-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit
elektronischer Richtungssteuerung.
-
In einem Werk mit dem Titel ,"Télécommunications
spatiales" aus der Collection Technique et Scientifique des
Télécommunications, insbesondere Band 1, Seiten 92 bis 94 und
Seiten 259 bis 261 (Verlag Masson 1982) wird eine Anordnung
mehrerer Antennen beschrieben, die gleichzeitig von einem
gemeinsamen Sender unter Zwischenschaltung von
Leistungsteilern und Phasenschiebern gespeist werden, wobei die
Abstrahlungseigenschaften dieser Anordnung sowohl vom
Strahlungsdiagramm jeder Antenne als auch von der Verteilung der Leistung
nach Amplitude und Phase abhängen. Diese Eigenschaft wird dazu
ausgenützt, ein Diagramm zu erhalten, das mit einer einzigen
strahlenden Quelle nicht erzielt werden könnte. Wenn man
außerdem die Kennwerte der Leistungsteiler und Phasenschieber
mit elektronischen Mitteln verändert, dann erhält man eine
praktisch sofortige Veränderung des Strahlungsdiagramms. Die
einfachste Anordnung von strahlenden Quellen wird von dem Netz
gebildet, in dem alle Quellen identisch sind und sich
voneinander durch eine beliebige translatorische Versetzung
ableiten. Man kann so insbesondere geradlinige oder ebene Netze
erhalten.
-
Diese Druckschrift beschreibt außerdem die Verwendung
von Antennen mit einem Reflektor zur Erzeugung von
Mehrfachstrahlen, die den Vorteil eines geringen Gewichts ünd der
Möglichkeiten der Herstellung großer strahlender Oberflächen
bieten, indem entfaltbare Strukturen verwendet werden. Man
greift im allgemeinen auf derartige Antennen zurück, wenn man
zahlreiche eng begrenzte Strahlen erzeugen will. Im
allgemeinen ist das System zur Beleuchtung des Reflektors bezüglich
des letzteren so exzentrisch angeordnet, daß jede Blockierung
der strahlenden Öffnung vermieden wird. Eine Blockierung
dieser Öffnung führt nämlich zu-einer Vergrößerung der
Sekundärkeulen,
was bei derartigen Anwendungsfällen sehr nachteilig
ist. Der Hauptreflektor ist beispielsweise ein Paraboloid. Die
Mehrzahl von Strahlen ergibt sich, indem man eine Gruppe von
Strahlungsquellen in der Nähe des Brennpunkts anordnet, wobei
jede Quelle einem Strahl entspricht. Da man die Quellen nicht
genau im Brennpunkt anordnen kann, ist die Beleuchtung des
Reflektors nicht geometrisch vollkommen, und es ergeben sich
Phasenabweichungen, die die Abstrahlungsleistungen etwas
verschlechtern. Man beobachtet eine Verformung des
Strahlungsdiagramms, Verringerungen des Gewinns bezüglich der im
Brennpunkt erzielbare Werte und störende Sekundärkeulen. Diese
Mängel sind umso größer, je weiter man sich vom Brennpunkt
entfernt und je größer die Krümmung des Reflektors ist. Man
muß also Reflektoren erzeugen, die so eben wie nur möglich
sind, d.h. ein großes Abstandsverhältnis zwischen der
Brennweite und dem Öffnungsdurchmesser besitzen. Dies führt zu
Strukturen mit erheblichen Abmessungen, die Probleme der
Genauigkeit und der mechanischen Festigkeit mit sich bringen.
Außerdem können zwischen den verschiedenen Quellen
gegenseitige Störkopplungen existieren, die zusätzliche Sekundärkeulen
erzeugen.
