DE2608599A1 - Schaltungsanordnung zur kompensation des durch kreuzpolarisation dual polarisierter wellen in einem mikrowellen-uebertragungssystem verursachten gegensprechens - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zur Kompensation des durch Kreuzpolarisation dual polarisierter «Teilen in einem Mikrowellen-Übertragungssystem verursachten Gegensprechens.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Mikrowellen-Übertragungssysteme, die mit dual polarisierten Wellen arbeiten, werden eingesetzt, um das jeweils zur Verfügung stehende Frequenzspektrum möglichst gut zu nutzen. Dabei werden voneinander unabhängige Signale durch Träger übertragen, die durch duale und orthogonal zueinander polarisierte Wellen mit derselben Frequenz im Mikrowellen-Bereich gebildet werden (bei z.B„ linear polarisierten Wellen verwendet man die vertikal und die horizontal polarisierten Wellen; bei z.B. zirkulär polarisierten Wellen verwendet man die im Uhrzeigersinn und die im Gegenuhrzeigersinn drehenden, zirkulär polarisierten Wellen). Man erhält auf diese Weise praktisch eine Verdoppelung der Bandbreite des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes.

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Durch die Erfindung soll das Gegensprechen zwischen den beiden polarisierten Wellen beseitigt werden, d.h. der Pegel der Gegensprechens zwischen beiden polarisierten Wellen minimalisiert werden. Für die Verschlechterung der Trennung der polarisierten Wellen, d.h. für die Kreuzpolarisation, gibt es verschiedene Ursachen. Um lediglich einige zu erwähnen, sei darauf hingewiesen, daß solche Verschlechterungen in der Speiseleitung (mit einem Reflektorsystem für Sendung und Empfang der Antennen- und der Primärabstrahlung), sowie im Medium der Fortpflanzung der Mikrowellen eintreten können.

Die im Fortpflanzungspfad induzierte Kreuzpolarisation ergibt sich hauptsächlich als Folge von Anormalitäten, die durch Regen verursacht werden. Die dadurch im Medium der Fortpflanzung der Übertragung erzeugten Kreuzpolarisations-Komponenten sind, da Regen ein natürliches Phänomen ist, im allgemeinen zeitabhängig. Die Möglichkeit der Trennung der Kreuzpolarisation, die durch Regen verursacht wird, verschlechtert sich mit zunehmendem Regenfall; die Wirkungen des R.egens nehmen auch mit zunehmender Frequenz zu. Die Ursache hierfür ist, daß die Regentropfen, die einen Verlust in der durch das Medium der Fortpflanzung gebildeten Leitung darstellen, keine perfekt sphärische, sondern ellipsoide Form haben. Liegen die elektrischen Felder der polarisierten Wellen also parallel zur Hauptbzw. Nebenachse eines Regentropfens, so folgen daraus Unterschiede hinsichtlich der von einem Regentropfen verursachten Dämpfung und Phasenverschiebung der beiden polarisierten Wellen. Der die Lage der Regentropfen im Raum bestimmende Winkel ist nun in der Praxis nicht stets senkrecht; selbst wenn die vertikal und horizontal linear

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polarisierten Wellen zueinander perfekt orthogonal sind, ergibt sich also bei der Aussendung von einer Sendeantenne, daß die einkommenden Polarisationen der Wellen nicht nur infolge der erwähnten verschiedenen Dämpfung durch die Regentropfen nicht mehr orthogonal sind, sondern daß infolge der verschiedenen Einflüsse auf die Phasenlage auch elliptisch polarisierte Wellen entstanden sind. Das verursacht die Verschlechterung der Trennung hinsichtlich der Kreuzpolarisation. Dabei zeigen sowohl Versuch als auch theoretische Analysen, daß die Phasenlaufeigenschaften von Regentropfen schädlicher als die Dämpfungseigenschaften sind.

Zum Ausgleich der durch Regen verursachten Verschlechterung der Diskriminierung der Kreuzpolarisation sind folgende Systeme bekannt geworden:

(1) T.S. Chu "Restoring of the Orthogonality of Two Polarization in Radio Communication Systems, I", The Bell System Technical Journal, Bd. 50, No. 9, S. 3063-3069 (November 1971);

(2) T.S. Chu "Restoring of the Orthogonality of Two Polarization in Radio communication Systems, II" The Bell System Technical Journal, Bd. 52, No. 3, S. 319-327 (März 1973);

(3) US-PS 3 735 266.

Die Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß den beiden erstgenannten Literaturstellen verwenden variable Phasenschieber und variable Dämpfungsschaltungen, die über Drehverbindungen

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drehbar und in der Speiseleitung in der Antenne angeordnet sind. Ergeben sich nun als Folge von Regen im Fortpflanzungspfad der fellen Kreuzpolarisations-Komponenten, dann werden der variable Phasenschieber und der variable Dämpfer gedreht. Der betrag von Phasenverschiebung und Dämpfung dieser Kompensationsmittel werden derart gesteuert, daß die örthogonalität zwischen den polarisierten Wellen verbessert wird und die Verschlechterung der Diskriminierung der Kreuzpolarisation kompensiert wird, so daß auf diese Weise vollkommen orthogonal linear polarisierte Wellen entstehen. Ferner wird in einem Polarisations-Konverter ( A TT ) die Ebene der dual orthogonalen Polarisationen geändert, so daß mit Hilfe eines Orthomode-Wandlers die dual orthogonal polarisierten Wellen isoliert werden können. Diese Kompensation ist bei Übertragungssystemen mit Zwischenstationen auf Sichtverbindung wirksam verwendbar. Bei einer Antenne einer Bodenstation eines SatelIiten-Übertragungssystems, das mit hohem Wirkungsgrad und nur geringem Rauschen arbeiten muß, hat diese Art der Kompensation Nachteile, die darin bestehen, daß nicht nur der Wirkungsgrad der Antenne verschlechtert, sondern auch die Rauschtemperatur erhöht wird. Dies ergibt sich aus der Anordnung der variablen Dämpfungsschaltung in der Speiseleitung. Daraus wiederum folgt eine Verschlechterung der Übertragungsqualität.

