DE3939318A1 - Satellitenfunk-bodenstationsantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Satellitenfunk-Boden­ stationsantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Weil der Welt-Kommunikationsverkehr rasch anwächst, werden im­ mer mehr Nachrichtensatelliten in die geostationäre Umlaufbahn geschickt. Dies hat teilweise heute bereits zu einer gewissen Überfüllung geführt. Die auftretenden Störprobleme erfordern einen gewissen Minimalwinkelabstand zwischen benachbarten Sa­ telliten. Antennen von Bodenstationen, die in Richtung eines bestimmten Satelliten senden, können andere Satelliten, die Signale gleicher Frequenz und Polarisation empfangen, mit Ne­ benzipfeln und möglicherweise mit dem Hauptkeulenrandbereich des Antennendiagramms stören. Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn die Bodenstationsantenne nicht nur Signale des ge­ wünschten Satelliten, sondern auch Signale benachbarter Satel­ liten empfängt.

Um die Zahl der Nachrichtensatelliten in der geostationären Umlaufbahn und damit die Nachrichtenübertragungskapazität auch in Zukunft weiter vergrößern zu können, muß die Nebenzipfel­ dämpfung der Bodenstationsantennen so verbessert werden, daß benachbarte Satelliten nicht gestört werden können. Dabei kommt es vor allem auf den Nebenzipfelverlauf in Richtung der Satel­ litenbahnebene an. Der Verlauf senkrecht zur Umlaufbahnebene spielt nach neueren Planungen und Empfehlungen von CCIR demge­ genüber keine so wesentliche Rolle, da in dieser Richtung keine Satelliten nebeneinander stehen, die gestört werden könnten.

Mit bisher üblichen, drehsymmetrisch aufgebauten Doppel- Reflektor-Antennen wurden gewisse Verbesserungen in der Nebenzipfeldämpfung beispielsweise durch Änderung der Aperturbelegung, Übergang zum Gregory-Prinzip, bessere Subre­ flektorstützenanordnung und Computeroptimierung des Gesamtan­ tennensystems erzielt. Neuerdings versucht man Verbesserungen durch Übergang zu seitlicher Speisung (Offset-Speisung) zu erreichen, bei der keine Strahlabblockung auftritt. Weiterge­ hende Verbesserungen sind erwünscht, aber nur schwer zu er­ reichen. In dieser Situation stellt sich die Frage, inwieweit die bereits erwähnten Änderungen der CCIR-Empfehlungen weitere Verbesserungen erlauben, wenn von der bisher meist üblichen Kreisform der Antennenaperturen abgegangen wird. Es sind zwar auch Antennen mit elliptischer Apertur bei Satellitenfunk-Bo­ denstationen bekannt. Die im Prinzip günstigere Ellipsenform wurde dabei jedoch nur wegen der leichteren Transportierbarkeit z. B. im Flugzeug gewählt und kommt aufgrund der unzweckmäßigen Montierung der Antenne auf dem Drehgestell nur bei nahe der Südrichtung stehenden Satelliten, eigentlich mehr zufällig, zum Tragen.

Geht man von einer Kreisapertur zu einer elliptischen Apertur gleicher Fläche über, so erhöht sich in der durch die lange Ellipsenachse gehenden Hauptebene die Bündelung und die Neben­ zipfeldämpfung nimmt zu. Fällt die ursprüngliche Feldstärke beispielsweise mit der Winkelpotenz 1/ϑ ^p ab, so bewirkt eine Streckung der Apertur um den Faktor √ theoretisch eine Nebenzipfelabsenkung um 3 p (dB). Bei einer quadratisch abfall­ enden Aperturbelegung hat p etwa den Wert 2,5, so daß sich zumindest im ungestörten Nahbereich um die Antennenhauptkeule beträchtliche Verbesserungen ergeben können. Diese Verbesse­ rungen kommen jedoch nur zum Tragen, wenn die lange Apertur­ achse für jede Satellitenposition parallel zur Tangente der Satellitenbahn ausgerichtet ist. Bei, vom Antennenstandort aus gesehen, weit östlich oder westlich gelegenen Satelliten liegt die Bahntangente, je nach geographischer Breite, jedoch unter Umständen sehr schräg zur Horizontalebene. Am Äquator selbst verläuft die Bahntangente in der Vertikalebene. Bei einer der bekannten elliptischen Antennen liegt die lange Ellipsenaper­ turachse immer horizontal, so daß die Antenne in diesem Fall in der Regel eine völlig falsche Orientierung aufweist, die zu einem Nebenzipfelanstieg gegenüber einer Kreisaperturantenne führen würde. Eine Ausnahme wäre einzig derjenige Fall, in dem der Nachrichtensatellit genau senkrecht über der Bodenstation steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit einem sich auf einer geostationären Umlaufbahn befindlichen Nachrichtensatelliten zusammenarbeitende Satellitenfunk-Bodenstationsantenne mit einer einen zumindest annähernd elliptischen Querschnitt aufweisenden Strahlungskeule so auszubilden, daß sich die Antenne stets optimal bezüglich der Nebenzipfeldämpfung in Richtung der Satellitenumlaufbahnebene einstellen läßt.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine auf einem Drehgestell montierte Satellitenfunk-Bodenstationsantenne gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 bezieht, wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Erfindungsgedanke besteht darin, bei einer schwenkbaren Antenne mit z. B. üblichem Elevations- über Azimut­ drehgestell eine dritte, mit der Hauptstrahlrichtung zusammen­ fallende Achse vorzusehen, die jederzeit die richtige Einstel­ lung der ellipsenförmigen, ovalen bzw. rechteckförmigen Anten­ nenapertur bezüglich der geostationären Bahnebene erlaubt. Da hier nur gelegentliche langsame Drehungen erforderlich sind, darf das Lager äußerst einfach und kostengünstig ausgeführt sein.