-
Beim Satellitenfunk führen Anwendungen, die eine
elektronische Ablenkung der abgestrahlten Welle über einen großen
Sichtbereich erfordern, zu Winkelabweichungen in der
Größenordnung von mehreren Breiten der Hauptkeule. Daher ist die
Möglichkeit, die Form des Antennendiagramms genau zu
kontrollieren, von entscheidender Bedeutung. Die Konfiguration dieser
großen Antennen muß außerdem mehrere Systemaspekte
berücksichtigen, nämlich
-
- das beschränkte Volumen des Satelliten in Verbindung mit der
Notwendigkeit, daß eine Antenne gleichzeitig senden und
empfangen muß,
-
- möglichst gute Vereinbarkeit einer einfachen mechanischen
Anordnung auf der Plattform und auf der Trägerrakete vor dem
Betrieb und während des Betriebs,
-
- eine gute thermische Kontrolle,
-
- ggf. eine Vielfalt der Missionen und Benutzer.
-
Die Druckschrift AP-S International Symposium 1988,
Antennas and Propagation, Vol. II, 6.6.1988, Syracuse, NY,
Seiten 502 bis 505, enthält einen Aufsatz von R. Lenormand et
al "A versatile array fed reflector antenna; part A-
reception", in dem eine Antenne mit elektronischer
Richtungssteuerung beschrieben ist, die ein Netz von Elementarquellen, einen
die Energie fokussierenden Reflektor (das Netz befindet sich
in der fokalen Zone des Reflektors) und eine Steuerelektronik
mit Verstärkern enthält, die an je eine Quelle angeschlossen
sind, mit einem Strahlbildungsnetz (im Englischen BFN) und mit
einer Schaltmatrix zwischen den Verstärkern und dem
Strahlbildungsnetz (BFN).
-
Die Druckschrift Patent Abstracts of Japan, Vol. 12,
No. 60 (E584) (2907) vom 23.2.1988: JP-A62 203 403 beschreibt
eine Schaltmatrix, die verwendet wird, um einer Mehrzahl von
Kanälen eine gleiche Phasenverschiebung zu verleihen.
-
Die Druckschrift EP-A-430 429, eine europäische
Patentanmeldung im Namen der Anmelderin, die während der
Prioritätsperiode der vorliegenden Anmeldung hinterlegt wurde und
später zurückgezogen wurde sowie nach dem europäischen
Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, gehört
zum Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ. Diese
Druckschrift beschreibt eine Antenne mit elektronischer Richtungs-
Steuerung und mit einem Netz von Elementarquellen, einem die
Energie bündelnden Reflektor, in dessen fokaler Zone das Netz
liegt, und einer Speise- und Steuerelektronik, die
Hybridkoppler, Verstärkungskreise, die an je eine Quelle angeschlossen
sind, Strahlbildungskreise (im Englischen BFN) und einen aus
Hybridkopplern gebildeten Kombinierkreis enthält.
-
Die Druckschrift EP-A-340 429 enthält die Figuren 1
bis 7 der vorliegenden Anmeldung, die verschiedene bekannte
Merkmale der erfindungsgemäßen Antenne zeigen. Bezüglich
dieses Stands der Technik erlaubt die Erfindung eine Verringerung
des Leistungsverbrauchs der Verstärkereinheit und führt
zugleich zu einer besonders wirksamen Synthese der Strahlen.
-
Die Erfindung erlaubt es, die Parameter der oben
erwähnten Antennenkonfiguration zu optimisieren.
-
Hierzu schlägt die Erfindung eine Antenne mit
elektronischer Richtungssteuerung vor, mit einem Netz von
Elementarquellen, einem die Energie bündelnden Reflektor und einer
Steuerelektronik, wobei das Netz in der fokalen Zone des
Reflektors liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne
außerdem Mittel aufweist, die die nicht gleichzeitige Verwendung
der Elementarquellen erlaubt, und daß die nicht gleichzeitig
verwendeten Elementarquellen in Klassen geordnet sind, in
denen eine einzige Quelle aktiv sein kann, wobei alle Quellen
in jeder Klasse mit einem passiven Kombinierorgan verbunden
sind.
-
Erfindungsgemäß wird das Kombinierorgan von einer
Gruppe von Hybridanschlußkreisen gebildet, deren Ausgänge
paarweise so kombiniert sind, daß sich das Ausgangsnutzsignal
ergibt bzw. die Ausgangsnutzsignale ergeben.