Die Kompensation nach der oben unter (3) erwähnten Literraturstelle beruht darauf, daß die Kompensation nicht im Antennenspeisekreis, sondern in den letzteren Stufen des Vorverstärkers (31, 32) erfolgt. Obwohl diese Kompensation die genannten Nachteile der anderen bekannten Verfahren nicht aufweist, hat sie immer noch den Nachteil, daß die Verbesserung der Kreuzpolarisation sehr stark von der

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Amplituden/Frequenz- und der Phasen/Frequenz-Charakteristik der Vorverstärker abhängt, da das Gegensprechen, das aus den differentiellen Phaseneigenschaften des Regens herrührt, welches wiederum den dominierenden Faktor bei der Verschlechterung der Xreuzpolarisation darstellt, in den letzteren Stufen der Vorverstärker kompensiert wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile dieser Systeme des Standes der Technik nicht aufweist, d.h. die die Verschlechterung der Trennung dieser Kreuzpolarisation bei den beiden polarisierten Wellen, wie sie durch Regen verursacht wird, ohne Beeinträchtigung von Wirkungsgrad und Rauschcharakteristik und ohne eine negative Beeinflussung durch die Dämpfung/Frequenz- und Phasen/ Frequenz-Kennlinien der Vorverstärker kompensiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels;

Figuren 2 und 5 schematische Darstellungen verschiedener Zustände der Polarisation bei linear polarisierten bzw. zirkulär polarisierten Wellen (Fig. 3);

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Übertragungspfades mit dual polarisierten Wellen;

Figur 5 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung 21 in Fig. 1;

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Figur 6 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels ;

Figur 7 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels .

Figur 1 zeigt eine auf eine Empfangsantenne ausgerichtete Sendeantenne 10. Auf sie folgt ein 180 -Phasenschieber 12, der in der Speiseleitung in der Kmpfangsantenne 11 angeordnet und mit Hilfe einer Drehverbindung drehbar angeschlossen ist; darauf folgt ein 90°-Phasenschieber 13, der ebenfalls mit Hilfe einer Drehverbindung drehbar angeschlossen ist. Darauf folgt der Wandler 14, der die beiden zueinander orthogonalen polarisierten Schwingungen voneinander isoliert (im folgenden: Orthomode-Wandler). Die durch die polarisierten Schwingungen an den entsprechenden Ausgängen des Orthomode-Wandlers 14 erzeugten Signale werden in Vorverstärkern 15 bzw. 16 verstärkt und gelangen dann an die Eingangsklemmen der Kompensationsschaltung 17. Die Kompensationsschaltung 17 enthält zumindest die vier Gabelschaltungen 18, 18^f, 19, 19', die variablen Dämpfungsschaltungen 22 und 23, sowie die variablen Phasenschieber 24 und 25. Die Signale von den Ausgängen der Kompensationsschaltungen gelangen an die Gabelschaltungen 20 und 20'. Je einer der Ausgänge dieser Gabelschaltungen gelangt an die Steuerschaltung 21. Die anderen Ausgänge stehen an den Ausgangsklemmen 26 bzw. 27 zur Verfügung.

Im folgenden wird die Funktionsweise unter Bezugnahme auf die Vektordiagramme nach Fig. 2 erläutert.

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Es sei angenommen, daß zwei orthogonale linear polarisierte Wellen von der Sendeantenne 10 ausgesendet werden und sich durch ein Übertragungsmedium hindurch fortpflanzen. Die Orthogonalität der beiden polarisierten Wellen zueinander kann jedoch wegen der differentiellen Dämpfung durch Regentropfen nicht bestehen bleiben; ferner werden die zunächst linear polarisierten Wellen als Folge der differentiellen Veränderungen der Phasenlage durch die Regentropfen in elliptisch polarisierte Wellen umgewandelt. Die Empfangsantenne 11 empfängt daher eine elliptisch polarisierte Welle 28, die, bei (I) in Fig. 2 (a) dargestellt, im Uhrzeigersinn rotiert, sowie ferner eine ebenfalls elliptisch polarisierte Welle 29, die, bei (II) in Fig. 2 (a) dargestellt, im Gegenuhrzeigersinn rotiert. Die Lage der Koordinatenachsen X und Y entspricht der orthogonal polarisierter Wellen an den Ausgangsklemmen des Orthomode-Wandlers 14; die Lage der Achsen X¹ und Y¹ entspricht der Lage der Hauptachsen der ankommenden elliptisch polarisierten Wellen 28 und 29·, wobei der Winkel zwischen ihnen nicht stets gleich 90° ist. Gelangen die beiden im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn rotierenden elliptisch polarisierten Wellen (I) und (II), die in Fig. 2 (a) dargestellt sind, an den drehbaren 180 -Phasenschieber 12, so werden sie dabei einer Koordinatenumwandlung auf der X-Y-Ebene unterworfen. Der Winkel zwischen den Hauptachsen und das Achsenverhältnis der elliptisch polarisierten Wellen bleiben dabei unverändert; die Hauptachsen rotieren jedoch und die Richtung der Drehung der Polarisation wird umgekehrt; die bei (I) dargestellte polarisierte Welle 30 ist nun eine im Gegenuhrzeigersinn rotierende elliptisch polarisierte Welle, und die bei (II) dargestellte polarisierte Welle 31 ist nun eine im Uhrzeigersinn rotierende elliptisch polarisierte Welle, wie in Fig. 2 (a) dargestellt. Beide ge-

