DE60112785T2

DE60112785T2 - Effiziente erzeugung von selektierbarer antennenpolarisation

Info

Publication number: DE60112785T2
Application number: DE60112785T
Authority: DE
Inventors: Robert Hugh Malone; Dee Ronald FULLER
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Cdc Propriete Intellectuelle Sa Paris Fr
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: CA2424101A1; WO2002031917A2; DE60112785D1; ATE302474T1; WO2002031917A3; AU2002211895A1; EP1329001A2; US6262690B1; CA2424101C; EP1329001B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem, das im Stande ist, elektromagnetische Strahlung zu übertragen, und insbesondere auf Mikrowellensender, die mit einer Antenne verbunden sind, welche es dem Benutzer ermöglicht, eine Antennenpolarisation zu selektieren.
Hintergrund der Erfindung
Auf dem Gebiet der Hochfrequenz (RF) ist bekannt, dass das Versorgen von zwei linear polarisierten Antennenelementen mit Quadratursignalen zu einer zirkularen Polarisation führt. Es ist ebenfalls bekannt, dass ein Arbeiten auf der relativen Phase von jedem dieser Signale die Richtung der zirkularen Polarisation ändert. Dieses Verfahren ist im Allgemeinen auf Radar und Störanwendungen beschränkt, wo die Kreuzpolarisationssignalmenge weniger wichtig ist. Im Kommunikationsbereich jedoch wird eine Doppelpolarisation meist verwendet, um die Anzahl von unabhängigen Signalen, die ein gemeinsames Spektrum teilen können, zu erhöhen. Deshalb wird es für Kommunikationsanwendungen entscheidend, den Pegel des kreuzpolarisierten Signals auf ein Minimum zu reduzieren, um die maximale Anzahl an unabhängigen Signalen zu ermöglichen.
Das herkömmliche Verfahren zur Erzeugung von hochwertiger schaltbarer Doppelpolarisation ist, eine Antenne mit zwei Eingangsports zu verwenden, einen für jede der gewünschten Polarisationen. Ein RF- Schalter wird dann verwendet, um sich mit dem geeigneten Eingangsport der Antenne zu verbinden, wobei auf diese Weise eine Selektion der gewünschten Polarisation ermöglicht wird. Auch müssen, um den Ausgangsleistungsanforderungen vieler Anwendungen gerecht zu werden, etliche Verstärker verwendet werden. Als Folge sind einer oder mehr Koppler erforderlich, um die Ausgänge von mehreren Verstärkern zu kombinieren. Man muss auch beachten, dass der RF- Schalter, der selektiert wird, im Stande sein muss, die volle Ausgangsleistung dieser Verstärker zu schalten. Angesichts dessen ist es wünschenswert, die Notwendigkeit für Hochleistungsschaltungen und Koppler zu beseitigen, wobei die Verstärkung, die erforderlich ist, um die diesen Bauteilen eigenen Verluste zu bewältigen, reduziert wird. Letztendlich ist es wünschenswert, einen Quadraturkoppler zum Neukombinieren von Quadratursignalen wechselweise zu verwenden, wobei eine Anwendung auf linear polarisierte Antennensysteme ermöglicht wird.
Die US 4,710,734 offenbart zwei Beispiele für Mikrowellenpolarisationssteuernetze. Das erste führt zu zwei Gruppen von orthogonalen linearen Polarisationen und setzt einen Transferschalter mit zwei Stellungen ein und einen Richtungskoppler mit zwei Ports, die sich als Eingangs- und isolierte Ports abwechseln, und zwei Ports, die sich als durch und verbundene Ausgangsports abwechseln. Der Transferschalter ist verbunden, um einen Eingang zu einem oder dem anderen der zwei sich als Eingangs- und isolierte Ports abwechselnden Ports zu schalten und den anderen mit einem Ende zu verbinden. Eine Ortho-Mode-Wandlerverbindung mit zwei Eingangsports weist einen direkt mit einem der Ausgangsports des Richtungskopplers verbundenen Eingangsport auf und der andere Eingangsport ist durch einen 0°/180° Phasenschieber mit dem anderen Ausgangsport des Richtungskopplers in Reihe geschaltet. Ein Dual-Mode-Wellenleiter wird zum Übertragen eines variablen Polarisationsausgangs von der Ortho-Mode-Verbindung verwendet. In einer anderen Ausführungsform wird der Transferschalter nicht verwendet, und ein 90° Differentialphasenschieber wird in den Dual-Mode-Wellenleiter integriert, wodurch entweder eine lineare oder zirkulare Polarisation erhalten werden kann.
