DE69021993T2 - Satelliten-Strahlsteuerungssystem mit verbesserter Strahlformung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Antennensystem und ein Verfahren zum Betreiben desselben entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 14, besonders für Satelliten, um mit Bodenstationen zu kommunizieren, und insbesondere ein Antennensystem für Satelliten, das ein Antennenfeld umfaßt, um ein Kommunikationsstrahlenbündel zu erzeugen, welches die Nebenkeulencharakteristika in den Randgebieten des durch die Antenne überdeckten Bodengebiets verbessert.
• Satelliten werden heute eingesetzt, um eine Kommunikation, wie beispielsweise einen mobilen Landtelefonservice, zwischen entfernten Punkten auf der Oberfläche der Erde zur Verfügung zu stellen. Eine Ausführungsform eines derartigen Systems von beachtlichem Interesse ist dasjenige, in dem sich der Satellit in einer geostationären Umlaufbahn um die Erde bewegt. Der Satellit kann in einer festen Position über den Vereinigten Staaten lokalisiert sein und trägt eine Antenne mit hinreichender Keulenbreite in Nord-Süd-Richtung und in Ost-West- Richtung, um den Empfang und die Übertragung von Kommunikationssignalen zwischen zwei beliebigen Punkten in den Vereinigten Staaten zu erlauben. Die Keulenbreite in Nord-Süd- Richtung kann so vergroßert werden, daß, falls erwünscht, sowohl die Vereinigten Staaten als auch Kanada eingeschlossen werden. Eine Keulenbreite von ungefähr 4,5º in Nord-Süd- Richtung ist hinreichend, um sowohl Kanada als auch die Vereinigten Staaten zu überdecken. Die Keulenbreite in Ost-West- Richtung sollte ungefähr 8º betragen, um die erwünschte Überdeckung zu schaffen. Ein Problem tritt dahingehend auf, daß die Verwendung einer Antenne mit der vorangegangenen Keulenbreite in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung eine geringere Signalverstärkung hat als erwünscht ist. Dies erfordert größere Leistungsverstärker zum Ansteuern der Strahlerelemente.
• In den bisherigen Satellitenkommunikationssystemen, wie beispielsweise Antennen mit breiter Keulenbreite, sind wenigstens zwei überlappende Strahlenbündel verwendet worden, um die Überdeckung zu liefern. Die Erzeugung derartiger Strahlenbündel mit einem erwünschten Überlapp erforderte bis vor sehr kurzer seit die Verwendung von getrennten großen Reflektoren, von denen jeder einen Durchmesser von ungefähr 16 Fuß hatte. Bei der Konstruktion von Kommunikationssatelliten ist es allerdings wünschenswert, die physische Größe, das Gewicht und die Leistungsanforderungen zur Erleichterung der Konstruktion und des Starts derartiger Satelliten zu verringern.
• In der Anmeldung WO 87/02191 mit dem Titel "Steered-Beam Satellite Communication System", die hierdurch unter Bezugnahme aufgenommen ist, ist ein System zur Kommunikation zwischen Bodenstationen über Satelliten offenbart. Das System umfaßt einen Satz von Bodenstationen, die entlang eines Bogens auf der Erdoberfläche im Abstand voneinander angeordnet sind und einen Satelliten, der über der Erde von Sicht des Bogens aus positioniert ist. Ein Feld von Strahlerelementen ist auf dem Satelliten eingesetzt, und ein frequenzabhängiger Strahlenbündelformer, der mit den Strahlerelementen verbunden ist, ist zur Formung eines Bündels elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Das Strahlenbündel ist als Antwort auf eine Trägerfrequenz der Strahlung steuerbar bzw. schwenkbar, so daß einzelne der Stationen der Reihe nach aufgefangen zu werden. Die Frequenzen eines Uplink-Trägers bzw. Downlink-Trägers, die mit entsprechenden der Bodenstationen assoziiert sind, variieren monoton mit der Position entlang des Bogens, um eine automatische Positionierung eines Strahlenbündels von dem Satelliten auf eine Bodenstation auf eine Energiezuführung auf einer der Bodenstation zugeordneten Trägerfrequenz hin zu erlauben.
• Damit die vorliegende Erfindung besser verstanden werden kann, wird das Satellitenkommunikationssystem, das in der zuvor genannten Anmeldung offenbart und beansprucht worden ist, nun im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren 1-5 diskutiert. Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, verwendet der Satellit 24 eine vereinfachte Antennenstruktur 30, die aus zwei konfokalen parbolischen Reflektoren besteht, von denen einer ein großer Hauptreflektor 32 und einer ein kleiner Nebenreflektor 34 ist, und ein 4x2-Feld 40 aus acht Strahlerelementen 42, von denen alle durch einen Rahmen 44 gehaltert sind. Eine Vorderansicht des Feldes 40 ist in Fig. 2 gezeigt. Das Feld 40 der Strahler 42 ist fest vor dem Nebenreflektor 34 gesichert und der Nebenreflektor ist innerhalb des Satelliten 24 angeordnet. Der Hauptreflektor 32 ist wesentlich größer als der Nebenreflektor 34 und aufgrund der größeren Größe ist er während des Starts zusammengefaltet und entfaltet sich nachfolgend, wenn der Satellit oder der Raumflugkörper 24 in der Umlaufbahn plaziert worden ist. Auf seine Entfaltung hin erstreckt er sich, wie gezeigt, außerhalb des Satelliten 24. Ebenfalls sind in Fig. 1 innerhalb des Rahmens 44 andere Raumflugkörpereinrichtungen, wie beispielsweise Raketentriebwerke und Treibstofftanks gezeigt, um dadurch anzudeuten, daß das Antennensystem 30 leicht durch den Satelliten 24 getragen werden kann.
• Die Anordnung der Komponenten des Antennensystems 30 schafft eine signifikante Verringerung im Gewicht und in der Komplexität für eine Satellitenantenne im Vergleich zu denen, die vorher verwendet worden sind. Dies wird dadurch erreicht, daß der Hauptreflektor 32 und der Nebenreflektor 34 mit parabolischen reflektierenden Oberflächen hergestellt werden, wobei die beiden Oberflächen als ein Satz konfokaler Parabole mit gemeinsamer Brennebene oder -punkt 48 ausgerichtet sind. Eine derartige Konfiguration von reflektierenden Oberflächen in einer Antenne ist in "Imaging Reflector Arrangements to Form a Scanning Beam Using a Small Array", Bell System Technical Journal, Vol. 58, Nr. 2 (Feb. 1979), Seiten 501-515, von C. Dragone und M. Gans beschrieben. Die Konfiguration schafft eine Vergrößerung der effektiven Apertur eines Feldes von Strahlerelementen. In den bevorzugten Konfigurationen, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, ist der Vergrößerungsfaktor 4,7. Die acht Strahlerelemente 42 des Feldes 40 stellen eine wesentliche Verringerung in der Komplexität der Antenne dar, da, falls ein direkter Strahler aus Elementen mit ähnlicher Größe verwendet worden wäre, eine Gesamtmenge von 155 Strahlerelementen erforderlich gewesen wäre, um dieselbe Antennenleistung zu ergeben. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann anstelle des oben erwähnten 4x2-Feldes der Strahler ein hexagonal angeordnetes Antennenfeld 50 aus sieben Primärstrahlern 52 verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Das Feld 50 der Speiseelemente 52 kann sowohl für Uplink- als auch Downlink- Kommunikation verwendet werden.
• Fig. 4 stellt zwei beispielhafte durch den Satelliten 24 (in Fig. 4 nicht gezeigt). in der geosynchronen Umlaufbahn über der Erde 60 erzeugte Punktbündel 56, 58 dar. Das Punktbündel 56 erstreckt sich im wesentlichen entlang der Ostküste der Vereinigten Staaten 62 und Kanadas 64, während das Punktbündel 58 sich im wesentlichen entlang der Westküste der Vereinigten Staaten 62 und Kanadas 64 erstreckt. Der Satellit überträgt und empfängt informationstragende Strahlung zu und von den Bodenstationen, die innerhalb der Bereiche der Erdoberfläche, die durch das erste und zweite Punktbündel 56, 58 erfaßt werden, lokalisiert sind. Das überdeckungsmuster der entsprechenden Punktbündel 56, 58 wird vorzugsweise so ausgewählt, daß Frequenzbänder, die zur Kommunikation zur Verfügung stehen, in Gebieten der Oberfläche der Erde 60, in denen die größte Kommunikationskapazität erforderlich ist, konzentriert sind, um die Verwendung der Antennenverstärkung durch wesentliches Beschränken des Anteils an Antennenverstärkung, die auf Gebiete einfällt, in denen eine relativ kleine Kommunikationskapazität erforderlich ist, wie beispielsweise in dünn besiedelten Regionen, zu optimieren.
• Das Antennensystem des Satelliten 24 schafft eine eindimensionale Strahlenbündelabtastung (die als ein Kontinuum virtueller Punktbündel betrachtet werden kann) über die Oberfläche der Erde 60. Eine derartige Abtastung kann entlang eines Bogens auf der Erdoberfläche, beispielsweise einer Länge oder einer Breite, oder eines relativ zu einer Breite eingeschlossenen Bogens gerichtet werden. Das Abtasten kann am effizientesten für die in Fig. 4 dargestellte Geographie durch Abtasten in Ost-West-Richtung erzielt werden, wobei ein Abtastweg bestimmt wird, der einem Bogen eines Großkreises auf der Erde folgt. Das Abtasten ist vorzugsweise unter Verwendung von fest eingestellten Verzögerungen (wie im folgenden beschrieben wird) unter den Strahlerelementen des Antennensystems und durch Verwendung verschiedener Frequenzen für verschiedene geographische Orte auf der Oberfläche der Erde implementiert. Dadurch wird das Abtasten durch Variation der Frequenz der Strahlung für jede Position der Strahlenbündelabtastung (d.h. für jedes virtuelle Strahlenbündel) bewirkt, und zusätzlich kann eine Mehrzahl von Strahlenbündeln (nicht gezeigt) gleichzeitig durch Schaffung verschiedener Frequenzen elektromagnetischer Strahlung in jedem der Strahlenbündel erzeugt werden. Durch Verwendung dieser virtuellen Strahlenbündel- Technik befindet sich Benutzer in einem beliebigen Punkt innerhalb des überdeckungsgebiets der Strahlenbündelabtastung in der Nähe des Zentrums eines der virtuellen Strahlenbündel. Deshalb empfangen Benutzer typischerweise 2 oder 3 dB mehr Leistung als sie es von einem vergleichbaren Satelliten unter Verwendung fest eingestellter Strahlenbündel tun würden.
