DE2729651A1

DE2729651A1 - Antennensystem mit vorrichtung zur korrektur von depolarisationserscheinungen

Info

Publication number: DE2729651A1
Application number: DE19772729651
Authority: DE
Inventors: Peter Foldes
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-30
Publication date: 1978-02-23
Also published as: FR2357077B1; DE2729651C2; GB1567065A; US4060808A; JPS605084B2; JPS5313333A; CA1076248A; FR2357077A1

Description

RCA 69527

Dr. Dieter ν. Bazold

Dipl.-Ing. Peter Schütz

DIpI.-Ing. Wo.'fynnQ Hausier

β München 86. Postfach 860Θ68

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Antennensystem mit Vorrichtung zur Korrektur von Depolarisatlonaerachelnungen

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem mit Mitteln zur
selbsttätigen Korrektur der Depolarisation von zur Nachrichtenübertragung verwendeten elektrischen Hellen, die beispielsweise durch den Faraday-Effekt, die Eigenbewegung eines zur Nachrichtenübertragung verwendeten Satelliten und Regen
verursacht wurde.

Die auf zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen beruhende
Auswertung eines Frequenzspektrums hängt ganz wesentlich von der erreichbaren Trennung dieser Polarisationsrichtungen ab. Wenn die Orthogonalität der beiden Polarisationsrichtungen
(Kechtwinkligkeit im Falle linearer Polarisationen und exakt links zirkuläre Polarisation und exakt rechts zirkuläre
Polarisation im Falle zirkulär polarisierter Wellen) am Sender-

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ende ideal ist und keine kreuzpolarisierten Komponenten durch das Ausbrd-tungsmedium erzeugt werden, hängt die erreichbare Trennung der Polarisationsrichtungen an der Empfangsantenne von dem kreuzpolarisierten Pegel (axiales Verhältnis) der Empfangsantenne und der Exaktheit der Ausrichtung der Polarisation mit der ankommenden Welle ab.

In einer Nachrichtenverbindung mit Gegensprechverkehr wird üblicherweise die gleiche Antenne bei verschiedenen Frequenzen für Empfang und Senden verwendet. Da die Lage der Polarisation für diese beiden Frequenzen in der Regel unterschiedlich ist, erfordert die exakte Abstimmung auf die gegebene Polarisationsrichtung getrennte Polarisationsausrichtung für die beiden Frequenzen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß man die kreuzpolarisierten Leistungspegel an jedem Empfängerende der oben beschriebenen Nachrichtenverbindung gleichzeitig minimal macht.

Für Nachrichtenverbindungen über Satelliten ist jedoch diese Methode nicht geeignet, da eine Polarisationsausrichtung nicht nur an der Erdstation sondern auch an dem Satelliten erforderlieh wäre. Die Komplexität einer für diese Zwecke erforderlichen Ausrüstung im Satelliten kann vermieden werden, wenn die Justierung der Polarisationsrichtungen beim Empfang und beim Senden gleichzeitig an der Erdsstation erfolgt. Wenn das Ausbreitungsmedium die Polarisationsrichtung der ankommenden und auegesandten Wellen nicht ändert, kann eine derartige Ausrichtung leicht vorgenommen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Empfangspolarisation und die Sendepolarisation an der Antenne der Erdstation in der gleichen Weise miteinander gekoppelt werden wie an der Satellitenantenne und daß dann diese Polarisationen durch physikalische oder elektrische Mittel gedreht werden, bis eine exakte Ausrichtung der Polarisationsrichtungen erreicht ist.

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Wenn jedoch das Ausbreitungsmedium die Richtung der Polarisation der ankommenden und der ausgesendeten Hellen unterschiedlich beeinflußt, wie dies beispielsweise durch den richtungs- und frequenzabhängigen Faraday-Effekt beim Durchgang der Wellen durch die Ionosphäre der Fall ist, so müssen die beiden Polarisationen unabhängig voneinander gedreht werden, um eine exakte Ausrichtung der Nachrichtenverbindung zu erhalten. Eine solche Ausrichtung ist durch eine einfache physikalische Drehung oder eine entsprechende Bewegung der gesamten Antenne nicht möglich. Es ist ein im Hochfrequenzbereich arbeitender Schaltkreis notwendig, um die Polarisation der ausgesandten und der ankommenden Wellen getrennt voneinander zu drehen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System vorgeschlagen,in dem die Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander und selbsttätig gedreht werden können, um Änderungen der Polarisation aufgrund des Faraday-Effekts und/oder aufgrund von Regen korrigieren zu können, wobei während der Drehung der Polarisation deren Zustand selbst sehr rein erhalten bleibt und eine gute Trennung der Polarisationskomponenten gewährleistet wird.

Das erfindungsgemäBe Antennensystem ermöglicht eine maximale Kopplung von Hochfrequenzwellen mit einer gegebenen ursprünglichen Polarisation über einen Koppler trotz einer Drehung der Polarisation der Wellen bei ihrem Durchgang durch die Ionosphäre. Das Antennensystem umfaßt einen lokalen Generator zur Erzeugung eines Steuersignales, das den Nennbetrag der durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Polarisationsdrehung wiedergibt, die für eine Hochfrequenzwelle bei der Arbeitsfrequenz des Antennensystems und an dem geographisehen Ort der Antenne auftritt. Das Antennensystem umfaßt ferner eine durch das Steuersignal steuerbare Vorrichtung zur Einstellung des Polarisationswinkels des Kopplers um

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die richtige Ausrichtung der Antenne zu gewährleisten.

Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine Diagramm, in welchem die Änderung der durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Polarisationsdrehung im Laufe eines Tages an einem repräsentativen Beispiel dargestellt ist,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines einer ersten AusfUhrungsform der Erfindung entsprechenden Antennensystems mit einer

Vorrichtung zur selbsttätigen Korrektur der Polarisationsdrehungen aufgrund des Faraday-Effektes und der Eigenbewegung eines Satelliten,

Fig. 3 eine funktionale Darstellung eines Getriebes zur Erzeugung einer täglichen und jährlichen Periodizität

beim Ausrichten der Antenne entsprechend der Polarisationsdrehung der Hellen beim Durchgang durch die Ionosphäre aufgrund des Faraday-Effektes,

Fig. 4 eine Darstellung des Arbeitsprinzipes der Vorrichtung zur Drehung des Polarisationswinkels

(Faraday-Rotator),

Fig. 5 einen in der Anordnung gemäß Fig. 2 verwendeten Verhältnis- oder Quotienten-Generator, und

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines gemäS einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Speise

systems für eine Antenne zur Auswertung eines

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Frequenzspektrums mit einer Vorrichtung zur selbsttätigen Korrektur von Polarisationsdrehungen aufgrund des Faraday-Effektes, einer Satelliteneigenbewegung und Regens.

Bevor die erfindungsgemäBen Vorrichtungen zur selbsttätigen Korrektur der durch den Faraday-Effekt und durch Regen hervorgerufenen Depolarisation beschrieben werden, soll eine kurze Erläuterung dieser Effekte gegeben werden.

Der Faraday-Effekt betrifft auf die Polarisationsdrehung

einer Welle bei ihrem Durchgang durch die Ionosphäre in Gegenwart des erdmagnetischen Feldes. Fig. 1 zeigt typisähe tägliche Veränderungen dieser Drehung für einen repräsentativen nordamerikanischen geographischen Ort bei einer Frequenz von 3,7 GHz während zweier Tage in einem Jahr mit maximaler Sonnenfleckentätigkeit. Die Drehung hat eine Period!zitat mit Perioden von einem Tag, einem Jahr und elf Jahren, die mit den Änderungen der Ionosphäre während der BIf-Jahresperiode der SonnenfleckentatigkeIt zusammenhängt. Die tägliche Änderung ist annähernd sinusförmig mit einem Maximum vor Sonnen-

Untergang. Die jährliche Variation ist ebenfalls annähernd

sinusförmig mit einem Maximum im Januar. Der Wert der Polarisationsdrehung aufgrund des Faraday-Effektes, im folgenden kurz Faraday-Rotation genannt, zu einem gegebenen Zeitpunkt ist dem Quadrat der Frequenz umgekehrt proportional. Die Faraday-Rotation hat für eine von der Erde ausgehend»und eine zur Erde zurückkehrende Welle entgegengesetzte Vorzeichen. Es ist eine relativ große Menge empirischer statistischer Daten vorhanden, aufgrund derer ein wesentlicher Teil der Faraday-Rotation vorausgesagt werden kann.

