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Dokumentenidentifikation DE602004005635T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001501156
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Kompensation der Depolarisation eines Radoms
Anmelder The Boeing Co., Chicago, Ill., US
Erfinder Monk, Anthony D., Seattle, Washington 98115, US
Vertreter Patentanwälte Möll und Bitterich, 76829 Landau
DE-Aktenzeichen 602004005635
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 17.06.2004
EP-Aktenzeichen 040767808
EP-Offenlegungsdatum 26.01.2005
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 1/42(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01Q 1/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01Q 21/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antennensysteme und speziell ein System und ein Verfahren zum Kompensieren der Depolarisation eines Signals, welches durch ein Radom eines Antennensystems passiert.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein Antennensystem in einem Flugzeug oder einem anderen Fahrzeug ist typischerweise durch ein aerodynamisch geformtes Radom abgedeckt. Das Antennensystem beleuchtet die Radomfläche über wenigstens einen Teil des Antennenabtastbereichs mit schiefen Einfallswinkeln. Radome jedoch haben die Neigung, elektromagnetische Wellen, die mit schiefem Einfallswinkel durch sie hindurchdringen, zu depolarisieren. Somit kann ein Kreuzpolarisationsniveau eines Signals ansteigen, wenn das Signal durch ein Radom in einem schiefen Winkel passiert.

Die Radomwandkonstruktion kann modifiziert werden, beispielsweise durch Justieren der Dicken von Kern- und Zentralhaut, um die Depolarisation zu reduzieren. Studien haben jedoch gezeigt, dass derartige Verbesserungen nur einen begrenzten Effekt haben und Übertragungsverluste, Radomgewicht und Kosten ansteigen lassen können. Daher existiert ein Bedarf nach einem System und einem Verfahren zum Reduzieren der Radomdepolarisation ohne eine Radom-Modifizierung zur Folge zu haben.

US 5,185,608 beschreibt ein Verfahren zum Korrigieren der Radomdepolarisation durch Anwenden eines Offsets auf ein Signal in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel des Signals auf das Radom.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist nach einem Aspekt auf ein Verfahren zum Reduzieren der Depolarisation eines drahtlosen Signals gerichtet, welches durch ein Antennenradom hindurchtritt, wie in Anspruch 1 beschrieben.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Antennensystem vorgesehen, wie in Anspruch 2 beschrieben.

Wenn eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert wird, können Effekte der Radomdepolarisation im Sende- und/oder Empfangsmodus wesentlich reduziert oder eliminiert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird vollständiger verstanden aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, worin:

1 ein Blockdiagramm einer Polarisations-Steuervorrichtung ist, die entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Radomdepolarisationskompensation zur Verfügung stellt;

2 ein Blockdiagramm einer Polarisations-Steuerungsvorrichtung ist entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

3 ein Koordinatensystem ist, in dem eine beispielhafte Einfallsebene und eine Polarisationsebene dargestellt sind;

4 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

5 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

6 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

7 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

8 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

9 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und

10 ein Blockdiagramm einer Radomdepolarisationskompensationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier in Verbindung mit einem Flugzeugantennensystem beschrieben werden, sollte notiert werden, dass die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit Radomumschlossenen Antennensystemen auf anderen Plattformen angewandt werden, beispielsweise Schiffen und Bodenfahrzeugen. Ausführungsformen werden ebenso betrachtet bezüglich feststehenden, bodenständigen Antennensystemen. Es sollte ebenfalls noatiert werden, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer Vielzahl von Antennentypen ausgeführt werden kann, einschließlich aber nicht begrenzt mit Array-Antennen, Reflektorantennen und/oder Linsen.

Eine Polarisationssteuervorrichtung, die eine Radomdepolarisationskompensation gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verfügung stellt, ist in 1 allgemein durch das Bezugszeichen 100 bezeichnet. Obwohl die Vorrichtung 100 nachstehend in Verbindung mit einer Signalaussendung beschrieben wird, kompensiert die Vorrichtung 100 in 1 in einer anderen Ausführungsform die Radomdepolarisation eines Empfangssignals. In noch einer weiteren Ausführungsform kompensiert die in 1 dargestellte Polarisationssteuervorrichtung die Polarisationssignale auf beiden Seiten eines Radoms, das heißt die Vorrichtung 100 kompensiert die Radomdepolarisation sowohl von Sende- als auch von Empfangssignalen.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine Steuereinheit 104, die Signale liefert, beispielsweise zur Aussendung durch eine Antennenapertur 108. Ein drahtloses Signal, beispielsweise ein schwaches RF-Signal, welches am Port 110 in die Vorrichtung 100 eintritt, wird durch einen Teiler 112 in linkshändig und rechtshändig zirkular polarisierte (LHCP und RHCP) Signale EL und ER geteilt. Die Signale EL und ER passieren durch variable Phasenschieber 116 und variable Abschwächer 120. Die Signale EL und ER werden mittels Phasenschiebern 116 mit einer variablen Differentialphasenverschiebung justiert, entsprechend einem gewünschten Richtungswinkel der linearen Polarisationsebene eines resultierenden Kombinationssignals. Um Linearpolarisation zu erzeugen, beispielsweise bei einem Winkel "a", werden die Phasenschieber 116 eingestellt, um beispielsweise eine Phasenverschiebung "b" entsprechend b = a – 45° zu erzeugen. Zusätzlich und wie weiter unten beschrieben, werden die vorangehenden Einstellungen der Phasenschieber 116 justiert und die Abschwächer 120 werden eingestellt, um in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Radomdepolarisation zu kompensieren.

