DE1516021C3

DE1516021C3 - Anordnung zur Nachführung der Empfangsantenne eines Empfängers für kohärente elektromagnetische Strahlung

Info

Publication number: DE1516021C3
Application number: DE19661516021
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Dr. 8135 Soecking Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1966-03-17
Publication date: 1973-09-13
Also published as: DE1516021A1; DE1516021B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Nachführung der Empfangsantenne eines Empfängers für kohärente elektromagnetische Strahlung mit Vakuumwellenlängen kleiner als etwa 1 mm, insbesondere optische Strahlung.

Eine Anordnung zur Nachführung einer Empfangsantenne ist z. B. im Zusammenhang mit dem Telstar-Projekt bekanntgeworden, bei der die gegenseitige Phasenlage der von der Antenne empfangenen und in einem Hohlleiter der Antenne sich fortpflanzenden Welle an zwei entsprechend ausgewählten Orten in diesem Hohlleiter miteinander verglichen wird. Abweichungen von den gegenseitigen Sollagen der Phase werden als Signal zur Steuerung des Nachführmechanismus ausgenutzt. Der wesentliche Vorteil dieser beschriebenen Art der Erzeugung eines zur Nachführung einer Antenne dienenden Signals gegenüber anderen bekannten Anordnungen ist der, daß nicht eine Abnahme der Intensität der empfangenen Strahlung, sondern die Abweichung der Phasenlage zur Steuerung ausgenutzt wird. Die Phase ist hierbei eine von der empfangenen Inten-

ität unabhängige Größe. Diese bekannte Anordnung läßt sich nur in den Frequenzbereichen anwenden, in denen die Strahlung eine definierte Wellenausbreitung in Hohlleitern aufweist.

Es ist mithin eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben., die auch für Strahlung mit Wellenlängen, die in Hohlleitern keine definierte Wellenausbreitung aufweist, eine sichere Antennennachführung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs umrissene Anordnung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittel zur Erzeugung eines die gleiche Frequenz wie die zu empfangende Strahlung aufweisenden Kontrollsignals mit gleichbleibender, einstellbarer Phase sowie ein Empfangsorgan mit einer strahlungsempfindlichen spaltförmigen öffnung vorgesehen sind, daß ferner Mittel vorgesehen sind, um die zu empfangende Strahlung und das KontroIIsignal dem Empfangsorgan auf unterschiedlichen Strahlungswegen derart zuzuführen, daß sich die zumindest nahezu ebenen Wellenfronten des Kontrollsignals und der zu empfangenden Strah-

lung in. der Ebene der Öffnung in einem Winkel β miteinander schneiden und ein Streifen aufweisendes Interferenzbild mit von diesem Winkel abhängiger Intensitätsverteilung ergeben, daß die Öffnung scharf begrenzt und ihre Breite so groß bemessen ist, daß diese im Regelbereich +« kleiner ist als der minimale Streifenabstand von einem Maximum der Intensitätsverteilung zum nächsten Maximum derselben abzüglich des Doppelten der maximal auftretenden einseitigen Streifenverschiebung, daß in der Empfangsebene der spaltförmigen Öffnung die elektrische Feldstärke des Kontroll signals größer ist als die der in der Öffnung zu empfangenden Strahlung und daß an sich bekannte Mittel zur Erzeugung eines von der Intensitätsverteilung in der öffnung abhängigen Servosignals für eine automatische Nachführung vorgesehen sind.

Der Erfindung liegen die folgenden Überlegungen zugrunde: In dem Bereich der extrem kurzwelligen, insbesondere im Bereich der optischen Strahlung, in dem eine wie obenerwähnte Wellenausbreitung nicht vorliegt, läßt sich das eingangs beschriebene Verfahren kaum anwenden. Dabei sind hier unter »extrem kurzwellig« Vakuumwellenlängen kleiner als etwa 1 mm, vorzugsweise kleiner als etwa 100 μ zu verstehen.

Kohärente Strahlung der oben bezeichneten Frequenzen wird vorzugsweise mit nach dem bekannten Maser- bzw. Laserprinzip arbeitenden Anordnungen verstärkt und auch erzeugt.