Der zweite Effekt betrifft die Polarisationsdrehung, die durch Regen hervorgerufen wird. Diese Polarisationsdrehung

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bei einer bestimmten Frequenz ist eine Funktion der mittleren Dichte des Regens längs des Ausbreitungsweges, der Tropfengröfie und des Winkels zwischen der Polarisationsrichtung und dem Neigungswinkel des Regentropfens. Wenn der Regentropfendurchmesser gegenüber der Wellenlänge klein ist und das für die Nachrichtenverbindung verwendete Frequenzband nicht sehr breit ist, kann die Frequenzabhängigkeit der durch Regen verursachten Polarisationsdrehung vernachlässigt werden. Da die Feinstruktur der Regenverteilung nicht vorausgesagt werden kann, müssen die Charakteristiken der vom Regen hervorgerufenen Polarisationsdrehung für jede Erdstation gemessen werden, bevor eine Verbesserung der Trennung der Polarisationskomponenten durchgeführt werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer selbsttätig arbeitenden Korrekturvorrichtung, wobei die durch Regen verursachten Effekte vernachlässigt wurden. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei UntersySternen, nämlich dem Mikrowellenkreis oder Speisesystem 1o für die Verarbeitung des Frequenzspektrums und dem Polarisationsnachführsystem 12.

Das Speisesystem 1o umfaßt einen Hornstrahler 11, einen Drehkoppler 13, einen orthogonalen Koppler 15, zwei Duplexer oder Sende-Empfangs-Umschalter 17 und 19, eine einstellbare Leistungsteileranordnung 21, Wellenleiter 25 bis 3o und flexible Wellenleiter 31 bis 34. Der Teil des Speisesystems Io ohne die flexiblen Wellenleiter 31 bis 34, den Hornstrahler 11 und den diesem nahen Teil 13a des Drehkopplers 13 wird als Anordnung 42 bezeichnet, die innerhalb eines feststehenden Gehäusezylinders 41 drehbar ist. Die beiden Empfangsanschlüsse 45 und 46 sowie die Sendeanschlüsse 47 und 48 des Speisesystems 1o sind fest an dem Gehäusezylinder 41 angeordnet. Die flexiblen Wellenleiter 31 bis 34 erlauben eine beschränkte Relativbewegung der Anordnung 42 gegenüber dem Gehäusezylinder 41.

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Im Esipfangsfrequenzband durchlaufen die von dem Hornstrahler 11 empfangenen ankommenden Signale den Drehkoppler 13, den orthogonalen Koppler 15 und Empfängerbandfliter der Duplexer 17 und 19 und gelangen zu dem Empfängeranschlüssen 45 und 46. Eine Ausrichtung auf die Polarisationsrichtung wird durch eine Drehung des orthogonalen Kopplers 15 relativ zum Hornstrahler 11 erreicht, wobei der Koppler 15 seinerseits durch Drehung des gesamten in der Polarisationsdrehungsanordnung 42 eingebauten Mikrowellenkreises gedreht wird.

Die an den Senderanschlüssen auftretenden beiden Signale des Sende-Frequenzbandes durchlaufen die einstellbare Leistungsteileranordnung 21 (der mit der Polarisationsdrehungsanordnung 42 verbunden ist), die Duplexer 17 und 19 und gelangen über den orthogonalen Koppler 15 und den Drehkoppler 13 zu dem

Hornstrahler 11. Wenn die Polarisationsdrehungsanordnung 42

gedreht wird, so wird die Richtung der Polarisation im Sendefrequenzband um den gleichen Betrag geändert wie dies beim Empfangsfrequenzband der Fall ist. Der orthogonale Koppler kann entsprechend jenem in Fig. 8 der US-PS 3 569 87o dargestellten Koppler ausgebildet sein.

Die einstellbare Leistungsteileranordnung 21 umfaßt zwei hybride-Koppler oder 3 dB-Koppler 51 und 52, die durch flexible Wellenleiter 53 und 54 voneinander getrennt sind. Wenn die Länge der beiden die 3 dB-Koppler 51 und 52 voneinander trennenden Wellenleiter 53 und 54 gleich groß ist, bewegen sich die Polarisationen der Empfangswelle und der Sendewelle nicht nur zusammen mit dem orthogonalen Koppler sondern sie sind auch parallel und orthogonal zueinander ausgerichtet. Wenn dagegen die Länge der flexiblen Wellenleiter 53 und 54 in der Leistungsteiler anordnung 21 unterschiedlich groß ist, was durch eine Drehung des 3 dB-Kopplers 52 um den Drehpunkt P

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erreicht werden kann, wird die Leistungsteilung verstellt und die den beiden Sendequellen an den Sendeanschlüssen 47 und entsprechenden Polarisationen bleiben orthogonal aueinander, sind aber relativ zu den Hauptebenen des Senderanschlusses des orthogonalen Kopplers 15 verdreht. Der orthogonale Koppler 15 spricht auf die relative Leistung an den beiden orthogonalen Eingängen an und erzeugt ein Signal, das proportional zu der Vektoraddition der relativen Leistung polarisiert ist. Die Senderanschlüsse 47 und 48 sind über flexible Wellenleiter 31 und 32 an Eingänge 52a und 52b des 3 db-Kopplers 52 angeschlossen. Diese Signale werden in Teilsignale zerlegt und an Wellenleiter 53 und 54 gekoppelt. Wenn der 3 dB-Koppler 52 so ausgerichtet ist, daß die Wellenleiter 53 und 54 gleiche Länge haben, so wird das vom Sender an dem mit dem Eingang 52a gekoppelten Anschluß 47 ankommende Signal in zwei gleich starke Signale zerlegt, dessen eines gegenüber dem durch den Wellenleiter 53 übertragenen Signal um 9o° phasenverschoben auf den Wellenleiter 54 gegeben wird. Ebenso wird das am Eingang 51a über den Wellenleiter 53 ankommende Signal in zwei gleich starke Signale zerlegt, wobei das eine Halbsignal zum Anschluß 5Id und das andere Halbsignal zum Anschluß 51c geht. Das vom Eingang 51a zum Anschluß 51c laufende Signal erleidet eine weitere Phasenverschiebung um 9o°.

Das am Anschluß 51b ankommende Sendesignal wird ebenfalls in zwei gleich starke Signale zerlegt, wobei das eine Teilsignal des um 9o phasenverschobenen Signales unter einer weiteren Phasenverschiebung von 9o° auf den Anschluß 5Id gegeben wird, um eine auslöschende Interferenz am Anschluß 51d zu erzeugen. Das ganze Sendesignal vom Senderanschluß 47 wild über den Anschluß 51c und den Duplexer 17 auf den Anschluß 15a des orthogonalen Kopplers 15 gegeben. Das vom Senderanschluß 47 kommende Signal wird daher vollständig auf

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2729 6b ι

- y-

denselben Anschluß 15a gegeben, von welchem auch ein Empfangssignal über den Duplexer 17 auf den Empfängeranschluß 46 geführt wird. Daher befinden sich die Polarisationsrichtungen der auf diesem Wege übertragenen Sende- bzw. Empfangssignale in Flucht miteinander und drehen sich zusammen miteinander, wenn die Polarisationsdrehungsanordnung 42 gedreht wird. In der gleichen Weise wird das vom Senderanschluß 48 kommende vollständige Signal über den Anschluß 51d und den Duplexer 19 auf den Anschluß 15b des orthogonalen Kopplers 15 gegeben.

Daher wird auch dieses gesamte Sendersignal mit der gleichen Polarisationsrichtung ausgestrahlt, welche die über den Duplexer 19 zum Empfängeranschluß 45 geleiteten Signale haben.

Wenn der 3 dB-Koppler 52 um den Drehpunkt P so gedreht wird, daß die Länge des einen Wellenleiters verkürzt und die Länge des anderen Wellenleiters vergrößert wird, so ändert sich die elektrische Weglänge zwischen den beiden Wegen (Wellenleiter 53 und 54).Dies verursacht eine unterschiedliche Verteilung der Leistung der Sendesignale auf die Eingangsanschlüsse des orthogonalen Kopplers und folglich eine Verstellung der PoIarisation. Da eine Änderung in der Weglänge der beiden Wege beide Sendesignale gleichmäßig beeinflußt, wird bewirkt, daß die beiden Sendesignale relativ zu den Empfangssignalen gedreht werden,aber relativ zueinander orthogonal bleiben. Diese Änderung der beiden Weglängen kann dazu verwendet werden, die Faraday-Rotation zu korrigieren unter Beibehaltung der Orthogonalität zwischen den beiden Sendesignalen und den beiden Empfangssignalen.

In einem typischen Anwendungsfall möge das Sende-Frequenzband 5925 bis 6425 MHz betragen. Der flexible Wellenleiter ist ein Wellenleiter des Typs WR-159 mit einer Länge von 11,43 cm. Dann verursacht eine Drehung des 3 dB-Kopplers 52 um den Winkel O eine Drehung des Polarisationsvektors an Ausgangsanschluß des orthogonalen Kopplers 15 um einen Drehwinkel

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Wenn <o=± 4,o98 beträgt, so ergibt sich T _T - + 1o in der Mitte des oben genannten Frequenzbandes.

