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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Weltraum- und Kommunikationsantennen. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung einen drehbaren und schwenkbaren neukonfigurierbaren
geformten Reflektor mit einem beweglichen Strahlersystem.
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Stand der
Technik
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Es ist üblich, einen Satelliten für ein bestimmtes
Land oder ein geografisches Gebiet basierend auf einer vorgegebenen
orbitalen Position des Satelliten anzupassen. Dies beschränkt die
Nutzung des Satelliten auf die spezifische Anwendung. Falls eine
Situation auftritt, bei der es notwendig wird, das geografische
Gebiet zu ändern,
muss ein neukonfigurierter Satellit gestartet werden, um diese Änderung
zu bewirken.
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Im Falle einer Fehlfunktion eines
Satelliten muss ein anderer Satellit mit gleicher Leistungsspezifikation
gebaut werden. Dies kann zu einer Verzögerung von bis zu drei Jahren
führen,
um den Ersatzsatelliten zu bauen und zu starten. Ein neukonfigurierbares
Antennensystem würde
einige dieser Nachteile lindern, die mit gebietsspezifischen Satellitensystemen
verbunden sind.
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Es gibt komplexe Lösungswege,
um effiziente rekonfigurierbare bzw. neukonfigurierbare Antennen
zu erzielen. Allerdings haben diese Lösungswege begrenzte Effizienz
aufgrund der aktuellen Verstärkerdesigns.
Während
in der Zukunft dieser Lösungsweg
mit besseren Verstärkerdesigns
möglich wird,
ist es noch nicht praktikabel, aktive Antennen zu verwenden.
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Ein drehbarer Antennenstrahl kann
durch Drehen eines Subreflektors in einem gregorianischen Dualreflektor
bzw. Doppelreflektor erreicht werden. Der Subreflektor ist anfangs
geformt, um einen einfachen elliptischen Strahl zu erzeugen. Allerdings
ist die Strahlgröße begrenzt
auf etwa 3 bis 4 Grad, da die Möglichkeiten
der Ausformung des Subreflektors begrenzt sind. Dies ist ein Nachteil,
da viele aktuellen C-Band-Strahlen sehr groß sind. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass das Ausformen des Subreflektors die Strahlformen
auf einfache Formen begrenzt, wobei viele Anwendungen die Fähigkeit
komplexer Strahlen erfordern.
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US
4,933,681 offenbart eine Radarantenne, die zur Verwendung
in einem Radome angepasst ist, der unter dem Rumpf eines Flugzeugs
platziert ist. Die Radarantenne umfasst einen Reflektor mit parabolischer
Form, der drehbar um die Längsachse
und einteilig mit einem Gehäuse
ist. Diese Anordnung wird zum Verschwenken um die Querachse und
um die Vertikalachse in dem Radome befestigt. Eine Drehung um die
Längsachse,
die Rollachse genannt wird, wird durch Drehen der Sendequelle mittels
Rotationsmitteln vorgesehen, die in dem Gehäuse und der Öffnung platziert
sind. Bei in der Roll-Richtung feststehendem Reflektor kann dessen
Gebiet sich über
den gesamten inneren Abschnitt des Radomes erstrecken, wobei die
Drehung des Radarstrahls entlang der Rollachse durch Drehen der
Quelle in Bezug auf den Reflektor erreicht wird.
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US
4,535,338 betrifft eine mehrstrahlige Antennenanordnung.
Die mehrstrahlige Antennenanordnung umfasst einen Hauptfokussierungsreflektor, einen
doppelt gekrümmten
Subreflektor und eine Vielzahl von Strahlern. Strahlen einer Satellitenantenne,
die eine Tonnenverzerrung herbeiführen, können neu auf einen Satz von
Erdkoordinaten ausgerichtet werden, wenn der Satellit in der Äquatorumlaufbahn
durch Drehen des Subreflektors um eine Achse bewegt wird, die im
Wesentlichen parallel zu der Erdachse ist und die durch den konvokalen
Punkt der Antenne läuft.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist ein
Antennensystem, das eine wirksame Strahl-Rekonfiguration ohne die
Nachteile bereitstellt, die mit bekannter Technologie einhergehen.
Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung hat zumindest eine
Antenne, die neu konfiguriert werden kann, um für eine globale Abdeckung zu
arbeiten und um eine komplexe Strahlformfähigkeit zu ermöglichen.
