DE2348156C2 - Satellitenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Satellitenantenne in Gestalt einer rotationssymmetrisch ausgebildeten Cassegrain-Antenne mit einem Hauptreflektor, einem Subreflektor und einem Erregersystem, das zu Peil- und Nachführzwecken in der Subreflektorbrennebene oder in deren unmittelbarer Nähe mehrere Erregerzentren aufweist, die jeweils in der ebenen Antennenapertur eine wenigstens annähernd ebene Welle erzeugen und von denen zwei Zentren, die symmetrisch zur Antennensymmetrieachse liegen, auch zur eigentlichen Nachrichtenübertragung verwendet werden.

Eine solche Antenne ist aus der US-PS 34 95 262 bekannt Im Hinblick auf Satellitcnnachrichtenübertragungssysleme kommt es in hohem Maße darauf an, daß die Ausleuchtung des mit der Satellitenantenne zu versorgenden Gebiets im Sinne einer möglichst geringen Schwankungsbreite der im Gebiet empfangenen Strahlungsdichte erreicht wird, während außerhalb des Gebiets die Strahlungsdichte möglichst geringe Werte aufweisen soll. Ein genaueres Kriterium besagt, daß die untere Grenze der im Gebiet empfangenen Strahlungsdichte möglichst weit angehoben sein muß, wenn der hierfür erforderliche Energiebedarf der Antenne optimal niedrige Werte annehmen soll. Die Realisierung einer Antenne mit solchen Eigenschaften bereitet insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn, wie das bei Satellitenantennen der Fall ist, im Hinblick auf den klein zu haltenden Energiebedarf oder die Störung benachbarter Gebiete nur sehr scharf bündelnde Antennen in Frage kommen und darüber hinaus das auszuleuchtende Gebiet von der Kreisform abweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Satelliten eine Cassegrain-Antenne zu schaffen, mit welcher sich ein zumindest annähernd ovales Versorgungsgebiet optimal ausleuchten läßt, wobei jedoch aufgrund der Satellitenbewegungen hierzu von einer Antenne ijiit Peilungs- und Nachführmöglichkeiten auszugehen ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß diese zwei symmetrisch zur Antennensymmetrieachse liegenden Erregerzentren so angeordnet sowie amplituden-, phasen- und polarisationsmäßig betrieben sind, daß die Hauptstrahlrichtungen der beiden sich ergebenden Partialantennenkeulen annähernd auf die am weitesten auseinanderliegenden Randpunkte des ovalen Versorgungsgebietes ausgerichtet sind, und daß die beiden Reflektoren eine gegenüber der konventionellen Form abweichende derartige Form aufweisen, daß sich in der Aperturebene ein wenigstens annähernd homogene Feldverteilung ergibt. Bei einer homogenen Feldverteilung liegt gemäß dem »Lexikon der Physik« von Hermann Franke, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1969, Band 1, Seite 469 oder gemäß dem »Lexikon der Hochfrequenz-, Nachrichten- und Elektrotechnik« von Curt Rint, Verlag Technik Berlin und Porta Verlag KG, München, 1958, Band 2, Seite 506, ein Feld vor, dessen Feldstärke in dem betrachteten Bereich überall gleichen Betrag und Richtung hat.

Ist die ovale Form des Versorgungsgebiets stark länglich, so ist es vorteilhaft, wenn das Erregersystem ein drittes, im Brennpunkt des Subreflektors angeordnetes Erregerzentrum aufweist, das eine ebene Welle erzeugt, die etwa in Richtung des Zentrums dieses Versorgungsgebietes abgestrahlt wird.

