DE1591811C3 - Satelliten-Antennensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Satelliten-Antennensystem zur gleichzeitigen Nachrichtenverbindung mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen, bei dem eine Vielzahl von Antennenelementen entfernt voneinander auf einem Teil des Satelliten angeordnet ist, und bei dem die Antennenelemente einer konkaven reflektierenden Oberfläche zugeordnet sind, wobei die durch ein Antennenelement von einer Erdstation über die reflektierende Oberfläche empfangene Energie von einem getrennten Speiseelement zu einer anderen Erdstation übertragen wird.

Es wurde bereits eine Anzahl von Systemen vorgeschlagen, um gleichzeitig Fernverbindungen zwischen einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Erdstationen unter Verwendung von einem oder mehreren künstlichen Erdsatelliten herzustellen, die in eine Umlaufbahn um die Erde gebracht sind.

Die Satelliten derartiger Nachrichtenübertragungsanlagen können entsprechend der Erläuterung in der US-Patentschrift 30 95 538 (1963) ein Frequenzmultiplexsystem verwenden, derart, daß eine Vielzahl von Parabolantennen mit konkavem Reflektor im Abstand auf dem Umfang des Satelliten angeordnet ist. Jedem der Reflektoren sind zwei Speiseantennenpaare zugeordnet Das eine Speiseantennenpaar jedes Reflektors ist auf ein Paar von ausgewählten Frequenzen /1 und U abgestimmt, auf denen zu einer der Erdstationen gesendet bzw. von ihr empfangen wird. Das andere Speiseantennenpaar jedes Reflektors ist auf ein anderes Paar von ausgewählten Frequenzen h und /3 abgestimmt um zur anderen Erdstation zu senden bzw. von ihr zu empfangen. Für jedes der beiden Speiseantennenpaare jedes Reflektors (und damit für jede Erdstation) ist ein amplituden-abhängiger Diversity-Selektor vorgesehen, um die Speiseantennenpaare nur derjenigen Reflektoren einzuschalten, die zu dieser Zeit so gerichtet sind, daß die Nachrichtenverbindung mit den zugehörigen Erdstationen am wirksamsten ist.
Der Hauptnachteil eines derartigen Verfahrens zur gleichzeitigen Nachrichtenübertragung besteht darin, daß verschiedene Frequenzen für verschiedene Übertragungsrichtungen zwischen dem Satelliten und den Erdstationen notwendig sind. Für die andere Alternative, d. h. eine gleichzeitige Nachrichtenverbindung mit allen Erdstationen auf einer festen Frequenz, nahm man bisher an, daß eine Vielzahl von Antennen mit extrem hoher Richtwirkung (z. B. derart, wie sie in der US-Patentschrift 24 95 219 beschrieben ist) erforderlich ist. Bei Verwendung solcher Antennen würde jedoch der Satellit viel zu aufwendig werden.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Satellitenantennensystem zu schaffen, mit dessen Hilfe auf derselben Frequenz gleichzeitig Verbindungen mit einer Vielzahl von Erdstationen ohne Verwendung komplizierter Richtantennen hergestellt werden können.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Satelliten-Antennensystem der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche eine einzige sphärische Oberfläche ist, die so gerichtet ist daß sie stets eine Strahlung von allen Erdstationen empfängt, daß die Antennenspeiseelemente auf dieselbe Frequenz abgestimmt und auf einer zweiten Oberfläche angeordnet sind, weiche die Vielzahl von Brennpunkten der reflektierenden sphärischen Oberfläche enthält, und daß jedes Antennenspeiseelement an einem Brennpunkt angeordnet ist, der dem Abbildungsort einer der Erdstationen entspricht.

Auf diese Weise kann trotz Verwendung nur eines Reflektors gleichzeitig eine Nachrichtenübertragung auf einer Frequenz mit mehreren Erdstationen bestehen, denn jedes der Antennenspeiseelemente steht individuell nur mit einer einzigen Erdstation in Verbindung.

