DE3788125T2

DE3788125T2 - Steuerbare strahlungskeule eines antennensystems mit butler-matrix.

Info

Publication number: DE3788125T2
Application number: DE3788125T
Authority: DE
Inventors: Timothy Murphy; Kenneth Renshaw
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1987-11-23
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2007-11-24
Also published as: CA1295731C; EP0294413A1; AU1041088A; AU604082B2; WO1988004837A1; JPH01502068A; JP2839274B2; EP0294413B1; DE3788125D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Antenne mit einer über die Frequenz steuerbaren Strahlungskeule, insbesondere für Satelliten, so daß diese mit Bodenstationen kommunizieren können, wobei die Erfindung genauer ein Antennensystem für Satelliten betrifft, das ein Antennenarray und eine Butler-Matrix umfaßt, um eine kommunizierende Strahlungskeule zu erzeugen, die durch Veränderung einer Trägerfrequenz der Strahlungskeule steuerbar ist.
Satelliten werden nun verwendet, um für eine Kommunikation zwischen entfernten Punkten auf der Oberfläche der Erde zu sorgen, wie z. B. im Falle von Telefon bei beweglichen Landfunkdiensten. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Systemes ist von besonderem Interesse, nämlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Satellit sich in einem geostationären Orbit um die Erde bewegt. Der Satellit kann z. B. in einer fixierten Position oberhalb der Vereinigten Staaten angeordnet sein. Der Satellit würde eine Antenne tragen, die eine hinreichende Strahlungskeulenbreite in der Nord-Süd-Richtung und in der Ost-West- Richtung aufweist, um den Empfang und die Übertragung von Kommunikationssignalen zwischen zwei beliebigen Punkten in den Vereinigten Staaten zu ermöglichen. Die Strahlungskeulenbreite in der Nord-Süd-Richtung kann vergrößert werden, um sowohl die Vereinigten Staaten als auch Kanada zu umfassen, falls dies gewünscht ist. Eine Strahlungskeulenbreite von ungefähr 4,5º in der Nord-Süd-Richtung ist hinreichend, um sowohl Kanada als auch die Vereinigten Staaten zu bedecken. Die Strahlungskeulenbreite in der Ost-West-Richtung sollte ungefähr 8º betragen, um für die gewünschte Bedeckung zu sorgen. Dabei taucht dadurch ein Problem auf, daß die Verwendung einer Antenne mit der vorstehend erwähnten Strahlungskeulenbreite in Nord-Süd- sowie Ost-West-Richtung einen geringeren Signalgewinn aufweist als erwünscht. Dies erfordert größere Leistungsverstärker zum Betreiben der Primärstrahler der Antenne.
In bestehenden Satellitenkommunikationssystemen hat eine derartige Antenne mit großer Strahlungskeulenbreite wenigstens zwei sich gegenseitig überlappende Strahlungskeulen verwendet, um für die Bedeckung zu sorgen. Die Erzeugung von derartigen Strahlungskeulen mit einer gewünschten Überlappung erforderte bis vor kurzem die Verwendung von getrennten großen Reflektoren, von denen jeder einen Durchmesser von ungefähr 4,8768 Meter (16 Fuß) hatte. Bei der Konstruktion von Nachrichtensatelliten ist es jedoch wünschenswert, die physikalischen Abmaße, Gewichte und Leistungsbedürfnisse zu reduzieren, um die Konstruktion und das Starten derartiger Satelliten zu erleichtern.
In dem auf den Inhaber dieses Patent übertragenen US-Patent US 4,972,151, das am 1. Oktober 1985 im Namen von H.A. Rosen eingereicht wurde, den Titel STEERED-BEAM SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM aufweist, und hierdurch durch Bezugnahme zum Gegenstand des vorliegenden Patentes gemacht wird, ist ein System offenbart, um über einen Satelliten zwischen Bodenstationen Nachrichten auszutauschen. Das System umfaßt einen Satz von Bodenstationen, die längs eines Bogens der Erdoberfläche zueinander beabstandet sind, sowie einen Satelliten, der oberhalb der Erde im Sichtbereich des Bogens positioniert ist. Ein Array von Primärstrahlern ist auf dem Satelliten entfaltet und ein frequenzabhängiger Strahlungskeulenformer, der mit den Primärstrahlern verbunden ist, ist vorgesehen, um eine Strahlungskeule von elektromagnetischer Strahlung zu bilden. Die Strahlungskeule ist in Abhängigkeit von einer Trägerfrequenz der Strahlung steuerbar, um die einzelnen Stationen der Reihe nach abzuhören. Die Frequenzen eines Aufwärts-Trägers und eines Abwärts-Trägers sind jeweils Entsprechenden der Bodenstationen zugeordnet und variieren monoton mit der Position längs des Bogens, um ein automatisches Positionieren einer Strahlungskeule von dem Satelliten auf eine Bodenstation dadurch zu ermöglichen, daß eine der Bodenstation zugeordnete Trägerfrequenz erregt wird.
Damit die vorliegende Erfindung besser verstanden werden kann, wird das in der oben erwähnten Anmeldung beschriebene und beanspruchte Satellitenkommunikationssystem nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 diskutiert. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, verwendet der Satellit 24 eine vereinfachte Antennenstruktur 30, welche zwei konfokale parabolische Reflektoren umfaßt, von denen einer ein großer Hauptreflektor 32 und der andere ein kleiner Subreflektor 34 ist, und ein 4·2 Array 40 von acht Primärstrahlern 42 aufweist, wobei dies alles von einem Rahmen 44 getragen wird. Eine Frontansicht des Arrays 40 ist in Fig. 2 gezeigt. Das Array 40 von Strahlern 42 ist auf starre Weise vor dem Subreflektor 34 gesichert und mit dem Subreflektor innerhalb des Satelliten 24 angeordnet. Der Hauptreflektor 32 ist wesentlich größer als der Subreflektor 34 und wegen des größeren Abmaßes während des Startes zusammengefaltet, wobei er darauf folgend entfaltet wird, wenn der Satellit oder das Raumfahrzeug 24 im Orbit plaziert worden ist. Nachdem er entfaltet wurde, erstreckt er sich wie gezeigt außerhalb des Satelliten 24. In Fig. 1 ist ebenfalls innerhalb des Rahmens 44 weitere Ausrüstung des Raumfahrzeuges gezeigt, z. B. Raketentriebwerke und Treibstofftanks, um dadurch zu demonstrieren, daß das Antennensystem 30 von dem Satelliten 24 leicht getragen werden kann.
Die Anordnung der Komponenten des Antennensystemes 30 sorgt verglichen mit denen, die vorher verwendet wurden, für eine merkliche Reduzierung bei Gewicht und Komplexität einer Satellitenantenne. Dies wird erreicht, indem der Hauptreflektor 32 und der Subreflektor 34 mit parabolischen reflektierenden Oberflächen gefertigt werden, wobei die beiden Oberflächen wie ein Satz von konfokalen Parabeln ausgerichtet sind, der eine gemeinsame Brennebene oder einen gemeinsamen Brennpunkt 48 aufweist. Solch eine Konfiguration von reflektierenden Oberflächen in einer Antenne ist beschrieben in C. Dragone und M. Gans, "Imaging Reflector Arrangements to Form a Scanning Beam Using a Small Array", Bell System Technical Journal, Band 58, Nr. 2, (Februar 1979), Seiten 501-515. Diese Konfiguration sorgt für eine Vergrößerung der effektiven Appertur eines Arrays von Primärstrahlern. In den bevorzugten Konfigurationen, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, beträgt der Vergrößerungsfaktor 4,7. Die acht Primärstrahler 42 des Arrays 40 repräsentieren eine merkliche Reduzierung bei der Komplexität der Antenne, da insgesamt 155 Primärstrahler erforderlich gewesen wären, um dieselbe Antennenwirksamkeit zu erreichen, falls ein direkter Strahler von entsprechend ausgelegten Elementen verwendet worden wäre. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein hexagonal angeordnetes Antennenarray 50 von sieben Primärstrahlern 52 anstelle des oben erwähnten 4·2 Arrays von Strahlern verwendet werden, falls dies gewünscht ist. Das Array 50 von Speiseelementen 52 kann sowohl für Aufwärts- als auch für Abwärts- Kommunikation verwendet werden.
Fig. 4 illustriert zwei beispielhafte gebündelte (Spot-) Strahlungskeulen 56, 58, welche von dem Satelliten 24 (in Fig. 4 nicht gezeigt) im geosynchronen Orbit oberhalb der Erde 60 erzeugt wurden. Die Spot-Keule 56 erstreckt sich im wesentlichen längs der Ostküste der Vereinigten Staaten 62 und von Kanada 64, während die Spot-Keule 58 sich im wesentlichen längs der Westküste der Vereinigten Staaten 62 und von Kanada 64 erstreckt. Der Satellit überträgt und empfängt Informationen tragende Strahlung zu und von Bodenstationen, die innerhalb von Gebieten auf der Erdoberfläche gelegen sind, die von der jeweiligen ersten bzw. zweiten Spot-Strahlungskeule 56, 58 eingeschlossen sind. Die Bedeckungsmuster der jeweiligen Spot-Strahlungskeulen 56, 58 sind vorzugsweise so ausgewählt, daß für Kommunikation verfügbare Frequenzbänder in Gebieten auf der Oberfläche der Erde 60 konzentriert sind, wo die größte Kommunikationskapazität erforderlich ist, um die Verwendung des Antennengewinnes zu optimieren, indem das Maß des Antennengewinnes merklich begrenzt wird, welches auf Gebiete auftritt, wo sehr geringe Kommunikationskapazität erforderlich ist, so wie in spärlich bewohnten Gebieten.
