DE2411556A1

DE2411556A1 - Mikrowellensendesystem

Info

Publication number: DE2411556A1
Application number: DE2411556A
Authority: DE
Inventors: Jun William Iabez Robinson
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1973-03-13
Filing date: 1974-03-11
Publication date: 1974-10-03
Also published as: US3795910A; FR2221852B1; NL7403325A; CA1010506A; FR2221852A1; GB1420056A; JPS5024739A

Description

Washington, D. C. 2.0 5^6, USA

Hensendesys tem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrowellensendesystem mit einem Mikrowellenleistungsgenerator, einer Sendeantenne für den Empfang der von/ Mikrowellenleistungsgenerator abgestrahlten Leistung und zur gerichteten Abstrahlung der Mikrowellenenergie in ein Energieband; mit einer von der Sendeantenne räumlich getrennten L'mpf angsantenne , die auf maximalen Le i stungsempfäug von der Sendeantenne eingestellt und ausgerichtet ist, und mit einer veränderlichen Impedanz, die lastmäßig die linergie von der Empfangsantenne auffängt und verwertet«

Ls ist schon vorgeschlagen worden, die Leistung zwischen unzugänglichen OrtJ ichkeiten mit Iliife von Mikrowellenübertragung zu übertratren. Li₁₁ derartiges Verfahren ist · rjsbe sonder- bei

409840/0736

der Übertragung von Energie durch den Raum von der Erde zu einer Raumstation anwendbar, zwischen der Erde und dem Mond oder zwischen einzelnen Raumstationen untereinander. Selbstverständlich kann dieses Verfahren auch für die Energieübertragung zwischen Orten auf der Erde verwendet werden, bei denen die Kosten oder die baulichen Schwierigkeiten bei der Errichtung von Energieleitungen Übertragungen durch Mikrowellen günstiger erscheinen lassen.

Eine Schwierigkeit bei der Energieübertragung durch Hochfrequenzwellen, insbesondere bei unbemannten Empfangsstationen, besteht darin, die erforderliche Genauigkeit bei der Übertragung der Leistungspegeln zu erhalten, die während einer bestimmten Zeit eingehalten werden müssen. Dabei handelt es sich insbesondere dann um ein spezielles Problem, wenn wesentliche Veränderungen in der Leistungsbelastung auf .einer Empfangsstation auftreten. Abgesehen von diesem Verlust ergeben sich noch Probleme in der Zerstreuung der nicht benötigten Energie und in der Aufrechterhaltung von. genauen Spannungspegeln.

Gegenüber bekannten Systemen ist es die Aufgabe der Erfindung ein System zu schaffen, in dem die übertragene Leistung in libere ins tinimung mit dem Leistungsbedarf und der Leistungsausnutzung in der Empfangsstation geregelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zweite Empfangsantenne nahe der Sendeantenne angeordnet und derart abgeglichen ist, daß sie die von der ersten Empfangsantenne reflektierte elektrische Energie empfängt, daß ein auf die Ausgangsleistung der zweiten Empfangsantenne ansprechender Leistungsregler ein Steuersignal bildet und daß eine Energiequelle auf das Steuersignal anspricht", um eine veränderliche Hetriebsleistung dem Mikrowellengeiiera tor zu-

- 3 409840/0736

zuführen, wobei dieser eine Ausgangsleistung vorgewählter Größe der Mikrowellenenergie entsprechend der Leistungsaufnahme der veränderlichen Impedanzlast abgibt. Liie Sendestation unifaßt eine Enipf angsantenne , die dafür adaptiert ist, reflektierte oder zurückgestrahlte Energie von der Üiiipf angsanteime der limpf angss tation auf zufangen. Die reflektierte Energie steigt bei nicht Nichtausnutzung der Energie in der Empfangsstation an und Änderungen in der empfangenen, zurückgestrahlten Energie werden in der Sendestation gemessen und dazu verwandt um die Leistungsabgabe des Senders der Sendestation derart zu regulieren, daß die Leistung auf einem Pegel in Übereinstimmung mit dem jeweiligen Leistungsbedarf der Empfangsstation gehalten wird.

