DE69308917T2

DE69308917T2 - Antennensystem für Datenübertragung

Info

Publication number: DE69308917T2
Application number: DE69308917T
Authority: DE
Inventors: I-Ping Yu
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-02-17
Also published as: EP0557853A1; NO311392B1; NO930682D0; ES2099305T3; IL104664A0; JPH0629730A; CA2085336C; EP0557853B1; NO930682L; JP2546597B2; IL104664A; CA2085336A1; US5389941A; DE69308917D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem, das wenigstens eine Antenne mit einem Reflektor, der eine parabolische zylindrische Reflektoroberfläche aufweist, eine Dipolstruktur mit Dipolen, die so angeordnet sind, daß die Rückstrahlung der Dipole die Reflektoroberfläche ausleuchtet, Mittel zum Halten der Dipolstruktur über der Reflektoroberfläche und Mittel zum Speisen eines RF-Anregungssignals in die Dipolstruktur aufweist.
Ein derartiges Antennensystem ist aus dem Dokument FR-A- 2 400 782 bekannt, wobei das bekannte Antennensystem eine Fernsehrrichtantenne ist.
Bei dem bekannten Antennensystem sind die Haltemittel aus einem synthetischen Material hergestellt und die Speisemittel liegen in der Form eines Antennenkabels vor, das durch die Halterung zu dem Dipol hindurchgeht.
Aus den US-Patenten US-A-2 480 182 und US-A-2 462 881 ist es bekannt, den Außenleiter eines Koaxialkabels mit Schlitzen zu versehen, derart, daß Zwischenschlitzabschnitte gebildet werden. Abstrahlungselemente sind mit diesen Zwischenschlitzabschnitten elektrischen verbunden, um einen Dipol zu bilden. Ein Radialelement verbindet den Innenleiter des Koaxialkabels mit einem der Zwischenschlitzabschnitte.
Generell betrifft die vorliegende Erfindung eine einfache parabolische Reflektorantenne und omnidirektionale Antennensysteme.
Herkömmliche parabolische Reflektorantennen umfassen den Reflektor, die Primärenergiequelle wie ein Speisehorn und das Speisenetzwerk zum Speisen der Primärquelle mit RF-Energie.
Derartige Antennen erfordern auch eine Haltestruktur, um das Speisehorn und das Speisenetzwerk in einer geeigneten Position relativ zu der Reflektoroberfläche aufzuhängen.
Bei einigen Anwendungen von Antennensystemen bilden Raum- und Gewichtsanforderungen harte Einschränkungen für das Antennensystem. Eine derartige Anwendung ist jene, bei der Antennensysteme zur Datenverbindung in einer Kommunikationsaufwärtsstrecke von Boden zu luftgestützten Flugkörpern verwendet werden. Derartige Antennensysteme sind typischerweise an einem Bodenfahrzeug montiert und müssen äußerst stringente Gewichts- und Leistungsanforderungen erfüllen.
Es wäre daher ein Vorteil für den Stand der Technik, eine vereinfachte parabolische Reflektorantenne anzugeben, die relativ leichtgewichtig ist und einen guten Wirkungsgrad hat.
Es wäre weiterhin vorteilhaft, ein onnidirektionales Antennensystem anzugeben, das einfache und hinsichtlich des Gewichtes leistungsfähige parabolische Antennen verwendet.
In Anbetracht des Vorstehenden ist eines eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs erwähnte Antennensystem zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das oben erwähnte Antennensystem dadurch gekennzeichnet ist, daß die Halte- und die Speisemittel einen elektrisch leitenden, hohlen Haltemast, der sich von der Reflektoroberfläche aus erstreckt und an dem die Dipolstruktur angebracht ist, und ein Mittelleiterelement aufweisen, das sich durch den hohlen Haltemast unter Ausbildung einer koaxialen Übertragungsleitung erstreckt, und daß der Mast weiterhin ein erstes Ende aufweist, das über der Oberfläche angeordnet ist und an dem die Dipolstruktur angebracht ist, und daß das Mittelleiterelement weiterhin einen länglichen Körper und ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende in einem Endstück endet, das einen Winkel bezüglich des länglichen Körpers definiert, wobei das Endstück elektrisch mit dem Mast an dessen erstem Ende verbunden ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne offenbart, die eine parabolische zylindrische Reflektoroberfläche und eine Kreuzdipolstruktur aufweist, die derart angeordnet sind, daß die Rückstrahlung des Kreuzdipols die Reflektoroberfläche ausleuchtet. Es sind Mittel zum Halten der Kreuzdipolstruktur über der Reflektoroberfläche und zum Speisen eines RF-Anregungssignals in die Kreuzdipolstruktur vorgesehen. Diese Halte- und Speisemittel umfassen einen elektrisch leitenden, hohlen Haltemast, der sich von der Reflektoroberfläche aus erstreckt und an dem die Kreuzdipolstruktur angebracht ist, und ein Mittelleiterelement, das sich durch den hohlen Haltemast unter Ausbildung einer koaxialen Übertragungsleitung zum Speisen von RF-Energie in den Kreuzdipol erstreckt. Der Kreuzdipol ist in der Nachbarschaft des Fokus des Reflektors angeordnet.