Das Antennensystem des Satelliten 24 liefert eine eindimensionale Strahlungskeulen-Abtastung (was als ein Kontinuum von virtuellen Spot-Strahlungskeulen betrachtet werden kann) längs der Oberfläche der Erde 60. Solch eine Abtastung oder Verschwenkung kann längs eines Bogens der Erdoberfläche, so wie einer geographischen Länge oder Breite, oder eines relativ zu einer geographischen Breite eingeschlossenen Bogens gerichtet werden. Das Abtasten kann für die in Fig. 4 gezeigte Geographie am wirksamsten erreicht werden, indem in der Ost-West-Richtung abgetastet wird, was für einen Abtastpfad sorgt, welcher einem Bogen eines Großkreises der Erde folgt. Das Abtasten wird vorzugsweise implementiert, indem feste Verzögerungen oder Laufzeiten (wie es hier später noch beschrieben werden wird) zwischen Primärstrahlern des Antennensystemes verwendet werden, und indem verschiedene Frequenzen für verschiedene geographische Orte auf der Oberfläche der Erde eingesetzt werden. Dadurch wird das Abtasten durch Variation der Frequenz der Strahlung für jede Position der Strahlungskeulen-Abtastung (d. h. für jede virtuelle Strahlungskeule) bewirkt und zusätzlich kann eine Vielzahl (nicht gezeigt) der Strahlungskeulen gleichzeitig erzeugt werden, indem in jeder der Strahlungskeulen verschiedene Frequenzen elektromagnetischer Strahlung vorgesehen werden. Durch Verwendung dieser virtuellen Strahlungskeulentechnik befinden sich Anwender an einem beliebigen Punkt innerhalb des Bedeckungsgebietes der Strahlungskeulen-Abtastung nahe bei dem Zentrum einer der virtuellen Strahlungskeulen. Aus diesem Grund werden Anwender typischerweise 2 oder 3 dB mehr Leistung empfangen, als sie es von einem vergleichbaren Satelliten würden, der feste Strahlungskeulen verwendet.
Um die erforderliche elektromagnetische Leistung zu minimieren und für eine Einfachheit der Antennenstruktur zu sorgen, liefert das bevorzugte Antennensystem Strahlungskeulen mit einer im wesentlichen kreisförmigen Querschnittsfläche und mit einer Breite von 4,5º, indem das hexagonale Array 50 von Primärstrahlern 52 verwendet wird, das in Fig. 3 gezeigt ist. Die Elemente 52 sind vorzugsweise Schalendipol-Speisehörner mit einem Durchmesser von einer Wellenlänge.
Als ein Beispiel für seine Anwendung kann das Satellitenkommunikationssystem für bewegliche Landtelefondienste bestimmt sein, die manchmal auch als das Mobile Satelliten (MSAT)-System bezeichnet werden. Für einen derartigen Dienst sind zwei Frequenzbänder zugeordnet: 866-870 MHz für das Abwärts-Band und 821-825 MHz für das Aufwärts-Band. Die 4 MHz-Breite eines jeden dieser Bänder kann in ungefähr 1000 Frequenzschlitze unterteilt werden, welche individuell individuellen Bodenstationen auf der Oberfläche der Erde 60 für kompandierte Einseitenband-Sprachkommunikation zugeordnet werden können. Wenn die Stationen gleichförmig von Osten nach Westen angeordnet sind und jede Station auf einer anderen Länge liegt, wären ungefähr zwölf eine Aufwärtsverbindung und eine Abwärtsverbindung umfassende zuweisbare Kanäle innerhalb eines Abtastwinkels von ungefähr 0,1 Grad verfügbar.
Da die Kanäle gleichmäßig in der Frequenz beabstandet wären, würde eine Strahlungskeule gleichmäßig in der Ost-West-Richtung fortgeschaltet, wenn die Abwärts- (oder Aufwärts-)frequenz von einem Kanal zu dem nächsten Kanal umgetastet wird. Mit anderen Worten, die Betriebsfrequenz der Bodenstation wird vorzugsweise so ausgewählt, daß sie mit der Frequenz einer Strahlungskeule übereinstimmt, die von dem Satelliten zu der Bodenstation gerichtet ist. Für eine gleichförmige Verteilung der Stationen in der Ost-West-Richtung könnte die Strahlungskeule bezogen auf deren Ost-West-Komponente auf jede der Stationen zentriert werden. Tatsächlich neigen die Stationen jedoch dazu, in verschiedenen geographischen Gebieten der Vereinigten Staaten 62 und Kanadas 84 zusammengeballt zu sein, was für eine nicht gleichförmige Verteilung der Stationen längs des Ost-West- Abtastpfades der Strahlungskeule sorgt. Dementsprechend kann nicht für alle Stationen eine Spitzensignalamplitude erzielt werden.
Wird z. B. angenommen, daß 25 Bodenstationen innerhalb eines Abtastwinkels von 0,1º angeordnet sind, so beträgt die entsprechende Reduzierung der Spitzensignalamplitude weniger als 0,01 dB (Dezibel). Dies repräsentiert eine signifikante Verbesserung gegenüber bisher verfügbaren Satellitenkommunikationssystemen, welche getrennte feste Strahlungskeulen verwenden und bei denen der mittlere Verlust im Signalgewinn bezogen auf den Spitzensignalgewinn in Ost-West-Richtung ungefähr 0,8 dB betrug. Wie oben erwähnt, verwenden solche bestehenden Satellitenkommunikationssysteme Antennensysteme mit einer Vielzahl von großen Antennenreflektoren, die ungefähr 4,8768 m (16 Fuß) im Durchmesser messen, während das in der vorstehend erwähnten Patentanmeldung beschriebene Antennensystem nur einen solchen großen Reflektor und einen viel kleineren konfokalen Subreflektor erfordert, wie es hier noch beschrieben werden wird. Das offenbarte System sorgt also für verbesserte Gleichförmigkeit des Signalgewinnes bei einer vereinfachten mechanischen Struktur des Antennensystemes.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das bei der Erklärung des Frequenzabtastbetriebes des Antennensystemes nützlich ist. Ein Satz von vier Primärstrahlern 42 ist Seite an Seite längs einer geraden Linie angeordnet und weist auf eine abgehende Wellenfront 66 von elektromagnetischer Strahlung. Der Einfallwinkel der Wellenfront oder der Strahlungskeulenabtastwinkel wird relativ zu einer Normalen 68 des Arrays 40 von Elementen 42 gemessen. Eine Frequenzabtastung wird in einer planaren Arrayantenne erzeugt, indem eine progressive Zeitverzögerung in das Array eingefügt wird. Die progressive Zeitverzögerung sorgt für einen Unterschied in der Phase von Signalen, die von benachbarten der Elemente 42 angeregt werden, so daß die Phasendifferenz proportional zu der Frequenz der ausgestrahlten Signale ist. Diese Erklärung des Betriebes geht von einer abgehenden Wellenfront aus, wobei zu verstehen ist, daß der Betrieb des Arrays von Elementen 42 reziprok ist, so daß die Erklärung gleichfalls für eine ankommende Wellenfront gültig ist. Die Beziehung des Abtastwinkels zur Frequenz, dem Elementenabstand und der Zeitverzögerung ist durch die folgenden Gleichungen gegeben:
2πD/λ sinR = Δψ = 2πfΔT (1)
so daß
sin R = λ/D fΔT (2)
wobei:
D = Abstand zwischen Elementen,
R = Strahlungskeulenabtastwinkel,
λ = Wellenlänge der Strahlung,
Δψ = Phaseninkrement zwischen benachbarten Elementen, f = Frequenz, bezogen auf die Bandmitte, und
ΔT = Zeitverzögerungsinkrement zwischen benachbarten Elementen.
Die Primärstrahler 42 werden über eine Quelle 70 von Mikrowellenenergie und eine Reihe von Verzögerungseinheiten 72 angeregt, welche an die Quelle 70 gekoppelt sind. Jede der Verzögerungseinheiten 72 liefert ein Zeitverzögerungsinkrement, auf das oben in den Gleichungen (1) und (2) Bezug genommen wurde. Die Quelle 70 ist direkt mit einem Element 42 an der linken Seite des Arrays verbunden, während das nächste Element 42 über eine der Verzögerungseinheiten 72 mit der Quelle 70 verbunden ist. Die durch die Quelle 70 zu dem dritten und dem vierten der Elemente 42 zugeführten Signale werden jeweils durch zwei bzw. drei Verzögerungsinkremente der Verzögerungseinheiten 72 verzögert. Dies sorgt für die lineare Phasenbeziehung, um für den Abtastwinkel der abgehenden Wellenfront 66 zu sorgen. Das Phaseninkrement zwischen zwei benachbarten der Strahler 42 ist proportional zu dem Produkt aus der Frequenz dem Strahlung und dem Verzögerungsinkrement. Wenn dieses Produkt gleich 360º ist, so breitet sich die Wellenfront in einer Richtung normal zu dem Array von Elementen 42 aus. Zunehmende Werte der Frequenz erzeugen eine größere Phasenverschiebung, um die Wellenfront auf die rechte Seite der Normalen 68 zu richten, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, während abnehmende Beträge der Frequenz eine geringere Phasenverschiebung erzeugen und die Wellenfront auf die linke Seite der Normalen richten. Dementsprechend kann die Wellenfront symmetrisch um das Array von Elementen 42 geschwenkt werden.
Das zuvor erwähnte Patent diskutiert ebenfalls, daß im Falle der vorstehenden Aufwärts- und Abwärts-Frequenzbänder sowie in dem Falle, daß die Primärstrahler 42 einen Durchmesser von ungefähr einer Wellenlänge aufweisen, ein geeigneter Wert der differentiellen Verzögerung, wie sie durch die Verzögerungseinheiten 72 aus Fig. 5 bereitgestellt wird, bei 185 Nanosekunden für den Fall liegt, daß die Bodenstationen auf der Oberfläche der Erde 60 im wesentlichen uniform verteilt sind. Um für eine Ost-West-Bedeckung von 8º zu sorgen, werden die Aufwärts- und die Abwärts-Strahlungskeulen durch einen Bogen von -4º bis +4º geschwenkt. Im Hinblick auf den Verstärkungsfaktor von 4,7 muß der Abtastwinkel des Arrays 40 von Primärstrahlern 42 um denselben Vergrößerungsfaktor 4,7 gegenüber dem von der Ausgangsverschwenkung aus dem Hauptreflektor 32 vergrößert werden. Aus diesem Grunde muß die von den Primärstrahlern 42 erzeugte Strahlungskeule durch einen Bogen von 18,8º auf beiden Seiten zu einer Normalen des Arrays 40 verschwenkt werden. Der vorstehende Wert der differentiellen Verzögerung, d. h. von 185 Nanosekunden, sorgt für die 18,8º-Verschwenkung auf beiden Seiten der Normalen des Arrays 40. In der idealen Situation von gleichförmig verteilten Bodenstationen zwischen der Ostküste und der Westküste der Vereinigten Staaten und von Kanada hat die Anzahl von Kanälen pro Grad einen konstanten Wert von 1000/8 = 125.
In der Situation, wo die von den Verzögerungseinheiten 72 bereitgestellten differentiellen Verzögerungen frequenzunabhängig sind, wird eine optimale Richtung der verschwenkten Strahlungskeule für die ideale Situation der gleichförmigen Verteilung der Bodenstationen erzielt. In der wahrscheinlicheren Situation einer nicht gleichförmigen Verteilung der Bodenstationen kann die abgetastete oder verschwenkte Strahlungskeule gegenüber ihrer zugeordneten Bodenstation geringfügig versetzt sein. Wie es oben bereits erwähnt wurde, reduziert eine derartige Ungenauigkeit in der Strahlungskeulenausrichtung den Signalpegel um weniger als 0,01 Dezibel für einen Strahlungskeulen-Richtfehler von 0,1 Grad.
