DE2131130B2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals zum Ausrichten einer Antenne - Google Patents

Description

die Rotationsachse des Satelliten, um eine maximale. Wirksamkeit bei der Übertragung von Nachrichtensignalen zu erreichen. Dabei arbeitet die Antenne entweder im Doppelbetrieb oder es ist eine besondere, nicht weiter dargestellte Antenne zur Übertragung der Nachrichten und anderer Signale vorgesehen.

Die Richtantenne 10 umfaßt Hornstrahler 10a und 1Oi₁ die seitlich zur Achse eines einzigen Parabolspiegels 10c angeordnet sind und individuelle Signale an getrennte Eingänge einer Hybride 11 liefern. Diese Signale haben immer dann die gleiche Größe, wenn die Antenne 10 direkt auf die Bodenstation 8 gerichtet ist. Eine Abweichung der Antenne 10 von der Richtung der Bodenstation nach rechts oder links resultiert in Signalen unterschiedlicher Größe an den Empfangsöffnurigen der Hornstrahler 10a und 106 und in einem Differen;:signal Δ, das am Differenzausgang lib der Hybride 11 erscheint Dieses am Differenzausgang der Hybride erscheinende Signal ist proportional der Größe des Winkelfehlers zwischen der Blickrichtung der Antenne 10 und der Richtung zur Bodenstation. Der andere Ausgang 11a der Hybride 11 ist der Summenzweig. Die von den Hornstrahlern 10a und lOfe von der Bodenstation 8 empfangenen Signale werden zur Bildung eines Summensignals Σ im Summenarm summiert. Das Differenzsignal Λ wird einem Richtungsfilter 13 zugeführt, das überkoppelt und doppelt abgestimmt ist, um an dessen Ausgang periodische Umkehrungen der Phase des Differenzsignals Δ im Takt der Frequenzmodulation zu erhalten. Die Phase^.umkehr-Bandbreite des Richtungsfilters 13 ist gleich dem Frequenzabstand der Extremwerte des von der Bodenstation 8 ausgestrahlten frequenzmodulierten Pilotsignals. Wenn beispielsweise der Frequenzabstand der Extremwerte des Pilotsignals 4MHz beträgt, ist auch die Bandbreite des Richtungsfilters für eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Extremwerten gleich 4 M Hz.

Als Ergebnis der doppelten Abstimmung des Richtungsfilters 13 bewirkt das Filter eine frequenzselektive Verzögerung, die eine Phasenverschiebung von 180° über die Bandbreite von 4MHz bewirkt. Das Richtungsfilter 13 enthält einen Resonator mit zwei Hohlräumen, der imstande ist, diese Phasenverschiebung von 180° über den Frequenzabstand von 4 MHz zwischen den Extremwerten zu bewirken. Dementsprechend wird die höhere Extremfrequenz h des Differenzsignals Δ verzögert werden, was dere;i Phase im Vergleich zur niedrigeren Extremfrequenz /Ί umkehrt (180° Phasenverschiebung). Jegliche konstante Verzögerung wird durch eine entsprechende Verzögerung des Summensignals Σ kompensiert und der Unterschied in der Verzögerung zwischen den Extremwerten f\ und h liefert eine Phasenverschiebung von 180° zwischen /i unc! /2. Da die Frequenz des Pilotsignals wegen dessen Frequenzmodulation Schwankungen um die Pilotträgerfrequenz ^o zwischen den Extremfrequenzen f\ und h unterliegt, wird das Differenzsignal Δ beim Durchlaufen des Filters 13 phasenmoduliert und im Takt der Frequenzmodulation periodisch in seiner Phase umgekehrt. Wenn dieses phasenmodulierte Ausgangssignal des Filters 13 mit dem Summensignal Σ auf der Summenübertragungsleitung 12 kombiniert wird, zeigt das kombinierte oder resultierende Signal eine Amplitudenmodulation synchron zur Frequenzmodulation der b5 Pilotsignale. Die zufällige Phasenmodulation wird nicht beachtet. Das kombinierte Signal wird dann einem Pilotempfäneer 18 und über eine Hybride 16 einem Reserve-Pilotempfänger 20 durch das Koaxialkabel 14' der Drehkopplung 7 zugeführt. Für eine genauere Beschreibung von Richtungsfiltern der Art, wie sie hier erwähnt sind, wird auf das Buch »Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures« von G. L Matthaei u. anderen, McGraw-Hill Inc, 1964, insbesondere Abschnitt 14.02 mit dem Titel »Waveguide Directional Filters«, Bezug genommen.

