ANTENNEN für die Raumfahrt
ANTENNEN für die Raumfahrt
ANTENNEN für die Raumfahrt
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<strong>ANTENNEN</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>die</strong> <strong>Raumfahrt</strong><br />
Dr. Manfred Wittig<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
1
________________________________________________________________________<br />
2<br />
Antennen 6 July 2006
Inhalt<br />
• Etwas Antennen Theorie<br />
• Boden Antennen<br />
• Satelliten Antennen<br />
• Phased Array Antennen<br />
• Optische Antennen<br />
• Synthetische Aperturen<br />
• Aperture Synthese<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
3
Antennen Theorie<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
4
________________________________________________________________________<br />
5<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
6<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
7<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
8<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
9<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
10<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
11<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
12<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
13<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
14<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
15<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Hertz 1884
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16<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Marconi 1916
Boden Antennen<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
17
________________________________________________________________________<br />
18<br />
Antennen 6 July 2006
Fernseh Empfangsantennen<br />
• Es gibt mehr als 100 Millionen <strong>die</strong>ser<br />
Antennen in Europa<br />
• Bestehend aus<br />
– Reflektor<br />
– Empfänger mit Erregerhorn<br />
– Mechanische Halterung<br />
• Massenproduktion<br />
• Optimierte Herstellungsverfahren<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
19
________________________________________________________________________<br />
20<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Mehrfach Empfänger<br />
• Multi Satelliten<br />
Antenne ohne<br />
Motor aber<br />
mehrerern<br />
LNB’s<br />
Kosten LNB ≈ 10 €<br />
Kosten Motor≈100 €
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21<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Mehrfach Empfänger
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22<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Linsen Antenne<br />
CyberTenna
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23<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Linsen Antenne<br />
CyberTenna<br />
80 cm 36 dBi Empfangsbereich 20 o
Zwei Weg Satelliten Antennen<br />
• Es gibt ca. 1 Millionen <strong>die</strong>ser Antennen weltweit<br />
• Bestehend aus<br />
– Reflektor<br />
– Empfänger mit Erregerhorn<br />
– Sende Verstärker<br />
– Mechanische Halterung<br />
• Massenproduktion aber geringere Stückzahlen<br />
• Noch recht teuer<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
24
________________________________________________________________________<br />
25<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Typische Zwei-Weg Antenne
Offset Parabol Antenne<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
26
Offset Dual Reflektor Antenne<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
27
DVB-RCS Terminals<br />
NERA EMS Newtec<br />
Norwegen Canada Belgien<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
28
Leaky Waveguide<br />
Durch Variation der<br />
Antennendicke wird<br />
der Strahl in Elevation<br />
geschwenkt<br />
Azimuth Einstellung<br />
per Motor<br />
Flache Antenne<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
29
________________________________________________________________________<br />
30<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
31<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
32<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
33<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
34<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
35<br />
Antennen 6 July 2006
Mobiler Rundfunk mit K u-Band Satelliten<br />
High Gain<br />
K u -Band<br />
Antenna<br />
High Gain<br />
K u -Band<br />
TX Antenna<br />
Transparent K u -Band Transponder<br />
possibly in inclined Orbit<br />
Low Gain<br />
K u -Band<br />
RX Antenna<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
36
Link Budget<br />
EIRP 50 dBW<br />
Mobile Antenna Diam. 12 cm<br />