Das zuvor erwähnte Patent offenbart, daß die Abtastung dazu angepaßt werden kann, der vorstehend erwähnten Ungleichförmigkeit bei der Verteilung der Hodenstationen gerecht zu werden, indem der differentiellen Verzögerung eine frequenzabhängige Komponente beigegeben wird. Es gibt ein Beispiel einer ungleichförmigen Verteilung, wo die differentielle Verzögerung zwischen Spalten des Arrays 40 von Primärstrahlern 42 (siehe Fig. 4) zumindest für die Bildung der Abwärts-Strahlungskeulen zwischen 268 Nanosekunden an dem unteren Frequenz ende des Übertragungsbandes und 131 Nanosekunden an dem hohen Frequenzende des Übertragungsbandes variieren sollte. Andere Werte an Verzögerung können bei dem Strahlungskeulen formenden Betrieb von Aufwärts-Strahlungskeulen verwendet werden, die von dem Empfänger des Antennensystems 30 bereitgestellt werden.
Die in den verschiedenen Frequenzbändern, nämlich dem Aufwärts- und dem Abwärts-Frequenzband verwendeten Werte an Verzögerung sind umgekehrt proportional zu den Mittenfrequenzen dieser Bänder, was sich aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt. Eine Reduktion in der differentiellen Verzögerung führt zu einem reduzierten Betrag an Phasenverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Strahlungskeulen mit einer entsprechenden Reduzierung in der Versetzung der Strahlungskeulenposition auf der Oberfläche der Erde 60 von einem Kanal zu dem nächsten Kanal. Dadurch kann die Strahlungskeule nicht mehr akkurat in einer Region von hoher Dichte an Bodenstationen positioniert werden. Auf eine entsprechende Weise führt eine Zunahme in der differentiellen Verzögerung zu einer zunehmenden Bewegung der Strahlungskeule, wenn die Frequenz von einem Kanal zu dem nächsten Kanal umgetastet wird, wodurch Positionen der Strahlungskeule für eine Verteilung von Bodenstationen mit geringerer Dichte Rechnung getragen wird. Die Kanalzahl entspricht einer spezifischen Frequenz entweder in dem Aufwärts- oder dem Abwärts-Band. Bezogen auf die Positionierung der Bodenstationen längs eines Bogens von einem Großkreis der Erde 60, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 4 offenbart ist, ist zu sehen, daß die für die verschiedenen Stationen ausgewählten Frequenzen monoton mit der Position längs des vorstehenden Bogens variieren.
Im Hinblick auf die vorgehende Beschreibung ist zu sehen, daß das oben beschriebene Kommunikationssystem für Zwei-Weg-Kommunikation zwischen Bodenstationen und einem geosynchronen Satelliten sorgt. Die Zuordnung von spezifischen Frequenzen zu jeweiligen von den Bodenstationen in Kombination mit der Frequenzabtastung sowohl der Aufwärts- als auch der Abwärts-Strahlungskeule des Satelliten 24 ermöglicht eine Vereinfachung in der Schaltung des Systemes. Darüber hinaus sorgt die Verwendung von zwei konfokalen parabolischen Reflektoren für einen multiplikativen Faktor, welcher die Anzahl an Elementen reduziert, die in dem Array von Primärstrahlern erforderlich ist. Die Verwendung einer verschwenkten Strahlungskeule reduziert ebenfalls die physikalische Größe des Antennensystemes, indem die Anzahl von Reflektoren reduziert wird, was zu einem effizienteren Satellitenkommunikationssystem mit geringerem Gewicht führt.
Es wurde gefunden, daß bestimmte technische Hindernisse bei der kommerziellen Implementierung des oben beschriebenen konfokalen Reflektorsystemes existieren. Wegen der Größenbeschränkungen bei einem Raumfahrzeug kann der Subreflektor 34 nicht groß genug (vom Standpunkt der Wellenlängen aus) konstruiert werden, um mit akzeptablem Wirkungsgrad zu arbeiten. Diese Größenbeschränkungen begrenzen ebenfalls die Größe des Hauptreflektors und die Brennweiten, welche in der konfokalen Anordnung verwendet werden können.
Um eine weitere Gewichtseinsparung und Vereinfachung des vorstehend erwähnten Satellitenkommunikationssystemes zu erreichen, wäre es wünschenswert, den Subreflektor ganz wegzulassen, während immer noch eine relativ geringe Anzahl von Primärstrahlern verwendet wird. Es wäre ebenfalls sehr vorteilhaft, wenn es möglich wäre, die Leistung von Ausgangssignalen aus mehreren individuellen Verstärkern, die parallel betrieben werden, in individuellen oder einer kleinen Gruppe der Primärstrahler zu kombinieren, um so eine stärkere Spot-Strahlungskeule an jeder beliebigen, gegebenen Stelle längs des Gebietes der Erde zu erzeugen, das durch die abtastende Strahlungskeule überstrichen wird. Es wäre ferner wünschenswert, so viele Elemente wie möglich als gemeinsame Elemente in einem Antennensystem für das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem eines Kommunikationssatelliten zu verwenden, um so Gewicht, Raum und Kosten zu sparen. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere wünschenswerte Ziele zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Antennensystem mit einer in der Frequenz steuerbaren Strahlungskeule, wie es in dem beigefügten Anspruch 1 definiert ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Antennensystems mit frequenzsteuerbarer Strahlungskeule, wie es in dem beigefügten Anspruch 16 definiert ist.
Das aus den Vereinigten Staaten stammende Patent US 4,122,453 offenbart bereits ein Antennensystem mit einem Reflektor, einem Antennenarray mit einer Vielzahl von Speiseelementen, einer Butler-Matrix, die eine diskrete Fourier-Transformation durchführt, und mit Phasenschiebern. Diese Merkmale sind also bereits aus der US 4,112,453 bekannt.
Die in dem Dokument aus dem Stand der Technik offenbarte Antenne ist eine mechanisch drehbare Radarantenne. Ein Computer erzeugt derartige Phasenverschiebungssignale, daß die ausgestrahlte Strahlungskeule eine Intensität aufweist, die eine Annäherung an eine Kosekans-Quadrat-Funktion des Elevationswinkels ist. Das Antennensystem aus dem Stand der Technik weist zwei Betriebsarten auf: In einem ersten (Folge-)Betrieb wird ein einzelner Strahler angeregt. In einem Suchbetrieb werden alle Strahler betrieben.
US 4,122,453 sorgt nicht für eine frequenzsteuerbare Strahlungskeule, wie es die vorliegende Erfindung tut. Es ist weiter zu bemerken, daß es in dem Ausführungsbeispiel der Antenne aus dem Stand der Technik keine Probleme bezüglich Gewichtseinsparung (insbesondere in bezug auf einen Subreflektor) und dergleichen gibt, wie es der Fall bei einer auf einem Satelliten stationierten Antenne ist, da es sich bei der bekannten Antenne um eine auf dem Boden stationierte Antenne handelt.
Die folgenden Erklärungen beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die durchgeführte räumliche Transformation wird vorzugsweise aus der Gruppe von Transformationen ausgewählt, die aus Fourier- Transformationen und inversen Fourier-Transformationen besteht. Das Antennenarray und die Butler-Matrix werden vorzugsweise sowohl für die Übertragung als auch für den Empfang von Signalen verwendet. Wenn das Antennensystem zum Empfang verwendet wird, sind die von der Butler-Matrix bereitgestellten Eingangssignale von elektromagnetischer Strahlung erhaltene Signale, die durch den Reflektor auf das Antennenarray zum Empfang durch die Speiseelemente fokussiert wurden, und die räumliche Transformation ist eine inverse Fourier-Transformation. Wenn das System zur Übertragung verwendet wird, erzeugt die Butler-Matrix dem Antennenarray zugeführte Signale und die räumliche Transformation ist eine Fourier-Transformation.
Die Antennensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise in einem Satelliten zur Kommunikation zwischen Bodenstationen verwendet. In einer derartigen Anwendung umfaßt das System typischerweise weiter einen Satellitenrahmen, an dem der Reflektor und das Antennenarray angebracht sind. Der Reflektor und das Antennenarray sollten bezogen aufeinander angeordnet sein, um es zu ermöglichen, daß eine von von dem Array ausgehender elektromagnetischer Strahlung erzeugte steuerbare Strahlungskeule von dem Reflektor reflektiert wird, wenn der letztere in seiner Betriebsstellung ist.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Antennensystemes, mit den Schritten:
- Bereitstellen von einem Satz von ersten Signalen, welche bezogen zueinander die folgende vorbestimmte Phasenbeziehung aufweisen:
xn (t) = sin (ωt + nψ), n = 0, 1, 2, 3,
in der n die relative Position eines jeden ersten Signales innerhalb des Satzes von ersten Signalen definiert und wobei ψ der Eingangsphasenwert ist, wobei der Satz von ersten Signalen zu übertragende Information enthält, und wobei der Eingangsphasenwert als eine Funktion der Frequenz variiert;
- Bereitstellen von einer Butler-Matrix, um aus dem ersten Satz von Signalen einen Satz von zweiten Signalen im wesentlichen dadurch zu erzeugen, daß eine räumliche Transformation auf der Amplituden- und Phasenverteilung des Satzes von ersten Signalen durchgeführt wird; und
- Übertragen des Satzes von zweiten Signalen zu einem Reflektor, indem die zweiten Signale durch eine Vielzahl von Primärstrahlern geleitet werden, die im wesentlichen an einem Brennpunkt des Reflektors angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die räumliche Transformation eine Fourier- Transformation.