• Um die erforderliche elektromagnetische Leistung zu minimieren und um eine Einfachheit der Antennenstruktur zu schaffen, liefert das bevorzugte Antennensystem Strahlenbündel mit im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt und einer Breite von 4,5º durch Verwendung des hexagonalen Feldes 50 der Strahlerelemente 52, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Elemente 52 sind vorzugsweise Kelchdipol-Speisehörner mit einem Durchmesser von einer Wellenlänge.
• Als Beispiel ihrer Verwendung können die Satellitenkommunikationssysteme für mobilen Landtelefonservice, manchmal als Mobile Satellite System (MAST) bezeichnet, bestimmt werden. Zwei Frequenzbänder werden für einen derartigen Service zugeteilt: 866-870 MHz für das Downlink-Band und 821-825 MHz für das Uplink-Band. Die 4 MHz Breite eines jeden dieser Bänder kann in ungefähr 1000 Frequenz-Slots unterteilt werden, die individuell den einzelnen Bodenstationen auf der Oberfläche der Erde 60 für zusammengesetzte Einseitenband- Sprachkommunikation zuteilbar sind. Andere Frequenzbänder können verwendet werden, beispielsweise das L-Band. Falls die Stationen gleichförmig von Ost nach West positioniert sind, wobei jede Station auf einer verschiedenen Länge liegt, stünden ungefähr zwölf zuteilbare Kanäle mit Uplink- und Downlink-Verbindungen innerhalb eines Abtastwinkels von ungefähr 0,1 Grad zur Verfügung.
• Da die Kanäle gleichmäßig in Frequenz voneinander getrennt wären, würde ein Strahlenbündel in Ost-West-Richtung gleichmäßig schrittweise geführt, wenn die Downlink- (oder Uplink-) Frequenz von einem Kanal zu dem nächsten Kanal verschoben wird. In anderen Worten, wird die Betriebsfrequenz der Bodenstation vorzugsweise so ausgewählt, daß sie an die Frequenz eines Strahlenbündels, das von dem Satelliten auf die Bodenstation gerichtet ist, angepaßt ist. Für eine gleichmäßige Verteilung der Stationen in Ost-West-Richtung könnte das Strahlenbündel unter Bezug auf die Ost-West-Komponente desselben auf jede der Stationen zentriert werden. Allerdings sind in der Praxis die Stationen in verschiedenen geografischen Gebieten der Vereinigten Staaten 62 und Kanadas 64 angehäuft, wodurch eine nicht gleichmäßige Verteilung der Stationen entlang des Ost-West-Abtastweges des Strahlenbündels geschaffen wird. Als Konsequenz kann eine Peak- Signalamplitude nicht für alle Stationen erhalten werden.
• Nimmt man als Beispiel an, daß 25 Bodenstationen in einem Abtastwinkel von 0,1º lokalisiert sind, ist die entsprechende Verringerung der Peak-Signalamplitude weniger als 0,01 dB (Dezibel). Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber den bisher zur Verfügung stehenden Satellitenkommunikationssystemen dar, die getrennte fest eingestellte Strahlenbündel verwendet haben, in welchen der durchschnittliche Verlust in der Signalverstärkung in bezug auf die Peak- Signalverstärkung in der Ost-West-Richtung ungefähr 0,8 dB war. Wie oben angemerkt, verwendeten derartige Satellitenkommunikationssysteme Antennensysteme mit einer Mehrzahl von großen Antennenreflektoren, die ungefähr 16 Fuß im Durchmesser messen, während das in der o.g. Patentanmeldung beschriebene Antennensystem nur einen derartig großen Reflektor und einen viel kleineren konfokalen Nebenreflektor, wie im folgenden beschrieben wird, erfordert. Somit schafft das offenbarte System eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Signalverstärkung mit einem vereinfachten mechanischen Aufbau des Antennensystems.
• Fig. 5 stellt ein Diagramm dar, das hilfreich zur Erklärung des Frequenzabtastbetriebs des Antennensystems ist. Ein Satz von vier Stralerelementen 42 sind Seite an Seite entlang einer geraden Linie angeordnet und liegen einer auslaufenden Wellenfront 66 elektromagnetischer Strahlung gegenüber. Der Einfallswinkel der Wellenfront oder der Strahlenbündel- Abtastwinkel wird in bezug auf eine Normale 68 zu dem Feld 40 der Elemente 42 gemessen. Eine Frequenzabtastung wird in einem ebenen Antennenfeld durch Einführen einer progressiven Zeitverzögerung in das Feld erzeugt. Die progressive Zeitverzögerung schafft eine Differenz in den Phasen der Signale, die durch benachbarte Elemente 42 angeregt werden, so daß die Phasendifferenz proportional zu der Frequenz der abgestrahlten Signale ist. Diese Erklärung des Betriebs nimmt eine auslaufende Wellenfront an, wobei klar ist, daß der Betrieb des Feldes der Elemente 42 reziprok ist, so daß die Erklärung genausogut für eine einlaufende Wellenfront zutrifft. Es sollte hier angemerkt werden, daß die erwünschte frequenzabhängige Anschluß-zu-Anschluß-Phasenprogression durch Verwendung anderer Techniken als der Zeitverzögerung, wie beispielsweise durch die Verwendung von einem Allpaßnetzwerk, erzielt werden kann. Die Beziehung des Abtastwinkels zur Frequenz, zum Elementabstand und zur Zeitverzögerung ist durch die folgenden Gleichungen gegeben:
• 2πD sin θ = ΔΨ = 2πfΔT (1)
• deshalb ist
• sin θ = -λ/D- fΔT (2)
• in welchen:
• D = Abstand zwischen Elementen,
• θ = Strahlenbündel-Abtastwinkel,
• λ = Wellenlänge der Strahlung,
• ΔΨ = Phaseninkrement zwischen benachbaren Elementen,
• f = Freqenz relativ zum Bandzentrum, und
• ΔT= Zeitverzögerungsinkrement zwischen benachbarten Elementen.
• Die Strahlerelemente 42 werden über eine Mikrowellenenergiequelle 70 und eine Reihe von Verzögerungseinheiten 72, die an die Quelle 70 gekoppelt sind, angeregt. Jede der Verzögerungseinheiten 72 schafft das Zeitverzögerungsinkrement, auf das in den obigen Gleichungen (1) und (2) Bezug genommen wurde. Die Quelle 70 ist direkt an ein Element 42 an der linken Seite des Feldes angeschlossen, während das nächste Element 42 über eine der Verzögerungseinheiten 72 an die Quelle 70 angeschlossen ist. Das durch die Quelle 70 der dritten und vierten der Elemente 42 zugeführte Signal ist um zwei bzw. drei Verzögerungsinkremente der Verzögerungseinheiten 72 verzögert. Dies schafft eine lineare Phasenbeziehung zur Lieferung des Abtastwinkels für die auslaufende Wellenfront 66. Das Phaseninkrement zwischen zwei benachbarten Strahlern 42 ist proportional zu dem Produkt der Frequenz der Strahlung und des Verzögerungsinkrements. Wenn dieses Produkt gleich 360º ist, propagiert die Wellenfront in einer Richtung, die normal zum Feld der Elemente 42 ist. Anwachsende Werte der Frequenz erzeugen eine größere Phasenverschiebung, so daß die Wellenfront, wie in Fig. 5 gezeigt, zur rechten Seite der Normalen 68 gerichtet wird, während abfallende Größen der Frequenz eine geringere Phasenverschiebung erzeugen und die Wellenfront auf die linke Seite der Normalen treiben. Demgemäß kann die Wellenfront symmetrisch um das Feld der Elemente 42 zum Abtasten geführt werden.
• Die oben genannte Anmeldung offenbart auch, daß für den Fall der vorangegangenen Uplink- und Downlink-Frequenzbänder und für den Fall, in dem die Strahlerelemente 42 einen Durchmesser von ungefähr einer Wellenlänge haben, ein geeigneter Wert der differentiellen Verzögerung, wie sie durch die Verzögerungseinheiten 42 von Fig. 5 geschaffen werden, 185 Nanosekunden für den Fall einer im wesentlichen gleichförmigen Verteilung der Bodenstationen auf der Oberfläche der Erde 60 ist. Um eine Ost-West-Überdeckung von 80 zu schaffen, werden die Uplink- und Downlink-Strahlenbündel durch einen Winkel von -4º bis +4º zum Abtasten geführt. Angesichts des Vergrößerungsfaktors von 4,7 muß der Abtastwinkel des Feldes 40 der Strahlerelemente 42 um denselben Vergrößerungsfaktor 4,7 gegenüber dem der Ausgangsabtastung aus dem Hauptreflektor 32 vergrößert werden. Deshalb muß das durch die Strahlerelemente 42 erzeugte Strahlbündel durch einen Bogen von 18,8º auf jeder Seite der Normalen zu dem Feld 40 abtasten. Die vorangegangenen Werte der differentiellen Verzögerung, nämlich 185 Nanosekunden, schaffen die 18,8º Abtastung auf jeder Seite der Normalen des Feldes 40. Bei idealer Bedingung gleichmäßig verteilter Bodenstationen zwischen der Ostküste und der Westküste der Vereinigten Staaten und Kanadas hat die Anzahl von Kanälen pro Grad einen konstanten Wert von 1000/8 = 125.
• In der Situation, in der die durch die Verzögerungseinheiten 72 geschaffene differentielle Verzögerung unabhängig von der Frequenz ist, wird dann eine optimale Richtung des abtastenden Strahlenbündels für die ideale Bedingung einer gleichmäßigen Verteilung der Bodenstationen erhalten. In der wahrscheinlicheren Situation einer ungleichförmigen Verteilung der Bodenstationen kann das abtastende Strahlenbündel etwas von seiner zugeteilten Bodenstation abweichen. Wie oben bemerkt worden ist, verringert eine derartige Strahlenbündel- Pointierungsungenauigkeit das Signalniveau um weniger als 0,01 Dezibel für einen Strahlenbündel-Pointierungsfehler von 0,1 Grad.
• Die oben genannte Patentanmeldung offenbart, daß das Abtasten angepaßt werden kann, um die vorangegangene Nichtgleichförmigkeit in der Bodenstationsverteilung durch Einführen einer frequenzabhängigen Komponente in der differentiellen Verzögerung auszugleichen. Sie gibt ein Beispiel einer nicht gleichförmigen Verteilung, in der die differentielle Verzögerung zwischen Spalten des Feldes 40 der Strahlerelemente 42 (siehe Fig. 4) wenigstens zur Bildung der Downlink-Strahlenbündel zwischen 262 Nanosekunden am niederfrequenten Ende des Übertragungsbands und 131 Nanosekunden an dem hochfrequenten Ende des Übertragungsbandes variieren soll. Andere Werte der Verzögerung können beim Strahlbildungsbetrieb der Uplink- Strahlenbündel, die von dem Empfänger des Antennensystems (30) geliefert werden, verwendet werden.
