DE2128689A1

DE2128689A1 - Antennensystem, insbesondere für Satelliten

Info

Publication number: DE2128689A1
Application number: DE19712128689
Authority: DE
Inventors: James S. Fullerton; Rosen Harold Alvin Santa Monica Calif. Ajioka (V.StA.). P
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1970-07-01
Filing date: 1971-06-09
Publication date: 1972-01-05
Also published as: US3680143A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 7· Juni 1971

Hughes Aircraft Company P 2359 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Antennensystem, insbesondere für Satelliten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem, insbesondere für Satelliten, mit einem Parabolreflektor und einer im Bereich des Brennpunktes des Parabolreflektor angeordneten Strahlungsquelle.

Antennensysteme, die eine derart erregte Apertur aufweisen, daß ihre Strahlungsdiagramme einen flachen oder eingesattelten Scheitel aufweisen, sind bekannte Diese Antennensysteme benötigen jedoch durchweg eine sehr viel größere Apertur als'übliche Antennen. Die lineare Ausdehnung eines solchen Antennensystems beträgt gewöhnlich

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das Dreifache derjenigen eines üblichen Systems. Wegen der großen Abmessungen solcher Antennensysteme und der Beschränkungen hinsichtlich Volumen und Gewicht, von Trägerraketen, erscheint die Verwendung von zwei vollständig unabhängigen Antennen auf Satelliten unmöglich, um die dort erwünschten zwei Antennenanschlüsse zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese ITachteile " der bekannten Antennensysteme zu vermeiden und ein Antennensystem zu schaffen, das bei geringeren Abmessungen das in der gewünschten Weise geformte Strahlungsdiagramm liefert und auch zwei Anschlüsse aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Strahlungsquelle aus einer geradlinigen Gruppe dicht benachbarter Strahler besteht, die mit Signalen mit sich längs der Gruppe progressiv ändernder relativer Phasenlage gespeist werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem sind die Strahler ) so dicht beieinander angeordnet, daß sich die den einzelnen Strahlern zugeordneten Diagramme überlappen, und außerdem in einer solchen Weise gespeist, daß sie verschiedene Richtungen der Phasenprogression quer zum Diagramm erzeugen. Wegen dieser Phasenprogression findet eine vectorielie Addition der sich überlappenden Diagramme statt, so daß ein eingesatteltes oder flaches Gesamtdiagramm entsteht anstatt eines Diagrammes, das in der Ebene der geradlinigen Gruppe benachbarter Strahler ein ausgeprägtes Llaximura hat. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Antennensystem von den Aus-

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gangssignalen einer 90°-Hybride gespeist v/erden, wodurch das Antennensystem zwei voneinander unabhängige Anschlüsse erhält. Die Bedeutung von zwei unabhängigen Anschlüssen beim Senden liegt darin, daß sie das Multiplex-Problem vermindern, das vorliegt, wenn mehrere Sender unterschiedlicher Frequenz die gleiche Antenne benutzen müssen. Wenn nur zwei Sender vorhanden sind, erübrigen die beiden Anschlüsse die Verwendung eines Sender-Multiplexers. Wenn eine größere Anzahl von Sendern erforderlich ist, ermöglichen zwei Anschlüsse den Anschluß je eines Satzes von Sendern, deren benachbarte Kanäle den doppelten Frequenzabstand haben, wodurch die Ausbildung der Multiplexer vereinfacht wird. Beim Empfang vermindert das Vorhandensein zweier Antennenanschlüsse das zum Schaffen der Redundanz in den Empfängern- erforderliche Umschalten.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich und zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht eines Satelliten mit einer Zweimoden-Sende- und Empfangsantenne nach der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A durch eine der Antennen des Satelliten nach Fig. 1,

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— Zj. _

Fig. 3 Strahlungsdiagramme im Fernfeld einer Antenne nach Pig. Ί,

ig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Antennensystem mit vier Anschlüssen nach der Erfindung,