Die Erregerzentren des Erregersystems lassen sich in Form von separaten Erregern, z. B. Horn- oder Hohlleiterstrahlern, verwirklichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Erregerzentren des Erregersystems durch ein konzentrisch in der Antennensymmetrieachse angeordnetes koaxiales Erregersystem realisiert und zwar durch einen hornartig aufgeweiteten Koaxialleitungsstrahler, der so dimensioniert ist, daß außer der Koaxialleitungsgrundwelle auch die Hohlleitergrundwelle angeregt ist.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden

noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

F i g. 1 die schematische Darstellung einer drehsymmetrischen Cassegrain-Antenne nach der Erfindung,

Fig.2 die Form eines mittels der Antenne nach F i g. 1 optimal ausleuchtbaren ovalen Versorgungsgebietes,

Fig.3 und 4 ein zu einem Peilerregersystem erweitertes Erregersystem für eine Cassegrain-Antenne nach F ig. 1,

F i g. 5 die räumliche Anordnung der Erreger eines zu einem Peil-Erregersystem erweiterten Erregersystems mit Mittelerreger,

F i g. 6 bis 8 verschiedene andere Möglichkeiten der räumlichen Anordnung der Erreger eines zu einem Peil-Erregersystem erweiterten Erregersystems,

Fig.9 und 10 ein zu einem Peil-Erregersystem erweitertes koaxiales Erregersystem,

F i g. 11 und 12 ein weiteres, zu einem Peil-Erregersystem erweitertes koaxiales Erregersystem.

F i g. 1 zeigt eine drehsymmetrische Cassegrain-Antenne nach der Erfindung. Sie besteht aus einem Hauptreflektor 1, einem Subreflektor 2 sowie einem Erregersystem 3 mit zwei hornförmigen Erregern £ 1 und £2, die über einen Leistungsteiler 4 an eine Speiseleitung 5 angeschlossen sind. Die Erreger £1 und E 2 sind symmetrisch zur Symmetrieachse der Antenne in der Brennebene 6 des Subreflektors 2 angeordnet. Dabei befindet sich der Subreflektor 2 im Fernfeld der die Erregerzentren darstellenden Erreger Fl und El. Beide Erreger El und El erzeugen in der Apertur der Antenne jeweils eine ebene, homogene Welle, deren Ausbreitung etwa in Richtung der am weitesten auseinanderliegenden Randpunkte des Versorgungsgebietes erfolgt. Rechts von der Antenne ist ein Strahlungsdiagramm angegeben, dessen Hauptkeule 7 (unterbrochene Linie) sich aus der auf den Erreger E2 zurückgehenden Partialkeule 8 und der auf den Erreger Ei zurückgehenden Partialkeule 9 zusammensetzt. Die Partialkeulen sowie auch ihre Nebenzipfel 8', 8" und 9'', 9" sind jeweils mit einem Plus- oder Minuszeichen versehen, um die wechselnde Phase anzudeuten.

Wie das Strahlungsdiagramm der Cassegrain-Antenne nach F i g. 1 zeigt, hat die Versetzung der Erreger E1 und E2 aus der Symmetrieachse eine Ausbreitung der auf sie zurückführenden homogenen ebenen Wellen, abweichend von der Hauptstrahlrichtung, zur Folge. Die homogene Feldverteilung in allen erzeugten Partialwellen wird durch geeignete Formung von Haupt- und Subreflektor erreicht, und zwar um so besser, je größer die Abmessungen der Reflektoren gegenüber der Wellenlänge sind.

]e nach Winkelabstand und Leistungsaufteilung zwischen den beiden partiellen Strahlungskeulen erhält man verschiedene Querschnittsformen des resultierenden Antennenstrahls. Die Fig.2 zeigt einen ovalen Querschnitt als Beispiel. Die Antenne nach F i g. 1 ist zur optimalen Ausleuchtung eines solchen Gebiets besonders geeignet.