• Die Werte der Verzögerung, die in den verschiedenen Frequenzbändern, nämlich dem Uplink- und dem Downlink- Frequenzbändern, verwendet werden, sind invers proportional zu den Zentrumsfrequenzen dieser Bänder, wie aus den Gleichungen (1) und (2) ersichtlich. Eine Reduktion in der differentiellen Verzögerung resultiert in einer verringerten Größe der Phasenverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Strahlenbündeln mit einer entsprechenden Verringerung in der Verschiebung der Strahlenbündelposition auf der Oberfläche der Erde 60 von einem Kanal zu dem nächsten Kanal. Dadurch kann das Strahlenbündel in einem Bereich hoher Dichte an Bodenstationen genauer positioniert werden. In entsprechender Weise resultiert ein Anwachsen in der differentiellen Verzögerung in einer erhöhten Bewegung des Strahlenbündels, wenn die Frequenz von einem Kanal zu dem nächsten Kanal verschoben wird, wobei somit Strahlenbündelpositionen an eine geringere Dichteverteilung der Bodenstationen angepaßt werden. Die Kanalzahl entspricht einer bestimmten Frequenz entweder in dem Uplink- oder dem Downlink-Band. In bezug auf die Positionierung der Bodenstationen entlang eines Bogens eines Großkreises auf der Erde 60, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 offenbart, ist zu sehen, daß die für die verschiedenen Stationen ausgewählten Frequenzen monoton mit der Position entlang des vorangehenden Bogens variieren.
• Angesichts der vorangehenden Beschreibung ist zu sehen, daß das oben beschriebene Kommunikationssystem eine Zwei-Wege- Kommunikation zwischen Bodenstationen und einem geosynchronen Satelliten schafft. Die Zuordnung spezifischer Frequenzen zu den entsprechenden Bodenstationen, in Kombination mit dem Frequenz-Abtasten sowohl der Uplink- als auch der Downlink- Strahlenbündel des Satelliten (24) erlaubt eine Vereinfachung der Schaltungen des Systems. Zusätzlich liefert die Verwendung zweiter konfokaler parabolischer Reflektoren einen multiplikativen Faktor, der die Anzahl der in dem Feld der Strahlerelemente erforderlichen Elemente verringert. Die Verwendung eines passenden Strahlenbündels verringert außerdem die physische Größe des Antennensystems durch Reduktion der Anzahl von Reflektoren, was in einem effizienteren Satellitenkommunikationssystem mit geringerem Gewicht resultiert.
• Es hat sich gezeigt, daß bestimmte technische Hindernisse für die kommerzielle Implementation des oben beschrieben konfokalen Reflektorsystems existieren. Ein derartiges Hindernis ist der Mange an Effizienz des Systems. Aufgrund der Raumflugkörpergrößenbeschränkungen kann der Nebenreflektor 34 nicht groß genug konstruiert werden (was die Wellenlänge betrifft), um mit einer akzeptablen Effizienz zu arbeiten. Diese Größenbeschränkungen begrenzen auch die Größe des Hauptreflektors und die Brennweiten, die in dieser konfokalen Anordnung verwendet werden können.
• Ein anderes Hindernis ist die Strahlenbündelverzerrung, die vorhanden ist, wenn das Strahlenbündel in Richtung des Randes des Überdeckungsgebiets abtastet. Diese Strahlenbündelverzerrung ist unerwünscht, da sie die Gesamtkapazität des Systems zur Übertragung von Information reduziert.
• Es wäre wünschenswert, um eine weitere Gewichtseinsparung und eine Vereinfachung des zuvor genannten Satellitenkommunikationssystems zu erzielen, von dem Nebenreflektor vollständig abzusehen, während dennoch eine relativ geringe Anzahl von Strahlerelementen verwendet wird. Es wäre ebenso sehr vorteilhaft, in der Lage zu sein, die Leistung der Ausgangssignale von verschiedenen, individuellen, parallel betriebenen Verstärkern in ein einzelnes oder eine kleine Gruppe von Strahlerelementen zu kombinieren, um so ein stärkeres Punktbündel auf einen beliebigen Ort entlang des Gebiets auf der Erde, das durch das Abtaststrahlenbündel überstrichen wird, zu erzeugen. Es wäre weiter wünschenswert, soviel Elemente wie möglich als gemeinsame Elemente in einem Antennensystem für das Transmitter-(bzw. Sender-) Antennensystem und das Receiver-(bzw. Empfänger-) Antennensystem eines Kommunikationssatelliten zu verwenden, um so Gewicht, Raum und Kosten zu sparen. Ein anderes wünschenswertes Merkmal wäre es, die Strahlenbündelverzerrung, die derzeitig auftritt, wenn das von der Antenne übertragene Strahlenbündel in Richtung der Ränder des Überdeckungsgebiets geführt wird, zu verringern. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere wünschenswerte Ziele zu erreichen.
• Diese Ziele werden durch die charakterisierenden Abschnitte der Ansprüche 1 und 14 erreicht.
• Angesichts der vorangehenden Aufgaben wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Antennensystem geschaffen, das einen Reflektor mit wenigstens einem damit assoziierten Brennpunkt und ein Antennenfeld mit einer Mehrzahl von Speiseelementen zum Übertragen von Bündein elektromagnetischer Strahlung auf ein Zielgebiet aufweist. Das Antennensystem umfaßt eine operativ mit dem Antennenfeld verbundene Einrichtung zur Durchführung einer approximativen räumlichen Transformation der Amplitude und der Phasenverteilung der Eingangssignale, die diesem zugeführt werden; wenigstens ein zusätzliches Speiseelement, das entlang des Feldes der Speiseelemente positioniert ist, wobei das zusätzliche Speiseelement verwendet wird, um einen Strahlenbündel zu erzeugen, der einen Zentrumsabschnitt hat, der außerhalb des Zielgebiets auftrifft, und einen Randabschnitt, der wenigstens mit einem Abschnitt des Zielgebiets überlappt, und worin das Antennenfeld, das zusätzliche Speiseelement und der Reflektor zueinander derart positionierbar sind, daß das Antennenfeld und das zusätzliche Speiseelement operativ in der Nähe des Brennpunkts des Reflektors angeordnet sind, wenn der Reflektor in seiner beabsichtigten Betriebsposition ist. Die räumliche Transformation, die ausgeführt wird, wird aus der Gruppe der Transformationen, die aus diskreten Fourier-Transformationen und inversen diskreten Fourier-Transformationen bestehen, ausgewählt. Die die Transformationen durchführende Einrichtung umfaßt eine Butler-Matrix mit einer Mehrzahl von Eingangsanschlüssen und einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen. Das Antennenfeld, das das eine zusätzliche Speiseelement und die Butler-Matrix umfaßt, wird vorzugsweise sowohl für die Übertragung als auch für den Empfang von Signalen verwendet. Wenn das Antennensystem zum Empfang verwendet wird, sind die Eingangssignale, die der räumlichen Transformationseinrichtung zugeführt werden, Signale, die von elektromagnetischer Strahlung, die durch den Reflektor auf das Antennenfeld zum Empfang durch die Speiseelemente fokussiert werden, erhalten werden, und die räumliche Transformation ist eine inverse diskrete Fourier-Transformation. Wenn das System zur Übertragung verwendet wird, erzeugt die räumliche Transformationseinrichtung Signale, die dem Antennenfeld und dem zusätzlichen Speiseelement zugeführt werden, und die räumliche Transformation ist eine diskrete Fourier-Transformation. Bei Verwendung als Transmitter umfaßt das System vorzugsweise eine Einrichtung zum Speisen der Eingangsanschlüsse der Butler-Matrix mit einem Satz von Signalen, die eine von Eingangsanschluß zu Eingangsanschluß vorbestimmte Phasenrelation haben.
• Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in einem Satelliten zur Kommunikation mit Bodenstation verwendet. In einer derartigen Anwendung umfaßt das System typischerweise weiterhin einen Satellitenrahmen, an dem der Reflektor und das Antennenfeld angebracht sind. Der Reflektor und das Antennenfeld sind operativ in bezug auf einander angeordnet, um zu ermöglichen, ein steuerbareres Strahlenbündel, das durch aus dem Feld austretende elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, an dem Reflektor zu reflektieren, wenn der Reflektor in seiner beabsichtigten Betriebsposition ist.
• Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines steuerbaren Bündelantennensystems umfassend die Schritte: (a) Schaffen eines Satzes erster Signale, die eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander haben und die zu übertragende Information enthalten; (b) Erzeugen eines Satzes von Signalen aus dem Satz der ersten Signale durch wenigstens approximatives Durchführen einer räumlichen Transformation der Amplitude und der Verteilung des Satzes der ersten Signale; (c) Erzeugen eines Abtastbündels durch Übertragen von Vorausgewählten des zweiten Satzes der Signale auf den Reflektor durch Hindurchlaufenlassen der Vorausgewählten des zweiten Satzes der Signale durch die Mehrzahl der Strahlerelemente; und (d) Erzeugen von wenigstens einem zusätzlichen Bündel durch Übertragen von wenigstens einem Signal in dem zweiten Satz der Signale auf den Reflektor durch Hindurchlaufenlassen des wenigstens einen Signals durch ein zusätzliches Strahlerelement, das zusammen mit der Mehrzahl der Strahlerelemente angeordnet ist, wobei das zusätzliche Bündel so gerichtet ist, daß der Zentrumsabschnitt des Bündels außerhalb des Zielgebiets auftrifft und der Nebenabschnitt des Bündels auf eine Seite des Zielgebiets fällt, wobei sich der Nebenabschnitt des zusätzlichen Bündels mit dem Abtastbündel verbindet, um die Nebenkeulen auf ein erwünschtes Niveau zu reduzieren. Das Verfahren umfaßt weiter das Zurverfügungstellen einer Bulter-Matrix, um den Satz der zweiten Signale aus dem Satz der ersten Signale zu erzeugen, und in welchem die räumliche Transformation eine diskrete Fourier-Transformation ist.
• Das Verfahren wird vorzugsweise in Satellitenkommunikationssystemen zur Kommunikation mit mehreren Bodenstationen durch Verwendung des steuerbaren Strahlenbündels, das mit dem Antennensystem assoziiert ist, verwendet. In derartigen Anwendungen ist der Reflektor ein Hauptreflektor und auf dem Satelliten angebracht.
• Diese und andere Aspekte, Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vollständig aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen, im Zusammenhang mit den Zeichnungen, verstanden.
• In den beigefügten Zeichnungen:
• Fig. 1 ist eine Seitenaufrißansicht eines Kommunikationssatelliten, das ein Feld von Strahlern, einen Bildreflektor und einen Hauptreflektor zeigt;