Das Verfahren wird vorzugsweise in Satellitenkommunikationssystemen zur Kommunikation mit einer Vielzahl von Bodenstationen durch die Verwendung der steuerbaren Strählungskeulen verwendet, welche dem Antennensystem zugeordnet ist. In derartigen Anwendungen ist der Reflektor ein Hauptreflektor und auf dem Satelliten montiert.
Diese und andere Aspekte, Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Zusammenhang mit den Zeichnungen zu verstehen.
In der beigefügten Zeichnung:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Kommunikationssatelliten, die ein Array von Strahlern, einen abbildenden Reflektor und einen Primärreflektor zeigt;
Fig. 2 ist eine Frontansicht des rechtwinkligen Arrays von Strahlern bei dem Satelliten aus Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Frontansicht des in Fig. 1 gezeigte Antennenteilsystemes, das eine alternative hexagonale Anordnung von Strahlern verwendet;
Fig. 4 ist eine stilisierte Bilddarstellung von auf der Oberfläche der Erde unter Verwendung des Satelliten aus Fig. 1 gebildeten Spot-Strahlungskeulen;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer abgehenden Wellenfront und den Elementen eines Linienarrays von Strahlern zeigt;
Fig. 6 ist eine vereinfachte diagrammartige Darstellung eines Antennensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das in einem Satelliten verwendbar ist;
Fig. 7 ist ein optisches Diagramm, das ein Zweilinsensystem zeigt;
Fig. 8 ein vereinfachtes elektrisches Diagramm einer Vier- Tor-Butler-Matrix, die in einem Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
Fig. 9 ist eine Auftragung der Amplitude des Ausgangssignales des Tores A der Butler-Matrix aus Fig. 8 als Funktion der Eingangsphase, wenn die Tore A', B', C' und D' mit einem spezifizierten Satz von Eingangssignalen gespeist werden;
Fig. 10 ist eine Auftragung von typischen Amplituden aller Ausgangstore der Butler-Matrix aus Fig. 8 als Funktion der Eingangsphase, wenn die Matrix mit einem spezifizierten Satz von Eingangssignalen gespeist wird;
Fig. 11 ist ein vereinfachtes elektrisches Blockdiagramm, das einen Satz von Diplexern sowie eine Butler-Matrix zeigt, die zusammen von Übertrager- und Empfängernetzwerken in einem Antennensystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 12 ist ein elektrisches Diagramm eines Ausführungsbeispieles eines Empfangsnetzwerkes der vorliegenden Erfindung, das Tor-zu-Tor-Phasenunterschiede in einen empfangenen Satz von Signalen durch die Verwendung von progressiven Zeitverzögerungen oder frequenzabhängigen Phasenverschiebungen einfügt;
Fig. 13 ist ein elektrisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles eines Sendenetzwerkes der vorliegenden Erfindung, das funktionelle Ähnlichkeit mit dem in Fig. 12 gezeigte Empfangsnetzwerk aufweist; und
Fig. 14 ist ein elektrisches Blockdiagramm eines Zwei-Frequenz-Zwei-Signal-Übertragungsnetzwerkes der vorliegenden Erfindung zum gleichzeitigen Aufsummieren und Vorbereiten einer Vielzahl von Signalen unterschiedlicher Frequenz zur Übertragung.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein neues Antennensystem zur Kommunikation mit vielen Bodenstationen, die typischerweise über ein großes geographisches Gebiet der Erde verteilt sind. Die folgende Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit der oben gegebenen technischen Beschreibung, um es einem beliebigen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden, und ist im Zusammenhang mit einer speziellen Anwendung und dessen Erfordernissen gegeben. Verschiedene Modifikationen an den bevorzugten Ausführungsbeispielen ergeben sich leicht für den Fachmann, wobei die hier definierten zugrundeliegenden Prinzipien für andere Ausführungsbeispiele und Anwendungen verwendet werden können, ohne den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern ihr soll der breiteste Bereich zukommen, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen konsistent ist.
Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt das Antennensystem 80 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Hauptreflektor 32 und ein Array 40 (oder 50) von Strahlern 42 (oder 52) von dem in den Fig. 1 bis 5 oben beschriebenen Typ. Das Antennensystem 80 ist vorzugsweise auf dem Satelliten 24 angeordnet, indem es auf einem geeigneten Rahmen 44 montiert ist. In dem Antennensystem 80 gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Subreflektor 34 (in Fig. 1 und 3 gezeigt) entfernt und das Array 40 (oder 50) von Primärstrahlern 42 (oder 52) oder Speisehörnern ist in (oder nahebei) dem Brennpunkt oder der Brennebene 48 des versetzten Speisereflektors 32 plaziert. Das Array 40 (oder 50) wird durch eine Butler-Matrix 82 gespeist, die bezogen auf die traditionelle Verwendung dieser Art von Strahlungskeulen formender Matrix "rückwärts" angeordnet ist. Mit der Matrix 82 verbunden sind das Übertrager- und Empfängernetzwerk, das durch einen Block 84 dargestellt ist. Die Verwendung einer Butler-Matrix auf diese Weise erzeugt eine Anregungssequenz für das Antennensystem 80, die eine räumliche Fourier-Transformation der Anregungssequenz ist, die in das Strahlungskeulen formende Array von Primärstrahlern in dem Antennensystem 30 aus den Fig. 1 bis 5 eingegeben wird. Auf diese Weise ist das durch das Array und den Signalreflektor erzeugte Fernfeldmuster identisch (in dem idealen Falle) zu dem der vorstehend beschriebenen konfokalen Anordnung. In dem nicht idealen Fall gibt es einige Unterschiede wegen der Effekte der räumlichen Abtastung und der physikalischen Begrenzungen der Größe des Arrays, das an dem Brennpunkt plaziert werden kann.
Der Betrieb des in Fig. 6 gezeigten Antennensystemes 80 und die vorstehnde Erklärung desselben können besser verstanden werden, indem das äquivalente optische Modell der konformalen Reflektorkonfigurationen betrachtet wird, die in den vorher oben beschriebenen Fig. 1 und 3 gezeigt sind. Fig. 7 zeigt das äquivalente optische Modell 90 dieses früheren Antennensystemes 30, indem es zwei Linsen 92 und 94 verwendet, welche in ihrer Funktion dem Hauptreflektor 32 bzw. dem Subreflektor 34 entsprechen. Die durch eine Linie 96 repräsentierte Brennebene x' umfaßt den Brennpunkt 48. Die Brennweite der Linse 92 ist F&sub2;, während die Brennweite der Linse 94 F&sub1; ist. Der Vergrößerungsfaktor M des Systemes 90 in Fig. 7 ist gegeben durch:
M = F&sub2;/F&sub1; (3).
Eine Amplituden- und Phasenverteilung eines Bildes F(x) in der durch eine Linie 98 repräsentierten Bildebene x wird durch die Linsen 92 und 94 so vergrößert, daß bei-der durch eine Linie 100 repräsentierten vergrößerten Bildebene x'' gilt:
f(x'') = f (M x) (4).
Aus der optischen Theorie ist es gut bekannt, daß die Amplituden- und Phasenverteilung an der Brennebene x' die räumliche Fourier- Transformation der Amplituden- und Phasenverteilung in der Bildebene x ist. Das bedeutet:
f(x') = F[f(x)] (5).
Durch Entfernen der ersten Linse und Erzeugen von f(x') direkt in der Brennebene x' ergibt sich dieselbe Amplituden- und Phasenverteilung in der vergrößerten Bildebene x''. Das Antennensystem 80 gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf dieser Idee.
Zurückkehrend zu Fig. 6 ist zu sehen, daß die Butler-Matrix 82 in dem System 80 eine räumliche Fourier-Transformation auf der durch den Sender in Block 84 erzeugten Anregungssequenz durchführt. Es ist ebenfalls zu sehen, daß die Butler-Matrix 82 die räumlich inverse Fourier-Transformation F&supmin;¹[f(x'')] der Fernfeld-Strahlungskeule bildet, die von dem Reflektor 32 reflektiert und auf das Antennenarray 40 (oder 50) zum Empfang durch die Speiseelemente 42 (oder 52) und darauffolgende Verarbeitung durch den Empfänger im Block 84 fokussiert wird.
Fig. 8 illustriert eine Butler-Matrix 110 mit vier Toren, die eine Satz von vier Eingängen und einen Satz von vier Ausgängen aufweist. Die Butler-Matrix 110 umfaßt vier 90º-Phasenvoreilungs- Hybride 112 und zwei negative 45º-Phasenschieber 114, die miteinander und mit den beiden Sätzen von vier Toren wie gezeigt verbunden sind. Die Vier-Tor-Matrix 110 wird hier aus Vereinfachungsgründen angenommen, aber der Fachmann weiß, daß Butler- Matrizes mit einer beliebigen Anzahl von gewünschten Toren entworfen werden können. In diesem Zusammenhang wurde viel Arbeit bei der Entwicklung von Designtechniken für Butler-Matrizes geleistet, siehe z. B. M. Ueno, "A Systematic Design Formulation for Butler Matrix Applied FFT Algorithm", IEEE Trans. Antennas and Propagation, Band AP-29, pp. Nr. 3, Mai 1981. In der traditionellen Verwendung dieser Matrix wären die Tore A, B, C und D die Eingangstore und die Tore A', B', C' und D' wären die Ausgangstore und würden an Strahlerelemente in einem Antennensystem angefügt, das keinen Reflektor verwendet. Wenn das Antennensystem 80 der vorliegenden Erfindung zur Übertragung verwendet wird, werden die Tore A', B', C' und D' als die Eingangstore verwendet und die Tore A, B, C, und D werden als die Ausgangstore verwendet. In dem als Übertrager verwendeten System 80 werden die Tore A', B', C' und D' mit einem Satz von Signalen gespeist, die eine bestimmte Phasenbeziehung von Tor zu Tor haben, die einen Funktion der Frequenz ist. Wenn dieselben Signale einem planaren Antennenarray zugeführt würden, so würden verschiedene Spot-Strahlungskeulen, jede mit einer unterschiedlichen Strählungskeulenrichtung, für die verschiedenen Frequenzen gebildet. Wir bezeichnen diese Spot-Strahlungskeulen manchmal als virtuelle Strahlungskeulen, da in der Theorie ein Kontinuum von Strahlungskeulen über der gesamten Strahlungskeulenbreite existiert, die definiert ist von der Spot-Strahlungskeule mit der niedrigsten Frequenz bis zu der mit der höchsten Frequenz. Die verschiedenen Phasenverteilungen, die aus unterschiedlichen Frequenzen resultieren, werden in der Matrix 110 kombiniert und wirken konstruktiv oder destruktiv auf verschiedenen Ausgangstoren zusammen. Die Wirkung ist die Bildung eines virtuellen Phasenzentrums in dem Array von Signalen an Ausgangstoren A, B, C und D für jede Frequenz. Mit anderen Worten, das Phasenzentrum eines Antennenarrays 40 (oder 50) mit einer Vielzahl von Strahlerelemente 42 oder (52) wird als Funktion der Frequenz verschwenken, wobei ein solches Element an Tore A, B, C und D angefügt ist. Eine spezielle Frequenz kann zu einem Signal an einem und nur einem Tor führen, oder es kann zu Signalen an zwei oder mehreren Toren führen, deren Amplitude und Phase einem räumlichen Phasenzentrum irgendwo zwischen den Toren entsprechen.