Die zu einer Partialwelle gehörenden Erreger E1 und E2 sind so zu bemessen, daß der Subreflektor 2 gut ausgeleuchtet und wenig Energie an seinen Rändern vorbeigestrahlt wird. Bei keulenförmigem Primärdiagramm erhält die Randzone des Subreflektors 2 weniger Energie als sein Zentrum. Gegenüber einem konventionellen hyperbolischen Subreflektor wird die Krümmung in den Randzonen des Subreflektors 2 so verringert, daß in der Apertur des Hauptreflektors 1 wieder eine annähernd konstante Amplitiidenverteilung auftritt Zur Kompensation des durch die Änderung des Subreflektors 2 entstehenden Phasenfehlers muß auch die Kontur des Hauptreflektors 1 gegenüber der parabolischen Ausgangsform geändert werden. Beide Reflektoren 1 und 2 werden durch die Korrekturen etwas tiefer, wobei die relative Änderung beim Subreflektor 2 größer ist.

Eine optimale Anpassung der Strahlungscharakteristik der Antenne an das auszuleuchtende Gebiet bedeutet, daß außerhalb des durch das Ausleuchtgebiet definierten Raumwinkels die empfangene Strahlungsdichte einen meist ziemlich raschen Flankenabfall aufweist Das hat gerade im Hinblick auf Satellitenantennen den Nachteil, daß bei Schwankungen oder einer fixen Fehlausrichtung der Antenne schnell ein gravierender Pegelrückgang in den Randbereichen des Ausleuchtgebietes auftritt

Um dies zu vermeiden, ist eine genaue Ausrichtung des Antennenstrahls erforderlich, was nur bis zu einem gewissen Grad durch Ausrichten des Satelliten mit Hilfe seines Lage-Regelsystems erfolgen kann. In einem solchen Fall ist es erforderlich, die Antenne oder wenigstens ihren Strahl hinsichtlich des auszuleuchtenden Gebietes feinnachzuführen. Eine kontinuierliche Strahlschwenkung ist beispielsweise durch mechanische Bewegung eines oder einiger Erreger vorwiegend senkrecht 7ur Symmetrieachse der Antenne möglich. Weitere Möglichkeiter sind eine seitliche Verschiebung oder Kippung des Subreflektors, oder bei feststehendem Subreflektor und feststehenden Erregern eine Kippung des Hauptreflektors. Auch kann von einer gemeinsamen Kippung von Erregern und Subreflektor bei feststehendem Hauptreflektor Gebrauch gemacht werden.

Zur Durchführung einer solchen Feinnachführung der Antenne bzw. ihres Strahls kann von einem Peil- und Nachführsystem Gebrauch gemacht werden, bei dem die Antenne das Signal eines im Ausleuchtgebiet angeordneten Peilsenders empfängt und hieraus ein Regelsignal für die Nachführeinrichtung ableitet. Die Peilung erfolgt durch Erzeugung eines Peildiagramms wenigstens teilweise mit den gleichen Antenneneinrichtungen, über die auch das Nachrichtensignal geführt wird.

Zweckmäßig wird zur Peilung vom sogenannten Monopuls- oder Beam-Lobing-Verfahren Gebrauch gemacht, das die beiden Cassegrain-Reflektoren benutzt.jedoch mit einem anderen Erregersystem arbeilet. In den Fig. 3 und 4 ist ein solches Erregersystem schematisch gezeigt. F i g. 3 zeigt zunächst vier Hornerreger Ei, E2 und £1' und £2'. Die Schraffur der Erreger £ 1 und £2 bedeutet, wie auch in den F i g. 5 und 6 jeweils, daß der betreffende Erreger für die Übertragung des Nachrichtensignals ausgenutzt wird, während das Fehlen einer Schraffur, wie es hier bei den Erregern £1' und £2' der Fall ist, bedeutet, daß diese Erreger ausschließlich der Erzeugung des Peildiagramms dienen, für das auch die erstgenannten Erreger £1 und £2 mit herangezogen werden. Alle vier Erreger bilden also gemeinsam das Peil-Erregersystem. Sie sind symmetrisch zur Symmetrieachse der Antenne angeordnet. Dabei ermöglichen die Erreger £1 und £2 die Peilung in der Ebene e I und die Erreger £ Γ und £2' die Peilung in der hierzu senkrechten Ebene e II. F i g. 4 zeigt, wie die vier Erreger £1, £2 und EV, £2' für die Ableitung eines Regeisignals zusammenarbeiten. Die Erreger sind mit einem Komparator 10 verbunden, der für das in der Ebene e I über die beiden Erreger £ 1, £2 empfangene Peilsignal das Differenzsignal Δ I und für