Wenn die Trennung der Polarisationskomponenten im mittleren Bereich des Frequenzbandes 45 db für V _T ■ 0 beträgt, dann sind typischerweise 38 db erreichbar für TT _T ■ + 1o° an den Grenzen des Frequenzbandes. Die Polarisationsdrehung in dem 6 GHz Sendefrequenzband kann beispielsweise dazu benutzt werden, die Polarisation des 6-GHζ-Bandes unabhängig von der Winkelstellung des orthogonalen Kopplers und damit unabhängig von der »u-Polarisation des Empfängerfrequenzbandes einzustellen. Das Empfangsfrequenzband möge bei etwa 4 GHz liegen. Die typischen Bedingungen können anhand eines numerischen Beispiels erläutert werden. Angenommen, daB die erforderliche Polarisationsdrehung aufgrund des Faraday-Effektes bei einer Empfangsfrequenz f- ■ 395o MHz f_R « 4 beträgt und daB bei einer Sendefrequenz f- * 6175 MHz gilt

- 1.637°

2.4439

Wenn die Ausrichtung der Polarisation des Empfangsfrequenzbandee durch eine Drehung des orthogonalen Kopplers im Uhrzeigersinn um f_R erreicht wird, so muß die Polarisation des Sendefrequenzbandes um

Hi)]

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im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. Für den Drehwinkel, um den der 3 dB-Koppler 52 gedreht werden muß, ergibt sich

■[

C T - 0.498 ·/ 1 +
2ΤΪ4

Das heißt im vorliegenden Beispiel 2,31°. Die einstellbare Leistungsteileranordnung 21 kann so ausgebildet sein,wie sie in dem US-Reissue-Patent Nr. 28 546 vom 2. September 1975 beschrieben ist. Die flexiblen Wellenleiter sind dabei durch T-Stücke (magic-T) 17 und 19 und ein einstellbares Kolbensystem 23 ersetzt.

Das in Fig. 2 dargestellte Polarisationsnachstellsystem 12 kann mit Programmsteuerung oder Eigensteuerung arbeiten. Bei einer Nachstellung unter Programmsteuerung erfolgt eine Eingabe der lokalen Zeit durch eine Uhr 61. Ein Ausgangssignal von der Uhr 61 steuert den Faraday-Rotator 62, der seinerseits ein Steuersignal zur Korrektur der durch den Faraday-Effekt bewirkten Drehung der Polarisationsrichtung (Faraday-Rotation) erzeugt, das die statistisch vorausgesagte Faraday-Rotation an einem gegebenen geographischen Ort für eine gegebene Frequenz charakterisiert. Angenommen, daß die gegebene Frequenz aus der Mitte des Empfangsfrequenzbandes ausgewählt wurde und daß der geographische Ort innerhalb des für die Satellitennachrichtenverbindung in Frage kommenden geographischen Bereiches liegt,

so kann die Faraday-Rotation als Funktion der Zeit aufgrund statistischer Messungen in der Vergangenheit tabeliiert werden. Diese Funktion kann als Fourier-Reihe ausgedrückt werden. Dann kann die statistisch bestimmte Funktion durch so viele Glieder der Fourier-Reihe ersetzt werden, wie für eine be-

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stimmte Genauigkeit der Näherung notwendig 1st. Für die meisten praktischen Anwendungsfälle genügt es, eine der täglichen Variation des Faraday-Effektes entsprechende und eine der jährlichen Variation des Faraday-Effektes entsprechende Hannonische zu verwenden. Wenn eine größere Genauigkeit innerhalb der 24-Stunden-Periode erwünscht ist, kann noch eine weitere etwa einer8-Stunden-Periodizitat entsprechende Harmonische hinzugenommen werden. Wenn eine einmal pro Jahr erfolgende Einstellung bezüglich der Periode des Sonnenfleckenzyklus nicht wünschenswert ist, kann noch eine Harmonische mit einer Periode von 11 Jahren hinzugefügt werden.

Dieses die Faraday-Rotation repräsentierende Signal wird dann einem Verhältnis- oder Quotientengenerator 63 zugeführt, und zwei Steuersignale zu erzeugen, eines für die von der Erde ausgehende Welle und eines für die auf der Erde ankommende Welle. Die Einzelheiten eines Faraday-Rotators, der nur zwei Harmonische verwendet sowie eines Verhältnisgenerators werden weiter unten beschrieben.

Zusätzlich zu oder anstelle der programmierten Information über die Faraday-Rotation kann ein von einem Empfänger 65 und einer einen Motor aufweisenden Steuereinrichtung 67 zum schrittweisen Nachführen ausgehendes Signal zum selbsttätigen Nachführen dem Verhältnisgenerator 63 zugeführt werden. Dieses Signal zur selbsttätigen Nachstellung wird in einem System verwendet, wo der Satellit ein Leitsignal mit einer Polarisation aussendet, die der Polarisation des an dem Empfängeranschluß 45 zu empfangenden Signals entspricht. Dieses Signal kann an dem Empfängeranschluß 46 dann nicht entdeckt werden, wenn die Stellung des orthogonalen Kopplers exakt der Polarisation der ankommenden Welle entspricht. Angenommen, daß die Faraday-Rotation korrigiert wurde und daß sich der Satellit in seiner ideal ausgerichteten Stellung be-

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— J*3 —

Il

findet, so IMBt eich an dem Empfängeranschluß 46 kein Signal feststellen (die vorliegende Diskussion erfolgt unter Vernachlässigung der durch Regen hervorgerufenen Effekte). Wenn sich die Orientierung des Satelliten von seiner Sollstellung unterscheidet/ so ist die Polarisation des ankommenden Signales verdreht, was ein Fehlersignal an dem Anschluß 46 hervorruft. Dieses Signal kann vom Empfänger 65 aufgenommen, ausgewertet und verstärkt werden und das erzeugte Ausgangssignal wird auf die Steuereinrichtung 67 zur schrittweisen Nachstellung des Polarisationswinkels gegeben. Diese Steuereinrichtung 67 integriert und speichert den Signalmittelwert und gibt ein Pegelsignal auf den Verhältnisgenerator 63.

Das Ausgangssignal des Verhältnisgenerators 63 wird auf Komparatoren 71 und 73 gegeben. Die Stellung des orthogonalen Kopplers 15 wird durch einen Drehmelder 75 überwacht. Der Drehmelder 75 liefert über die Leitung 77 und den Empfangsdrehmelder 79 ein Signal zum Komparator 73. Wenn sich der orthogonale Koppler 15 in der für eine Ausrichtung mit dem Signal bestimmten korrekten Stellung befindet, in der er sich nach dem Steuerungsprogramm des Faraday-Rotators befinden soll, erhält das Stromversorgungsgerät 81 kein Signal. Wenn jedoch ein positives oder negatives Differenzsignal auftritt, wird der Stellmotor 83 von dem Stromversorgungsgerät 81 angetrieben. Dadurch wird der orthogonale Koppler 15 und die gesamte Polarisationsdrehungsanordnung 42 über den Drehkoppler 13 relativ zu dem Hornstrahler 11 in die vorprogrammier' te Richtstellung gedreht. Durch positive oder negative Ausgangespannung am Komparator werden entweder das eine oder das andere von zwei Relais in dem Stromversorgungsgerät 81 betätigt, wodurch der Stellmotor in der zur Ausrichtung erforderlichen Drehrichtung angetrieben wird.

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Die Drehstellung des 3 dB-Kopplers 52 der einstellbaren Leistungsteileranordnung 21 wird durch Drehmelder 85 und 87 festgestellt. Ein diese Drehstellung wiedergebendes Signal wird in einem Komparator 71 mit der vom Verhältnisgenerator 63 ermittelten

Stellung für die programmierte Faraday-Rotation verglichen.

Das resultierende Differenzsignal steuert ein Stromversorgungsgerät 89. Dieses speist Ober die Leitung 92 einen eine Drehung des 3 dB-Kopplers 52 um den Punkt P bewirkenden Stellmotor Die Richtung, in welche der 3 dB-Koppler 52 gedreht wird, hängt von dem Vorzeichen des Ausgangssignales des Komparators 71 ab. Wie bereits festgestellt wurde, verursacht die Drehung des 3 dB-Kopplers 52 eine Änderung der Heglängen der Wellenleiter 53 und 54. Der Stellmotor könnte auch die Position von gleitend geführten Kolben gemäß dem Ausführungsbeispiel in dem oben genannten US-Patent Nr. Re 28 546 verändern.

Der Faraday-Rotator 62, der die einer täglichen Veränderung und einer jährlichen Veränderung entsprechenden Harmonischen enthält, kann durch eine mechanische Anordnung dargestellt werden. Die der täglichen und der jährlichen Veränderung entsprechenden Harmonischen sind durch die Winkelbeziehung

Ψΐ/y 2 ^{β 365}'²⁵ miteinander verknüpft, die durch ein einfaches zehn Zahnräder umfassendes Getriebe wiedergegeben werden kann. Dieses Getriebe ist in Fig. 3 dargestellt und ergibt ein Winkelverhältnis von

Vi « 6 χ 19 χ 4 χ 4 - 364.8 25

Das heißt man erhält eine Genauigkeit von + 6,167 χ 1o~ über eine Periode von einem Jahr. Dies liegt gut innerhalb der für den vorliegenden Zweck benötigten Genauigkeit. Die konzentrisch zueinander angeordneten, d.h. auf derselben Achse liegenden Zahnräder sind miteinander auf derselben Welle verbunden.