Die kohärente Maser- bzw. Laserstrahlung ist, wie bekannt, vielseitig verwendbar. Sie eignet sich insbesondere zur Nachrichtenübertragung über größere Entfernungen im Weltraum, insbesondere, da sie schon bei sehr kleinen Antennenabmessungen extrem scharf gebündelt werden kann. Dies hat zur Folge, daß sehr große Antennengewinne möglich sind. Gerade diese scharfe Bündelung aber erfordert wiederum eine außerordentlich exakte Nachführung des Empfangsorgans. Die Bedeutung der exakten Nachführung ist insbesondere dann groß, wenn sich Sender und Empfänger — wie dies z. B. beim Telstar der Fall ist — fortlaufend relativ zueinander bewegen.

Für die Realisierung des der Erfindung zugrunde liegenden Lösungsprinzips war die Lösung einer Anzahl von Teilaufgaben erforderlich.

Die erfindungsgemäße Anordnung muß klar angeben können, nach welcher Richtung eine Abweichung der Ausrichtung der Antenne zum Sender eingetreten ist. Das als Kriterium zu gewinnende Signal darf nur von der Richtungsänderung abhängen und muß von Intensitätsschwankungen der empfangenen Strahlung unabhängig gemacht werden. Das zu erzeugende Kontrollsignal muß, bezogen auf die Empfangsstrahlung, frequenzgleich und phasenstarr sein, damit ein stehendes Interferenzbild gewonnen und ausgewertet werden kann. Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, mit deren Hilfe das Interferenzbild eindeutig ausgewertet werden kann. Die Anordnung muß für sich so aufgebaut werden können, daß sie für jede in Betracht kommende Richtungsabweichung ein Signal als Kriterium abgeben kann.

Die Erfindung soll zum besseren und leichteren Verständnis an Hand der Figuren eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Anordnung eines der Erfindung gemäßen Ausführungsbeispiels besteht aus dem Empfangsorgan 1 mit seiner der einfallenden Strahlung zugewandten, spaltförmigen, scharf begrenzten strahlungsempfindlichen Öffnung 2. Die Blenden 3 und 4 können auch durch die Eintrittsoptik ersetzt werden. Der vom Empfangsorgan direkt zu empfangende Strahl wird in der F i g. 1 durch die Begrenzungen 5, der Strahl der sogenannten Kontrollstrahlung durch die Begrenzungen 6 angedeutet. Die von dem zu empfangenden Sender ankommende Strahlung 9 wird zum Teil als Strahlung 10 dem Verstärker 7 zugeführt. Es ist vorgesehen, daß der Verstärker 7 durch die Strahlung 10 in Frequenz und Phase gesteuert wird. Die im Verstärker 7 verstärkte Strahlung ist auf Grund des im Verstärker 7 vorgesehenen Begrenzers von Schwankungen der Intensität der Strahlungen 9 bzw. 10 unabhängig. Als Verstärker kommt eine Einrichtung in Frage, die die Strahlung 9 kohärent verstärkt. Für die vorliegenden Frequenzen kommt im wesentlichen ein Maser- bzw. Laserverstärker in Betracht, der vorzugsweise mit einer Rückkopplungseinrichtung versehen ist. Solange das Einkoppelorgan des Verstärkers 7 für die Strahlung 10 noch klein gegen die Wellenlänge ist, ist das aus dem Verstärker 7 austretende Kontrollsignal auch unabhängig von der Einfallsrichtung der Strahlung 10, wenigstens solange die Richtungsabweichungen noch klein sind.

Für den Fall, daß diese Unabhängigkeit nicht mehr erfüllt ist, d. h., wenn die Richtung der Wellennormalen der aus dem Verstärker austretenden Strahlung 11 durch diejenige der Strahlung 10 bestimmt ist, z. B. im Wellenlängenbereich etwa unter 100 μΐη, ist zur Umkehr der Richtungsabweichung beispielsweise in dem unmittelbar der öffnung 2 zuzuführenden Anteil 12 der Strahlung 9 eine Optik 13 vorgesehen. Die durch eine Richtungsabweichung der Wellennormalen der Strahlung 9 hervorgerufenen Richtungsänderungen sind dann für die in der öffnung 2 zu empfangende Strahlung 15 und die Kontrollstrahlung 14 einander gegenläufig.