das in der Ebene FII über die Erreger EV und £2' empfangene Peilsignal das Differenzsignal Δ II erzeugt. Daneben erzeugt der Komparator 10 noch das Summensignal Σ, das eine Bezugsgröße darstellt. Aus diesen drei Signalen wird das Regelsignal für die Nachführeinrichtung abgeleitet.

Wie F i g. 4 ferner erkennen läßt, ist im Verbindungsweg zwischen dem Erreger El und dem Erreger E2 zum Komparator jeweils eine Sende/Empfangsweiche 11 bzw. 12 angeordnet, deren dritter Anschluß mit den beiden Anschlüssen eines Leistungsteilers 13 in Verbindung steht, an dessen Eingang das Nachrichtensignal A/auftritt.

Fig. 5 zeigt das Peü-Erregersystem nach Fig. 3, bei dem im Zentrum allerdings noch ein weiterer Erreger £3 angeordnet ist. Dieser Erreger £3 ist ausschließlich für die Nachrichtensignal-Übermittlung vorgesehen, trägt also zum eigentlichen Peil-Erregersystem nichts bei.

Fig. 6 bis 8 zeigen verschiedene modifizierte Peil-Erregersysleme, die mit dem für die Nachrichtenübertragung vorgesehenen Erregersystem der Antenne konstruktiv zusammengefaßt sind. Die Peilebenen e I und eil sind aus Gründen der Übersichtlichkeit bei diesen Ausführungsformen lediglich durch strichpunktierte Linien angedeutet.

Bei der Anordnung nach Fig.6 ist die Nullstelle des Peildiagramms seitlich aus der Symmetrieachse der Antenne versetzt. Eine solche Versetzung kann bei der Auswertung des empfangenen Peilsignals berücksichtigt werden.

Eine Anordnung, die der Anordnung nach F i g. 3 entspricht, ist in Fig. 7 angegeben. Die für die Nachrichtenübertragung mitverwendeten Erreger £1 und £2 sind hier unmittelbar aneinandergesetzt.

Die Anordnung nach F i g. 8 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig.6 dadurch, daß die Erregerpaare £1, £2' und £2, EV in vertikaler Richtung voneinander abgesetzt sind.

Die Eignung der verschiedenen Anordnungen entsprechend den F i g. 3, 5, 6, 7 und 8 hängt vom Antennendurchmesser sowie von Form und Größe des Gebiets ab. Die Erreger £1, £2, £3 sowie EV und £2' stellen eigentlich nur Erregerzentren dar. Sie können durch übliche Einzelstrahler, z. B. Horn-, Wendel-, Spiral-, dielektrische Hohlleiter-, Schlitz-, Längs- und Dipolstrahler oder aber auch durch Überlagerung verschiedener Wellentypen, beispielsweise in Hohlleitern, realisiert sein.

