DE69930441T2 - Rekonfigurierbare phasengesteuerte gruppenantenne mit mehreren strahlen für satelliten - Google Patents

Rekonfigurierbare phasengesteuerte gruppenantenne mit mehreren strahlen für satelliten Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen, die Folgendes aufweist:
    eine Vielzahl von strahlenden Elementen, die in einer planaren Gruppe angeordnet sind,
    eine Vielzahl von variablen Phasenschiebern, wobei jede aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber mit jeweils einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden ist, und
    ein Strahlformungsnetzwerk zum Ausbilden von Punktstrahlsignalen, wobei das Strahlformungsnetzwerk horizontale und vertikale Stapel von Rotman-Linsen besitzt, die mit einem ersten Satz von Anschlüssen und einem zweiten Satz von Anschlüssen versehen sind, wobei jeder Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen mit jeweils einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden ist, wobei jeweils einer aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber dazwischen angeordnet ist, wobei die Stapel von Rotman-Linsen frequenzinvariante Punktstrahlsignale erzeugen, die zwischen den strahlenden Elementen und den Stapeln der Rotman-Linsen über den ersten Satz von Anschlüssen übertragen werden, um Punktstrahlen mit der Vielzahl der strahlenden Elemente auszusenden oder zu empfangen,
    und wobei die Phasenschieber einstellbar sind, um die Punktstrahlen an gewünschte Stellen zu steuern.
  • Eine solche Antenne ist aus US 4,381,509 bekannt.
  • Ganz allgemein bezieht sich die Erfindung auf phasengesteuerte Gruppenantennen und etwas genauer auf rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantennen mit mehreren Strahlen, bei denen Rotman-Linsen als Strahlformer eingesetzt werden.
  • Das Auf kommen von drahtlosen Kommunikationsformen weckte einen Bedarf nach Antennen. Antennen werden sowohl bei Kommunikationsanwendungen als auch bei Radarsystemen benötigt und in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung werden Antennen sowohl für Sendesignale als auch für Empfangssignale benötigt. In den Anfangszeiten der drahtlosen Kommunikation lagen die Sende- und Empfangssignale bei Frequenzen unterhalb von 1 MHz, was zu Wellenlängen der Signale von mehr als 0,3 km führt. Ein Problem mit solch relativ großen Wellenlängen besteht darin, dass die Antenne nicht in der Lage ist, eine gerichtete Abstrahlung bzw. einen gerichteten Empfang zu liefern, wenn die Größe der Antenne nicht zumindest gleich der Wellenlänge ist. Bei moderneren Formen der drahtlosen Kommunikation, wie zum Beispiel mit Kommunikationssatelliten, wurde der Frequenzbereich der gesendeten Signale in das Mikrowellenspektrum verlagert, wo die Wellen längen der Signale im Bereich von 1,0 cm bis 30,0 cm liegen. Es ist daher realisierbar, dass die Antennen deutlich größer sind als die Wellenlänge der Signale, und man erreicht hochgradig gebündelte bzw. gerichtete Strahlungskeulen.
  • In vielen Fällen benötigen Antennen eine hohe Richtwirkung, eine hohe Winkelauflösung sowie die Fähigkeit, elektronisch gesteuert bzw. rekonfiguriert zu werden. Diese Funktionen erreicht man typischerweise, indem man eine phasengesteuerte Gruppenantenne einsetzt. Eine phasengesteuerte Gruppenantenne beinhaltet eine Ansammlung von strahlenden Elementen, die in einem vorbestimmten Muster eng beieinander angeordnet sind und mit Energie gespeist werden, um Strahlen in bestimmten Richtungen zu erzeugen. Wenn man Elemente in einer Gruppe zusammenstellt, führt eine konstruktive Interferenz der Strahlung zu einer Hauptkeule mit konzentrierter Strahlung, während eine destruktive Interferenz der Strahlung außerhalb der Hauptkeule die Streustrahlung reduziert. Um gewünschte Strahlungsmuster zu erzeugen, wird jedes einzelne strahlende Element mit der richtigen Phase und Amplitude in Bezug zu den anderen Elementen in der Gruppe mit Energie versorgt.
  • Bei Satellitenkommunikationssystemen werden die Signale typischerweise zwischen Satelliten und festen Abdeckungsbereichen auf der Erde übertragen. Durch die zunehmende Anwendung von Satelliten für viele verschiedene Kommunikationsanwendungen ändern sich die Marktanforderungen beständig. Dementsprechend muss ein Satellit in der Lage sein, sich an Veränderungen hinsichtlich der Orte einer Dienstanforderung anzupassen. Daher müssen Antennen, die für bzw. an Satelliten vorgesehen sind, eine rekonfigurierbare Abdeckung bieten.
  • Eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen ist eine ideale Lösung für die sich ständig ändernden Anforderungen in Bezug auf die Strahlabdeckung. Strahlabdeckung kann in Form einer Anzahl von Punktstrahlen und Bereichsstrahlen vorliegen, die über bestimmten Regionen angeordnet sind. Punktstrahlen decken diskrete und voneinander getrennte Gebiete ab, wie zum Beispiel Städte. Bereichsstrahlen decken größere Gebiete ab, wie etwa Länder. Bereichsstrahlen erzeugt man, indem man eine Vielzahl von Punktstrahlen kombiniert. Punktstrahlen erzeugt man, indem man die strahlenden Elemente mit ausgewählten Amplituden und Phasen anregt. Eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen sollte die Möglichkeit bieten, die Lage der Strahlen, die Größe der Strahlen und die in jedem Strahl abgestrahlte Leistung zu rekonfigurieren.
  • Ein Problem bei rekonfigurierbaren phasengesteuerten Gruppenantennen mit mehreren Strahlen aus dem Stand der Technik besteht darin, dass diese mit Strahlen einheitlicher Größe arbeiten und eine große Anzahl von Phasenschiebern verwenden, die zum Steuern der Strahlen benötigt werden. Die Anzahl der Phasenschieber ist typischerweise gleich der Anzahl der Elemente multipliziert mit der Anzahl der Strahlen. Des Weiteren besitzen die rekonfigurierbaren phasengesteuerten Gruppenantennen mit mehreren Strahlen nach dem Stand der Technik aufgrund der Frequenztastung der Strahlen eine begrenzte Bandbreite. Die begrenzte Bandbreite hat zur Folge, dass der Antennengewinn und die Kanalstörungen (co-channel interference C/I) schlechter werden.
  • US 4,381,509 offenbart eine dreidimensionale, raumgespeiste, breitbandige, tastende Mikrowellenantenne. Die Antenne, die zylinderförmig eingebunden ist, kann mehrere unabhängige und in hohem Maße fokussierte Strahlen aus zeilenförmigen Speiseelementen erzeugen, und zwar über einen breiten Abtastbereich sowohl im Azimut als auch in der Elevation. Sie zielt darauf ab, eine solche Abtastung zu ermöglichen, ohne komplexe Zeitverzögerungseinheiten an jedem einzelnen strahlenden Element zu verwenden und ohne Beschränkungen hinsichtlich der Bandbreite in den phasengesteuerten Gruppen, die aus den Unterschieden der Weglängen während der Abtastung resultieren. Für einen breitbandigen Betrieb wird ein Strahl in der groben Richtung des gewünschten Abtastbereichs erzeugt und anschließend mit Hilfe von Phasenschiebern an den strahlenden Elementen über einen begrenzten Raumbereich bewegt.
  • In einer Veröffentlichung von Smith M. S.: „Rotman lens multiple beamformers" [Multiple Strahlformer mit Rotman-Linsen], (Conference Proceedings, Military Microwaves '86 [Tagungsband der Tagung Military Microwaves '86], 24.–26. Juni 1986, Seiten 279–283, Brighton, GB) werden die jüngsten Arbeiten und derzeitigen Arbeiten in Bezug auf Rotman-Linsen zusammengefasst. Die Veröffentlichung beschreibt einige neue Entwicklungen beim Aufbau von Linsen in Mikrostreifenleitertechnik sowie eine Anzahl von neuen Anwendungen für Rotman-Linsen.
  • Was die Rotman-Linse angeht, wird auf die technische Literatur verwiesen, und zwar insbesondere auf die Veröffentlichung „"Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications" [Weitwinklige Mikrowellenlinsen für Anwendungen mit zeilenförmigen Erregern] von W. Rotman und R. F. Turner, die in den IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-11, Seiten 623–632 (1963) veröffentlicht ist. Weitere Beschreibungen mit zusätzlichen Informationen über die Rotman-Linse und ihre Anwendungen schließen die Veröffentlichung „Lens-Fed Multiple-Beam Arrays" [Linsengespeiste Gruppen mit mehreren Strahlen] von Donald Archer ein, die in dem Microwave Journal, Band 18, Oktober 1975, Seiten 37–42 veröffentlicht ist, sowie eine Veröffentlichung mit dem Titel „Microstrip and Triplate Rotman Lenses" [Rotman-Linsen in Mikrostreifenleitertechnik und Triplate-Technik] von A. Y. Niazi, M. S. Smith und D. E. N. Davis, veröffentlicht von den Microwave Exhibitions and Publishers, Sevenoaks, Kent, England in dem Tagungsband Military Microwaves „80".
