DE3939318A1

DE3939318A1 - Earth station aerial for satellite traffic - is fitted to rotary frame aligning to long aperture axis parallel to satellite path tangent

Info

Publication number: DE3939318A1
Application number: DE19893939318
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Ing Haertinger; Wolfgang Dipl Ing Rebhan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 1991-05-29
Also published as: FR2656959A1; FR2656959B1; JPH03178203A

Abstract

The earth station aerial has a feed system and a reflector with oval or rectangular aperture reflector, from which starts a radiation lobe as the aerial main beam with approx. elliptical cross section. The aerial is so mounted on a rotary frame (7) that the short axis of the radiation lobe cross section, i.e. the long axis of the aperture is aligned parallel to the satellite path with the alignment of the aerial main radiation direction. Pref. the rotary frame is fitted with hour declination angular bearing for the aerial slewing. The long axis of the aperture is orthogonal to the hour axis. The rotary frame has also an elevation azymuth angular bearing, and an extra rotary bearing (21) for the aerial main beam direction, forming an axis (20). ADVANTAGE - Improved adjustment w.r.t. secondary peak damping in direction of satellite orbital plane.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Satellitenfunk-Boden stationsantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a satellite radio floor station antenna according to the preamble of claim 1.

Weil der Welt-Kommunikationsverkehr rasch anwächst, werden im mer mehr Nachrichtensatelliten in die geostationäre Umlaufbahn geschickt. Dies hat teilweise heute bereits zu einer gewissen Überfüllung geführt. Die auftretenden Störprobleme erfordern einen gewissen Minimalwinkelabstand zwischen benachbarten Sa telliten. Antennen von Bodenstationen, die in Richtung eines bestimmten Satelliten senden, können andere Satelliten, die Signale gleicher Frequenz und Polarisation empfangen, mit Ne benzipfeln und möglicherweise mit dem Hauptkeulenrandbereich des Antennendiagramms stören. Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn die Bodenstationsantenne nicht nur Signale des ge wünschten Satelliten, sondern auch Signale benachbarter Satel liten empfängt.Because world communication traffic is growing rapidly, in more and more communications satellites into geostationary orbit cleverly. This has already partly led to a certain degree today Overcrowding led. The disturbance problems that arise require a certain minimum angular distance between neighboring Sa tellites. Antennas from ground stations pointing towards a certain satellites can send other satellites that Receive signals of the same frequency and polarization, with Ne peak and possibly with the main lobe edge area of the antenna pattern. A similar situation occurs when the ground station antenna not only signals from the ge wanted satellites, but also signals from neighboring satellites liten receives.

Um die Zahl der Nachrichtensatelliten in der geostationären Umlaufbahn und damit die Nachrichtenübertragungskapazität auch in Zukunft weiter vergrößern zu können, muß die Nebenzipfel dämpfung der Bodenstationsantennen so verbessert werden, daß benachbarte Satelliten nicht gestört werden können. Dabei kommt es vor allem auf den Nebenzipfelverlauf in Richtung der Satel litenbahnebene an. Der Verlauf senkrecht zur Umlaufbahnebene spielt nach neueren Planungen und Empfehlungen von CCIR demge genüber keine so wesentliche Rolle, da in dieser Richtung keine Satelliten nebeneinander stehen, die gestört werden könnten.To the number of communications satellites in the geostationary Orbit and thus the message transmission capacity too To be able to enlarge further in the future must be the side lobe attenuation of the ground station antennas can be improved so that neighboring satellites cannot be disturbed. Here comes it mainly on the side lobe course towards the satellite light rail level. The course perpendicular to the orbit plane plays according to recent plans and recommendations from CCIR demge compared to no such essential role, since none in this direction Satellites stand side by side that could be disturbed.

