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Die Erfindung betrifft eine Antenne mit geformter
Keule und großem Gewinn.
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Derartige Antenne sind sehr nützlich für
Satellitenanwendungen. Die umlaufenden Satelliten mit niedrigem Orbit
haben einen sehr weit offenen Sichtkonus von der Erde: in
einer Höhe von 800 km beträgt der Halbwinkel an der Spitze
des Konus 63º. Der Abstand eines solchen Satelliten von
einer Station innerhalb dieses Konus variiert von 800 km (am
Fußpunkt) bis auf 2300 km (am Rand des Konus). Im Fall einer
Femmessung oder Fernsteueruilg zwischen dem Satelliten und
dieser Station möchte man eine Verbindung mit konstantem
Fluß unabhängig von der relativen Lage dieser Station im
Konus erzielen. Die für solche Aufgaben verwendeten Antennen
müssen daher ein Diagramm aufweisen, dessen Keulenprofil am
Rand des Konus einen Höchstwert hat und zum Fußpunkt hin
abnimmt. Die Dynamik beträgt dann etwa 12 dB. Solche
Keulenprofile können außerdem entweder schwache Pegel
berücksichtigen (im Fußpunkt sinkt die Dynamik auf etwa 10 dB) oder im
Gegenteil eine Kompensation der atmosphärischen Dämpfung
berücksichtigen (die proportional zum Abstand ist), wobei
die Dynamik dann größer als 13 dB wird. Diese
Keulengeometrie ist drehsymmetrisch in Azimutrichtung und hat die Form
einer Schale. Sie erfordert daher Antennen mit geformter
Keule.
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Unter den bekannten Techniken, um solche Merkmale zu
erzielen, kennt man zwei große Gruppen:
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a) Die geformten Reflektoren:
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Dies sind drehsymmetrische Reflektoren, deren Profil
so optimiert ist, daß in Elevationsrichtung die Keulenform
erreicht wird. Das Problem dieser Reflektoren besteht darin,
daß sie ein drehsymmetrisches Diagramm besitzen, da sie die
Verbindung im ganzen Konus sicherstellen müssen. Es ist
daher schwierig, einen hohen Gewinn zu erzielen und zugleich
vernünftige Abmessungen für den Reflektor. Ein solcher
Reflektor ist in einem Aufsatz "Method of moment analysis of
a cavity-fed shaped beam reflector antenna" von Bridges,
Shafai und Kishk beschrieben, der veröffentlicht wurde in
Antenna '90 Conference Proceedings, 15.-17. August 1990;
Winnipeg, Kanada.
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b) Die Netzantennen:
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Ausgehend von der obigen Feststellung wurden
Netzantennen mit elektronischer Strahlablenkung erprobt, die
eine gerichtete Antennenkeule und einen hohen Gewinn
besitzen, wobei die Keule elektronisch gesteuert bewegt wird.
Solche Antennen sind in dem Buch "Antenna Engineering
Handbook" von R.C. Johnson und H. Jasik beschrieben, das bei
McGraw-Hill erschienen ist (siehe Kapitel 20 "Phased Arrays"
von R. Tang und R.W. Burns, Seiten 20-1 bis 20-5). Die
Verbindung ist dann nicht gleichzeitig im ganzen Konus
gewährleistet, sondern jeweils nur in der Richtung der
angepeilten Station. Man unterscheidet hier zwei Familien
von Netzantennen, die ebenen und die geformten Netzantennen.
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b1) Die ebenen Netze:
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Beseitigt man Netzkeulen mit den üblichen Techniken
der Dimensionierung von Netzen, indem man das Raster ändert,
d.h. den Abstand zwischen zwei benachbarten Quellen, dann
kann man für vergleichbare Abmessungen eine deutlich höhere
Richtwirkung als mit einem geformten Reflektor erzielen. Da
die Phase für die Speisung jeder Quelle durch einen
Phasenschieber gesteuert wird, verschiebt man das Diagramm durch
Veränderung dieser Phasen. Diese Lösung besitzt zwei
wesentliche Nachteile:
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- Man muß die Keule in Elevationsrichtung um ±60º
etwa oder sogar mehr bei geringerer Höhe verschieben. Dies
führt dazu, daß die Quellen stark einander angenähert werden
müssen.