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen anzugeben, die Strahlen mit wechselnder Größe erzeugt, wie etwa Punkt- und Bereichsstrahlen, wie sie bei zukünftigen Satellitensystemen benötigt werden, die von einem einzigen Satelliten aus eine Anzahl von Dienstleistungen mit unterschiedlichen Datenraten unterstützen. Des Weiteren sollte die Gruppenantenne eine Anzahl an Phasenschiebern verwenden, wobei jeder mit einem entsprechenden Gruppenelement verbunden ist, um Strahlen auf unterschiedliche Orbitalpositionen zu steuern, wobei die Anzahl der Phasenschieber auf die Anzahl der Elemente beschränkt ist.
  • In Ausführung der oben genannten Aufgabe und weiterer Aufgaben schlägt die vorliegende Erfindung eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit rekonfigurierbaren Strahlen vor. Die Gruppenantenne beinhaltet eine Vielzahl von strahlenden Elementen, die in einer ebenen Gruppe angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von variablen Phasenschiebern. Jeder aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber ist mit einem entsprechenden Element aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden.
  • Die Gruppenantenne beinhaltet ferner ein festes passives Strahlformungsnetzwerk zum Ausbilden von Punktstrahlsignalen sowie ein rekonfigurierbares aktives Strahlformungsnetzwerk zum Ausbilden von Bereichsstrahlsignalen. Das rekonfigurierbare Strahlformungsnetzwerk bildet Bereichsstrahlsignale aus einer Kombination von Punktstrahlsignalen. Das feste Strahlformungsnetzwerk besitzt Stapel von Rotman-Linsen, die mit einem ersten Satz von Anschlüssen und einem zweiten Satz von Anschlüssen versehen sind, sowie einen horizontalen und einen vertikalen Stapel von Linsen beinhalten. Jeder Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen ist jeweils mit einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente verbunden. Der jeweils entsprechende Phasenschieber aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber ist dazwischen angeordnet. Die Stapel der Rotman-Linsen erzeugen frequenzinvariante Punktstrahlsignale, die zwischen den strahlenden Elementen und den Stapeln mit den Rotman-Linsen über den ersten Satz Anschlüsse übertragen werden, um Punktstrahlen und Bereichsstrahlen mit der Vielzahl der strahlenden Elemente abzustrahlen bzw. zu empfangen. Die Phasenschieber werden eingestellt, um die Punktstrahlen und die Bereichsstrahlen an die gewünschten Stellen zu steuern.
  • Die Gruppenantenne beinhaltet außerdem ein Strahlformungsnetzwerk mit einem ersten Satz von Anschlüssen, die jeweils mit einem entsprechenden Anschluss aus dem zweiten Satz von Anschlüssen an dem Stapel der Rotman-Linsen verbunden sind, wobei das Strahlformungsnetzwerk ferner einen zweiten Satz mit gepaarten Anschlüssen besitzt, die mit jedem Anschluss des ersten Satzes von Anschlüssen des Strahlformungsnetzwerks verbunden sind.
  • Die Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, sind zahlreich. Die vorliegende Erfindung besitzt die Flexibilität, Punkt- und Bereichsstrahlen auf unterschiedliche Orbitalpositionen eines Satelliten zu legen sowie die Strahlen aus einer einzigen Orbitalposition auf unterschiedliche Dienstbereiche zu legen. Im Kern ermöglicht die vorliegende Erfindung einen herkömmlichen Antennenaufbau für verschiedene Orbitalpositionen/Bereichsabdeckungen sowie für mehrfache Strahlen mit nicht-gleichförmiger Abdeckung, wodurch die nichtwiederkehrenden Kosten für den Entwurf und die Entwicklung von zukünftigen Satelliten reduziert werden. Indem man Stapel mit Rotman-Linsen in dem Strahlformungsnetzwerk verwendet, werden die Strahlpositionen unabhängig von der Frequenz und dementsprechend kann man größere Bandbreiten erzielen.
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen noch besser verstehen.
  • 1 ist ein allgemeines Blockdiagramm einer rekonfigurierbaren phasengesteuerten Gruppenantenne mit mehreren Strahlen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2A ist eine Querschnittsdarstellung einer integrierten Erregeranordnung;
  • 2B ist eine Querschnittsdarstellung der integrierten Erregeranordnung, die in 2A gezeigt ist, jedoch um 90° gedreht;
  • 3 ist eine Grafik, die die Geometrie einer beispielhaften Rotman-Linse zeigt;
  • 4 ist eine perspektivische Darstellung von zweidimensionalen Stapeln von Rotman-Linsen, die voneinander getrennt sind;
  • 5 ist ein Blockdiagramm des Strahlzusammenführungsnetzwerks; und
  • 6 ist eine Darstellung einer abbildenden Antenne mit zwei Reflektoren.