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langen nun an den drehbaren 9O°-Phasenschieber 13. Dabei ist in diesem Falle die voreilende Ebene der 18O°-Phasenverschiebung des 18O°-Phasenschiebers auf die ΊΓ -Achse 32 eingestellt.

Bezüglich der elliptisch polarisierten Wellen, die einer Koordinatenumwandlung unterworfen wurden und die bei (I) bzw. (II) dargestellt sind, folgt: Ist die vorauseilende Ebene der 9O°-Phasenverschiebung des drehbaren 90°-Phasenschiebers auf einen willkürlichen Winkel gegenüber der X-Achse eingestellt, \tfie bei 33 in Fig. 2 (b) gezeigt, dann ergibt sich für die einkommenden elliptisch polarisierten Wellen eine Umwandlung hinsichtlich der Polarisierung. An die Eingangsklemme des Orthomode-Wandlers 14 gelangen elliptisch polarisierte Wellen 35 und 36, deren Hauptachsen, wie Fig. 2 (c) zeigt, zueinander schräg geneigt sind. Allgemein haben nun die elliptisch polarisierten Wellen 35 bzw. 36 ungleiche Kreuzpolarisations-Komponenten, die hinsichtlich ihrer Größe nicht minimalisiert sind. Werden nun der drehbare 18O°-Phasenschieber 12 und der 9O°-Phasenschieber 13 entsprechend gesteuert und eingestellt, so kann die Umwandlung hinsichtlich der Polarisation derart erfolgen, daß dabei das Polarisations-Achsenverhältnis im wesentlichen beibehalten wird, die eingehenden elliptisch polarisierten Wellen jedoch durch die einstellbare Steuerung des Winkels zwischen der voreilenden Ebene 3 3 der 90°-Phasenverschiebung des drehbaren 90°-Phasenschiebers 13 und der X-Axhse depolarisiert werden. Das bedeutet die Gleichstellung des Winkels zwischen der Hauptachse X¹ der bei (I) in Fig. 2 (d) dargestellten elliptisch polarisierten Welle 30 und der voreilenden Ebene 33 der 90°-Phasenverschiebung im drehbaren 90°-Phasenschieber mit dem Winkel zwischen der Hauptachse Y¹ der bei (II) dargestellten elliptisch polarisierten Welle 31 und der O°-Ebene 34 des 90°-Phasenschiebers. Das an

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die Eingangskieramen des Orthomode-Wandlers 14 gelangende Signal besteht nun also aus den zueinander schräg gekreuzten elliptisch polarisierten Wellen 35 und 36 nach Fig 2 (c). Die Kreuzpolarisations-Komponenten dieser polarisierten Wellen werden durch das dargestellte Verfahren einander gleich. Dies ist die optimale Bedingung zur Minimalisierung des Kreuzpolarisations-Verhaltens. In diesem sind der Winkel zwischen der Hauptachse der elliptisch polarisierten Welle 35 und der X-Achse in Fig. 2 (c) und der Winkel zwischen der Hauptachse der elliptisch polarisierten Welle 36 und der Y-Achse einander gleich. ;Vie diese Erläuterung der Funktion ergibt, kompensieren der drehbare 18O°-Phasenschieber 12 und der drehbare 9O°-Phasenschieber 13 zumindest die Verschlechterung der Trennung der Kreuzpolarisation, die durch die differentielle Phasenverschiebung der Regentropfeh entsteht. Die oben gegebene Beschreibung ging dabei vom statischen Zustand aus; verändert sich der Regenfall in Abhängigkeit von der Zeit, so muß man den 18O°-Phasenschieber und den 9O°-Phasenschieber derart antreiben bzw. steuern, daß sich eine Minimalisierung und ein Ausgleich der Größe der Kreuzpolarisations-Komponenten an den Ausgangsklemmen des Orthomode-Wandlers 14 ergibt. Dies kann mit einer automatischen Antriebssteuerung erfolgen.

Die Funktionsweise des 18O°-Phasenschiebers 12 und des 90 Phasenschiebers und die Kompensation der willkürlich polarisierten Wellen wird im folgenden beschrieben. Dabei ist auf die Signale an den beiden Ausgangsklemmen des Orthomode-Wandlers 14 und die Ableitung der Steuersignale davon einzugehen.