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Das Antennensystem der vorliegenden
Erfindung besitzt eine Hauptreflektorform, die anfänglich für ein bestimmtes
Strahlmuster oder eine bestimmte Strahlform optimiert ist. Aus dem
optimierten Strahlmuster wird eine Optimalachse bestimmt. Ein Dreh- und
Aufhängungsmechanismus
wird auf der Optimum- bzw. Optimalachse platziert, um eine Strahldrehung
und Aufhängung
um die Optimalachse zu ermöglichen.
Die Optimalachse wird verwen det, da sie ermöglicht, dass der Strahl sich
ohne Änderung seiner
Form drehen kann. Die Strahlposition verändert sich nicht, wenn er sich
um die Optimalachse dreht. Deshalb verändert sich die Strahlposition nicht.
Der Strahl kann ohne Störung
der Strahlform gedreht werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine kostengünstige
hocheffiziente neukonfigurierbare bzw. rekonfigurierbare Antenne
zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine rekonfigurierbare Antenne zu schaffen, die in der Lage ist,
sehr große
komplexe Strahlformen zu produzieren.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine rekonfigurierbare Antenne bereitzustellen, die Flexibilität bezüglich der
Satellitenabdeckungsmuster bereitstellt und es möglich macht, das Abdeckungsgebiet
eines Satelliten zu ändern.
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Andere Aufgaben und Merkmale der
vorliegenden Erfindung ergeben sich im Lichte der detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die in Zusammenhang
mit den begleitenden Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen zu sehen ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform eines
Antennensystems der vorliegenden Erfindung;
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2A zeigt
das Gebiet des Atlantischen Ozeans;
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2B zeigt
das Gebiet des Indischen Ozeans;
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2C zeigt
das Gebiet des Pazifischen Ozeans;
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3 ist
die Geometrie des C-Band-Doppelreflektors;
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4 ist
das C-Band-Abdeckungs-Sollmuster;
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5 ist
die C-Band-Abdeckung, gedreht um 45 Grad;
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6 ist
das C-Band-Abdeckungsmuster, gedreht um 90 Grad;
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7 ist
der rekonfigurierte C-Band-Abdeckungsstrahl über dem Gebiet des Pazifischen
Ozeans;
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8 ist
der rekonfigurierte C-Band-Abdeckungsstrahl über dem Gebiet des Atlantischen
Ozeans;
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9 ist
die Geometrie des Ku-Band-Doppelreflektors;
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10 ist
das Ku-Band-Abdeckungs-Sollmuster über Australien;
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11 ist
das Ku-Band-Abdeckungsmuster mit verbesserter Verstärkung über Südafrika.
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Die besten Modi zur Ausführung der
Erfindung
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Bezugnehmend auf die 1 bis 11 und
insbesondere auf 1 ist
ein Antennensystem 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Das Antennensystem umfasst sechs (6) Antennen eines gregorianischen
Doppelreflektor-Aufbaus. Während
die Erfindung hier mit Bezug auf einen Doppelreflektor-Aufbau beschrieben
wird, ist festzuhalten, dass ein einzelner Reflektoraufbau, der
von einem beweglichen Strahler bestrahlt wird, ebenfalls benutzt
werden könnte.
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Zwei der Antennen des vorliegenden
Beispiels arbeiten mit C-Band-Frequenzen und vier dieser Antennen
arbeiten mit Ku-Band-Frequenzen. Speziell
umfasst das Antennensystem 10 eine große C-Band-Antenne 12,
eine kleine C-Band-Antenne 14, eine große Ku-Band-Antenne 16 und
drei (3) kleinere Ku-Band-Antennen 18. All diese Antennen
arbeiten mit zwei orthogonal-linearen Polarisationen und senden
und empfangen Bänder.
Die Hauptreflektoren aller Antennen sind mit Dreh- und Kippmechanismen versehen,
die ein Drehen und Schwenken des Strahls ermöglichen. Die Ku-Band-Strahler
können axial
defokussiert sein, um eine Strahlformvariation in der Umlaufbahn
zu erleichtern. Während
es möglich
ist, die C-Band-Strahler zu defokussieren, ist es aufgrund der großen Größe der Strahlform üblicherweise
nicht erforderlich.
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Alle der Antennen werden über gewellte Hornstrahler
hoher Leistung (in 1 nicht
gezeigt, vgl. 28 in 3 und 34 in 9)
versorgt, die gekennzeichnet sind durch überlegene Überlappung und Kreuzpolarisationsleistung.
