
Authority: DE
Inventors: Mats Rustan Andersson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1988-09-27
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2009-06-17
Also published as: CA1327075C; SE462131B; SE8803418D0; EP0362165B1; US4947182A; DE68922682D1; SE8803418L; EP0362165A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgeben von elektromagnetischer Energie aus einem Antennenelement oder einer Antennenanordnung mit einer Vielzahl von Antennenelementen. Das Verfahren ist vorwiegend zur Verwendung bei Antennenelementen vorgesehen, die auf der Oberfläche eines fliegenden Transportsatelliten angebracht sind.
Eine Kommunikation von einem Flugzeug zu einem Satelliten oder zwischen Satelliten erfordert zirkular polarisierte Antennen, d.h. Antennen, die eine zirkular polarisierte Strahlung aussenden und die einen sehr großen Abdeckungsbereich aufweisen. Wenn die Antenne auf der Oberfläche des Flugzeugs oder des Satelliten angebracht werden muß, kann aufgrund von aerodynamischen Anforderungen durch eine zirkulare Polarisation nur eine begrenzte Abdeckung erzielt werden, wie beispielsweise von R. J. Mailloux "phased array aircraft antennas for satellite communications", Microwave Journal Oktober 1977, Seite 38 beschrieben ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine zirkulare Polarisation als eine Kombination einer vertikalen und einer horizontalen Polarisation mit einer 90º- Phasenverschiebung angesehen werden kann. Wenn die Antenne auf der Oberfläche des Fahrzeugs angebracht ist, wird die horizontale Polarisationskomponente des Feldes, die parallel zu der Oberfläche des Fahrzeugs ist, kurzgeschlossen, während die vertikale Polarisationskomponente im rechten Winkel zu der Oberfläche nur um einen bestimmten Betrag (ungefähr 3,2 dB) verringert oder gedämpft wird. Im folgenden werden eine horizontale und eine vertikale Polarisationskomponente jeweils als Komponenten parallel und senkrecht zu einer elektrisch leitenden Oberfläche < der Oberfläche des Fahrzeugs) definiert. Der Verlust bei einer zirkular polarisierten Antenne außerhalb des Fahrzeugs ist weitere 6 dB, von denen allerdings 3 dB der Tatsache zugerechnet wird, daß nur eine vertikale Polarisation gesehen wird und weitere 3 dB in dem Speisenetzwerk, da beide Polarisationskomponenten zugeführt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Sendeenergie einer Antenne zu erhöhen, die auf der Oberfläche eines Luftfahrzeugs angebracht ist und mit zirkularer Polarisation und für unterschiedliche Empfangswinkel in der Elevationsrichtung gespeist wird.
Dies wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erzielt, indem die Polarisation in dem Feld, welches von der Antenne heraus geführt wird, im Ansprechen auf die Richtung, in der sich der Empfänger befindet in bezug auf die Zuführungsebene (die Oberfläche des Fahrzeugs) der Antenne verändert wird. Das Verfahren ist in dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Nachstehend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen Teil einer Flugzeugoberfläche mit einem Antennenelement;
Figur 2 eine vereinfachte Darstellung des Felds von einer Zuführungspolarisation für das Antennenelement in Figur 1 unter Verwendung einer linearen Polarisation;
Figur 3 wie zwei (lineare) Polarisationen in ihre Komponenten in einer Zirkularzuführungspolarisation aufgeteilt werden;
Figur 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Antennenzuführung, die das Verfahren gemäß der Erfindung ausführt; und
Figur 5 eine Kurvendarstellung der Empfangsenergie, wenn das vorgeschlagene Verfahren verwendet wird.
In Figur 1 ist eine Flugzeugoberfläche 1 dargestellt, auf der sich ein Antennenelement befindet. Das Antennenelement kann ein Feld mit zwei Zuführungspolarisationen empfangen oder senden, deren Komponenten mit M1 und M2 bezeichnet sind, wobei M1 senkrecht zu M2 ist, obwohl beide in der gleichen horizontalen Ebene liegen. Das Zuführungsfeld von dem Antennenwellenleiter ist in diesem Fall zirkular polarisiert und die Ebenen von beiden Komponenten sind in der gleichen Ebene wie die der Flugzeugoberfläche 1.
Figur 2 ist eine Darstellung des Feldes um eine Zuführungspolarisationskomponente M1. Diese bewirkt ein Feld um das Antennenelement 4 herum, welches eine vertikale Polarisation V1 und eine horizontale Polarisation H1 enthält. Das Feld ist hier linear polarisiert.