Fig. 4 zeigt einen Übertragungspfad in einem bestimmten Raum, in dem sich die Mikrowellen fortpflanzen, sowie ferner die Sende-, die Empfangsantenne und die Polarisationen. In einem derartigen Übertragungssystem ist ein Pilotsignal oder mehrere

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Pilotsignale mit verschiedenen Frequenzen jeder Polarisation zugeordnet. Sie werden durch die beiden polarisierten Wellen E,Q und E₂„ als Träger im selben Frequenzband übertragen. Das durch Regentropfen verursachte Gegensprechen auf der Empfängerseite kann man nun dadurch mildern, daß die beiden Pilotsignale zunächst ermittelt und danach derart verarbeitet werden, daß davon Steuersignale abgeleitet werden, die drehbare Phasenschieber steuern. Sendet die Sendeantenne 50 die beiden orthogonalen linearen polarisierten Wellen E₁₀ und E₂₀ aus, dann sind in den Signalen Ey und E„ an den orthogonalen zugeordneten Ausgangsklemmen der Empfangsantenne 51 unerwünschte Gegensprechsignale zwischen den beiden orthogonalen Schwingungen vorhanden. Sie sind die Folge der differentiellen Phasenverschiebung und der differentiellen Dämpfung, die sich für die Mikrowellen bei Regenfall ergeben. Dieser Zustand der Polarisation kann allgemein durch die folgenden Gleichungen angegeben werden:

(D

^A21^El0

^A22^E2O

Diese Gleichungen kann man als Matrix folgendermaßen schreiben:

^fA11 ^Α12^Ί

^A21 ^A22

ΓΕ

10

^J20

(2)

Die Elemente dieser Matrix sind im allgemeinen komplexe Zahlen; A.... und A₁₂ sind die Kopolarisations-Komponenten, A^₂ und A₂-, die Kreuzpolarisations-Komponenten. Schreibt man die Matrix M derart um, daß die Amplitudenkomponenten und die Phasenkomponenten getrennt werden, so folgt:

M *

^l21^e 21,

C3)

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- 11

(i, J

Dabei sind a. . und jo. .

Phasenkomponenten der Elemente der Matrix

1, 2) die Amplituden- und

Üa der Pegel

der Erzeugung der Kreuzpolarisation durch das Polarisationsverhältnis dargestellt werden kann, kann man die Kreuzpolarisations-Komponenten mit Hilfe einer AGC-Schaltung (automatische Verstärkungsregelung; AGC = automatic gain control) bei Verwendung eines phasen-verriegelten Empfängers normalisieren. Man kann die Gleichung (3) wie folgt umwandeln:

M =

22

Il

(4)

Ist das System, wie später noch zu beschreiben, derart aufgebaut, daß die in jeder übertragenen polarisierten Welle -E-J₀, E₂₀ enthaltenen Pilotsignale mit einem phasen-verriegelten Empfänger empfangen und dann in einer AGC-Schaltung normalisiert werden, so kann man dann den 9O°-Phasenschieber 13 und den 180°- Phasenschieber 12 derart steuern, daß der Betrag der Kreuzpolarisation unter folgenden Bedingungen minimalisiert werden kann:

^a12 " ^a21

Ί1

(5)

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Die Zustände der beiden polarisierten Wellen an den Eingangsklemmen des Orthomode-Wandlers 14 können dann in die optimale Bedingung, die aus Fig. 2 (c) ersichtlich ist, gebracht werden. Die Terme (a-₂/^a2?^ ^{e unc}* ^^a21^^a11^ e^ stellen residuelle Gegensprechsignale nach der Kompensation der durch Regen herbeigeführten differentiellen Phasenverschiebung mit Hilfe des 90 -Phasenschiebers 13 und des 180 -Phasenschiebers 12 dar. Die residuellen Gegensprechsignale sind hauptsächlich durch die durch Regen verursachte dif fe rent ie He Dämpfung bedingt.

Fig. 5 ist ein mehr ins einzelne gehendes Blockschaltbild der Steuerschaltung 21 in Fig. 1. Aus den Pilotsignalen werden Signale zur Steuerung des oben erwähnten 90 Phasenschiebers 13 und 180°-Phasenschiebers 12, sowie zur Steuerung der variablen Dämpfungsschaltungen 22 und 23 und der variablen Phasenschieber 24 und 25 abgeleitet. Die Eingangsklemmen 1, 2 und die Aus gangsklemme 3 entsprechen den mit denselben Bezugszeichen bezeichneten Klemmen in Fig. 1. Ferner weist die Steuerschaltung Midier 60 und 61 auf, die von einem örtlichen Oszillator 62 angesteuert werden. Die Signale an den Ausgängen der Mischer gelangen an Filter 63 bzw. 64 und von dort an Zwischenverstärker 65 bis 68, in denen auch die AGC-Schaltungen enthalten sind; deren Ausgänge schließlich gelangen an den Prozessor 69. Die an den Eingangsklemmen 1 und 2 anliegenden Signale werden in den Mischern 60, 61 in Zwischenfrequenzsignale E' und E'jT umgewandelt. Aus einem Zwischenf requenzs ignal E'_v werden im Filter 63 die Kopolarisations-Komponente eines Pilotsignals mit der Frequenz f.. und die Kreuzpolarisations-Komponente eines weiteren Pilotsignals mit der Frequenz f₂ abgeleitet und an die Zwischenfrequenzverstärker 65 bzw. weitergegeben. Gleichermaßen wird aus dem anderen Zwischen-

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frequenzsignal E'„ im Filter 64 eine Kreuzpolarisations-Komponente eines Pilotsignals mit der Frequenz f- und eine Kopolarisations-Komponente eines Pilotsignals mit der Frequenz f~ abgeleitet und an die Zwischenfrequenzverstärker 07 bzw. 68 weitergegeben. Das Signal mit der Frequenz f,, das die Kreuzpolarisations-Komponente darstellt, wird, wie in Gleichung (4) dargestellt, mit einer AGC-Schaltung im Verstärker 67 normalisiert, und zwar gemäß dem der Kopolarisations-Komponente entsprechenden Signal vom Verstärker 65. In gleicher Weise wird das Signal mit der Frequenz f₂, das die Kreuzpolarisations-Komponente darstellt, mit einer AGC-Schaltung im Verstärker 66 normalisiert, und zwar gemäß dem der Kopolarisations-Komponente entsprechenden Signal vom Verstärker 68. So erhält man die Signale nach Gleichung (4) als Ausgänge der Verstärker 65 bis 68. Diese gelangen dann an den Prozessor 69, in dem daraus die Signale zur Steuerung des 9O°-Phasenschiebers 13, des 18O°-Phasenschiebers 12 und der Kompensationsschaltung 17 abgeleitet werden.