Es wird nun anhand der F i g. 2 and der Diagramme nach den F i g. 3a und 3b die Funktion der beschriebenen Vorrichtung erläutert. Bei der Richtungssteuerung mit Hilfe des Pilotsignals wird das von der Bodenstation 8 stammende und durch die Antennenhornstrahler 10a und 10Z> empfangene frequenzmodulierte Pilotsignal voa der Lmpfangsöffnung jedes Hornstrahlers zu je einem Eingang der Hybride Il geliefert, in der die Eingangsgrößen im Summenarm der Hybride addiert werden und die die Summe Σ der Eingangssignale an den Ausgang lla liefert. Jegliche Differenz zwischen den Pilotsignalen an den Empfangsöffnungen durchläuft den Differenzarm der Hybride 11 und wird vom Ausgang Hi» der Hybride zum Eingang des Richtungsfilters 13 und einem dazu parallel geschalteten, angepaßten Abschlußwiderstand 13a zugeführt. Wenn die Antenne 10 genau auf die Bodenstation 8 gerichtet ist, ist der Winkelfehler Null und die von den Hornstrahlern 10a und 10£> gelieferten Pilotsignale sind gleich. Ein Winkelfehler Δ R (Bodenstation rechts von der Blickrichtung der Antenne 10) ergibt ein Differenzsignal Δ mit einer ersten Phase Φ Rund ein Winkelfehler Δ L (Bodenstation links von der Hauptstrahlrichtung der Antenne 10) ergibt eine Umkehrung der Polarität des Differenzsignals Δ in eine zweite Phase Φ L, nämlich eine Phasenverschiebung von 180°.

Wie F i g. 3b zeigt, stimmt der Frequenzabstand zwischen den Extremwerten f\ und h des frequenzmodulierten Pilotsignals mit der Bandbreite des doppelt abgestimmten Richtungsfilters 13 für eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Extremwerten überein. Das vom Filter 13 durchgelassene Differenzsignal Δ wird daher im Takt der Frequenzmodulation periodisch in der Phase umgekehrt, also phasenmoduliert. Wenn die phasenmodulierte Differenzfrequenz Δ am Ausgang des Filters 13 mit dem Summensignal Σ kombiniert wird, weisen die resultierenden oder kombinierten Signale eine zur Frequenzmodulation synchrone Amplitudenmodulation auf, deren Modulationsgrad proportional der Amplitude des Differenzsignals Δ und damit der Größe des Richtungsfehlers ist. Die Phasenlage der Amplitudenmodulation des resultierenden Signals bezüglich der Phase der Frequenzmodulation ist durch die Polarität <PR bzw. Φι. des Differenzsignals Δ bestimmt, wie es in F i g. 3b durch die Einhüllenden der Wellenformen der resultierenden Signale ersichtlich ist.

Um das Gesagte zu erläutern, wird zunächst ein Richtungsfehler Δ R angenommen, b;i dem die Antenne 10 auf einen Punkt rechts von der Bodenstation 8 gerichtet ist, die ein frequenzmoduliertes Pilotsignal ausstrahlt, das mit einem hohen Modulationsgrad von z. B. 4 MHz zwischen den Extremwerten mit einer Tonfrequenz von z.B. 1OkHz moduliert ist. Die Hornstrahler 10a und 106 der Antenne, die seitlich von der Mittellinie des Parabolspiegels 10c angeordnet sind, liefern Ausgangssignale unterschiedlicher Größe an entsprechende Eingänge der Hybride 11, die diese Antennenausgangssignale in ihrem Summenarm addiert und ein Summenausgangssignal Σ am Ausgang lla und