Die US 5,222,246 offenbart ein Leistungsverstärkersystem, das einen Leistungsteiler zum Teilen des Signals umfasst, um es zu Komponenten gleicher Amplitude zu verstärken. Jede Komponente wird durch einen Signal verstärkenden Pfad verstärkt. Die verstärkten Signale werden auf einen phasenempfindlichen Leistungskombinator gerichtet. Das kombinierte Signal erscheint am Summenport und ein phasenbezogenes Differenzsignal erscheint an einem Differenzport des Kombinators. Das Differenzsignal wird verarbeitet, um ein Steuersignal zum Steuern der relativen Phasen der Signale, die durch die Signal verstärkenden Pfade strömen, zu erzeugen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Antennenpolarisationssteuerschaltung zur Verfügung, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente kennzeichnen und:
1 eine schematische Darstellung ist, die ein Kommunikationssystem darstellt;
2 eine schematische Darstellung ist, die die zirkular polarisierte Antennenausführung darstellt; und
3 eine schematische Darstellung ist, die die linear polarisierte Antennenausführung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Dieses Verfahren zur effizienten Erzeugung von selektierbarer Antennenpolarisation umfasst eine Schaltung zum Kombinieren von zwei Quadratursignalen, um eine lineare Polarisation zu erhalten und fügt ein einfaches Feedbackverfahren an, um Amplituden- und Phasenfehler in den Signalpfaden zu korrigieren, wobei auf diese Weise der Pegel des kreuzpolarisierten Signals auf ein Minimum reduziert wird. Als zusätzliche Vorteile beseitigt die Erfindung den durch ein Polarisationsschaltungsgerät eingebrachten Einfügungs verlust, das Problem bei der Umsetzung von Festkörperschaltern für eine Anwendung, die mehr als 100 Watt Ausgangsleistung erfordert, und die Notwendigkeit für einen kostspieligen Polarisator am Ausgang der Antenne, und verbessert die Zuverlässigkeit, da die Leistungsverstärkerausfallrate nahezu proportional zur Ausgangsleistungsanforderung des Verstärkers ist, während die Gesamtkosten der Ausführung reduziert werden.
Nimmt man nun Bezug auf 1, wird ein erweitertes RF- Blockdiagramm für die Freilufteinheit (ODU) dargestellt, wobei die Polarisationssteuerschaltung 10 im schattierten Bereich umfasst wird.
Nimmt man nun Bezug auf 2, wird eine Polarisationssteuerschaltung 10, wie im schattierten Bereich in 1 umfasst, dargestellt. Insbesondere offenbart 2 die Polarisationssteuerschaltung 10 für die zirkular polarisierte Antennenausführung. Der Vorwärtssignalpfad besteht aus einem Polarisationsschalter 12, einem Eingangsquadraturkoppler 14, bei dem es sich um einen 3-Dezibel (dB)-Koppler handeln kann, amplituden- und phasenvariablen Elementen 16, 18, Leistungsverstärkern 20, 22, Kopplern 24, 26, einer Ortho-Mode-Wandlerverbindung, auch bekannt als einem Ortho-Mode-T oder Dual-Mode-Wandler 28, und einer zirkular polarisierten Antenne 30. Das Eingangssignal wird auf den Polarisationsschalter 12 gerichtet, der entweder eine rechtsdrehende Zirkularpolarisation (RHCP) oder eine linksdrehende Zirkularpolarisation (LHCP) ermöglicht, indem der Eingangsport des Eingangsquadraturkopplers 14, mit dem das Eingangssignal verbunden ist, selektiert wird. Die Ausgänge vom Eingangsquadraturkoppler 14 sind wiederum mit den amplituden- und phasenvariablen Elementen 16, 18 verbunden, die die Grundquadratursignale zu den Eingängen der Leistungsverstärker 20 beziehungsweise 22 zur Verfügung stellen. Die Ausgänge der Leistungsverstärker 20, 22 versorgen zwei linear polarisierte Eingangsports eines Ortho-Mode-Wandlers 28 durch die Koppler 24, 26. Der Ausgang des Ortho-Mode-Wandlers 26 wird dann mit der zirkular polarisierten Antenne 28 verbunden.