Im folgenden wird die Kompensation der erwähnten residuellen Kreuzpolarisations-Komponenten beschrieben. Die Komponente in Richtung der X-Achse sei für die im Gegenuhrzeigersinn rotierende elliptisch polarisierte Welle 35, die in Fig. 2(c) mit (I) bezeichnet ist, E._c; die Komponente derselben Welle in Richtung der Y-Achse sei Ey„; für die im Uhrzeigersinn rotierende elliptisch polarisierte Welle 36, die bei (II) dargestellt ist, sei die Komponente in Richtung der Y-Achse E_2C; die Komponente derselben Welle in Richtung der X-Achse sei Ε_2χ. ^^e Komponente des elektrischen Feldes an der Ausgangsklemme des Orthomode-Wandlers 14, die einer in Richtung der X-Achse polarisierten Welle entspricht, ist dann gleich der Summe von E.._c und E₂^. (E_2x hat gegenüber E..ρ die oben definierte Phasendifferenz jo). Die Komponente

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des elektrischen Feldes derjenigen Ausgangsklemme des Orthomode-Wandlers 14, die einer in Richtung der Y-Achse polarisierten Welle entspricht, ist gleich der Summe von E_2C und E..„ (Efy hat gegenüber E«p die oben definierte Phasendifferenz j6) . E₁^. und E₂-J, stellen jeweils die Größe der durch Regen verursachten Kreuzpolarisation dar. Es handelt sich dabei um die residuellen Komponenten, die von den Unterschieden in den relativen Verlusten bei Regen verursacht werden und noch vorhanden sind, nachdem die Kreuzpolarisation, die hauptsächlich durch die vom Regen verursachte differentielle Phasenverschiebung hervorgerufen wird, mit Hilfe der erwähnten drehbaren 180 - und 90°-Phasenschieber kompensiert worden ist.

Die erwähnten Komponenten 2-_c, E₂p, E^_x und E_2x können in den X-Y-Koordinaten, wie in Fig. 2 (d) dargestellt werden. Sie werden wie folgt weiterbehandelt: Die Komponente (E_lc + E₂„) des elektrischen Feldes, die an der der X-Achse zugeordneten Ausgangsklemme des Orthomode-Wandlers 14 auftritt bzw. festgestellt wird und die Komponente (E₂- + E..„) des elektrischen Feldes, die an der der Y-Achse zugeordneten Ausgangsklemme des Orthomode-Wandlers 14 auftritt bzw. festgestellt x^rird, werden nach Verstärkung in den Vorverstärkern 15 bzw. 16 den beiden Eingangsklemmen der Kompensationsschaltung 17 zugeführt. Die Kompensationsschaltung 17 kompensiert die oben erwähnten Gegensprech-Komponenten E^_r und E₂^.. Die Funktionsweise ist im einzelnen folgende: Das im Vorverstärker 15 verstärkte Signal (E* ~ + E₂„) gelangt an die Eingangs klemme der Kompensationsschaltung 17 und wird dort in der Gabelschaltung 18 aufgeteilt. Ein abgezx^eigtes Signal wird durch die variable Dämpfungsschaltung 22 und den variablen Phasenschieber 24, durch die der Phasenwinkel /6 bestimmt wird, hindurchgeleitet und gelangt dann an die Gabelschaltung 19'. Das im Vorver-

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stärker 16 verstärkte Signal (E_2C + Ε_ιχ) gelangt über die Gabelschaltung 18' an dieselbe Gabelschaltung 19'. Werden diese beiden Signale der Gabelschaltung 19' zusammengefügt, nachdem die Phase und die Amplitude eines dieser Signale in der variablen Dämpfungsschaltung 22 und in dem variablen Phasenschieber 24 so gesteuert worden ist, daß das elektrische Feld E,„ der Kreuzpolarisations-Komponente durch ein elektrisches Feld derselben Amplitude und entgegengesetzer Phase ausgeglichen worden ist, dann erhält man im Prinzip ein elektrisches Feld, das proportional E-,-. ist und keine Kreuzpolarisations-Komponente aufweist. Ein entsprechendes Signal ist an der Aus gangsklemme der Kompensationsschaltung 17 vorhanden. Ebenso ergibt sich bezüglich des im Vorverstärker 16 verstärkten Signals (E— + ^_1x) nach Abzweigung in der Gabelschaltung 18' und nach Führung durch die variable Dämpfungsschaltung 23 und den variablen Phasenschieber 25 und nach Zuleitung zur Gabelschaltung 19 folgendes: Ist die Dämpfungsschaltung 23 und der Phasenschieber 25 so durch die Steuerung eingestellt, daß dieses Signal und das der Gabelschaltung 19 direkt von der Gabelschaltung 18 zugeführte Signal dieselbe Amplitude und entgegengesetzte Phasenlage in Bezug auf die Kreuzpolarisations-Komponente E_2x aufweisen, dann ergibt sich bei der Zusammenfügung, daß dann an der entsprechenden Ausgangsklemme der Kompensationsschaltung 17 eine Spannung auftritt, die proportional E^_c ist und keine Gegensprech-Komponente E_2x enthält.

