DE2632615C3 - Satelliten-Nachrichtenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachrichtenübertragungssystem für feste Funkdienste zwischen wenigstens zwei Bodenstationen über einen geostationären Satelliten, bei dem die Antennen der Bodenstationen mit ihren Achsen in Hauptstrahlrichtung wenigstens 1·» annähernd auf den vom Satelliten vorgegebenen Punkt der geostationären Umlaufbahn ausgerichtet sind.

Bei Nachrichtenübertragungssystemen dieser Art kommen in zunehmendem Maße Bodenstationen mit relativ kleinen, schwach bündelnden Antennen zur · ■ Anwendung. Auf diese Weise läßt sich der Kostenaufwand für eine Bodenstation erheblich reduzieren, da der Anteil der Antennenkosten bei großen, stark bündelnden Antennen außerordentlich hoch ist Bodenstationen mit relativ kleinen, schwach bündelnden Antennen lassen sich auch leichter transportieren und montieren. Die automatische Nachführung der Antennen kann darüber hinaus erheblich vereinfacht werden oder überhaupt entfallen. In einem ausgedehnten Satellite-.i-Nachrichtennetz bieten einfachere Bodenstationen, selbst unter Berücksichtigung der daraus resultierenden Mehrkosten für den Satelliten, eine wesentliche Kostenersparnis.

Die Vielzahl der in Betrieb befindlichen und geplanten Satellitennachrichtennetze macht es erforderlich, die für den Satellitenfunk zugewiesenen Frequenzbereiche und die verfügbaren Satellitenplätze auf der geostationären Umlaufbahn möglichst gut auszunutzen. Unter diesem Gesichtspunkt haben scharf bündelnde Antennen hohen Gewinns den Vorzug. Stationen mit schwach bündelnden Antennen stören nämlich andere Satelliten oder werden von ihnen gestört Bei gleicher effektiver Strahlleistung senden sie insgesamt mehr Leistung und damit auch mehr Störleistung aus, als Stationen mit stärker bündelnden Antennen. Auch erfordern sie zum Empfang eine höhere Leistungsflußdichte der vom Satelliten gesendeten elektrischen Energie an der Erdoberfläche. Da diese unerwünschten Effekte in ihren Auswirkungen möglichst klein bleiben sollen, sind der Reduzierung der Antennenabmessungen bei solchen Bodenstationen relativ enge Grenzen gesetzt Die Spiegeldurchmesser kleiner Antennen betragen daher im allgemeinen mindestens drei bis vier Meter. Für den Transport müssen solche Antennen zerlegt werden. Die Antenne benötigt ein Tragwerk, das die Aufstellung des Reflektors in einer nach Richtung (Azimut) und Neigung festgelegten Ebene schräg im Raum ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine in einem Satelliten-Nachrichtennetz verwendete Bodenstations-Antenne der einleitend geschilderten Art eine Lösung anzugeben, die bei guter Ausnutzung der geostationären Umlaufbahn zu einem niedrigeren Antennenaufwand führt und mit Abmessungen auskommt, die ihren Transport im unzerlegten Zustand ermöglicht oder aber eine solche Zerlegung gestattet, die ihren Wiederzusammenbau mit einfachen Mitteln und einem geringen Zeitaufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Nachrichtenübertragungssystem für feste Funkdienste zwischen wenigstens zwei Bodenstationen über einen geostationären Satelliten, bei dem die Antennen der Bodenstationen mit ihren Achsen in Hauptstrahlrichtung wenigstens annähernd auf den vom Satelliten vorgegebenen Punkt der geostationären Umlaufbahn ausgerichtet sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Strahlungsdiagramm der Antenne einer Bodenstation in einer ersten Schnittebene eine erste 3-dB-Strahlbreite zwischen 0,2° und 2° und in einer hierzu senkrechten zweiten Schnittebene eine zweite 3-dB-Strahlbreite zwischen 2° und 20° aufweist, daß ferner das Verhältnis der ersten zur zweiten 3-dB-Strahlbreite <0,25 beträgt und daß die erste Schnittebene wenigstens annähernd mit der Ebene übereinstimmt, die von der Antennenachse in Hauptstrahlrichtung und einer Tangente an die geostationäre Umlaufbahn im Schnittpunkt mit dieser Achse aufgespannt ist.