Die Feedbackpfade um die Leistungsverstärker 20, 22 herum bestehen aus den Kopplern 24, 26, einem Feedbackquadraturkoppler 32, bei dem es sich um einen 3 dB-Koppler handeln kann, und einer Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung 34, und den amplituden- und phasenvariablen Elementen 16, 18.
Die Funktion dieses Feedbacksystems wird nun in Verbindung mit einem bestimmten Beispiel beschrieben. Ein Abtastwert des Grundquadratursignals, das durch die Leistungsverstärker 20, 22 verstärkt worden ist, wird vom Ausgang der Leistungsverstärker 20, 22 durch die Koppler 24, 26 entnommen und in den Feedbackquadraturkoppler 32 eingegeben. Der Feedbackquadraturkoppler 32 stellt dann diese Signale der Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung 34 zur Verfügung. Die Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung 34 verarbeitet dann diese Signale, wobei Vektorfehlersignale erzeugt werden, die die maßgebliche Amplituden- und Phaseninformation umfassen, die die Abweichung vom Grundquadratursignal kennzeichnet, die durch die Leistungsverstärker 20, 22 im Verstärkungsprozess eingebracht wurde. Diese Vektorfehlersignale werden dann den amplituden- und phasenvariablen Elementen 16, 18 zugeführt, wo sie dem Grundquadratursignal vektoriell hinzugefügt werden, welche den Eingängen der Leistungsverstärker 20, 22 vom Eingangsquadraturkoppler 14 zugeführt wurden. Somit gleicht das Feedback Schwankungen in Amplitude oder Phase aus, die durch die Leistungsverstärker 20, 22 in den Vorwärtspfad eingebracht wurden. Das gewährleistet dann, dass die zwei linear polarisierten Antenneneingangsports des Ortho-Mode-Wandlers 28 mit gleichen Amplitudensignalen, die sich nur hinsichtlich der Phase um 90 Grad unterscheiden, versorgt werden. Mit anderen Worten, dieses Feedback gewährleistet, dass ein Mindestsignalpegel von einem der Kopplerausgänge erhalten wird, während ein maximaler Signalpegel von dem anderen erhalten wird, je nachdem, welche Polarisation gewünscht wird. Deshalb ermöglicht die Polarisationssteuerschaltung 10 für die zirkular polarisierte Antennenausführung die Verwendung eines Verfahrens im Kommunikationsbereich, welches im Allgemeinen auf Radar und Störanwendungen beschränkt war, da der Pegel des kreuzpolarisierten Signals auf ein Minimum reduziert wird, während die maximale Anzahl an unabhängigen Signalen ermöglicht wird.