Die Signale EL und ER werden durch Hochleistungsverstärker 124 verstärkt und linear polarisiert mittels eines 90°-Hybrids 128. Vertikale und horizontale Signale Ey und Ex werden zu einem Ortho-Mode-Übertrager 132 übertragen und durch ein Antennenspeisehorn 136 ausgesendet. Sobald die Signale ausgesendet werden, passieren sie durch ein Radom 140. Im Allgemeinen jedoch haben Signale, die mit schiefen Winkeln durch ein Radom passieren, die Tendenz, zu einem bestimmten Grad zu depolarisieren, wobei die Depolarisation um so mehr wächst, als die Schiefheit des Winkels ansteigt.

Im Allgemeinen kann ein Signal als TE-polarisiert bezeichnet werden, bei dem der Signal-E-Vektor senkrecht zu der Einfallsebene steht, und TM-polarisiert genannt werden, bei dem der Signal-E-Vektor parallel zu der Einfallsebene steht. Die Einfallsebene eines Signals, das durch ein Radom passiert, kann definiert werden als die Ebene, die sowohl den Einfallswellenrichtungsvektor des Signals und ein örtliches Normal auf der Radomwand enthält. Eine Hauptquelle von Radomdepolarisation ist verbunden mit einer Differenz zwischen den komplexen Radomwandtransmissionskoeffzienten &tgr;TE und &tgr;TM (das bedeutet, zwischen TE und TM Polarisation), bei schiefem Einfall. Ein Worstcase kann eintreten, wenn die Einfallspolarisation unter 45° zu der Einfallsebene gerichtet ist, so dass die Polarisation gleichmäßig in TE- und TM-Komponenten aufgelöst wird.

Die TE- und TM-Komponenten eines Signals können durch ein Radom unterschiedliche Abschwächung und Phasenverzögerung erleiden, so dass, wenn diese Komponenten nach dem Durchgang durch die Radomwand wieder kombiniert werden, die Welle eine begrenzte Depolarisation erleiden kann. Ein maximales Kreuzpolarisationsniveau (&tgr;TE – &tgr;TM)/(&tgr;TE + &tgr;TM) ist direkt proportional zu einer Differenz zwischen den komplexen Radomwandtransmissionskoeffizienten.

Wie unten weiter beschrieben wird, ist mittels der Vorrichtung 100 ein Verfahren zum Kompensieren der Depolarisation von Signalen implementiert, die durch das Radom 140 passieren. Die Vorrichtung 100 wendet wenigstens auf eines der polarisierten Signale wenigstens einen Offset an, der vorbestimmt ist, um die dem Radom zuzuordnende Depolarisation zu kompensieren. Derartige Offsets schließen Phasenoffsets und/oder Amplitudenoffsets ein. Die Offsets sind kombiniert mit Polarisationswinkeljustierungseinstellungen der oben beschriebenen Phasenschieber 116. Die Phasenschieber 116 und/oder Abschwächer 120 wenden die Kombination von Polarisationswinkeljustierungen und Radomdepolarisationsoffsets auf das/die Signal/e an. Die Reihenfolge der Phasenschieber 116 und Abschwächer 120 kann ohne Einfluss auf Leistung oder Funktion umgekehrt werden.

Das vorgenannte Verfahren wird nachfolgend in größeren Details mit Bezug auf eine Polarisationssteuervorrichtung beschrieben, auf die in 2 mit dem Bezugszeichen 200 allgemein Bezug genommen wird. In der vorliegenden Ausführungsform schließt die Vorrichtung 200 ein Prozessor 204 ein, der konfiguriert ist, um die Depolarisation von Signalen zu kompensieren, die durch ein Radom 206 passieren. Es sollte bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit vielen verschiedenen Typen von Steuerungen und Vorrichtungen zum Steuern von Sende- und/oder Empfangssignalen praktiziert werden kann.

Bezugnehmend auf 2 umfasst die Vorrichtung 200 einen Eingangsport 210 als Sende-RF-Eingang. Ein Leistungsteiler 220 teilt ein Signal von dem Eingangsport 210 in zwei Signale, die über zwei Kanäle 222 und 224 zu Stufenabschwächern 238, Phasenschiebern 242, Leistungsverstärkern 254 und zu einem 90°-Hybrid 258 durch Ports 226 und 230 übertragen werden. Die Abschwächer 238 und Phasenschieber 242 erhalten Steuereingaben von dem Prozessor 204. Der Prozessor 204 kann eine Vielzahl von Prozessoren einschließen und kann, wenn auch nicht darauf beschränkt, einen Datentransceiver/Router (DTR) und/oder eine Antennensteuereinheit (ACU) einschließen.

Wenn die Vorrichtung 200 in Betrieb ist, wird ein schwaches RF-Signal, welches am Port 210 eintritt, durch den Teiler 220 geteilt, vorzugsweise gleichmäßig. Die beiden resultierenden Signale, linkshändig und rechtshändig zirkular polarisierte (LHCP und RHCP) Signale EL und ER werden wie oben unter Bezug auf 1 beschrieben, mit Hilfe der Abschwächer 238 und Phasenschieber 242 justiert. Die Signale EL und ER werden durch Hochleistungsverstärker 254 verstärkt und linear polarisiert mittels des 90°-Hybrids 258. Vertikale und horizontale Signale Ey und Ex werden an einen Ortho-Mode-Übertrager 260 übertragen und über ein Antennenhorn 262 ausgesendet. Sobald die Signale ausgesendet sind, passieren sie durch eine Antennenöffnung 276 und das Radom 206.

Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Kompensieren der Depolarisation des Signals, das durch das Antennenradom 206 passiert, schließt ergänzend justierbare Abschwächung in Serie mit justierbarer Phasenverschiebung der LHCP- und RHCP-Signale ein, die zwischen dem Teiler 220 und den Ausgangsports 226 und 230 passieren. Für eine spezifizierte gewünschte Polarisationsebene und gewünschte Antennenrichtungswinkel werden Justierungen, die vorbestimmt sind, um die Wellendepolarisation, die durch das Radom 206 induziert wird, zu löschen, beispielsweise durch die Abschwächer 238 und die Phasenschieber 242 vorgenommen. Ein Algorithmus, der nachfolgend beschrieben wird, kann in verschiedenen Ausführungsformen implementiert werden, um die Signaldepolarisation durch ein Radom zu kompensieren. Der Algorithmus kann in der folgenden Art implementiert werden.

Messungen des Radoms 206 werden benutzt, um eine oder mehrere Nachschlagetabellen 284 für Amplituden- und Phasenoffsets zu generieren, die durch den Prozessor 204 benutzt werden, um die Radomdepolarisation zu beseitigen. Die Nachschlagetabelle/n 284 wird/werden in einem Speicher des Prozessors 204 gespeichert. Mit einer vorbestimmten Rate, beispielsweise ungefähr 10 Mal pro Sekunde, liest der Prozessor 204 Werte für Amplituden- und Phasenoffsets aus der/den Tabelle/n 284 und berechnet beispielsweise interpolierte Werte für Offsets, wie weiter unten beschrieben werden soll. Der Prozessor 204 wendet die Radomdepolarisationsoffsets auf die Amplituden- und Phaseneinstellungen an, die auf die Signale über die Abschwächer 238 und Phasenschieber 242 angewendet werden, bis neue Radomdepolarisationsoffsetwerte aus der/den Tabelle/n 284 abgerufen werden.

Die vorhergehenden Offsetwerte können auf der Grundlage folgender Regeln berechnet werden. Justierung der Phasenschieber 242 beeinflusst die Amplituden der Signale Ex und Ey (ebenso bekannt als EH und Ev) an der Antenne OMT 260. Ein Amplitudenungleichgewicht zwischen Radomdurchgangskoeffizienten &tgr;TE und &tgr;TM, typischerweise ein kleinerer Beitrag zu der Radomdepolarisation, kann kompensiert werden durch Anwenden von Offsets auf die Einstellungen der Phasenschieber 242. Es versteht sich, dass ein Radomdurchgangsamplitudenungleichgewicht die Tendenz hat, die lineare Polarisation aufrecht zu erhalten, aber mit einem Winkel, der gegenüber dem gewünschten Winkel geschwenkt ist. Diese Polarisationsschwenkung kann korrigiert werden durch Justieren einer Polarisationsebene mittels der Phasenschieber 242.

Justierungen der Abschwächer 238 beeinflussen die Phasen der Signale Ex und Ey an der Antenne OMT 260. Phasenungleichgewicht zwischen Radomdurchgangskoeffizienten &tgr;TE und &tgr;TM, ein größerer Beitrag zu der Radomdepolarisation, kann kompensiert werden durch Anwenden von Offsets auf die Einstellungen der Abschwächer 238. Man wird verstehen, dass ein Radomdurchgangsphasenungleichgewicht die Tendenz hat, einen vorgegebenen Polarisationswinkel aufrecht zu erhalten, jedoch die einfallende Linearpolarisation in eine elliptische Polarisation konvertiert.

Depolarisation eines Durchgangssignals, die durch das Radom 206 hervorgerufen wird, kann im Wesentlichen beseitigt werden, wenn ein oder mehrere Offsets auf die Phasenschieber 242 und die Abschwächer 238 angewandt werden, wobei die Größe/n dieses/dieser Offset/s aus den komplexen Radom 206 TE und TM Transmissionskoeffizienten &tgr;TE und &tgr;TM (bei einem gegebenen Einfallswinkel und gegebener Frequenz) und einem gewünschten Polarisationswinkel und der Orientierung der Einfallsebene eines Signals, welches auf das Radom 206 einfällt, berechnet werden.

Offsets können auf der Grundlage der folgenden Regeln berechnet werden. Ein Referenzkoordinatensystem ist in 3 allgemein mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Bezugnehmend auf 3 werden Polarisationsrichtungsvektoren uTE und uTM relativ zu einer Einfallsebene 304 definiert und Kreuz- und Kopolerisationsrichtungsvektoren uCROSS und uco werden relativ zu einer gewünschten Polarisationsebene 308 definiert. Ebenso gezeigt sind in 3 ein Einfallswinkel &agr; und ein gewünschter Polarisationswinkel &psgr;.

Im Allgemeinen schließt ein Algorithmus zum Bestimmen der Offsets gemäß einer Ausführungsform die folgenden Schritte ein. Radombeleuchtungsfeldkomponenten Ex und EY werden in Antennenkoordinaten berechnet, basierend auf Einstellungen ϕ bzw. A für Phasenschieber und Abschwächer. Radombeleuchtungsfeldkomponenten EX und EY werden in Radomeinfallsebenenkoordinaten ETE und ETM transformiert. Radombeleuchtungsfeldkomponenten ETE und ETM werden mit komplexen Radomtransmissionskoeffizienten &tgr;TE und &tgr;TM multipliziert, um Feldkomponenten ETE und ETM auf einer abseitigen Radomwand zu erhalten. Feldkomponenten ETE, ETM werden in kopolarisierte und kreuzpolarisierte Komponenten Eco und ECROSS aufgelöst. Ein Kreuzpolarisationsunterscheidungsverhältnis XPD = |Eco/ECROSS|. Da XPD ein Verhältnis ist, ist eine genaue Normalisierung von Amplituden von orthogonalen Feldvektoren in jeder Stufe unnötig.