• Fig. 2 ist eine Vorderansicht des rechteckigen Feldes der Strahler in dem Satelliten aus Fig. 1;
• Fig. 3 ist eine Vorderaufrißansicht des in Fig. 1 gezeigten Antennensubsystems, das eine alternative hexagonale Anordnung der Strahler verwendet;
• Fig. 4 ist eine stilisierte bildliche Ansicht von Punktbündein, die auf der Oberfläche der Erde unter Verwendung des Satelliten aus Fig. 1 gebildet werden;
• Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer auslaufenden Wellenfront und den Elementen einer linearen Gruppe der Strahler zeigt;
• Fig. 6 ist eine vereinfachte diagrammatische Darstellung eines in einem Satelliten verwendbaren Antennensystems der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 7 ist ein optisches Diagramm, das ein Duallinsensystem zeigt;
• Fig. 8 ist ein vereinfachtes elektrisches Diagramm einer Vier-Anschluß-Butler-Matrix, die in einem Antennensystem der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
• Fig. 9 ist ein Plot der Amplitude des Ausgangssignals an Anschluß A der Butler-Matrix aus Fig. 8 als Funktion der Eingangsphase, wenn die Anschlüsse A', B', C' und D' mit einem spezifizierten Satz von Eingangssignalen gespeist werden;
• Fig. 10 ist ein Plot der typischen Amplitude aller Ausgangsanschlüsse der Butler-Matrix in Fig. 8 als Funktion der Eingangsphase, wenn die Matrix mit einem spezifizierten Satz von Eingangssignalen gespeist wird;
• Fig. 11 ist ein vereinfachtes, elektrisches Blockschaltbild, das einen Satz von Diplexern und eine Butler-Matrix, die im allgemeinen in Transmitter- und Receiver-Netzwerken in einem Antennensystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
• Fig. 12 ist ein elektrisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Empfangsnetzwerks der vorliegenden Erfindung, die eine Anschluß-zu-Anschluß-Phasendifferenz in einen empfangenen Satz von Signalen durch Verwendung progressiver Zeitverzögerungen oder frequenzabhängiger Phasenverschiebungen einführt;
• Fig. 13 ist ein elektrisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Transmitternetzwerks der vorliegenden Erfindung, das funktionelle Ähnlichkeiten mit dem in Fig. 12 gezeigten Receiver-Netzwerk hat;
• Fig. 14 ist ein elektrisches Blockschaltbild eines Dualfrequenz-, Dualsignaltransmitternetzwerks der vorliegenden Erfindung zur gleichzeitigen Summierung und Herstellung einer Mehrzahl distinkter Frequenzsignale zur Übertragung;
• Fig. 15 ist ein Blockschaltbild einer Vier-Anschluß-Butler- Matrix;
• Fig. 16A-E sind Graphen der Amplitudenverteilungen in eine und aus einer Vier-Anschluß-Butler-Matrix; und
• Fig. 17 ist eine kombinierte Blockansicht und bildliche Ansicht der auf der Oberfläche der Erde durch ein Satellitenantennenfeld entsprechend der vorliegenden Erfindung gebildeten Punktbündel.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt ein neues Antennensystem zum Kommunizieren mit mehreren Bodenstationen, die typischerweise über einen großen geographischen Bereich auf der Erde verteilt sind. Die folgende Beschreibung wird in Zusammenhang mit der technischen Beschreibung, die oben dargelegt wurde, präsentiert, um einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und wird in dem Kontext einer speziellen Anwendung und ihrer Erfordernisse zur Verfügung gestellt.
• Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt das Antennensystem 80 der vorliegenden Erfindung einen Hauptreflektor 32 und ein Feld 40 (oder 50) von Strahlern 42 (oder 52) des Typs, der oben in den Figuren 1-5 beschrieben wurde. Das Antennensystem 80 ist vorzugsweise auf einem Satelliten 24 durch Anbringen auf einem geeigneten Rahmen 44 lokalisiert. In dem Antennensystem 80 der vorliegenden Erfindung wird der Nebenreflektor 34 (in Fig. 1 und 3 gezeigt), entfernt und das Feld 40 (oder 50) der Primärstrahler 42 (oder 52) oder Speisehörner wird in (oder in der Nähe) des Brennpunkts oder der -ebene 48 des Offsetspeisereflektors 32 plaziert. Das Feld 40 (oder 50) wird durch eine Butler-Matrix 82 gespeist, die "rückwärts" in bezug auf die herkömmliche Verwendung dieses Typs einer Strahlenbündelbildungsmatrix angeordnet ist. An die Matrix 82 sind die Transmitter- und Receiver-Netzwerke, die durch einen Block 84 dargestellt sind, angeschlossen. Die Verwendung einer Butler-Matrix auf diese Weise erzeugt eine Anregungssequenz für das Antennensystem 80, die die räumlich diskrete Fourier-Transformation des Anregungssequenzeingangssignals in das strahlenbündelbildende Feld der Primärstrahler in dem Antennensystem 30 der Fig. 1-5 ist. Auf diese Weise ist das Fernfeldmuster, das durch das Feld und den Signalreflektor erzeugt wird, identisch (in dem idealen Fall) mit dem der vorher beschriebenen konfokalen Anordnung. Hierbei wird es einige Unterschiede im nicht idealen Fall aufgrund der Effekte des räumlichen Samplings und der physikalischen Begrenzungen der Größe des Feldes, das an dem Brennpunkt plaziert werden kann, geben.
• Der Betrieb des in Fig. 6 gezeigten Antennensystems 80 und die vorangehende Erklärung desselben können dadurch besser verstanden werden, daß das äquivalente optische Modell einer konformalen Reflektorkonfiguration, wie in Fig. 1 und 3 gezeigt und vorher oben beschrieben wurde, betrachtet wird. Fig. 7 zeigt das äquivalente optische Modell 90 dieses früheren Antennensystems 30 unter Verwendung zweier Linsen 92 und 94, die in ihrer Funktion dem Hauptreflektor 32 bzw. dem Nebenreflektor 34 entsprechen. Die Brennebene x, die durch die Linie 96 dargestellt ist, umfaßt den Brennpunkt 48. Die Brennweite der Linse 92 ist F2, während die Brennweite der Linse 94 F1 ist. Der Verstärkungsfaktor M des Systems 90 in Fig. 7 ist gegeben durch:
• M = F&sub2;/F&sub1; (3)
• Eine Amplitude und Phasenverteilung eines Bildes F(x) in der durch die Linie 98 dargestellten Bildebene x wird durch die Linsen 92 und 94 so vergrößert, daß in der durch die Linie 100 dargestellten vergrößerten Bildebene x":
• f(x") = F (M X) (4)
• Aus der optischen Theorie ist wohlbekannt, daß die Amplitude und die Phasenverteilung in der Brennebene x' die räumlich diskrete Fourier-Transformation der Amplitude und der Phasenverteilung in der Bildebene X ist. Das heißt:
• f(x') = F[f(x)] (5)
• Durch Entfernen der ersten Linse und Erzeugen von f(x') direkt in der Brennebene x' wird dieselbe Amplitude und Phasenverteilung in der vergrößerten Bildebene x" resultieren. Das Antennensystem 80 der vorliegenden Erfindung basiert auf dieser Idee.
• Zurückkehrend zu Fig. 6 kann man sehen, daß die Butler-Matrix 82 in dem System 80 die räumlich diskrete Fourier- Transformation der Anregungssequenz, die durch den Transmitter in dem Block 84 erzeugt wurde, durchführt. Es kann auch gesehen werden, daß die Butler-Matrix 82 die räumlich inverse diskrete Fourier-Transformation F&supmin;¹[f(x")] des Fernfeldbündels, das von dem Reflektor 32 reflektiert wird, und auf das Antennenfeld 40 (oder 50) zum Empfang durch die Speiseelemente 42 (oder 52) und nachfolgende Verarbeitung durch den Receiver in Block 84 fokussiert wird, durchführt.
• Fig. 8 stellt eine Vier-Eingangs-Butler-Matrix 110 dar, die einen Satz von vier Eingängen und einen Satz von vier Ausgängen hat. Die Butler-Matrix 110 umfaßt vier 90º Phasenvoreilungs-Hybridschaltungen 112 und zwei negative 45º Phasenverschieber 114, die aneinander und an die zwei Sätze der vier Eingänge, wie gezeigt, angeschlossen sind. Die Vier-Anschluß- Matrix 110 wird aus Gründen der Einfachheit in Betracht gezogen, wie allerdings der Fachmann weiß, können Butler-Matrizen mit einer beliebigen Anzahl von gewünschten Anschlüssen konstruiert werden. Diesbezüglich ist viel Arbeit in die Entwicklung von Designtechniken für Butler-Matrizen durchgeführt worden, siehe beispielsweise M. Ueno "A Systematic Design Formulation for Butler Matrix Applied FFT Algorithm," IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-29, Nr. 3, Mai 1981. Bei herkömmlicher Verwendung dieser Matrix wären die Anschlüsse A, B, C und D die Eingangsanschlüsse, und die Anschlüsse A' , B', C' und D' wären die Ausgangsanschlüsse und würden an die Strahlerelemente in einem Antennensystem, das keinen Reflektor verwendet, angeschlossen werden. Wenn das Antennensystem 80 der vorliegenden Erfindung zur Übertragung verwendet wird, werden die Anschlüsse A', B', C' und D' als Eingangsanschlüsse verwendet, und die Anschlüsse A, B, C und D werden als Ausgangsanschlüsse verwendet. Wenn das System 80 als Transmitter verwendet wird, werden die Anschlüsse A', B', C' und D' mit einem Satz von Signalen gespeist, die eine vorbestimmte Phasenbeziehung von Anschluß zu Anschluß haben, welche eine Funktion der Frequenz ist. Falls dieselben Signale in ein planares Antennenfeld gespeist würden, würden für die verschiedenen Frequenzen verschiedene Strahlenbündel, von denen jedes eine verschiedene Bündelrichtung hat, gebildet werden. Manchmal bezeichnet man diese Punktbündel als virtuelle Bündel, da in der Theorie ein Kontinuum von Bündeln über die gesamten Keulenbreite existiert, die durch die Punktbündel der niedrigsten Frequenz zur höchsten Frequenz definiert ist. Die verschiedenen Phasenverteilungen, die aus verschiedenen Frequenzen resultieren, werden in der Matrix 110 kombiniert und überlagern sich konstruktiv oder destruktiv an verschiedenen Ausgangsanschlüssen. Der Effekt ist die Erzeugung eines virtuellen Phasenzentrums in dem Feld der Signale an den Ausgangsanschlüssen A, B, C und D für jede Frequenz. In anderen Worten wird das Phasenzentrum eines AntennenFeldes 40 (oder 50), das eine Mehrzahl von Strahlerelementen 42 (oder 52) hat, mit einem derartigen Element, das an die Anschlüsse A, B, C und D angeschlossen ist, als Funktion der Frequenz abtasten. Eine spezielle Frequenz kann in einem Signal an einem und nur einem Anschluß resultieren oder kann in Signalen an zwei oder mehr Anschlüssen resultieren, deren Amplitude und Phase einem räumlichen Phasenzentrum irgendwo zwischen den Anschlüssen entspricht.
