Phased-Array-Antenne

Der Prototyp unserer Antenne wurde für ein satellitengestütztes IoT-Netzwerk entwickelt, in dem IoT-Geräte mit GEO-Satelliten kommunizieren. Sie ermöglicht eine hemisphärische Strahlabdeckung mit einer stark gerichteten Antennenkeule. Anstelle von teuren Phasenschiebern erlaubt unser Design die Abdeckung mit wenigen, günstig realisierbaren Phasenwerten.

Innovative Elementanordnung

Bei der Ausrichtung eines Antennenstrahls auf einen LEO- oder GEO-Satelliten gibt es zwei Freiheitsgrade: Die Elevation zum Satelliten, die vom Aufgang des Satelliten über dem Horizont bis zum Überschreiten des Zenits reicht, und den Azimutwinkel, der die horizontale Ausrichtung einer Antenne beschreibt.

Im Gegensatz zu den üblichen rechteckigen Arrays, bei denen die Antennenelemente in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, positionieren wir die Elemente in konzentrischen Kreisen und regelmäßigen Sektoren. Die Steuerung der Phasendifferenz zwischen den Kreisen ermöglicht eine direkte Steuerung des Elevationswinkels, während die Symmetrie und die Wiederholung der Sektoren in Azimutrichtung eine beliebige Ausrichtung der Antenne relativ zum Satelliten unterstützt.

Optimierter Phasensatz

Während des Entwurfs- und Optimierungsprozess werden die Phasenschieber für jeden Ring so eingestellt, dass sie einen minimalen Satz einzelner Phasen unterstützen. Jeder Phasensatz ist in der Regel sehr klein und bietet zwischen zwei und vier verschiedene Phasenoptionen. Zusammen mit der optimierten Anordnung der Elemente bietet dies gerade genug Variabilität, um die Antennenkeule in jede gewünschte Richtung zu lenken. Die Verwendung von geschalteten Verzögerungsleitungen, die als Teil des Array-Speisenetzes aufgebaut werden, vereinfacht die Implementierung des Phasenschiebers zusätzlich.

Unsere kompakte Phased-Array-Antenne wurde primär für satellitengestützte IoT-Geräte mit niedrigem Energieverbrauch und geringer Datenrate entwickelt. Phasengesteuerte Gruppenantennen sind jedoch auch in anderen Anwendungsbereichen gefragt. Durch das Hinzufügen weiterer Elementringe können höhere Datenraten übertragen werden. Damit eignet sich die Phased-Array-Antenne für weitere Anwendungen in der Satellitenkommunikation, wie beispielsweise Satelliteninternet oder die Satellitenanbindung entlegener Standorte.

Sogar für den Einsatz im Mobilfunk ist die Phased-Array-Antenne bestens geeignet. Hier liegt der Fokus auf einer nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitung und der Optimierung des Energieverbrauchs.