Mit bisher üblichen, drehsymmetrisch aufgebauten Doppel- Reflektor-Antennen wurden gewisse Verbesserungen in der Nebenzipfeldämpfung beispielsweise durch Änderung der Aperturbelegung, Übergang zum Gregory-Prinzip, bessere Subre flektorstützenanordnung und Computeroptimierung des Gesamtan tennensystems erzielt. Neuerdings versucht man Verbesserungen durch Übergang zu seitlicher Speisung (Offset-Speisung) zu erreichen, bei der keine Strahlabblockung auftritt. Weiterge hende Verbesserungen sind erwünscht, aber nur schwer zu er reichen. In dieser Situation stellt sich die Frage, inwieweit die bereits erwähnten Änderungen der CCIR-Empfehlungen weitere Verbesserungen erlauben, wenn von der bisher meist üblichen Kreisform der Antennenaperturen abgegangen wird. Es sind zwar auch Antennen mit elliptischer Apertur bei Satellitenfunk-Bo denstationen bekannt. Die im Prinzip günstigere Ellipsenform wurde dabei jedoch nur wegen der leichteren Transportierbarkeit z. B. im Flugzeug gewählt und kommt aufgrund der unzweckmäßigen Montierung der Antenne auf dem Drehgestell nur bei nahe der Südrichtung stehenden Satelliten, eigentlich mehr zufällig, zum Tragen.With previously common, rotationally symmetrical double Reflector antennas have made certain improvements in the Sub-zip field damping, for example by changing the Aperture assignment, transition to the Gregory principle, better subre reflector support arrangement and computer optimization of the total tennensystem achieved. Improvements have recently been attempted through transition to side feeding (offset feeding) reach where there is no beam blocking. Passed on Improvements are welcome, but difficult to achieve pass. In this situation, the question arises to what extent the changes to the CCIR recommendations already mentioned further Allow improvements, if of the most common so far Circular shape of the antenna apertures is exited. They are also antennas with an elliptical aperture in satellite radio Bo known stations. In principle, the cheaper elliptical shape was only because of the easier portability e.g. B. chosen on the plane and comes because of the inappropriate Mount the antenna on the bogie only near the South-facing satellites, actually more random, for Wear.