Antenna Gain 20.6 dB<br />
3 dB Beamwidth 14.53 o<br />
G/T -2.7 dB/K<br />
Coding<br />
RS(69,16), 3/4 convolutional<br />
Coding Rate 0.5786<br />
Capacity 30 Mbps<br />
Channel Rate 51.85 Mbps<br />
Bandwidth 38.89 MHz<br />
C/No 66.21 dBHz<br />
C/Io 69.88 dBHz<br />
C/(No+Io) 64.63 dBHz<br />
Eb/(No+Io) -11.64 dB<br />
Eb/No required 6 dB<br />
Required Spreading 60<br />
Effective Data Rate 500 Kbps<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
37
Schlüssel Technologie<br />
Mobile Antenna<br />
12 cm Durchmesser flache Dachantenne ungefähr 45 o elevation, 360 o azimuth<br />
Geschicktes Interleaving<br />
Um Abschattungseffekte zu vermeiden<br />
Satellite<br />
Transparente Transponder sogar in inkliniertem orbit<br />
Transponder Kosten ca 2-4 M€/year<br />
XM Radio hat total 4 Mbit/s mit zwei sehr groβen Satelliten<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
38
________________________________________________________________________<br />
39<br />
Antennen 6 July 2006
Audio<br />
Signal<br />
Decimation<br />
Encoder<br />
Starkes Interleaving<br />
Delay<br />
+ +<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
Decoder<br />
t<br />
Delay<br />
40
Soft Degradation während Abschattungen<br />
Audio<br />
Signal<br />
Audio<br />
Signal<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
t<br />
t<br />
41
________________________________________________________________________<br />
42<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Demo Fahrzeug mit noch nicht<br />
flacher Antenne
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43<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Ca. 1 kW Elektronik im Kofferraum
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44<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Flaches Antennen Konzept<br />
Durchmesser<br />
circa 12 cm
Parameters Unit<br />
Phased Array Antennen Prototype<br />
TX<br />
Section<br />
RX<br />
Section<br />
Operating Frequency MHz 29750 19750<br />
Analog Bandwidth MHz 500 500<br />
Irradiated Power (EIRP) dBW 39,8 NA<br />
G/T dB/K° NA 3.1<br />
Antenna Gain dB 30.0 29.5<br />
Polarisation V V<br />
Antenna type<br />
Active phased<br />
array<br />
Antenna Pointing Method OPEN LOOP<br />
Antenna geometry 8 array 12 array<br />
Scan angles deg<br />
Az.: 360°; Elv.: 30°<br />
÷ 50°<br />
Power supply V 12<br />
Consumption Watt 50 10<br />
Width cm 30<br />
Dimensions Length cm 40<br />
Height cm 4 (goal)<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
45
Satelliten Antennen<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
46
Antenne mit Pointing Mechanismus<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
47
Reflektor Antennen<br />
• CFRP ultra-leicht<br />
shaped Reflector<br />
Technology <strong>für</strong> K u<br />
Band bis zu 3.8 m ist<br />
Standard<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
48
________________________________________________________________________<br />
49<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Leichter K a-Band Antennen Reflektor
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50<br />
Antennen 6 July 2006<br />
CFRP Reflektor Technologie
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51<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Speise Horn
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52<br />
Antennen 6 July 2006<br />
HS/BS 376 Antennen
________________________________________________________________________<br />
53<br />
Antennen 6 July 2006<br />
3-Achsen stabilisierte<br />
Satelliten
________________________________________________________________________<br />
54<br />
Antennen 6 July 2006<br />
3-Achsen stabilisierte<br />
Satelliten
Mehrfach SPOT Beam Technologie<br />
Warum ?<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
55
________________________________________________________________________<br />
56<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Gewünschte Ausleuchtung<br />
Erzielte Ausleuchtung<br />
Shaped Reflektor<br />
Multi Beam<br />
Lösung
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57<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Mehr Strahl Antennen<br />
Prinzip<br />
Hohes f/D ist nötig um den<br />
Antennen Gewinn Verlust<br />
geringzuhalten.<br />
Kombination von Sub und Haupt<br />
Reflektor erzielt hohes f/D
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58<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Gregorian/Cassegrain Sub Reflektor<br />
Antenne<br />
Der Subreflektor ist gröβer als der Haupt Reflektor.<br />
Das Problem ist solch eine Antenne am Satelliten zu befestigen.