Spezieller:

Ohne Einstellung des Differentialabschwächers (d. h. A = 1) reduzieren sich die Gleichungen [1] und [2] zu:

Als Kontrolle kann die kreuzpolarisierte Komponente ECROSS für einen gewünschten Polarisationswinkel &psgr; abgeleitet werden:

Es ist einfach zu zeigen, dass ECROSS zu Null wird, wenn ϕ = &psgr; – 45°.

Allgemeine Felder Ex und Ey, die auf das Radom auftreffen, können in Einfallsebenenkoordinaten transformiert werden:

Die oben genannten Werte werden mit den Radomtransmissionskoeffizienten multipliziert, um Felder auf der entfernten Seite der Radomwand zu erhalten:

Die oben genannten Werte werden aufgelöst in ko- und kreuzpolarisierte Komponenten:

Aus den vorgenannten Gleichungen kann gezeigt werden, dass:

und damit

Es kann leicht gezeigt werden, dass durch Kombination der Gleichungen [1] und [2] mit Gleichung [14] eine Gleichung für das XPD des Radoms in Werten für die Einstellungen (ϕ bzw. A) für Phasenschieber und Abschwächer erhalten wird. Einstellungen für Phasenschieber und Abschwächer werden erhalten durch numerische Minimierung einer Gleichung für 1/XPD im Hinblick auf ϕ und A.

In einer Ausführungsform und unter Bezug auf 2 werden eine Differentialamplitude und eine Differentialphase zwischen Signalen in Kanälen 222 und 224 bestimmt, die, wenn auf die Signale angewendet, durch das Radom 206 induzierte Depolarisation kompensieren können. Diese Radomdepolarisationsoffsets werden kombiniert mit Amplituden- und/oder Phaseneinstellungen, die auf die Vorrichtung 200 wie zuvor beschrieben angewendet werden. Eine Vielzahl von Radomdepolarisationsoffsets kann beispielsweise für eine Vielzahl von Elevations- und Azimutwinkelpaaren (hier bezeichnet als Richtungswinkelpaare) eines Scannbereichs der Antennenöffnung 276 vorherbestimmt und in einer Tabelle gespeichert werden, beispielsweise in dem Prozessor 204 wie oben beschrieben. Scannbereichsdimensionen können benutzt werden, um die Tabellenabstände zu bestimmen. Beispielsweise können 10°-Abstände für Elevation und Azimut zur Verfügung gestellt werden. Somit kann für einen Elevationsscannbereich von 90° und einen Azimutscannbereich von 180° eine totale Anzahl von Einträgen in eine Tabelle, beispielsweise 10 × 19 = 190 Einträge sein.

Es sollte leicht zu verstehen sein, dass Tabelleneinträge in einer Vielzahl von Wegen beabstandet und bestimmt sein können. Beispielsweise wurde in einigen Fällen in Bezug auf kleine Einfallswinkel (beispielsweise Einfallswinkel unter einem näherungsweisen Limit zwischen 20° und 30°) beobachtet, dass Tabellenfehler in einer Verringerung der Kreuzpolarisation des Radoms resultieren können. In diesem Fall kann die Radomdepolarisationskompensation verbessert werden durch Anbringen von Nullen in Kompensationstafeleinträgen entsprechend derartiger Einfallswinkel.

In anderen Ausführungsformen kann eine solche Tafel mehr als zwei Dimensionen haben. Beispielsweise könnte jeder Tabelleneintrag mit einem Richtungswinkelpaar und einem gewünschten Polarisationswinkel korrespondieren. Als ein weiteres Beispiel könnte jeder Tabelleneintrag mit einem Richtungswinkelpaar und einer Signalfrequenz korrespondieren. Im Allgemeinen kann man sehen, dass eine Tabelle von Offsets in einer Vielzahl von Wegen definiert werden kann und dass sie eine Vielzahl von Variablen einschließen kann, die die Signaltransmission beeinflussen. Tabellendaten können durch Berechnung abgeleitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Tabellendaten von einem speziellen Radom gemessen.

Wie zuvor beschrieben, werden für ein spezifiziertes Richtungswinkelpaar (und eine spezifizierte gewünschte Polarisationsebene in einer Ausführungsform, in der die Tabelle 284 den Winkel der Polarisationsebene als Variable einschließt) Justierungen der Abschwächer 238 und Phasenschieber 242 bestimmt, die die durch das Radom 206 induzierte Wellendepolarisation auslöschen. Wie zuvor festgestellt, kann der Prozessor 204 interpolierte Werte berechnen. Wenn beispielsweise ein Signal durch die Antennenöffnung 276 mit einem Richtungswinkel übertragen wird, der in einem Richtungswinkelpaar der Tabelle 284 nicht enthalten ist, benutzt der Prozessor 204 Offsetwerte, die in zwei oder mehr Tabelleneinträgen gespeichert sind, um einen neuen Offsetwert zu berechnen.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in Verbindung mit Zwischenfrequenz (IF)-Signalen ausgeführt werden. Beispielsweise ist eine Vorrichtung, die Radomdepolarisationskompensation entsprechend einer anderen Ausführungsform zur Verfügung stellt, in 4 allgemein mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet. Obwohl die Vorrichtung 400 nachfolgend im Kontext mit einem Sendesignal beschrieben wird, kompensiert die Vorrichtung 400 in einer anderen Ausführungsform Radomdepolarisation in einem Empfangssignal. In noch einer anderen Ausführungsform kompensiert die in 4 dargestellte Polarisationssteuervorrichtung Depolarisationen von Signalen auf beiden Seiten eines Radoms, d. h. die Vorrichtung 400 kompensiert Radomdepolarisation sowohl von Sende- als auch Empfangssignalen.