Der Mast ist weiterhin durch ein erstes Ende gekennzeichnet, das über der Reflektoroberfläche angeordnet ist und an dem der Kreuzdipol angebracht ist. Das Mittelleiterelement ist weiterhin durch einen länglichen Körper und durch ein erstes und ein zweites Ende gekennzeichnet. Das erste Ende endet in einem Endstück, das einen Winkel bezüglich des länglichen Körpers definiert, wobei das Endstück elektrisch mit dem Mast an dessen erstem Ende verbunden ist. Zwei Viertelwellenlängendrosseln sind in dem ersten Ende des Mastes definiert, um eine elektrische Isolierung zwischen dem Endstück des Mittelleiters und den zwei Dipolelementen der Struktur zu schaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antennensystem mit einer omnidirektionalen Strahlungsbedeckung geschaffen, wobei eine Vielzahl von Kreuzdipol- Antennen angeordnet sind, um jeweilige Sektoren relativ zu der gewünschten Strahlungsbedeckung auszuleuchten. Das Antennensystem umfaßt weiterhin Mittel zum selektiven Koppeln eines RF-Ansteuerungssignals in eine ausgewählte Antenne der Antennen, um das RF-Signal auf den gewünschten Sektor abzustrahlen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind vier Kreuzdipol-Antennen in jeweiligen Quadrantenpositionen angeordnet, um selektiv Energie auf einen gewünschten Quadrant der Strahlungsbedeckung abzustrahlen. Ein RF-Schalter kann als die selektiven Kopplungsmittel eingesetzt werden.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines omnidirektionalen Antennensystems mit parabolischen Reflektoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von einer der parabolischen Antennen des Antennensystems von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Antenne von Fig. 2 ist;
Fig. 4 den Mittelleiter der Antenne von Fig. 2 darstellt;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Dipolelemente und benachbarte Speiseschaltkreise der Antenne von Fig. 2 ist;
Fig. 6 das Ersatzschaltbild der Symmetrieranordnung darstellt, die zur Speisung der Kreuzdipolstruktur verwendet wird;
Fig. 7 eine Seitenansicht des oberen Abschnittes des Speisenetzwerkelementes der Antenne von Fig. 2 ist; und
Fig. 8 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild des Antennensystems von Fig. 1 ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist durch eine Antenne verwirklicht, die einen parabolischen zylindrischen Reflektor aufweist, der durch die Rückstrahlung eines Kreuzdipols ausgeleuchtet ist. Diese Reflektorform bildet ein breites Strahlungsmuster in Azimuthrichtung und ein schmales bzw. enges Strahlungsmuster in Elevationsrichtung. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in einem Antennensystem verwirklicht, das vier dieser Antennen aufweist, die in den vier Quadranten angeordnet sind, wobei jede der Antennen einen Quadranten in Azimuthrichtung abdeckt. Das Antennensystem umfaßt weiterhin einen einpoligen Schalter mit vier Schalterstellungen (SP4T-Schalter). Das RF-Signal geht durch den SP4T-Schalter zu der Antenne des ausgewählten Quadranten, um das Signal in die gewünschte Richtung abzustrahlen, zur Bildung einer Verbindung mit einem Zielfahrzeug.
Ein beispielhaftes omnidirektionales Antennensystem 50 gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Vier Antennen 52, 54, 56 und 58 sind an einer Antennensystem-Halteplatte 60 mit Abständen von 90º montiert. Jede Antenne umfaßt einen parabolischen zylindrischen Reflektor und eine Kreuzdipol-Antenne, die angeordnet ist, um den Reflektor mit zirkularpolarisierter Strahlung auszuleuchten.
Die beispielhafte Antenne 52 ist in Fig. 2 in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Antenne umfaßt den Reflektor 62 und den Kreuzdipol 64, der sich senkrecht zur Mitte der Reflektoroberfläche erstreckt. Der Dipol umfaßt gegenüberliegende Langarmelemente 66 und 68 und gegenüberliegende Kurzarmelemente 70 und 72, die unter rechten Winkeln zu den Langarmelementen angeordnet sind. Sowohl die Lang- als auch die Kurzarmelemente sind an einem Element 74 gehalten bzw. gelagert, das einen Dipolhaltemast mit Speisenetzwerk bildet.