• Die Kurve 120 von Fig. 9 zeigt den Amplitudenresponse des Anschlusses A in Fig. 8, wenn die Eingangsanschlüsse 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 wird. (In der gewöhnlichen Frequenzabtasttechnik ist der Eingangsphasenwert Ψ irgendeine Funktion der Frequenz und ist nicht notwendigerweise konstant.) Der Anschluß A' entspricht n = 0, der Anschluß B' n = 1 usw. Insbesondere ist anzumerken, daß bei einer bestimmten Phasenverteilung ein maximaler Signalpegel an dem Anschluß A auftritt. Fig. 10 zeigt die Größen der Ausgangssignale an allen Anschlüssen, wenn die Matrix 110 mit demselben Typ der Signalsequenz, wie sie oben beschrieben ist, gespeist wird. Die Kurven 122, 124 und 126 sind die Ausgangssignale an allen Anschlüssen, wenn die Matrix 110 mit demselben Typ der Signalsequenz, wie sie oben beschrieben ist, gespeist wird. Die Kurven 122, 124 und 126 sind die Ausgangssignale der Anschlüsse B, C bzw. D. Es ist anzumerken, daß jeder Anschluß einen maximalen Ausgangswert für einen unterschiedlichen relativen Eingangsphasenwert Ψ hat. Es ist auch anzumerken, daß bei einer Maximalamplitude für einen bestimmten Anschluß die Ausgänge der anderen Anschlüsse Null sind. Beispielsweise, wenn die Kurve 120, die mit dem Anschluß A assoziiert ist, ihr Maximum an einem Punkt 128 annimmt, haben die Kurven 122- 126 an einem Punkt 130 eine Null-Amplitude. Eine weitere Analyse zeigt, daß das Phasenzentrum des Antennenfeldes, das an den Ausgang der Butler-Matrix (wie in Fig. 11 dargestellt) angeschlossen ist, die Länge des Feldes 40 (oder 50) als Funktion von Ψ abtasten wird. Verschiedene Frequenzen resultieren in verschiedenen Phasenzentren des Antennenfeldes.
• Die Leistungsfähigkeit eines Antennensystems, das eine Butler-Matrix verwendet, wird durch die Anzahl der verwendeten Elemente beeinflußt. Je mehr Elemente verwendet werden, umso besser ist das räumliche Sampling der Eingangs- und Ausgangssignalsequenzen. Somit wird man verstehen, daß eine Butler- Matrix mit relativ wenigen Eingängen eine grobe Approximation einer diskreten Fourier-Transformation (oder inversen diskreten Fourier-Transformation) an Signalen, die durch dieselbe laufen, durchführt. Wenn die Anzahl der Anschlüsse anwächst, wächst die Qualität und Genauigkeit der durchgeführten Transformation.
• Fig. 11 stellt detaillierter dar, wie die Butler-Matrix 110 in einem Antennensystem 138 der vorliegenden Erfindung, die ein Transmitter- und Receiver-Untersystem umfaßt, verwendet werden kann. Das System 138 umfaßt ein Feld 140 von Speiseelementen oder Hörnern 142, die sowohl als Strahlerelemente als auch als Empfängerelemente verwendet werden. Die Hörner 142 können von einer beliebigen herkömmlichen oder geeigneten Konstruktion, wie beispielsweise einem Kelchdipol mit einer Wellenlänge im Durchmesser, sein. In der Praxis funktionieren die Hörner 142 auf dieselbe grundlegende Art und Weise, wie die Strahlerelemente 42 (oder 52), die vorher beschrieben wurden, und sind in oder in der unmittelbaren Nähe der Brennebene oder der Ebene eines Offset-Speisereflektors 32, wie in der Anordnung in Fig. 6, lokalisiert.
• Das System 138 umfaßt eine Gruppe 144 von Diplexern 146, ein Empfangsnetzwerk 148 und ein Übertragungsnetzwerk 150, die entsprechend an die Diplexer 146 durch Gruppen 152 und 154 elektromagnetischer Kanäle oder Leiter angeschlossen sind. Diese Komponenten können alle von herkömmlicher oder geeigneter Konstruktion sein Für die Diplexer 164 ziehen wir allerdings vor, Diplexer von dem Typ zu verwenden, der vollständig in dem gemeinsam an T. Hudspeth und H. Keeling zugeschriebenen US-Patent Nr. 4 427 953 mit dem Titel "MICROWAVE DIPLEXER" beschrieben ist. Die Diplexer 146 dienen dazu, die einlaufenden Signale in dem Uplink-Frequenzband (empfangen durch das Antennenfeld 140, transformiert durch die Matrix 110 und an die Leiter oder die Leitergruppe 156 angelegt) richtig zum Empfangsnetzwerk 148 zu führen. Ähnlich dienen die Diplexer 146 dazu, den Satz der Signale in dem Downlink- Frequenzband (erzeugt durch das Übertragungsnetzwerk 150 und auf die Leitergruppe 154 gegeben) in die Butler-Matrix 110 zu führen, wo sie transformiert und an die Leitergruppe 158 zur Lieferung an das Antennenfeld 140 angelegt werden. Es ist zu bemerken, daß in Fig. 11 der Ausgang der Anschlüsse B und C der Butler-Matrix 110 in Reihenfolge umgekehrt ist, um ein kontinuierliches Abtasten des virtuellen Phasenzentrums mit der Frequenz zu erhalten. Dies wird dadurch bewirkt, daß, wie gezeigt, der Anschluß B durch den Kanal 158b an das Speisehorn 142c angeschlossen ist, und daß der Anschluß C über den Kanal 58c an das Speisehorn 142b angeschlossen ist. Das Erfordernis, die Ausgänge der Bündelanschlüsse B und C umzukehren, wird klar, wenn man beobachtet, daß in Fig. 10 die Kurven 122 und 124, die die Ausgangssignale der Anschlüsse B und C repräsentieren, in bezug auf die Reihenfolge der Ausgangssignale der Anschlüsse A und D von hohen zu niedrigen Werten der Eingangsphase Ψ umgekehrt sind. Die zwei 180º Phasenverschieber 159a und 159b korrigieren bezüglich Phasenumkehrungen in den Ausgangssignalen der Anschlüsse A und B, die aufgrund des Betriebs der Butler-Matrix 110 auftreten.
• Fig. 12 ist ein Blockdiagramm für eine mögliche Ausführungsform, die verschiedene Komponenten und Signalwege des Empfangsnetzwerks 148 des Antennensystems 138 in Fig. 11 zeigt. Das Netzwerk 148 umfaßt: eine Gruppe 160 von Vorverstärkern 162 zum Verstärken der Pegel der durch die Kanäle bzw. Leitungen 152 gelieferten empfangenen Signale; eine Gruppe 164 von Frequenztranslatoren 166 zur Reduzierung der Trägerfrequenz der von den Vorverstärkern 162 empfangenen Signale auf einen Zwischen- oder Basisbandfrequenzbereich; eine Gruppe 168 von vier Bandpaßfiltern 170 zum Ausfiltern von Nebenkeulen oder anderen Frequenztranslationsprodukten außerhalb des erwünschten Frequenzbereichs; und eine Gruppe 172 von drei verschiebungserzeugenden Komponenten oder Elementen 172, die alle wie gezeigt zusammengeschlossen sind, um ein Basisbandsignal an der Ausgangsklemme oder dem Anschluß 176 zu erzeugen. Die verschiebungserzeugenden Elemente 174 können entweder Zeitverzögerungselemente oder frequenzabhängige Phasenverschieber sein. Das Empfängernetzwerk 148 wird auf die Frequenzbänder der entsprechenden Uplink-Kommunikationskanäle abgestimmt, wodurch der gleichzeitige Empfang von Signalen von einer Mehrzahl von Bodenstationen erlaubt wird.
• Fig. 13 ist ein Blockschaltbild des Übertragungsnetzwerks 150, das in Fig. 11 gezeigt ist. Das Netzwerk 150 umfaßt eine Gruppe 180 von verschiebungserzeugenden Komponenten oder Elementen 182; eine Gruppe 184 von vier Frequenzverschiebern 186 zum Erhöhen der Trägerfrequenz der Signale, die auf eine Gruppe von Leitungen 188 gegeben werden, auf einen höheren Frequenzbereich, eine Gruppe 190 von Bandpaßfiltern 192 zum Ausfiltern unerwünschter Signale außerhalb des erwünschten Frequenzbandes, das durch die Betriebsfrequenztranslatoren 186 erzeugt wird; und eine Gruppe 194 von Leistungsverstärkern 196, um die Leistung der Signale, die an die Leitergruppe 154 angelegt werden, zu erhöhen. In dem Übertragungsnetzwerk 150 wird das zu übertragende Signal an die Eingangsklemme oder den Anschluß 198 gelegt.
• Die Figuren 12 und 14 stellen ebenfalls ein mögliches Verfahren zur Erzeugung des Anschluß-zu-Anschluß- Eingangsphasenwerts Ψ als Funktion der Frequenz durch Einführen von Zeitverzögerungen oder frequenzabhängigen Phasenverschiebungen dar. Diese werden durch die verschiebungserzeugenden Elemente 174 in Fig. 12 und die verschiebungserzeugenden Elemente 182 in Fig. 13 eingeführt. In Fig. 13 werden die Zeitverzögerungen oder Phasenverschiebungen im Basisband (oder Zwischenfrequenzen) eingeführt, und dann wird jedes Signal in dem resultierenden Signalsatz an eine Leitung oder eine Leitungsgruppe 188 angelegt, um parallel durch Frequenztranslatoren 186 in den erwünschten Frequenzbereich frequenzverschoben zu werden. Dies wird so ausgeführt, daß eine bestimmte Bandbreite den erwünschten Bereich der Phasenverteilungen in dem Signalsatz, der an die Butler-Matrix 110 durch die Leitergruppe 154 angelegt wird, erzeugt wird und deshalb in dem Abtasten des Phasenzentrums des Feldes über den erwünschten Bereich resultiert. Dieses Verfahren kann vorteilhafterweise, beispielsweise in dem MAST-System, das in dem Abschnitt der Beschreibung über den Hintergrund der Erfindung diskutiert ist, angewendet werden.
• Der oben besprochene Satellit des MSAT-Systems überträgt in dem UHF-Band bei 866 bis 870 MHz (oder, falls erwünscht, in dem L-Band). Die Änderung in der Phase einer Sinuskurve aufgrund einer Zeitverzögerung, wie beispielsweise der in den Figuren 12 und 13, kann durch die folgende Formel berechnet werden, wobei der Eingangsphasenwert in Radians ausgedrückt ist:
• ΔΨ= n2πτ (7)
• Um einen hinreichend großen Bündel-Abtastwinkel zu erzeugen, wenn eine Butler-Matrix 110, wie in Fig. 8 gezeigt, verwendet wird, ist ein recht breiter Bereich der Phasenverteilungen erforderlich.
• Ein Ansatz zur Bestimmung, welche Zeitverzögerung oder Phasenverschiebungen erforderlich sind, um das System 138 von Fig. 11 in der erwünschten Art und Weise zu betreiben, ist es, den optimalen Bereich der Phasenverteilungen zu wählen und eine Frequenz zu finden, bei der die in Frage stehende Bandbreite diesen Bereich unter Verwendung einer Zeitverzögerungs- oder Phasenverschiebungseinrichtung erzeugt. Beispielsweise wird die in Fig. 8 gezeigte Butler-Matrix 110 das beste Abtasten des Phasenzentrums des Antennenfeldes liefern, wenn die Eingangsphasenverteilungen in dem Bereich zwischen π/4 und 7π/4 Radians liegen. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß eine Zeitverzögerung verwendet wird. Daher ergibt Einstellen der Bedingungen:
