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Die
Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Antenne, umfassend eine
Vielzahl von Antennenelementen, die im Bereich der Oberfläche eines
beweglichen Geräts
angeordnet ist.
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Für die Übertragung
großer
Datenmengen zwischen unbemannten Fluggeräten, Flugzeugen, Fahrzeugen
und ortsfesten Stationen über
große Entfernungen
sind nachführbare
gebündelte
Antennen erforderlich, die sich selbsttätig und entsprechend der Fortbewegungsgeschwindigkeit
des jeweiligen Geräts
auf die Gegenstelle ausrichten können.
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Der
Einsatz von mechanisch schwenkbaren oder phasengesteuerten Richtantennen,
die meistens mit entsprechend großen Radomen verkleidet sind,
ist wegen des erheblichen Raumbedarfes beispielsweise in kompakten
Fluggeräten
nur bedingt möglich.
Grundsätzlich
werden in beweglichen Geräten
ortsfest eingebaute Antennen gegenüber mechanisch bewegbaren Antennen
aufgrund der geringeren Empfindlichkeit gegenüber stärkeren mechanischen Belastungen
bevorzugt. Deshalb wurden verstärkt
phasengesteuerte Antennen entwickelt, deren Richtwirkung ohne mechanische
Antriebe veränderbar
ist und die deshalb auch wesentlich schneller auf eine neue Richtung
positionierbar sind. Phasengesteuerte Richtantennen sind aber wegen
der erforderlichen großen
Anzahl von Teilantennen sehr aufwändig, da jede der Teilantennen
phasen- und amplitudenkontrolliert angesteuert werden muss.
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Phased-Array-Antennen
sind im allgemeinen bekannt. Die
US 4.656.482 A1 beschreibt eine in der Tragfläche eines
Fluggeräts
einbaubare Phased-Array-Antenne.
Diese Antenne ist für
den gleichen Verwendungszweck konzipiert, benötigt aber einen erheblichen
Aufwand an Bauteilen für
die Ansteuerung der einzelnen aktiven Antennenelemente, da jede der
vielen Teilantennen phasen- und amplitudenkontrolliert angesteuert
werden muss. Die Breitbandigkeit dieses Antennentyps ist bemerkenswert,
die gesteuerte Einstellbarkeit der Richtwirkung ist insbesondere
in der Elevationsrichtung jedoch eingeschränkt. Schließlich ist zur Erzeugung der
Richtwirkung eine nicht unerhebliche Ausdehnung in der Basisebene
notwendig.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine phasengesteuerte Antenne
zum Einbau im Bereich einer Außenfläche eines
beweglichen Geräts,
vorzugsweise eines Fluggeräts,
zu entwerfen, welche die vorgenannten Nachteile des bekannten Standes der
Technik vermeidet, sich durch vereinfachte Bauweise und elektrische
Ansteuerung auszeichnet und die gerade hinsichtlich der flächigen Ausdehnung ohne
Einschränkung
der elektrischen Daten kompakter ausgeführt werden kann.
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Die
Aufgabe wird in einfacher Weise durch die in den Ansprüchen 1 und
5 wiedergegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den nachbezogenen Ansprüchen 2 bis
14 beschrieben.
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Der
besondere Vorteil der erfindungsgemäßen phasengesteuerten Antenne
ist neben der leichten Integrierbarkeit in vorgegebene Strukturen
beweglicher Geräte
auch der geringe Platzbedarf in der Ebene, in der die Antennenelemente
angeordnet sind. Es ist vorteilhaft, dass in einer Ebene nur eine im
Vergleich zum Stand der Technik geringe Anzahl von einzelnen Antennenelementen
benötigt
wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass zwei oder mehrere Ebenen mit
gleichartiger Anordnung von Antennenelementen übereinander eine zusätzliche
Verbesserung der Richtwirkung und damit eine Erhöhung des Antennengewinns in
Elevationsrichtung bewirken. Mit hochfrequenten Signalen wird vorteilhafterweise
nur das zentrale aktive Antennenelement gespeist, während die
Ausrichtung in Elevations- und Azimutrichtung ausschließlich über Steuersignale
erfolgt, mit deren Hilfe die elektrisch wirksame Länge der
passiven Antennenelemente verändert
wird. Somit entfallen die im geläufigen
Stand der Technik notwendigen aufwändigen Netzwerke zur phasenrichtigen
Speisung einzelner Antennenelemente.