Die Vorrichtung 400 schließt eine Steuereinheit 404 ein, die Signale liefert, z. B. zur Aussendung durch eine Antennenapertur 408. Ein IF-Signal, das an einem Port 410 in die Vorrichtung 400 eintritt, wird durch einen Teiler 412 in linkshändig und rechtshändig zirkular polarisierte (LHCP und RHCP) Signale EL und ER geteilt. Die Signale EL und ERwerden mittels Phasenschiebern 416 und Abschwächern 420 unter Verwendung von Offset/s der Radomdepolarisation justiert, wie zuvor unter Bezug auf 1 beschrieben.

Die Signale EL und ER werden mit Hilfe von Konvertern 422 auf Radiofrequenz RF hochkonvertiert, durch Hochleistungsverstärker 424 verstärkt und durch einen 90°-Hybrid 428 linear polarisiert. Vertikale und horizontale Signale Ey und Ex werden an einen Ortho-Mode-Übertrager 432 übertragen und durch ein Antennenhorn 436 ausgesendet. Sobald die Signale gesendet sind, passieren sie durch ein Radom 440. In einer Ausführungsform, wo ein Signal empfangen wird, konvertieren die Konverter 422 das Eingangssignal von RF auf IF herunter. Auf- und/oder Ab-Konverter 422 sind vorzugsweise in Amplitude und Phase über Temperatur, Frequenz und Dynamikbereich aufeinander angepasst.

Eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung für eine Radomdepolarisationskompensation ist in 5 allgemein durch das Bezugszeichen 500 bezeichnet. Die Vorrichtung 500 umfasst eine Steuereinheit 504, die Signale liefert, beispielsweise für die Aussendung durch eine Antenne 508. Ein Signal, welches an einem Port 510 in die Steuereinheit 504 eintritt, wird durch einen Teiler 512 in linkshändig und rechtshändig zirkular polarisierte (LHCP und RCHP) Signale EL und ER geteilt. Die Signale EL und ER werden durch Phasenschieber 516 und Abschwächer 520 justiert unter Verwendung von Offset/s für die Radomdepolarisation, wie zuvor in Bezug auf die 1 beschrieben.

Die Signale EL und ER werden durch Hochleistungsverstärker 524 verstärkt und zu der Antenne 508 übertragen, wo die Signale durch einen 90°-Hybrid 528 linear polarisiert werden. Vertikale und horizontale Signale Ey und Ex werden an einen Ortho-Mode-Übertrager OMT 532 übertragen und durch ein Antennenhorn 536 ausgesendet. Sobald die Signale ausgesendet werden, passieren sie durch ein Radom 540. In der in 5 dargestellten Ausführungsform ist der 90°-Hybrid 528 in die Antenne 508 eingefügt und ermöglicht es der Antenne 508 somit, als doppelt zirkular polarisierte Antenne mit RHCP- und LHCP-Ports 542 und 544 zu funktionieren.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Steuereinheit 504 mit jeder beliebigen doppelt zirkular polarisierten Antenne benutzt werden kann, einschließlich einer Antenne, die keinen 90°-Hybrid bei der Erzeugung der Zirkularpolarisation benutzt. Eine derartige Antenne könnte beispielsweise einen Wellenleiterpolarisator in einem Reflektorantennenspeisesystem haben, und zwar zwischen Speisehorn und OMT. Eine weitere derartige Antenne könnte eine ebene Wellen- oder Freiraumpolarisatorschicht über einer Speisehornapertur oder Reflektorapertur haben. Es sollte ebenfalls allgemein beachtet werden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenso betrachtet werden zur Benutzung mit ein oder mehreren Array-Antennen zusätzlich zu oder anstelle von Reflektorantennen.

Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Radomdepolarisationskompensation ist in 4 allgemein mit dem Bezugszeichen 600 bezeichnet. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Steuereinheit 604, die Signale liefert, beispielsweise für die Aussendung durch eine Antenne 608. Ein Signal, welches an einem Port 610 in die Vorrichtung 600 eintritt, wird durch einen Teiler 612 in linkshändig und rechtshändig zirkular polarisierte (LHCP und RHCP) Signale EL und ER geteilt.

Die Signale EL und ER werden durch Hochleistungsverstärker 614 verstärkt und mittels Phasenschieber 616 und Abschwächer 620 unter Verwendung von Offset/s für die Radomdepolarisation justiert, wie zuvor beschrieben. Die Phasenschieber 616 und Abschwächer 620 sind als Hochleistungskomponenten konfiguriert, z. B, um den Input von den Hochleistungsverstärkern 614 zu verarbeiten. Die Signale EL und ER werden durch ein 90°-Hybrid 628 linear polarisiert. Vertikale und horizontale Signale Ey und Ex werden an einen Ortho-Mode-Übertrager 632 übertragen und durch ein Antennenhorn 636 ausgesendet. Sobald die Signale ausgesendet sind, passieren sie durch ein Radom 640.

Die Verstärker 614 sind vorzugsweise in Amplitude und Phase über die anwendbaren Temperatur-, Frequenz- und Dynamikbereiche einander angeglichen. Für relativ kleine Niveaus von Radomdepolarisation haben die Verstärker 614 der Vorrichtung 600 die Tendenz, nominell mit demselben Niveau zu arbeiten. So wie die Radomdepolarisation zunimmt, kann auch eine Differenz zwischen den Abschwächereinstellungen zunehmen, was die Tendenz haben kann, ein Ungleichgewicht in den Verstärkungsniveaus der Verstärker 614 zu erhöhen.

Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung für die Depolarisationskompensation ist in 7 allgemein durch das Bezugszeichen 700 bezeichnet. Ein Sendesignal wird durch einen Hochleistungsverstärker 704 verstärkt und tritt in einen Leistungsteiler 708 ein. Die geteilten Signale werden über Phasenschieber 712 in der Phase verschoben, durch einen Drei-Dezibel (3 dB)-Hybrid 716 übertragen und mittels Phasenschieber 720 in der Phase verschoben.

Die Phasenschieber 720 werden eingesetzt, um eine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen zu justieren in einer Art ähnlich der, in der die Phasenschieber 116 (in 1 dargestellt) benutzt werden. Phasenschieber 112 wirken zusammen mit dem 3 dB-Hybrid 716 als variable Leistungsteiler 724. Eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den Phasenschiebern 712 kann justiert werden, um das Leistungsteilungsverhältnis an den Ausgangsports 728 des Hybrids 716 zu justieren. Übergangsverluste durch die Phasenschieber 720 können kompensiert werden durch Korrektur der Einstellungen des variablen Leistungsteilers 724.

In einer Ausführungsform eines Antennensystems, das entsprechend der vorgenannten Regeln konfiguriert ist, können Signale mit einer im wesentlichen reinen Linearpolarisation mit einem hohen Kreuzpolarisationsunterscheidungsverhältnis (XPD) ausgestrahlt werden. Als ein Beispiel für ein typisches System ist das Antennen-XPD 17,0 dB und das unkompensierte Radom-XPD 7,9 dB, so dass das Gesamt-System (Antenne plus Radom)-XPD bei dem (1-&sgr;)-Niveau 5,7 dB beträgt. Sobald, wie oben beschrieben, Radomdepolarisationskompensation angewendet wird und Fehler in den Kompensationsoffsettabellen 5° in der Phase und 0,3 dB in der Amplitude bei dem (1-&sgr;)-Niveau betragen, dann ist das Radom-XPD verbessert von 7,9 dB auf 24,9 dB und das totale System-XPD ist verbessert von 5,7 dB auf 14,5 dB (alle Werte bei dem (1-&sgr;)-Niveau).

In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Radomdepolarisationskompensation bewirkt in Verbindung mit Antennensystemen, die mit Zirkularpolarisation arbeiten. Eine Ableitung der Depolarisationskompensation für Zirkularpolarisation soll mit Bezug auf das in 3 dargestellte Koordinatensystem beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung soll angenommen werden, dass eine Radom-bedeckte Antennenapertur doppelt linear polarisiert ist und zwei orthogonal-polarisierte Ports hat, die horizontal und vertikal strahlende Polarisationen anregen, die parallel zu der X- bzw. Y-Achse sind. (Solche Polarisationen müssen nicht notwendigerweise vertikal und horizontal sein, sie müssen nur orthogonal sein.) Sendemodeanalyse wird angenommen. Es wird ebenso angenommen, dass die Anregungen der beiden Antennenports durch eine mit der Antennenöffnung verbundene Depolarisationssteuerung ex und ey sind.

Wo die lokale Einfallsebene auf die Radomoberfläche mit einem Winkel &agr; zu der X-Achse orientiert ist, sind die Felder an der Radomfläche, transformiert auf ein an die lokale Einfallsebene angeglichenes Koordinatensystem, folgende:

Man beachte, dass eine genaue Normalisierung von "Erregungen" von Spannungen und Strömen, vor den Antennenspeiseports zu den durch die Antenne abgestrahlten Feldern und gesendet durch das Radom, nicht implementiert ist, da die Lösungen hier alle in Ausdrücken von Anregungsverhältnissen angegeben sind.

Angenommen dass das Radom lokale Transmissionskoeffizienten &tgr;TM und &tgr;TE für Felder parallel zu den transversen magnetischen (TM) bzw. transversen elektrischen (TE) Richtungen habe. Dann werden die Strahlungsfelder an der fernen Seite des Radoms zu: e'TM = &tgr;TM eTM[17] e'TE = &tgr;TE eTE[18]

Diese Strahlungsfeldkomponenten können in rechtshändige Zirkularpolarisation (RHCP)- und linkshändige Zirkularpolarisation (LHCP)-Komponenten aufgelöst werden:

Um reine RHCP auszustrahlen, wird für e'LHCP = 0 aufgelöst:

Die vorstehende Gleichung für das komplexe Verhältnis ex/ey definiert die Erregungen an den beiden orthogonalen Antennenports, die eine Depolarisationskompensationsvorrichtung erzeugt, um die Radomdepolarisation zu kompensieren und eine reine RHCP-Welle abzustrahlen.

Zum Vergleich, wenn das Radom eine Null-Depolarisation (&tgr;TM = &tgr;TE) hat, wird dies zu:

Dies bedeutet, dass die beiden Antennenports mit gleicher Amplitudenerregung gespeist werden, die 90° in Phase verschoben sind, wie erwartet.

Wenn die Radomdepolarisation durch ein Ungleichgewicht zwischen entweder den Amplituden und/oder den Phasen der TM- und TE-Radomtransmissionskoeffizienten endlich wird, weicht das Anregungsverhältnis ex/ey vom obigen Resultat ab, für das sowohl in der Amplitude als auch in der Phase eine Justierung vorgenommen wird.