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Aus Fig. 3 ergibt sich, daß dann, wenn C stillsteht und alle anderen Räder auf dem Rad A angeordnet sind, bei einer Drehung des Rades A um den Winkel If? ₁ das Rad B um den Winkel W₂ gedreht wird, wobei V₁ZV₂ " 364,8. Die in Fig. 3 dargestellten Radien geben die relativen Dimensionen wieder.

Fig. 4 erläutert das Prinzip des Faraday-Rotators. Fig. 4 zeigt die andere Seite des Rades A, wo ein mechanisch mit dem Rad B drehfest verbundenes Rad D in einem Abstand von 4,318 cm vom Zentrum des Rades A angeordnet ist. Angenommen, daß das Rad A entsprechend der von der Uhr 61 gelieferten Information am Tag eine Umdrehung vollzieht, so ergibt sich CD ₁ * 36o° pro Tag. Während dieser Zeit dreht sich das Rad D um den Winkel

Cu₇ ^m 1 ■ o,98684° pro Tag. Rad D hat einen Radius von

364,8
o,635o cm und ist an seinem Umfang mit einer Betätigungsstange 2o2 verbunden, die ein an ihrem freien Ende befestigtes Gleitelement 2o1 bewegt. Die Stange 2o2 hat eine Länge L- =■ 5,37464 cm. Das Gleitelement 2o1 ist in einem Schlitz 2o3 des Rades A gleitend geführt. Der Mittelpunkt des Rades D befindet sich in einem Abstand von 4,318 cm vom Mittelpunkt des Rades A. Eine 3o,48 cm lange Stange 2o4 ist mit ihrem einen Ende mit dem Gleitelement 2o1 und mit ihrem anderen Ende mit einem zweiten Gleitelement 2o5 verbunden, welches in einem Schlitz 2o6 eines Körpers 2o8 geführt ist. Eine mechanische Kopplung in Form einer 24,262o8 cm langen Teleskopstange 2o7 ist zwischen dem Gleitelement 2o5 und einer Ausgangswelle E angeordnet. Die Lage des Gleitelementes 2o1 in dem Schlitz 2o3 definiert einen Abstand R₁ (R₁ max - 4,318 cm) vom Mittelpunkt des Rades A und definiert zusammen mit dem Drehwinkel "ψ ₁ die Lage des Gleitelementes 2o5 in dem Schlitz 2o6. Die Lage des Gleitelementes 2o5 ihrerseits definiert bei einem gegebenen Abstand R₃ der Welle E die Winkelstellung W - der Ausgangswell E.

Unter den Bedingungen, daß

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ZS

a is R₁ Max, L₂ » R₂, L₁ ^ R₁ Max

können die folgenden Näherungsgleichungen für die in Fig. dargestellte Geometrie aufgestellt werden:

R₁ + a % L₂ + R₂ cos )

R₁ Ä; (L₂ - a)

Bi₁ · (1 +m₂ cos (γ

cos

γ ₁ - Bi₁ cos -^₁ (1 + IB₂ cos γ ₂)

, » ^L2 - a cos Wt I 1 + ¹^ cos R₃ ¹V "

36o°/Tag und ]^2 -6P₂ - 36o°/Jahr.

Wie man sieht, erzeugt der oben beschriebene Mechanismus die geforderte cosinusförmige Änderung des Winkels ψ- mit einer

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Periode von einem Tag, wobei die Amplitude im Rhythmus einer Cosinusschwingung mit einer Periode von einem Jahr moduliert ist. Wenn am ersten Januar mittags W . »V, « O, TV- - 4 und am 1. Juli mittags ^ - O, ψ₂ « 18o°, V ₃ " ¹°

gilt, so können aufgrund der obigen Formeln folgende charakteristische geometrische Werte berechnet werden:

«2	" o,	635	cm	84582	>> o,635 cm
a	- 4,	318	cm		4,318 cm
^R1 Max	- 4,	318	cm
^L2	- 5,	37T1	8 cm *		cm.
^L1	- 3o	,48	cm ^>
^R3	- 24	,262o8 cm
V2 R₃₁.	• 3Max	- ο,

Der resultierende Winkel W ₃ des Faraday-Rotators wird auf die Eingangswelle 221 des Verhältnis- oder Quotientengenerators 63 gegeben, der durch das in Fig. 5 gezeigte Getriebe dargestellt wird. Der Quotientengenerator 63 ist beispielsweise ein Getriebe mit zwei Eingangswellen 221 und 223 sowie zwei Ausgangswellen 225 und 226. Die Stellung V-* der Eingangswelle 221 gibt die Faraday-Rotation in dem Empfangsfrequenzband wieder und ist daher identisch mit V₃* Die Stellung Y_₈ der Bingangswelle 223 gibt die von der Steuervorrichtung 67 zum schrittweisen Nachführen, im folgenden kurz Nachführvorrichtung genannt, erzeugte Drehstellung wieder. wie vorher bereits festgestellt wurde, wird in einem System mit selbsttätiger Nachführung ein Leitsignal der Nachführvorrichtung 67 zugeführt, das den Pegel des im Empfänger 65 empfangenen kreuzpolarisierten Signales wiedergibt. Die Nach-

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fahrvorrichtung 67 speichert den mittleren Signalpegel und dreht den Ausgangsmotor, mitteIt den neuen Signalpegel und vergleicht ihn mit dem Pegel vor der Drehung. Wenn der Pegel abnimmt, wird der Motor in der gleichen Richtung weitergedreht. Nimmt der Pegel zu, wird der Motor in der entgegengesetzten Richtung gedreht. Die Stellung der Ausgangswelle dieses Motors in der Nachführvorrichtung gibt daher die Winkelabweichungen der Polarisation wieder, die durch eine falsche Lage des Satelliten oder durch das Ausbreitungsmedium hervorgerufen wurden. Die Welle des Motors in der Nachführvorrichtung 67 ist mit der Welle 223 des Verhältnisgenerators 63 verbunden. Der Verhältnisgenerator 63 hat zwei Ausgangswellen, von denen die erste Ausgangswelle 225, welche ein erstes Steuersignal gibt, zur Steuerung der Polarisation des Empfangsfrequenzbandes dient und die zweite Ausgangswelle welche ein zweites Steuersignal abgibt, zur Steuerung der Polarisation des Sendefrequenzbandes dient. Für einen speziellen Verhältnisgenerator 63 haben die in Fig. 5 dargestellten Zahnräder folgende in Tabelle 1 wiedergegebene Dimensionen.

Die Stellung der Welle 225 ist gleich ψ_rf ⁺ V_r8' wobei

"ψ _r8 gleich der Wellenstellung der Welle 223 ist. Wenn daher der Empfänger 65 kein kreuzpolarisiertes Signal empfängt oder wenn keine selbsttätige Nachführung erfolgt, ist die Stellung der Welle 225 gleich der Stellung der Welle 221. Wie vorher bereits erörtert wurde, ist bei einer bestimmten Lage der Polarisation des Empfangsfrequenzbandes eine hierzu in Beziehung stehende Versetzung der Polarisationsrichtung des Sendefrequenzbandes notwendig. Das erforderliche Verhältnis der Polarisationsrichtungen für die diskutierte Anordnung wird gegeben durch

^K* " - ^R + ^T « -4° + 1,6° - - 1,4o96. R ₄o

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ns

Die Lage der Ausgangswelle 226 des Verhältnisgenerators ist gleich K- χ ψ _rf. Die Ausgangswellen 225 und 226 geben bestimmte Stellwinkel an. Die Stellung der Welle 225 stellt die Summe der durch den Faraday-Effekt bewirkten Polarisationsdrehung und der durch den Satelliten bewirkten Polarisationsdrehung dar. Die Stellung der Welle 226 berücksichtigt die Stellung des Faraday-Rotators 62 und gibt die geeignete Faraday-Rotation relativ zu dem empfangenen Frequenzband wieder. Man beachte, daß die Konstante K_f negativ ist, um die Richtung anzugeben, in welcher eine Korrektur der Drehung erfolgt. Es ist ferner zu beachten, daB die durch eine Änderung der Satellitenstellung hervorgerufene Polarisationsdrehung für das Sendefrequenzband und das Empfangsfrequenzband gleich ist und selbsttätig berücksichtigt wird durch eine Korrektur des Winkels W der Stellung des orthogonalen Kopplers.