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Wird
die Antenne zum Empfang verwendet, ist es von Vorteil, dass der
Wirkungsgrad der Antenne hoch ist, da keine Verteiler- und Phasenschiebernetzwerke
vorhanden sind, deren Verluste den Wirkungsgrad vermindern.
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Die
einzelnen Antennenelemente können wahlweise
als Monopole oder Dipole in geeigneten Bauformen ausgeführt sein.
Die Verkopplung kann bauartbedingt mittels geeigneter Wahl der jeweiligen Querabmessung
bzw. des Durchmessers der Antennenelemente und/oder auch durch die
Wahl des Abstandes zwischen den einzelnen Antennenelementen beeinflusst
werden.
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Die
kontrolliert gesteuerte Einstellung der Phasenwirkung der einzelnen
passiven Antennenelemente erfolgt in einfacher Weise durch Zuschaltung oder
Abschaltung bzw. Überbrückung passiver
Bauelemente wie Kapazitäten
oder Induktivitäten,
durch Zuschaltung oder Abschaltung von steuerbaren Bauelementen
wie beispielsweise Kapazitätsdioden
oder Variometern, sowie auch durch Zuschaltung von Leitungen. Die
Ansteuerung der steuerbaren Bauelemente kann analog oder auch digital
mittels D/A-Wandler erfolgen.
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Zur
Verbesserung der Richtwirkung in Elevationsrichtung werden vorteilhafterweise
zwei oder mehrere Ebenen mit gleichen Gruppen von aktiven und passiven
Antennenelementen übereinander
angeordnet, wobei ein Abstand von mindestens einem Drittel der Betriebswellenlänge zwischen
den Enden der Antennenelemente verschiedener Ebenen eingehalten
werden soll. Das Antennendiagramm der Gesamtanordnung der phasengesteuerten
Antenne in der Elavationsrichtung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise
mittels individueller Ansteuerung jeder Ebene hinsichtlich Betrag
und Phase des Signals. Der Abstand zwischen zwei Ebenen soll mindestens ¾ λ der Betriebswellenlänge betragen.
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Eine
phasengesteuerte Antenne der erfindungsgemäßen Bauart eignet sich gut
zur Integration im Bereich der Kontur eines beweglichen Geräts, besonders
gut natürlich
zum Einbau in aerodynamische Wirkflächen wie Tragflügel, Leitwerk
oder Klappen eines Fluggeräts.
Ebenso gut kann der Einbau in ein aerodynamisch geformtes Gehäuse erfolgen,
das in einem bestimmten Abstand von der Kontur des eigentlichen
Fluggeräts
mit Hilfe eines Ständers
montiert ist. Je nach Einbauort variiert dann auch der maximale
Bereich der nutzbaren Richtungen für Empfang und Abstrahlung von
Signalen.
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Die
phasengesteuerte Antenne kann vorteilhafterweise auch in den Flügelenden
eines Fluggeräts
eingebaut sein, wobei die Flügelenden
derart um eine in Flugrichtung ausgerichtete Achse am Flügel verschwenkbar
gelagert sind, dass während
des Fluges sich das jeweilige Flügelende
immer etwa in der Horizontalen befindet.