  • In 1 ist eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne 10 mit mehreren Strahlen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Antenne 10 kann sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen von strahlen verwendet werden, und zwar gleichzeitig oder abwechselnd zueinander, und sie ist zur Verwendung an einem Satelliten (hier in 1 nicht besonders dargestellt) vorgesehen. Die Antenne 10 beinhaltet zwei Antennensubsysteme 12a und 12b für eine linksdrehende und eine rechtsdrehende zirkulare Polarisation, die über jeweilige Bandpassfilter 16(a–n) und Polarisatoren 18(a–n) entlang von einzelnen getrennten Speisewegen 20(a–n) mit N-strahlenden Elementen 14(a–n) verbunden sind. Vorzugsweise sind die strahlenden Elemente 14(a–n) Hörner, die in einer hexagonalen Gitterstruktur einer planaren Gruppe entweder für sich selbst oder zum Speisen einer abbildenden Antenne mit zwei Reflektoren mit zueinander konfokalen Paraboloiden (hier nicht gesondert dargestellt) angeordnet sind. Da die Subsysteme 12a und 12b dieselben Elemente beinhalten, wird im Weiteren nur das Antennensubsystem 12a im Detail beschrieben.
  • Es wird nun kurz auf die 2A und 2B Bezug genommen, wonach die strahlenden Elemente 14, die Bandpassfilter 16 und die Polarisatoren 18 vorzugsweise in einer integrierten Speiseanordnung 19 zusammengefasst sind, wie sie hier dargestellt ist. Das strahlende Elemente 14 kann ein runder Hornstrahler sein, wie zum Beispiel ein Potter-Horn oder ein Hornstrahler mit einem dominanten TE11-Mode. Das Bandpassfilter 16 ist ein Lochblendenfilter zum Unterdrücken von Sende- (Tx) oder Empfangs- (Rx)-Frequenzen. Der Polarisator 18 ist vorzugsweise ein Wandpolarisator (septum polarizer). Die integrierte Erregeranordnung 19 beinhaltet des weiteren ein Paar von Übergängen 21(a–b) zum Empfangen von linksdrehend und rechtsdrehend zirkular polarisierten Signalen aus den Antennensubsystemen 12a bzw. 12b.
  • Es sei nun wieder auf die 1 Bezug genommen, in der jeder der Erregerpfade 20(a–n) mit einem entsprechenden Verstärker 22(a–n) aus einer Gruppe von M-Verstärkern und einem aus einer Gruppe von N-Phasenschiebern 24(a–n) verbunden ist. Die Verstärker 22(a–n) und Phasenschieber 24(a–n) wirken zusammen, um die mit ihnen verbundenen Strahlen und Elemente 14(a–n) mit einem Signal zu speisen, das eine bestimmte Amplitude und Phasenlage relativ zu den anderen Elementen besitzt. Als ein Ergebnis davon können die erzeugten Strahlen an unterschiedliche Orbitalpositionen gesteuert werden, indem man den Verstärkungspegel der Verstärker 22(a–n) und den Grad der Phasenverschiebung der Phasenschieber 24(a–n) einstellt. Typischerweise ist der Verstärkungsgrad für jeden der Verstärker 22(a–n) der gleiche und die Strahlen werden durch Anpassen der Phasenschieber 24(a–n) gesteuert. Die in den Strahlen abgestrahlte Leistung kann durch Einstellen der Verstärker 22(a–n) variiert werden.
  • Die Verstärker 22(a–n) sind verteilte, nicht-redundante Verstärker, wie etwa rauscharme Verstärker im Empfangsmodus und Halbleiter-Leistungsverstärker im Sendemodus. Die Phasenschieber 24(a–n) werden digital gesteuert. Zusätzlich zum Steuern der Strahlen auf verschiedene Orbitalpositionen korrigieren die Phasenschieber 24(a–n) auch Lagefehler des Satelliten im Orbit sowie Phasenschwankungen in den Speisepfaden 20(a–n), die von den Verstärkern 22(a–n), den Bandpassfiltern 18(a–n) und Effekten aufgrund gegenseitiger Kopplung unter den strahlenden Elementen 14(a–n) herrühren.