• π/4 = 2πf&sub1;τ (8)
• und
• 7π/4 = 2πf&sub2;τ (9)
• dann
• τ = 7π/8πf&sub2; = π/8πf&sub1; (10)
• oder
• f&sub2;/f&sub1; = 7. (11)
• Kombinieren dieser Beziehung mit der Idee, daß
• f&sub2; - f&sub1; = 4 MHz (12)
• d.h., in der Bandbreite der Downlink-Übertragungen in dem] MAST-Satelliten findet man, daß f&sub1; = 666,7 x 10³ Hz und f&sub2; = 4,6667 x 10&sup6; Hz ist. Beim Arbeiten mit diesem Zwischenfrequenzbereich kann man nun eine Zeitverzögerung finden, die den erwünschten Bereich der Phasenverteilungen, nämlich τ = 1/(8f&sub1;) = 187,5 x 10&supmin;&sup9; Sekunden erzeugt. Arbeiten mit dieser Zeitverzögerung bei diesem Zwischenfrequenzband erlaubt es, daß die Bandbreite des Signals die erwünschte frequenzabhängige Anschluß-zu-Anschluß-Phasenbeziehung erzeugt. Jedes Signal in dem Satz kann dann auf den erwünschten Frequenzbereich (parallel) frequenzverschoben werden, ohne die durch die Zeitverzögerungen in das Zwischenfrequenzband eingeführte Anschluß-zu-Anschluß-Phasenbeziehung zu ändern.
• Durch Verwendung verschiedener Zeitverzögerungen und verschiedener Zwischenfrequenzen können die Signale von den verschiedenen Transmittern (oder zu den verschiedenen Receivern) kombiniert werden, um dieselbe Butler-Matrix zu verwenden und denselben Typ von Antennenmustern zu erzeugen, sogar wenn die Transmitter bei verschiedenen Frequenzen betrieben werden und verschiedene Bandbreiten haben. Unter Verwendung der oben beschriebenen Technik können verschiedene Signale mit verschiedenen Bandbreiten verwendet werden, um Sätze von Eingangssignalen mit demselben Bereich der Phasenverteilungen zu erzeugen. Ein Zuführen der Kombination dieser Sätze zur Butler- Matrix, die ein Antennenfeld speist, erlaubt es, beiden Signalbandbreiten dieselben virtuellen Frequenzabtast- Bündelmuster zu erzeugen. Dieses Konzept ist in Fig. 14 dargestellt, die ein Dualfrequenzübertragungsnetzwerk 210 zeigt, das in der Lage ist, zwei Sätze von Ausgangssignalen bei verschiedenen Frequenzbändern zu erzeugen. Das Netzwerk 210 kann anstelle des Übertragungsnetzwerks 150 in dem Antennensystem 138, das in Fig. 11 gezeigt ist, verwendet werden.
• Das Netzwerk 210 umfaßt einen ersten Frequenznetzwerkabschnitt 212, einen zweiten Frequenznetzwerkabschnitt 214 und einen gemeinsamen Netzwerkabschnitt 216. Der Netzwerkabschnitt 212 besteht aus einer Gruppe 180 von drei verschiebungserzeugenden Einrichtungen 182 und einer Gruppe 184 von Frequenztranslatoren 186, die, wie vorher in Fig. 13 erklärt, arbeiten. Der Netzwerkabschnitt 214 umfaßt eine Gruppe 222 von verschiebungserzeugenden Einrichtungen 224 und eine Gruppe 226 von frequenzverschiebenden Einrichtungen 228 zur Erzeugung eines Satzes von Signalen bei einem Frequenzband, das verschieden von dem durch den Netzwerkabschnitt 212 erzeugten ist. Die verschiebungserzeugenden Einrichtungen 182 und 224 können Zeitverschiebungseinheiten oder frequenzabhängige Phasenverschiebungseinheiten sein. Der Netzwerkabschnitt 216 umfaßt: eine Gruppe 230 von Summen erzeugenden Elementen oder Mischern 232 (die die zwei verschiedenen Sätze der Signale aus den Netzwerkabschnitten 212 und 214, die den Mischern 232 über Leitergruppen 234 bzw. 236 zugeführt werden, kombinieren); eine Gruppe 190 von Bandpaßfiltern 192; und eine Gruppe 194 von Leistungsverstärkern 196. Die verschiedenen Komponenten des Netzwerks 210 sind, wie in Fig. 14 gezeigt, angeschlossen und führen zu der Erzeugung zweier Sätze von Signalen mit verschiedenen Frequenzbändern, die kombiniert werden, verstärkt und dann gleichzeitig an eine Leitergruppe 154 zur Ausgabe zu dem in Fig. 11 gezeigten Rest des Systems 138 angelegt werden.
• Die verschiebungserzeugenden Einheiten oder Einrichtungen 174, 182 und 224 können bequemlicherweise aus Allpaßschaltungen mit konzentrierten Parametern unter Verwendung wohlbekannter Schaltungen hergestellt werden. Diese Einheiten oder Einrichtungen werden vor den übertragenden Leistungsverstärkern 184 und 196 in den Figuren 13 und 14 lokalisiert, um so bei relativ niedriger Leistung zu arbeiten und dadurch den Leistungsverlust zu minimieren.
• Um an dieser Stelle zusammenzufassen, schafft das oben beschriebene steuerbare Bündelantennensystem eine signifikante Verringerung des Satellitengewichts durch Vermeiden eines oder zweier konfokaler parbolischer Reflektoren, die verwendet werden, um eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen Bodenstationen und einem geostationären Satelliten zu schaffen. Ebenso wird eine Technik zur Kombinierung der Leistung der Ausgangssignale von verschiedenen individuellen Verstärkern, die parallel betrieben werden, in ein individuelles oder eine kleine Gruppe von Speiseelementen geschaffen, um so effizienter ein stärkeres Punktbündel an einem gegebenen Ort innerhalb des Zielgebiets zu erzeugen. Zusätzlich schafft das oben beschriebene System eine Technik, in der mehrere Antennenelemente, die sowohl zum Empfang als auch zum Senden elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Durch Liefern zweier Funktionen mit gemeinsamen Elementen werden das Gewicht, der Raum und die Kosten des Satelliten verringert.
• Obwohl das oben beschriebene Antennensystem sehr effektiv ist, erzeugt es Bündel, die an den äußeren Rändern des Zielgebiets unerwünscht hohe Nebenkeulen haben. Die vorliegende Erfindung schafft allerdings eine Lösung dieses Problems und in diesem Zusammenhang wird Bezug auf Fig. 15 genommen, in welcher eine Butler-Matrix 110 gezeigt ist, die vier Eingänge a', b', c' und d' und vier Ausgänge a, b, c und d hat. Die Butler-Matrix 110 besteht aus vier 90º Phasenvoreilungs- Hybridschaltungen 112 und zwei negativen 45º Phasenverschiebern 114, die miteinander wie gezeigt verbunden sind. Die Ausgänge der Butler-Matrix a-d werden zu den Speiseelementen 116 bis 119 geführt. Die Speiseelemente 116-119 liefern die elektromagnetische Strahlung zu einem konfokalen Reflektor (nicht gezeigt), der die Strahlung reflektiert und auf das Zielgebiet umleitet. Die Ausgänge a und d werden durch 180º Phasenverschieber 115 geführt, bevor sie die Ausgangssignale ihrer entsprechenden Butler-Matrix-Anschlüsse an ihre entsprechenden Speiseelemente liefern. Wie vorher offenbart, wird die Butler-Matrix 110 verwendet, um eine räumliche diskrete Fourier-Transformation an den einlaufenden Signalen a'- d' durchzuführen, so daß eine Brennebenen-Feldverteilung erzeugt wird, die äquivalent zu der gemeinsamen Brennebenen- Verteilung in einem dualen konfokalen Reflektorsystem ist. Falls die Butler-Matrix-Speiseanordnung, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, verwendet wird, werden unerwünscht hohe Nebenkeulen in dem Abtastbündel immer vorhanden sein, wenn es in Richtung des Randes des Zielgebiets, wie oben erwähnt, abtastet. Die Anwesenheit dieser unerwünschten Nebenkeulen kann unter Bezugnahme auf Fig. 16 erklärt werden.
• In Fig. 16a ist eine hypothetische Amplitudenverteilung, die an eine Butler-Matrix 110 über ihre Eingangsanschlüsse a'-d' angelegt werden kann. Diese hypothetische Amplitudenverteilung wird nur als eine Referenz verwendet, um die Ausgangsverteilungen, die in den Figuren 16b-16e gezeigt sind, zu diskutieren. Wie in Fig. 16a zu sehen ist, hält die Eingangsverteilung eine konstante Amplitude von Anschluß-zu-Anschluß und einen konstanten Anschluß-zu-Anschluß-Phasengradienten aufrecht. Fig. 16b zeigt das Ausgangssignal, das an den Speiseelementen 116-119 vorhanden wäre, wenn das Eingangssignal in die Butler-Matrix 110 durch vier konstante Amplitudensignale, die sich einen konstanten Phasengradienten von -45º teilen, eingespeist werden würde. Es wird angemerkt, daß für diesen hypothetischen Eingangsphasengradienten die gesamte von den Hörnern 116-119 abgestrahlte Leistung von dem Anschluß 2 ausgegeben werden würde. Nimmt man an, daß ein Phasengradient von 45º den in die Butler-Matrix 110 eingegebenen Signalen gegeben worden ist, zeigt Fig. 16c, daß die gesamte von der Butler-Matrix 110 ausgegebene Leistung von dem Anschluß 3 ausgegeben wird und daß keine Leistung von den Anschlüssen 1, 2 oder 4 ausgesendet wird. Fig. 16d zeigt, daß, falls die vier Eingänge in die Butler-Matrix a'-d' einen 0º Phasengradienten teilen (d.h. daß sie alle in Phase sind), jeder Ausgangsanschluß dann zu der gesamten Ausgangsleistung beiträgt. Es ist anzumerken, daß Fig. 16d zeigt, daß eine 180º Phasenumkehr an den Außenanschlüssen vorhanden ist. Ebenso ist in Fig. 16d das elektrische Phasenzentrum 30º des Feldes für den Eingangsphasengradienten 0º gezeigt. Fig. 16e zeigt das Ausgangssignal der Butler-Matrix für einen Eingangsphasengradienten von 90º. Es ist anzumerken, daß, wie in Fig. 16d, jeder der Anschlüsse Leistung zu der Gesamtausgabe des Feldes beiträgt, und daß eine 180º Phasenumkehr auf dem linksseitigen Anschluß 2 vorhanden ist. Bei 302 in Fig. 16e ist der ungefähre Ort des elektrischen Phasenzentrums des Feldes für einen Eingangsgradienten von 90º gezeigt.
• Der Fall in Fig. 16e stellt das Vorhandensein von unerwünschten Nebenkeulen für einen Eingangsphasengradienten von 90º dar. In diesem Fall ist, ungleich den Fällen in Fig. 16b-16d, die Anregung der Hörner 116-119 unsymmetrisch um das elektrische Phasenzentrum des Feldes. Diese Asymmetrie in den Speiseanregungen bewirkt eine Asymmetrie in den Bündelmustern für diese Zwischenbündelpositionen, die in der Nähe des Randes des Feldes auftreten. In anderen Worten ausgedrückt, schwächt sich die Bündelform ab oder dehnt sich aus, wenn der elektrische Phasensensor des Feldes in Richtung des Randes des Feldes abtastet. Diese Ausdehnung ist unerwünscht, da, um sie auszugleichen, die Systembandbreite und konsequenterweise die Systemkapazität geopfert werden muß. Ein neuer Ansatz ist entwickelt worden und wird zur Vermeidung dieser Strahlbündelausdehnung hier offenbart. Dieser neue Ansatz wird nun im Zusammenhang mit Fig. 17 beschrieben.