Tabelle 1 Zähne Zahnteilung Durchmesser fan]

231	72	48	3,675
232	72	48	3,675
233	72	48	3,675
234	72	48	3,675
235⁺			1,91345
2 36⁺			1,91345
237⁺			1,91345
238	6o	48	3,o625
239	3o	48	1,53125
24o	9o	48	4,59375
242	64	48	3,26585

Differentialgetriebe unabhängig von Zahnzahl und Zahnteilung im Getriebe

809808/06 1 A

Es ist noch zu bemerken, daß bei einem typischen Nachrichtensystem unter Verwendung von Satelliten der von der Lage des Satelliten herrührende Fehler nur während der zur Justierung des Satelliten erforderlichen Steuerungsvorgänge nicht vorhersagbar ist. Insbesondere ist bei Synchronsatelliten nach Abschluß eines PositionierungsVorgangs die Polarisationsstellung des Satelliten als Funktion der Zeit bis zum nächsten PositionierungsVorgang voraussagbar. In diesem Fall hat die Variation der Abweichung eine Periode von einem Tag und der Ausgangswinkel der Nachfuhrvorrichtung kann als Funktion der Zeit mit einer Periode von einem Tag berechnet werden. Da der oben beschriebene Faraday-Rotator eine eingebaute periodische Komponente mit einer Periode von einem Tag für seinen Ausgangswinkel besitzt, kann die von dem Satelliten bewirkte Winkelabweichung der Polarisation mit der durch den Faraday-Effekt bewirkten Polarisationsdrehung durch einfache Nachjustierung der Größe und Phase der täglichen Änderung des Polarisationswinkels kombiniert werden. Dies kann gemäß Fig. 4 dadurch erreicht werden, daß die Länge der Betätigungsstange 2o2 und die Anfangsstellung des Rades A geändert werden.Wenn daher die Störungen während der kurzen Positionierungsvorgänge des Satelliten erträglich bleiben, genügt es, wenn der Nachführempfänger und die Nachführvorrichtung zum schrittweisen Nachstellen nur bei einer Hauptbodenstation des gesamten Nachrichtenverbindungsnetzes vorhanden sind.

Die Korrekturmaßnahmen der übrigen Bodenstationen des Nachrichtenverbindungsnetzes können aufgrund von Daten über die durch die Stellung des Satelliten hervorgerufene Abweichung der Polarisationsrichtung erfolgen, die von der Hauptbodenstation ermittelt wurden. Diese Abweichung kann teilweise oder vollständig korrigiert werden durch entsprechende Justierung der mechanischen Konstanten des Faraday-Rotators.

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Obwohl dies zeltraubender und weniger genau ist, können die Faraday-Rotatoren in den verschiedenen Bodenstationen auch empirisch auf eine möglichst gute Entkopplung der Polarisationsrichtungen eingestellt werden, indem man den Arm 2o2 und den Anfangswinkel des Rades A ohne Daten von außen her einstellt, wenn die Möglichkeit besteht, die Herabsetzung des Systemrauschens festzustellen, die durch die Entkopplung der Polarisationsrichtungen oder die Abweichung der Polarisation hervorgerufen wird.

Wenn eine elektromagnetische Welle mit einer allgemeinen

Polarisationsrichtung sich durch die Atmosphäre ausbreitet, ändert sich der Zustand der Polarisation, wenn die Dämpfung oder die Phasenverschiebung für die vertikal und horizontal polarisierten Komponenten der Welle verschieden sind. Im allgemeinen ist bei klarem Wetter der Unterschied in der Dämpfung oder der Phasenverschiebung gering, so daß die Polarisationsdrehung vernachlässigbar oder klein ist. Dagegen verursacht während eines starken Regens die nicht sphärische Form der Regentropfen sowohl eine unterschiedliche Dämpfung als auch eine unterschiedliche Phasenverschiebung für die beiden Komponenten, womit eine Polarisationsdrehung und eine Verschlechterung des axialen Verhältnisses verbunden ist. Der primäre Effekt des Regens ist mit der differentiellen Phasenverschiebung zwischen einer parallel zur Hauptachse des Regentropfens verlaufenden Feldkomponente und der senkrecht zur Hauptachse des Regentropfens verlaufenden Feldkomponente verbunden. Verglichen mit diesem Effekt ist die differentielle Dämpfung zwischen diesen Feldkomponenten gering und kann in den meisten Anwendungsfällen vernachlässigt werden. Die differentielle Phasenverschiebung verschlechtert die Trennung der Polarisationskomponenten nicht, wenn die tatsächliche Polarisation in einem Obertragungskanal parallel oder senkrecht zur Hauptachse des Regentropfens ausgerichtet werden kann.

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272Ü65 i

Unglücklicherweise kann dies in der Regel nicht erreicht werden, da die Neigung des Regentropfens und die mittlere Neigung der Regentropfen über den Ausbreitungsweg hin ohne jede Gesetzmäßigkeit mit der Zeit variieren, wogegen die durch den Satelliten bestimmte erforderliche Lage der Polarisationsrichtung und die Bedingung der Ionosphäre relativ konstant und für eine gegebene Bodenstation nicht beeinflußbar ist. Folglich kann der vom Regen verursachte Effekt nur dann korrigiert werden, wenn der gewünschte Polarisationsvektor in einem orthogonalen Koordinatensystem in zwei Komponenten zerlegt wird, wobei eine der Koordinatenachsen parallel zur Hauptachse des Regentropfens liegt. Wenn unter diesen Bedingungen eine geeignete differentielle Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten erzeugt wird, die der von dem Regen hervorgerufenen Phasenverschiebung entgegengesetzt ist, kann der vom Regen bewirkte Effekt kompensiert werden. Eine ähnliche Technik kann auch zur Korrektur der differentieIlen Dämpfung verwendet werden, obwohl dies nur bei einer sehr exakten Entkopplung der Polarisationsrichtungen notwendig sein dürfte.

In Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines hierfür geeigneten Systems dargestellt. Man erkennt, daß die Grundeinheit des Nikrowellenkreises des Speisesystems sehr ähnlich dem Speisesystem gemäß Fig. 2 ist. Das System umfaßt einen Hornstrahler 111, einen Drehkoppler 113, einen orthogonalen Koppler 115, Duplexer 117 und 119 und eine einstellbare Leistungsteileranordnung 121 für den Sendebetrieb. Ferner ist eine weitere einstellbare Leistungsteileranordnung 123 in der Empfängerkette angeordnet. Die Leistungsteileranordnung 123 auf der

Empfangsseite arbeitet ähnlich wie die in Verbindung mit

Fig. 2 beschriebene im Sendebetrieb arbeitende einstellbare Leistungsteileranordnung 21. Ferner ist zwischen der Leistungsteileranordnung 121 auf der Senderseite und den Duplexern und 119 eine Steuereinrichtung 131' zur Korrektur der durch

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52,

den Regen hervorgerufenen Polarisationsdrehung angeordnet. In gleicher Weise ist zwischen der Leistungsteileranordnung 123 auf der Emfpangsseite und den Duplexern 117 und 119 eine zweite Steuervorrichtung 133*zur Korrektur der durch den Regen verursachten Polarisationsdrehung angeordnet. Jede der beiden Steuervorrichtungen 131* und 133*ist in der Lage, differentielle Phasenverschiebungen und differentielle Dämpfungen zu erzeugen. Die differentiellen Werte werden zwischen den Wegen 1o1 und 1o2 in der Sendekette und den Wegen 1°3 und 1o4 in der Empfängerkette erzeugt. Zur Erzeugung einer differentiellen Phasenverschiebung können die Steuereinrichtungen 131* und 133* in der gleichen Weise wie die einstellbare Leistungsteileranordnung 21 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ausgebildet sein. Die beiden Eingänge der Leistungsteileranordnung 121* auf der Sendeseite sind durch flexible Wellenleiter 131 und 132 mit Anschlüssen 147 bzw. 148 verbunden. In der gleichen Weise sind die Ausgänge der einstellbaren Leistungsteileranordnung 123 auf der Empfängerseite über flexible Wellenleiter 133 und 134 mit den Empfängeranschlüssen 145 und 146 verbunden. Das oben beschriebene Speisesystem ohne die flexiblen Wellenleiter, den Hornstrahler 111 und den dem Hornstrahler 111 nahen Teil 113a des Drehkopplers 113 werden als Polarisationedrehungsanordnung 142 bezeichnet und sind innerhalb eines feststehenden Gehäusezylinders 141 drehbar. Die beiden Empfängeranschlüsse 145 und 146 sowie die Senderanschlüsse 147 und 148 sind an dem Oehäusezylinder 141 befestigt. Die flexiblen Wellenleiter 131 und 134 erlauben eine entsprechende Relativbewegung zwischen der Anordnung 142 und dem Gehäusezylinder 141. Im Empfangsbetrieb durchlaufen die von dem Hornstrahler 111 aufgefangenen ankommenden Signale den Drehkoppler 113, den orthogonalen Koppler 115 und einen Empfangsbandfilter der Duplexer 117 und 119. Die Empfangssignale durchlaufen die Steuervorrichtung 133' zur Korrektur der vom

Regen hervorgerufenen Polarisationsdrehung und gelangen über

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die Leistungsteileranordnung 123 des Empfangsteiles zu den Empfängeranschlüssen 145 und 146. Die beiden Signale des Sendefrequenzbandes durchlaufen ausgehend von den Senderanschlüssen 147 und 148 die Leistungsteileranordnung 121, die Steuervorrichtung 131', die Duplexer 117 und 119, den orthogonalen Koppler 115 und gelangen über den Drehkoppler 113 zum Hornstrahler 111.