In weiterer Ausgestaltung gibt der Leistungsregler veränderliche Steuersignale entsprechend der Lastwerte ab, die zwischen einer Belastung ungefähr gleich der Impedanz der iimpfangsantenne und einem Impedanzwert größer als der Impedanzwert der Einpfangsanteime liegen.

In bevorzugter Weise weist der Leistungsregler Mittel auf, die auf vorgewählte Kombinationen von Lastimpedanz-Leistungspegeln des Systems ansprechen, um ein Steuersignal und vorgegebene Senderausgangsleistungen für bestimmte Werte der veränderlichen Impedanzlast auszustrahlen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigen;

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Mikrowellensendesystem,

409840/073 6

Fig. 2 schematisch ein System für die Kupplung der Energie von einer Empfangsantenne zu einer Last,

Fig. 3 ein schetnatisches Schaltbild eines Leistungsregelsystems für die Umsetzung eines zurückgestrahlen Signals in ein Steuersignal zur Kontrolle der Leistung eines Mikrowellensenders und

Fig. 4 eine Kurve, die den Betriebsverlauf des in Fig. dargestellten Kreises wiedergibt.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockdiagramm zeigt ein Mikrowellensendesystem für die Übertragung von elektrischer Energie zwischen einer Raumseiidestation 16 und einer Raum-Sub-Station oder Empfangsstation 12, in dem eine Sendeantenne 14 und eine Empfangsantenrie l6 aufeinander präzise abgeglichen und in einem genauen Abstand voneinander gehalten sind, um eine maximale Energieübertragung zu gewährleisten. Die Sendestation 10 umfaßt einen Mikrowellensender 18, der über eine veränderliche oder regulierbare Energiequelle 20 versorgt wird. Die Energiequelle 20 wird durch einen Leistungsregler

22 entsprechend einem mittels einer Zusatzempfangsantenne

23 empfangenen reflektierten Signals geregelt, wobei das reflektierte Signal die von der Empfangsstation, die durch die variable Last 25 dargestellt wird, benötigte Leistung anzeigt. Dies geschieht in folgender Weise.

Die Mikrowellenenergie des Senders 18 wird der Sendeantenne 14 eingespeist, bei der es sich um eine Schmalbandantenne wie beispielsweise eine elliptisch gekrümmte Antenne handelt. Diese Antenne ist dafür ausgelegt, einen Mikrowellenstrahl zu der Empfangsantemie 12 zu übertragen, die darauf abge-

409840/0738

stimmt ist, die übertragene Leistung mit maximaler Wirksamkeit zu empfangen. Die Empfangsantenne 12 schließt unter anderein eine Antennenanordnung von Halbwellen Dipolen 28, die von einem Reflektor 30 abgestützt und von diesem derart getrennt ist, daß der maximale Betrag an elektromagnetischer Energie von der Sendestation 12 aufgefangen wird. Ein Leistungssendesystem dieser allgemeinen Art ist in dem US-Patent Nr. 3 535 5^3 beschrieben.

Die in Fig. 2 gezeigten Dipole 28 einer derartigen Antennenanordnung sind in ihrer Mitte durch einen Brückengleichrichter 32 abgeschlossen, der den hochfrequenten Strom in Gleichstrom umwandelt. Die Ausgänge der Verstärker 32 werden einer Summierschaltung 3^ll zugeführt, in der die Ausgänge zweckmäßigerweise in Reihen-Parallel-Schaltung verbunden sind, mit der der Impedanzwert der variablen Impedanzlast 25 überwacht wird, wenn diese bei einein maximalen Leistungspegel in Betrieb ist, das heißt mit anderen Worten bei einer minimalen Impedanz.

Die Enipfangsantenne 23 ist eine schmale Richtantenne, die nahe, jedoch innerhalb einer Hochfrequenz-Totzone der Sendeantenne I^ der Sendestation 10 angeordnet ist. Diese Antenne fängt die von der'Empfangsantenne l6 reflektierte Energie auf. Der Ausgang der Antenne 23 ist mit einem Leistungsregler 22 verbunden, der derart ausgelegt ist, daß er ein geeichtes Ausgangssignal erzeugt, das in einem ausgewählten, proportionalen Funktionazusammenhang zu der empfangenen Hochfrequenzenergie steht. Dieser Ausgang liefert einen Steuersignaleingang zu einer variablen Leistungsversorgungseinheit 20, welche die Energieversorgung des Senders 18 herabsetzt und somit auch die übertragene Leistung auf vorbestimmte Werte mit ansteigender reflektierter

4Ö9840/0738

Energie. Auf diese Art werden ausgewählte Gleichgewichtsbedingungen zwischen der Sendeleistung und der Belastung der variablen Last 25 gehalten und vorherbestimmte Energiewerte der veränderlichen Last 25 für ausgewählte, diskrete Lastwerte zugeführt.