Aufgrund der Kreuzpolarisationseigenschaften der gregorianischen
Konfiguration kann ein einzelner Strahler für beide Polarisationen verwendet
werden. Das System 10 von sechs (6) Antennen erzeugt unterschiedliche
Strahlen, die Flächen
von drei Ozeangebieten abdecken; das Gebiet des Atlantischen Ozeans
(AOR, in 2A gezeigt),
das Gebiet des Indischen Ozeans (IOR, in 2B gezeigt), und das Gebiet des Pazifischen
Ozeans (POR, in 2C gezeigt).
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3 ist
ein Diagramm einer C-Band-Doppelreflektorgeometrie,
wobei ein Hauptreflektor 20 und ein Subreflektor 22 gezeigt
sind. Eine Optimalachse 24 wird festgelegt und ein Dreh-
und Schwenkmechanismus 26 ist auf der Optimalachse 22 angeordnet,
um eine Drehung der Strahlform zu ermöglichen. Ein Antennenstrahler 28 ist
auf dem Subreflektor 22 platziert.
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Jeder der Hauptreflektoren 20 ist
auf eine Soll-Strahlform ausgeformt. Die Soll-Strahlform und die
Hauptreflektorform werden gewählt,
nachdem die Antennenstrahlen, die spezifisch für das Satellitensystem sind,
das das rekonfigurierbare Antennensystem 10 einsetzen soll,
untersucht wurden. Im vorliegenden Beispiel ist ein elliptischer
Strahl gezeigt. 4 ist
die C-Band-Sollabdeckung
für die
in 3 gezeigte Antenne.
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Ein Drehen des Hauptreflektors 20 macht
es möglich,
die Strahlform zu drehen. Der Strahl kann um die Optimalachse 24 ohne
Schwenken gedreht werden. Die Strahlposition verändert sich nicht, wenn er um
die Optimalachse 24 gedreht wird. Deshalb kann der Strahl
mit nur minimaler Störung
seiner Form gedreht werden. 5 zeigt
die elliptische Strahlform, die um 45 Grad gedreht ist, und 6 zeigt die elliptische
Strahlform, die um 90 Grad gedreht wurde. Die gedrehte Strahlform
kann über
unterschiedliche Gebiete der Erde über den Kippmechanismus 26 (kardanischer
Mechanismus) auf dem Hauptreflektor 20 geschwenkt werden. 7 zeigt die rekonfigurierte
C-Band-Strahlform über dem
Gebiet des Pazifischen Ozeans. 8 zeigt die
rekonfigurierte C-Band-Strahlform über dem Gebiet des Atlantischen
Ozeans.
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Die Ku-Band-Reflektorgeometrie ist
in 9 gezeigt. Die Ku-Band-Antenne
im vorliegenden Beispiel besitzt einen Hauptreflektor 30 und
einen Subreflektor 32. Bei Ku-Band-Frequenzen können zusätzliche
Strahlformveränderungen
erhalten werden, indem axiale Bewegungen des Antennenstrahlers 34 eingesetzt
werden. Eine axiale Bewegung kann durch die Antennengeometrie begrenzt
sein. Bei dem vorliegenden Beispiel begrenzt die gregorianische Geometrie
die axiale Bewegung auf sechs (6) Inches auf jeder Seite des Antennenbrennpunkts.
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Bei dem vorliegenden Beispiel ist
die Sollform des Ku-Band-Antennenstrahls
für Australien und
Neuseeland optimiert, indem der geformte Strahl geschwenkt wird.
Die geschwenkte Strahlform ist in 10 gezeigt.
Der Antennenstrahler 34 kann defokussiert werden, so dass
die Strahlgröße reduziert wird,
so dass er über
Südafrika
verwendet werden kann, wie in 11 gezeigt.
Eine ähnliche
Strahlformänderung
kann erreicht werden, indem der Strahler auf dem Hauptreflektor
gehalten wird und nur der Subreflektor 32 bewegt wird.
Es ist auch möglich,
den C-Band-Antennenstrahl
ebenfalls zu defokussieren. Wegen der großen Größe der C-Band-Antennenstrahlform
ist dies jedoch üblicherweise
nicht erforderlich.
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Der Durchmesser, die Brennweite und
der Versatz der Antennengeometrie werden ausgewählt, um eine optimale Leistung
im Hinblick auf Drehen und Schwenken des Strahls zu erhalten. Die
Abmessungen des Subreflektoren 32 werden ausgewählt, um
die Beugungsverluste zu minimieren.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
besitzen alle Antennen eine gregorianische Geometrie. Alle Hauptreflektoren 20, 30 sind
einflächige
geformte Grafitreflektoren. Dieser Reflektortyp ist thermisch außerordentlich
stabil und besitzt nur eine geringe Anfälligkeit für Störungen bei der Herstellung.