Die Strahlungen 14 und 15 interferieren in der Ebene der Öffnung 2 mit einem Streifenbild, dessen Streifenrichtung senkrecht auf der Zeichenebene λ

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ist der Abstand zwischen Maximum und benachbartem Minimum des Streifenbildes, .worin β der Winkel zwischen den Wellennormalen der Strahlungen 14 und 15 ist. Damit bei Sollausrichtung ein Winkel ß₀ zwischen den Strahlungen 14 und 15 auftritt, ist ein Ablenkprisma 16 vorgesehen, das hier im Beispiel die Strahlung 11 in die Richtung der Strahlung des Kontrollsignals 14 abgelenkt hat.

F i g. 2 zeigt die in der Ebene der Öffnung 2 auftretende Intensitätsverteilung 21 des Interferenzbildes in der Schnittlinie zwischen der gemeinsamen Einfallsebene des Kontrollsignals 14 und der Strahlung 15 einerseits und der Ebene der öffnung 2 andererseits. Diese angegebene Intensitätsverteilung tritt ein, wenn das Kontrollsignal 14 wie erfindungsgemäß vorgesehen, eine höhere Feldstärke als die in der Öffnung zu empfangende Strahlung 15 hat. Diese Bemessung des Kontrollsignals 14 wird durch die Verstärkung mit entsprechender Begrenzung im Verstärker 7 erreicht. T₀ ist der zeitliche Mittelwert der Intensität des Kontrollsignals 14, der bei ausbleibender Strahlung 15 in der öffnung 2 festgestellt

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wird. Dem Interferenzbild entspricht die Intensitäts- Die Breite der Öffnung 2 in Richtung senkrecht verteilung, die durch die Kurve 21 wiedergegeben zur Zeichenebene ist an sich unkritisch, solange die ist. Sie kann bei Phasenschiebung mittels des Phasen- Streifen unverändert und parallel sind. Eine Verschiebers 8 bei unverändertem Streifenabstand in größerung dieser Breite vergrößert in diesem Falle Richtung der obenerwähnten Schnittlinie verschoben 5 die Absolutwerte der Stromänderungen, macht die werden. Anordnung also empfindlicher.

Eine Veränderung des Winkels β verändert den Es ist vorgesehen, daß die ganze in F i g. 1 im

Streifenabstand. Der Winkel ß₀ sei der Winkel, unter Prinzip dargestellte Anordnung um die Antennen-

dem die Wellennormalen des Kontrollsignals 14 und ausrichtung 17 rotiert. Auf diese Weise ist es mög-

der Strahlung IS auf die Öffnung 2 auftreffen, wenn io lieh, jede Richtungsabweichung der Antenne zu re-

sich die Antenne in optimaler Ausrichtung befindet, gistrieren. Hierzu sind weitere, an sich bekannte

d. h. die Strahlung 9 parallel der Antennenausrich- Mittel vorgesehen, um den jeweiligen augenblick-

tung 17 ist. Der Winkel β weicht bei Winkelabwei- liehen Drehwinkelwert der erfindungsgemäßen An-

chung α der Richtung der Strahlung 9 gegenüber der Ordnung zusammen mit dem als Nachführkriterium

Antennenausrichtung 17 von ß₀ um einen Wert ab, 15 dienenden Signal vom Empfangsorgan 1 dem Nach-

der von α abhängt. Das Vorzeichen von α wird ent- führantrieb zuzuführen.