Es ist erwähnenswert, dass im Gegensatz zu einer Kombination der Linearpolarisation, für die Amplituden- und Phasenungleichheiten zwischen den Radomtransmissionskoeffizienten Phasen- bzw. Amplitudenjustierungen durch eine Depolarisationskompensationsvorrichtung mit sich bringen können, für eine Zirkulapolarisationskompensation entweder Amplituden- oder Phasenungleichheiten zwischen den Radomtransmissionskoeffizienten sowohl Amplituden- als auch Phasenjustierungen mit sich bringen.

Eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kompensieren der Depolarisation für ein Empfangssignal ist in 8 allgemein durch das Bezugszeichen 750 bezeichnet. Orthogonale Signale von Antennenspeiseports (nicht gezeigt) passieren durch rauscharme Verstärker 754, variable Abschwächer 758, Phasenschieber 762 und einen 90°-Hybrid 766. Die Verstärker 754 erzeugen Systemrauschen vor den Abschwächern 758 und Phasenschiebern 762, um eine System-G/T(Gewinn/Temperatur)-Verringerung aus irgendwelchen Verlusten in den Abschwächern 758 und Phasenschiebern 762 zu verhindern. Die Abschwächer 758 und Phasenschieber 762 justieren die Polarisation der Signale: Die Phasenschieber 762 justieren die Phase und die Abschwächer 758 justieren die Amplitude. Wenn die Radomdepolarisation Null wird, wird reine RHCP an einem Port 770 erhalten, indem ϕV = ϕH und AV = AH gesetzt wird. Ein zweiter Port 774 des 90°-Hybrids 766 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Widerstand abgeschlossen. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte der Port 774 ein LHCP-Signal übertragen.

Eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kompensieren der Depolarisation für ein Sendesignal ist in 9 allgemein durch das Bezugszeichen 800 bezeichnet. Ein schwaches Sendesignal tritt in einen Port 804 eines 90°-Hybrids 808 mit einem mittels Widerstand abgeschlossenen Port 812 ein. Ein Signalpaar wird von den Hybridports 816 und 820 ausgegeben und passiert durch Phasenschieber 824 und Abschwächer 828. Die Signale werden durch Hochleistungsverstärker 832 verstärkt, die kalibriert oder in Amplitude und Phase über die anwendbaren Temperatur-, Frequenz- und Dynamikbereiche einander angeglichen sind. Für kleine Niveaus der Radomdepolarisation werden die Verstärker 832 mit etwa identischem Pegel betrieben.

In der in 9 dargestellten Ausführung werden Signale, die von den Phasenschiebern 824 und Abschwächern 828 ausgegeben werden, in die Verstärker 832 eingegeben. In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) sind die Positionen der Phasenschieber 824 und Abschwächer 828 und Verstärker 832 vertauscht, so dass Signale, die von den Verstärkern 832 ausgegeben werden, in die Phasenschieber 824 und Abschwächer 828 eingegeben werden. In einer solchen Ausführungsform sind die Phasenschieber 824 und Abschwächer 828 Hochleistungskomponenten und die Sendeleistung kann niedriger sein im Vergleich zu der Leistung, die mit der in 9 dargestellten Ausführungsform erhältlich ist. In noch einer anderen Ausführungsform kann ein Tee-Splitter anstelle des 90°-Hybrids 808 benutzt werden und somit können Phasenschieber benutzt werden, die einen weiteren Phasenbereich haben als die in 9 dargestellten Phasenschieber 824.

Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kompensieren der Depolarisation eines Sendesignals ist in 10 allgemein durch Bezugszeichen 900 bezeichnet. Ein schwaches Sendesignal passiert durch einen Hochleistungsverstärker 904 und einen variablen Leistungsteiler 906, gebildet durch einen Leistungsteiler 908, Phasenschieber 912 und ein Drei-Dezibel (3 dB)-Hybrid 916. Der variable Leistungsteiler 906 wirkt in derselben oder einer ähnlichen Form wie Abschwächer, z. B. die in 9 abgebildeten Abschwächer 828 . Justieren einer Differentialphasenverschiebung zwischen den Phasenschiebern 912 justiert ein Leistungsteilungsverhältnis an den Ausgangsports 918 des 3 dB-Hybrid 916. Ein Paar Phasenschieber 920 justiert eine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen. Alle Übergangsverluste durch Phasenschieber 920 können durch Justieren der Einstellungen des variablen Leistungsteilers 906 kompensiert werden.

Ausführungsformen der vorhergehenden Verfahren und Vorrichtungen können benutzt werden für eine Radomdepolarisationskompensation sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetriebsmodus. In einigen Ausführungsformen kann existierende Hardware in einem Antennensystem benutzt werden zur Implementierung der Radomdepolarisationskompensation. Signaldepolarisation, die durch ein existierendes Radom erzeugt wird, kann ohne ausgefeiltes teures Radom-Redesign reduziert oder eliminiert werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Reduzieren der Depolarisation eines drahtlosen Signals beim Durchtritt durch ein Antennenradom (140, 206, 440, 540, 640), umfassend:

Bestimmen eines Einfallwinkels des Signals relativ zu dem Radom (140, 206, 440, 540, 640);

Bestimmen wenigstens eines Offsets, um die dem Radom (140, 206, 440, 540, 640) zuzuordnende Signaldepolarisation zu reduzieren, indem die Größe von dem wenigstens einen Offset von einem Radomtransmissionskoeffizienten bei dem vorbestimmten Einfallswinkel berechnet wird;