außerdem ein Differenzsignal Δ mit der ersten Phasenlage Φ R am Ausgang 116 liefert. Wie Fig.3a zeigt, wird die niedrigere Extremfrequenz f\ des Differenzsignals Δ (Φϋ) vom Richtungsfilter 13 ohne Verzögerung durchgelassen und gleichphasig mit dem Suinmenstgnal Σ kombiniert, so daß sich eine Addition mit dem Summensignal Σ ergibt, die die größere Resultierende R\ liefert. Da sich die Frequenz entsprechend der Frequenzmodulation mit 1OkHz entlang einer Sinuskurve von f\ nach f₂ ändert, wie F i g. 3b zeigt, erfährt das am Ausgang des Richtungsfilters 13 erscheinende Differenzsignal Δ eine Phasenumkehrung bei der Extremfrequenz I₂. Wie im Vektordiagramm in Fig.3a für die höhere Exiremfrequenz h und den Winkelfehler Δ R gezeigt ist, wird bei der Extremfrequenz h das Differenzsignal Δ vom Summensignal Σ subtrahiert und liefert ein resultierendes Signal R₂. Während der Dauer einer vollständigen Periode der Frequenzmodulation des Pilotsignals zeigt das kombinierte Signal eine Amplitudenmodulation synchron zur Frequenzmodulation, wie in Fig. 3b gezeigt ist (Bodenstation rechts). Der Amplitudenmodulationsgrad ist proportional zur Größe des Differenzsignals Δ und damit zum Richtungswinkelfehler Δ R und es zeigt die Lage der Phase der Amplitudenmodulation relativ zur Frequenzmodulation an, daß ein Winkelfehler rechts zur Bodenstation 8 vorliegt.

Der vorhergehenden Beschreibung für einen Richtungsfehler Δ R dürfte auch die Funktion der Anordnung für einen Winkelfehler Δ L, bei dem die Antenne 10 auf einen Punkt links von der Bodenstation gerichtet ist, zu entnehmen sein. Wie das Vektordiagramm nach F i g. 3a zeigt, ist das Differenzsignal Δ für einen Winkelfehler Δ L hinsichtlich seiner Phase Φί. umgekehrt, weshalb das Differenzsignal Δ bei der niedrigeren Extremfrequenz /i gegenüber der Frequenzmodulation des Summensignals um 180° phasenverschoben ist und vom Summensignal Σ abgezogen wird, so daß bei der Extremfrequenz f\ ein kleineres resultierendes Signai Ri entsteht. Wegen der Verzögerung der höheren Extremfrequenz f₂ wird die Differenzfrequenz Δ bei der Extremfrequenz f₂ um 180° phasenverschoben und ist infolgedessen mit der Frequenzmodulation des Summensignals Σ in Phase, so daß sie zu dem Summensignal addiert wird und ein größeres resultierendes Signal Ra liefert. Die kombinierten Summen- und Differenzsignale weisen demnach für einen Winkelfehler Δ L eine Amplitudenmodulation, deren Phase umgekehrt ist zu dem Fall, bei dem die Bodenstation links von der Blickrichtung der Antenne 10 liegt, wie aus einem Vergleich der Einhüllenden der Signale in F i g. 3b deutlich wird.

Im Pilotempfänger 18 wird das kombinierte Signal nach dem Passieren eines Eingangsmischers 21, mit dem ein Überlagerungsoszillator 22 gekoppelt ist, und eines Verstärkers 23 einem AM-Detektor 26 zugeführt. Die Einhüllenden des amplitudenmodulierten Zwischenfrequenzsignals wird durch den AM-Detektor 26 gewonnen und in einem Phasendetektor 28 mit einem vom FM-Diskriminator 24 gelieferten Referenzsignal verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 28 ist in seiner Amplitude dem Richtungsfehler der Antenne 10 proportional und in seinem Vorzeichen von ihm abhängig. Das Signal am Ausgang des Phasendetektors 28, einschließlich seiner Frequenz, bildet das für die Richtungssteuerung erforderliche Eingangssignal für einen Richiungssignalverstärker 29, der vorzugsweise einen Motor-Leistungsverstärker enthält, dessen Ausgang mit dem Despinmotor 30 verbunden ist.

Die am Ausgang des FM-Diskriminators 24 zur Verfügung stehende demodulierte Tonfrequenz wird auch einem Befehlsdecodierer 25 zugeführt, der die in den Pilotsignalen enthaltene Information verarbeitet.