Die Kurve 120 aus Fig. 9 zeigt die Amplitudenantwort des Tores A in Fig. 8 wenn die Eingangstore A', B', C, und D' der Matrix 110 mit einem Satz von Eingangssignalen gespeist werden, die definiert sind durch:
xn (t) = sin (ωt + nψ), n = 0, 1, 2, 3 (6)
wobei ψ von 0 bis 2 pi variiert. (In der üblichen frequenzabtastenden Technik ist der Eingangsphasenwert ψ, eine bestimmte Funktion der Frequenz und nicht notwendigerweise konstant). Tor A' entspricht n = 0, Tor B' entspricht n = 1 usw. Es ist zu bemerken, daß bei einer bestimmten Phasenverteilung ein maximaler Signalpegel am Tor A auftritt. Fig. 10 zeigt die Größen der Ausgangssignale an allen Toren wenn die Matrix 110 mit demselben Typ der oben beschriebenen Signalfrequenz gespeist wird. Kurven 122, 124 und 126 sind die Ausgangssignale der Tore B, C bzw. D. Es ist zu bemerken, daß jedes Tor einen maximalen Ausgangswert für verschiedene relative Eingangsphasenwerte 4, aufweist. Es ist ebenfalls zu bemerken, daß von einer maximalen Amplitude für ein spezielles Tor die Ausgänge der andere Tore Null sind. Wenn z. B. die dem Tor A zugeordnete Kurve 120 am Punkt 128 auf ihrem Maximum ist, sind die Kurven 122-126 am Punkt 130 auf Amplitude Null. Eine weitere Analyse zeigt, daß das Phasenzentrum des an den Ausgang der Butler-Matrix (wie in Fig. 11 gezeigt) angefügten Antennenarrays die Länge des Arrays 40 (oder 50) als Funktion von 4, abtasten wird. Verschiedene Frequenzen führen zu verschiedenen Phasenzentren des Antennenarrays.
Die Wirkung eines eine Butler-Matrix verwendenden Antennensystemes wird durch die Zahl der verwendeten Elemente beeinflußt. Je mehr Elemente verwendet werden, umso besser ist die räumliche Abtastung der Eingangs- und Ausgangssignalsequenzen. Es ist daher zu erkennen, daß eine Butler-Matrix mit relativ wenigen Toren eine grobe Approximation einer Fourier-Transformation (oder inversen Fourier-Transformation) auf Signalen durchführt, die da hindurchgehen. Wenn die Zahl von Toren zunimmt, nimmt auch die Qualität und Genauigkeit der durchgeführten Transformation zu.
Fig. 11 illustriert in größerem Detail wie die Butler-Matrix 110 in einem Antennensystem 138 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, das Sender- und Empfänger-Teilsysteme umfaßt. Das System 138 umfaßt ein Array 140 von Speiseelementen oder Hörnern 142, welche sowohl als Sendeelemente als auch als Empfangselemente verwendet werden. Die Hörner 142 mögen von jedem beliebigen üblichen oder geeigneten Design sein, so wie ein Schalendipol mit einer Wellenlänge im Durchmesser. In der Praxis funktionieren die Hörner 142 auf dieselbe grundlegende Weise wie die früher beschriebenen Strahlerelemente 42 (oder 52) und sind wie in der Anordnung aus Fig. 6 an oder sehr nahe bei der Brennebene oder Ebene eines versetzten Speisereflektors 33 angeordnet.
Das System 138 umfaßt ebenfalls eine Gruppe 144 von Diplexern 146 sowie ein Empfangsnetzwerk 148 und ein Sendenetzwerk 150, die jeweils durch Gruppen 152 und 154 von elektromagnetischen Leitungen oder Leitern mit dem Diplexern 146 verbunden sind. Diese Komponenten können alle von üblichem oder geeignetem Design sein. Für die Diplexer 164 jedoch bevorzugen wir Diplexer von dem Typ, der vollständig in dem auf den Anmelder des vorliegenden Patentes übertragenen US-Patent Nr. 4,427,953 von T. Hudspeth und H. Keeling mit dem Titel MICROWAVE DIPLEXER beschrieben ist. Die Diplexer 146 dienen dazu, ankommende Signale in dem Aufwärts-Frequenzband (von dem Antennenarray 140 empfangen, von der Matrix 110 transformiert und auf Leiter der Leitergruppe 156 aufgeprägt) geeignet zu dem Empfangsnetzwerk 148 zu leiten. Die Diplexer 146 dienen gleichfalls dazu, den Satz von Signalen in dem Abwärts-Frequenzband (durch das Sende-Netzwerk 150 erzeugt, auf die Leitergruppe 154 aufgeprägt) zu der Butler- Matrix 110 zu leiten, wo sie transformiert und der Leitergruppe 158 aufgeprägt werden, um zu dem Antennenarray 140 geliefert zu werden. Es ist zu bemerken, da in Fig. 11 der Ausgang der Tore B und C der Butler-Matrix 110 umgekehrt sind, um eine kontinuierliche Abtastung des virtuellen Phasenzentrums mit der Frequenz zu erreichen. Dies wird erreicht, indem wie gezeigt das Tor B über die Leitung 158b mit dem Speisehorn 142c verbunden ist und indem das Tor C über eine Leitung 158c mit einem Spiesehorn 142b verbunden ist. Das Erfordernis, die Ausgänge der Strahlungskeulentore B und C umzukehren, wird klar, wenn man beobachtet, daß in Fig. 10 die die Ausgangssignale der Tore B und C repräsentierenden Kurven 122 und 124 bezogen auf die Abfolge der Ausgangssignale der Tore A und D von hohen zu niederen Werten der Eingangsphase ψ, umgekehrt sind. Die beiden 180º-Phasenschieber 159a und 159b korrigieren Phasenumkehrungen in den Ausgangssignalen der Tore A und B, die wegen des Betriebes der Butler-Matrix 110 geschehen.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm für ein mögliches Ausführungsbeispiel, das die verschiedenen Komponenten und Signalpfade des Empfangsnetzwerkes 148 eines Antennensystems 138 aus Fig. 11 zeigt. Das Netzwerk 148 umfaßt: Eine Gruppe 160 von Vorverstärkern 164, um den Pegel der über Leitungen 152 gelieferten empfangenen Signale anzuheben; eine Gruppe 164 von Frequenzumsetzern 166, um die Trägerfrequenz der von den Vorverstärkern 162 stammenden empfangenen Signale auf einen Zwischen- oder Basisband-Frequenzbereich zu reduzieren; einen Gruppe 168 von vier Bandpaßfiltern 170, um Nebenkeulen oder andere Frequenzumsetzungsprodukte außerhalb des gewünschten Frequenzbereiches zu unterdrücken; und eine Gruppe 172 von drei Verschiebungen bewirkenden Komponenten oder Elementen 174, die alle wie gezeigt verschaltet sind, um an einem Ausgangsanschluß oder -tor 176 ein Basisbandsignal zu erzeugen. Die Verschiebungen bewirkenden Elemente 174 können entweder Laufzeitelemente oder frequenzabhängige Phasenschieber sein. Das Empfängernetzwerk 148 wird auf die Frequenzbänder der entsprechenden Aufwärts-Kommunikationskanäle abgestimmt, wodurch gleichzeitig der Empfang von Signalen von einer Vielzahl von Bodenstationen ermöglicht wird.
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm des in Fig. 11 gezeigten Sendenetzwerkes 150. Das Netzwerk 150 umfaßt: Eine Gruppe 180 von Verschiebungen erzeugenden Komponenten oder Elementen 182; eine Gruppe 184 von vier Frequenzschiebern 186, um die Trägerfrequenz von auf eine Gruppe von Leitungen 184 aufgeschalteten Signalen auf einen höheren Frequenzbereich zu erhöhen, eine Gruppe 190 von Bandpaßfiltern 192, um unerwünschte Signale außerhalb des gewünschten Frequenzbereiches zu entfernen, der durch die Betriebsfrequenzumsetzer 186 erzeugt wurde, und eine Gruppe 194 von Leistungsverstärkern 196, um die Leistung der auf die Leitungsgruppe 154 aufgeschalteten Signale anzuheben. In dem Sendenetzwerk 150 wird das zu übertragende Signal auf einen Eingangsanschluß oder ein Eingangstor 198 aufgeschaltet.
Die Fig. 12 und 13 illustrieren ebenfalls ein mögliches Verfahren, um den Tor-Zu-Tor-Eingangsphasenwert ψ, in Funktion der Frequenz durch das Einfügen von Zeitverzögerungen oder frequenzabhängigen Phasenverschiebungen zu erzeugen. Diese werden durch die Verschiebungen erzeugenden Elemente 174 in Fig. 12 und die Verschiebungen erzeugenden Elemente 182 in Fig. 13 eingefügt. In Fig. 13 werden die Zeitverzögerungen oder Phasenverschiebungen im Basisband (oder bei einer Zwischenfrequenz) eingefügt und dann wird jedes Signal in dem resultierenden Signalsatz auf eine Leitung der Leitungsgruppe 188 aufgeschaltet, um in der Frequenz parallel durch die Frequenzumsetzer 186 auf den gewünschten Frequenzbereich umgesetzt zu werden. Dies wird so getan, daß eine bestimmte Bandbreite den gewünschten Bereich von Phasenverteilungen in dem Signalsatz erzeugt, der der Butler- Matrix 110 durch die Leitungsgruppe 154 zugeführt wird, und führt daher zu der Abtastung des Phasenzentrums des Arrays über den gewünschten Bereich. Dieses Verfahren kann vorteilhaft z. B. in dem MSAT-System verwendet werden, das eingangs dieser Beschreibung diskutiert wurde.