Alle Reflektoren 20, 22, 30, 32 sind
im Antennenaufbau in der Mitte angebracht. Alle Hauptreflektoren 20, 30 sind
aufgestellt und benutzen Ausrichtungsmechanismen, die ein Auslenken
an alle drei Achsen ermöglichen.
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Wie zuvor erläutert, ist es möglich, einen
einzelnen Reflektor einzusetzen, der in der Lage ist, Strahlen zu
erzeugen, die beliebig über
einen weiten Winkelbereich gedreht und geschwenkt werden können. Der
einzelne Reflektor (nicht gezeigt) wird von einem Strahler bestrahlt
und durch Drehen des Reflektors um eine Optimalachse wird der Strahl
ohne Veränderung
der Strahlform gedreht. Zusätzlich
kann der einzelne Reflektor um zwei Achsen kippbar sein, um den
Strahl in jede Fernfeldrichtung zu schwenken. Bei diesem Einzelreflektor
kann die Strahlgröße durch
axiales Bewegen des Strahlers verändert werden.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Doppelreflektorantennen 12, 14, 16, 18 strukturell an
einer einheitlichen Antennenstruktur angebracht (nicht gezeigt).
Die Nadir (der Erde zugewandt)-Antennen sind an der Nadir-Tafel
(nicht gezeigt) der einheitlichen Antennenstruktur angebracht. Die
Ostund West-Antennen sind an der Nadir-Tafel mittels Grafitauslegern
und Strahler-Tafeln (nicht gezeigt) angebracht. Die Nadir-Tafel der einheitlichen
Antennenstruktur ist kinematisch an der Subnadir-Wand des Raumfahrzeugs
(nicht gezeigt) mittels eines Dreibein-Systems (nicht gezeigt) befestigt.
Dieses Befesti gungssystem ermöglicht
es der gesamten Antenne, vom Rest des Weltraumfahrzeugs (nicht gezeigt) thermisch
entkoppelt zu sein. Die einheitliche Antennenstruktur ist eine thermisch
stabile Plattform, dessen Stabilität die täglichen Störungen zwischen Antennenstrahlen
minimiert. Die C-Band-Strahler 26 sind fest an der einheitlichen
Antennenstruktur über passend
gebohrte Klammern (nicht gezeigt) befestigt. Die Ku-Band-Strahler 32 können mechanisch
um mehrere Inches in beide Richtungen defokussiert werden, indem
flugerprobte lineare Aktuatoren (nicht gezeigt) verwendet werden.
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Das Antennensystem 10 der
vorliegenden Erfindung erzeugt C-Band- und Ku-Band-Strahlen, um
so viele unterschiedliche Gebiete wie möglich abzudecken. Bei der bevorzugten
Ausführungsform deckt
das Antennensystem 10 sechs unterschiedliche Satellitenkonfigurationen über drei
Ozeangebieten ab. Die Antennen sind optimiert auf eine Leistung im
Hinblick auf Strahlform und Frequenzen, die mit jedem Strahl verbunden
sind. Jede Antenne wird einem bestimmten Strahl in einer vorgegebenen
Umlaufbahnposition zugeordnet, wie in 2A bis 2C gezeigt. Deshalb sind
die Drehung des Hauptreflektors um die Optimalachse, das Kippen
des Hauptreflektors und das Defokussieren des Strahlers für jede Antenne
optimiert, um eine optimale Strahlform zu erreichen.
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Die drehbaren Strahlformen und die
defokussierbaren Reflektoren liefern eine Vielzahl von komplexen
Strahlformen, die mit den drehbaren Strahlformen der anderen Antennen
in dem Antennensystem 10 kombiniert werden können, um
die Strahlformen zu verändern
und damit die Antennenabdeckung mehrerer verschiedener Gebiete zu
ermöglichen.
Es gibt nicht länger
eine Notwen digkeit, einen Satelliten mit bestimmten Abdeckungsspezifikationen
zu bauen und zu starten, falls die Geschäfte eine Änderung erforderlich machen.
Ein Satellit, der das flexible Antennensystem der vorliegenden Erfindung
einsetzt, ist in der Lage, eine Flexibilität bzgl. eines Ersatzes und
eine Veränderung
des Abdeckungsmusters während
der Umlaufbahn bereitzustellen.
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Während
bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind
viele Veränderungen
und alternative Ausführungsformen
für den
Durchschnittsfachmann naheliegend. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die Erfindung
nur im Rahmen der angehängten
Ansprüche
beschränkt
ist.