Nachdem die Funktionalität beschrieben worden ist, ist es wichtig, auf einige Zugabevorteile der Polarisationssteuerschaltung 10 für die zirkular polarisierte Antennenausführung hinzuweisen. Da das herkömmliche Verfahren zur Erzeugung von hochwertiger schaltbarer Doppelpolarisation ist, eine Antenne mit zwei unabhängigen Ports und einem RF- Schalter zum Selektieren des geeigneten Ports zu verwenden, stößt man auf Probleme, die mit dem RF- Schalter in Zusammenhang stehen, wie als nächstes beschrieben wird. Zuerst muss der RF- Schalter im Stande sein, die volle Ausgangsleistung der Leistungsverstärker zu bewältigen. Die Schwierigkeit bei der Umsetzung von Festkörperschaltern für Anwendungen, die mehr als 100 Watt Ausgangsleistung erfor dern, sind in diesem Frequenzbereich wohlbekannt. Zweitens und als Folge weist der RF- Schalter einen Einfügungsverlust auf. Das erhöht die Ausgangsleistungsanforderungen der Leistungsverstärker. Drittens müssen die Leistungsverstärker, wenn zwischen Antennenpolarisationen selektiert wird, ausgeschaltet werden. Die Polarisationssteuerschaltung 10 für die zirkular polarisierte Antennenausführung überwindet, verhindert und beseitigt diese Probleme dadurch, dass der Polarisationsschalter 12 zur Eingangsseite der Leistungsverstärker 20, 22 verlegt wird. Außerdem ermöglicht die Polarisationssteuerschaltung 10 als Folge der Reduzierung bei den Ausgangsleistungsanforderungen einen Wegfall von Kopplern, die üblicherweise in dem herkömmlichen Verfahren verwendet werden. Das reduziert die Ausgangsleistungsanforderungen der Leistungsverstärker weiter. Die Polarisationssteuerschaltung 10 profitiert somit in verbesserter Zuverlässigkeit gegenüber dem herkömmlichen Verfahren, da Leistungsverstärkerausfallraten nahezu proportional zu Ausgangsleistungsanforderungen sind. Des Weiteren wird, da eine Polarisation elektronisch erreicht wird, ein Polarisator nicht länger benötigt. Deshalb werden die Gesamtkosten der Ausführung reduziert.
Nimmt man nun Bezug auf 3, wird eine linear polarisierte Antennenausführung dargestellt. Insbesondere offenbart 3 die Polarisationssteuerschaltung 10' für die linear polarisierte Antennenausführung der Erfindung. 3 unterscheidet sich von 1 und 2 nur dadurch, dass die zirkular polarisierte Antenne 30 durch eine linear polarisierte Antenne 36 ersetzt wurde und die Ausgänge der Leistungsverstärker 20, 22 die Eingangsports eines Ausgangsquadraturkopplers 38, bei dem es sich um einen 3 db- Koppler handeln kann, durch die Koppler 24, 26 eher als den Ortho-Mode-Wandler 28 versorgen. Die Ausgänge des Ausgangsquadraturkopplers 38 werden dann mit den Eingangsports des Ortho-Mode-Wandlers 28 verbunden. Der Ausgangsport des Ortho-Mode-Wandlers 28 wiederum ist mit der linear polarisierten Antenne 36 verbunden. Wie verstanden werden wird, sind die übrigen Bauteile der Polarisationssteuerschaltung 10' im Wesentlichen ähnlich und arbeiten in der Art und Weise wie diejenigen der Polarisationssteuerschaltung 10 von 2.
Das Ziel des Ausgangsquadraturkopplers 38 ist es, die Ausgänge der Leistungsverstärker 20, 22 neu zu kombinieren. Deshalb wird nur auf einen Eingangsport des Ortho-Mode-Wandlers 28 zu jedem festgelegten Zeitpunkt Energie angebracht. Nun selektiert der Polarisationsschalter 12 eine horizontale oder vertikale Polarisation eher als RHCP oder LHCP. Das wandelt dann die Konfiguration von 1 und 2 zur Verwendung mit einer linear polarisierten Antenne, wie in 3 dargestellt, um.