Pig. 5 eine Darstellung der Einspeisehörner des Antennensystems nach Fig. 4- und

Fig. 6 eine Darstellung eines Einspeisesystems mit vier Hörnern und zwei Anschlüssen für eine weitere Antenne nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Salellit 14- ist mit einer Sendeantenne 10 und einer Empfangsantenne 12 versehen und v/eist in seinem unteren Bereich mit Solarzellen 15 und 16 bedeckte Oberflächenabschnitte auf. Die Sende- und Empfangsantennen 10 bzw. 12 sind an einem vertikalen Mast 18 befestigt, an dessen Spitze sich eine Entfernungsmeß- und Steuerzwecken dienende Antenne 20 befindet. Wie auch aus dem Querschnitt nach Fig. 2 ersichtlich, besteht die Antenne 10 aus einem leitenden Parabolreflektor 22 und Strahlern 23 und 24·, die im Bereich des Brennpunktes 25 des Parabolreflektor 22 angeordnet und gegenüber der Rotationsachse des Parabolreflektor um gleiche Beträge versetzt sind« Die Strahler 23 und 24- können von Hörnern oder anderen geeigneten Strahlungselementen gebildet werden. Bei der Anwendung von Hörnern sind deren öffnungen auf den mittleren Bereich des Parabolreflektor gerichtet. Endlich führen vom Körper des Satelliten 14-Übertragungsleitungen 26 und 27 über eine 90°-IIybride 29 zu den Strahlern 23 und 24-. In gleicher Weise besteht die

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Empfangsantenne 12 aus einem Parabolreflektor 30 und Übertragungsleitungen 31 und 32, die vom Körper des Satelliten 14 über eine 9O°-Hybride 33 zu Strahlern und 35 führen, die in Stellungen angeordnet sind, die den Stellungen der Strahler 23 und 24 der Antenne 10 entsprechen.

Pig. 3 (a) zeigt das Fernfelddiagramm 40 eines einzelnen, aus der Mitte versetzten Strahlers 23 oder 34-· In Pig. (b) ist außer dem Fernfelddiagramm 40 noch das Fernfelddiagramm 42 des einzelnen anderen Strahlers 24 oder dargestellt. Unter normalen Verhältnissen, bei denen die elektrischen Felder in Phase sind, würde der Schnittpunkt 43 der beiden Fernfelddiagramme 40 und 42 den Punkt mit der halben Spitzenamplitude des gestrichelt dargestellten Diagrammes 44 bilden. Im vorliegenden Pail werden jedoch die Fernfelddiagramme 40 und 42 vectoriell addiert, und zwar bei der Antenne nach Pig. 1 speziell unter 90°. Die 90°-Hybriden 29 und 33 bilden nämlich zwei Anschlüsse für jede der Antennen 10 und 12 und erregen die Speisehörner 23 und 24 bzw, 34- und 35 ndt Signalen, welche die gleiche Intensität haben, jedoch um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Unter diesen Umständen ergibt die Addition der Pernfelddiagramme und 42 das "geformte" Diagramm 46 nach Pig. 3 (c) für jeden Anschluß der 90°-Hybriden 29 und 33· Diese Ausbildung des Antennensystems erlaubt eine "Formung" des Strahlungsdiagramms in der Ebene des großen Winkels, in dem der Versatz der feitten der von den Strahlern 23 und 24 bzw. 34- und. 35 erzeugten Strahlungsdiagramiae eingestellt wird, wogegen in der Ebene des kleinen Winkels eine übliche Form des Strahlungsdiagrammes verwendet

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wird. Der Versatz der Strahlungsdiagramme kann beispielsweise etwa +1,6° betragen.

Bei einen typischen System ist die Empfangsantenne zum Empfang von Signalen im 5»925 "bis 6,425 GHz-Band eingerichtet, wogegen die Sendeantenne 10 zum Aussenden von Signalen im 3>7 "bis 4,2 GHz-Band ausgelegt ist. Wenn der Durchmesser der Reflektoren 22 und 30 etwa 24 Wellenlängen gleich ist, sind die Winkeldimensionen der von " beiden Antennen 10 und 12 erzeugten Strahlungskeulen im wesentlichen diejenigen einer Ellipse mit einer großen Achse von etwa 6° und einer kleinen Achse von etwa 2,5 ο Der Reflektor 22 der Sendeantenne 10 hat dann einen Durchmesser von etwa 1,8 m, wogegen der Reflektor $0 der Empfangsantenne 12 einen Durchmesser von etv/a 1,2 m hat. Diese Strahlungskeule kann dann so ausgerichtet werden, daß sie das Gebiet der zusammenhängenden 48 Staaten der Vereinigten Staaten von einem stationären Satelliten in einer Höhe von 19300 sm bedeckt.