FRONT REFLECTOR<br />
HORIZONTAL GRID<br />
REAR REFLECTOR<br />
ARRAY OF HORIZONTALLY<br />
POLARISED FEEDS<br />
ARRAY OF VERTICALLY<br />
POLARISED FEEDS<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Dual Gridded Reflektor<br />
Prinzip<br />
Soch eine Antenne ist ideal<br />
<strong>für</strong> Satellitenanwendungen.<br />
Es ist kein Sub-Reflektor nötig.<br />
Es sind zwei physikalische<br />
Reflektoren vorhanden, brauchen<br />
aber nur den Platz von einem.<br />
Es sind mehrere Speisehörner<br />
pro Reflektor möglich.<br />
Die Kreuz-Polar Isolation ist sehr<br />
gut, weil ja darauf <strong>die</strong>ses<br />
Antennen Prinzip beruht.<br />
59
Dual Gridded Reflektor<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
60
Reflektor Antennen<br />
• Gridded und shaped<br />
gridded Reflektor<br />
Technologie ist<br />
entwickelt <strong>für</strong><br />
Aperturen bis zu 2.5<br />
m. Auch <strong>für</strong> K a<br />
Band<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
61
Mehrfach Speise Horn<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
62
Warum sind neue Dienste Attraktiv ?<br />
Transparent Transponder<br />
36 MHz kosten cira 2 M€ pro Jahr<br />
-> 0.015 Euro/64 Kbps/min<br />
40 Transponder/Satellit -> 80 M€ pro Jahr<br />
Regenerative Transponder mit Vermittlung im<br />
Satellite<br />
512*256 Kanäle von 64 Kbps = 8.38 Gbps<br />
0.015 € Kbps/min -> 1,033.3 M€ pro Jahr<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
63
Nur Satelliten Empfänger <strong>für</strong><br />
Fernshen sind sehr billig (< 100 €)<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
Internet & VSAT’s<br />
Bis ca. 1990 entwickelten sich das<br />
Internet und VSAT ähnlich schnell.<br />
Grund: Commercielle Nutzer<br />
Seit 1990 wächst das Internet viel<br />
Schneller als <strong>die</strong> VSAT Nutzer.<br />
Grund: Internet Zugang wurde viel<br />
billiger, zuerst über Telefon Leitungen,<br />
Dann ISDN und heute ADSL.<br />
Es gibt heute noch keine billigen<br />
Zwei-Weg Satelliten Modems.<br />
64
• Satelliten sind sehr flexibel um Breitband Dienste in einem groβen Bereich<br />
anzubieten<br />
• Solch ein Service kann sehr schnell geliefert werden, speziell wenn Kabel<br />
Lösungen nicht sofort bereitgestellt werden können.<br />
• Der Nachteil der Satelliten Lösung ist jedoch ein wesentlich höherer Preis (OPEX)<br />
Warum ?<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Satelliten und Breitband<br />
Zugang<br />
65
________________________________________________________________________<br />
66<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Heutiger Internet Zugang<br />
über Satelliten
Neue Satelliten:<br />
Mehr Strahl Satelliten<br />
Mehr Strahl Antennen sind <strong>die</strong> Schlüssel Technologie<br />
<strong>für</strong> eine neue Generation von Satelliten.<br />
Durch <strong>die</strong> Mehrstrahl Antennen wird <strong>die</strong> Kapazität des<br />
Satelliten wesentlich erhöht.<br />
Das resultiert in geringeren Übertragungskosten.<br />
Die nötige Technologie ist heute verfügbar.<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
67
________________________________________________________________________<br />
68<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Őkonomie von Mehr-Strahl<br />
Satelliten<br />
Satelliten Daten-Übertragung mit konventionellen Satelliten ist circa<br />
100 Mal<br />
teurer als terrestrische Daten-Übertragung, aber nicht mehr mit<br />
Mehr-Strahl Satelliten
15 Mbit<br />
3 degree 0.5 degree<br />
Beamwidth<br />
400 Kbit<br />
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Antennen 6 July 2006<br />
69
Etwas Statistik<br />
• Es gibt circa 1 Million VSAT’s<br />
• Es gibt circa 120,000 Nutzer von Wildblue<br />
in USA und Kanada (via ANIK F2 mit 50 Spot<br />
Beams).<br />
• Es gibt circa 20,000 Nutzer von IpStar in Asien<br />
(80 Spot Beams)<br />
• Es gibt circa 30,000 Nutzer von DVB-RCS<br />
weltweit<br />
• Es gibt kein Spot Beam Satellit über Europa<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
70
Heute Möglich<br />
• Europäische Satelliten können heute circa<br />
40 Strahlen erzeugen.<br />
• Kapazität ist ca. 20 Gbit/s.<br />
• Der Satellit braucht ca. 14 kW Leistung vom<br />
Solargenerator<br />
• Die äquivalent abgstrahlte Leistung des<br />
Satelliten ist ungefähr 54 dBW * 40 Strahlen =<br />
70 dBW = 10 MW<br />
• Mehr-Strahl Antenne “Verstärkt” 1000 fach!<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
71
________________________________________________________________________<br />
72<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Konzept <strong>für</strong> 100 Strahlen<br />
<strong>für</strong> Europa mit @SAT
________________________________________________________________________<br />
73<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
74<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Nun <strong>die</strong> Realität
________________________________________________________________________<br />
75<br />
Antennen 6 July 2006
Mess Ergebnisse<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
76
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
77
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Θ<br />
φ = 2 π d/ sin Θ<br />
78
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Phasenverschiebung von φ ändert <strong>die</strong> Strahlrichtung um Θ<br />
Θ = arcsin(λ/2d) ≈ λ/2d<br />
Für M Strahler <strong>die</strong> abgestrahlte Welle ist <strong>die</strong> Summe der<br />
einzelnen Wellen<br />
E = Σx i e jωt e<br />