Ferner ist der Verstärker 23 mit einem Ausgang des AM-Detektors 26 durch eine Einrichtung 27 zur automatischen Verstärkungsregelung verbunden. Der Phasendetektor 28 wird vorzugsweise als linearer Phasendetektor ausgebildet, der einen Tiefpaß zum Durchlassen der Niederfrequenz- oder Gleichstromkomponente enthält und eine Ausgangsspannung liefert, die dem Cosinus der Phasendifferenz zwischen dem Referenz- und dem Fehlersignal proportional ist.
Allgemein gesprochen leitet bei Empfangsbetrieb die Antennenleitung 12 einschließlich der Hybride 11 die Nachrichtensignale gemeinsam mit den kombinierten AM- FM-Signalen durch ein Koaxialkabel 14', das durch das Zentrum der Drehkopplung 7 läuft. Die Nachrichtensignale werden vom Pilotsignalträger in einem Richtungsfilter 15 getrennt, das einen Ausgang hat, der mit den Nachrichtenempfängern 32 über einen Bandpaß 34 verbunden ist. Sender 36 sind mit der Antenne 10 oder einer getrennten Sendeantenne mit zur Antenne 10 gleicher Ausrichtung über die Drehkopplung 7 verbunden, die aus das Koaxialkabel 14' umgebenden Hohlleitern besteht. Im Koaxialkabel 14' minimieren 4-GHz-Drosseln an seinem Außenleiter eine Wechselwirkung mit den Sendesignalen, die durch die das Koaxialkabel umgebenden Hohlleiter der Drehkopp-

« lung 7 geleitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch auf der Erdoberfläche für eine Signalverfolgung verwendbar, die von einem Richtungssteuersystem für eine Antenne Gebrauch macht, das zur Feststellung eines Richtungsfehlers der Antenne bezüglich entfernter ortsfester oder beweglicher Pilotstationen dient, die sich auf oder unmittelbar über der Erdoberfläche befinden und ein entsprechendes frequenzmoduliertes Signal ausstrahlen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals zum Ausrichten einer Antenne, die zwei symmetrisch zu ihrer Strahlachse angeordnete Strahlungselemente aufweist, auf eine Signalquelle, die ein mit einer Information frequsnzmoduliertes Signal aussendet, mit einer Einrichtung zur Bildung von Summen- und Differenzsignal aus den von den beiden Strahlungselementen empfangenen Signalen, mit einer Einrichtung zur periodischen Änderung der Phasenlage des Differenzsignales um 180°, mit einer Einrichtung zur Addition dieses eine sich periodisch ändernde Phasenlage aufweisenden Differenzsignales zum Summensignal und mit einer Einrichtung zur Ableitung des Steuersignal;, von der durch die Addition des Differenzsignals erzielten Amplitudenmodulation des Summensignals, welches Steuersignal einen dem Modulationsgrad der Amplitudenmodulation proportionalen Betrag und ein durch die Phasenlage der Amplitudenmodulation bestimmtes Vorzeichen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur periodischen Änderung der Phasenlage des Differenzsignales um 180° ein überkoppeltes, auf jede der beiden Extremfrequenzen des frequenzmodulierten Signals abgestimmtes Richtungsfilter (13) mit frequenzabhängiger Signalverzögerung ist.

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals zum Ausrichten einer Antenne, die zwei symmetrisch zu ihrer Strahlachse angeordnete Strahlungselemente aufweist, auf eine Signalquelle, die ein mit einer Information frequenzmoduliertes Signal aussendet, mit einer Einrichtung zur Bildung von Summen- und Differenzsigr.al aus den von den beiden Strahlungselementen empfangenen Signalen, mit einer Einrichtung zur periodischen Änderung der Phasenlage des Differenzsignales um 180°, mit einer Einrichtung zur Addition dieses eine sich periodisch ändernde Phasenlage aufweisenden Differenzsignales zum Summensignal und mit einer Einrichtung zur Ableitung des Steuersignals von der durch die Addition des Differenzsignals erzielten Amplitudenmodulation des Summensignals, welches Steuersignal einen dem Modulationsgrad der Amplitudenmodulation proportionalen Betrag und ein durch die Phasenlage der Amplitudenmodulation bestimmtes Vorzeichen aufweist.