Die Querschnittsansicht von Fig. 3 zeigt die Anordnung des Dipolmastes und des Mittelleiters 76. Das Dipolspeisenetzwerk ist ein hohles, leitendes Rohrelement, das als Außenleiter einer koaxialen Übertragungsleitung wirkt. Der Mittelleiter 76 ist in das Speisenetzelement 74 eingesetzt und erstreckt sich von einem Koaxialverbinder 78 zu dem freiliegenden Endstück des Netzwerkes 74. Der Mittelleiter 76 ist ein festes, leitendes Element, und der Durchmesser des Leiters nimmt in einem Bereich zwischen dem freiliegenden Endstück und dem Verbinder 78 zu, um einen Impedanztransformationsabschnitt 80 zu bilden.
Fig. 4 zeigt den Mittelleiter 76 in größerer Genauigkeit. Das Ende 82 dient zum Anschluß an den Verbinder 78. Das Ende 84 endet in einem abgerundeten Endstück, das um 90º bezüglich des Körpers des Mittelleiters abgebogen ist. Das Endstück des Endes 84 ist an die Seite des Speisenetzwerkelementes 74 gelötet, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Impedanztransformationsabschnitt 80 hat eine Länge von einer Viertelwellenlänge (bezüglich der Mitte des Frequenzbandes) und der Durchmesser des Leiters hat eine solche Größe, daß er bei dieser Ausführungsform eine Impedanz von 37,5 Ohm bietet, um zwischen der charakteristischen 50 Ohm-Impedanz des Koaxialverbinders 78 an einem Ende der Koaxialleitung und der 25 Ohm-Impedanz des Kreuzdipols am anderen Ende der Koaxialleitung zu transformieren. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, bezieht sich der Durchmesser des Mittelleiters auf die charakteristische Impedanz der Koaxialleitung gemäß der Beziehung (138/(&epsi;)1/2)[log (D/d)], wobei &epsi; die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums darstellt, das den Mittel- und den Außenleiter trennt, wobei D der Innendurchmesser des Außenleiters und wobei d der Außendurchmesser des Mittelleiters ist.
Das Endstück des Netzwerkes 74 ist weiterhin in größerer Genauigkeit in dem Fig. 5 und 7 dargestellt. Das abgebogene Ende 84 des Mittelleiters 76 ist an das Endstück des Netzwerkes 74 an einem Ort 86 zwischen dem Langarm 68 und dem Kurzarm 72 gelötet, z.B. unter einem Abstand von 45º von jedem dieser Arme 68 und 72. Zwei Viertelwellenlängendrosseln 88 und 90 (bei der Mittenfrequenz des Bandes) sind in dem Netzwerkelement 74 an dessen Ende gebildet. Die Seite des Netzwerkes 74 in bezug auf die Drosseln, an die das Ende 84 gelötet ist, ist auf wirksame Weise der "Mittelleiter" in der Nomenklatur einer koaxialen Übertragungsleitung und die innere Seite des Netzwerkes 74 gegenüber dem gelöteten Ende 84 wirkt als der "Außenleiter". Die Viertelwellenlängendrosseln 88 und 90 bei der Mittenfrequenz fo des Bandes wirken als ein Symmetrierglied zwischen dem unsymmetrischen Eingang (die "koaxiale" Übertragungsleitung) und dem symmetrischen Ausgang (die Kreuzdipole). Das Ersatzschaltbild der Symmetrieranordnung ist in Fig. 6 gezeigt, wobei Xc = -jZa cot[πf/2fo] und XL = -jZb tan(πf/2fo), wobei Za die Impedanz der unsymmetrischen Koaxialleitung und Zb die Impedanz der symmetrischen Übertragungsleitung darstellt.
Fig. 7 zeigt die Drossel 70, die als eine schmale Kerbe in dem Netzwerk 74 ausgebildet ist, mit einer Tiefe von einer Viertelwellenlänge bei der Mittenfrequenz fo.
Wie es bekannt ist, sind bei zwei parallel angesteuerten orthogonalen Dipolen die kurzen Arme des Kreuzdipoles kürzer als eine halbe Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Antenne und die langen Arme sind etwas länger als eine halbe Wellenlänge. Die jeweiligen Längen der Dipolarme sind so gewählt, daß die Größenordnungen ihrer Eingangsimpedanzen gleich sind und der Phasenwinkel um 90º unterschiedlich ist. Die sich ergebende Kreuzdipolstruktur strahlt zirkular polarisierte elektromagnetische Strahlung ab. Wenn eine linear polarisierte Antenne für eine bestimmte Anwendung benötigt wird, kann ein einfacher Dipol verwendet werden, um den Reflektor auszuleuchten.
Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild, das den Betrieb des omnidirektionalen Antennensystems 50 erläutert. Die jeweiligen Antennen 52, 54, 56 und 58 sind mit dem SP4T-Schalter 94 über Koaxialleitungen 96, 98, 100 und 102 verbunden, die für jede Antenne mit dem jeweiligen Verbinder verbunden sind. Das RF-Eingangssignal an den Schalter auf der Leitung 104 kann zu einer beliebigen der vier Antennen 52, 54, 56 und 58 durch eine geeignete Steuerung des Schalters 94 geschaltet werden. Der Schalter 94 ist kommerziell verfügbar, z.B. das Schaltermodell 441C-530802 von Dowkey Microwave Corporation, 1667 Walter Street, Ventura, California 93003. Demgemäß kann das RF-Signal über eine der vier Antennen übertragen werden, wodurch eine wählbare omnidirektionale Bedeckung erzielt wird.

