DE10041996A1 - Anordnung zur Beeinflussung und Steuerung elektromagnetischer Wechselfelder und/oder Antennen und Antennendiagrammen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beeinflussung und Steuerung elektromagnetischer Wechselfelder und/oder Antennen und Antennendiagrammen mit einem Träger als Montagefläche für planare oder dreidimensionale Strahlerelemente und Schalt-, Steuer- und Transmissions- oder Speiseelemente, wobei der Träger in einem hochfrequenten elektromagnetischen Quellfeld in einem Aperturraum angeordnet ist, auf dem Träger parallel oder dreidimensional zu den Aperturebenen Strahlerelemente angeordnet sind und die Strahlerelemente durch niederfrequente oder hochfrequente Signale oder eine Kombination davon einzeln oder paarweise angesteuert sind und die Elemente zur Ansteuerung der Strahlerelemente vollständig oder teilweise auf dem Träger angeordnet sind und die Anordnung in ihrer Signalzuweisung frei programmierbar und zeitlich änderbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Beeinflussung und Steuerung elektromagnetischer Wechselfelder und/oder Antennen und Antennendiagrammen.

Die Anwendungsgebiete der Erfindung erstrecken sich vorrangig auf die Bereiche der Kommunikationstechnik auf den Gebieten von stationären, portablen und mobilen Sende- und Empfangssystemen hochfrequenter elektromagnetischer Strahlungsquellen, insbesondere von geostationären oder umlaufenden Satellitensystemen und land- oder luftmobilen Quellen, der berührungslosen Sensortechnik, der Sicherheitstechnik und der Radartechnik.

Bekannte Verfahren zur Bewertung von Quellen elektromagnetischer Strahlung nutzen als Bewertungskriterium vorzugsweise quelleigene Signale oder für den Fall der bekannten Position oder Bewegungseigenschaft der Quelle, deren bekannte Raumkoordinaten oder Bewegungsinformation bzw. deren Bezug zu anderen bekannten Raumkoordinaten.

Im Bereich der Erfassung von geostationären Quellen, insbesondere im Bereich der geostationären Satellitensysteme, wird die Bewertung auf Grundlage bekannter Positionsdaten von Quelle und/oder Signalempfänger realisiert oder auf Basis eines Vergleichs der Transponderbelegung mit einer Referenzbelegung.

Die Nachführung eines solchen Empfangssystems erfolgt auf der Grundlage der Bewertung des Empfangssignales unter Einbeziehung externer Sensoren und/oder Daten über die Bewegungs- oder Richtungsinformationen des Beobachters.

Weitere bekannte Nachführ- und/oder Trackinglösungen auf Grundlage der elektronischen Diagrammsynthese und -bewertung haben insbesondere den Nachteil, durch den hohen apperativen und systemimanten Aufwand auf Anwendungen im Hochkostenbereich beschränkt zu bleiben. Sie sind grundsätzlich nicht für die Nachrüstung in bestehenden Systemen geeignet. Des weiteren Weiterhin gewährleisten die bekannten Systeme keine spektral einstellbare, differenzierte Wirkung in einem großen Bandbreitenbereich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer im sogenannten "Low-Cost-Bereich" angesiedelten Anordnung zur zielgerichteten Beeinflussung und Steuerung eines elektromagnetischen Feldes, vorzugsweise in Antennenanordnungen oder Erregern von Antennenanordnungen, vorzugsweise von Flächenstrahlern (2), mit der Möglichkeit der definierten Änderung der Komponenten des elektromagnetischen Strahlungsfeldes (3), so dass eine begrenzte, jedoch beliebig änderbare Synthese und/oder Formierung des Strahlungsdiagramms, vorzugsweise des oder der Strahlungsdiagrammmaxima in Form und zeitlicher Kontinuität, vorzugsweise in Form eines diskret oder kontinuierlich umlaufenden Maximums um die jeweilige Elevationsebene erreicht wird (4).

Aufgabe der Erfindung ist des weiteren, durch die erfindungsgemäße Anordnung die Form des resultierenden Strahlungsdiagramms an die jeweilige zu realisierende Funktion anzupassen (5), vorzugsweise des Strahlungsmaximums und dessen genaue Steuerung bei gleichzeitiger Gewinnung einer eindeutigen, zugeordneten Richtungsinformation, welche durch eine externe Steuer- und Auswerteeinheit vorgenommen wird (6).

Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung in der Realisierung einer Lösungsschar von planaren oder dreidimensionalen, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger angeordneten geeigneten parasitären, vorzugsweise passiven, Strahlungs- und Schaltelementen, die sich an die jeweilige Aufgabe der Feldbeeinflussung durch ihre gegenständliche Form anpassen lassen mit der Funktionalität, das resultierende Diagramm, vorzugsweise der kompletten Strahleranordnung oder von Teilkomponenten durch Änderung der Amplituden- und Phasenverteilung der Parasitärstrahler aufgabengemäß zu synthetisieren und die Möglichkeit zur spektralen Diversifizierung zu bieten (7). Die Aufgabe der Erfindung besteht außerdem in der vorzugsweisen Feldkopplung der erfindungsgemäßen Anordnung im Strahlersystem, ohne dass dabei die Funktionalität der Anordnung insgesamt in ihrer generellen Anwendung beeinflusst wird (8).

Die Anordnung soll zur Nachrüstung vorzugsweise in bestehenden Antennen- und/oder Strahlersystemen, sowohl mit transmittierenden als auch rezeptierenden Funktionalitäten geeigneter sein (10).

Die Feldbeeinflussung soll erfindungsgemäß diskret kontinuierlich, diskret oder kontinuierlich durch externe Steuer- und Schaltelemente oder Prozessoren erfolgen (11).

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verknüpfung der Steuersignale für die Feldsteuermatrix und die zeitverknüpfte Auswertung der gewonnenen Signale durch eine geeignete Anordnung von Prozessor- und Signalbehandlungskomponenten dergestalt, dass ein anwendungsspezifisches Signal gewonnen wird, welches eine ebenfalls anwendungsspezifische Aussage über die Änderung von Vektoren in Betrag und Phase (z. B. der Richtung) des empfangenen Quellfeldes zur Position der Empfangseinheit bei genauer Aussage über das Erreichen des Optimums (Vektor = 0,0) zulässt, ohne dabei die Systemfunktion insgesamt zu verändern oder zu beeinträchtigen (12).

Eine Aufgabe der Erfindung besteht ferner in der gegenständlichen Umsetzung der Lösung dergestalt, dass keinerlei mechanisch bewegte Komponenten erforderlich sind und die Anordnung als solche sich insgesamt mit hoher mechanischer Präzision bei geringstem Aufwand fertigbar ist, sowie eine hohe Toleranz gegenüber unterschiedlichen Umweltbedingungen gewährleistet (Temperatur, Luftfeuchte, aggressive Medien) (12).

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11.

Gemäß der Erfindung wird in Wellenausbreitungsrichtung im Quellfeld eines elektromagnetischen Wechselfeldes der Quelle I eine vorzugsweise planare oder dreidimensionale Anordnung II, welche durch ihren Aufbau und geometrische Positionierung in ihrer Funktionalität an die zu lösende Aufgabe angepasst wird (gemäß Abb. 1). Mit Hilfe der Anordnung II werden die komplexen H- bzw. E- Komponenten des elektromagnetischen Feldes durch steuerbare Überlagerung mit Hilfe der Anordnung II erfindungsgemäß synthetisiert (Abb. 2). Die geometrische Fixierung der Anordnung II im Bereich des Quellfeldes erfolgt anhand einer Aperturebene III und umfasst einen Aperturraum IV und ist aufgabenspezifisch bzw. lösungsspezifisch.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe (7) erfolgt weiterhin durch die Gestaltung der Anordnung II in Form einer EM-Quellfeldsynthese durch vorzugsweise planare oder dreidimensionale Strahlerelemente (VI), die vorzugsweise parallel zur Aperturebene III und IV auf einem geeigneten, vorzugsweise dielektrischen Träger (V) aufgebracht sind und in ihrer Anordnung aufgabenspezifisch verteilt sind und durch Steuerelemente bestimmter hochfrequenter Transmissionseigenschaften verbunden sind (VII) (Abb. 3). Die Anordnung der Strahlerelemente ist grundsätzlich im Bereich des Aperturraumes, welcher durch die beiden Aperturebenen eingeschlossen wird, lösungsspezifisch vorzugsweise parallel oder dreidimensional zur Aperturebene.

Die Generierung des parasitären Quellfeldes im Bereich des Aperturraumes erfolgt durch eine steuerbare Wechselwirkung der Strahlerelemente mit dem Quellfeld der Quelle 1 (passiv) oder lösungsspezifisch durch Überlagerung des Quellfeldes mit verstärkender Wirkung (aktiv) bzw. Speisung der Strahler durch eine zum Quellfeld in determinierter Beziehung (Phase und Amplitude) stehende Anregung (Fremdspeisung).

Die Ausführung der Strahler oder Strahlerpaare erfolgt erfindungsgemäß aufgabenspezifisch als planare Flächenstrahler, Dipol- oder Monopolanordnungen, Kombinationen aus vorgenannten oder sogenannten Aperturstrahlern. Die Anordnung der Strahlerelemente erfolgt in einer der Aufgabe angepassten Winkelbeziehung (α, β) zur Aperturebene, vorzugsweise in orthogonaler Richtung (Abb. 4).