Wie in dem anhand der Fig. 2 beschriebenen früheren System ist ein programmgesteuertes Nachführungssubsystem 112 vorgesehen, das eine Uhr 161 und einen Faraday-Rotator 162 umfaßt. Die Uhr 161 und der Faraday-Rotator 162 können in der gleichen Weise ausgebildet sein, wie dies vorher in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde. Der Ausgang des Faraday-Rotators 162 ist an einen Verhältnisgenerator 163 gekoppelt. Das vom Verhältnisgenerator 163 benötigte Verhältnis £ 0_R1/d0_Ti der differentiellen Phasenverschiebung in der Anordnung 123 und der differentiellen Phasenverschiebung in der Anordnung ist gegeben durch:

wobei f_ die Sendefrequenz und f_D die Empfangsfrequenz bezeichnen. Ein die Drehstellung des Hybridkopplers 121a in der Leistungsteileranordnung 121 wiedergebendes Signal wird über Drehmelder 185 und 187 auf den Komparator 171 gegeben. Ein Differenzsignal zwischen der Stellung des Hybrides 121a in der Anordnung 121 und der durch den Faraday-Rotator 162 und den Verhältnisgenerator 163 bestimmten programmierten Stellung ergibt ein Steuersignal für das Stromversorgungsgerät 172, aufgrund dessen der Stellmotor 173 den drehbar«Hybridkoppler 121a der Leistungsteileranordnung 121 in die richtige Stellung dreht.

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In der gleichen Welse wird die Drehstellung des Hybrides 123a In der empfangsseitigen Leistungstelleranordnung 123 durch Drehmelder 175 und 176 festgestellt. Die Drehstellung des Hybrides 123a In der Anordnung 123 wird mit der vom Verhältnisgenerator 163 zum Komparator 178 geleiteten programmierten Stellung des Faraday-Rotators verglichen. Das am Komparator 178 erzeugte Fehlersignal steuert das Stromversorgungsgerät 179 mit der richtigen Polarität, das seinerseits den Stellmotor 18o veranlaßt, das Hybrid 123a in der Anordnung 123 in die geeignete Drehstellung zu bringen. Damit wird die geeignete differentielle Phasenverschiebung erreicht, um die Faraday-Rotation zu korrigieren.

An den Empfangsanschluß 146 ist ein Polarisationsnachführempfänger 165 angeschlossen. Wie bereits oben erörtert wurde, wird dieser Empfänger in einem System verwendet, in den ein Leitsignal von einem Satelliten ausgesendet wird, wobei die Polarisationsrichtung des Leitsignales mit jener des Empfängers 165 übereinstimmt. Der Empfänger 165 registriert das kreuzpolarisierte Signal, das über die Nachführeinrichtung 167 sur schrittweisen Nachstellung und den Schalter 168 den Antrieb 183 veranlaßt, die gesamte Anordnung 142 relativ zu dem Hornstrahler 111 solang»zu drehen, bis die Kreuzpolarisation minimal wird. Wie bereits vorher festgestellt wurde, kann dieser Empfänger 165 dazu dienen, die vom Satelliten hervorgerufene Polarisationsdrehung zu korrigieren. Darüberhinau8 werden bei dem in Fig. 6 beschriebenen System vom Regen verursachte Drehungen der Polarisationsrichtungen durch die Steuereinrichtungen 131' bzw. 133* über Stellmotoren 191 bzw. 192 korrigiert. Das an dem Empfänger 165 festgestellte kreuzpolarisierte Signal wird der Nachführvorrichtung 167 zugeführt. Diese Nachfuhrvorrichtung weist beispielsweise drei Integratoren auf, welche nacheinander drei Signale mitteln und speichern, von denen das eine für die Steuerung des die

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-,26 -

differentielle Dämpfung einstellenden Stellmotors 191, das zweite für die Steuerung des die orthogonale Position einstellenden Stellmotors 183 und das dritte Signal für die Steuerung des die differentielle Phasenverschiebung einstellenden Stellmotors 192 dient. Der Schalter 168 wird durch eine Uhr 169 umgeschaltet, so daß er abwechselnd Steuersignale für ein schrittweises Nachstellen den Stellmotoren 183, 191 und 192 zuführt. Wenn ein kreuzpolarisiertes Signal festgestellt und der Stellmotor 192 eingeschaltet wird, werden die horizontale und vertikale Komponente der empfangenen Wellen in eine Richtung eingestellt, in der das kreuzpolarisierte Signal reduziert wird (Einstellung der differentiellen Phase). Der Stellmotor 192 ist über ein Verbindungsglied 193 mit der Anordnung 131* gekoppelt, um eine differentielle Phasenänderung in der Steuereinrichtung 131 zu erzeugen, die der vom Regen verursachten Phasenänderung vom Betrag her gleich und von der Richtung her entgegengesetzt ist.

Es sei angenommen, daß zu Beginn die Sollstellung des Satelliten durch den Winkel Tv wiedergegeben wird und daß Einflüsse der Ionosphäre und des Regens vernachlässigbar sind. Unter diesen Bedingungen muß die Anordnung 142 zur Drehung der Polarisationsrichtung durch den Stellmotor 183 in ihre Sollstellung gebracht werden. Diese Sollstellung ist beispielsweise dann erreicht, wenn die Hauptebenen des Ausgangsanschlusses des orthogonalen Kopplers horizontal und vertikal angeordnet sind (für einen vertikal-horizontal polarisierten Satelliten und für eine Erdstation, die in einer die Erdachse und den Satelliten enthaltenden Ebene liegt). Der dem Winkel "ψ entsprechende Polarisationswinkel des Speisesystems wird durch Auerichtung der Leistungsteileranordnung 121 und 123 eingestellt in der gleichen Weise, wie dies anhand der Flg. 2 für die beiden 3 dB-Koppler beschrieben wurde (Änderung der Weglängen) .

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Wenn die Einflüsse der Ionosphäre merklich werden, werden die Werte von Δ 0 . und Δ 0_R1 in den drehbaren Leistungsteileranordnungen 121 und 123 nachgestellt entsprechend den von dem programmgesteuerten Nachführsubsystem gelieferten Daten (die Weglängen zwischen den 3 dB-Kopplern oder Hybridkopplern werden geändert). Dieses programmgesteuerte Nachführsubsystem enthält eine Uhr 161, einen Faraday-Rotator 162, den Rx/Tx-Polarisationswinkelverhältnisgenerator 163 und zwei gewöhnliche Servorantriebe 173 und 18o.

wenn der Polarisationswinkel des Satelliten in willkürlicher Weise variiert, müssen noch ein Nachführempfänger und eine Nachführvorrichtung zum schrittweisen Nachführen verwendet werden. Wenn unter diesen Bedingungen die vom Satelliten bestimmte Polarisationsrichtung in eine neue Lage gedreht wird, wird ein Fehlersignal am Empfänger 165 und an der Nachführvorrichtung 167 festgestellt, worauf der Stellmotor 183 über den Schalter 168 eingeschaltet wird. Dieser korrigiert die Stellung der Polarisationsdrehungsanordnung durch gleichzeitige Ausrichtung der Polarisationen des Sendefrequenzbandes und des Empfangsfrequenzbandes. Der Schalter 168 braucht bei diesem Vorgang nicht aktiv zu sein und braucht nur das Ausgangssignal von der Nachführvorrichtung 167 zum Stellmotor 183 durchzulassen. Es ist zu bemerken, daß während dieses Vorgangs die programmgesteuerte Nachstellung der Faraday-

Rotation unberührt bleibt und arbeitet wie zuvor.

Wenn die Effekte in der Atmosphäre merklich werden, wird der Schalter 168 am Ausgang der Nachfuhrvorrichtung 167 betätigt. Dieser Schalter verbindet die Nachführvorrichtung 167 entweder mit dem Stellmotor 183 für die Polarisationsdrehungsanordnung, mit dem Stellmotor 192 für die differentialIe Phasenverschiebung des Empfangsfrequenzbandes oder mit dem Stellmotor 191 für eine differentielle Dämpfung, die weiter unten noch erläutert werden soll. Ein weiterer Schalter innerhalb der

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3?

Nachführvorrichtung 167 läuft synchron mit, um die entsprechenden Integratorkreise den drei Stellmotoren zuzuordnen.