Geht man von einer Kreisapertur zu einer elliptischen Apertur gleicher Fläche über, so erhöht sich in der durch die lange Ellipsenachse gehenden Hauptebene die Bündelung und die Neben zipfeldämpfung nimmt zu. Fällt die ursprüngliche Feldstärke beispielsweise mit der Winkelpotenz 1/ϑ ^p ab, so bewirkt eine Streckung der Apertur um den Faktor √ theoretisch eine Nebenzipfelabsenkung um 3 p (dB). Bei einer quadratisch abfall enden Aperturbelegung hat p etwa den Wert 2,5, so daß sich zumindest im ungestörten Nahbereich um die Antennenhauptkeule beträchtliche Verbesserungen ergeben können. Diese Verbesse rungen kommen jedoch nur zum Tragen, wenn die lange Apertur achse für jede Satellitenposition parallel zur Tangente der Satellitenbahn ausgerichtet ist. Bei, vom Antennenstandort aus gesehen, weit östlich oder westlich gelegenen Satelliten liegt die Bahntangente, je nach geographischer Breite, jedoch unter Umständen sehr schräg zur Horizontalebene. Am Äquator selbst verläuft die Bahntangente in der Vertikalebene. Bei einer der bekannten elliptischen Antennen liegt die lange Ellipsenaper turachse immer horizontal, so daß die Antenne in diesem Fall in der Regel eine völlig falsche Orientierung aufweist, die zu einem Nebenzipfelanstieg gegenüber einer Kreisaperturantenne führen würde. Eine Ausnahme wäre einzig derjenige Fall, in dem der Nachrichtensatellit genau senkrecht über der Bodenstation steht.If you go from a circular aperture to an elliptical aperture of the same area, the concentration in the main plane passing through the long axis of the ellipse increases and the secondary zip attenuation increases. If the original field strength drops, for example, with the angular power 1 / ϑ ^p , the aperture is theoretically stretched by a factor of √, which in theory results in a 3 p (dB) drop in the lobe. With a square-sloping aperture assignment, p has the value 2.5, so that considerable improvements can result at least in the undisturbed close-up area around the main antenna lobe. However, these improvements only come into play if the long aperture axis is aligned parallel to the tangent of the satellite orbit for each satellite position. With satellites located far east or west, as seen from the antenna location, the orbital tangent is, depending on the geographical latitude, possibly very oblique to the horizontal plane. At the equator itself, the path tangent runs in the vertical plane. In one of the known elliptical antennas, the long ellipse antenna axis is always horizontal, so that the antenna in this case usually has a completely wrong orientation, which would lead to an increase in the side lobe opposite a circular aperture antenna. The only exception would be the case in which the communications satellite is positioned exactly vertically above the ground station.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit einem sich auf einer geostationären Umlaufbahn befindlichen Nachrichtensatelliten zusammenarbeitende Satellitenfunk-Bodenstationsantenne mit einer einen zumindest annähernd elliptischen Querschnitt aufweisenden Strahlungskeule so auszubilden, daß sich die Antenne stets optimal bezüglich der Nebenzipfeldämpfung in Richtung der Satellitenumlaufbahnebene einstellen läßt.The object of the invention is one with one on one communications satellites located in geostationary orbit cooperating satellite radio ground station antenna with one an at least approximately elliptical cross section having radiation lobe so that the Antenna always optimal with regard to the secondary zip field attenuation Direction of the satellite orbit level.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine auf einem Drehgestell montierte Satellitenfunk-Bodenstationsantenne gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1 bezieht, wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Erfindungsgedanke besteht darin, bei einer schwenkbaren Antenne mit z. B. üblichem Elevations- über Azimut drehgestell eine dritte, mit der Hauptstrahlrichtung zusammen fallende Achse vorzusehen, die jederzeit die richtige Einstel lung der ellipsenförmigen, ovalen bzw. rechteckförmigen Anten nenapertur bezüglich der geostationären Bahnebene erlaubt. Da hier nur gelegentliche langsame Drehungen erforderlich sind, darf das Lager äußerst einfach und kostengünstig ausgeführt sein.According to the invention, which is based on a bogie mounted satellite radio ground station antenna according to the waiter Concept of claim 1 relates to this task that specified in the characterizing part of claim 1 Features solved. The idea of the invention consists in one swiveling antenna with z. B. usual elevation over azimuth bogie a third, together with the main beam direction Falling axis to provide the correct setting at all times the elliptical, oval or rectangular antennas allowed for geostationary orbital level. There only occasional slow turns are required here the warehouse can be extremely simple and inexpensive be.

Bei einer Antenne mit Stunden-Deklinationswinkellagerung könnte auf die dritte Achse verzichtet werden, weil dort bei Drehung der Antenne um die Stundenachse die einmal ausgerichtete lange Achse der ellipsenförmigen, ovalen oder rechteckförmigen Antennenapertur bei senkrechter Ausrichtung zur Stundenachse automatisch immer in der Orbitebene liegen bleibt. Ein solches Drehgestell eignet sich jedoch wegen seiner meist ausladenden Basis weniger für die Installation der Antenne auf einem Trägerfahrzeug, einer besonders wichtigen Anwendung von Satellitenfunk-Bodenstationsantennen in Zukunft.An antenna with an hourly declination angle bearing could the third axis can be dispensed with because it rotates there the antenna around the hour axis the long aligned once Axis of the elliptical, oval or rectangular Antenna aperture when aligned perpendicular to the hour axis automatically always lies in the orbit level. Such one However, bogie is suitable because of its mostly protruding Base less for installing the antenna on one Carrier vehicle, a particularly important application of Satellite radio ground station antennas in the future.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sowie Ausführungs möglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.Advantageous and practical training and execution Possibilities of the invention are indicated in the subclaims give.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigenIn the following the invention is based on three figures explained. Show it