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Schließlich wird
noch eine besonders vorteilhafte Bauform der Antennenanordnung vorgeschlagen,
bei der senkrecht zu einer Grundebene, die auch vielschichtig ausgeführt sein
kann und mehrere Leiterbahnen oder -flächen aufweist, weitere streifenförmige Platten,
welche die Antennenelemente und die zu deren Steuerung erforderlichen
Bauelemente enthalten, angeordnet sind
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Aufgrund
der kompakten Abmessungen wird auch die Radar-Ortbarkeit der Antenne
reduziert. Somit können
im Fall von Fluggeräten
auch die Abwehrmaßnahmen
(z. B. Flare Jammer) gegen die Bedrohung vom Boden deutlich vermindert
werden. Außerdem
wird die Ortbarkeit vom Boden her reduziert, da nur in Richtung
der Gegenstelle abgestrahlt wird. Aufgrund der guten Bündelung
in Azimut und Elevation wird wegen der geringeren notwendigen Sendeleistung
die Ortbarkeit vom Boden aus reduziert, da nur in Richtung der Gegenstelle
abgestrahlt wird. Dadurch wird die bereitzustellende elektrische
Energie reduziert.
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Ein
schematisch vereinfachtes Ausführungsbeispiel
ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen
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1: die erfindungsgemäße phasengesteuerte
Antenne mit einer Anordnung in einer Ebene,
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2a: verschiedene Ausführungsformen von
Bauelementen zur Veränderung
der elektrisch wirksamen Länge
eines Antennenelements,
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2b: ein Antennenelement
mit integrierten Bauelementen zur Veränderung seiner elektrisch wirksamen
Länge,
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3: die Anordnung der phasengesteuerten
Antenne im Bereich der Flügelenden
eines Fluggeräts,
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4a: eine Antennenanordnung
in einem schwenkbaren Flügelende,
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4b: die Verschwenkung der
Flügelenden während eines
Fluges,
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5: die Anordnung einer phasengesteuerten
Antenne innerhalb eines Flügelendes,
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6a: eine Aufsicht auf die
Grundplatte einer vorteilhaften Bauform der Antenne,
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6b: eine Schrägansicht
auf die Grundplatte mit darauf angeordneten streifenförmigen Platten,
welche die passiven Antennenelemente enthalten,
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7: Ausführungsbeispiele für streifenförmige Platten
mit passiven Antennenelementen.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße phasengesteuerte
Antenne, die in einer Ebene angeordnet ist, die durch die Kreise
K und L aufgespannt wird und die sich etwa parallel zur Längsachse
eines nicht näher
dargestellten beweglichen Geräts,
insbesondere eines Fluggeräts
erstreckt. Unter der Längsachse
wird hierbei die Hauptbewegungsrichtung des jeweiligen Geräts verstanden.
Somit kann die Ebene E vorzugsweise etwa horizontal oder auch vertikal
ausgerichtet sein, sowie in jeder Zwischenposition zwischen den
genannten Lagen.
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Um
ein zentral angeordnetes aktives Antennenelement 1 ist
zumindest auf einem imaginären Kreis
K eine Gruppe von passiven Antennenelementen 2, 2a,.., 2c platziert.
Der Radius des imaginären Kreises
beträgt
hierbei ein Vielfaches n eines Viertels der Betriebswellenlänge λ, wobei n
= 1, 2, 3,... gilt. Die Gruppe kann einerseits so gestaltet sein,
dass sie eine kleine Anzahl zueinander beabstandet angeordneter
Antennenelemente 2a, 2b, 2c (das bedeutet eine „Gruppe" im engeren Sinn)
umfasst, sie kann andererseits auch diejenigen Antennenelemente 2 umfassen,
die zueinander beabstandet und gleichmäßsig verteilt um das aktive
Antennenelement 1 herum angeordnet sind.
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Eine
deutliche Verbesserung der Bündelung der
phasengesteuerten Antenne erhält
man durch Anordnung weiterer Antennenelemente 3 als Gruppe im
oben beschriebenen Sinn auf wenigstens einem weiteren außen liegenden
Kreis L. Der Radius des jeweils nächsten äußeren Kreise ist dann etwa
0,2 ... 0,3 x Betriebswellenlänge λ größer als
der Radius des nächstinneren
Kreises.
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Als
Antennenelemente 2, 2a,... 3 finden übliche Monopole
oder Dipole Verwendung, wobei die passiven Antennenelemente mit
phasenschiebenden Bauelementen wie Kondensatoren oder Induktivitäten ausgestattet
sind, die gesteuert zu- oder abschaltbar sind. Gleichwirkend ist
auch eine kontinuierliche Veränderung
der Kapazität
mittels Kapazitätsdioden
oder eine Veränderung
der Induktivität durch
Einsatz von Variometern möglich.