• Bezugnehmend auf Fig. 17 wird nun eine Standard-Acht- Anschluß-Butler-Matrix 110 gezeigt, die acht Eingangsanschlüsse 310 und acht Ausgangsanschlüsse 312 hat. Acht- Anschluß-Butler-Matrizen dieser Art sind denjenigen auf dem Gebiet der Satellitenkommunikation wohlbekannt. Vier der Ausgänge der Acht-Anschluß-Butler-Matrix 116-119 sind an den Ausgangsspeiseeinrichtungen 1-4 endend gezeigt. Diese korrelieren mit der Anordnung, die in Fig. 15 verwendet ist. Zwei der verbleibenden Ausgänge der Butler-Matrix enden in Ausgangsspeiseeinrichtungen, die die Ausgangsspeiseeinrichtungen 116-119 flankieren und sind als Ausgangsspeiseeinrichtungen 314 und 316 dargestellt. Die verbleibenden zwei Ausgänge der Butler-Matrix enden in nicht strahlenden Lastelementen 318, 320.
• Die neue hier offenbarte Technik zum Verhindern der unerwünschten Ausdehnung des Feldbündels beinhaltet die Verwendung zusätzlicher Speiseelemente in der folgenden einzigartigen Weise. Wie man in Fig. 17 sieht, bedecken Primärspeiseelemente 116-119 adäquat das Zielgebeit (kontinentale Vereinigte Staaten) 322. Die Antenenspeiseeinrichtungen 314 und 316 werden verwendet, um die primären Speiseeinrichtungen zu flankieren und um Bündelmuster zu erzeugen, die ihre Energie nicht in das Zielgebiet konzentrieren. Dies ist in Fig. 17 durch den Hinweis illustriert, daß das durch das Speiseelement 314 projizierte Bündelmuster in der Tat nicht in den kontinentalen Vereinigten Staaten auftrifft. Gleichermaßen ist das Bündelmuster, das aus dem Speiseelement 316 austritt, neben der Ostküste der kontinentalen Vereinigten Staaten liegend gezeigt und trifft überwiegend innerhalb des Atlantischen Ozeans auf. Es ist anzumerken, daß der Reflektor in Fig. 17 aus Gründen der Klarheit und der Erklärung weggelassen worden ist, aber in der Tat in einem normal arbeitenden System verwendet werden würde.
• Die Primärbündel 324-330 treffen auf das Zielgebiet im allgemeinen entlang einer gemeinsamen Achse auf. Diese Bündel treten aus den Speiseelementen 116-119 aus und werden verwendet, um Information in das gesamte Zielgebiet zu übertragen. Die äußeren Speiseeinrichtungen 314 und 316 werden nur zur Bündelformung verwendet und werden konsequenterweise nicht zur Informationsübertragung verwendet. In Fig. 17 sind Bündelmuster 332 und 334 gezeichnet, um zu zeigen, wie das Bündelmuster aussehen würde, falls eine hinreichend hohe Menge an Energie den Speiseelementen 314 und 316 zugeführt werden würde. Allerdings werden in dem offenbarten System die Bündel 332 und 334 niemals als Primärbündel verwendet, sondern sie werden als Sekundärbündel verwendet und konsequenterweise werden sie nur mit einem Bruchteil der Energie, die normalerweise den Primärbündeln zugeführt wird, angeregt. Die Speiseeinrichtungen 314 und 316 werden verwendet, um sekundäre Bündel zum Zweck der Bündelformung zu erzeugen, wenn sich das Phasenzentrum des Antennenfeldes zwischen Bündelpositionen bewegt. Bündelformung wird durch die sekundären Bündel bewirkt, die destruktiv mit den unerwünschten Nebenkeulen wechselwirken, welche die Primärbündel begleiten, wenn die Primärbündel in Richtung der äußeren Enden des Antennenfeldes abtasten. Der Einschluß dieser Speiseeinrichtungen 314, 316 schafft eine symmetrische Feldanregung, und daher resultiert eine bessere Musterform bei Zwischenbündelpositionen. Es ist wichtig anzumerken, daß zusätzlich zu dem destruktiven Überlagern mit unerwünschten Nebenkeulen ihrer angrenzenden Nachbarn, ein sekundäres Bündel auch so wirkt, daß die Nebenkeulen, die durch seine weiter entfernten Nachbarbündel des Feldes erzeugt werden, reduziert, obwohl der Effekt des Sekundärbündels auf diese Nebenkeule umso geringer ist, je weiter die Nebenkeule von einem gegebenen sekundären Bündel auftritt.
• Obwohl die zwei Ausgänge der Butler-Matrix 110 in einem abgeschlossenen Zustand 318, 320 gezeigt sind, können sie zusammen mit den Speiseelementen 314 und 316 zur Durchführung einer Bündelformung verwendet werden. Falls alle acht Ausgänge der Butler-Matrix 110 verwendet würden, wäre die Gesamtfähigkeit des Systems, die Strahlenbündelverbreiterung zu eliminieren, sogar größer als in dem Fall, in dem nur sechs der Ausgänge der Butler-Matrix 110 verwendet werden. Ein Abschließen der zwei Ausgänge, wie in Fig. 17 gezeigt, führt einen kleinen Leistungsverlust ein. Für den in Fig. 17 dargestellten Fall ist der maximale Leistungsverlust -0,33 dB, falls die Eingangsphasen so beschränkt werden, daß die Bündel 322 und 330 die maximale Bündel-Abtastposition darstellen. Wenn ein Watt Leistung dem Speiseelement 116 zugeführt wird, dann würden 0,0732 Watt in den bei 318 und 320 gezeigten Lasten dissipieren. Falls alle acht Anschlüsse der Butler- Matrix 110 für die Bündelformung verwendet werden, würde dieser Verlust nicht auftreten.
• Die vorangehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter Bezug auf ein mobiles Satellitenkommunikationssystem zum Übertragen und Empfangen zwischen mehreren Bodenstationen bei bestimmten spezifizierten Frequenzen in dem L-Band beschrieben worden. Der Fachmann wird erkennen, daß die vorliegende Erfindung auch leicht zur Verwendung in Land- oder Satellitenkommunikationssystemen, die in anderen Frequenzbändern, wie beispielsweise dem C- oder Ku-Band, angepaßt werden kann. Die Anzahl der zusätzlichen Strahlerelemente, die hinzugefügt werden, um die Nebenkeulen zu eliminieren, ist nicht auf eins oder zwei beschränkt. Jede Anzahl von zusätzlichen Strahlerelementen kann hinzugefügt werden, von denen jedes weiter bewirken wird, daß die unerwünschten Nebenkeulen reduziert werden. Die Größe des Hauptreflektors, die Anordnung und der Typ des Antennenfeldes und die spezifischen Empfangs- und Übertragungsnetzwerke, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, können wesentlich verändert werden, ohne von dem Rahmen der allgemeinen Aspekte der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnten getrennte Speisehörner verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung, die das steuerbare Bündel bildet, zu übertragen und zu empfangen. Ebenso kann ein konventioneller Screen- Typ-Diplexer zwischen dem Antennenfeld und dem Reflektor plaziert werden, um so die einfallende elektromagnetische Strahlung, die empfangen werden soll, zu einem getrennten Empfängerfeld, das unter einem beträchtlichen Winkel zur Ebene des ersten Antennenfeldes angeordnet ist, umzuleiten. Eine derartige Ausführungsform würde somit zwei getrennte Übertragungsund Empfangsantennenfelder haben. Alternativ könnten getrennte Hauptreflektoren vorgesehen werden, von denen einer mit einem getrennten Übertragungsantennenfeld benutzt werden soll und der andere mit einem getrennten Empfangsantennenfeld benutzt werden soll. Zur Zeit ist die letztere Anordnung für Satellitenantennensysteme der vorliegenden Erfindung aufgrund des merklichen Extragewichts und der Kosten, zwei Hauptreflektoren zur Verfügung zu stellen, nicht bevorzugt. Allerdings kann eine derartige Ausführungsform für Systeme der vorliegenden Erfindung, die auf Land- oder Seefahrzeugen vorgesehen sind, sehr geeignet sein.
• Angesicht der vorangegangenen Beschreibung sieht man, daß das Antennensystem der vorliegenden Erfindung für eine Zwei-Wege- Kommunikation zwischen Bodenstationen und einem geosynchronen Satelliten gut geeignet ist. Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung hat die Vorteile einer effektiven Kombination der Leistung der Ausgangssignale einer Mehrzahl von Leistungsverstärkern, die gleichzeitig parallel betrieben werden. Es wird ebenfalls ein Ein-Reflektorantennensystem geschaffen, daß durch die Verwendung einer räumlichen Transformationseinrichtung, wie beispielsweise einer Butler-Matrix, funktionell äquivalent zu dem dualen konfokalen Reflektorsystem, das im Abschnitt über den Hintergrund der Erfindung beschrieben ist, einschließlich des Erreichens einer Vergrößerung der effektiven Öffnung der Elemente ist. Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung schließt das Erfordernis der Verwendung eines Nebenreflektors aus, ohne zusätzliche Strahlerelemente zu schaffen, womit Gewicht, Raum und Kosten gespart werden. Da das Antennensystem der vorliegenden Erfindung eine Technik mit zum Abtasten führbaren virtuellen Bündein verwendet, verringert sie ebenfalls die physische Größe des Antennensystems durch Minimieren der Anzahl von Strahlerelementen und Reflektoren, die verwendet werden müssen. Das vorliegende System bewirkt auch, daß unerwünschte Nebenkeulen, die auftreten, wenn das strahlende Bündel in Richtung der Randabschnitte des Zielgebietes abtastet, reduziert werden. Diese Nebenkeulenunterdrückung wird dadurch erreicht, daß zusätzliche Strahlerelemente zusammen mit dem Hauptfeld angeordnet werden und die zusätzlichen Strahlerelemente verwendet werden, um Energiebündel zu erzeugen, die die unerwünschten Nebenkeulen, die die Primärbündel begleiten, auslöschen. Somit resultiert aus einem Antennensystem der vorliegenden Erfindung ein effizienteres Satellitenkommunikationssystem mit einem geringerem Gewicht. Schließlich erlaubt die Verwendung von Zeitverzögerungen oder Phasenverschiebungen im Basisband oder bei Zwischenfrequenzen, daß das Ausgangssignal mehrerer Übertragungsnetzwerke auf ein einzelnes Feld von Strahlerelementen gegeben wird, um dasselbe Antennenmuster bei verschiedenen Frequenzen zu erzeugen, wobei somit ermöglicht wird, das Antennensystem in Satellitenkommunikationssystemen zu verwenden, die einen mehrfachen Zwei-Wege-Simultan- Kommunikationskanal zwischen vielen räumlich weit voneinander getrennten Bodenstationen innerhalb des Abtastwinkels der virtuellen Bündel erfordern.