Wie schon angedeutet worden ist können zwei symmetrisch zur Symmetrieachse angeordnete Erregerzentren mit Hilfe eines konzentrisch um die Antennensymmetrieachse angeordneten koaxialen Erregersystem realisiert werden, und zwar durch einen hornartig aufgeweiteten Koaxialleitungsstrahler, der so dimensioniert ist daß außer der Koaxialleitungsgrundschwelle TEM auch die Hohlleitergrundwelle angeregt ist In Fig.9 zeigt der Querschnitt mit dem Außenleiter 14 und dem Innenleiter 15 die Feldverteflung einer TEM-Koaxialleitungswelle, bei der die Feldlinien radial vom Innenleiter 15 zum Außenleiter 14 gehen. Bei der Anregung eines solchen Koaxialleiters mit der Hohlleitergrundwelle entsteht wie die rechte Abbildung zeigt eine Feldverteilung, bei der die Feldlinien im wesentlichen in einer Richtung verlaufen und in der Vertikalen, zu beiden Seiten des Innenleiters 15, ein mit einem kleinen Kreuz markiertes Erregerzentrum Eo 1 und £o2 erzeugen. Diese beiden Erregerzentren entsprechen den Erregern £1 und £2 nach Fig. 1. Ein solcher Koaxialleitungsstrahler ist zum Empfang eines Peilsignals geeignet, das in ihm die TEM-Leitungswelle anregt. Hierzu ist lediglich erforderlich, daß der Peilsender eine zirkulär polarisierte Welle abstrahlt.

Eine praktische Ausführung eines solchen Koaxialleitungsstrahlers, der zugleich ein Peildiagramm für die TEM-Leitungswelle erzeugt, ist in Fig. 10 dargestellt. Er besteht aus einem Außenleiter 14 und einem Innenleiter 15, der an seinem hinteren Ende in eine koaxial ausgeführte Weiche 16 für die Trennung der TEM-Leitungswelle von der Hohlleiterwelle übergeht und in Achsrichtung des Horns ausgangsseitig einen Koaxialanschluß 16' für die das Peilsignal beinhaltende TEM-Leitungswelle aufweist. Zwei weitere, senkrecht zur Symmetrieachse auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnete koaxiale Ankopplungen 16" sind mit einem Leistungsteiler 17 verbunden, der seinerseits über eine Sende/Empfangsweiche 18 mit einem Eingang für das Nachrichtensignal Nund mit einem Ausgang für ein Summensignal £ verbunden ist. Der Leistungsteiler 17 ist hinsichtlich seiner Anordnung um ein Viertel der Wellenlänge λ aus der Symmetrieachse versetzt angeordnet und bewirkt auf diese Weise ein sich gegenseitiges Auslöschen der über die koaxialen Ankopplungen 16" ankommenden Anteile der TEM-Leitungswelle.

Das über den Eingang der Sende/Empfangsweiche 18 eingespeiste Nachrichtensignal N regt über die auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten koaxialen Ankopplungen 16" im Bereich der Weiche den Koaxialleitungsstrahler mit der Hohlleitergrundwelle an. Diese Hohlleitergrundwelle HM kann nicht in Richtung des ausgangsseitigen koaxialen Anschlusses für die TEM-Leitungswelle fortschreiten, da dieser Anschluß durch Verkleinerung des Außen- und Innenleiterdurchmessers ihre Ausbreitungsfähigkeit verhindert. Bei exakter Ausrichtung der Antenne in Richtung des Peilstrahls wird im Koaxialleitungsstrahler lediglich die Hohlleitergrundwelle angeregt die als Summensignal Σ am Ausgang der Sende/Empfangsweiche 18 mit maximaler Amplitude auftritt. Bei einer Fehlausrichtung wird zusätzlich die TEM-Leitungswelle angeregt. Am koaxialen Ausgangsanschluß 16' tritt dann ein entsprechendes Signal Δ P auf, dessen Phasenlage im Verhältnis zur Phasenlage des Summensignals £ ^von der Richtung der Abweichung abhängig ist Somit kann mit Hilfe des Summensignals und des Signals Δ Ρ das gewünschte Regelsignal für eine Nachführeinrichtung abgeleitet werden.