Wie bereits im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, dann die automatische Steuerung der veränderlichen Phasenschieber und der veränderlichen Dämpfungsschaltungen in der Kompensationsschaltung 17 dadurch erreicht werden, daß in der Steuerschaltung 21 Signale abgeleitet werden, die der Information über die Phasendifferenz der

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Komponenten Π.. ^ und E_2C des Kopolarisations-Signals und der Komponenten E,,,. und E₂^- des Kreuzpolarisations-Signals entsprechen, sowie ferner der Information über das Verhältnis der elektrischen Felder des unerwünschten Signals und des erwünschten Signals entsprechen und ferner der Information über die Phasenlage des unerwünschten Signals in Bezug auf das erwünschte Signal entsprechen. Diese Signale steuern die variablen Phasenschieber 24, 25 bzw. die variablen Dämpfungsschaltungen 22 und 23, an die sie rückgekoppelt werden.

Die oben gegebene Beschreibung gilt für linear polarisierte Wellen; für zirkulär polarisierte Wellen wird die Funktionsweise im folgenden unter Bezugnahme auf die Vektor-Diagramme für das elektrische Feld nach Fig. 3 und ferner unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild nach Fig. 1 erläutert.

Es sei angenommen, daß von der Sendeantenne 10 vollkommen zirkulär polarisierte, im Uhrzeigersinn drehende Wellen abgestrahlt werden. Aus ihnen werden elliptisch polarisierte Wellen; ihre Orthogonalität wird durch die differentielle Phasenverschiebung und die differentielle Dämpfung durch Regen im Fortpflanzungspfad der Mikrowellen gestört. Man erhält an der Empfangs antenne 11 eine im Uhrzeigersinn drehende elliptisch polarisierte Welle 37, wie sie in Fig. (a) bei (III) dargestellt ist, sowie ferner eine im Gegenuhrzeigersinn drehende elliptisch polarisierte Welle 38, wie sie bei (IV) dargestellt ist. Die X'-Achse und die Y'-Achse bezeichnen in dieser Figur die Hauptachsen der eingehenden elliptisch polarisierten Wellen 37 und 38; der zwischen diesen Achsen bestehende Winkel ist wegen der differentiellen Dämpfungseigenschaften des Regens im allgemeinen nicht gleich 90°.

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.3-

Gelangen die eingehenden elliptisch polarisierten Wellen (III) und (IV) an den drehbaren 18O°-Phasenschieber, dann wird der Drehsinn der Polarisation umgekehrt und es erfolgt eine Koordinaten-Konvertierung derart, daß das Achsenverhältnis der beiden Polarisationen unverändert bleibt. Die bei (III) dargestellte polarisierte Welle wird zu einer im Gegenuhrzeigersinn drehenden elliptisch polarisierten Welle und die bei (IV) dargestellte polarisierte Welle wird zu einer im Uhrzeigersinn drehenden elliptisch polarisierten Welle. Diese beiden Wellen werden von den Ausgangsklemmen des 18O°-Phasenschiebers 12 an den 9O°-Phasenschieber 13 geleitet. Dort wird die vorauseilende Ebene der 18O°-Phasenverschiebung des 180°- Phasenschiebers auf die ~J[ -Achse 39 nach Fig. 3 (a) eingestellt. Für die hinsichtlich ihrer Koordinaten transformierten elliptisch polarisierten fellen (III) und (IV) gilt, daß, wenn die vorauseilende Ebene der 90°-Phasenverschiebung des 90°-Phasenschiebers auf 45° gegenüber der X-Achse eingestellt wird, eine perfekt zirkulär polarisierte Welle empfangen werden würde. Aus den polarisierten Wellen, die dieser Polarisations-Transformation unterworfen worden sind, werden elliptisch polarisierte Wellen mit geringen Kreuzpolarisations-Komponenten und einem hohen Achsenverhältnis (Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse) für das elektrische Feld. Dieser Zustand der Polarisation erfüllt jedoch noch nicht die Bedingungen für die Minimal isierung der. Kreuzpolarisations-Komponenten der bei (III) und (IV) gezeigten polarisierten Wellen.

Weicht also die voreilende Ebene der 90°-Phasenverschiebung von der oben erwähnten Einstellposition von 45° nach Fig. 3 (b) derart ab, daß sich eine Einstellung auf einen

bestimmten Winkel ergibt, der so gewählt ist, daß sich eine Polarisations-Transformation in die im wesentlichen gleichen

-IQ-

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elliptisch polarisierten bellen als eingehende elliptisch polarisierte Wellen ergibt, und werden ferner die erwähnten 180°-Puasenschieber 12 und der 9O°~Phasenschieber 13 so gesteuert bzw. auf solche Winkel eingestellt, daß der V/inkel zwischen der ilauptachse X¹ der polarisierten »Zelle 41, die bei (III) dargestellt ist, und der voreilenden Ebene 40 der 90°-Phasenverschiebung gleich dem ifinkel zwischen der Hauptachse Y¹ der polarisierten Welle 42, die bei (IV) dargestellt ist, und der O°-Ebene 43 ist, dann kann man eine Kompensation der eingehenden polarisierten l/eilen und eine Transformation bezüglich der Polarisation erzielen, die zumindest die Verschlechterungen der Kreuzpolarisation kompensiert, die durch die differentielle Phasenverschiebung durch Regentropfen verursacht worden ist. Die oben erwähnten Hinstellbedingungen für den 18O°-Phasenschieber 12 und den 90°-Phasenschieber 13 genügen der Bedingung zur Ilinimalisierung der Kreuzpolarisations-Komponenten der entsprechenden polarisierten Wellen, so daß dann elliptisch polarisierte Wellen 44 und 45 mit geringen Kreuzpolarisations-Komponenten, wie in Fig. 3 Cc) dargestellt, an die Eingangsklemme des Orthomode-Wandlers 14 gelangen. Die darauffolgende Verarbeitung der Signale ist dieselbe wie die, die oben für die linear polarisierten Wellen erläutert worden ist.