Wenn die Größe des für die Sendeantenne benötigten Reflek- k tors die Verwendung zweier getrennter Antennen verhindert und doch zwei unabhängige Anschlüsse erforderlich sind, kann die Verwendung eines Antennensystems nach Fig. 4 erforderlich sein. Die Antenne 50 nach Fig. 4 arbeitet mit zwei Polarisationsrichtungen, in zwei Betriebsarten und weist vier Anschlüsse auf. Der Reflektor 52 der Antenne 50 besteht aus einem kreisförmigen Abschnitt eines Paraboloids, dessen Durchmesser von dem Zentrum des Paraboloids ausgeht. Zwei Strahler 54 und 55» die beide zwei Wellen mit verschiedener Polarisation abstrahlen können, sind im Bereich des Brennpunktes des Reflektors

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gegenüber der Rotationsachse des Paraboloids horizontal versetzt angeordnet, wie es Fig. 4- zeigt« Anschlüsse 56 ■und 57 sind mittels Übertragungsleitungen 58 und 59 über eine 9O°-Hybride 60 mit Eingängen gleicher Polarität der Strahler 54- und 55 verbunden» In gleicher Weise sind Anschlüsse 61 und 62 mittels Übertragungsleitungen 63 "und 64-über eine 90°-Hybride 65 mit den übrigen Eingängen gleicher Polarität der Strahler 5^- und 55 verbunden. Fig. 5 zeigt eine Ausführung der für zwei Polarisationen ausgebildeten Strahler 54- und 55 nach Fig, 4-. Bei der Aus führung s form nach Fig. 5 bilden Hohlleiter 68 und 69 die Übertragungsleitungen 58 und 591 die von den Eingängen 56 und 57 zu den Hörnern 54- und 55 führen und die Hörner in einer solchen Weise erregen, daß in ihnen vertikal polarisierte Signale angeregt werden. Dagegen bilden die Hohlleiter 73 und 74- die Übertragungsleitungen 63 und 64-, welche die Anschlüsse 61 und 62 mit den Einspeisehörnern 54- und 55 in solcher Y/eise verbinden, daß in ihnen horizontal polarisierte Signale angeregt werden. Anstelle orthogonal linear polarisierter Signale können auch gegensinnig drehende, zirkulär polarisierte Signale verwendet werden.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine aus vier Einspeisehörnern 81, 82, 83 und 84-bestehende lineare Gruppe von Strahlern im Bereich des Brennpunktes eines nicht dargestellten Parabolreflektor angeordnet ist. Außerdem umfaßt das System drei magische T 85, 86 und 87 und eine 90°-Hybride 88. Magische T weisen vier Arme auf, die in der Zeichnung mit 1, 2, 3 und 4- bezeichnet sind. Zwischen den Armen 1 und 4- sowie 2 und 3 ist keine direkte Kopplung vorhanden. Der Arm 1 wird auch

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als Summen- oder Z -Eingang und der Arm 4- als Differenzoder A-Eingang bezeichnet. Die dem Sutnmeneingang zugeführten Signale werden gleichmäßig und mit gleicher Phase auf die Arme 2 und 3 aufgeteilt, wogegen die dem Differenzeingang zugeführten Signale zwar ebenfalls gleich» mäßig, aber mit entgegengesetzter Phase auf die Arme 2 und 3 verteilt werden. Andererseits erscheint am Summeneingang die Summe der Signale, die den Armen 2 und 3 zugeführt werden, wogegen am Differenzeingang die Differenz der den Armen 2 und 3 zugeführten Signale erscheint.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sinddie Antennenanschlüsse 90 und 91 über eine 90 -Hybride 88 mit den Summeneingängen der magischen T 86 bzw. 85 verbunden. Die Differenz· eingänge der magischen T 85 und 87 sind mit den Armen 2 bzw. 3 cles magischen T 86 verbunden. Die Arme 2 und 3 des magischen T sind mit den Einspeisehörnern 82 bzw. verbunden, wogegen die Arme 2 und 3 des magischen T 87 mit den Einspeisehörnern 81 bzw. 84- verbunden sind. Der Summeneingang des magischen T 87 ist ebenso wie der Differenzeingang des magischen T 86 durch einen angepaßten Widerstand abgeschlossen.