Das ist wieder eine FFT<br />
j 2πd/λ sin Θ<br />
79
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Direkte Implementation mit Phasenschiebern<br />
<br />
80
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Oder mit (Diskreter) Fourier Transformation<br />
DFT<br />
81
Phased Array Antennen<br />
Fourier Transformation Schnelle Fourier Transformation FFT<br />
Blass Matrix Butler Matrix<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
82
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
I<br />
<br />
Q<br />
Phasenschieber mit Look-Up Tabelle<br />
Cos<br />
Sin<br />
Sin(a+b) = sin(a)*cos(b)+cos(a)*sin(b)<br />
+<br />
83
In<br />
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Cos<br />
Sin<br />
Diskrete Fourier Transformation<br />
+<br />
+<br />
R<br />
R<br />
84
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
Komplexe Multiplikation<br />
+<br />
+<br />
E<br />
F<br />
85
Phased Array Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Komplexe Multiplikation<br />
8*8 Multiplizierer 150 Logik Zellen<br />
16*16 Multiplizierer 600 Logik Zellen<br />
Logik Zelle 20 Gatter<br />
86
Inmarsat IV Paylaod<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
87
Inmarsat IV Paylaod<br />
1<br />
D/A Mux<br />
demux<br />
demux A/D<br />
20<br />
BFN<br />
41 MHz L-Band<br />
(Active)<br />
________________________________________________________________________<br />
useful<br />
demux<br />
demux A/D<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FEEDER<br />
1<br />
22 MHz<br />
useful<br />
20<br />
(active)<br />
1<br />
22 MHz<br />
useful<br />
A/D<br />
A/D<br />
D/A<br />
demux<br />
demux<br />
Mux<br />
UT-UT<br />
100 kHz<br />
100kHz<br />
100kHz<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Forward Link<br />
Return Link<br />
100kHz<br />
100kHz<br />
TCC & Synch Ch.<br />
TMC & Synch Ch.<br />
100kHz<br />
demux<br />
100kHz<br />
Mux<br />
Mux<br />
Mux<br />
Mux<br />
demux<br />
Cntrl<br />
BFN<br />
BFN<br />
BFN<br />
S/C TM/TC<br />
Mux<br />
Mux<br />
200kHz<br />
Mux<br />
Mux<br />
demux<br />
demux<br />
D/A<br />
D/A<br />
D/A<br />
A/D<br />
A/D<br />
1<br />
1<br />
30 MHz<br />
useful<br />
41 MHz<br />
useful<br />
MOBILE<br />
208<br />
(Active)<br />
D/A<br />
208<br />
(Active)<br />
1<br />
30 MHz<br />
useful<br />
208<br />
(Active)<br />
208<br />
(Active)<br />
S-Band<br />
L-Band<br />
S-Band<br />
88
Inmarsat IV DSP<br />
________________________________________________________________________<br />
(Active)<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FEEDER<br />
1<br />
22 MHz<br />
useful<br />
20<br />
(active)<br />
1<br />
22 MHz<br />
useful<br />
20<br />
(Active)<br />
A/D<br />
A/D<br />
D/A<br />
D/A<br />
demux<br />
demux<br />
Mux<br />
Mux<br />
UT-UT<br />
100 kHz<br />
100kHz<br />
100kHz<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Channel<br />
Switch<br />
+ Level<br />
Control<br />
Forward Link<br />
Return Link<br />
100kHz<br />
100kHz<br />
TCC & Synch Ch.<br />
TMC & Synch Ch.<br />
100kHz<br />
100kHz<br />
Mux<br />
Mux<br />
Mux<br />
Mux<br />
demux<br />
demux<br />
demux<br />
demux<br />
Cntrl<br />
BFN<br />
BFN<br />
BFN<br />
BFN<br />
S/C TM/TC<br />
Mux<br />
Mux<br />
200kHz<br />
Mux<br />
Mux<br />
demux<br />
demux<br />
demux<br />
demux<br />
D/A<br />
D/A<br />
D/A<br />
D/A<br />
A/D<br />
A/D<br />
A/D<br />
A/D<br />
1<br />
1<br />
30 MHz<br />
useful<br />
41 MHz<br />
useful<br />
208<br />
(Active)<br />
MOBILE<br />
208<br />
(Active)<br />
1<br />
30 MHz<br />
useful<br />
208<br />
(Active)<br />
1<br />
41 MHz<br />
useful<br />
208<br />
S-Band<br />
L-Band<br />
S-Band<br />
L-Band<br />
89
Inmarsat IV DBFN ASIC<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
TDM<br />
From Switch<br />
Weight<br />
Memory<br />
2*6 1<br />
Frame<br />
Memory<br />
Write<br />
Adress<br />
Read<br />
Adress<br />
0 1 … n … M<br />
+<br />
2*7 2*8 2*7 2*7<br />
Weight<br />
Memory<br />
2*6 1<br />
Frame<br />
Memory<br />
Write<br />
Adress<br />
Read<br />
Adress<br />
0 1 … n … M<br />
+<br />
2*7 2*8 2*7 2*7<br />
1<br />
5<br />
90
Inmarsat IV DSP Interfaces<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
91
Inmarsat IV DSP<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
92
________________________________________________________________________<br />
93<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Inmarsat IV Digitaler Signal Processor
Multi Chip Module<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
94
Inmarsat IV<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
9.6 m Antenne<br />
120 Helix Antennen Feeds<br />
200 User Beams<br />
95
Inmarsat IV DSP<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
96
Inmarsat IV DSP<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
97
LEO Constellation<br />
Aktive Antennen<br />
Concept Stu<strong>die</strong><br />
• Teledesic ähnliches Konzept<br />
•K a-band<br />
• 16 Beams, Beam Hopping (4 KHz)<br />
• 4 Kanäle a 190 Mbit/s<br />
• Strahl Muster Erd fixiert, 111 km Abstand<br />
• EIRP = 30 dBW<br />
• G/T = -1.9 db/K<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
98
________________________________________________________________________<br />
99<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
100<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Constellation projiziert auf<br />
<strong>die</strong> Erde
________________________________________________________________________<br />
101<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Strahlweite abhängig<br />