Claims

1. Antennensystem, das aufweist:

- wenigstens eine Antenne (52, 54, 56, 58) mit einem Reflektor (62), der eine parabolische zylindrische Reflektoroberfläche aufweist;

- eine Dipolstruktur (64) mit Dipolen (66, 68, 70, 72), die so angeordnet sind, daß die Rückstrahlung der Dipole (66, 68, 70, 72) die Reflektoroberfläche ausleuchtet;

- Mittel (74) zum Halten der Dipolstruktur (64) über der Reflektoroberfläche; und

- Mittel (74) zum Speisen eines RF-Anregungssignals in die Dipolstruktur (64),

dadurch gekennzeichnet, daß die Halte- und die Speisemittel (74) einen elektrisch leitenden, hohlen Haltemast, der sich von der Reflektoroberfläche aus erstreckt und an dem die Dipolstruktur (64) angebracht ist, und ein Mittelleiterelement (76) aufweisen, das sich durch den hohlen Haltemast unter Ausbildung einer koaxialen Übertragungsleitung erstreckt, und daß der Mast weiterhin ein erstes Ende aufweist, das über der Oberfläche angeordnet ist und an dem die Dipolstruktur (64) angebracht ist, und daß das Mittelleiterelement (76) weiterhin einen länglichen Körper und ein erstes und ein zweites Ende (84, 82) aufweist, wobei das erste Ende (84) in einem Endstück endet, das einen Winkel bezüglich des länglichen Körpers definiert, wobei das Endstück elektrisch mit dem Mast bei einem ersten Ende hiervon verbunden ist.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolstruktur (64) eine Kreuzdipolstruktur ist.

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolstruktur (64) in der Nähe des Fokus der Reflektoroberfläche gehalten ist.