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- Es ist sehr schwierig, ein Maximum der Abstrahlung
bei 60º und ein Minimum an der Achse zu erzielen. Dies
erfordert Quellen, deren Richtungwirkung bei 60º sehr hoch
ist, selbst wenn ihr Diagramm den gewünschten Verlauf
besitzt, d.h. einen Höchstwert der Strahlung bei 60º hat
(beispielsweise Spiralen). Wenn man daher ein hohen Gewinn
(z.B. > 20 dBi) erzielen will, braucht man relativ große
Dimensionen und damit eine große Zahl von Quellen und
Phasenschiebern (zwischen 50 und 100 Quellen je nach der
elementaren Richtwirkung bei 60º). Eine solche Antenne
erfordert daher eine große Anzahl von Steuerpunkten.
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b2) Die geformten Netze:
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Um eine maximale Abstrahlung in einem Konus bei 60º
zu erzielen, kann man die Quellen auf einer geformten
Oberfläche (beispielsweise eine Halbkugel) anordnen. Indem jede
Quelle durch einen Phasenschieber gesteuert wird, lenkt man
die Keule in Elevations- und Azimutrichtung ab. Mit solchen
Netzen kann man aber nicht mehr alle Quellen gleichzeitig
benutzen, und man kann strahlende Elemente benutzen, deren
maximale Richtwirkung bei 0º liegt, aber die auch um 60º
ablenkbar sein müssen.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Antenne anzugeben,
die diese Nachteile beseitigt, d.h. die Anzahl der
Steuerpunkte der Antenne verringert und zugleich die betrachtete
Aufgabe wirksam zu lösen vermag.
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Hierzu wird eine Antenne gemäß Anspruch 1
vorgeschlagen. Das Diagramm der Antenne in Elevationsrichtung wird
geregelt, indem die Phasenschieber gesteuert werden, während
die Ablenkung in Azimutrichtung durch eine Umschaltung der
Mantellinien erfolgt.
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Da sich das erfindungsgemäße Netz auf einer Fläche
beliebigen Profils mit einer Symmetrieachse befindet, kann
das Profil optimiert werden, um die Form des
Strahlungsdiagramms einer Mantellinie zu bestimmen. Hierzu besitzt die
Senkrechte auf der Mantellinie in einer Ebene, die durch die
Symmetrieachse verläuft, eine variable Orientierung je nach
der Lage auf der Mantellinie. Daraus ergibt sich, daß die
strahlenden Elemente, die sich auf der Mantellinie befinden,
unterschiedliche Orientierungen besitzen. Mit anderen Worten
wird die Neigung eines strahlenden Elements bezüglich der
Symmetrieachse so optimiert, daß die gewünschte Form des
Strahlungsdiagramms einer Mantellinie erhalten wird.
Eine solche Antenne besitzt den großen Vorteil, eine
Ablenkung in zwei Ebenen zu erlauben, indem nur eine
Steuerung in einer Richtung verwendet wird, die in der
Azimutebene verteilt wird. Außerdem kann die Anzahl der
erforderlichen Steuerungen (eine je Mantellinie) im Vergleich zu
einer klassischen Antenne verringert werden, die eine eigene
Steuerung für jedes strahlende Element erfordert.
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Optimiert man außerdem den passiven Verteiler und die
variable Neigung der strahlenden Elemente bezüglich der
Symmetrieachse, dann kann auch die Form der Strahlungskeule
optimiert werden.
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Damit ergibt sich ein dritter Freiheitsgrad in dem
Prozeß einer Spalte von strahlenden Elementen, die sich auf
einer gemeinsamen Mantellinie befinden. Dies erlaubt es,
wirksam die strahlenden Elemente in den Richtungen zu
verwenden, in denen sie arbeiten sollen. Dies ist umso
interessanter, je größer der Ablenkbereich mit einem großen
Schwenkwinkel ist, beispielsweise größer als ±60º. Diese
Eigenschaft der Erfindung führt zu großen Schwenkbewegungen
und ist ein entscheidender Vorteil bezüglich der ebenen
Lösungen, bei denen die Wirksamkeit bei großen
Schwenkwinkeln abnimmt.
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Die Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun
anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden
Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen
Antenne.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen mehrere Merkmale der
Antenne aus Figur 1.
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Die Figuren 4 bis 7 zeigen andere
Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Antenne.
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Die erfindungsgemäße Antenne enthält ein geformtes
Netz 10, das sich auf einer geformten Oberfläche 11 mit
einer Symmetrieachse und beliebigem Profil befindet
(konisch, sphärisch, elliptisch, parabolisch, hyperbolisch
usw.). Dieses Netz besteht aus Mantellinien 12, auf denen
mehrere Quellen oder strahlende Elemente 13 angeordnet sind.