Es ist bekannt, bei Rotationsparabolspiegeln durch Verschieben des Primärstrahlers aus der Achse den Antennenstrahl zu verschwenken (R. Kühn, »Mikrowellenantennen«, Berlin, 1964, Seiten 527, 528). Dabei tritt jedoch eine Verringerung des Gewinns, eine Verbreiterung der Hauptkeule und eine Anhebung der Nebenkeulen auf. Der Gewinn für die einzelnen Erdstationen wäre dann unterschiedlich und es ist ein Übersprechen zu erwarten.

Es ist auch bekannt den von einer Parabolantenne ausgehenden Strahl durch Erweiterung eines punktförmigen Primärstrahlers zu einem linienförmigen Primärstrahler unter Verwendung einer Vielzahl von Strahlern zu formen. Dabei werden die Strahler aber aus einer gemeinsamen Quelle mit der richtigen Phase und Intensität gespeist (S. Silver, »Microwave Antenna, Theory and Design«, McGraw-Hill Book Company, New York, 1949, Seite 473).

Eine Verwendung sphärischer Reflektoren ist für Scanning-Antennen bekannt (R. C. Hansen, »Microwave Scanning Antennas«, Band I, New York und London, 1964, Seiten 220, 236 bis 238), bei denen drei um 120° versetzte Speiseelemente für den Abtastvorgang

umlaufen. Jedes der drei Speiseelemente wird nacheinander durch einen rotierenden Hohlleiterschalter aktiviert, so daß immer nur ein Antennenstrahl erzeugt wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die reflektierende Oberfläche aus einem sphärischen Segment besteht und daß die zweite Oberfläche aus einem ähnlichen sphärischen Segment besteht, das denselben Krümmungsmittelpunkt und im wesentlichen den halben Radius wie die reflektierende Oberfläche hat

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine bildliche Darstellung eines synchronen Nachrichten-Satelliten, dessen Antennensystem erfindungsgemäß aufgebaut ist,

Fig.2 das Blockschaltbild der Verstärkerteile im Antennensystem der F i g. 1 und

Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Form des Antennensystems der F i g. 1.

In Fi g. 1 ist ein Nachrichtenübertragungssystem, wie es von der Erfindung vorgeschlagen wird, auf einer nichtmaßstäblichen und stark stilisierten Zeichnung dargestellt. Auf der Erdoberfläche 10 sind im Abstand mehrere Erdstationen 11, 12 und 13 angeordnet. Jede Station kann entweder einen Sender oder einen Empfänger enthalten. Vorzugsweise enthält jede Station sowohl einen Sender als auch einen Empfänger, um eine Zweiwegübertragung durchzuführen. Jede Station weist hochbündelnde Richtantennen auf, z. B. Horn-Reflektorantennen, die bei Satellitenverbindungen in Gebrauch sind und z.B. im Zusammenhang mit dem TELSTAR-System in Bell System Technical Journal, Band XLII, Juli 1963, beschrieben sind.

Das Raumfahrzeug selbst ist schematisch durch die Begrenzung 14 dargestellt Es ist angenommen, daß es sich in einer definierten synchronen Umlaufbahn befindet und daß es zusätzlich zu anderen später beschriebenen Einrichtungen einen konkaven leitenden Reflektor 15 enthält, der bei einer bevorzugten Ausführung aus einem Kugelsegment besteht Dieser Reflektor ist zwar in der Zeichnung nicht maßstäblich dargestellt; bei einer praktischen Anwendung hat er einen Durchmesser von etwa 3 m und ist als Segment einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 8 m ausgebildet

Von der Erfindung werden gewisse Eigenschaften eines sphärischen Reflektors benutzt Es sei daran erinnert, daß der Brennpunkt eines derartigen Reflektors herkömmlicherweise so definiert ist, daß er auf seiner durch den Krümmungsmittelpunkt laufenden Achse in der Mitte zwischen der Oberfläche und dem Krümmungsmittelpunkt liegt Parallel zur Achse ankommende Strahlen laufen in diesem Brennpunkt zusammen. Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß es eine unbegrenzte Anzahl solcher Achsen gibt, für die der Brennpunkt jeweils auf einer sphärischen Fläche liegt, die denselben Krümmungsmittelpunkt und den halben Radius wie die reflektierende Oberfläche hat Eine derartige »Brennfläche« ist in F i g. 1 durch die Oberfläche 16 dargestellt