vom Scan Winkel
________________________________________________________________________<br />
102<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sendeleistung abhängig<br />
vom Scan Winkel
________________________________________________________________________<br />
103<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Zellen Muster<br />
& Frequenz Plan
________________________________________________________________________<br />
104<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Konzept
________________________________________________________________________<br />
105<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Spezifikation
________________________________________________________________________<br />
106<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Nutzlast Block Diagram
________________________________________________________________________<br />
107<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Empfangs Modul
________________________________________________________________________<br />
108<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Notwendige Leistung hängt<br />
von der Strahlweite ab
________________________________________________________________________<br />
109<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Empfangs Antennen<br />
Layout
________________________________________________________________________<br />
110<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Empfangs Antennen<br />
Layout
________________________________________________________________________<br />
111<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Empfangs Antennen<br />
Eigenschaften
________________________________________________________________________<br />
112<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Empfangs Modul<br />
Block Schaltbild
________________________________________________________________________<br />
113<br />
Antennen 6 July 2006<br />
MMIC des VGA
________________________________________________________________________<br />
114<br />
Antennen 6 July 2006<br />
MMIC des Phasenschalters
________________________________________________________________________<br />
115<br />
Antennen 6 July 2006<br />
MMIC des Phasenschiebers
________________________________________________________________________<br />
116<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Ein fertiges Modul
________________________________________________________________________<br />
117<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Modul
SSPA<br />
20 dBm<br />
= 0.1 W<br />
________________________________________________________________________<br />
118<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Modul<br />
Block Schaltbild
________________________________________________________________________<br />
119<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Antennen<br />
Layout
________________________________________________________________________<br />
120<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Antennen<br />
Ergebnis
________________________________________________________________________<br />
121<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Antennen<br />
Modul Layout
________________________________________________________________________<br />
122<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Antennen<br />
Modul Layout
________________________________________________________________________<br />
123<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Sende Antennen<br />
Modul Massen Budget
________________________________________________________________________<br />
124<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Modul Thermal<br />
Design
________________________________________________________________________<br />
125<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Modul Thermal<br />
Design Ergebnis
________________________________________________________________________<br />
126<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Focal Array Fed Reflector<br />
FAFR
________________________________________________________________________<br />
127<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Prinzip
________________________________________________________________________<br />
128<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Block Diagram
________________________________________________________________________<br />
129<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Design
________________________________________________________________________<br />
130<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Komponenten
________________________________________________________________________<br />
131<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Komponenten
________________________________________________________________________<br />
132<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Komponenten
________________________________________________________________________<br />
133<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR Zusammenbau
________________________________________________________________________<br />
134<br />
Antennen 6 July 2006<br />
FAFR 1ste Version
Iridium LLC beginnt wieder in 2001<br />
Hauptnutzer heute DoD<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Iridium<br />
Idee: Weltweiter Telefon Dienst mit Mobiltelefonen<br />
Datenrate 2.4 kBit/s<br />
Ursprüngliches Knozept 77 Satelliten in Walker Konstellation<br />
<strong>für</strong> weltweite Bedeckung<br />
daher der Name Iridium (Element 77)<br />