Der oben diskutierte Satellit des MSAT-Systemes überträgt in dem UHF-Band von 866 bis 870 MHz. Die Änderung in der Phase einer Sinuskurve wegen einer Zeitverzögerung, so wie jene in den Fig. 12 und 13, kann durch die folgende Formel berechnet werden, wobei der Eingangsphasenwert in Radiant ausgedrückt ist:
Δψ = n2 πfτ (7).
Um einen hinreichend großen Strahlungskeulenabtastwinkel zu erzeugen, wenn die in Fig. 8 gezeigte Butler-Matrix 110 verwendet wird, ist ein hinreichend großer Bereich an Phasenverteilungen erforderlich.
Ein Ansatz, um zu bestimmen, welche Zeitverzögerungen oder Phasenverschiebungen erforderlich sind, um das System 138 aus Fig. 11 auf die gewünschte Weise zu betreiben, liegt darin, den optimalen Bereich von Phasenverteilungen auszuwählen und eine Frequenz zu finden, bei welcher die in Rede stehende Bandbreite diesen Bereich unter Verwendung einer Laufzeit- oder Phasenverschiebungsvorrichtung erzeugt. Die in Fig. 8 gezeigte Butler-Matrix 110 liefert z. B. die beste Abtastung des Phasenzentrums des Antennenarrays wenn sich die Eingangsphasenverteilungen zwischen π/4 und 7 π/4 Radiant erstrecken. Aus Einfachheitsgründen sei angenommen, daß eine Zeitverzögerung verwendet wird. Unter Annahme der Bedingungen
π/4 = 2 πf&sub1;τ (8)
und
7 π/4 = 2 f&sub2;τ (9)
ist dann
τ = 7 π/8 πf&sub2; = π/8 πf&sub1; (10)
oder
f&sub2;/f&sub1; = 7 (11).
Wenn diese Beziehung mit der Idee kombiniert wird, daß
f&sub2; - f&sub1; = 4 MHz (12)
d. h. der Bandbreite der Abwärtsübertragungen in dem MSAT- Satelliten, können wir finden, daß f&sub1; = 666,7·10³ Hz und f&sub2; = 4,6667·10&sup6; Hz. Wenn wir in diesem Zwischenfrequenzbereich arbeiten, können wir nun eine Zeitverzögerung finden, welche den gewünschten Bereich von Phasenverteilungen erzeugt, nämlich τ = 1/(8f&sub1;) = 187,5·10&supmin;&sup9; Sekunden.
Wenn mit dieser Zeitverzögerung bei diesem Zwischenfrequenzband gearbeitet wird, ermöglicht dies es der Bandbreite des Signales, die gewünschten frequenzabhängigen Tor-Zu-Tor-Phasenbeziehungen zu erzeugen. Jedes Signal in dem Satz kann dann in der Frequenz auf den gewünschten Frequenzbereich (parallel) umgesetzt werden, ohne daß die durch die Zeitverzögerungen in dem Zwischenfrequenzband eingefügte Tor-Zu-Tor-Phasenbeziehung geändert wird.
Bei Verwendung verschiedener Zeitverzögerungen und verschiedener Zwischenfrequenzen können die Signale von verschiedenen Sendern (oder für verschiedene Empfänger) kombiniert werden, um dieselbe Butler-Matrix zu verwenden, wobei sie denselben Typ von Antennenmustern erzeugen, selbst wenn die Sender bei verschiedenen Frequenzen arbeiten und verschiedene Bandbreiten aufweisen. Unter Verwendung der oben beschriebenen Technik können verschiedene Signale mit verschiedenen Bandbreiten verwendet werden, um einen Satz von Eingangssignalen mit demselben Bereich von Phasenverteilungen zu erzeugen. Ein Zuführen der Kombination dieser Sätze zu einer ein Antennenarray speisenden Butler-Matrix ermöglicht es beiden Signalbandbreiten, dieselben frequenzgesteuerten virtuellen Strählungskeulenmuster zu erzeugen. Dieses Konzept ist in der Fig. 14 illustriert, die ein Zwei-Frequenz- Sendenetzwerk 210 zeigt, das dazu geeignet ist, zwei Sätze von Eingangssignalen bei verschiedenen Frequenzbändern zu erzeugen. Das Netzwerk 210 kann anstelle des Sendenetzwerkes 150 in dem in Fig. 11 gezeigten Antennensystem 130 verwendet werden.
Das Netzwerk 210 umfaßt einen Netzwerkteil 212 für eine erste Frequenz, einen Netzwerkteil 214 für eine zweite Frequenz und einen gemeinsamen Netzwerkteil 216. Der Netzwerkteil 212 umfaßt eine Gruppe 180 von drei Verschiebungen erzeugenden Vorrichtungen 182 und eine Gruppe 184 von Frequenzumsetzern 186, welche so arbeiten, wie es vorher im Zusammenhang mit Fig. 13 erklärt wurde. Der Netzwerkteil 214 umfaßt eine Gruppe 222 von Verschiebungen erzeugenden Vorrichtungen 224 und eine Gruppe 226 von Vorrichtungen 228 zur Frequenzumsetzung, um einen Satz von Signalen bei einem Frequenzband zu erzeugen, das verschieden ist von dem durch das Netzwerkteil 212 erzeugten. Die Verschiebungen erzeugenden Vorrichtungen 182 und 224 können Laufzeitglieder oder frequenzabhängige Phasenschiebereinheiten sein. Der Netzwerkteil 216 umfaßt: Eine Gruppe 230 von Summen erzeugenden Elementen oder Mischern 232 (welche die beiden verschiedenen Sätze von Signalen aus den Netzwerkteilen 212 und 214 kombinieren, die über Leitungsgruppen 234 bzw. 236 zu den Mischern 232 geliefert werden), eine Gruppe 190 von Bandpaßfiltern 192 sowie eine Gruppe 194 von Leistungsverstärkern 196. Die verschiedenen Komponenten des Netzwerkes 210 sind wie in Fig. 14 gezeigt verschaltet und führen zu der Erzeugung von zwei Sätzen von Signalen mit verschiedenen Frequenzbändern, die kombiniert, verstärkt und dann gleichzeitig auf die Leitungsgruppe 154 aufgeschaltet werden, um zu dem Rest des in Fig. 11 gezeigten Systemes 138 geliefert zu werden.
Die Verschiebungen erzeugenden Einheiten oder Vorrichtungen 174, 182 und 224 können geeignet unter Verwendung gut bekannter Schaltungen aus All-Paß-Netzwerken mit punktförmig verteilten Parametern gefertigt werden. Diese Einheiten oder Vorrichtungen sind vorne vor den übertragenden Leistungsverstärkern 184 und 196 in Fig. 13 und 14 angeordnet, um bei einer relativ niedrigen Leistung zu arbeiten und dadurch Leistungsverluste zu minimieren.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind im Zusammenhang mit einem beweglichen Satellitenkommunikationssystem zur Übertragung und zum Empfang zwischen mehreren Bodenstationen bei bestimmten festgelegten Frequenzen in dem L-Band beschrieben worden. Der Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung leicht dazu angepaßt werden kann, um in landgestützten oder satellitengestützen Kommunikationssystemen verwendet zu werden, die bei anderen Frequenzbändern, z. B. im C- oder Ku-Band zu arbeiten. Die Größe des Hauptreflektors, die Anordnung und der Typ der Antennenarrays sowie die spezifischen Empfangs und Sendenetzwerke, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können wesentlich variieren, ohne den tatsächlichen Bereich der breitesten Aspekte der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können getrennte Speisehörner verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung zu übertragen und zu empfangen, die die steuerbare Strahlungskeule bildet. Darüber hinaus kann ein konventioneller Schirmtypdiplexer zwischen das Antennenarray und den Reflektor plaziert werden, um so die einkommende elektromagnetische Strahlung so umzulenken, daß sie von einem getrennten Empfängerarray empfangen wird, das unter einem merklichen Winkel zu der Ebene des ersten Antennenarrays angeordnet ist. Ein derartiges Ausführungsbeispiel würde folglich getrennte Sende- und Empfangsantennenarrays aufweisen. Alternativ könnten zwei getrennte Hauptreflektoren vorgesehen sein, von denen einer im Zusammenhang mit einem getrennten Sendeantennenarray verwendet würde und der andere mit einem getrennten Empfangsantennenarray. Wir bevorzugen gegenwärtig diese letztere Anordnung nicht für Satellitenantennensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar im Hinblick auf das merkliche zusätzliche Gewicht und die merklichen zusätzlichen Kosten für das Bereitstellen zweier Hauptreflektoren. Solch eine Anordnung kann jedoch ganz nützlich sein für Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung, die für Land- oder Seefahrzeuge konstruiert werden.
Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung ist es zu sehen, daß das Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung gut für Zwei-Weg-Kommunikation zwischen Bodenstationen und einem geosynchronen Satelliten geeignet ist. Das Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Vorteile, die Leistung von Ausgangssignalen von einer Vielzahl von gleichzeitig parallel betriebenen Leistungsverstärkern effektiv zu kombinieren. Es schafft ebenfalls ein Antennensystem mit einem Reflektor, das durch die Verwendung von räumlichen Transformationsmitteln, so wie einer Butler-Matrix, funktionell dem zwei konfokale Reflektoren verwendenden System äquivalent ist, das im Zusammenhang mit dem technischen Hintergrund in dieser Beschreibung oben erklärt wurde, wobei es gleichzeitig eine Vergrößerung der effektiven Appertur der Elemente erreicht. Das Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt das Erfordernis, einen Subreflektor verwenden zu müssen, ohne daß zusätzliche Primärstrahler bereitgestellt werden, was folglich Gewicht, Platz und Kosten spart, da das Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine verschwenkbare, virtuelle Strahlungskeulentechnik verwendet; es reduziert ebenfalls die physikalischen Abmaße des Antennensystems, indem die Anzahl von Primärstrahlern und Reflektoren minimiert wird, die verwendet werden müssen. Folglich führt ein Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem leichteren und effizienteren Satellitenkommunikationssystem. Schließlich erlaubt es die Verwendung von Zeitverzögerungen oder Phasenverschiebungen bei Basisband- oder Zwischenfrequenzen, die Ausgabe von mehreren Sendenetzwerken einem einzigen Array von Primärstrahlern zuzuführen, um bei verschiedenen Frequenzen dasselbe Antennenmuster zu erzeugen, was es ermöglicht, daß das Antennensystem in Satellitenkommunikationssystemen verwendet wird, die mehrere simultane Zwei-Weg-Kommunikationskanäle zwischen vielen weit verstreuten Bodenstationen innerhalb des Abtastwinkels der virtuellen Strahlungskeulen erfordern.