  • Das Antennensubsystem 12a beinhaltet des Weiteren ein Strahlformungsnetzwerk 26 auf unterer Ebene. Das Strahlformungsnetzwerk 26 beinhaltet einen zweidimensionalen Stapel mit Rotman-Linsen 28, ein Strahlformungsnetzwerk 30 sowie ein Strahlzusammenführungsnetzwerk 32. Das Strahlformungsnetzwerk 26 ist vollständig reziprok und dient dazu, die strahlenden Elemente 14(a–n) anzuregen, um Punktstrahlen und Bereichsstrahlen in vorbestimmten Richtungen zu erzeugen, und zwar sowohl für den Sendevorgang als auch für den Empfangsvorgang.
  • Eine Schaltmatrix 33 dient zusammen mit dem Strahlformungsnetzwerk 26 dazu, Energie selektiv zuzuführen bzw. aus dem Strahlformungsnetzwerk abzugreifen. In Abhängigkeit von der Auswahl der Strahlen mit Hilfe der Schaltmatrix 33 stellt das Strahlformungsnetzwerk 26 Strahlsignale für mehrere diskrete Anregungen zur Verfügung, um Punkt- und Bereichsstrahlen auszubilden, oder um umgekehrt empfangene Signalenergie in diskrete entsprechende Strahlsignale aufzuspalten, und zwar in Übereinstimmung mit den Empfangswinkeln der Punkt- und Bereichsstrahlen.
  • Das Strahlformungsnetzwerk 26 bildet die Strahlen in zwei Stufen aus. Die erste Stufe beinhaltet Stapel 28 mit Rotman-Linsen. Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen besitzen N-Elementanschlüsse 34(a–n) und L-Strahlanschlüsse 36(a–l). Jeder der Elementanschlüsse 34(a–n) ist mit jeweils einem der Speisepfade 20(a–n) verbunden, um beim Sendevorgang Energie mit einer individuellen Phasenlage diskret zu den strahlenden Elementen 14(a–n) zu übertragen und im Empfangsfall diskrete phasengesteuerte Information in Übereinstimmung mit den Strahlrichtungen der Gruppenantenne 10 aufzunehmen. Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen beinhalten Strahlanschlüsse 36(a–l) zum Empfangen und zum Bereitstellen von L-Punktstrahlsignalen, die auf der gemeinsamen Abdeckung von verschiedenen Orbitalabschnitten basieren.
  • Es sei nun auf 3 Bezug genommen, in der eine beispielhafte Rotman-Linse 38 gezeigt ist, wobei weiterhin auch 1 betrachtet wird. Die Rotman-Linse 38 beinhaltet Eingangsanschlüsse 40 für die Strahlen, Ausgangsanschlüsse 42 für die Elemente sowie eine Anzahl von Leeranschlüssen (hier nicht gesondert dargestellt). Die Leeranschlüsse sind mit angepassten Lasten abgeschlossen, um interne Refektionen aus dem Hohlraum 44 der Linse zu minimieren. Die Rotman-Linse 38 kann sowohl in Mikrostreifenleitertechnik (microstrip) als auch in Wandleitertechnik (stripline) realisiert sein.
  • Es sein nun auf die 4 unter weiterer Betrachtung der 1 Bezug genommen. Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen beinhalten einen horizontalen und einen vertikalen Stapel mit Linsen 46 bzw. 48. Jede Linse des vertikalen Linsenstapels 48 besitzt Verbindungsanschlüsse 50 zum Anschluss an die entsprechenden Anschlüsse des horizontalen Linsenstapels 46 (in 4 nicht gesondert dargestellt). Diese Verbindungen kann man unter Verwendung von Hochfrequenzleitungen realisieren. Einer der Linsenstapel 46 und 48 beinhaltet Elementanschlüsse 34(a–n) zum Anschluss der Speisezahlen 20(a–n) (in 4 nicht gesondert dargestellt). Der andere Linsenstapel beinhaltet Strahlanschlüsse 36(a–l) (in 4 nicht gesondert dargestellt).
  • Die Anzahl der Linsen, die man für die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen benötigt, ist ungefähr das Zweifache der Quadratwurzel von N, wobei N gleich der Anzahl der strahlenden Elemente ist, wenn man eine quadratische Gitterstruktur betrachtet. Bei einer hexagonalen Struktur benötigt man etwa 2,31 multipliziert mit der Quadratwurzel der N Linsen.
  • Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen erzeugen Strahlsignale, die frequenzinvariant sind. Als ein Ergebnis dessen ändern sich die Positionen der gesendeten und empfangenen Strahlen über dem gesamten Arbeitsfrequenzbereich nicht mit der Frequenz. Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen besitzen diese Eigenschaft, weil sie über den strahlenden Elementen 14(a–n) Verzögerungen in Echtzeit (bzw. Phase) realisieren.
