Nachführbare Antennen geringer Bauhöhe für die mobile Satellitenkommunikation

Krauß, Alexander GND

Das wachsende Interesse an bidirektionaler Satellitenkommunikation im Ka-Band erfordert Antennenentwürfe, welche die in diesem Kommunikationsband weit auseinander liegenden Downlink- und Uplink-Frequenzbereiche berücksichtigen und somit ein dualbandiges Verhalten aufweisen. Während Naturkatastrophen oder anderer desaströser Szenarien erfordert die mobile Krisenkommunikation über einen geostationären Satelliten eine hohe Zuverlässigkeit bei kompaktem Antennendesign. Im Fall einer beschädigten oder überlasteten terrestrischen Kommunikationsinfrastruktur stellen mobile Nutzerterminals mit einer geringen Aufbauhöhe eine wichtige Alternative für die Kommunikation von Rettungseinsatzkräften, Hilfsorganisationen und anderen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige zweidimensional-periodische Leckwellenantennenstruktur entwickelt, die auf einer zweilagigen frequenzselektiven Oberfläche (FSS) basiert und sowohl für den Empfangs- als auch den Sendefall ausgelegt ist. Die erfolgreich entworfene FSS-Einheitszelle erlaubt zirkulare Polarisation und überlagerte Aperturen für eine dualbandige Funktionalität. Die zweilagige frequenzselektive Oberfläche wird mit einer innovativen Primärquelle angeregt - realisiert durch eine Schlitzstrahlergruppe, die mittels integriertem und verlustarmen Hohlleiternetzwerk bei 20 und 30 GHz gespeist wird. Der Entwurf, Simulationsmodelle und die messtechnische Charakterisierung verschiedener Leckwellenantennenpaneele werden in der vorliegenden Dissertation im Detail diskutiert. Im Verlauf des Promotionsvorhabens wurden auf Basis der entwickelten Antennenpaneele zwei Demonstratoren nachführbarer Satellitenkommunikationsantennen aufgebaut und erfolgreich erprobt. Das verwendete Antennenkonzept erlaubt die Realisierung mit gewissen Freiheitsgraden bezüglich Anzahl und Neigungswinkel der Paneele für den Einsatz bei unterschiedlichen geografischen Breitengraden. Für die Nachführung der Richtcharakteristik wird eine hybride Strategie angewendet. Die Strahlnachführung im Azimut erfolgt mechanisch durch eigens für die Anwendung entwickelte Antennenpositionierer. In der Elevationsebene wird die elektronische Nachführung unter Ausnutzung einer rekonfigurierbaren Richtcharakteristik realisiert.

The growing interest in bi-directional satellite communications in Ka-band necessitates an antenna design, which is capable of handling dual-band operation due to widely separated down- and uplink frequencies within this communication band. Especially in the case of satellite communications on-the-move during catastrophes or disaster situations, a compact and robust antenna design with high reliability is needed. As the communication of public authorities and rescue forces would no longer be feasible due to destroyed terrestrial networks, mobile and low-profile satellite user-terminals become an important alternative. This thesis investigates an innovative two-dimensional periodic leaky-wave antenna structure comprised of a dual-layer frequency selective surface (FSS) intended for transmit and receive operation. A successfully developed FSS unit-cell features interlaced radiating antenna apertures and provides a dual-band behaviour with circular polarisation. The dual-layer FSS aperture is excited by two crossed-slots radiator arrays fed by a low-loss waveguide network at 20 and 30 GHz. The design of the leaky-wave antenna, simulations and measurement results are discussed in detail. To evaluate the general performance of a low-profile user-terminal antenna, two demonstrators were built, that represent first variants of functional terminal outdoor-units. Besides the validation of the principle-of-operation of antenna and tracking algorithm, practical aspects of tracking with respect to the mechanical azimuth positioner and its achievable positioning accuracy, velocity, and acceleration could be examined. In principle, the modular antenna concept accepts a differing number and alignment of antenna panels on a positioner, thus being suitable for elevation angles tailored to different geographical regions. To remain compact and potentially low cost, the overall concept is based on a low number of feed ports and low-loss waveguide networks. For the tracking, a hybrid approach was chosen. The tracking of the radiation pattern is done mechanically in the azimuth, and it is electronically controllable in the elevation plane. The system operates with a reconfigurable radiation pattern resulting from the differently inclined antenna panels.

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Krauß, Alexander: Nachführbare Antennen geringer Bauhöhe für die mobile Satellitenkommunikation. Ilmenau 2018.

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