Bei einer Antenne mit Stunden-Deklinationswinkellagerung könnte auf die dritte Achse verzichtet werden, weil dort bei Drehung der Antenne um die Stundenachse die einmal ausgerichtete lange Achse der ellipsenförmigen, ovalen oder rechteckförmigen Antennenapertur bei senkrechter Ausrichtung zur Stundenachse automatisch immer in der Orbitebene liegen bleibt. Ein solches Drehgestell eignet sich jedoch wegen seiner meist ausladenden Basis weniger für die Installation der Antenne auf einem Trägerfahrzeug, einer besonders wichtigen Anwendung von Satellitenfunk-Bodenstationsantennen in Zukunft.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sowie Ausführungs­ möglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die graphische Darstellung der CCIR-Nebenzipfelreferenz­ fläche für Satellitenfunk-Bodenantennen nach alter Empfehlung,

Fig. 2 die graphische Darstellung der CCIR-Nebenzipfelrefe­ renzfläche für Satellitenfunk-Bodenantennen nach neuer Empfehlung,

Fig. 3 in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Satellitenfunk-Bodenstationsantenne nach der Erfindung.

Fig. 1 und 2 zeigen jeweils in einer räumlichen graphischen Darstellung eine Nebenzipfelreferenzfläche für Satellitenfunk- Bodenantennen. Dabei sind in Fig. 1 die alten und in Fig. 2 die neuen Empfehlungen von CCIR dargestellt. In beiden Fällen sind 1 die Orbitebene, d. h. die Ebene der geostationären Umlauf­ bahn, 2 die Tangentialebene, 3 die Hauptstrahlrichtung, 4 die Isoradiolinien und S, W, N, O die vier Himmelsrichtungen Süd, West, Nord und Ost. Die in Fig. 1 dargestellte Referenzfläche 5 nach alter Empfehlung fällt rotationssymmetrisch ab und ist angepaßt an die Rotationssymmetrie der Hauptkeulen der meisten der üblichen Antennen. Die in Fig. 2 dargestellte Referenz­ fläche 6 nach neuer Empfehlung hat einen vorgeschriebenen Abfall lediglich in Richtung der Orbitebene 1.

Fig. 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbei­ spiel einer Satellitenfunk-Bodenstationsantenne nach der Erfin­ dung. Dabei handelt es sich dem Prinzip nach um eine asymmetri­ sche, d. h. seitlich gespeiste (off-set-Speisung) Gregory-Anten­ ne, die im Ku-Band im Frequenzbereich 11/14-GHz arbeitet und deren Aperturabmessung etwa 1,7 m× 3,4 m betragen soll. Die Antenne weist ein Drehgestell 7 auf, das auf einer Plattform 8 eines Trägerfahrzeugs angebracht ist. Beispielsweise auf einer kreisförmigen Laufschiene 9 ist die Antenne mit ihrem Drehge­ stell 7 um die Azimutachse 10 drehbar. Der Elevationswinkel der Antenne wird mittels einer am Drehgestell 7 unten angelenkten Justierstange 11 eingestellt, auf der weiter oben ein Träger 12 längs verschiebbar aufsitzt. Dieser Träger 12 ist außerdem un­ ten am Drehgestell 7 angelenkt und zwar an einer Stelle, durch die senkrecht zur Zeichenebene die Elevationsdrehachse 13 ver­ läuft. Die Antenne selbst besteht aus einem ovalen Hauptreflek­ tor 14, einem Speisesystem 15 in Form eines Rillenhornstrahlers und einem Subreflektor 16. Im Zuführungsweg zum Speisesystem 15 liegt noch ein Kästchen 17, das Speisenetzwerke enthält, z. B. einen rauscharmen Empfangsverstärker und einen Orthomode-Wand­ ler. Das Speisesystem 15, das Kästchen 17 und der Subreflektor 16 sind auf einem tragenden Arm 18 befestigt, der während der Transportphase um ein nahe am Hauptreflektor 14 angeordnetes Gelenk 19 nach oben oder in eine andere Richtung wegschwenkbar ist. Der Hauptreflektor 14 und der Subreflektor 16 bestehen z. B. aus metallisiertem Fiberglas.