Da die Oberfläche 16 einen eindeutigen Brennpunkt für Strahlen enthält, die am Reflektor 15 aus einer gegebenen Richtung eintreffen, und andere eindeutige Brennpunkte für Strahlen, die aus anderen Richtungen eintreffen (innerhalb der Grenzen, die durch Beugung Wd durch die zulässige sphärische Aberration gegeben sind), wird auf der Oberfläche 10 ein umgekehrtes fokussiertes Abbild aller Gegenstände erzeugt die innerhalb der »Sicht« des Reflektors 15 auf der Erde liegen. Dies ist in F i g. 1 durch die Punkte 11', 12' und 13' auf der Oberfläche 16 dargestellt welche die Abbildungen der Erdstationen 11,12 und 13 sind. Die einzelnen Strahlen 11', 12' und 13', welche die Verbindungen zu jedem der Punkte herstellen, symbolisieren die unbegrenzte Anzahl von Strahlen, die tatsächlich auf jeden Punkt fokussiert werden.

An jedem der Bildpunkte 11', 12' und 13' ist ein unabhängiges Speiseelement angeordnet wie es schematisch durch die Wellenleiter 17,18 und 19 dargestellt ist, die im wesentlichen in der Ebene der Oberfläche 16 enden. Jedes Speiseelement ist mit einer geeigneten Mikrowellen-Verstärkereinrichtung verbunden, die sich an Bord des Satelliten befindet. Diese Einrichtung wird später eingehender betrachtet Somit wird ein nachrichtenführendes Mikrowellensignal, das z. B. von der Erdstation 11 gesendet wird, am Punkt 11' durch das Speiseelement 17 empfangen. Wenn dieses Signal verstärkt, anderweitig behandelt und über das Speiseelement 19 wieder ausgesendet wird, so wird es an der Erdstation 13 empfangen. Andererseits kann das von der Erdstation 11 empfangene Signal über das Speiseelement 18 wieder ausgesendet und dann von der Erdstation 12 empfangen werden, oder es kann das Nachrichtensignal geteilt und über beide Speiseelemente 18 und 19 wieder ausgesendet werden. Benachbarte Erdstationen sollen sich jeweils außerhalb des Gebiets befinden, das durch den Sendestrahl eines benachbarten Speiseelements ausgeleuchtet wird. Somit wird das über das Speiseelement 19 wieder ausgesendete Signal an der Erdstation 11 oder 13 nicht empfangen. Umgekehrt wird das von irgendeiner Erdstation ausgesendete Signal von dem einer anderen Erdstation entsprechenden Speiseelement nicht empfangen.

Die Beschränkungen, die zur Erfüllung Forderung notwendig sind, haben keine große Bedeutung. Zum Beispiel wird für die vorliegende Erfindung ein Betrieb im 10- bis 30-Gigahertz-Band vorgeschlagen, ein Band, das sich bisher als nicht völlig zufriedenstellend für eine Mikrowellenverbindung mit gemeinsamem Träger zwischen zwei Erdpunkten wegen des übermäßigen Ausfalls infolge von Dämpfung durch Regen erwiesen hat Am unteren Ende eines derartigen Bandes hat die Strahlungskeule, die durch eine sphärische Antenne von 3 Metern erzeugt wird, welche durch eine Speiseelementöffnung von 4,5 cm² gespeist wird, und welche sich in einer äquatorialen Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 35 680 km von der Erde befindet, eine Strahlbreite, die eine elliptische Fläche auf der Erde in den Vereinigten Staaten ausleuchtet die eine sich in Ost-West-Richtung erstreckende kleine Achse von etwa 416 km hat Diese Achsenlänge nimmt mit zunehmender Frequenz ab, bis sie am oberen Ende des Bandes etwa die Hälfte dieser Strecke beträgt Der sich ergebende Abstand erfordert, daß der Satellit innerhalb 160 km seines vorgesehenen Ortes in der Umlaufbahn bleibt und daß er so stabilisiert wird, daß die Richtung des Antennenstrahls innerhalb ±'/io Grad gehalten wird, damit jede Station nur mit demjenigen Speiseelement in Verbindung steht, das sich in dem Bildpunkt auf der Oberfläche 16 befindet, der dem Ort der Station auf der Erde entspricht Diese Forderung in bezug auf die Ortsund Lagestabilisierung wird leicht durch bekannte, später angegebene Verfahren erfüllt