Claims (20)

1. Ein Antennensystem umfassend:

einen Reflektor (32), der einen damit assoziierten Brennpunkt (F) hat;

ein Antennenfeld, das eine Mehrzahl von Strahlerelementen (116, 117, 118, 119) hat und auf Signale anspricht, die diesem zur Erzeugung von zur Informationsübertragung verwendeter Bündel (324, 326, 328, 330) elektromagnetischer Strahlung zugeführt werden und ein Zielgebiet überdecken, worin das Feld operativ in der Nähe des Brennpunkts (F) des Reflektors angeordnet ist und wenigstens bestimmte der Antennenbündel unerwünschte Nebenkeulen aufweisen;

eine operativ mit dem Antennenfeld verbundene Einrichtung (110) zur Durchführung einer approximativen, räumlichen Transformation der Amplitude und der Phasenverteilung der Signale, die dem Antennenfeld zugeführt werden,

gekennzeichnet durch

wenigstens ein zusätzliches Strahlerelement (314, 316), das zusammen mit dem Feld (116, 117, 118, 119) positioniert ist, wobei das zusätzliche Strahlerelement (314, 316) operativ in der Nähe des Brennpunkts (F) des Reflektors angeordnet ist;

wobei das zusätzliche Strahlerelement (314, 316) auf die Signale anspricht, so daß ein erstes zusätzliches, nicht zur Informationsübertragung verwendetes und einen Zentrumsabschnitt, der außerhalb des Zielgebiets auftrifft, und einen Randabschnitt, der wenigstens mit einem ersten Abschnitt des Zielgebiets überlappt, aufweisendes Bündel (332, 334) elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird, wobei sich der Randabschnitt des ersten zusätzlichen Bündels (332, 334) mit bestimmten der Antennenbündel (324, 326, 328, 330) verbindet, so daß die Nebenkeulen reduziert werden und

die Einrichtung (110) zur Durchführung der approximativen, räumlichen Transformation der Amplitude und der Phasenverteilung auch operativ mit dem zusätzlichen Strahlerelement (314, 316) verbunden ist, um eine Transformation der Signale, die dem zusätzlichen Strahlerelement (314, 316) zugeführt werden, durchzuführen.

2. Ein System nach Anspruch 1, in welchem jedes Strahlerelement (314, 316) ein Speisehorn ist, das in einem hexagonalen Muster angeordnet ist.

3. Ein System nach Anspruch 1, in welchem die approximative, räumliche Transformationseinrichtung (110) eine Butler- Matrix mit einer Mehrzahl von Eingangsanschlüssen und einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen ist.

4. Ein System nach Anspruch 3, in welchem die Ausgangsanschlüsse der Butler-Matrix mit dem wenigstens einen zusätzlichen Strahlerelement (314, 316) und den Strahlerelementen (116, 118, 119) des Antennenfeldes verbunden sind und in welchem die räumliche Transformation eine diskrete Fourier-Transformation ist.

5. Ein System nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Einrichtung zum Speisen der Eingangsanschlüsse der Butler- Matrix mit einem Satz von Signalen mit einer vorbestimmten Phasenbeziehung, die durch die Formel

xn = sin (ωt + nΨ), n = 0, 1, 2, 3,

definiert ist, worin n die relative Position eines jeden Signals in dem Satz der Signale kennzeichnet, Ψ ein Eingangs-Phasenwert in dem Bereich von 0 bis 2 pi ist und ω die Frequenz des Signals ist.

6. Ein System nach Anspruch 5, in welchem der Eingangs- Phasenwert Ψ als Funktion der Frequenz ω variiert.

7. Ein System nach Anspruch 3, weiter umfassend:

eine erste Einrichtung (150, 212, 214) zum Erzeugen eines ersten Satzes von zweiten zueinander phasenverschobenen Signalen aus einem ersten Signal mit einer ersten Nennfrequenz zur Lieferung an die Transformationseinrichtung, um dem System zu ermöglichen, ein virtuelles Frequenzabtastbündel, das in dem ersten Signal verschlüsselte Information umfaßt, zu erzeugen.

8. Ein System nach Anspruch 7, in welchem die erste Einrichtung zum Erzeugen eine Mehrzahl von phasenverschiebungserzeugenden Elementen (174, 182, 224) aufweist, von denen jedes in der Lage ist, ein durch dieses gelaufenes Signal effektiv in der Phase zu verschieben, und jedes mit einem der zweiten Signale assoziiert ist.

9. Ein System nach Anspruch 8, in welchem jedes phasenverschiebungserzeugende Element (174, 182, 224) eine Zeitverzögerungseinrichtung ist.

10. Ein System nach Anspruch 3, in welchem bestimmte der Ausgangsanschlüsse entsprechend mit den Strahlerelementen (116, 117, 118, 119) und dem einen zusätzlichen Strahlerelement (314, 316) verbunden sind, und wenigstens ein anderer der Ausgänge mit einer nicht strahlenden Last verbunden ist.

11. Ein System nach Anspruch 1, in welchem die Bündel (322, 324, 326, 328) und das eine zusätzliche Bündel (332, 334) an den entsprechenden Auftreffpunkten der Bündel in dem Zielgebiet im wesentlichen entlang einer gemeinsamen Referenzachse ausgerichtet sind.

12. Ein System nach Anspruch 1, umfassend ein zweites zusätzliches Strahlerelement (314, 316), das zusammen mit dem Feld positioniert ist und von dem einen zusätzlichen Strahlerelement im Abstand angeordnet ist, wobei das zweite zusätzliche Strahlerelement (314, 316) operativ neben dem Brennpunkt des Reflektors angeordnet ist und auf Signale anspricht, um ein zweites nicht für Informationszwecke verwendetes, zusätzliches Bündel (332, 334) elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen mit einem Zentrumsabschnitt, der außerhalb des Zielgebiets auftrifft, und einem Nebenabschnitt, der mit wenigstens einem zweiten, von dem ersten Abschnitt des Zielgebiets im Abstand angeordneten Abschnitt des Zielgebiets überlappt, wobei sich der Nebenabschnitt des zweiten zusätzlichen Bündels mit den bestimmten der Antennenbündel verbindet, um die Nebenkeulen zu verringern.

13. Ein System nach Anspruch 1, in welchem die Bündel (322, 324, 326, 328) und das erste und zweite zusätzliche Bündel (332, 334) an den entsprechenden Auftreffpunkten der Bündel in dem Zielgebiet im wesentlichen entlang einer gemeinsamen Referenzachse ausgerichtet sind.

14. Ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Richtantennensystems von dem Typ, der einen Reflektor (32) mit einem Brennpunkt (F) und eine Mehrzahl von Strahlerelementen (116, 117, 118, 119), die auf zu diesen zugeführte Signale ansprechen, aufweist, wobei die Mehrzahl der Strahlerelemente (116, 117, 118, 119) im allgemeinen an dem Brennpunkt (F) des Reflektors (32) angeordnet sind und Abtastbündel (322, 324, 326, 328) elektromagnetischer Energie, die durch den Reflektor auf ein Zielgebiet gerichtet wird, bilden, um über das Zielgebiet geführt zu werden und dieses gemeinsam zu überdecken, wobei das Zielgebiet wenigstens eine Seite hat, in welcher die zur Informationsübertragung verwendeten Abtastbündel (322, 324, 326, 328), die auf diese eine Seite gerichtet sind, unerwünscht hohe Nebenkeulen elektromagnetischer Energie aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Schaffen eines Satzes erster Signale, die eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander haben und die zu übertragende Information enthalten;

(b) Erzeugen eines Satzes zweiter Signale aus dem Satz der ersten Signale durch wenigstens approximatives Durchführen einer räumlichen Transformation der Amplitude und der Verteilung des Satzes der ersten Signale;

(c) Erzeugen der Abtastbündel durch Übertragen von Vorausgewählten des zweiten Satzes der Signale auf den Reflektor durch Hindurchlaufenlassen der Vorausgewählten des zweiten Satzes der Signale durch die Mehrzahl der Strahlerelemente (116, 117, 118, 119)

gekennzeichnet durch

(d) Erzeugen von wenigstens einem zusätzlichen Bündel (332, 334) durch Übertragen von wenigstens einem Signal in dem zweiten Satz der Signale auf den Reflektor durch Hindurchlaufenlassen des wenigstens einen Signals durch ein zusätzliches Strahlerelement (314, 316), das zusammen mit der Mehrzahl der Strahlerelemente angeordnet ist, wobei das zusätzliche Bündel so gerichtet ist, daß der Zentrumsabschnitt desselben außerhalb des Zielgebiets auftrifft, und der Nebenabschnitt des zusätzlichen Bündels auf eine Seite des Zielgebiets fällt, wobei sich der Nebenabschnitt des zusätzlichen Bündels mit dem Abtastbündel verbindet, um die Nebenkeulen auf ein erwünschtes Niveau zu reduzieren, in welchem das wenigstens eine zusätzliche Bündel nicht zur Informationsübertragung verwendet wird.

15. Ein Verfahren nach Anspruch 14, in welchem Schritt (b) unter Verwendung einer Butler-Matrix (110) ausgeführt wird, um den zweiten Satz von Signalen aus dem Satz von ersten Signalen zu erzeugen, und in welchem die räumliche Transformation eine diskrete Fourier-Transformation ist.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 14, in welchem die vorbestimmte Phasenbeziehung des Satzes von ersten Signalen wenigstens im wesentlichen definiert ist durch:

xn(t) = sin (ωt + nΨ), n = 0, 1, 2, 3,

worin n die relative Position eines jeden ersten Signals in dem Satz der ersten Signale kennzeichnet und T der Eingangs-Phasenwert in dem Bereich von 0 bis 2 pi ist und ω die Frequenz des Signals ist.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 14, in welchem Schritt (a) die Unterschritte aufweist:

(1) Erzeugen eines Basisbandsignals; und

(2) Einführen einer Mehrzahl von Zeitverzögerungen in das Basisbandsignal, um wenigstens eine Mehrzahl der ersten Signale zu erzeugen.

18. Ein Verfahren nach Anspruch 14, in welchem die Schritte (c) und (d) so ausgeführt werden, daß das Abtastbündel und zusätzliche Bündel entlang einer im wesentlichen gemeinsamen Achse einfallen.

19. Ein Verfahren nach Anspruch 14, umfassend die Schritte des Erzeugens eines zweiten zusätzlichen Bündels (332, 334), das so gerichtet ist, daß der Zentrumsabschnitt desselben außerhalb des Zielgebiets auftrifft und sich der Nebenabschnitt des zweiten zusätzlichen Bündels mit dem Abtaststrahl verbindet, um die Nebenkeulen auf ein erwünschtes Niveau zu reduzieren, in welchem das zweite zusätzliche Bündel nicht zur Informationsübertragung verwendet wird.

20. Ein Verfahren nach Anspruch 19, in welchem das erste und das zweite zusätzliche Bündel so gerichtet werden, daß die Randbereiche derselben voneinander im Abstand angeordnet sind.