Antennen mit unsymmetrischem Strahlungsdiagramm, bei denen die 3-dB-Strahlbreiten in der Horizontal- und Vertikalebene stark unterschiedlich sind, sind an sich auf dem Gebiet der Radartechnik in

vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Nur beispielsweise wird in diesem Zusammenhang auf das Buch E. K r a m a r: »Funksysteme für Ortung und Navigation« Verlag Berliner Union GmbH Stuttgart, Seiten 296 und 297, hingewiesen. Ihre Anwendung für relativ kleine, schwach bündelnde Antennen bei Bodenstationen in Satelliten-Nachrichtennetzen wurde jedoch bisher nicht in Erwägung gezogen.

Der Erfindung liegt die neue Erkenntnis zugrunde, daß zur optimalen Nutzung der geostationären Umlaufbahn für eine Vielzahl von Satelliten bzw. zur Vermeidung gegenseitiger Störungen zwischen verschiedenen Satellitensystemen nur die Sirahlbreite in der Ebene klein zu sein braucht, die von der Antennenachse in Hauptstrahlrichtung und einer Tangente an die geostationäre Umlaufbahn im Schnittpunkt mit dieser Achse aufgespannt ist Diese Ebene, mit der die erste Schnittebene des Strahlungsdiagramms der Antenne wenigstens annähernd übereinstimmt, soll im folgenden kurz als »Stundenwinkelebene« und die hierzu senkrechte zweite Schnittebene kurz als »Deklinationsebene« bezeichnet werden. Die Strahlbreite des Antennendiagramms braucht deshalb nur in der Stundenwinkelebene klein zu sein, weil sich die benachbarten, störenden oder störbaren Satelliten in dieser Ebene befinden. In der Deklinationsebene kann hingegen das Antennendiagramm verbreitert werden, um die Fläche und damit den Aufwand für die Antenne so klein zu halten, wie es für das jeweilige Satellitensystem am wirtschaftlichsten ist. Störungen anderer Säieüiiensysteme treten dabei nicht auf.

Für die Flächenabmessungen einer Antenne, die in zwei zueinander senkrechten Schnittebenen eine stark unterschiedliche 3-dB-Strahlbreite aufweist, ergeben sich zwangsläufig flächenhafte Abmessungen mit einem relativ kleinen Verhältnis von Breite zu Länge. Eine solche Antenne erleichtert den Transport, für den bekanntlich Bahn- und Straßenprofile eine Grenze setzen, in hohem Maße, weil eine größere Abmessung in nur einer Richtung den Transport weit weniger behindert als größere Abmessungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen. Die Antenne nach der Erfindung läßt sich demnach bei gegebenem Transportprofil bis zu wesentlich größeren Werten des Antennengewinns ungeteilt transportieren.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Antenne einer Bodenstation eine Reflektorantenne, deren Hauptreflektor eine längliche gewölbte Schale mit einem dem Verhältnis der ersten zur zweiten 3-dB-Strahlbreite entsprechenden Verhältnis seiner Breite zur Länge darstellt.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Antenne einer Bodenstation eine Reflektorantenne mit mehreren Gruppenstrahlern, bei der die Gruppenstrahler in einer Linie nebeneinander angeordnet sind.

Eine besonders vorteilhafte Variante dieser zweiten Ausführungsform besteht darin, daß die Gesamtanordnung von mehreren Einzelantennen mit annähernd rotationssymmetrischem Strahlungsdiagramm gebildet ist, deren Einzelstrahler in einer horizontalen Linie nebeneinander angeordnet sind und bei der die genaue Ausrichtung der Gesamtantenne mittels einstellbarer Phasenschieber in den Zuleitungen zu den Einzelstrahlern vorgenommen ist. Durch die Aufstellung entlang einer horizontalen Linie, beispielsweise auf einem Streifenfundament oder auch auf dem Flachdach eines Gebäudes, wird die aufwendige Tragkonstruktion überflüssig, mit der herkömmliche Antennen als Ganzes

schräg in den Raum gestellt v/erden müssen, auch sind alle Teile dieser Anordnung leicht zugänglich.