F i g. 2 zeigt schematisch die Bauteile, die im Satelliten 14 enthalten sind. Da diese Bauteile bekannt sind, sind

sie nur als Blockschema dargestellt So enthält der Satellit zusätzlich zum Reflektor 15 und den zugehörigen Speiseelementen 17 bis 19 Mikrowellen-Verstärkereinrichtungen, um von der Erde gesendete Signale zu empfangen und nach einer Verstärkung wieder auszusenden. Um eine möglichst große Anpassungsfähigkeit zu erreichen, ist jedes der Speiseelemente 17 bis 19 mit einem getrennten HF-Sender, z. B. 21, und einem HF-Empfänger, z. B. 22, verbunden, die mit Hilfe eines bekannten Diplexers 20 vereinigt werden. Die Ausgangssignale der Empfänger und die Eingangssignale der Sender können aus den Basisband- oder Nachrichtensignalen selbst bestehen, oder sie können Signale mit einer geeigneten Zwischenfrequenz sein. In jedem Fall werden sie an ein aus Filtern und Schaltern bestehendes Verbindungsnetzwerk 23 angelegt, das von Signalen gesteuert wird, die durch den Kommandoempfänger 24 über die Hilfsantenne 25 von der Erde empfangen werden. Die Funktion des Netzwerks 23 besteht darin, einen oder mehrere der Empfänger 22 mit einem oder mehreren der Sender 21 zu verbinden, so wie es von der Erde aus veranlaßt wird. Die Schalteinrichtungen können mechanisch oder elektronisch sein, sie können auch aus Diodenmatrizen mit bekanntem Aufbau bestehen. Durch Einfügen von Kanalfiltern in das Netzwerk 23 kann das Ausgangssignal irgendeines gegebenen Empfängers in eine Vielzahl von Teilbändern getrennt werden, die ihrerseits einzeln oder in Gruppen mit den Sendern verbunden werden können. Selbstverständlich können bei einer gegebenen Anwendung die Verbindungen zwischen den jeweiligen Sendern und Empfängern fest sein, wobei das Netzwerk 23 in Fortfall kommen kann.

Der Satellit 14 enthält zusätzlich ein System 26 zur Stabilisierung und Lagehaltung, das den Satelliten, wie vorher angegeben, in drei Dimensionen stabilisieren kann, wobei der Reflektor 15 auf einen bestimmten Teil der Erde gerichtet ist.

Schließlich enthält der Satellit 14 eine Stromversorgung 27, die aus Solarzellen, Speicherbatterien mit langer Lebensdauer oder aus beiden bestehen kann. Die Energie wird von der Stromversorgung allen anderen Teilen durch nichtangegebene Verbindungen zugeführt.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anbringung der Mehrfach-Speiseelemente in bezug auf den sphärischen Reflektor erleichtert So besteht der Reflektor 30 aus einem sphärischen Endteil eines zylindrischen Satellitenkörpers 31. Da die innere konkave Oberfläche des Reflektors 30 von Interesse ist, ist seine äußere Form unwesentlich, sie ist durch einen zylindrischen Abschluß 39 dargestellt. Der Körper 31 wird durch einen ebenen leitenden Reflektor 33 geteilt, der sich unter einem Winkel von vorzugsweise 45° zur Zylinderachse des Körpers 31 erstreckt. Eine öffnung 34 auf dem Umfang des Körpers 31 ist so angeordnet, daß durch die öffnung