Später Reduktion auf 66 Satelliten<br />
Dienstbegin 1 November 1998<br />
Pleite 13 August 1999<br />
Ca 142,000 Teilnehmer Dezember 2005<br />
135
136
Iridium Start<br />
Konfiguration<br />
________________________________________________________________________<br />
137<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
138<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Main Mission Antenna<br />
Phased Array Antenna<br />
Erzeugt 3*16 Beams
________________________________________________________________________<br />
139<br />
Antennen 6 July 2006<br />
ISL & Gateway Antennen
________________________________________________________________________<br />
140<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Technologie<br />
T/R Module<br />
• L-band<br />
• 11 W Sendeleistung<br />
• 33,000 Module hergestellt von Raytheon<br />
• 0.25µ Techhnologie
________________________________________________________________________<br />
141<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Globalstar<br />
48 Satelliten<br />
Keine ISL’s<br />
Terrestrische Gateways<br />
Standard Qualcom CDMA & GSM SIM<br />
Erster Satelliten Start Februar 1998, Launch Fehler September 2000: Verlust von<br />
12 Satelliten. Fertigstellung der Konstellation Februar 2000.<br />
Erstes Gespräch über Globalstar 1 November 1998<br />
15 Februar 2002 ebenfalls Firmenpleite. 16 April 2004 Weiterführung der Dienst<br />
Nachdem Thermo Capital Partners LLC <strong>für</strong> 43 Millionen $ Globalstar kaufte
________________________________________________________________________<br />
142<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Globalstar Konstellation<br />
und Satellite
________________________________________________________________________<br />
143<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Antennen Technologie<br />
T/R Module<br />
• S-band<br />
• 5 W Sendeleistung 2.5 GHz<br />
• 5,600 Module hergestellt von Raytheon<br />
• 3,800 L-Band Module
Grosse Satelliten Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
144
________________________________________________________________________<br />
145<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Modular Unfurlable Antenna<br />
Reflector UMA 1982
________________________________________________________________________<br />
146<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
147<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
148<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
149<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
150<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
151<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
152<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
153<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
154<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
155<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
________________________________________________________________________<br />
156<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Reflector Experiment<br />
MIR July 1999
Large Deployable Reflector<br />
LDR<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
157
Lay out<br />
and<br />
deployment<br />
sequence<br />
Entfaltungs Sequenz<br />
Configuration<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
158
________________________________________________________________________<br />
159<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Der Reflektor
________________________________________________________________________<br />
160<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Entfaltungstest
________________________________________________________________________<br />
161<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Entfaltungstest
Central structure<br />
Ribs<br />
Levers of the structure<br />
Actuators<br />
Mesh with fixation attachment<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Einige nötige Komponenten<br />
162
12 meters<br />
22 meters<br />
5 meters<br />
9.7 meters<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Zukunft<br />
MIR 1999 LDR 2006 ?<br />
163
________________________________________________________________________<br />
164<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
165<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
166<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
167<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
168<br />
Antennen 6 July 2006
169
Inmarsat 4<br />
________________________________________________________________________<br />
170<br />
Antennen 6 July 2006
50 foot diameter Prototype of ACeS Reflector<br />
delivered by TRW Astro Aerospace Corp.<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
171
________________________________________________________________________<br />
172<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
173
________________________________________________________________________<br />
174<br />
Antennen 6 July 2006
Optische Antennen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
175
________________________________________________________________________<br />
176<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Optische Antennen<br />
Empfangsleistung nimmt mit dem Quadrat der Frequenz zu,<br />
wenn <strong>die</strong> Antennen-Gröβe gleich bleibt.<br />
P r/P t = π 2 /(4*c 2 ) * D t 2 *Dr 2 /R 2 * f 2<br />
Optische Verbindungen erlauben 77 dB = 55 millionfach höhere<br />
Datenraten als K a -Band Verbindungen<br />
oder <strong>die</strong> Antennen können kleiner ausgelegt werden!