Jede Mantellinie 12 ist eine Schnittlinie der geformten
Fläche 11 mit einer Ebene, die durch die Symmetrieachse A
verläuft, beispielsweise die Fußpunktachse. In Figur 1 ist
die Fläche 11 eine konische Fläche, und die Mantellinien 12
enthalten je drei strahlende Elemente 13.
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In der Antenne gemäß Figur 1 wird nur ein einziger
Phasenschieber 14 für jede Mantellinie 12 betrachtet. Ein
passiver Verteiler 15 teilt das Signal nach Amplitude und
Phase zwischen den verschiedenen Quellen auf und liegt
zwischen dem Ausgang dieses Phasenschiebers 14 und dem
Eingang jeder Quelle 13. Für jede Mantellinie ist ein
gleicher Verteiler 15 vorgesehen, so daß die Geometrie der
Antenne gemäß Figur 1 vollständig drehsymmetrisch ist. Der
Verteiler 15 ist so berechnet, daß sich ein bestimmtes
Diagramm der Strahlungen der Quellen 13 jeder Mantellinie 12
ergibt und sich aus der Gesamtheit der Quellen 13 der
Antenne ein gewisses resultierendes Diagramm ergibt.
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Um eine ausreichende Richtwirkung zu erzielen, läßt
man gleichzeitig eine oder mehrere benachbarte Mantellinien
strahlen. Die Drehung dieser Mantellinien hat zwei Wirkungen
auf die Strahlungsphase:
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- die erste Wirkung ist eine Drehung φ der
Polarisationsebene um die Drehachse Δ. Diese Drehung ist konstant.
Sie ist mit der Geometrie des Netzes, wie in Figur 2 zu
sehen, verknüpft.
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Die zweite Wirkung ist eine Ausbreitungsverzögerung,
die proportional zum relativen Abstand einer Quelle bezüg
lich einer Bezugsebene P senkrecht zur Visierrichtung ist.
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Für eine bestimmte Bezugsebene P können die Abstände der
Quellen einer gemeinsamen Mantellinie von dieser Ebene
variieren.
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Die Aufgabe der Phasenschieber ist es, diese
Wirkungen zu kompensieren. Da es aber nur einen Phasenschieber je
Mantellinie gibt und die Kompensation dieser
Ausbreitungsverzögerung für alle Quellen die gleiche sein soll, muß man
den Mittelwert der Verzögerung berechnen. Diese
Ausbreitungsverzögerungen hängen von der Visierrichtung in
Elevationsrichtung, d.h. von der Neigung der Bezugsebene P ab.
Aus Figur 3 ersieht man, daß in einer Richtung entsprechend
der Achse A, beispielsweise der Fußpunktrichtung, alle
Mantellinien in Phase sind (Θ = 0º). Die Phasenschieber
dürfen nur die Drehung der Polarisationsebene in
Azimutrichtung kompensieren. Dagegen gibt es große Unterschiede, wenn
die Visierachse bei 60º liegt (Θ = 60º). Es ist daher
unmöglich, mehrere benachbarte Mantellinien gleichzeitig im
ganzen Elevationswinkelbereich zu summieren. Das führt zu
einer Verschlechterung des Diagramms außerhalb der Visier
richtung.
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Selbst wenn das Diagramm einer Mantellinie 12 also
alle Sollwerte erfüllt, sofern die Laufzeitverzögerungen in
einer Richtung von z.B. 60º kompensiert werden, gilt dies
zwar für Θ = 60º, aber keineswegs für andere Winkel,
insbesondere für Θ = 0º, wo das erhaltene Diagramm deutlich
unter dem Sollwert liegt.
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Es ist möglich, die Mantellinie zu
überdimensionieren, um diese Verschlechterung zu kompensieren, d.h. die den
Quellen dieser Mantellinie zugeführte Energie zu erhöhen, um
ein Diagramm zu erzielen, das deutlich die vorgesehenen
Grenzwerte überschreitet.
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Es ist aber auch möglich, auf die Phasenschieber
einzuwirken, um das Diagramm zu verformen und an den
Elevationswinkel der anvisierten Station anzupassen. Befindet
sich diese bei Θ = 60º, dann kompensiert man die
Laufzeitverzögerungen
in dieser Richtung. Wenn der Elevationswinkel
abnimmt, verformt man das Diagramm, indem man auf die
Phasenschieber einwirkt. Wenn beispielsweise die Station sich
bei etwa Θ = 30º befindet, dann übersteigt das Diagramm bei
30º den Sollwert, liegt aber darunter bei 60º usw. bis zu
0º, wo das Diagramm dem Sollwert bei Θ = 60º keineswegs mehr
entspricht.