Anwenden des Offsets auf das Signal, basierend auf einem gewünschten Polarisationswinkel des Signals, um die Depolarisation des Signals zu reduzieren, durch einen Anwendungsschaltkreis, wobei der Anwendungsschaltkreis ein erstes Paar von Phasenschiebern (720, 920) und einen variablen Leistungsteiler (724, 906) umfasst, der mit den ersten Phasenschiebern (720, 920) verbunden ist, und wobei der variable Leistungsteiler (724, 906) ein Drei-Dezibel-Hybrid (716, 916), ein zweites Paar von Phasenschiebern (712, 912), die mit dem Hybrid (716, 916) verbunden sind, und einen Leistungsteiler (708, 908), der mit dem zweiten Paar von Phasenschiebern (712, 912) verbunden ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anwenden auf wenigstens einem Ausrichtewinkel der Antenne basiert. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen des wenigstens eines Offsets relativ zu einer gewählten Signalfrequenz ausgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bestimmen des wenigstens eines Offsets das Maximieren eines Diskriminierungsverhältnisses (XPD) der Kreuzpolarisation umfasst, in Übereinstimmung mit der Gleichung
wobei &tgr;TE und &tgr;TM Radomtransmissionskoeffizienten sind, &agr; ein Einfallswinkel ist, &psgr; ein gewünschter Polarisationswinkel ist, Ex und Ey Feldkomponenten der Radomillumination sind, E'co und E'cross co- und kreuzpolarisierte Komponenten sind und TE und TM anzeigen, dass ein Signal-E-Vektor senkrecht bzw. parallel zu der Einfallsebene steht.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, wobei das Bestimmen wenigstens eines Offsets das Bestimmen von wenigstens einem Amplitudenoffset und einem Phasenoffset umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Anwenden des Offsets das Kombinieren von wenigstens einem Amplitudenoffset und einem Phasenoffset mit dem Signal umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bestimmen des wenigstens einen Offsets das Auflösen der Strahlungsfeldkomponenten des Signals in RHCP- und LHCP-Komponenten umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bestimmen des wenigstens einen Offsets das Bestimmen der Anregungen ex und ey an orthogonalen Ports der Antenne umfasst in Übereinstimmung mit der Gleichung
wobei &Tgr;TE und &Tgr;TM Transmissionskoeffizienten des Radoms (140, 206, 440, 540, 640) sind und &agr; ein Einfallswinkel ist, um reine rechtshändige Zirkularpolarisation abzustrahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend das Umschalten zwischen einer Radiofrequenz des Signals und einer Zwischenfrequenz unter Verwendung eines Abwärtskonverters und eines Aufwärtskonverters (422). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend:

Aufteilen des Signals in eine Vielzahl von polarisierten Signalen; und

Anwenden des wenigstens einen Offsets, das dazu bestimmt ist, die dem Radom zuzuordnende Depolarisation zu kompensieren, auf wenigstens eines der polarisierten Signale.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die polarisierten Signale wenigstens ein zirkular polarisiertes Signal umfassen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Bestimmen des wenigstens einen Offsets das Bestimmen eines Offsets auf eine differenzielle Amplitude zwischen den polarisierten Signalen und eine differenzielle Phase zwischen den polarisierten Signalen umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Anwenden während der Bewegung der Antenne periodisch durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Bestimmen des wenigstens einen Offsets das Interpolieren einer Vielzahl von vorbestimmten Amplituden-Offsets umfasst, um den wenigstens einen Offset zu bestimmen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Bestimmen des wenigstens einen Offsets ferner das Interpolieren einer Mehrzahl von vorbestimmten Phasen-Offsets umfasst, um den wenigstens einen Offset zu bestimmen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Anwenden auf eine Seite des Radoms (140, 206, 440, 540, 640) ausgeführt wird, um die Depolarisation auf einer anderen Seite des Radoms (140, 206, 440, 540, 640) zu kompensieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Anwenden auf eine Seite des Radoms (140, 206, 440, 540, 640) durchgeführt wird, um die Depolarisation auf derselben Seite des Radoms (140, 206, 440, 540, 640) zu kompensieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner umfassend das Bestimmen eines Transmissionskoeffizienten des Radoms für einen Einfallswinkel und eine Frequenz des Signals am Radom (140, 206, 440, 540, 640). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, ferner umfassend das Benutzen wenigstens eines Offsetwertes, der in einem Speicher gespeichert ist, um eine Differentialamplitude und -phase zu bestimmen. Antennensystem oder -vorrichtung, umfassend:

ein Radom (140, 206, 440, 540, 640), durch das ein drahtloses Signal mit einem Einfallswinkel passiert;

ein Polarisationsschaltkreis (112, 220, 412, 512, 612, 708, 908), der so konfiguriert ist, dass er das drahtlose Signal in orthogonal polarisierte Signale aufteilt;

ein Prozessor (204), der so konfiguriert ist, dass er wenigstens einen Offset bestimmt, der die dem Radom zuzuordnende Depolarisation kompensiert, indem die Größe des wenigstens einen Offsets aus einem Radomtransmissionskoeffizienten bei dem genannten Einfallswinkel berechnet wird; und

ein Anwendungsschaltkreis, der so konfiguriert ist, dass er den Offset auf wenigstens eines der polarisierten Signale anwendet, basierend auf einem gewünschten Polarisationswinkel des Signals, wobei der Anwendungsschaltkreis ein erstes Paar von Phasenschiebern (720, 920) umfasst, und

einen variablen Leistungsteiler (724, 906), der mit dem ersten Paar von Phasenschiebern (720, 920) verbunden ist, und wobei der variable Leistungsteiler ein Drei-Dezibel-Hybrid (716, 916), ein zweites Paar von Phasenschiebern (712, 912), die mit dem Hybrid (716, 916) verbunden sind, und einen Leistungsteiler (708, 908), der mit dem zweiten Paar von Phasenschiebern (712, 912) verbunden ist, umfasst.






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