Zur Vermeidung einer Strahlabblockung und zur Reduzierung des Spillover-Effekts am Subreflektor 16 sind das Hornstrahler- Speisesystem 15 und der Gregory-Subreflektor 16 in Offset-Lage angebracht. Das Ergebnis davon sind erheblich kleinere Neben­ zipfel einschließlich des ersten Nebenzipfels.

Der eigentliche Antennenteil, d. h. der Hauptreflektor 14, der Subreflektor 16 und das Primärspeisesystem 15 in Form des Ril­ lenhornstrahlers ist als Ganzes um eine dritte Achse 20, die mit der Antennenhauptstrahlrichtung zusammenfällt, drehbar gelagert. Die Drehbarkeit der Antenne um die Achse 20 erlaubt jederzeit die richtige Einstellung der ovalen Antennenapertur bzw. der zumindest einen annähernd elliptischen Querschnitt aufweisenden Strahlungskeule in bezug auf die geostationäre Bahnebene. Die Antenne wird stets so weit um die Achse 20 gedreht, bis die kurze Achse des Strahlungskeulenquerschnitts, d. h. die lange Achse der Apertur, bei Ausrichtung der mit der Richtung der Drehachse 20 identischen Antennenhauptstrahlrich­ tung auf den Satelliten wenigstens annähernd parallel zur Tan­ gente der Satellitenbahn in der Satellitenposition zu liegen kommt. Da hier nur gelegentliche langsame Drehungen erforder­ lich sind, darf das Lager äußerst einfach und kostengünstig ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel ist am Träger 12 des Drehgestells 7 eine einfache Drehlagerung 21 angebracht, in der ein Stützwerk 22 für die eigentliche Antenne gehalten ist.

Bei Betrieb einer Bodenstationsantenne nach der Erfindung beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland in Verbindung mit weit im Osten oder Westen stehenden Nachrichtensatelliten ergibt sich eine stark geneigte Position der großen Ellipsen­ achse. Diese Tatsache muß dann bei der Höhenbemessung der Antenne berücksichtigt werden.

Claims (11)

1. Auf einem Drehgestell montierte Satellitenfunk-Bodensta­ tionsantenne mit einem Speisesystem und einem eine ovale oder rechteckförmige Apertur aufweisenden Reflektor, von dem als Antennen-Hauptstrahl eine einen zumindest annähernd ellipti­ schen Querschnitt aufweisende Strahlungskeule ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne auf dem Drehgestell (7) derart drehbar gelagert ist, daß die kurze Achse des Strahlungskeulenquerschnitts, d. h. die lange Achse der Apertur bei Ausrichtung der Antennenhaupt­ strahlrichtung auf den Satelliten wenigstens annähernd parallel zur Tangente der Satellitenbahn in der Satellitenposition zu liegen kommt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehgestell zur Antennenschwenkung mit einer wenigstens angenäherten Stunden-Deklinationswinkellagerung versehen ist, und daß die lange Achse der Apertur, d. h. die kurze Achse des Strahlungskeulenquerschnitts, senkrecht zur Stundenachse ausgerichtet ist.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehgestell (7) zur Antennenschwenkung mit einer Elevations-Azimutwinkellagerung versehen ist und daß zusätzlich eine Drehlagerung (21) um die Antennenhauptstrahlrichtung als Achse (20) vorgesehen ist.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (14) der Hauptreflektor einer noch einen oder mehrere Subreflektoren (16) aufweisenden Antenne ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesystem (15) und gegebenenfalls der Subreflektor (16) bzw. die Subreflektoren nach Art der sogenannten Offset- Speisung seitlich außerhalb des vom Reflektor (14) im Sendefall ausgesandten und im Empfangsfall aufgenommenen Strahlenbündels liegen.

6. Antenne nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Aufbau als Doppelreflektorantenne nach dem Gregory- Prinzip, d.h. unter Verwendung eines konkaven Reflektors als Subreflektor (16).

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Reflektor mit zumindest annähernd rechteck­ förmiger Apertur und ein als Linienquelle wirkendes Speise­ system.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Montage des Drehgestells (7) auf einem mobilen Trägerfahr­ zeug.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesystem (15) und gegebenenfalls der Subreflektor (16) bzw. die Subreflektoren zusammen mit einem sie tragenden Arm (18) um ein nahe am Reflektor (14) angeordnetes Gelenk (19) dieses Arms während der Transportphase nach oben oder in eine andere Richtung wegschwenkbar sind.

10. Antenne nach den Ansprüchen 6, 8 und 9, gekennzeichnet durch eine Aperturabmessung von etwa 1,7 m× 3,4 m bei Auslegung für den Frequenzbereich 11/14 GHz.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (14) und gegebenenfalls der Subreflektor (16) bzw. die Subreflektoren aus metallisiertem Fiberglas bestehen.