Bei der variablen Last 25 handelt es sich um eine Kombination von elektrisch parallel geschalteten, energieversorgten Einrichtungen, die alle gleichzeitg in Betrieb »ein können, um eine minimale Itnpedanzlast zu erhalten oder von denen eine oder mehrere Einrichtungen abtrennbar oder abschaltbar sind, um unterschiedliche, höhere Impedanzwerte zu erhalten. Die Erfindung ist unter anderem darauf gerichtet, weniger Leistung zu übertragen wenn weniger Einrichtungen betrieben werden, was gleichbedeutend mit einem Anstieg in der Impedanzlast ist. Bei dem erfindungsgemäßen System ist die Größe der bei der niedrigsten, gewählten Sendeleistung, das heißt bei dem höchsten Fahlabgleich zwischen Impedanzmaximum und Antennenausrichtung, reflektierten Energie größer als bei maximaler Sendeleistung mit einer abgeglichenen oder minimalen Impedanzbediiigung. Daher ist es möglich, ein Steuersystem anzuwenden, das in Einheiten eines diskreten Werts des reflektierten Signals für eine vorgegebene Last und einem Energiepegel des Senders 13 geeicht ist.

In Pig. 3 ist vereinfacht und schematisiert ein elektrischer Kreis für den Leistungsregler 22 dargestellt. Ein Detektor 36 empfängt Hochf requeiizenergie von der Antenne 23 und erzeugt einen Gleiche troniausgang, der durch eine Begrenzungsschaltung 3ΰ zu dem positiven Eingang eines Komparators 39 geleitet wird. Eine Referenzspannung von beispielsweise 5 Volt liegt über dem Potentiometer ^!l0 und dem + - Eingang des Subtraktions- oder Differenzschaltkreises k'<± an. Der

4098Λ0/0736

Ausgang des Leistungsreglers wird über einen beweglichen Arm 44 des Potentiometers 40 abgegriffen und der variablen Leistungsversorgung 20 und zu dem - - Eingang des Subtraktionskreises 42 geleitet. Der Ausgang des Subtraktionskreises ist mit dem - - Eingang des !Comparators 39 verbunden und dieser treibt reversibel den Arm 44 an, wodurch der Ausgangswert des elektrischen Stromkreises bestimmt wird. Die Be grenzungs schaltung 3'ύ, die zwischen dem Detektor 36 und dem Komparator 39 geschaltet ist, begrenzt die Amplitude der dem Komparator zugeführten Signale auf einen maximalen, geeichten Ausgang des Detektors 36, der gleich der Referenzspannung ist.

In Fig. 4 ist in einer Kurve die Detektor - Ausgangsspannung in Abhängigkeit von den Impedanzlast-Bedingungen aufgetragen. Die Kurve 48 erstreckt sich zwischen ausgewählten Betriebsgrenzen, und zwar zwischen einem minimalen Spannungspunkt 50, der die reflektierte Energie bei maximaler Leistung darstellt und einer abgeglichenen Impedanzlast, und einem maximalen Spannungspunkt 52, der die reflektierte Energie bei minimaler Leistung, jedoch bei einer maximalen Impedanz wiedergibt, das heißt bei maximaler Impedanz Fehlanpassung. Die Ausgangswerte des Detektors 36 sind in Einhei.ten der Kurve 48 geeicht, die für jeden Lastwert einen bestimmten Energieausgangswert anzeigt.