Sofern die Antenne nach der Erfindung beweglich ausgeführt sein soll, weil sie beispielsweise auf verschiedene geostationäre Satelliten wahlweise auszurichten ist, reicht es in vorteilhafter Weise aus, wenn wenigstens die Achse in Hauptstrahlrichtung der Antenne einer Bodenstation längs der geostationären Umlaufbahn des Satelliten, also in der Stundenwinkelebene, nachführbar ist In der Dekünationsebene braucht die Antenne in der Regel wegen ihrer großen Strahlbreite nicht beweglich zu sein. Dies gilt auch noch für solche Werte des Antennengewinns, bei denen übliche Antennen bereits eine automatische Nachführung benötigen.

Die Beweglichkeit der Antenne kann bei Reflektorantennen mit einem zentralen Strahler entweder durch mechanische Bewegung der gesamten Antenne oder aber durch eine mechanische Bewegung lediglich ihres Primärstrahlers herbeigeführt werden. Bei einer Realisierung der Antenne mittels Gruppenstrahlern bietet sich neben einer mechanischen Bewegung der Gesamtantenne auch eine elektrisch gesteuerte Strahlschwenkung der Antennenhauptkeule an.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 die schematische Darstellung eines Satelliten-Nachrichtenübertragungssystems nach der Erfindung,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Bodenstationsaritenne bei einem Sateiiiten-Nachrichtenübertragungssystem nach F i g. 1,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bodenstationsantenne für ein Satelliten-Nachrichtenübertragungssystem nach der Erfindung.

Bei der in F i g. 1 angegebenen Prinzipskizze bedeuten 1 die Erdkugel, B eine Bodenstation, GB die geostationäre Umlaufbahn und 50, Sl, S2 und S3 auf der geostationären Umlaufbahn angeordnete Satelliten verschiedener Satellitennetze. Die Bodenstation B arbeitet mit dem Satelliten SO zusammen. Ihre Antenne ist mit ihrer Achse in Hauptstrahlrichtung auf den Satelliten SO ausgerichtet. Sie weist in der ersten Schnittebene I eine erste 3-dB-Strahlbreite zwischen 0,2° und 2° auf. In der zu dieser ersten Schnittebene 1 senkrechten zweiten Schnittebene II hat die Antenne eine zweite 3-dB-Strahlbreite zwischen 2° und 20°. Der Querschnitt des Strahlungsdiagramms in der ersten und der zweiten Schnittebene I und II sind mit Dl und DII bezeichnet. Die als Stundenwinkelebene bezeichnete erste Schnittebene I fällt, wie Fig.! erkennen läßt, mit der Ebene zusammen, die von der Antennenachse in Hauptstrahlrichtung und einer Tangente T an die geostationäre Umlaufbahn GB im Schnittpunkt mit dieser Achse aufgespannt ist. Mit anderen Worten hat die Bodenstationsantenne in Richtung auf die benachbarten Satelliten Sl und S2 zum Satelliten SO eine geringe Breite, also eine relativ scharfe Bündelung, während diese Bündelung in der dazu senkrechten Richtung gering ist Die geringe Bündelung in der Dekünationsebene wirkt sich auf die benachbarten Satelliten Sl und S 2 praktisch nicht aus, da diese nicht in dieser Ebene liegen. Die relativ kurzen Abmessungen der Antenne in der durch diese Ebene gegebenen Querschnittsebene der Antenne wird also hier nicht mit einem entsprechend großen Störgrad erkauft Hinzu kommt, daß infolge der geringen Bündelung in der Dekünationsebene eine automatische Nachführung der