Beispiele a, b, c hierfür
sind in der 2a aufgezeigt.
Hierbei dienen Umwegleitungen und Spulen, zu denen zu- oder abschaltbare
Dioden in geeigneter Weise parallel oder seriell hinzugefügt werden,
zur Veränderung
der elektrisch wirksamen Länge
des jeweiligen Antennenelements.
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Die 2b zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Antennenanordnung mit einer Beschaltung zum Zweck der Beeinflussung
der elektrisch wirksamen Länge
des Antennenelements, bei dem Kapazitätsdioden als steuerbare elektronische
Bauteile zum Einsatz kommen. Weiterhin ist auch eine kontinuierliche Veränderung
der Kapazität
oder Induktivität
zum Beispiel durch Kapazitätsdioden
oder durch Variometer möglich.
Eine mechanische Veränderung
der Länge jedes
passiven Antennenelements ist ebenso gut möglich.
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Im
konkreten Anwendungsfall wird somit jedenfalls zur Änderung
der Abstrahlrichtung die jeweilige Phasenlage jedes passiven Antennenelements 2, 2a,... 3 mittels
Veränderung
seiner elektrisch wirksamen Länge
bewirkt. Die Ansteuerung der phasenverändernden Elemente erfolgt in
jedem Fall über Steuersignale
und nicht mittels hochfrequenter Signale, deren Führung besonderer
Maßnahmen
bedarf.
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Die
Erregung der passiven Antennenelemente 2, 2a,... 3 erfolgt über die
gegenseitige Verkopplung. Dadurch wird der Pegel von innen nach außen immer
kleiner. Dies ist hinsichtlich der ohnehin erwünschten Unterdrückung der
Nebenzipfel des Strahlungsdiagramms nur von Vorteil (tapering).
Die Intensität
der Verkopplung kann in einer bestimmten Bandbreite mittels geschickter
Wahl der Querabmessung bzw. Dicke beeinflusst werden. Auch die Anpassung
des gegenseitigen Abstandes der passiven Antennenelemente 2, 2a,... 3 untereinander
verändert den
Grad der gegenseitigen Kopplung.
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Funktionell
vergleichbar ist die erfindungsgemäße Antennenanordnung mit einer
Yagi-Antenne, die eine ähnlich
verbesserte Richtwirkung in der Horizontalen aufweist. Zusätzlich ist
eine Schwenkung des Antennendiagramms in der Horizontalen ohne Gewinnverlust
möglich. Ähnlich wie
bei der Yagi-Antenne tritt auch hier eine begrenzte Bündelung
in der Elevationsrichtung auf.
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Aus
diesem Grund wird erfindungsgemäß empfohlen,
wenigstens eine weitere Gruppe von Antennenelementen wie die vorstehend
beschriebene unter oder über
der bestehenden Gruppe anzuordnen. Der Abstand von Dipolspitze zu
Dipolspitze soll dabei mindestens ein Drittel der Betriebswellenlänge betragen.
Natürlich
erfolgt die Speisung der zentralen Antennenelemente und der bezüglich der
Phasenlage gesteuerten passiven Antennenelemente in der oder den
weiteren Gruppen in der gleichen, oben beschriebenen Weise. Das
Antennendiagramm der Gesamtanordnung der phasengesteuerten Antenne in
der Elevation mittels individueller Ansteuerung der jeweiligen Ebene
hinsichtlich Betrag und Phase beeinflusst. Damit kann einerseits
der Gewinn in der Elevationsrichtung erhöht werden und andererseits die
Strahlrichtung in der Elevationsrichtung in einem bestimmten Bereich
nachgeführt
werden. In der Regel ist bei allen gängigen Einbauorten die erforderliche
Einbautiefe vorhanden.