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Die Ablenkung in Azimutrichtung erfolgt durch
einfache Umschaltung der Mantellinien, da die Geometrie
drehsymmetrisch ist.
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In einer solchen Ausführungsform beschränkt man die
Anzahl der Phasenschieber im Verhältnis zur Anzahl der
Quellen je Mantellinie im Vergleich zu einer klassischen
geformten Struktur. Mit einer deutlich geringeren Anzahl von
Steuerpunkten und gleichzeitiger Aktivierung der
Phasenschieber der Mantellinien 12 kann man einen Schwenk der
Keule in Azimut- und Elevationsrichtung der Antenne
erreichen. So ergibt sich eine geformte Lösung, in der man ein in
Elevationsrichtung geformtes Diagramm erhalten möchte, das
ein Sollprofil respektiert und das einfach in Azimutrichtung
umgeschaltet wird, wobei die Mantellinien eine geringe
Richtwirkung und kleine Abmessungen besitzen.
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Ein Anwendungsbeispiel für eine Fernmeßaufgabe gemäß
dem PIRE-Sollprofil (Puissance Isotrope Rayonnee Equivalente
- äquivalente isotrope Strahlungsleistung) wie in Figur 4
gezeigt (mit einer Obergrenze 16 und einer Untergrenze 17)
wird nun beschrieben, wobei es sich um ein Sollprofil im
Rahmen einer Fernmessung mit einer Nutzlast für einen
optischen Beobachtungssatelliten oder einen Radarsatelliten mit
großem Durchsatz im Band x (8 bis 12 GHz) handelt. Ziel ist
es, das PIRE-Sollprofil mit einer möglichst geringen
abgestrahlten Leistung zu erfüllen. Beispielsweise braucht man
für eine Abstrahlungsleistung von 10 Watt einen maximalen
Gewinn von 21 dBi. Die Richtwirkung beträgt 22 dBi unter
Berücksichtigung eines Verlusts von 1 dB. Man dimensioniert
eine Antenne 20 mit einer pseudokonischen Form, die in Figur
5 gezeigt ist. Diese Antenne enthält 36 Mantellinien 21 mit
je vier Quellen 22. Jede dieser Quellen 22 ist in
Druckschaltungstechnik realisiert. Ein Kupferfleck ist auf ein
geformtes dielektrisches Substrat aufgedruckt, das die
pseudokonische Fläche bildet. Das Profil dieser Fläche ist
nicht linear, sondern besitzt einen Profilknick mit dem
Winkel α von etwa 10º in Höhe der ersten Quelle von oben.
Zwischen den vier Quellen 22 einer Mantellinie 21 und auf
demselben Substrat ist der Verteiler in Form von
Kupferleitungen aufgedruckt, der seinerseits mit einem Phasenschieber
verbunden ist. Von den 36 Mantellinien sind nur neun jeweils
gleichzeitig aktiv. Die ganze Strahlung wird also durch neun
Phasenschieber gleichzeitig gesteuert.
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Figur 6 zeigt das Mindestprofil 25 und das erhaltene
Diagramm 26, indem die Laufzeitverzögerungen in einer
Richtung von 620 kompensiert sind. In Figur 7, die das gleiche
Mindestprofil 27 und das erhaltene Diagramm 28 zeigt, wurde
lediglich der Wert der neun Phasenschieber verändert, um die
Verzögerungen in der Elevationsrichtung von 5º zu
kompensieren (die Figuren 6 und 7 zeigen die Richtwirkung Di in dBi).
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Natürlich wurde die Erfindung nur anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Man könnte die
erwähnten Elemente durch äquivalente Elemente ersetzen, ohne
dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere kann die geformte Oberfläche ein
beliebiges Profil besitzen, sofern sie nur irgendeine
Symmetrieachse aufweist. In den beschriebenen Beispielen enthält die
Fläche eine Drehsymmetrieachse, aber die Fläche könnte auch
eine Symmetrie zweiter Ordnung (Projektion in eine Ebene)
besitzen, wie eine Ellipse, eine Parabel oder eine Hyperbel,
oder sie könnte auch eine Symmetrie noch höherer Ordnung
besitzen, die noch komplexere Flächen ergibt, ohne den
Rahmen der Erfindung zu verlassen.