34 empfangene elektromagnetische Wellen, wie sie durch die Strahlen 38 dargestellt sind, durch die ebene

ίο Fläche 33 zur spärischen Oberfläche 30 reflektiert werden. Offensichtlich kann die Öffnung 34 mit einer nichtdargestellten Abdeckung aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigen Material versehen werden. Die Mehrfach-Speiseelemente 35 ragen durch

eine Öffnung 36 im Reflektor 33, sie enden in Horn-Strahlern 37, die im wesentlichen so auf die Brennfläche des Reflektors 30 verteilt sind, wie es vorher beschrieben wurde. Vorzugsweise ist jeder Horn-Strahler37ein Pyramidenhorn mit quadratischem Querschnitt, das durch ein elektrisches Feld entlang einer Diagonalen erregt wird. Es wurde gezeigt, daß diese Erregung eines sphärischen Reflektors ein Minimum an Seitenkeulen hervorbringt Siehe z. B. die Veröffentlichung von T. Li, »Study of Sperical Reflectors as Wide-Angels Scanning Antennas«, IRE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-7, Seiten 223 bis 226, Juli 1959. Wie von Li dargelegt wurde, erfordert ein auf diese Weise verwendetes quadratisches Speiseelement (da es keine wirtkliche Punktquelle darstellt) bei einer gegebenen Frequenz eine geringe empirische Einstellung abweichend vom optischen Brennpunkt der Kugel. Die Speiseelemente

35 können nach Bedarf an Punkten enden, die um geringe Beträge von der optischen Brennfläche des Reflektors 30 nach oben oder unten entfernt sind. Die anderen Teile des Satellitenverstärkers, befinden sich innerhalb des Körpers 31 auf der vom sphärischen Reflektor 30 abgewandten Seite des ebenen Reflektors 33. Der Körper 31 wird dann in den Umlauf gebracht

und stabilisiert, wobei die öffnung 34 zu dem Teil der Erdoberfläche gerichtet ist, der die interessierenden Erdstationen enthält.

An Stelle eines sphärischen Reflektors kann auch ein Segment eines Kreiszylinders für gewisse Anwendungen brauchbar sein. Da ein Kreiszylinder einen Strahl erzeugt, der nur in einer Dimension fokussiert ist, erzeugt jedes Speiseelement eine streifenförmige Ausleuchtung auf der Erdoberfläche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Satelliten-Antennensystem zur gleichzeitigen Nachrichtenverbindung mit einer Vielzahl· von -im Abstand angeordneten Erdstationen, bei dem eine Vielzahl von Antennenelementen entfernt voneinander auf einem Teil des Satelliten angeordnet ist, und bei dem die Antennenelemente einer konkaven reflektierenden Oberfläche zugeordnet sind, wobei die durch ein Antennenelement von einer Erdstation über die reflektierende Oberfläche empfangene Energie von einem getrennten Speiseelement zu einer anderen Erdstation übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche eine einzige spärische Oberfläche (15) ist, die so gerichtet ist, daß sie stets eine Strahlung von allen Erdstalionen (11, 12, 13) empfängt, daß die Antennenspeiseelemente (17, 18, 19) auf dieselbe Frequenz abgestimmt und auf einer zweiten Oberfläche (16) angeordnet sind, welche die Vielzahl von Brennpunkten der reflektierenden sphärischen Oberfläche (15) enthält, und daß jedes Antennenspeiseelement (17, 18, 19) an einem Brennpunkt angeordnet ist, der dem Abbildungsort (H', 12', 13') einer der Erdstationen (11, 12, 13) entspricht

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche aus einem sphärischen Segment besteht und daß die zweite Oberfläche aus einem ähnlichen sphärischen Segment besteht, das denselben Krümmungsmittelpunkt und im wesentlichen den halben Radius wie die reflektierende Oberfläche hat.