weder dadurch registriert, daß — wie oben bereits Es sei ergänzend darauf hingewiesen, daß die in

beschrieben — die Ausrichtung der Strahlung 11 un- ' F i g. 1 dargestellte Anordnung an sich noch nicht

abhängig von der einfallenden Strahlung 10 ist oder dem Zweck dienen soll, das in der Strahlung 9 ent-

daß — wie ebenfalls bereits beschrieben — eine-, 20 haltene Signal auszuwerten. Zu diesem Zweck wird

beispielsweise durch die Linsenanordnung 13 be^ ein weiterer Empfänger vorgesehen. Ein derartiger

wirkte, Umkehrung ■ der Richtungsabweichung in Empfänger ist mit 31 bezeichnet. Mit Hilfe eines

einem der beiden Strahlungswege vorgesehen ist. teildurchlässigen Spiegels wird ein Anteil 33 der

.Die Umwandlung der Veränderung des Streifen- Strahlung 12, wie angedeutet, dem Empfänger 31 zu-

bildesin ein elektrisches Signal als Kriterium für die 25 geführt.

Antennennachführung wird durch die erfindungs- Die Anordnung, wie sie im Ausführungsbeispiel gemäße Bemessung der strahlungsempfindlichen Öff- in Fig. 1 dargestellt ist, und der eigentliche Empnung 2 erreicht. Nach dieser Lehre wird die Breite fänger 31 für das auszuwertende Empfangssignal des strahlungsempfindlich wirksamen Bereiches des werden am zweckmäßigsten in einer Teleskopspiegel-Empfangsorgans 1 durch die Öffnung 2 scharf be- 30 anordnung etwa nach Cassegrain eingesetzt. Die grenzt. Die Breite der Öffnung 2 wird so groß be- nachzuführende Antenne ist in diesem Fall der messen, daß sie im Regelbereich ± α kleiner ist als Empfangsspiegel, der ^;init der erfindungsgemäßen der minimale Streifenabstand von einem Maximum Anordnung fest verbunden ist und bei dem, abgezum nächsten abzüglich des Doppelten der maximal sehen von eventuellen Umlenkeinrichtungen, die auftretenden einseitigen Streifenverschiebung. Die 35 Spiegelachse mit der Ausrichtung 17 der erfindungs-Begrenzungen 22 veranschaulichen diese Bemessung gemäßen Anordnung übereinstimmt,
bei der Intensitätsverteilung 21. Eine Verschiebung Ein Anteil der Strahlung 11 bzw. des Kontrollder Streifen im Interferenzbild auf dem Empfangs- signals 14 kann zur Erzeugung eines Vergleichsorgan 1, die stellenweise auf Grund der Verände- stromes mit dem WertZ₀, z.B. in einer dem Emprung des Streifenabstandes auftritt, ist an einer sol- 40 fangsorgan 1 entsprechenden strahlungsempfindlichen chen Stelle als eine Veränderung der gesamten, in Anordnung, herangezogen werden. Durch Subtrakder öffnung 2 aufgenommenen Intensität zu re- tion dieses Hilfsstromes /₀ vom Signalstrom /, der gistrieren. Hierzu wird, vorzugsweise durch Phasen- im Empfangsorgan 1 entsteht, kann das Kontrollverschiebung im Phasenschieber 8 und gegebenen- signal bei der gewünschten Orientierung der Anfalls durch die Wahl von ß₀, ein geeignetes Intervall 45 tenne genau zu dem Wert 0 kompensiert werden, herausgesucht, in dem eine der Winkelabweichung Bei einer solchen speziellen Weiterbildung der erfineindeutig zugeordnete Änderung der Intensität bei dungsgemäßen Anordnung verringern sich die An-Streifenverschiebung auftritt und dessen Mitte bei. forderungen an die Konstanz des Verstärkers 7 und Sollausrichtung der Antenne genau zwischen einem dessen Begrenzers.