-
Vorzugsweise enthält die Speiseelektronik eine
Schaltvorrichtung.
-
Die vorgeschlagene Lösung verwendet die elektronische
Richtungssteuerung. Sie besteht aus einem Netz, das die
Synthese des elektromagnetischen Felds in der fokalen Zone eines
Reflektors bildet.
-
Im Vergleich zu mechanischen Lösungen besitzt die
Erfindung den Vorteil, daß weder die Quelle noch der Reflektor
bewegt werden müssen. Sie erlaubt die Verwendung kurzer
Brennweiten (kompakte Antenne). Sie stellt gleichzeitig mehrere
Verbindungen her.
-
Die Vorteile bezüglich einer Netzlösung mit Direkt
abstrahlung sind folgende:
-
- die Antennenleistung hängt nicht direkt von der
Gesamtabmessung des Netzes ab.
-
- Die Anordnung muß nicht unbedingt auf der erdzugewandten
Seite des Satelliten angeordnet werden.
-
Bezüglich einer Lösung mit Bildnetz und einfachem
Reflektor besitzt die vorgeschlagene Lösung folgende Vorteile:
-
- die Gesamtabmessungen des Netzes sind verringert.
-
- Der Antennenwirkungsgrad ist verbessert.
-
Wenn man schließlich die vorgeschlagene Lösung mit
einer Lösung vom Typ Bildnetz mit doppeltem Reflektor
vergleicht, dann ergibt sich unmittelbar der Vorteil des
kompakten Aufbaus der erfindungsgemäßen Antenne.
-
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im
übrigen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
hervor.
-
Figur 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Antenne
mit Richtungssteuerung.
-
Figur 2 zeigt den Betrieb der erfindungsgemäßen
Antenne.
-
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Speise-
und Steuerelektronik der erfindungsgemäßen Antenne.
-
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer
Speise- und Steuerelektronik der Antenne gemäß der Erfindung.
-
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen eine dritte
Ausführungsform einer Speiseelektronik der erfindungsgemäßen Antenne.
-
Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen eine vierte
Ausführungsform einer Speisevorrichtung der erfindungsgemäßen
Antenne.
-
Die erfindungsgemäße Antenne, die in Figur 1 gezeigt
ist, enthält einen exzentrischen parabolischen Reflektor 10,
der von einem ebenen Netz 11 von Quellen gespeist wird, das
sich in der Nähe des Brennpunkts F des Reflektors befindet,
wobei das Netz 12 das Netz virtueller Quellen darstellt, das
diesem Netz 11 entspricht.
-
Figur 2 stellt ein Beispiel von mehreren
Amplitudenverteilungen während der Verschiebungen gemäß zwei Richtungen
OX und OY in Höhe des Netzes 11 von Quellen dar.
-
Die Durchmesser der in Figur 2 eingetragenen Scheiben
stellen die Amplituden des von den verschiedenen Quellen des
Netzes empfangenen Signals dar.
-
Die Wirksamkeit beim Empfang dieser verschiedenen
Energieverteilungen kann nicht optimal sein, wenn es sich um
ein feststehendes Verteilungsgesetz handelt. Dies gilt auch
für die Phasenverteilung.
-
Wenn man also fiktiv eine Quelle bezüglich des
Brennpunkts des Reflektors verschiebt, dann verschlechtert man den
Wirkungsgrad der Antenne.
-
In der erfindungsgemäßen Antenne verändert man die
Amplitude und die Phase jeder Elementarquelle. Dies führt zu
einer optimalen Synthese jeder Elementarquelle, so als befände
sie sich im Brennpunkt F des Reflektors.
-
Ein solcher Betrieb erlaubt es, eine Antenne
herzustellen, deren Gewinn nicht von der Richtung der Hauptkeule
abhängt, wobei gleichzeitig der Reflektor 10 und das Netz von
Elementarquellen ortsfest bleiben.