  • Bezug nehmend nun wieder auf die 1 beinhaltet die zweite Stufe der Strahlformung ein Strahlteilernetzwerk 30 und ein Strahlzusammenführungsnetzwerk 32. Das Strahlteilernetzwerk 30 beinhaltet L Anschlüsse 52(a–l), von denen jeder mit einem entsprechenden Strahlanschluss 36(a–l) an dem Stapel 28 mit den Rotman-Linsen verbunden ist. Jeder Anschluss 52(a–l) ist mit einem Paar von L Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l) verbunden.
  • Wenn sich die Gruppenantenne 10 im Empfangsmodus befindet, gelangen L Punktstrahlsignale aus den Strahlanschlüssen 36(a–l) über die Anschlüsse 52(a–l) in das Strahlformungsnetzwerk 30. Das Strahlteilernetzwerk 30 teilt jedes der L Punktstrahlsignale in zwei Signale an den Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l). Die L Punktstrahlsignale von den Anschlüssen 54(a–l) werden zu jeweils einem der L Schaltanschlüsse 58(a–l) der Schaltmatrix 33 verbunden. Die anderen L Strahlsignale von den Anschlüssen 56(a–l) werden über entsprechende Anschlüsse 59(a–l) zu dem Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 verbunden. Das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 erzeugt aus den L Punktstrahlsignalen N Bereichsstrahlsignale.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf die 1 wird nun die 5 betrachtet, wonach das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 L (1:M)-Teiler 60(a–l), M Paare 62(a–m) mit variablen Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern, die mit jeweils einem der Teiler verbunden sind, sowie M (L:1)-Zusammenführer 64(a–n) beinhaltet. Die Teiler 60(a–l) teilen jedes der L Punktstrahlsignale aus den Anschlüssen 56(a–l) auf M Pfade auf. Jedes der M auf geteilten Signale wird über ein Paar 62(a–m) mit einem Phasenschieber und einem Dämpfungsglied geführt. Die Paare 62(a–m) mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied variieren die Phase und die Amplitude von jedem der M aufgeteilten Signale. Die Paare 62(a–m) mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied sind aktive Bauteile und sie werden dazu verwendet, die Bereichsstrahlen zu konfigurieren. Natürlich kann das Strahlzusammenführungsnetzwerk 32 für feste Bereichsstrahlen auch vollständig passiv ausgebildet sein und in diesem Fall werden die Paare 62(a–m) mit den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern nicht benötigt.
  • Jedes der M aufgeteilten, phasenverschobenen und gedämpften Signale wird anschließend zu einem entsprechenden Zusammenführer 64(a–m) geleitet. Zum Beispiel wird jedes der M aufgeteilten Signale mit der Phasenverschiebung und Dämpfung aus dem ersten Paar 62a mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied, das mit dem ersten Teiler 60(a–l) verbunden ist, zu dem ersten Zusammenführer 64a geleitet. In ähnlicher Weise wird jedes der M Signale aus dem zweiten Paar 62b mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied zu dem zweiten Zusammenführer 64b geleitet. Dieses Vorgehen wird fortgesetzt, bis die M Signale aus den Mten Paar 62m mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied zu dem Mten Zusammenführer 64m geleitet wurde.
  • Die Zusammenführer 64(a–m) führen die L Signale aus den Paaren 62(a–l) mit den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern zusammen, um M Bereichsstrahlsignale zu bilden. Der Ort und die Größe der M Bereichsstrahlen sind vollständig konfigurierbar, indem man die Paare 62(a–m) mit den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern entsprechend einstellt. Die M Bereichsstrahl signale werden über die Anschlüsse 66(a–m) des Strahlzusammenführungsnetzwerks 32 zu Anschlüssen 68(a–m) der Schaltmatrix 33 geleitet.
  • Die Schaltmatrix 33 wählt aus den L Punktstrahlsignalen an den Anschlüssen 54(a–l) und den M Bereichsstrahlsignalen an den Anschlüssen 66(a–m) die gewünschten Strahlen aus den L + M Strahlen aus. Die gewünschten Strahlen werden in Abhängigkeit von der Orbitalposition des Satelliten und in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Konfigurierbarkeit ausgewählt.