Antenne in dieser Ebene entfallen kann. Für die ausreichend genaue Ausrichtung der Antenne auf den Satelliten SO, sofern eine wahlweise Ausrichtung auf einen der benachbarten Satelliten Sl bis S3 gegeben sein soll, genügt es, die Antenne in der Stundenwinkelebene bewegbar auszuführen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Antenne A weist diese einen Hauptreflektor R auf, der eine längliche gewölbte Schale darstellt. Der Hauptreflektor R wird mit dem Primärstrahler Ps ausgeleuchtet und ergibt die gewünschten unterschiedlich breiten Strahldiagramme in der Stundenwinkelebene und der hierzu senkrechten Deklinationsebene. Die Beweglichkeit einer solchen Antennenanordnung in der Stundenwinkelebene kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die Schale längs einer gekrümmten Schiene verschiebbar auf der Antennenplattform

angeordnet ist.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel für eine Antenne /4'besteht diese aus vier Reflektorantennen mit den rotationssymmetrischen Hauptreflektoren R 1 bis R 4 und den Primärstrahlern Ps 1 bis Ps 4. Die Primärstrahler werden gemeinsam von einer Hochfrequenzquelle mit unterschiedlicher gegenseitiger Phase so gespeist, daß die Reflektorantennen in ihrer die Antenne A' darstellenden Gesamtheit die gewünschten unterschiedlichen Strahlbreiten in der Stundenwinkelebene und der hierzu senkrechten Deklinationsebene erzeugen. Die Aufstellung der vier einzelnen Reflektorantennen bereitet keine besonderen Schwierigkeiten, da sie zur Realisierung der gewünschten Gesamtanordnung lediglich längs einer Geraden angeordnet werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem für feste Funkdienste zwischen wenigstens zwei Bodenstationen über einen geostationären Satelliten, bei dem die Antennen der Bodenstationen mit ihren Achsen in Hauptstrahlrichtung wenigstens annähernd auf den vom Satelliten vorgegebenen Punkt der geostationären Umlaufbahn ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsdiagramm der Antenne (A, A feiner Bodenstation (B)in einer ersten Schnittebene (I) eine erste 3-dB-Strahlbreite zwischen 0,2° und 2° und in einer hierzu senkrechten zweiten Schnittebene (II) eine zweite 3-dB-Strahlbreite zwischen 2° und 20° aufweist daß ferner das Verhältnis der ersten zur zweiten 3-dB-Strahlbreite ^ 0,25 beträgt und daß die erste Scbnittebene wenigstens annähernd mit der Ebene übereinstimmt die von der Antennenachse in Hauptstrahlrichtung und einer Tangente an die geostationäre Umlaufbahn im Schnittpunkt mit dieser Achse aufgespannt ist

2. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (feiner Bodenstation (Steine Reflektorantenne ist, deren Hauptrefiektor (R) eine längliche gewölbte Schale mit einem dem Verhältnis der ersten zur zweiten 3-dB-Strahlbreite entsprechenden Verhältnis seiner Breite zur Länge ist

3. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (A') einer Bodenstation (B) eine Reflektorantenne mit mehreren Gruppenstrahlern ist bei der die Gruppenstrahler in einer Linie nebeneinander angeordnet sind.

4. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorantenne von mehreren Einzelantennen (R 1/ Fi 1... RAIPsA) mit annähernd rotationssymmetrischem Strahlungsdiagramm gebildet ist, deren Einzelstrahler (Ps 1... Fs4) in horizontaler Linie nebeneinander angeordnet sind und bei der die genaue Ausrichtung der Gesamtantenne mittels einstellbaren Phasenschiebern in den Zuleitungen zu den Einzelstrahlern vorgenommen ist 4^r>

5. Nachrichtenübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Achse in Hauptstrahlrichtung der Antenne £4, Λ.7 einer Bodenstation (B) längs der geostationären Umlaufbahn (GB) des ^r>o Satelliten (50, S \, S2, S3) nachführbar ist.