-
Unter Verwendung des Netzes 11 von Quellen empfängt
man lokal die der tatsächlichen Verteilung entsprechenden
Komponenten. Nach Filterung und Verstärkung werden diese
Komponenten Phasenverschiebungen (mittels variabler
Phasenschieber) unterworfen, um ihre differentiellen Phasen zu
annulieren. Dann werden sie auf optimale Weise in einem Summierglied
addiert, das aus variablen Dämpfungsgliedern und
Hybridkopplern besteht.
-
Die Verschiebung des Amplitudenmaximums des Felds
hängt einerseits vom Winkel Θ des Hauptkeulenwinkels und
andererseits vom Abstand zwischen dem Zentrum des Netzes und dem
Zentrum des Reflektors ab.
-
Die Abmessung des Netzes ergibt sich aus der maximalen
Exkursion und aus der Amplitudenverteilung. Diese Verteilung
variiert abhängig von Θ aufgrund der Verzerrungen.
-
Eine solche Speisung durch ein Netz erlaubt es, eine
Feldverteilung zu synthetisieren, die die Verteilung des
elektromagnetischen
Felds in der fokalen Zone F des Reflektors 10
optimal harmonisiert. Genauer gesagt führt dies, wenn die
Antenne Signale empfängt, zu einer Optimierung der relativen
Amplituden- und Phasenkoeffizienten, die an jede
Elementarquelle des Netzes angelegt wird, um eine maximale Leistung aus
einer bestimmten Richtung zu empfangen.
-
Die relativen Amplituden- und Phasenkoeffizienten, die
an die Elemente des Netzes angelegt werden müssen, werden
durch die dem Fachmann wohl bekannte Technik der Anpassung
durch konjugierte Komplexe berechnet. Für eine Übertragung
maximaler Leistung zwischen jeder Elementarquelle des Netzes
und seiner Feldverteilung in der Umgebung muß die globale
Feldverteilung über die Öffnung des Netzes zur Feldverteilung
in der fokalen Zone des Reflektors konjugiert sein.
-
Eine solche Kontrolle der Amplitude der
Elementarquellen bietet mehrere Vorteile, da prinzipiell jede beliebige
Feldverteilung synthetisiert werden kann (abhängig vom Abstand
zwischen den Elementarquellen). Die übliche Beschränkung auf
ein großes Verhältnis F/D, wobei F die Brennweite des
Reflektors und D sein Durchmesser ist (zur Verringerung der Verluste
aufgrund der Fehlweisung) wird aufgehoben, so daß die Lage des
Netzes optimisiert werden kann. Diese Eigenschaften haben
einen bedeutenden Einfluß auf die Gesamtform des Antennen-
Untersystems. So kann beispielsweise das Netz unmittelbar auf
einer Seite der Plattform des Satelliten montiert werden, um
die thermische Kontrolle zu erleichtern. Außerdem kann ein
geringes Verhältnis F/D verwendet werden, so daß der Reflektor
nahe bei der Plattform angeordnet werden kann, ohne erhebliche
Fehlweisungsverluste nach sich zu ziehen.
-
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform der in der
erfindungsgemäßen Antenne eingesetzten Elektronik für den Fall
eines einzigen empfangenen Strahls.
-
Am Ausgang jeder Elementarquelle Sj befindet sich ein
erster Ausgang mit horizontaler Polarisation H und ein zweiter
Ausgang mit vertikaler Polarisation V, die beide an einen
Hybridkoppler 20 angeschlossen sind. In diesem Koppler erhält
man nach einer zeitlichen Phasenverschiebung um 90º eines
Signals bezüglich des anderen eine Zirkularpolarisation, die
die Summe der horizontalen und vertikalen Polarisationen
bildet.