benachbarten Minimum und Maximum liegt. Das 50 Die oben angegebene Sollage der Mitte der öff-Empf angsorgan 1 wandelt diese Verschiebung in eine nung 2 in genau der Mitte zwischen einem Maximum der Winkelabweichung entsprechende Vergrößerung und einem benachbarten Minimum ist dann erreicht, oder Verringerung des abgegebenen Signalstromes wenn der Stromstärkewert /₀ bei gleichbleibender um. Der abgegebene Signalstrom wird in an sich be- Ausrichtung 17 der Antenne relativ zur Eingangskannter Weise in ein Servosignal umgewandelt, das 55 strahlung 9 unabhängig von der Intensität der in der einen Nachführantrieb der Antenne so lange in der öffnung 2 zu empfangenden Strahlung 15 ist. Die durch das Vorzeichen der Signalstromänderung ge- sich in beiden Hälften der öffnung 2 bei Intensitätsgebenen Richtung antreibt, bis der Winkel ß₀ zwi- änderung der Strahlung 15 ergebenden Stromstärkeschen dem Kontrollsignal 14 und der Strahlung 15, Veränderungen heben sich dann gerade auf. Auf und damit der Sollwert der Intensität im Bereich der 60 diese Weise wird die Ausrichtung der Antenne unÖffnung 2, wieder erreicht ist. abhängig von Schwankungen der Eingangsintensität.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Nachführung der Empfangsantenne eines Empfängers für kohärente elektromagnetische Strahlung mit Vakuumwellenlängen kleiner als etwa 1 mm, insbesondere optische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7, 8) zur Erzeugung eines die gleiche Frequenz wie die zu empfangende Strahlung (9) aufweisenden Kontrollsignals (14) mit gleichbleibender, einstellbarer Phase sowie ein Empfangsorgan (1) mit einer strahlungsempfindlichen spaltförmigen Öffnung (2) vorgesehen sind, daß Mittel (16) vorgesehen sind, um die zu empfangende Strahlung (15) und das Kontrollsignal (14) dem Empfangsorgan (1) auf unterschiedlichen Strahlungswegen derart zuzuführen, daß sich die zumindest nahezu ebenen Wellenfronten des Kontrollsignals (14) und der zu empfangenden Strahlung (15) in der Ebene der Öffnung (2) in einem Winkel β miteinander schneiden und ein Streifen aufweisendes Interferenzbild mit von diesem Winkel abhängiger Intensitätsverteilung ergeben, daß die öffnung (2) scharf begrenzt und ihre Breite so groß bemessen ist, daß diese im Regelbereich + α kleiner ist als der minimale Streifenabstand von einem Maximum der Intensitätsverteilung zum nächsten Maximum derselben abzüglich des Doppelten der maximal auftretenden einseitigen Streifenverschiebung, daß in der Empfangsebene der spaltförmigen öffnung (2) die elektrische Feldstärke des Kontrollsignals (14) größer ist als die der in der öffnung zu empfangenden Strahlung (15) und daß an sich bekannte Mittel zur Erzeugung eines von der Intensitätsverteilung in der öffnung (2) abhängigen Servosignals für eine automatische Nachführung vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kontrollsignals (14) ein Maser- bzw. Laserverstärker (7) mit Amplitudenbegrenzer vorgesehen ist, dessen verstärkte Strahlung in Frequenz und Phase durch die Empfangsstrahhing (10) gesteuert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß entweder im Strahlungswege des Kontrollsignals (14) oder im Strahlungswege der in der öffnung (2) zu empfangenden Strahlung (15) eine optische Einrichtung (13) vorgesehen ist, die eine Richtungsabweichung der betreffenden Strahlung in eine dazu entgegengesetzte Richtungsabweichung umkehrt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung für die den Maser- bzw. Laserverstärker (7) steuernde Strahhing (10) so bemessen ist, daß die Richtung der aus dem Verstärker austretenden Strahlung (11) von der zu korrigierenden geringen Winkelabweichung (λ·) der in den Verstärker einfallenden Strahlung (10) unabhängig ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines vom KontroIIsignal abgeleiteten Vergleichsstromes zur Kompensation des am Empfangsorgan (1) durch die bei Sollstellung der Antenne herrschende Intensitätsverteilung in der öffnung (2) erzeugten Stromes (/„) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsorgan eine Photodiode vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsorgan ein Photo-Sekundärelektronenverviel-" fächer vorgesehen ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsorgan ein Photowiderstand vorgesehen ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Nachführung einer Cassegrainspiegelantenne verwendet und mit dem Hauptspiegel dieser Antenne fest verbunden ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie um die Achse ihrer Antennenausrichtung (17) rotierbar aufgebaut ist.