  • Wenn die Gruppenantenne 10 im Sendemodus betrieben wird, kehrt sich die oben beschriebene Vorgehensweise um. Die Schaltmatrix 33 wählt gewünschte Strahlen aus den L + M Strahlen für den Sendevorgang aus. Punktstrahlsignale von den Anschlüssen 58(a–l) werden an die Anschlüsse 54(a–l) des Strahlformungsnetzwerks 30 geliefert. Die Regionalstrahlsignale von den Anschlüssen 68(a–m) werden an die Anschlüsse 66(a–m) des Strahlzusammenführungsnetzwerks 32 geliefert.
  • Wenn sich die Gruppenantenne 10 im Sendemodus befindet, agieren die Zusammenführer 64(a–m) als Teiler und sie teilen ein Regionalstrahlsignal in L Pfade auf. Jedes der L geteilten Signale aus dem Zusammenführer wird zu einem entsprechenden Paar 62(a–m) mit dem Phasenschieber und dem Dämpfungsglied geführt. Die Paare 62(a–m) mit den Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern stellen die Phase und die Amplitude der Signale ein und leiten die M Signale an die Teiler 60(a–l) weiter. Jeder der Teiler 60(a–l) agiert nun als Zusammenführer, um die bereitgestellten M Signale in ein einziges Signal zusammenzuführen. Die Signale von jedem der Teiler 60(a–l) werden an schließend an den Anschlüssen 56(a–l) des Strahlformungsnetzwerks 30 bereitgestellt. Das Strahlteilernetzwerk 30 agiert nun als Zusammenführer und führt die Signale an den Anschlüssen 54(a–l) und 56(a–l) zusammen. Die Anschlüsse 36(a–l) des Strahlteilernetzwerks 30 liefern die L zusammengeführten Signale an die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen. Die Stapel 28 mit den Rotman-Linsen bilden dann die L Punktstrahlsignale für den Sendevorgang.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich bei satellitenbasierten Kommunikationssystemen einsetzen. Sie ist besonders für zukünftige Kommunikationssatelliten von Interesse, wie etwa personalisierten Kommunikationssatelliten (personal communication satellites PCS), direkt abstrahlenden Satelliten (direct broadcast satellites DBS) sowie mobilen Kommunikationssatelliten, die eine mäßige bis hohe Anzahl an mehrfachen Punktstrahlen aufweisen.
  • Es versteht sich daher von selbst, dass mit der vorliegenden Erfindung eine rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen vorgestellt wurde, die die oben genannten Aufgaben, Ziele und Vorteile vollständig erfüllt.
  • Es sei beispielhaft auf die 6 Bezug genommen, in der in Übereinstimmung mit einem auf die Erfindung bezogenen Ausführungsbeispiel eine Gruppenantenne 10 gezeigt ist, die einen parabolischen Hauptreflektor 70 und einen konkaven parabolischen Subreflektor 72 verwendet, wobei die beiden Reflektoren einen gemeinsamen Brennpunkt besitzen. Die planare Gruppe mit strahlenden Elementen 74(a–m) an der Stelle CA bildet eine einfallende Welle an dem Subreflektor 72 bei Cs. Der Subreflek tor 72 ist im Nahfeld der strahlenden Elemente 74(a–m) angeordnet und transformiert die näherungsweise ebene Welle der strahlenden Elemente in eine vergrößerte Abbildung unter Verwendung des konfokalen Paraboloids. Dadurch kann die Größe der planaren Gruppe mit den strahlenden Elementen 74 um einen Vergrößerungsfaktor von Mf (Mf > 1) reduziert werden, wobei Mf der Vergrößerungsfaktor des konfokalen Systems mit den Reflektoren 70 und 72 ist, und wobei die Anzahl der strahlenden Elemente daher um Mf2 reduziert werden kann im Vergleich zu der Anzahl der strahlenden Elemente bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Vergrößerung Mf wird durch das Verhältnis der Brennweite des Haupt- und Subreflektors 70 bzw. 72 bestimmt, die gleich θsn ist. Die strahlenden Elemente 74 müssen mit Mf multipliziert mit dem Abtastwinkel für die Strahlabdeckung abgetastet werden. Typische Werte von Mf liegen im Bereich zwischen zwei und drei. Dementsprechend wird die Anzahl der strahlenden Elemente also zumindest um einen Faktor von vier reduziert, wenn man dies mit der direkt abstrahlenden Gruppe mit den strahlenden Elementen nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vergleicht.