Fig. 1 die graphische Darstellung der CCIR-Nebenzipfelreferenz fläche für Satellitenfunk-Bodenantennen nach alter Empfehlung, Fig. 1 shows the graphical representation of the CCIR sidelobe reference surface for satellite broadcast ground antennas to alter recommendation,

Fig. 2 die graphische Darstellung der CCIR-Nebenzipfelrefe renzfläche für Satellitenfunk-Bodenantennen nach neuer Empfehlung, Fig. 2 shows the graphical representation of the CCIR-Nebenzipfelrefe Renz surface for satellite broadcast ground antennas for new recommendation,

Fig. 3 in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Satellitenfunk-Bodenstationsantenne nach der Erfindung. Fig. 3 shows a side view of an embodiment of a satellite radio ground station antenna according to the invention.

Fig. 1 und 2 zeigen jeweils in einer räumlichen graphischen Darstellung eine Nebenzipfelreferenzfläche für Satellitenfunk- Bodenantennen. Dabei sind in Fig. 1 die alten und in Fig. 2 die neuen Empfehlungen von CCIR dargestellt. In beiden Fällen sind 1 die Orbitebene, d. h. die Ebene der geostationären Umlauf bahn, 2 die Tangentialebene, 3 die Hauptstrahlrichtung, 4 die Isoradiolinien und S, W, N, O die vier Himmelsrichtungen Süd, West, Nord und Ost. Die in Fig. 1 dargestellte Referenzfläche 5 nach alter Empfehlung fällt rotationssymmetrisch ab und ist angepaßt an die Rotationssymmetrie der Hauptkeulen der meisten der üblichen Antennen. Die in Fig. 2 dargestellte Referenz fläche 6 nach neuer Empfehlung hat einen vorgeschriebenen Abfall lediglich in Richtung der Orbitebene 1. Fig. 1 and 2 each show a three-dimensional graphical representation of a side lobe reference area for satellite radio ground antennas. The old recommendations of CCIR are shown in FIG. 1 and the new recommendations in FIG. 2. In both cases, 1 is the orbit level, ie the level of the geostationary orbit, 2 the tangential plane, 3 the main beam direction, 4 the isoradiolin lines and S, W, N, O the four directions south, west, north and east. The reference surface 5 shown in FIG. 1 according to the old recommendation falls off rotationally symmetrically and is adapted to the rotational symmetry of the main lobes of most of the usual antennas. The reference surface 6 shown in FIG. 2 according to a new recommendation has a prescribed drop only in the direction of the orbit level 1 .