Bei der oben erläuterten Anordnung zur reduzierung des Gegensprechens werden einfallende dual nicht-orthogonale Polarisationen mit unterschiedlichem Achsenverhältnis derart depolarisiert, daß durch die Steuerung der 90°- und 180°- Phasenschieber im Einspeiseschaltkreis einer Antenne, nichtorthogonale Polarisationen mit demselben Achsenverhältnis gewonnen werden, wobei der Phasenterm j6 nicht stets H /2 ist. Mit der Schaltung nach Fig. 1 ist es ferner möglich, durch Einsetzen der Steuerung der 90°- und 180°-Phasenschieber

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die einfallenden elliptisch polarisierten nicht-orthogonalen Wellen zu orthogonalisieren. Dann wird j6 gleich // /2; die deploarisierten Achsenverhältnisse der beiden Polarisationen sind dann voneinander verschieden.

Durch die Erfindung ist gewährleistet, daß das Gegensprechen, das durch anormale Verhältnisse im Fortpflanzungspfad der Mikrowellen verursacht wird, kompensiert wird. In der Praxis zeigen sowohl eine theoretische Analyse und auch experimentelle Resultate, daß die durch Regentropfen bzw. Regen verursachte differentielle Phasenverschiebung für die gegenseitige Interferenz, die zum Gegensprechen führt, und durch Verzerrungen der Polarisationen verursacht wird, dominierend ist. Daher werden die Phasenterme des Polarisationsverhältnisses, die in Gleichung (5) mit j6 bezeichnet sind, fast gleich Ii/2. Aus Fig. 2 (d) ergibt sich, daß die Funktion der als Tandem hintereinander geschalteten 90°- und 180°-Phasenschieber in der Antennenspeiseleitung darin besteht, duale "nicht-orthogonale Polarisationen zu orthogonalisieren und die einfallenden Polarisationen zu depolarisieren. Die variablen Phasenschieber 24 und 25 in der Kompensationsschaltung 17 können dann auf bestimmte IVerte voreingestellt werden, so daß Steuersignale für diesen Zweck unnötig sind.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschränkt, in dem das Kompensationssystem auf der Empfangsseite eingesetzt wurde. Das demgegenüber modifizierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist sendeseitig an der Antenne angeordnet. Daraus ergibt sich, daß die Erfindung sowohl auf Empfangs- wie auf Sendeseite gleichermaßen anwendbar ist. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 betrifft eine Schaltungsanordnung

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zur Kompensation für ein Mikrowellen-Übertragungssystem, bei dem für Sendung und Empfang dasselbe Frequenzband benutzt wird. Die auszusendenden polarisierten Wellen werden auf der Grundlage eines Steuersignales eingestellt, das aus dem empfangenen Pilotsignal mit Hilfe eines drehbaren Phasenschiebers, einer variablen Dämpfungsschaltung und eines variablen Phasenschiebers im Sendeantennen-System abgeleitet wird, um so die Gegensprecheigenschaften für die gewendete Frequenz., die durch Regen bestimmt sind, zu verbessern, so daß der Pegel der Interferenz zwischen den Signalen zweier orthogonaler polarisierter Wellen, die von der Empfangsantenne empfangen werden, auf einen akzeptablen Wert herabgedrückt wird.

Zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 sind die drehbaren 180°- Phasenschieber 71 und 72 mit der Sendeantenne 70 verbunden. Auf der Eingangs seite des Orthomode-Wandlers 73 sind Sender 74 und 75, sowie eine Kompensationsschaltung angeordnet. Das von der an der Antennenseite vorgesehenen Kompensations-Schaltung (nach Fig. 1) abgeleitete Signal, d.h. das Steuersignal an der Ausgangsklemme 3, wird der Eingangsklemme 4 (Fig. 6) zugeführt. Die Verschlechterung der Kreuzpolarisation der Sendefrequenz, die durch Regen verursacht ist, wird auf der Sendeseite durch entsprechende Einstellung des 180°-Phasenschiebers 71, des 90°-Phasenschiebers 72, der Kompensationsschaltung 76 voreingestellt. Diese Voreinstellung erfolgt gemäß den Steuersignalen derart, daß von der Sendeantenne zwei elliptisch nicht-orthogonal polarisierte Wellen abgestrahlt werden. Diese elliptisch polarisierten Wellen werden durch die vom Regen verursachten Kreuzpolarisations-Komponenten kompensiert. Dadurch entsteht an der Empfangsantenne 77 ein Ausgangssignal mit nur geringen Gegensprechkomponenten.