Wenn die Hauptachse des Regentropfens parallel zur Hauptebene des orthogonalen Kopplers 115 liegt, befindet sich die Polarisationsdrehungsanordnung in ihrer optimalen Stellung und der Stellmotor 183 bleibt gegenüber dem Zustand vor Beginn des Regens unverändert. Dagegen verstellt der Stellantrieb 192 die Phase in dem Phasenschieber 133* so lange, bis die differentielle Phasenverschiebung in der Anordnung 133¹ den gleichen Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen wie der vom Regentropfen erzeugte differentielle Phasenwert aufweist. Dabei ist der vom Regen erzeugte differntielle Phasenwert definiert als die Phase zwischen dem parallel zur kleineren Achse des Regentropfens gerichteten Vektor des elektrisehen Feldes und der Phase der zu dieser Richtung orthogonaoen Komponente. Wenn sich die Neigung des Regentropfens ändert, wird auch der Stellantrieb 183 eingeschaltet, der In einer Zeitfolge (über die Uhr 169) mit dem Stellantrieb 191 arbeitet, bis das Fehlersignal am Ausgang des Nachführempfängers abgenommen hat. Die vom Regen verursachte differentielle Phasenverschiebung im Sendefrequenzband wird dadurch reduziert, daß man die als Phasenschieber wirkende Steuereinrichtung 133* im Gleichlauf mit der ebenfalls als Phasenschieber wirkenden Steuereinrichtung 131' laufen läßt, was durch eine mechanische oder elektrische Kupplung 193 erreicht werden kann. Diese Kupplung kann so eingestellt werden, daß sie den folgenden Quotienten erzeugt:

dabei ist ^Vr₂ gleich der differentiellen Phasenverschiebung

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in der Anordnung 133' und dy _T2 gleich der differentiellen Phasenverschiebung in der Anordnung 131*.

Der Quotient q kann aufgrund experimenteller Daten ermittelt werden. In einem Nachrichtensystem unter Verwendung von Satelliten mit einer Frequenz von 6 GHz für die von der Erde ausgehende Welle wurde für q ein Wert von praktisch 1 ermittelt.

Es ist zu bemerken, daß das beschriebene System sowohl in dem Fall funktioniert, wenn alle drei Oepolarisationseffekte vorhemden sind (Polarisationsdrehung aufgrund des Faraday-Effektes, Polarisationsdrehung aufgrund der Satellitenstellung, Polarisationsdrehung aufgrund von Regen), als auch dann, wenn nur einer dieser Effekte vorhanden ist. Daher kann es für alle der oben genannten Zwecke verwendet werden. Das in Fig. 6 beschriebene System verwendet jedoch kompliziertere Schaltungen und hat einen größeren Verlust im Mikrowellenkreis als das System gemäß Fig. 2. Der Verlust mag in Senderteil vernachlässigbar sein, muß jedoch im Empfangsteil berücksichtigt werden, wenn eine niedrige Rauschtemperatur erwünscht ist.

Das in Fig. 6 beschriebene System folgt während Regens nicht nur der Polarisationsdrehung, sondern reduziert auch das durch den Regen hervorgerufene Achsenverhältnis. Wenn jedoch die Korrektur der differentiellen Dämpfung nicht mit eingeschlossen ist, kann das erreichbare Achsenverhältnis allgemein nicht unendlich werden (es kann keine rein lineare Polarisation erreicht werden). In den Steueranordnungen 131* und 133' können Differentialdämpfungsglieder äoi _Ί und 4oC_R mit eingeschlossen sein. Sie werden über den Stellantrieb 191 angetrieben. Der Synchronschalter 168 verbindet die Stellantriebe 183, 192 und 191 jeweils mit der Nachführvorrichtung 167. Die differentielle

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Dämpfung in den Steueranordnungen 131* und 133* kann mit den Steuervorrichtungen erreicht werden, die in Verbindung mit der Anordnung 21 beschrieben wurden» indem man verstellbare Dämpfungsglieder in den beiden flexiblen Wellenleitern zwisehen den 3 dB-Kopplern vorsieht. Diese Dämpfungsglieder in jeder Anordnung könnten von zwei Platten aus dampfendem Material bestehen, wobei jeweils eine Platte in die Decke jedes flexiblen Wellenleiters eingeführt wird. Der Stellantrieb 191 würde jeweils eine der Platten in jeder Anordnung (Anordnung 131* über Kupplung 193a) weiter in den Wellenleiter einschieben, wogegen in dem anderen Wellenleiter eine entsprechende Verkleinerung des dämpfenden Materials vorgenommen wird.

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Claims

2 7 2¹J b b Ί

Antennensystem mit Vorrichtung zur Korrektur von Depolar1-satlonserschelnungen

Patentansprüche

G).

!Antennensystem, bei dem eine Antenne über eine Signalkopplungsvorrichtung an einen GeräteanschluB gekoppelt ist, wobei die Signalkopplungsvorrichtung bei Betätigung einer Stelleinrichtung eine Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt, gekennzeichnet durch Mittel (63 und 67 oder 62) zur lokalen Erzeugung eines für die zu korrigierende Polarisationsabweichung repräsentativen kontinuierlichen Steuersignales und MAtte1 zur Zuführung des Steuerslgnales zur Stelleinrichtung (83, 91) für die

Drehung der Polarisationsrichtung.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (62 und 63) zur Erzeugung des lokalen Steuersignales durch eine uhr (61) gemäS einem Zeitplan gesteuert ist.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Generator zur Erzeugung eines lokalen Steuersignales ein sinusförmiges Signal mit einer Periode von einem Tag erzeugt/ dessen Amplitude mit einem sinusförmigen Signal mit einer Periode von einem Jahr moduliert ist/ wobei das Amplitudenmaximum des im Tagesrhythmus variierenden Signales kurz vor Sonnenuntergang und das Amplitudenmaximum des im Jahresrhythmus variierenden Signales im Januar liegt.
4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung von mehr als einem Geräteanschluß, wobei die an den Anschlüssen auftretenden Signale unterschiedlichen Polarisationsfehlern unterworfen sind, ein erster Polarisationsrichtungskonverter (13) vorgesehen ist, der auf mindestens eines der beiden Signale einwirkt/ und ein zweiter Polarisationsrichtungskonverter in Reihe mit dem Anschluß (47, 48) für das zweite Signal angeordnet ist, der nur auf das zweite Signal einwirkt.
5. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kopplung einer einzigen Antenne (11) an zwei Gerateanschlüsse (47 und 48) für eine erste Frequenz mit wechselseitig orthogonal aufeinanderstellenden Polarisationsrichtungen und an zwei weitere Geräteanschlüsse (45, 46) für eine zweite Frequenz mit den gleichen orthogonalen Polarisationsrichtungen ein orthogonaler Koppler (15) zwischen den Polarisationsrichtungskonvertern (13, 21) angeordnet ist und mit dem zweiten Polarisationsrichtungskonverter (21) zur Korrektur der Polarisationsrichtung des zweiten Signales zusammenwirkt, wobei das System für das zweite Signal zwei Signale erzeugt, die beide die erste Frequenz haben.

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6. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsrichtungskonverter (21) von einer einstellbaren Leistungsteileranordnung gebildet ist mit zwei gegeneinander verdrehbaren und durch flexible Wellenleiter (53, 54) miteinander verbundenen Doppeleingangs-Hybride-Richtungskopplern (magic-T) (51, 52), die bei einer durch die zweite Stelleinrichtung (91) hervorgerufenen Relativbewegung der Hybride-Richtungskoppler ihre relative Phasenverschiebung ändern können, wodurch die Polarisationsrichtungen der beiden den zweiten Polarisationerichtungskonverter (21) durchlaufenden Signale um gleiche Beträge geändert werden.
7. Antennensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Polarisationsrichtungskonverter (21) durch die zweite Stelleinrichtung (91) betätigt wird, die ihrerseits durch einen Generator (67, 63, 73, 81) zur Erzeugung eines zweiten kontinuierlichen Steuersignals gesteuert wird.
8. Antennensystem nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß zwei der Geräteanschlüsse als Empfängeranschlüsse (45, 46) und die beiden anderen Geräteanschlüsse als Senderanschlüsse (47, 48) dienen, daß an den einen Empfängeranschluß (46) ein Empfänger zur Aufnahme fehlerhaft polarisierter Signale angeschlossen ist, der den Generator für das zweite Steuersignal veranlaßt, die Intensität dieser Signale auf ein Minimum herabzusetzen, und daß eine durch das zweite Steuersignal ansteuerbare Stellvorrichtung (83) vorgesehen ist, die zum Verstellen eines Drehkopplers zwischen der Antenne und den vier

Geräteanschlüssen (45 bis 48) dient.