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe (4, 5) erfolgt durch zeitliche Steuerung der Phasen- und Amplitudenbeziehung von einzelnen oder Gruppen von Strahlerpaaren gemäß der zu lösenden Aufgabe.

Die Gewinnung der zugeordneten Informationen (Richtung, Vektor) wird mit Hilfe der externen Steuer- und Auswerteeinheit in der Form vorgenommen, dass über einen oder mehrere Mikroprozessoren die erfindungsgemäße Anordnung gesteuert wird und über die verknüpfte Auswertung der Amplituden und Phasenlage der signalbehandelten Empfangssignalkomponenten eine eindeutige Zuordnung über die vektorielle Lage und zeitlichen vektoriellen Fortschritt des Ereignisses ermöglicht (Abb. 5).

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe (8) erfolgt durch das Einbetten der erfindungsgemäßen Anordnung II n einen geeigneten niederdielektrischen Kunststoff mit geringen dielektrischen Verlustfaktor und geringer Dielektrizitätskonstante, dergestalt, dass die Anordnung von einem vorzugsweise geschlossenzelligen, oberflächlich verhauteten Polyurethanhartschaum eines Volumengewichtes zwischen 120 kg/m³ . . . 250 kg/m³ vollständig umschlossen wird.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.

In der Abb. 6 ist die EM-Feldsteuermatrix für den Fall der kreisrunden Apertur des Quellfeldes für die Nutzung in einem Reflektorantennensystem gem. Abb. 7 dargestellt.

An den Stellen 6.2 befindet sich jeweils ein Paar von Strahlerelementen, welches als Linearstrahler in Dipolform ausgebildet ist und orthogonal zur Darstellungsebene mit dem Netzwerk verbunden ist. An den Stellen 6.2 wird je ein Strahlerpaar durch ein Bauelement, in diesem Fall eine geeignete PIN Diode, miteinander verbunden. Durch die räumliche Verteilung der Strahlerpaare insgesamt und den Abstand und die Länge der Einzelstrahlen wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst. Die Ansteuerung der Strahlerpaare erfolgt durch den Logikbaustein an der Stelle 6.3, der gleichzeitig die Verbindung zur Auswerte- und Steuereinheit über die Schnittstelle 6.5 realisiert.

Die Anschaltung der Steuerleitungen und der hochfrequenten Wellenleiter erfolgt im Ausführungsbeispiel in Microstriptechnik.

Der dielektrische Träger 6.4 wurde im Ausführungsbeispiel zwecks Minimierung der Verluste mittig mit einer Aussparung versehen, welche in einem Verhältnis mit der Apertur des Quellstrahlers korreliert.

In der Abb. 7 ist die Anordnung der erfindungsgemäßen Komponenten für den Fall des Einsatzes in einer Offset-Reflektorantenne wiedergegeben.

Die Reflektorantenne 1 und das Empfangssystem (LNB oder LNC) 2 stellen die übliche Anordnung dar. Die Antennenanordnung sei mit einem Positioniersystem in Azimut und Elevation verbunden. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird die EM-Feldsteuermatrix 3 zwischen Reflektor und Horn des LNB fest angebracht und zwar in einem Abstand v. 2 cm von der Hornaußenkante. Das vom LNC abgebende Signal 5 wird der Auswerte- und Steuereinheit 6 zugeführt und von dieser unbeeinflusst wieder abgegeben 7. Intern erfolgt eine Leistungsteilung zwecks Signalweiterverarbeitung. Die EM-Feldsteuermatrix ist mit der Auswerte- und Steuereinheit durch ein Buskabel 5 verbunden. In der Auswerte- und Steuereinheit erfolgen Signalverarbeitung und -auswertung erfindungsgemäß. Die gewonnenen Richtungsinformationen werden über ein entsprechendes Bussystem 8 an das herkömmliche elektromechanische Positioniersystem weitergegeben, zum Zweck der Nachführung der Antenne auf ein bewegtes Ziel (Satellitenempfang während der Fahrt mit einem Boot).

Die Änderung der Strahlbeeinflussung wird adaptiv mit der Änderung der Nachführaufgabe vorgenommen.