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Bei Satelliten-Cfbertragungssystemen wird im allgemeinen für die Antennen der Ii rds tat ionen eine kombinierte Sende- und Empfangs antenne mit verschiedenen Frequenzbändern (z.B. 6 GHz und 4 GHz) eingesetzt. Bei einem derartigen übertragungssystem, das auf verschiedenen Frequenzbändern Signale sendet und empfängt und bei dem durch Regenfall eine Verschlechterung der ICreuzpolarisation eintritt, die in Abhängigkeit von den verwendeten Frequenzen unterschiedlich ist, ist zur Beseitigung des Gegensprechens auf der gesendeten Frequenz eine Schaltungsanordnung bekannt geworden, bei der das Steuersignal, das aus den empfangenen Pilotsignalen abgeleitet wird, simuliert wird. Gemäß diesem simulierten Signal wird der drehbare Phasenschieber, die veränderliche Dämpfungsschaltung und der veränderliche Phasenschieber auf der Sendeseite derart voreingestellt, daß der Pegel der Interferenz der an der Antenne des Satelliten ankommenden polarisierten fellen dadurch gesteuert, d.h. unterdrückt wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 7 dargestellt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 weist eine Frequenz-Duplexeinrichtung 81 auf, die die gesendete Welle (z.B. im ό GHz-uand) von einer empfangenen -./eile (z.B. im 4 Gllz-Band), die beide in der kombinierten Sende- und Empfangsantenne 80 vorhanden sind, trennt. Ausgangsseitig der Frequenz-Duplexeinrichtung 81, die der empfangenen Welle zugeordnet ist, ist ein drehbarer 180°-Phasenschieber 8 2 und ein drehbarer 90°-Phasenschieber 8 3, sowie ferner ein Orthomode-tfandler 84 vorgesehen. Mit den Ausgangsklemmen des Orthomode-lVandlers 84 ist eine Steuerschaltung 88 über Vorverstärker 85 und 86, sowie ferner über eine Kompensationsschaltung 8 7 verbunden. Die Kompensation der Kreuzpolarisation der empfangenen

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Signale erfolgt wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, Im anderen Frequenzband, das gesendet wird, sind auf der Hingangsseite der Frequeiiz-Duplexeinrichtung 81 ein drehbarer 13O°-Phasenschieber 89, ein drehbarer 9O°-Phasenschieber 90, sowie ein Orthomode-Wandler 91 vorgesehen. Auf dessen Eingangsseite sind Sender 92 und 93, sowie eine Kompensationsschaltung 94 angeordnet, so daß von der Antenne 80 elliptisch nicht orthogonal polarisierte Wellen abgestrahlt werden. Die Beträge der Kreuzpolarisation, die im Medium der Fortpflanzung der Mikrowellen erzeugt wird, kompensieren einander. Daher sind die polarisierten Wellen, die an der Antenne der Satellitenstation ankommen, vollständiglinear oder zirkulär polarisiert; ferner ist ihre Orthogonalität wieder hergestellt. Da die Beträge der vom Regen verursachten Verschlechterung der Kreuzpolarisation in Abhängigkeit der für Sendung und Empfang verwendeten Frequenzen sehr unterschiedlich sein können, werden die von der Steuerschaltung 88 abgeleiteten Steuersignale in einem Simulator 95 einer Signaltransformation unterzogen; die Phasenschieber 89 und 90 sowie die Kompensationsschaltung 94 werden von diesem transformierten Signal eingestellt.

Die vorliegende Erfindung wurde im Vorgehenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Zusammenfassend kann man angeben, daß diejenigen der durch die Form von Regentropfen verursachten Kreuzpolarisations-Komponenten, die auf eine differentielle Phasenverschiebung zurückgehen, durch Steuerung der drehbaren 180°-Phasenschieber und 90°-Phasenschieber, die vor den Vorverstärkern angeordnet sind, kompensiert werden. Diejenigen Kreuzpolarisationskomponenten, die durch die differentielle Dämpfmg durch Regentropfen verursacht werden, werden durch eine Kompensationsschaltung in einer auf die Vorverstärker folgenden Stufe kompensiert. Das hat die folgenden Vorteile:

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Ein erster Vorteil ist folgender: Da die Schaltungsanordnung zur Kompensation der Orthogonalitat zwischen den polarisierten Wellen, die ja zu einem gewissen Verlust führt, hinter den Vorverstärkern angeordnet ist, ergibt sich bei einem System, bei dem die Forderung nach nur geringem Rauschen eine besondere Rolle spielt, eine Kompensation, die dieser Anforderung besonders genügt. Diese Anforderung ist insbesondere bei einem Satellitenübertragungssystem gegeben. Bei der Erfindung erfolgt eine nur geringe Verschlechterung der Rauschtemperatur.

Der zweite Vorteil ergibt sich aus den Kennlinien der Vorverstärker für die Frequenzabhängigkeit von Amplitude und Phasenverschiebung. Da das Gegensprechen aufgrund der von den Regentropfen verursachten differentiellen Phasenverschiebung bei der Verschlechterung der Kreuzpolarisation der dominierende Faktor ist, ist es wichtig, daß die Kompensation insoweit in einer dem Vorverstärker vorgeordneten Stufe stattfindet. Die Kompensation des Gegensprechens wird dann nicht durch das Phasen-/FrequenzrVerhalten des Vorverstärkers beeinflußt. Daraus folgt ein hoher Grad der Verbesserung des Gegensprechverhaltens.

Der dritte Vorteil ist, daß, wie es die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, dieses System sowohl für zirkulär polarisierte Wellen als auch für linear polarisierte Wellen ohne Veränderung irgendwelcher Bauteile anwendbar ist.

Patentansnrüche:

B Q 9 8 3 7 / 0 7 7 1