Fig. 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbei spiel einer Satellitenfunk-Bodenstationsantenne nach der Erfin dung. Dabei handelt es sich dem Prinzip nach um eine asymmetri sche, d. h. seitlich gespeiste (off-set-Speisung) Gregory-Anten ne, die im Ku-Band im Frequenzbereich 11/14-GHz arbeitet und deren Aperturabmessung etwa 1,7 m× 3,4 m betragen soll. Die Antenne weist ein Drehgestell 7 auf, das auf einer Plattform 8 eines Trägerfahrzeugs angebracht ist. Beispielsweise auf einer kreisförmigen Laufschiene 9 ist die Antenne mit ihrem Drehge stell 7 um die Azimutachse 10 drehbar. Der Elevationswinkel der Antenne wird mittels einer am Drehgestell 7 unten angelenkten Justierstange 11 eingestellt, auf der weiter oben ein Träger 12 längs verschiebbar aufsitzt. Dieser Träger 12 ist außerdem un ten am Drehgestell 7 angelenkt und zwar an einer Stelle, durch die senkrecht zur Zeichenebene die Elevationsdrehachse 13 ver läuft. Die Antenne selbst besteht aus einem ovalen Hauptreflek tor 14, einem Speisesystem 15 in Form eines Rillenhornstrahlers und einem Subreflektor 16. Im Zuführungsweg zum Speisesystem 15 liegt noch ein Kästchen 17, das Speisenetzwerke enthält, z. B. einen rauscharmen Empfangsverstärker und einen Orthomode-Wand ler. Das Speisesystem 15, das Kästchen 17 und der Subreflektor 16 sind auf einem tragenden Arm 18 befestigt, der während der Transportphase um ein nahe am Hauptreflektor 14 angeordnetes Gelenk 19 nach oben oder in eine andere Richtung wegschwenkbar ist. Der Hauptreflektor 14 und der Subreflektor 16 bestehen z. B. aus metallisiertem Fiberglas. Fig. 3 shows a side view of an Ausführungsbei game of a satellite radio ground station antenna according to the inven tion. In principle, this is an asymmetrical, ie laterally fed (off-set feed) Gregory antenna, which operates in the Ku band in the 11/14 GHz frequency range and whose aperture dimensions are approximately 1.7 m × 3 , Should be 4 m. The antenna has a bogie 7 which is mounted on a platform 8 of a carrier vehicle. For example, on a circular running rail 9 , the antenna can be rotated about its azimuth axis 10 with its rotary joint 7 . The elevation angle of the antenna is adjusted by means of an adjusting rod 11 articulated at the bottom of the bogie 7 , on which a carrier 12 sits longitudinally displaceably further up. This carrier 12 is also articulated un th on the bogie 7 at a point through which the elevation axis of rotation 13 runs perpendicular to the plane of the drawing ver. The antenna itself consists of an oval main reflector 14 , a feed system 15 in the form of a grooved horn and a subreflector 16 . In the feed path to the feed system 15 there is also a box 17 which contains feed networks, e.g. B. a low-noise receiving amplifier and an orthomode wall ler. The feed system 15 , the box 17 and the subreflector 16 are fastened on a supporting arm 18 which, during the transport phase, can be pivoted upwards or in another direction about a joint 19 arranged near the main reflector 14 . The main reflector 14 and the subreflector 16 are, for. B. made of metallized fiberglass.

Zur Vermeidung einer Strahlabblockung und zur Reduzierung des Spillover-Effekts am Subreflektor 16 sind das Hornstrahler- Speisesystem 15 und der Gregory-Subreflektor 16 in Offset-Lage angebracht. Das Ergebnis davon sind erheblich kleinere Neben zipfel einschließlich des ersten Nebenzipfels.To avoid beam blocking and to reduce the spillover effect on the subreflector 16 , the horn emitter feed system 15 and the Gregory subreflector 16 are mounted in an offset position. The result of this are considerably smaller side lobes including the first side lobe.

Der eigentliche Antennenteil, d. h. der Hauptreflektor 14, der Subreflektor 16 und das Primärspeisesystem 15 in Form des Ril lenhornstrahlers ist als Ganzes um eine dritte Achse 20, die mit der Antennenhauptstrahlrichtung zusammenfällt, drehbar gelagert. Die Drehbarkeit der Antenne um die Achse 20 erlaubt jederzeit die richtige Einstellung der ovalen Antennenapertur bzw. der zumindest einen annähernd elliptischen Querschnitt aufweisenden Strahlungskeule in bezug auf die geostationäre Bahnebene. Die Antenne wird stets so weit um die Achse 20 gedreht, bis die kurze Achse des Strahlungskeulenquerschnitts, d. h. die lange Achse der Apertur, bei Ausrichtung der mit der Richtung der Drehachse 20 identischen Antennenhauptstrahlrich tung auf den Satelliten wenigstens annähernd parallel zur Tan gente der Satellitenbahn in der Satellitenposition zu liegen kommt. Da hier nur gelegentliche langsame Drehungen erforder lich sind, darf das Lager äußerst einfach und kostengünstig ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel ist am Träger 12 des Drehgestells 7 eine einfache Drehlagerung 21 angebracht, in der ein Stützwerk 22 für die eigentliche Antenne gehalten ist.The actual antenna part, ie the main reflector 14 , the sub-reflector 16 and the primary feed system 15 in the form of the Ril lenhorn radiator is rotatably mounted as a whole about a third axis 20 , which coincides with the antenna main beam direction. The rotatability of the antenna about the axis 20 allows the oval antenna aperture or the radiation lobe, which has at least an approximately elliptical cross section, to be set correctly at any time with respect to the geostationary orbital plane. The antenna is always rotated so far about the axis 20 until the short axis of the beam cross-section, ie the long axis of the aperture, with the alignment of the antenna main beam direction identical to the direction of the axis of rotation 20 on the satellite at least approximately parallel to the tangent of the satellite orbit in the satellite position comes to lie. Since only occasional slow turns are required here, the bearing can be extremely simple and inexpensive. In the exemplary embodiment, a simple rotary bearing 21 is attached to the carrier 12 of the bogie 7 , in which a support structure 22 for the actual antenna is held.