Figur 3 zeigt die beiden Zuführungspolarisationen M1 und M2, die gemäß Figur 2 jeweils in eine vertikale und eine horizontale Polarisationskomponente aufgeteilt werden können. Ein zirkular polarisiertes Zuführungsfeld kann somit herkömmlicherweise als zwei orthogonale Polarisationen V1, H1 und V2, H2 angesehen werden, wobei die H-Komponente in Bezug zu der V-Komponente um 90º phasenverschoben ist. Jede der Polarisationen M1 und M2 können in eine linear vertikale oder horizontale Polarisation aufgelöst werden, und zwar in Abhängigkeit davon, unter welchen Azimutwinkel α sie betrachtet werden. Der Elevationswinkel zum Senden an unterschiedliche Empfänger ist mit θ in Figur 1 bezeichnet. Es ist offensichtlich, daß die Komponenten H1 und H2 für große Elevationswinkel in der leitenden Flugzeugoberfläche 1 kurzgeschlossen werden.
Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß sämtliche Energie ausschließlich in linearer Polarisation V1, H1 oder V2, H2 herausgeführt wird, wenn sich der Empfänger an Elevationswinkeln θ größer als ein gegebener Wert θ&sub0; befindet, während die Herausfürung für θ < θ&sub0; in zirkularer Polarisation stattfindet. Der Wert von θ&sub0; wird gewählt, wie aus dem Graph gemäß Figur 5 ersichtlich ist. Da gemäß der vorangehenden Beschreibung die vertikale oder die horizontale Komponente in Abhängigkeit davon, unter welchem Azimutwinkel α beobachtet wird, dominieren wird, wird die Auswahl einer vertikalen oder horizontalen Polarisation von dem Wert von α abhängig sein.
Figur 4 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Antennenzuführung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Es umfaßt eine Schalteinrichtung 4, die ein eintreffendes Mikrowellensignal empfängt, welches ein Antennenelement 2 herausgeführt und an einen gegebenen Empfänger gesendet werden soll. Durch ein Signal, welches die für den betreffenden Empfänger zutreffenden Werte der Winkel θ, α vorgibt und gemäß der voranstehend ausgeführten Bedingungen wird die Schalteinrichtung 4 gesteuert. Die Schalteinrichtung 4 kann beispielsweise einen Zirkularwellenleiter, zwei Schalter und einen Energieteiler umfassen. Der Zirkularwellenleiter ist mit zwei Sonden versehen, die in die Wellenleiterwand eingefügt werden, wobei eine Sonde um 90º zu der anderen versetzt ist. Der Energieteiler kann das eintreffende Mikrowellensignal in zwei Wellen mit gleicher Energie aufteilen, wenn er in die Schaltung geschaltet wird.
Wenn θ < θ&sub0; ist, dann wird der Energieteiler hineingeschaltet und beide Komponenten M1, M2 werden herausgeführt, aber mit der Phasendifferenz 90º, was ein zirkular polarisiertes Feld bewirkt.
Wenn θ > θ&sub0; ist, dann wird der Energieteiler aus der Schaltung herausgeschaltet und das Eingangssignal wird entweder mit der einen oder der anderen Sonde verbunden, nämlich in Abhängigkeit von dem Wert des Azimutwinkels α, der zu dem betreffenden Empfänger gehört (wie nachstehend noch erläutert). Im Ansprechen auf den Azimutwinkel α wird entweder M1 oder M2 herausgeführt und ein linear polarisiertes Feld wird erhalten.
Der Wellenleiter 5 kann beispielsweise eine Verlängerung des in der Schalteinrichtung 4 enthaltenen zirkularen Wellenleiters umfassen. Die folgende Tabelle führt auf, innerhalb welchem Azimutwinkelintervall die verschiedenen Zuführungen verwendet werden: Winkelintervall Polarisation der Zuführungskomponente unwesentlich zirkular linear
Die obigen Werte von α werden natürlich bei jeden 360º wiederholt.
Figur 5 ist ein vereinfachter Richtungsgraph für das zirkular polarisierte Feld, Graph 1 und für fünf unterschiedliche linear polarisierte Felder, Graphen 2, 3, 4, 5 und 6, wobei die letzteren von zehn unterschiedlichen Werten des Azimutwinkels α wie folgt abhängen:
Graph 1: Abdeckung durch eine zirkulare Polarisation unabhängig von dem Wert von α;
Graph 2: Abdeckung mit linearer Polarisation für α=0, α=90º;
Graph 3: Abdeckung mit linearer Polarisation für α=10º,
Graph 4: Abdeckung mit linearer Polarisation für α=20º, α=70º;
Graph 5: Abdeckung mit linearer Polarisation für α=30º, α=60º;
Graph 6: Abdeckung mit linearer Polarisation für α=40º, α=50º.
Aus den Graphen gemäß Figur 5 ist ersichtlich, daß der Graph 1 an gewissen Punkten, an denen θ=θ&sup0; ist und für unterschiedliche Werte des Azimutwinkels α die Graphen 2-6 schneidet. An diesen Punkten können Richtungsgewinne erzielt werden, wenn eine Änderung von der zirkularen zur linearen Polarisation stattfindet.
Wenn sich ein Empfänger an einem Elevationswinkel θ=θ&sup0; (a) befindet, dann wird die Antennenenergie mit zirkularer Polarisation herausgeführt, d.h. V1=H2 90º, V2=H1 90º. Wenn θ=θ&sup0; (α) findet eine Umschaltung statt, wie voranstehend im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben und sämtliche Energie wird mit linearer Polarisation zugeführt, d.h. M1=0 oder M2=0. In dieser Weise kann für Empfänger an Elevationswinkeln nahe an der Horizontalen (θ=90º) eine Antennenverstärkung bis zu 3 dB erhöht werden. Gemäß Figur 5 wird der größte Gewinn erzielt, wenn θ=90º, α=0 oder 90º, nämlich 3 dB ist. Für andere θ- und α-Winkel θ> oder fast gleich 65º ist, variiert gemäß Figur 5 der Richtungsgewinn zwischen 0 und 3 dB.