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Die
tatsächliche
Größe der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
ist selbstverständlich
abhängig
von der gewählten
Betriebsfrequenz. Beispielsweise ergibt sich für eine Antenne mit einer Bündelung
in der Horizontalen von etwa 30 dB bei einer Betriebsfrequenz von
10 GHz ein Durchmesser in der Größenordnung
von 30 – 40
cm. Ein Betrieb der erfindungsgemäßen Antenne ist in einem weiten Frequenzbereich
möglich.
Realistisch ist hierbei der Bereich von 1 bis 100 GHz, ideal von
der Dimensionierung ist in der praktischen Anwendung der Bereich um
18 GHz. Diese Frequenz ist zudem noch hinsichtlich der Ausbreitungsbedingungen
besonders günstig.
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Die
erfindungsgemäße Antennenanordnung eignet
sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise gut zur Integration an verschiedenen
Einbauorten in oder an beweglichen Geräten. Hierbei seien zunächst bemannte
oder unbemannte Rad- oder Ketten-Fahrzeuge
erwähnt,
die mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung
im Bereich der seitlichen oder oberen Außenflächen der Karosserie auf einfache
Weise ausgestattet werden können.
Gleiches gilt für
die Anwendung im Bereich der Aufbauten von Schiffen.
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In
vorteilhafter Weise eignet sich die Antennenanordnung jedoch für den Einbau
in aerodynamischen Wirkflächen
von unbemannten oder bemannten Fluggeräten. Aufgrund der geringen
Querabmessungen ist der Einbau in Tragflächen unproblematisch. Da ein
gewisser Abstand zu den Außenkanten eingehalten
werden kann, kann deren Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik
vernachlässigt
werden. Die erforderliche Tiefe für den Einbau einer Antennenanordnung
mit zwei oder mehreren Ebenen ist in einer Tragfläche in aller
Regel kein Problem.
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In
besonderer Weise eignet sich die erfindungsgemäße Antennenanordnung für den Einbau
in dünnen
aerodynamischen Wirkflächen,
wie Seiten- und Höhenleitwerken,
sowie in Entenflügeln.
Hierbei bildet im einfachsten Fall eine Ebene E, in der die Antennenelemente 1, 2,..., 3 angeordnet
sind, die Symmetrieebene der aerodynamischen Wirkfläche. Werden
mehrere gleichartige Ebenen von Antennenanordnungen verwendet, so
fällt deren
Mittelebene mit der Symmetrieebene zusammen. Bei profilierten dünnen aerodynamischen
Wirkflächen
gilt dies in angenäherter
Weise.
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Die 3 zeigt eine Einbaumöglichkeit,
für welche
die erfindungsgemäße Antennenanordnung aufgrund
ihrer geometrischen Ausdehnung sehr gut geeignet ist, nämlich die
Flügelenden
eines unbemannten oder auch bemannten Fluggeräts 5. Die Ebene E
erstreckt sich hierbei etwa in der Mittelebene des Flügelprofils.
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Eine
Detaillösung
hierzu ist in der Skizze der 4a dargestellt.
Das Flügelende 4,
das die gesamte Antennenanordnung enthält, ist um eine etwa in der
Mittelebene in Flugrichtung verlaufende Schwenkachse 6 drehbar
gelagert. Die Skizze 4b zeigt schematisch vereinfacht,
wie die Flügelenden 4 bei
schräger
Fluglage des Fluggeräts 5 mit
Hilfe geeigneter Antriebe so verschwenkt werden können, dass
die Ebene E der Antennenanordnung immer etwa in der Horizontalen
zu liegen kommt.
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Somit
deckt je eine Antenne im Fall des Einbaus in die Flügelenden 4 den
halben Azimutbereich ab. Deshalb kann die Anzahl der passiven Antennenelemente 2, 2a,... 3 bei
dieser Bauform, die in 5 in
der Draufsicht dargestellt ist, an der zum Rumpf des Fluggeräts zeigenden
Seite verringert werden. Die Antennenanordnungen in beiden Flügelenden
ergänzen
sich somit gegenseitig bei der Abdeckung des gesamten Azimutsbereichs.
Es ist auch denkbar, den schwenkbaren Teil der Antennenanordnung
mit einem Radom zu verkleiden.
