Nachführbare Antennen für die mobile Satellitenkommunikation auf Basis des Multimode-Monopuls-Prinzips

Bayer, Hendrik GND

Die hier präsentierte Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Realisierung von nachführbaren Antennen für die mobile Satellitenkommunikation auf Basis von Reflektorantennen. Dieser Antennentyp spielt eine zentrale Rolle für Bodenstationsantennen, die hohe Datenraten auch während der Fahrt des Trägerfahrzeugs zur Verfügung stellen sollen. Ausgehend von der Vorstellung bestehender Systeme und den Anforderungen an mobile Satellitenantennen werden Konstruktionsgrundlagen für die Dimensionierung von Cassegrain-Antennen beschrieben. Für die Nachführung dieses Antennentyps stehen verschiedene technische Prinzipien zur Verfügung, bei denen in dieser Arbeit besonderer Fokus auf Monopuls-Technologien besteht. Dieses Prinzip ermöglicht die Schätzung der Fehlausrichtung einer Antenne in Bezug zur Richtung, aus der das Empfangssignal kommt, für einen begrenzten räumlichen Ausschnitt aus dem Richtdiagramm der Antenne. Die hiermit generierten Richtungsinformationen werden für einen Regelkreis zur mechanischen Nachführung der Antenne verwendet. Basierend auf den vorgestellten Konzepten wird ein Demonstrator für eine Außeneinheit eines mobilen Satellitenterminals beschrieben. Dieser Demonstrator besteht aus einem individuell angefertigten mechanischen Antennenpositionierer und einer 60 cm Ka-Band Cassegrain-Antenne, welche mit einem neu entworfenen TM01-Multimode-Monopuls-Speisesystem bestehend aus einem Hohlleiter-Modenkoppler versehen ist. Die Entwicklung der Speisekette wird über eine erste Variante für reinen Empfangsbetrieb bis hin zu einer vollständigen Dual-Band-Version für Sende- und Empfangsfunktion dargestellt. Hierbei wird auf die numerische Simulation der Strukturen sowie auf die messtechnische Charakterisierung nach der Fertigung eingegangen. Darüber hinaus wird die Generierung des Fehlervektors, der für die Nachführung der Antenne benötigt wird, beschrieben. Zusätzlich zum Hohlleiter-basierten Koppler wird in dieser Arbeit ein neuartiger Modenkoppler für TM01-Multimode-Monopuls vorgestellt, bei dem Übergänge von gedruckten Koplanarleitungen zu Hohlleitern eingesetzt werden. Diese Methode ermöglicht die Integration des Kopplers zusammen mit dem Sendeempfänger in derselben Technologie, wodurch ein sehr kompakter, leichter und kostengünstiger Aufbau der Speisekette möglich wird.

The presented thesis discusses the design and realisation of tracking-antennas for mobile satellite communications based on reflector antennas. This type of antenna plays an important role for earth station antennas used for high data rate communications while the carrier vehicle is moving. Starting from the introduction of existing systems and the requirements of mobile satellite antennas, design fundamentals for the construction of Cassegrain antennas are described. For the tracking of this type of antenna various technical principles are available of which in this work a deeper focus lies on monopulse technologies. This principle allows the estimation of the misalignment of an antenna with respect to the direction from which the signal is received for a limited spatial segment of the radiation pattern of the antenna. This direction information is used for a control loop for mechanical tracking of the antenna. Based on the presented concepts a demonstrator for an outdoor unit of a mobile satellite antenna terminal is described. The demonstrator consists of a custom-made mechanical antenna positioner and a 60 cm Ka-band Cassegrain antenna, which is equipped with an individually designed TM01 multimode monopulse feed system consisting of a waveguide mode coupler. The development of the feed chain started with a receive-only coupler and went to a full dual-band version for transmitting and receiving function. The numerical simulation of the structures and the metrological characterization after fabrication are described in detail. Moreover, the generation of the error vector, which is required for the tracking of the antenna, is described. In addition to the waveguide-based coupler in this work, a novel mode coupler for TM01 multimode monopulse is presented. This coupler employs transitions from printed coplanar waveguides to circular waveguides. This method facilitates the integration of the coupler together with the transceiver using the same technology, thereby providing the potential for a very compact, lightweight, and cost-effective construction of the feed chain.

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Bayer, Hendrik: Nachführbare Antennen für die mobile Satellitenkommunikation auf Basis des Multimode-Monopuls-Prinzips. Ilmenau 2017.

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