Claims

Antennenpolarisationssteuerschaltung (10'), die umfasst: einen Schalter (12), wobei der Schalter zum Selektieren einer Antennenpolarisation über einen Eingang und einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang verfügt; einen Eingangskoppler (14), wobei der Eingangskoppler über einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang und einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang verfügt, wobei der erste und der zweite Ausgang hinsichtlich der Phase um 90 Grad getrennt sind, wobei der erste Ausgang des Schalters mit dem ersten Eingang des Eingangskopplers verbunden ist, wobei der zweite Ausgang des Schalters mit dem zweiten Eingang des Eingangskopplers verbunden ist, um eine Antennenpolarisation zu ermöglichen; ein erstes amplituden- und phasenvariables Element (16), wobei das erste amplituden- und phasenvariable Element über einen Eingang, einen variablen Eingang und einen Ausgang verfügt, wobei der erste Ausgang des Eingangskopplers mit dem Eingang des ersten amplituden- und phasenvariablen Elements verbunden ist; ein zweites amplituden- und phasenvariables Element (18), wobei das zweite amplituden- und phasenvariable Element über einen Eingang, einen variablen Eingang und einen Ausgang verfügt, wobei der zweite Ausgang des Eingangskopplers mit dem Eingang des zweiten amplituden- und phasenvariablen Elements verbunden ist; einen ersten Verstärker (20), wobei der erste Verstärker über einen Eingang und einen Ausgang verfügt, wobei der Ausgang des ersten amplituden- und phasenvariablen Elements mit dem Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist; einen zweiten Verstärker (22), wobei der zweite Verstärker über einen Eingang und einen Ausgang verfügt, wobei der Ausgang des zweiten amplituden phasenvariablen Elements mit dem Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist; einen zweiten Koppler (24), wobei der zweite Koppler über einen Eingang, einen Ausgang und einen Abtastausgang verfügt, wobei der Ausgang des ersten Verstärkers mit dem Eingang des zweiten Kopplers verbunden ist, wobei der zweite Koppler an dem Ausgang des zweiten Kopplers ein zweites gekoppeltes Signal erzeugt; einen dritten Koppler (26), wobei der dritte Koppler über einen Eingang, einen Ausgang und einen Abtastausgang verfügt, wobei der Ausgang des zweiten Verstärkers mit dem Eingang des dritten Kopplers verbunden ist, wobei der drit te Koppler an dem Ausgang des zweiten Kopplers ein drittes gekoppeltes Signal erzeugt, einen Feedbackquadraturkoppler (32), wobei der Feedbackquadraturkoppler über einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang und einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang verfügt, wobei der erste und der zweite Ausgang hinsichtlich der Phase um 90 Grad getrennt sind, wobei der Abtastausgang des zweiten Kopplers mit dem ersten Eingang des Feedbackquadraturkopplers verbunden ist, wobei der Abtastausgang des dritten Kopplers mit dem zweiten Eingang des Feedbackquadraturkopplers verbunden ist, wobei der Feedbackquadraturkoppler Feedbackfehlersignale erzeugt; eine Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung, wobei die Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung über einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang und einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang verfügt, wobei der erste Eingang der Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung mit dem ersten Ausgang des Feedbackquadraturkopplers verbunden ist, wobei der zweite Eingang der Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung mit dem zweiten Ausgang des Feedbackquadraturkopplers verbunden ist, wobei der erste Ausgang der Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung mit dem variablen Eingang des ersten amplituden- und phasenvariablen Elements verbunden ist, wobei der zweite Ausgang der Amplituden- und Phasenfehlerkorrekturschaltung mit dem variablen Eingang des zweiten amplituden- und phasenvariablen Elements verbunden ist; einen vierten Koppler (38), wobei der vierte Koppler über einen ersten Eingang und zweiten Eingang und einen ersten Ausgang und zweiten Ausgang verfügt, wobei der erste und der zweite Ausgang hinsichtlich der Phase um 90 Grad getrennt sind, wobei der erste Eingang des vierten Kopplers das zweite gekoppelte Signal empfängt, wobei der zweite Eingang des vierten Kopplers das dritte gekoppelte Signal empfängt, wobei der vierte Koppler die Ausgänge des ersten und des zweiten Verstärkers neu kombiniert, um ein erstes Wandlereingangssignal und zweites Wandlereingangssignal zu erzeugen; einen Ortho-Mode-Wandler (28), der das erste Wandlereingangssignal und das zweite Wandlereingangssignal empfängt, wobei der Ortho-Mode-Wandler über einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang verfügt, wobei der Ortho-Mode-Wandler ein Antennensignal aus dem ersten Wandlereingangssignal und dem zweiten Wandlereingangssignal erzeugt; und eine Antenne (36), wobei die Antenne über eine Eingangsport verfügt, wobei der Eingangsport das Antennensignal empfängt.
Antennenpolarisationssteuerschaltung nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Antenne (36) um eine linear polarisierte Antenne handelt.
Antennenpolarisationssteuerschaltung nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem Eingangskoppler (14) um einen 3-dB-Koppler handelt.
Antennenpolarisationssteuerschaltung nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem Isolationsschalter (32) um einen 3-dB-Koppler handelt.
Antennenpolarisationssteuerschaltung nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem vierten Koppler (38) um einen 3-dB-Koppler handelt.