4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Erhalten einer omnidirektionalen Strahlungsbedeckung, gekennzeichnet durch:

- eine Vielzahl von Antennen (52, 54, 56, 58), die so angeordnet sind, daß sie jeweilige Sektoren relativ zu der gewünschten Strahlungsbedeckung ausleuchten; und

- Mittel (74) zum selektiven Koppeln des RF-Ansteuerungssignals in eine ausgewählte Antenne der Antennen (52, 54, 56, 58), um das Signal auf den gewünschten Sektor abzustrahlen.

5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Koaxialverbinder (78), der sich unterhalb der Reflektoroberfläche erstreckt und mit dem das Mittelleiterelement (78) und der Mast verbunden sind, wobei der Koaxialverbinder (78) ein Mittel aufweist, um eine RF- Ansteuerungsquelle mit der wenigstens einen Antenne (52, 54, 56, 58) zu verbinden.

6. Antennensystem nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum selektiven Koppeln einen RF-Schalter (94) mit einem Eingangsanschluß (104) zum Empfangen des RF-Ansteuerungssignals und mit einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen aufweisen, wobei ein jeweiliger Ausgangsanschluß der Ausgangsanschlüsse elektrisch mit einer jeweiligen Antenne der Antennen (52, 54, 56, 58) gekoppelt ist.

7. Antennensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (52, 54, 56, 58) und der Schalter (94) an einer Grundplatte (60) festgelegt sind und daß die Ausgangsanschlüsse mit den jeweiligen Antennen (52, 54, 56, 58) durch eine Vielzahl von jeweiligen Koaxialübertragungsleitungen (96, 98, 100, 102) verbunden sind.

8. Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzdipolstruktur (64) ein erstes und ein zweites Langarmelement (66, 68), die sich einander gegenüberliegen und die jeweils eine Länge haben, die größer ist als die Hälfte der Wellenlänge der Kreuzdipol-Resonanzfrequenz, und ein erstes und ein zweites Kurzarmelement (70, 72) aufweist, die sich einander gegenüberliegen und so angeordnet sind, daß sie gegenüber den Langarmelementen (66, 68) um 90 Grad versetzt sind, wobei die Kurzarmelemente (70, 72) eine Länge haben, die geringer ist als die halbe Wellenlänge, und daß die Längen der jeweiligen Lang- und Kurzarmelemente (66, 68, 70, 72) derart ausgewählt sind, daß die jeweiligen Eingangsimpedanzen der Kurzarm- und Langarmdipole im wesentlichen gleich sind und daß die Phasendifferenz zwischen den jeweiligen Signalen, die von den jeweiligen Dipolen abgestrahlt werden, im wesentlichen 90 Grad beträgt.

9. Antennensystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Viertelwellenlängendrossel (88, 90), die in dem ersten Ende des Mastes definiert sind, wobei die Drosseln (88, 90) sich einander gegenüberliegend und zwischen jeweiligen der Lang- und Kurzarmelemente (66, 68, 70, 72) angeordnet sind, wobei die erste Drossel (88) mit einem Versatz von 90 Grad gegenüber dem Endstück des Mittelleiters angeordnet ist.

10. Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzdipolstruktur (64) dazu ausgelegt ist, zirkular polarisierte Strahlung abzustrahlen, und insbesondere dazu ausgelegt ist, die Reflektoroberfläche mit der polarisierten Strahlung auszuleuchten.

11. Antennensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite, die dritte und vierte Antenne (52, 54, 56, 58) auf eine kreissymmetrische Weise in jeweiligen Quadranten relativ zu der gewünschten Azimuthstrahlungsbedeckung angeordnet sind und daß die Mittel (74) um selektiven Koppeln eines RF-Ansteuerungssignals mit einer ausgewählten Antenne der Antennen das Signal in die Richtung des gewünschten Quadranten abstrahlen.

12. Antennensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (74) zum selektiven Koppeln einen einpoligen RF-Schalter (94) mit vier Schalterstellungen aufweisen, der einen Eingangsanschluß (104) zum Empfangen des RF- Ansteuerungssignals und einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Ausgangsanschluß aufweist, wobei ein jeweiliger Ausgangsanschluß der Ausgangsanschlüsse elektrisch mit einer jeweiligen Antenne der Antennen (52, 54, 56, 58) gekoppelt ist.