Claims (8)

  1. Rekonfigurierbare phasengesteuerte Gruppenantenne mit mehreren Strahlen, die folgendes aufweist: eine Vielzahl von strahlenden Elementen (14(a–n)), die in einer planaren Gruppe angeordnet sind, eine Vielzahl von variablen Phasenschiebern (24(a–n)), wobei jeder aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber (24(a–n)) mit jeweils einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente (14(a–n)) verbunden ist, und ein Strahlformungsnetzwerk (26) zum Ausbilden von Punktstrahlsignalen, wobei das Strahlformungsnetzwerk (26) horizontale und vertikale Stapel (28) von Rotman-Linsen (38) besitzt, wobei die Stapel in Reihe verbunden sind und mit einem ersten Satz von Anschlüssen (34(a–n)) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (36(a–l)) versehen sind, wobei jeder Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen (34(a–n)) mit jeweils einem aus der Vielzahl der strahlenden Elemente (14(a–n)) verbunden ist, wobei jeweils einer aus der Vielzahl der variablen Phasenschieber (24(a–n)) dazwischen angeordnet ist, und wobei die Stapel (28) der Rotman-Linsen (38) frequenzinvariante Punktstrahlsignale erzeugen, die zwischen den strahlenden Elementen (14(a–n)) und den Stapeln (28) der Rotman-Linsen (38) über den ersten Satz von Anschlüssen (34(a–n)) übertragen werden, um Punktstrahlen mit der Vielzahl der strahlenden Elemente (14(a–n)) auszusenden oder zu empfangen, wobei die Phasenschieber (24(a–n)) einstellbar sind, um die Punktstrahlen an gewünschte Stellen zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsnetzwerk (26) außerdem Bereichsstrahlsignale aus einer Kombination von Punktstrahlsignalen bildet, und wobei das Strahlformungsnetzwerk (26) außerdem ein Strahlteilernetzwerk (30) mit einem ersten Satz von Anschlüssen (52(a–l)) aufweist, von denen jeder mit jeweils einem aus dem zweiten Satz von Anschlüssen (36(a–l)) der Stapel (28) mit den Rotman-Linsen (38) verbunden ist, wobei das Strahlteilernetzwerk (30) außerdem einen zweiten Satz von gepaarten Anschlüssen (54(a–l), 56(a–l)) besitzt, die mit jedem Anschluss aus dem ersten Satz von Anschlüssen (36(a–l)) des Strahlteilernetzwerks (30) verbunden sind.
  2. Gruppenantennen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltmatrix (33), die mit dem Strahlformungsnetzwerk (26) betrieben werden kann.
  3. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungsnetzwerk (26) außerdem aufweist: ein Strahlzusammenführungsnetzwerk (32) mit einem ersten Satz von Anschlüssen (59(a–l)), von denen jeder mit jeweils einem aus dem zweiten Satz von gepaarten Anschlüssen (56(a–l)) des Strahlteilernetzwerks (30) verbunden ist, wobei das Stahl zusammenführungsnetzwerk (32) außerdem einen zweiten Satz von Anschlüssen (66(a–m)) besitzt.
  4. Gruppenantenne nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlzusammenführungsnetzwerk (32) Punktstrahlsignale bildet, und zwar aus den Bereichsstrahlsignalen, die dem Strahlzusammenführungsnetzwerk (32) während der Aussendung von Punktstrahlen und Bereichsstrahlen durch die Vielzahl von strahlenden Elementen (14(a–n)) von der Schaltmatrix (33) zugeführt werden.
  5. Gruppenantenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlzusammenführungsnetzwerk (32) jedes der Punktstrahlsignale zu einem entsprechenden Anschluss von jedem des zweiten Satzes von gepaarten Anschlüssen (56(a–l)) des Stahlteilernetzwerks (30) zuführt.
  6. Gruppenantenne nach den Ansprüchen 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der andere Anschluss von jedem aus dem zweiten Satz von gepaarten Anschlüssen (54(a–l)) ein Punktstrahlsignal von der Schaltmatrix (33) erhält.
  7. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet dass das Strahlteilernetzwerk (30) die Punktstrahlsignale von jedem Anschluss des zweiten Satzes von gepaarten Anschlüssen (54(a–l), 56(a–l)) kombiniert und die kombinierten Punktstrahlsignale für jeweils einem entsprechenden Anschluss aus dem zweiten Satz von Anschlüssen (36(a–l)) der Stapel (28) von Rotman-Linsen (38) zuführt.
  8. Gruppenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlzusammenführungsnetzwerk (32) Teilernetzwerke (60(a–l)), Paare von variablen Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern (62(a–m) und Zusammenführungsnetzwerke (64(a–m)) aufweist, um Punktstrahlsignale aus den Bereichsstrahlsignalen beim Empfangen auszubilden und um beim Senden Bereichsstrahlsignale aus Punktstrahlsignalen zu bilden.
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