Im Betrieb hat ein Signal E, das dem Antennenanschluß der 90°-Hybride 88 zugeführt wird, zur Folge, daß den Summeneingängen der magischen T 86 und 85 Ge ein Signal E(90°)/^2~ bzw. E/72 zugeführt wird« Das dem Summeneingang des magischen T 86 zugeführte Signal E(90⁰)/v~2 wird gleichmäßig auf dessen beide Arme 2 und 3 aufgeteilt, so · daß an jedem dieser Atme das Signal E(90°)/2 erscheint»

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Das dem Differenzeingang des magischen T 8? zugeführte Signal E(90°)/2 hat zur Folge, daß dem Einspeisehorn 81 ein Signal E(90°)/2';2 und dem Einspeisehorn 84· ein Signal E(270°)/2'/2 = E(-90°)/2</2 zugeführt wird. Die Signale E(90°)/2 und E/\/2, die dem Differenz- "bzw. Summen-Eingang des magischen T 85 zugeführt werden, haben die Signale E(90°)/2'/2 + E/2 - 0,61 E(35,6°) und E(-90°)/2'/2 + E/2 = 0,61 E(-35>6°) zur Folge, die dem Einspeisehorn 82 "bzw. 83 zugeführt werden·

Demgemäß hat das Anlegen eines Signales E an den Anschluß die folgenden Signale an den Einspeisehörnern zur Folge:

Einspeisehorn 81 0,36 E(90°) Einspeisehorn 82 0,61 E(35,6°) Einspeisehorn 83 0,61 E(-35>6°) Einspeisehorn 84- 0,36 E(-90°).

Das resultierende Strahlungsdiagramm ergibt sich aus der vectoriellen Addition der sich überlappenden Abschnxtte der einzelnen Strahlungsdiagramme, Wenn ein Signal dem anderen Antennenanschluß 91 zugeführt wird.}, sind die Signalamplituden die gleichen, jedoch erfolgt der Phasenverlauf in umgekehrter Richtung.

.A

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Claims

- io -

Patentansprüche

Antennensystem, insbesondere für Satelliten, mit einem Parabolreflektor und einer im Bereich des Brennpunktes des Parabolreflektor angeordneten Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle aus einer geradlinigen Gruppe dicht benachbarter Strahler (54, 55) besteht, die mit Signalen mit sich längs der Gruppe progressiv " ändernder relativer Phasenlage gespeist werden.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinige Gruppe zwei symmetrisch zur Rotationsachse des Parabolreflektors (52) versetzte Strahler (54 und 55) aufweist, die mit phasenverschobenen Signalen gleicher Amplitude gespeist sind, so daß sie ein im Scheitel eingesatteltes Strahlungsdiagramm (45) erzeugen.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale um 90 phasenverschoben sind.
4. Antennensystem nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Parabolreflektor (52) durch den Rand des Reflektors verläuft.
5· Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler (54 und 55) zum Abstrahlen zweier Wellen mit verschiedener Polarisation ausgebildet sind und die Strahler mit zwei Sätzen

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phasenverschobener Signale gleicher Amplitude gespeist sind, von denen die Signale des ersten Satzes eine zu den Signalen des zv/eiten Satzes senkrechte Polarisation aufweisen.
6. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinige Gruppe aus vier Einspeisehörnern (81, 82, 83 und 84-) besteht, von denen das erste und das letzte Einspeisehorn (81 bzw. 84) der Reihe mit einer relativen Phasenlage von +90° bzw. -90° und das zweite und das dritte Einspeisehorn (82 bzw. 83) mit einer relative]
speist werden·

einer relativen Phasenlage von +35,6° bzw. -35i6° ge-
7. Antennensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Einspeisehörner (81, 82, 83,und 84) an eine Speisevorrichtung angeschlossen sind, die einen Eingangskreis (88) mit zwei Eingängen (90 und 91) und zwei Ausgängen, der bei einer Speisung an einem beliebigen Eingang (z.B. 90) an seinen Ausgängen zwei um 90° phasenverschobene Signale gleicher Leistung erzeugt, und drei magische T (85» 86 und 87) umfaßt, von denen das erste und das zweite magische T (85 bzw. 86) mit ihrem ersten Arm mit dem ersten bzw. zweiten Ausgang des Eingangskreises (88) verbunden sind, während der zweite und der dritte Arm des zweiten magischen T (85) mit dem zweiten bzw. dritten Einspeisehorn (82 bzw. 83), der zweite und der dritte Arm des ersten magischen T (86) mit dem vierten Arm des zweiten bzw. dritten magischen T (85 bzw. 87), der zweite und der dritte Arm des dritten magischen T (87) mit dem ersten

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bzw. vierten Einspeisehorn (81 bzw. 84) und der vierte Arm des ersten magischen T (86) und der erste Arm des dritten magischen T (87) mit je einem Abschlußwiderstand verbunden sind.
8. Antennensystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis (88) von einer 9O°-Hybride gebildet wird.

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