-
Die am Ausgang der Hybridkoppler 20 jeweils erhaltenen
Signale gelangen an einen rauscharmen Verstärkerkreis 21, der
beispielsweise aus einem Filter 22 und einem eigentlichen
Verstärker 23 gebildet wird, und dann an einen
Strahlbildungskreis 24, der von einem regelbaren Phasenschieber 25 und einem
regelbaren Dämpfungsglied 26 gebildet wird, die von einer
Steuereinheit 27 eingestellt werden. Die Antennensignale am
Ausgang dieser Strahlbildungskreise gelangen in ein
Kombinierorgan 28, das aus einer Gruppe von Mikrowellenkopplern 29,
beispielsweise hybriden Anschlußkreisen, gebildet wird. Die
Ausgänge dieser Kreise werden paarweise solange kombiniert,
bis das Signal F1 am Nutzausgang entsprechend dem betrachteten
Strahl erhalten wird.
-
Im Fall von m empfangenen Strahlen hat die
Speiseelektronik die in Figur 4 gezeigte Form.
-
In dieser Figur tragen gleiche Elemente wie in Figur 3
dieselben Bezugszeichen.
-
Ein rauscharmer Verstärkungskreis 21 liegt hinter
jeder Quelle Sj. Nach der Verstärkung wird das Signal auf die
Anzahl m von Benutzern ohne wesentliche Verschlechterung des
Verhältnisses G/T (G ist der Gewinn und T die
Rauschtemperatur) aufgeteilt (35).
-
Die Strahlbildungskreise 24 legen dann die Amplitude
und die Phase jedes der Signale fest, und dann werden die
Signale an m Leistungskombinierorgane 28 angelegt, wobei sich
ein Maximalausgang nach der Summierung ergibt. Man erhält so m
Signale F1 ... Fm entsprechend jedem der Strahlen.
-
Um die Anzahl der zu addierenden Kanäle zu begrenzen,
stellt man fest, daß für eine gegebene Richtung Θ nur ein Teil
des Netzes signifikativ zur Signalbildung beiträgt. Man kann
daher unter Verwendung einer Umschaltvorrichtung sich mit nur
einem Summierglied für wenige Kanäle zufriedengeben. Um die
Spur des Flecks im Netz zu verfolgen, arbeitet das
Umschaltprinzip wie folgt: Die aktiven Kreise entsprechend den
Elementarquellen Sp, Sp+1, Sp+q im Zustand N werden dann
Elementarquellen Sr, Sr+1, Sr+q im Zustand N+1 zugewiesen.
-
Die Verfolgung eines beweglichen Ziels geschieht dann
wie folgt:
-
- Für kleine Veränderungen aktualisiert man die Komponenten
der Feldanpassung (Amplitude und Phase jedes Kanals), um den
maximalen Grad der Ausrichtung auf das bewegliche Ziel
beizubehalten.
-
- Wenn die Verschiebung des Flecks eine gewisse Grenze
erreicht, dann schaltet man die Kanäle derart, daß die am
meisten zum Gesamtgewinn beitragenden Elemente aktiv bleiben.
-
So liegt eine Schaltverbindung zwischen dem
rauscharmen Verstärkerkreis 21 und dem Speise- und Phasenschieberkreis
24 derart, daß nur die Elemente, die ein signifikatives Signal
empfangen, von einem Netz beschränkter Größe und einem
Leistungskombinierogan kontrolliert werden. Dabei muß nur eine
Gruppe von Elementen und nicht das ganze Netz für jeden Strahl
(oder jeden Benutzer) kontrolliert werden.
-
Eine solche Variante erlaubt es, die Masse erheblich
zu verringern.
-
Wie Figur 5 für den Fall nur eines Strahls zeigt, sind
die Quellen Sj, denen die Hybridkoppler 20 und die
entsprechenden rauscharmen Verstärkerkreise 21 nachgeschaltet sind,
mit einer Schaltvorrichtung 31 verbunden.
-
Die q Ausgänge 33 dieser Schaltvorrichtung 31 bilden
die Eingänge 34 einer Strahlbildungseinheit 32, die in Figur 7
dargestellt ist und der aus Figur 3 entspricht, jedoch eine
geringere Anzahl von Kreisen enthält. Um diese Kreise von
denen der Figur 3 zu unterscheiden, wurde den Bezugszeichen
ein Apostroph angefügt.