Claims

1. Antennensystem (80; 138) mit einer frequenzgesteuerten Strahlungskeule, mit:

(1.1) einem Reflektor (32), der wenigstens einen ihm zugeordneten Brennpunkt (48) aufweist,

(1.2) einem Antennenarray (40; 140), das eine Vielzahl von Speiseelementen (42; 142) aufweist,

(1.3.) wobei die Speiseelemente (42; 142) des Antennenarrays (40; 140) im wesentlichen in dem Brennpunkt (48) des in seiner Betriebsstellung befindlichen Reflektors (32) angeordnet sind,

(1.4) einer Butler-Matrix (80; 110), welche eine räumliche Transformation auf die Amplituden- und Phasenverteilung von ihr zugeführten Eingangssignalen durchführt und

(1.4.1) eine Vielzahl von Eingangsanschlüssen (A', B', C', D') sowie Ausgangsanschlüssen (A, B, C, D) aufweist,

(1.4.2) wobei die Ausgangsanschlüsse (A, B, C, D) der Butler-Matrix (82; 110) an die Speiseelemente (42; 142) des Antennenarrays (40; 140) angeschlossen sind,

(1.5) Verschiebungen bewirkenden Elementen (72; 174, 182; 224), welche einen Satz von Signalen mit einer vorbestimmten Phasenbeziehung gemäß der folgenden Formel bereitstellen:

xn (t) = sin (ωt + nψ), n = 0,1,2,3,

in der n die relative Position eines jeden Signales innerhalb des Satzes von Signalen angibt, wobei ω/2 pi die Trägerfrequenz oder eine Zwischenfrequenz des Satzes von Signalen ist und wobei ψ ein Eingangsphasenwert in dem Bereich von 0 bis 2 pi ist, wobei der Satz von Signalen die Eingangsanschlüsse (A', B', C', D') der Butler-Matrix (82; 110) speist, und bei dem der Eingangsphasenwert als Funktion der Frequenz ω/2 pi variiert.

2. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verschiebungen bewirkende Element (72; 172, 182; 224) ein Laufzeitglied ist.

3. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Butler-Matrix (82; 110) Fourier- Transformationen bzw. inverse Fourier-Transformationen liefert.

4. Antennensystem (80; 138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Speiseelemente (42; 142) ein Speisehorn ist.

5. Antennensystem (80; 138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseelemente (42; 142) in einem hexagonalen Muster angeordnet sind.

6. Antennensystem (80; 138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Satellitenrahmen (44), an dem der Reflektor (32) und das Antennenarray (40; 142) angebracht sind.

7. Antennensystem (80; 138) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erste signalerzeugende Mittel (150; 212), welche die Verschiebungen bewirkenden Elemente (182; 224) umfassen, um aus einem ersten Signal mit einer ersten nominalen Frequenz einen ersten Satz von zweiten Signalen zu erzeugen, welche in der Phase zueinander verschoben sind.

8. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten signalerzeugenden Mittel (150; 212) eine Vielzahl von frequenzumsetzenden Mitteln (186; 228) umfassen, um den Satz von zweiten Signalen bei einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren bevor die zweiten Signale an die Butler-Matrix (82; 110) geliefert werden.

9. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß

(9.1) die ersten signalerzeugenden Mittel (150; 212) eine erste Vielzahl von Signalpfaden umfassen, wobei ein solcher Pfad einem jeden davon erzeugten Signal zugeordnet ist, und wobei

(9.2) ein jeder solcher Signalpfad einen Verstärker (196) umfaßt.

10. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

(10.1) ein jeder derartiger Signalpfad ebenfalls ein Bandpaßfilter (192) umfaßt, das in Serie mit dem Verstärker (196) angeordnet ist.

11. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

(11.1) jedes Verschiebungen bewirkende Element (182; 224) an einen der Signalpfade angeschlossen ist, der zumindest teilweise von einem derartigen Bandpaßfilter (192) und einem derartigen Verstärker (196) gebildet ist, die in Serie zwischen dem Verschiebungen bewirkenden Element (182; 224) und einem der Eingangsanschlüsse (A', B', C', D') der Butler-Matrix (82; 110) angeordnet sind.

12. Antennensystem (80; 138) nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch zweite signalerzeugende Mittel (214), um von einem dritten Signal mit einer zweiten von der ersten nominalen Frequenz verschiedenen nominalen Frequenz einen zweiten Satz von zweiten Signalen zur Lieferung an die Butler-Matrix (82; 110) zu erzeugen, um als Teil einer frequenzabtastenden, virtuellen Strahlungskeule in dem dritten Signal codierte Information zu übertragen.

13. Antennensystem (80; 138) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Summationsmittel, um den ersten und zweiten Satz von zweiten Signalen zu summieren bevor die Signale an die Butler-Matrix (82; 110) geliefert werden.

14. Antennensystem (80 : 138) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationsmittel eine Vielzahl von summenerzeugenden Elementen (232) umfassen, und daß die ersten signalerzeugenden Mittel (212) und die zweiten signalerzeugenden Mittel (214) jeweils eine Vielzahl von Bandpaßfiltern (192) sowie modulierenden Verstärkern (196) umfassen und miteinander teilen, und dadurch gekennzeichnet, daß jedes summenerzeugende Element (232) mit einem Signalpfad verbunden ist, der zumindest teilweise durch ein derartiges Bandpaßfilter (192) und einen derartigen modulierenden Verstärker (196) gebildet ist, die in Serie zwischen das summenerzeugende Element (232) und einen der Eingangsanschlüsse (A', B', C', D') der Butler-Matrix (82; 110) angeordnet sind.

15. Antennensystem (80; 138) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten signalerzeugenden Mittel (212) und die zweiten signalerzeugenden Mittel (214) jeweils eine Vielzahl von frequenzumsetzenden Mitteln (186, 228) umfassen, um den diesen zugeordneten Satz von zweiten Signalen bei einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren bevor die zweiten Signale zu Entsprechenden der summenerzeugenden Elemente (232) geliefert werden.

16. Verfahren zum Betreiben eines Antennensystems (80; 138) mit frequenzgesteuerter Strahlungskeule, mit den Schritten:

(16.1) Bereitstellen von einem Satz von ersten Signalen, welche bezogen zueinander die folgende vorbestimmte Phasenbestimmung aufweisen:

xn (t) = sin (ωt + nψ), n = 0,1,2,3,

in der n die relative Position eines jeden ersten Signales inherhalb des Satzes von ersten Signalen definiert, wobei ω/2 pi die Trägerfrequenz oder eine Zwischenfrequenz des Satzes von Signalen ist und wobei ψ der Eingangsphasenwert in dem Bereich von 0 bis 2 pi ist, wobei der Satz von ersten Signalen zu übertragende Information enthält, und wobei der Eingangsphasenwert als Funktion der Frequenz ω/2 pi variiert;

(16.2) Bereitstellen von einer Butler-Matrix (82; 110), um aus dem ersten Satz von Signalen durch Durchführen einer räumlichen Transformation auf der Amplituden- und Phasenverteilung des Satzes von ersten Signalen einen Satz von zweiten Signalen zu erzeugen, wobei die Butler-Matrix (82; 110) eine Vielzahl von Eingangsanschlüssen (A', B', C', D') und Ausgangsanschlüssen (A, B, C, D) aufweist; und

(16.3) Übertragen des Satzes von zweiten Signalen zu einem Reflektor (32), indem die zweiten Signale durch eine Vielzahl von Speiseelementen (42; 142) geleitet werden, die im wesentlichen an einem Brennpunkt des Reflektors (32) in dessen Betriebsstellung angeordnet sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (32) auf einem Satelliten (24) montiert und ein Hauptreflektor ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Transformation eine Fourier-Transformation ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (16.1) die Unterschritte aufweist:

(19.1) Bereitstellen eines Basisbandsignales; und

(19. 2) Einfügen von einer Vielzahl von Zeitverzögerungen in die Basisbandsignale, um wenigstens eine Vielzahl der ersten Signale zu erzeugen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (16.1) die Unterschritte aufweist:

(20.1) Bereitstellen eines Basisbandsignales; und

(20. 2) Zuführen des Basisbandsignales zu einer Vielzahl von frequenzabhängigen Phasenschiebern, um wenigstens eine Vielzahl der ersten Signale zu erzeugen.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch den Schritt

(21.1) paralleles Umsetzen des Satzes von ersten Signalen in der Frequenz auf einen ersten höheren Frequenzbereich bevor der Satz von zweiten Signalen erzeugt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte

(22.1) Bereitstellen eines Satzes von dritten Signalen, welche die folgende Phasenbeziehung zueinander aufweisen:

xn (t) = sin (ωt + nψ), n = 0,1,2,3,

in der n die relative Position eines jeden dritten Signales innerhalb des Satzes von dritten Signalen angibt, und wobei ψ der Eingangsphasenwert ist,

(22.2) Bereitstellen von einer Butler-Matrix (82; 110), um aus dem Satz von dritten Signalen durch Durchführen von im wesentlichen einer räumlichen Transformation auf der Amplituden- und Phasenverteilung des Satzes von dritten Signalen einen Satz von vierten Signalen zu erzeugen;

(22.3) Übertragen des Satzes von vierten Signalen zu dem Reflektor (32), indem die vierten Signale durch dieselbe Vielzahl von Primärstrahlern (42; 142) geleitet werden, durch welche die zweiten Signale geleitet werden; und

(22.4) paralleles Umsetzen des Satzes von dritten Signalen in der Frequenz auf einen zweiten höheren Frequenzbereich bevor der Satz von vierten Signalen erzeugt wird, wobei der zweite Frequenzbereich von dem ersten Frequenzbereich verschieden ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Butler-Matrix (82; 110) in dem Antennensystem (80; 138) für die ersten bzw. dritten Signalen gemeinsam vorgesehen ist, um gleichzeitig die Sätze von zweiten und vierten Signalen aus den Sätzen von ersten bzw. dritten Signalen zu generieren.