________________________________________________________________________<br />
177<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Optische Intersatellite<br />
Link Konfigurationen
________________________________________________________________________<br />
178<br />
Antennen 6 July 2006<br />
SILEX<br />
25 cm<br />
Teleskop<br />
Flug Model
________________________________________________________________________<br />
179<br />
Antennen 6 July 2006<br />
SILEX<br />
25 cm<br />
Teleskop<br />
Flug Model<br />
Haupt &<br />
Sekundär<br />
Spiegel
________________________________________________________________________<br />
180<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Elekto-Optische Komponenten
________________________________________________________________________<br />
181<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Optisches Block Diagram
________________________________________________________________________<br />
182<br />
Antennen 6 July 2006
183
________________________________________________________________________<br />
184<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Heutige Optische ISL<br />
Terminals
________________________________________________________________________<br />
185<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Optischer Kopf
________________________________________________________________________<br />
186<br />
Antennen 6 July 2006<br />
System Test Umgebung
________________________________________________________________________<br />
187<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Ausrichtfehler Messung
Deep Space Links<br />
• Heute sind X-Band Verbindungen der Standard<br />
• K a -Band wird als neue Technologie bezeichnet und wird zukünftig<br />
mehr und mehr verwendet werden<br />
• Optische Links sind nach wie vor Zukunftsmusik, haben aber enorme<br />
Vorteile<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
188
Mars Express<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
189
________________________________________________________________________<br />
190<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Bodenstation
________________________________________________________________________<br />
191<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Wissenschaftlich Mission<br />
zu den Lagrange Punkten
________________________________________________________________________<br />
192<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Lagrange Orbits
Average Transmit Power 1.5 W<br />
________________________________________________________________________<br />
193<br />
Antennen 6 July 2006<br />
L2-Erde Link<br />
Telescope Diameter 4 cm 7 cm<br />
Antenna Gain 99.8 dB 104.7 dB<br />
Distance 1.5 * 10 6 km<br />
Spaceloss -324.9 dB -324.9 dB<br />
Ground Telescope Diameter 1 m 1 m<br />
Antenna Gain 127.8 dB 127.8 dB<br />
Transmission Losses 10.0 dB 10.0 dB<br />
Average Received Power -75.4 dBm -70.5 dBm<br />
Data Rate 5 Mbps 10 Mbps
________________________________________________________________________<br />
194<br />
Antennen 6 July 2006<br />
L2-Erde Link<br />
1 m Telescope auf Tenerife ist im Bestand von ESA<br />
Das erste Optische Terminal von Contraves hat ein 4 cm Teleskop<br />
Optical TM from L1, L2: >10 Gbyte<br />
per day
35 mm 250 mm<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Optische Terminal Prototypen<br />
195
________________________________________________________________________<br />
196<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Erde-Mond Lagrange Link<br />
• Ein 26 cm Teleskop auf dem Mond und<br />
ein 4 cm Teleskop auf einem Datenrelay<br />
Hub im Erde-Mond L2 erzielt eine<br />
Datenrate von 100 Mbit/s.<br />
• Ein 26 cm Teleskop auf dem Datenrelay<br />
Mond L2 Hub erzielt eine kontinuierliche<br />
Datenrate von 1 Gbit/s zur Erde .
________________________________________________________________________<br />
197<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Erde-Mars Link<br />
• Ein 26 cm Teleskop auf dem Mars und ein<br />
10 m Teleskop auf der Erde erzielt eine<br />
Datenrate von 300 kbit/s.