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9. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß für Nachrichtenverbindungen Ober Erdsatelliten die durch den Faraday-Effekt beim Durchgang der Wellen durch die Ionosphäre hervorgerufenen Polarisationsfehler korrigiert werden.
10. Antennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein dritter Polarisationsrichtungakompensator (123) vorgesehen ist, der durch ein drittes Steuersignal gesteuert wird und die Polarisationsrichtung von an einem weiteren Geräteanschluß (145) auftretenden Signalen steuert.
11. Antennensystem nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verwendung in einem System zur Auswertung eines Frequenzspektrums die Polarisationsrichtung von vier Signalzugängen gemäß dem ersten kontinuier- liehen Steuersignal korrigiert werden, wobei zwei der Signalzugänge nur gemäß dem zweiten kontinuierlichen Steuersignal und die beiden anderen nur gemäß dem dritten kontinuierlichen Steuersignal korrigiert werden (Fig. 6).
12. Antennensystem nach Anspruch 1 zur Auswertung eines Frequanzspektrums in Verbindung mit einem zur Auswertung des Frequenzspektrums geeigneten Satelliten, gekennzeichnet durch ein einziges abstrahlendes Element (111), einen an den gemeinsamen Signalanschluß des strahlenden Elementes (111) gekoppelten orthogonalen Koppler (115), einen ersten und einen zweiten Senderanschluß (147, 148), die zur Ankopplung einer ersten und einer zweiten Quelle zur Erzeugung von Sendewellen ausgebildet sind, einen ersten und einen zweiten Empfängeranschluß (145, 146), die zur Ankopplung eines ersten und eines zweiten Empfängers ausgebildet sind. Mittel umfassend eine erste einstellbare

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- ys -

Lei s tungs te Her anordnung (121) ,die zwischen den ersten und den zweiten SenderanschluB einerseits und einen zweiten und dritten, jeweils unterschiedliche Polarisation aufweisenden Anschluß des Kopplers (115) gekoppelt ist, um an diesem Koppler Sendewellen zu erzeugen, von denen die aus der ersten Quelle stammenden Sendewellen orthogonal zu den aus der zweiten Quelle stammenden Sendewellen sind, und Mittel umfassend einen zweiten einstellbaren Leistungsteiler (123), der zwischen den zwei ten und dritten Anschluß des Kopplers (115) und die Empfängeranschlüsse (145 und 146) gekoppelt ist, um diesen Koppler (115) mit den Empfangeranscnlüseen zu verbinden und somit orthogonal polarisierte Empfängerwellen den Empfängeranschlüssen (145 und 146) zuzuführen, wobei das Antennensystem zur selbsttätigen Korrektur der durch den Faraday-Effekt, die Atmosphäre und die Satellitenstellung verursachten Polarisationsdrehung ferner gekennzeichnet ist durch

Mittel (176, 179) zur lokalen Erzeugung eines ersten kontinuierlichen Kontrollsignales_/ das den Nennbetrag der durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Polarisationsdrehung einer Empfangswelle wiedergibt, die bei dem sich durch die Ionosphäre ausbreitenden Frequenzband an dem geographischen Ort der Antenne auftritt,

Mittel (187, 172) zur Erzeugung eines zweiten.

kontinuierlichen Steuersignales, welches den Nennbetrag der durch den Faraday-Effekt hervorgerufenen Polarisationsdrehung der Sendewelle wiedergibt, die beim Durchgang der Sendewelle durch die Ionosphäre bei dem gegebenen Frequenzband und dem geographischen Ort der Antenne auftritt,

Mittel (183, 142, 113) zur Drehung des orthogonalen Kopplers (115) relativ zu dem strahlenden Element (111),

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mit der ersten einstellbaren Lelstungstelleranordnung (121) verbundene Mittel (173) die durch das zweite Steuersignal ansteuerbar sind, um eine Drehung der Polarisationsrichtung der Sendewellen unabhängig von den Polarisationswinkel der Suszeptanz der Empfangswellen zu drehen, um die beim Durchgang der Sendewellen durch die Ionosphäre erfolgte Polarisationsdrehung zu korrigieren,

mit der zweiten einstellbaren Leistungsteileranordnung (123) verbundene Mittel (118), die durch das erste Steuersignal ansteuerbar sind, um den Polarisationswinkel der Suszeptanz des Empfangstelies des Antennensystems unabhängig zu drehen, um die beim Durchgang der Empfangswellen durch die Ionosphäre aufgetretene Polarisationsdrehung zu korrigieren,

eine Empfangseinrichtung (165) zum Empfang kreuzpolarisierter Signale, die an den EmpfängeranschluB (146) angeschlossen ist und zum Empfang des Pegels eines kreuzpolarisierten Signales dient, um hieraus ein drittes kontinuierliches Steuersignal zu ermitteln, und

Stelleinrichtungen (168, 183, 113), die mit der

Empfangseinrichtung gekoppelt sind, um unter Verwendung des dritten Steuersignals den orthogonalen Koppler (115) relativ zu dem strahlenden Element (111) zu drehen und die auf die Stellung des orthogonalen Kopplers relativ zu dem strahlenden Element (111) reagieren, um die Kreuzpolarisation minimal zu machen.
13. Antennensystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen ersten Phasenschieber zur Veränderung der differentieilen Phase (133* oberer Teil), der zwischen dem ersten und dem zweiten EmpfängeranachluB (145, 146)

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einerseits und dem orthogonalen Koppler (115) andererseits angeordnet ist, und eine zweite mit dem Phasenschieber verbundene Stelleinrichtung (192), die durch den Pegel des von der Empfangseinrichtung (165) empfangenen kreuzpolarisierten Signales gesteuert wird, um die relative Phase der beiden von dem orthogonalen Koppler kommenden Signale einzustellen, um das kreuzpolarisierte Signal zu reduzieren.
14. Antennensystem nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen zweiten Phasenschieber zur Veränderung der differentiellen Phase (132* oberer Teil), der zwischen dem ereten und zweiten Senderanschluß (147, 148) einerseits und dem orthogonalen Koppler (115) andererseits angeordnet ist, eine mit dem Phasenschieber verbundene Kupplung (193), die ebenfalls durch die zweite Stelleinrichtung (192) gesteuert wird, um die relative Phasenverschiebung der beiden zum orthogonalen Koppler (15) hingehenden Sendesignale einzustellen.
15. Antennensystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet ,durch ein erstes und ein zweites differentielles Dämpfungsglied, wobei das erste differentielle Dämpfungsglied (133* unterer Teil) zwischen dem ersten und dem zweiten Empfängeranschlufi (145, 146) einerseits und dem orthogonalen Koppler (115) andererseits und das zweite differentiel-Ie Dämpfungsglied (131* unterer Teil) zwischen dem ersten and dem zweiten Senderanschlufi (147, 148) einerseits und dem orthogonalen Koppler (115) andererseits angeordnet ist, und eine dritte Stelleinrichtung (191) die durch den Pegel des von der Empfangseinrichtung empfangenen kreuzpolarisierten Signales gesteuert wird, um über das zweite differentielle Dämpfungsglied (131') eine relativ« Dämpfung zwischen den beiden dem orthogonalen Koppler (115)

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zugeführten Sendesignalen einzustellen sowie um über eine Kupplung (193a) und das erste differenzielle Dämpfungsglied (133* unterer Teil) eine relative Dämpfung zwischen den beiden vom orthogonalen Koppler (115) kommenden Empfangssignalen einzustellen.
16. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der orthogonale Koppler (15) zur übertragung zweier orthogonal polarisierter Sendesignale mit einstellbarer Polarisationsrichtung erste und zweite energieinduzierte Aufnahmeeinrichtungen aufweist, die orthogonal zueinander sind und gekennzeichnet sind durch

einen ersten eine 9o°-Phasenverschiebung bewirkenden Hybrid-Richtungskoppler (52) mit zwei Eingängen (52a, 52b) und zwei Ausgängen, der auf ein erstes Sendesignal an seinem ersten Eingang anspricht, um dieses Signal in zwei um 9o° phasenverschobene Komponenten aufzuspalten und diese an die beiden Ausgänge zu legen und der auf ein zweites Sendesignal an seinem zweiten Eingang anspricht, um dieses

zweite Sendesignal in zwei um 9o° phasenverschobene Komponenten zu zerlegen und diese an die beiden Ausgänge zu legen, einen zweiten Hybrid-Richtungskoppler (51) mit einem ersten und einem zweiten Ausgang (51c, 51d), die an den ersten bzw. zweiten Eingang des orthogonalen

Kopplers gekoppelt sind,

einen ersten flexiblen Wellenleiter (53) zwischen dem ersten Ausgang des ersten Hybrid -Richtungskopplers (52) und dem ersten Eingang des zweiten Hybrid -Richtungskopplers, einen zweiten flexiblen Wellenleiter (54) zwischen dem zweiten Ausgang des ersten Hybrid -Richtungskopplers und dem zweiten Eingang des zweiten Hybrid -Richtungskopp-

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lers (51), und

Mittel (91) zur Drehung eines der beiden Hybrid-Rlchtungskoppler relativ zum anderen, um dadurch die Weglänge In einem der Wellenleiter zu vergrößern, während die Weglänge in dem anderen Wellenleiter entsprechend verkürzt wird, wodurch die Polarisationsrichtungen der Sendesignale durch die Wirkung des zweiten Hybrid-Richtungskopplers (51) und des orthogonalen Kopplers (15) geändert werden, während die orthogonale Beziehung zwischen den Sendesignalen an der Antenne (11) erhalten bleibt.

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