Claims

1. Verfahren zur Speisung eines Antennenelements (2),

welches sich auf der Oberfläche eines im wesentlichen planaren elektrisch leitenden Materials (1) befindet und zu dieser koplanar ist, mit ersten und zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponenten (M1, M2), die zu dem planaren leitenden Material (1) parallel sind, wobei das Antennenelement (2) die zugeführte elektromagnetische Energie an ein entferntes Ziel mit einem Empfänger sendet, wobei der Elevationswinkel θ zu dem Ziel als der Winkel zwischen der Normalen zu der Oberfläche des planaren leitenden Materials (1) und der Zielrichtung gesehen von dem Antennenelement (2) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Antennenelement (2) mit sowohl der ersten als auch der zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponente (M1, M2), die zueinander um 90º phasenverschoben sind, d.h. mit zirkularer Polarisation gespeist wird, wenn sich das Ziel an einem Elevationswinkel θ kleiner als ein Winkel θ&sub0; befindet und daß

b) das Antennenelement (2) mit nur einer der ersten und zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponenten (M1, M2), d.h. mit linearer Polarisation gespeist wird, wenn sich das Ziel an einem Elevationswinkel θ gleich oder größer als der Winkel θ&sub0; befindet, wobei der Winkel θ&sub0; wenigstens 60º beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente (M1) für erste und dritte Winkelintervalle im Azimut und die zweite Komponente (M2) für zweite und vierte Intervalle gewählt wird, wenn eine lineare Polarisation gemäß dem Verfahrensschritt b) des Anspruchs 1 gewählt wird, wobei die Intervalle sukzessive Teile einer vollständigen Umdrehung um das Antennenelement herum sind.

3. Antennenzuführungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, wobei sich das Antennenelement (2) auf und koplanar zu der Oberfläche eines im wesentlichen planaren elektrisch leitenden Materials (1) befindet und die Antenne (2) mit ersten und zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponenten (M1, M2) gespeist werden soll, die parallel zu dem planaren leitenden Material (1) sind, wobei das Antennenelement (2) die zugeführte elektromagnetische Energie an ein entferntes Ziel mit einem Empfänger sendet, der Elevationswinkel 6 zu dem Ziel als der Winkel zwischen der Normalen zu der Oberfläche des planaren leitenden Materials (1) und der Zielrichtung gesehen von dem Antennenelement (2) ist, wobei die Zuführungsanordnung eine steuerbare Schalteinrichtung (4) mit einem Wellenleiter, ein Paar von Mikrowellenschaltern und einen Energieteiler umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schalteinrichtung (4) so gesteuert wird, daß das Antennenelement (2) mit beiden ersten und zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponenten (M1, M2), die zueinander um 90º phasenverschoben sind, d.h. mit zirkularer Polarisation gespeist wird, wenn sich das Ziel an einem Elevationswinkel θ kleiner als ein Winkel θ&sub0; befindet und daß

b) die Schalteinrichtung so gesteuert wird, daß das Antennenelement (2) mit nur einer der ersten und zweiten orthogonalen und linear polarisierten elektromagnetischen Feldkomponenten (M1, M2), d.h. mit linearer Polarisation gespeist wird, wenn sich das Ziel an einem Elevationswinkel θ gleich oder größer als der Winkel θ&sub0; befindet, wobei der Winkel θ&sub0; wenigstens 60º beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente (M1) für erste und dritte Winkelintervalle im Azimut und die zweite Komponente (M2) für zweite und vierte Intervalle gewählt wird, wenn eine lineare Polarisation gemäß dem Verfahrensschritt b) von Anspruch 1 gewählt wird, wobei die Intervalle sukzessive Teile einer vollständigen Umdrehung um das Antennenelement herum sind.