Eine modifizierte Ausführungsform eines solchen Koaxialleitungsstrahlers zur gleichzeitigen Erzeugung eines Peildiagramms ist in den Fig. 11 und 12 angegeben. Der Koaxialleiter mit dem Außenleiter 14' und dem Innenleiter 15' hat hier quadratischen Querschnitt Die durch Anregung mit der Hohlleitergrundwelle erzeugten Erregerzentren sind wiederum mit Eo Ϊ und Eo 2 bezeichnet Der Koaxialleitungsstrahler mit dem Außenleiter 14' und dem Innenleiter 15' mündet in einen koaxialen Verzweigungspunkt 19 aus, über den die im Strahler angeregte TEM-Leitungswelle in zwei Zweige 20 und 21 aufgeteilt und anschließend am Ausgang 22 wiederum phasenrichtig zusammengefaßt werden. Der Koaxialleitungsstrahler setzt sich hinter dem koaxialen Verzweigungspunkt 19 als Hohlleiterhorn 23 fort und mündet in eine Sende/Emp-■ fangsweiche 18' mit einem Eingang für das Nachrichtensignal iVund einem Ausgang für das Summensignal J]

Im Hohlleiterhorn 23 ist lediglich die Hohlleitergrundwelle HH ausbreitungsfä'hig, nicht aber die TEM-Leitungswelle. Insoweit entspricht also die Wirkungsweise dieser Anordnung der Anordnung nach Fig. 10. Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 10 besteht darin, daß das freie Innenleiterende 15' des Koaxialleitungsstrahlers ein

Horn darstellt, das über Öffnungen 24 mit der im Koaxialleitungsstrahler angeregten Welle gekoppelt ist. Dieses innere Horn realisiert mit anderen Worten ein drittes Erregerzentrum Eo 3, das hierbei in der Symmetrieachse des koaxialen Erregersystems und damit auch in der Symmetrieachse der Antenne angeordnet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Satellitenantenne in Gestalt einer rotationssymmetrisch ausgebildeten Cassegrain-Antenne mit einem Hauptreflektor, einem Subreflektor und einem Erregersystem, das zu Peil- und Nachführzwecken in der Subreflektorbrennebene oder in deren unmittelbarer Nähe mehrere Erregerzentren aufweist, die jeweils in der ebenen Antennenapertur eine wenigstens annähernd ebene Welle erzeugen und von denen zwei Zentren, die symmetrisch zur Antennensymmetrieachse liegen, auch zur eigentlichen Nachrichtenübertragung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese zwei symmetrisch zur Antennensymmetrieachse liegenden Erregerzentren (E 1, E2) so angeordnet sowie amplituden-, phasen- und polarrationsmäßig betrieben sind, daß die Hauptstrahlrichtungen der beiden sich ergebenden Partialantennenkeulen (8, 9) annähernd auf die am weitesten auseinanderliegenden Randpunkte des ovalen Versorgungsgebietes ausgerichtet sind, und daß die beiden Reflektoren (1, 2) eine gegenüber der konventionellen Form abweichende derartige Form aufweisen, daß sich in der Aperturebene eine wenigstens annähernd homogene Feldverteilung ergibt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerzentren des Erregersystems separate Erreger (El, E2) sind, z.B. Horn- oder Hohlleiterstrahler.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregersystem ein drittes, im Brennpunkt des Subreflektors (2) angeordnetes Erregerzentrum (EZ, Eo 3) aufweist, das eine ebene Welle erzeugt, die etwa in Richtung des Zentrums des Versorgungsgebietes abgestrahlt wird.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerzentren des Erregersystems durch ein konzentrisch in der Antennensymmetrieachse angeordnetes koaxiales Erregersystem realisiert sind und zwar durch einen hornarlig aufgeweiteten Koaxialleitungsstrahler (14/15, 14715'), der so dimensioniert ist, daß außer der Koaxialleitungsgrundwelle auch die Hohlleitergrundwelle angeregt ist.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Horn (14', 15') ausmündende koaxiale Erregersystem ein freies Innenleiterende aufweist, das zur Realisierung eines zusätzlichen, in der Symmetrieachse der Antenne angeordneten Erregerzentrums (Eo 3) ebenfalls als Horn ausgebildet und über Koppelvorrichtungcn (24) in der Wandung dieses inneren Horns an das eigentliche koaxiale Erregersystem angekoppelt ist.