Für die überprüfung der Betriebsbedingungen des Systems, wird anfänglich davon ausgegangen, daß das System sich im Gleichgewicht befindet, das heißt, daß der Sender l8 mit maximaler Leistung arbeitet, beispielsweise 5OO Watt, um einen erwünschten Leistungspegel für die variable Last zu erhalten, wodurch anfänglich eine angepaßte Impedanz zu der Empfangsaη tenne l6, beispielsweise von 20 Ohm, wie

409840/0736

J₈ -

in Fig. 4 dargestellt, erhalten wird. Es wird darauf hingewiesen, daß der minimale Betriebsimpedanzwert der Last durch diese Angabe nicht bindend vorgegeben ist. Des weiteren wird noch angenommen, daß die Energiequelle 20 einen Leistungspegel für den Sender l8 derart vorgibt, daß eine·maximale Ausgangsleistung mit einer + 4 Volt Eingangsspannung von den; Arm 44 des Potentiometers 4ü erhalten wird und wobei der Arm 44 in der in Fig. 4 dargestellten Position sich befindet. Die von der iiinpf angsanteiuie 16 reflektierte Energie wird durch die Antenne 23 aufgefangen und durch den Detektor 36 gemessen, der beispielsweise einen Detektorausgang von + 1 Volt aufweist. Dies bedeutet, daß dein + -Eingang des !Comparators eine Spannung von + 1 Volt zugeführt wird. Die Ausgangsspannung von + 4 Volt des Steuerarms 44 wird dem - -Eingang des Subtraktionskreises 42 zugeleitet, in welchem dieser Wert von einer Referenzspannung von beispielsweise + 5 Volt subtrahiert wird, so daß eine Spannung von + 1 Volt dem - -Eingang des Komparators 39 eingespeist wird. Somit werden anfänglich dem Komparator 39 Gleichspannungen zugeführt, so daß dieser keine Ausgangsspannung zu einem Motor 46 liefert und der Steuerarm 44 in seiner Ruhestellung verbleibt und der Leistungspegel des Senders 18 nicht geändert wird.

Steigt die Impedanz der veränderlichen Last 25 auf einen Wert von beispielsweise 45 Ohm an, wodurch ein geringerer Leistungsbedarf angezeigt wird, so kann aus der Kurve 48 entnommen werden, daß diese Leistung 400 Watt beträgt. Es tritt dann ein Anstieg in der von der Antenne l6 reflektierten Leistung auf, der durch die Antenne 23 gemessen wird und einen Anstieg der Ausgangsspannung des Detektors 36 auf einen Wert oberhalb der Kurve 43, beispielsweise von + 3 Volt wie im Punkt 54 dargestellt ist,

409840/0736

bewirkt. Die Spannung von + 3 Volt wird dem + -Eingang des !Comparators 39 zugeführt und ergibt mit der Spannung von +1 Volt des - -Anschlusses einen Überschuß von + 2 Volt, die in den Komparator eingespeist werden, der daraufhin eine positive Ausgangsspannung für den Motor 46 liefert, der sich in eine Richtung dreht, die den Arm 44 abwärts bewegt. Der daraus resultierende Abfall in der Ausgangsspannung des Potentiometers 40 wird der veränderlichen Energiequelle 20 zugeführt, wodurch die Ausgangsleistung des Senders 18 herabgesetzt und Energie der Empfangsantenne zugeleitet wird. Dies bewirkt seinerseits ein Absinken der rückwärts zur Antenne 23 reflektierten Energie und eine herabgesetze Ausgangsspannung des Detektors 36. Dadurch tritt ein Abfall am·+ -Eingang des Komparators 39 und ein Anstieg am - -Eingang auf. Dies ergibt sich dadurch, da die Energiequelle-Steuerspannung von dem Arm 44 absinkt, welche den Leistungsausgang des Senders l8 wiedergibt und diese Spannung von der Referenzspannung von + 5 Volt subtrahiert wird. Wenn die dein Komparator 39 zugeführten Spannungen gleich sind, was im Schnittpunkt 56 auf der Kurve 48 der Fall ist, ist die Aus gangs spannung des Komparators 39 wieder null, wodurch der Motor 46 abgestellt wird und ein neuer, vorgegebener Leistungspegel erreicht ist.