Claims (11)

1. Anordnung zur Beeinflussung und Steuerung elektromagnetischer Wechselfelder und/oder Antennen und Antennendiagrammen, gekennzeichnet durch,
einen Träger als Montagefläche für planare oder dreidimensionale Strahlerelemente und Schalt-, Steuer-, Transmissions- oder Speiseelemente;
der Träger in einem hochfrequenten elektromagnetischen Quellfeld in einem Aperturraum, begrenzt durch die Aperturflächen III und IV angeordnet ist;
auf dem Träger parallel oder dreidimensional zu den Aperturebenen III und IV Strahlerelemente angeordnet sind;
die Strahlerelemente durch niederfrequente oder hochfrequente Signale oder eine Kombination davon einzeln oder paarweise angesteuert sind;
die Elemente zur Ansteuerung der Strahlerelemente vollständig oder teilweise auf dem Träger angeordnet sind;
die Anordnung in ihrer Signalzuweisung frei programmierbar und zeitlich änderbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein dielektrischer Träger ist, dessen Material in seiner äußeren und inneren Form frei wählbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente als planare Flächenstrahler, Dipol- oder Monopolanordnungen, Aperturstrahler, dielektrische Bildleiterelemente oder Kombinationen davon ausgeführt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Strahlerelemente mittels Schalt-, Steuer- und Transmissionselementen erfolgt und wahlweise in Microstrip-, Triplate-, Microslot-, dielektrischer Bildleiter- oder Hohlleitertechnik ausgeführt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung der Strahler oder Strahlerpaare der zu lösenden Aufgabe angepasst ist und diese frei auf dem Träger verteilt sind;
die Strahler oder Strahlerpaare dreidimensional mit weiteren Trägern angeordnet sind;
die Strahler oder Strahlerpaare fest fixiert oder mechanisch schwenkbar angeordnet sind;
der Winkel der Strahler oder Strahlerpaare zueinander bezogen auf die Flächennormale konstant ist;
mindestens zwei Einzelstrahler zu Strahlerpaaren zusammengefasst sind;
die Strahler beliebig in Bezug auf ihre geometrische Mitte auf dem Träger montiert sind;
der Träger als planare oder gekrümmte Fläche oder dreidimensional ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
sie zum Quellfeld sowohl direkt als auch in einfach und doppelt fokussierenden Antennenanordnungen sowohl direkt oder offset erregt, angeordnet ist;
die Strahlerelemente durch geeignete hochfrequenztechnische Bauelemente in SMD-Technik verknüpft sind;
die Anordnung insgesamt auf dem dielektrischen Träger oder in MMIC, HBT, Epitaxi ausgeführt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
sie in einem niederdielektrischen Kunststoff mit geringem dielektrischem Verlustfaktor und geringer Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise einem geschlossenzelligen Polyurethanschaum eines Volumengewichtes zwischen 120 kg/m³ bis 250 kg/m³ eingeschlossen ist;
die Strahlerelemente sowohl als H- oder E-Feld sensitive oder wechselwirkende Bauelemente ausgeführt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer externen Auswerte- und Steuereinheit verbunden und informationstechnisch verknüpft ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die externe Auswerte- und Steuereinheit die Anordnung so steuert und kontrolliert, dass dem Quellfeld ein Steuerfeld überlagert ist, welches zu einer definierten Änderung der Strahlungseigenschaften, vorzugsweise der Strahlungseigenschaften in Hauptstrahlungsrichtung, führt, vorzugsweise in Form eines elektrisch steuerbaren umlaufenden Maximums oder Minimums bei steuerbarer Änderung der Winkelbeziehungen in azimualer und Elevationsebene der Hauptstrahlungsrichtung;
das so generierte Signal einer Signalbehandlung und Auswertung unterzogen ist und eine Phasen- und Amplitudenbeziehung zwischen Steuersignalen und Auswertesignalen durch den Einsatz geeigneter Signalbehandlungstechniken besteht;
die Abweichung der Lage und des zeitlichen Fortschritts des Positionsvektors in Orthogonalen zur Aperturebene eindeutig auswertbar ist;
ein entsprechendes Nachführsignal generiert ist;
die Steuersignale adaptiv an die Art und das zeitliche Verhalten der Änderung angepasst sind;
die Steuereinheit über Schnittstellen für die Ansteuerung von Baugruppen für elektromechanische Bewegungsmodule oder deren Komponenten verfügt;
die Steuereinheit über die Möglichkeit der adaptiven Nullsteuerung der Strahlungscharakteristik verfügt (Vektor in orthogonaler Richtung zur Aperturebene);
die Steuereinheit über Einrichtungen zur Signalbehandlung im Original- und/oder in einem Zwischenfrequenzbereich verfügt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Primärstrahlersystemen verbunden in Reflektor- oder Flächenstrahlersystemen angeordnet ist und die resultierenden Strahlungseigenschaften des gesamten Antennensystems steuert.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung vorzugsweise zum Zweck der adaptiven Nachführung von Signalen in elektromechanisch bewegten Antennenanordnungen eingesetzt ist.