Bei Betrieb einer Bodenstationsantenne nach der Erfindung beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland in Verbindung mit weit im Osten oder Westen stehenden Nachrichtensatelliten ergibt sich eine stark geneigte Position der großen Ellipsen achse. Diese Tatsache muß dann bei der Höhenbemessung der Antenne berücksichtigt werden.When operating a ground station antenna according to the invention for example in the Federal Republic of Germany with communications satellites far to the east or west there is a strongly inclined position of the large ellipses axis. This fact must then be considered when designing the height of the Antenna are taken into account.

Claims

1. Mounted on a bogie satellite radio Bodensta tion antenna with a feed system and an oval or rectangular aperture having reflector, from which as the main beam emanates an at least approximately elliptical cross section having radiation lobe, characterized in that the antenna on the bogie ( 7 ) is rotatably mounted such that the short axis of the beam cross-section, ie the long axis of the aperture comes to lie at least approximately parallel to the tangent of the satellite orbit in the satellite position when the antenna main beam direction is aligned on the satellite.

2. Antenna according to claim 1, characterized, that the bogie for antenna pivoting with at least one approximate hour declination angle bearing is provided, and that the long axis of the aperture, i.e. H. the short axis of the Beam cross-section, perpendicular to the hour axis is aligned.

3. Antenna according to claim 1, characterized in that the bogie ( 7 ) for antenna pivoting is provided with an elevation azimuth bearing and that in addition a pivot bearing ( 21 ) is provided around the main antenna beam direction as an axis ( 20 ).

4. Antenna according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reflector ( 14 ) is the main reflector of one or more subreflectors ( 16 ) having an antenna.

5. Antenna according to one of claims 1 to 4, characterized in that the feed system ( 15 ) and optionally the sub-reflector ( 16 ) or the sub-reflectors in the manner of the so-called offset feed laterally outside of the reflector ( 14 ) emitted in transmission and beam received in the case of reception.

6. Antenna according to claim 4 or 5, characterized by a structure as a double reflector antenna according to the Gregory principle, ie using a concave reflector as a sub-reflector ( 16 ).

7. Antenna according to one of claims 1 to 5, marked by a cylindrical reflector with at least approximately rectangular shaped aperture and a dish acting as a line source system.

8. Antenna according to one of claims 1 to 7, characterized by an assembly of the bogie ( 7 ) on a mobile carrier driving tool.

9. Antenna according to one of claims 1 to 8, characterized in that the feed system ( 15 ) and optionally the sub-reflector ( 16 ) or the sub-reflectors together with an arm ( 18 ) carrying them about a joint arranged close to the reflector ( 14 ) ( 19 ) this arm can be pivoted upwards or in another direction during the transport phase.

10. Antenna according to claims 6, 8 and 9, marked by an aperture dimension of approximately 1.7 m × 3.4 m when designed for the frequency range 11/14 GHz.

11. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector ( 14 ) and optionally the subreflector ( 16 ) or the subreflectors consist of metallized fiberglass.