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Die
Realisierung der vorgeschlagenen Antennenanordnung erfolgt in kostengünstiger
und zweckmäßiger Weise
auf einer ein- oder mehrschichtigen Platte 7, die grundsätzlich aus
einem isolierenden Trägermaterial
besteht und die auch alle erforderlichen Zuleitungen 15 zu
dem aktiven und den passiven Antennenelementen 1, 2, 3,
sowie deren Befestigungsvorrichtungen enthält. Weiterhin ist in einer
geeigneten Schicht, vorzugsweise auf der Unterseite der Platte 7 eine
in der Skizze nicht näher
dargestellte Massefläche
als Bezugspotential vorgesehen, die insbesondere bei der Verwendung
von Monopolen zwingend erforderlich ist.
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Die
passiven Antennenelemente 2,..., 3 sind auf konzentrischen
Kreisen K, L, M angeordnet und mit den auf der Platte 7 befindlichen
Zuleitungen elektrisch verbunden. An denjenigen Stellen, an denen
jeweils ein passives Antennenelement 2,..., 3 angeordnet
ist, können
beispielsweise Ausnehmungen A in der Platte 7 eingelassen
sein, deren Zweck im Zusammenhang mit der 7 später
beschrieben wird.
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Die 6b zeigt eine konstruktiv
einfache Möglichkeit,
die jeweils benötigten
passiven Antennenelemente 2,..., 3 auf konzentrischen
Kreisen K, L, M um das aktive Antennenelement 1 herum anzuordnen.
Hierzu werden die passiven Antennenelemente 2,..., 3 auf
streifenförmigen
Platten 8,..., 11 angebracht oder mittels üblicher
Herstellverfahren ausgebildet. Die streifenförmigen Platten weisen auf isolierendem
Trägermaterial
angeordnete elektrisch leitfähige
Bahnen oder Flächen
auf, die einerseits der elektrischen Verbindung von Bauelementen 12 dienen,
aber auch zur Erzeugung der Antennenelemente selbst oder von Teilen
hiervon verwendet werden können.
Vorzugsweise auf den streifenförmigen
Platten sind auch diejenigen elektrischen Bauelemente 12 angebracht,
die für
die aktive Veränderung
der elektrischen Länge
eines passiven Antennenelements benötigt werden.
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Die 7 zeigt schließlich eine
Seitenansicht einer bereits aus der Beschreibung zu 6b bekannten streifenförmigen Platte 8,...,11.
An der Oberkante sind jeweils im Bereich der passiven Antennenelemente 2 Fortsätze 13 mit
etwa rechteckigem Querschnitt erkennbar. Diese werden beim Zusammenbau
der gesamten Antennenanordnung 7, 8,..., 11 in
die aus 6a bekannten
Ausnehmungen A der Grundplatte 7 gesteckt und ergeben damit
einen formschlüssigen Übergang
zwischen beiden beteiligten Platten. Gleichwirkende Verbindungsmöglichkeiten
zwischen der Grundplatte und der oder den streifenförmigen Platten
sind genau so gut einsetzbar. Angedeutet ist weiterhin die Positionierung
der einzelnen Antennenelemente 2 auf der streifenförmigen Platte 8.
Im Ausführungsbeispiel
sind dabei (vgl. 2b)
die elektrisch nicht veränderbaren
Teilelemente 14 des jeweiligen Antennenelements 2 als
Leiterbahnen ausgeführt,
wobei die zwischen den Teilelementen verbleibenden Freiräume für die Montage der
die elektrisch wirksame Länge
bestimmenden Bauteile 12 verwendet werden.
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Schließlich eignet
sich die Antennenanordnung sehr gut für die Montage in Gehäusen, die
außerhalb
der Kontur von beweglichen Geräten
derart montiert werden, dass die Bezugsebene E etwa parallel zur
Längsachse
des beweglichen Geräts
verläuft.
Bei der Verwendung an Fluggeräten
wird dieses Gehäuse
aerodynamisch günstig
gestaltet.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen und oben beschriebenen
Antennenanordnung an einem beweglichen Gerät, insbesondere einem bemannten oder
einem unbemannten Fluggerät.