SALT<br />
Teleskop<br />
Hauptspiegel ist<br />
Spherisch<br />
Gesamtkosten<br />
circa 30 M€<br />
________________________________________________________________________<br />
198<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
199<br />
Antennen 6 July 2006<br />
NASA’s Mars Pläne<br />
Notwendige Datenrate 440 Mbit/s<br />
Ka-Band 37.25 GHz<br />
EIRP 88.1 dBW<br />
Sendeleistung 750 W<br />
Satelliten Antenne 10.2 m<br />
Satelliten Antennen Masse 28 kg<br />
Boden Antenne Array von 45 Antennen, jede 12 m<br />
Oder<br />
Sendeleistung 375 W<br />
Satelliten Antenne 5.1 m<br />
Satelliten Antennen Masse 14 kg<br />
Boden Antenne Array von 180 Antennen, jede 12 m
• Artemis<br />
– S-Band Daten Relay<br />
Daten Relay<br />
–K a -Band Daten Relay<br />
– Optisches (800 nm) Daten Relay<br />
•TDRSS<br />
– Für alle Space Shuttle Missionen absolut<br />
notwendig<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
200
201
________________________________________________________________________<br />
202<br />
Antennen 6 July 2006<br />
UAV’s
Synthetische Aperturen<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
203
Synthetische<br />
Aperture<br />
• Ziel: Hohe örtliche Auflösung<br />
• Nutzt <strong>die</strong> Bewegung von Flugkörpern<br />
– Flugzeuge<br />
– Satelliten<br />
• Synthetic Aperture Radar<br />
• SAR<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
204
Antenne der Länge L<br />
sendet Radarimpulse<br />
synchronisiert mit der<br />
Geschwindigkeit v<br />
Strahldivergenz<br />
β =<br />
λ<br />
L<br />
Auflösung am Boden<br />
D = 2 βh = 2 L<br />
λ<br />
h<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
2β<br />
205
Objekt bewegt sich mit v<br />
nach rechts<br />
Nach 15 Aufnahmen kann<br />
ein Bild entsprechend der<br />
Gewichtung der Linse<br />
erzeugt werden.<br />
Die Auflösung ist<br />
Θ<br />
L/2<br />
________________________________________________________________________<br />
Hälfte der Antennenlänge<br />
Antennen 6 July 2006<br />
D<br />
2<br />
x<br />
a<br />
L<br />
2<br />
L<br />
h<br />
206
1ster Europäischer<br />
SAR Satellite ERS-1<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
207
________________________________________________________________________<br />
208<br />
Antennen 6 July 2006
209
________________________________________________________________________<br />
210<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
211<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
212<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
213<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
214<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
215<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
216<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
217
________________________________________________________________________<br />
218<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
219<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
220<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
221<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
222<br />
Antennen 6 July 2006
Aperture Synthese<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
223
Aperture<br />
Synthese<br />
• Ziel: Hohe örtliche Auflösung<br />
• Lösung:<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
224
Aperture<br />
Synthese<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Θ<br />
2<br />
πd<br />
P ( φ) =<br />
U ( 1+<br />
cos(<br />
0<br />
λ<br />
sin(<br />
φ<br />
))<br />
225
Aperture<br />
Synthese<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
α<br />
B(β)<br />
-α φ 0 α<br />
πd S( φ)<br />
B(<br />
β )( 1 cos( λ sin( φ0<br />
φ)))<br />
dφ<br />
−<br />
+ = ∫<br />
−α<br />
226
V<br />
Aperture<br />
Synthese<br />
φ) exp( j λ<br />
α<br />
∫ S0<br />
−α<br />
λ<br />
(<br />
πd 1<br />
πd<br />
∆φ)<br />
= B(<br />
β ) exp( j φ)<br />
dφ<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
S ( φ) = S ( 1+<br />
V ( φ))<br />
0<br />
Das ist ein Fourier Integral<br />
227
Aperture<br />
Synthese<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
( β ) = S0<br />
∞<br />
∫V<br />
( s)<br />
exp( − j<br />
0<br />
−∞<br />
d<br />
λ 0<br />
π φ −φ<br />
B ( )<br />
Inverse Fourier Transformation liefert das Messergebnis<br />
228<br />
ds<br />
λ
Aperture<br />
Synthese<br />
∞<br />
∞<br />
B ( l,<br />
m)<br />
V ( u,<br />
v)<br />
exp( − j2π<br />
( ul + vm)<br />
dudv<br />
= ∫ ∫<br />
−∞<br />
−∞<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
v<br />
u<br />
229
SMOS<br />
• Soil Moisture & Ocean Salinity<br />
Observation Satellite<br />
• Messung der Bodenfeuchtigkeit und des<br />
Salzgehaltes der Meere<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
230
The effektive Bodentemperature<br />
ist direkt proportional<br />
zu der Bodenfeuchtigkeit<br />
________________________________________________________________________<br />
Antennen 6 July 2006<br />
231
________________________________________________________________________<br />
232<br />
Antennen 6 July 2006
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233<br />
Antennen 6 July 2006
234
235
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236<br />
Antennen 6 July 2006
________________________________________________________________________<br />
237<br />
Antennen 6 July 2006<br />
Vielen Dank <strong>für</strong> Ihre Geduld<br />
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+31 71 565 3047
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