   Eine solche Vorrichtung ist aus Electronics, l.Mai 1967, S. 84 bis 86 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird zur Änderung der Phasenlage des Differenzsignals periodisch in die das Differenzsignal führende Leitung ein Leitungsabschnitt eingeschaltet, dessen Länge der halben Wellenlänge des übertragenen Differenzsignales gleich ist. Das periodische Einschalten eines solchen Leitungsabschnittes, das bei der bekannten Vorrichtung mit einer Frequenz von 100 Hz erfolgt, erfordert einen erheblichen Aufwand an Schaltmitteln. Auch dürfte eine solche Vorrichtung nur bei relativ hohen Frequenzen anwendbar sein, weil hohe Freqenzen und damit kurze Wellenlängen die Voraussetzung dafür sind, daß Leitungsabschnitte, deren Länge der halben Wellenlänge gleich ist, ein- und ausgeschaltet werden können. Die bekannte Vorrichtung arbeitet bei Frequenzen nahe 2300 MHz. Andererseits ist gerade die Realisierung von Schaltern in diesem Frequenzbereich besonders schwierig.

   Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

   zugrunde, die bekannte Vorrichtung so zu verbessern, daß sie ohne besondere Schaltmittel auskommt und praktisch in jedem Frequenzbereich angewendet werden kann.

   Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur periodischen Änderung der Phasenlage des Differenzsignales um 180° ein überkoppeltes, auf jede der beiden Extremfrequenzen des frequenzmodulierten Signales abgestimmtes Richtungsfilter (13) mit frequenzabhängiger Signalverzögerung ist

   Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also die Änderung der Phasenlage des Differenzsignales durch ein völlig passives Bauelement erzielt, das für praktisch alls interessierenden Frequenzbereiche auf einfache Weise realisierbar ist. Dadurch wird eine bedeutende Vereinfachung und zugleich eine bedeutende Erhöhung der Betriebssicherheit für die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt. Für die Anwendung bei Raumflugkörpern ist es weiterhin von besonderem Vorteil, daß keine Schdteinrichtungen vorhanden sind, zu deren Steuerung und Antrieb Energie benötigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Änderung eier Phasenlage des Differenzsignales und damit die Amplitudenmodulation des Summensignales mit der gleichen Frequenz erfolgt, mit der das empfangene Signal moduliert ist, also mit einer wesentlich höheren Frequenz, als sie durch Einschalten eines Leitungsabschnittes realisierbar ist. Infolgedessen ist auch die Verarbeitung des durch die Amplitudenmodulation erzeugten Signales einfacher als bei der bekannten Vorrichtung.

   Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Austührungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

   F i g. 1 eine bildliche Darstellung eines spinstabilisierten Nachrichtensatelliten in synchroner Umlaufbahn, der eine auf eine Bodenstation gerichtete Richtantenne aufweist,

   F i g. 2 ein schematisches Blockschaltbild des Nachrichtensystems des Satelliten nach Fig. 1 mit einer Vorrichtung zum Ausrichten der Richtantenne auf die Bodenstation und

   F i g. 3a und 3b Diagramme zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung zum Ausrichten der Richtantenne des Nachrichtensystems nach F i g. 2.
   Fig. 1 zeigt einen spinstabilisierten Satelliten 4 in synchroner Umlaufbahn, dessen Rotationsachse parallel zur Erdachse gerichtet ist. Eine Richtantenne 10 ist auf einem Despinteil des Satelliten montiert und mit dem rotierenden Hauptteil 5 durch eine Drehkopplung 7 verbunden. Ein geeigneter Despinmotor, der im Satelliten 4 montiert und mit der Antenne 10 durch die Drehkopplung 7 mechanisch verbunden ist, dient dazu, die Rotation des Despinteils mit der Antenne 10 aufzuheben. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die weiter unten im einzelnen beschrieben wird, wird die Aufhebung der Rotation des Despinteiles so gesteuert, daß die Richtantenne ständig auf eine Bodenstation 8 ausgerichtet ist.

   Das in Fig.2 dargestellte Blockschaltbild zeigt, daß das als Ausführungsbeispiel gewählte Nachrichtensy-

   stern des Satelliten 4 Übertragungseinrichtungen für den Empfang von Nachrichten- und Pilot- oder Befehlssignalen von der Bodenstation 8 umfaßt. Dieses System steuert die Orientierung der Richtantenne 10 um