Da der Detektor 26 vorteilhafterweise kompensiert und wie in Kurve 48 dargestellt geeicht ist, um eine Ausgangsspannung zu liefern, die im wesentlichen proportional zu der Last für jede Pegeleinstellung sich ändert_n bedeutet dies, daß zwischen den Betriebsgrenzen des Systems, das ist für jeden Lastwert,ein zugeordneter Leistungspegel existiert. Sowie der Leistungspegel zu hoch ist, liegt die Ausgangsspannuug des Detektors 36 oberhalb der Kurve 48 und im ungekehrten Fall, bei ungenügender Leistung für eine

- 10 -

4098Λ0/0736

vorgegebene Last, liegt die Ausgangsspannung des Detektors unterhalb der Kurve 43. Sobald die Detektorausgangsspannung für eine vorgegebene Last unterhalb der Kurve W vorgegeben ist, wird die Viel- oder Differenzspanhung, die dem Komparator 39 zugeleitet wird negativ und der Motor k6 kehrt daraufhin seine Drehrichtung um, so daß der Steuerarm ΊΛ eine höhere Spannung abgibt und die Energiequelle 20 eine höhere Ausgangsleistung von dem Sender IiJ bewirkt. Dei umgekehrter Polarität der Ausgangsspannung des Detektors 36 tritt ein entgegengesetzter Effekt auf, so daß die Senderleistung erniedrigt wird.

Es ist selbstverständlich, daß der Steuerkreis für den Leistungsregler 22 in Fig. 3 nur einen von vielen möglichen Stromkreisen für diesen Zweck darstellt und daß verschiedene Systeme für die Einstellung der Leistung des Senders iß entsprechend der reflektierten Energie von der Empfangsantenne 16 anwendbar sind,um eine bestimmte Ausgangsleistung des Senders 18 für einen bestimmten Lastzustand zu erhalten.

Ansprüche :

409840/0736

Claims

- 11 - Ansprüche :

1. I Mikrowellensende system mit einem Mikrowellenleistungsgenerator, einer Sendeantenne für den Empfang der vom Mikrowellenleistungsgenerator abgestrahlten Leistung und zur gerichteten Abstrahlung der Mikrowellenenergie in ein Energieband} mit einer von der Sendeantenne räumlich getrennten Empfangsantenne, die auf maximalen Leistungsempfang von der Sendeantenne eingestellt und ausgerichtet ist, und mit einer veränderlichen Impedanz, die lastmäßig die Energie von der Empfangsantenne auffängt und verwertet, dadurch gekennz e i c h η e t , daß

(a) eine zweite Empfangsantenne (23) nahe der Sendeantenne (Ik) angeordnet und derart abgeglichen ist, daß sie die von der ersten Empfangsantenne (12) reflektierte elektrische Energie empfängt;

(b) ein auf die Ausgangsleistung der zweiten Empfangsantenne (23) ansprechender Leistungsregler (22) ein Steuersignal bildet, und

(c) eine Energiequelle (22) auf das Steuersignal anspricht, um eine veränderliche Betriebsleistung dem Mikrowellengenerator zuzuführen, wobei dieser eine Ausgangsleistung vorgewählter Größe der Mikrowellenenergie entsprechend der Leistungsaufnahme der veränderlichen Impedanzlast abgibt.

2. Mikrowellensendesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichne t , daß der Leistungsregler (22) veränderliche Steuersignale entsprechend der Last-

- 12 -

409840/0736

werte abgibt, die zwischen einer Belastung ungefähr gleich der Impedanz der ersten Empfangsantenne (l6) und einem Impedanzwert. größer als der Impedanzwert der Empfangsaritenne (l6) liegen.

Mikrowellensendesystetn nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der Leistungsregler (22) einen Detektor (26), eine Begrenzungsschaltung (33), einen Komparator (39)ι einen Subtraktionskreis Cl2 ) , ein Potentiometer ClO) sowie einen mit einem Steuerarm (k^!l) des Potentiometers CtO) verbundenen " Motor Ci6) aufweist, die auf vorgewählte Kombinationen von Lastimpedanz — Leistungspegeln des Systems ansprechen, um ein Steuersignal und vorgegebene Senderausgangsleistungen für bestimmte Werte der veränderlichen Impedanzlast auszustrahlen.

409 8 40/0736