-
Diese dritten Ausführungsform kann ebenso an den Fall
von m Strahlen angepaßt werden. Man verwendet dann eine
Schaltvorrichtung gemäß Figur 6. Die Ausgänge dieser m
Schaltvorrichtungen sind mit m Strahlbildungseinheiten 32 verbunden.
-
Eine vierte Variante der erfindungsgemäßen Antenne
erlaubt eine deutliche Verringerung der Anzahl der Dämpfungs-
und Phasenschieberkreise.
-
Sie besteht darin, die Schaltvorrichtungen 31 durch
passive Kreise zu ersetzen, wodurch die Komplexität verringert
und die Zuverlässigkeit der Antenne erhöht wird, ohne daß die
Vorteile dieser Schaltvorrichtungen verlorengingen.
-
Diese Variante beruht auf der folgenden Beobachtung:
Unter den n strahlenden Elementen, die die Antenne bilden,
werden einzelne nie gemeinsam benutzt. Sie können in Klassen
C1 bis Cq von 2 bis X Empfangseinheiten zusammengefaßt werden
(eine Empfangseinheit enthält ein strahlendes Element 20, ein
Filter 22 und einen rauscharmen Verstärker 23). Auf diese
Weise kann jede Einheit sequentiell verwendet werden.
-
In jeder Klasse sind die Empfangseinheiten in einem
passiven Kombinierorgan 40 zusammengefaßt, das gleiche und
abgeglichene Koppler 29 enthält. Hat man q Klassen bestimmt,
dann ergeben sich q Ausgänge, die an die q Eingänge einer
Strahlbildungseinheit 32 angeschlossen werden. Dadurch
verringert man die Anzahl der Dämpfungs- und Phasenschieberkreise
24 im Verhältnis q/n.
-
Für jede Klasse Ci wird das in einem gegebenen
Zeitpunkt verwendete strahlende Element bestimmt, in dem der ihm
zugeordnete rauscharme Verstärker 23 gespeist wird. Diese
Anordnung hat den Vorteil, den Verbrauch der Gesamtheit der
Verstärker im Verhältnis q/n zu verringern.
-
In der nachfolgend als Beispiel zitierten Anwendung
enthält die Antenne 126 strahlende Elemente, die in 29 Klassen
von 2 bis 8 Elementen zusammengefaßt sind, welche nie
gleichzeitig arbeiten.
-
Die Anzahl von Dämpfungs- und Phasenschiebereinheiten
wird in einem Verhältnis größer als 4 verringert, was die
Masse und die Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung verbessert.
-
Die Figuren zeigen eine Erweiterung der
vorgeschlagenen Variante für den Fall der Verwendung einer Antenne mit m
Verbrauchern, also m gleichzeitigen Strahlen F1 bis Fm.
-
Figur 9 zeigt eine Konfiguration, in der die
Strahlenteiler 41 vor den Kombinierorganen 40 liegen.
-
Figur 10 zeigt eine Konfiguration, in der diese
Strahlenteiler 41 hinter den Kombinierorganen 40 liegen, wodurch
deren Anzahl im Verhältnis q/n verringert wird, aber zugleich
die Möglichkeit der Kombination der Empfangseinheiten in
Benutzungsklassen verringert wird. Eine Optimierstudie kann zu
einem Zwischenstadium zwischen diesen beiden Konfigurationen
führen.
-
Der Betrieb der Antennen mit elektronisch gesteuerter
Richtung gemäß der Erfindung wurde bisher für den Empfang von
Strahlen beschrieben, aber er ist ebenso gültig im
Sendebetrieb. In diesem Fall werden jedoch die Filter 22 und die
rauscharmen Verstärker 23 gemäß den Figuren 2, 3, 5 und 7
Leistungsverstärker.
-
Das Netz 11 von Elementarquellen ist beispielsweise
ein Netz von auf einem Träger aufgedruckten Elementen (patch),
wobei jedes dieser Elemente eine Multifrequenzantenne,
beispielsweise eine Zweifrequenzantenne bilden kann.