DE69121650T2

DE69121650T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer frequenzadressierbarer Abtaststrahlungskeulen

Info

Publication number: DE69121650T2
Application number: DE69121650T
Authority: DE
Inventors: Kenneth H Renshaw
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2011-07-11
Also published as: US5081464A; JPH04233804A; EP0466126B1; JP2887423B2; CA2042543C; EP0466126A3; DE69121650D1; EP0466126A2; CA2042543A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formen von frequenzabgetasteten Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung, mit einem Eingang, Verzögerungsmitteln und einem Array von Antennenelementen, mit:
- wenigstens zwei Eingängen, die jeweils eine entsprechende Vielzahl von Strahlungskeulensignalen empfangen;
- wenigstens zwei Verzögerungsmitteln, die jeweils an die Eingänge gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale als Funktion der Frequenz so zu verzögern, daß die Strahlungskeulen jeweils über einen Zielbereich verschwenken; und
- Mitteln, die zwischen die Antennenelemente und die Verzögerungsmittel gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale von den Verzögerungsmitteln derart zu kombinieren, daß jedes der Antennenelemente Strahlungskeulensignale aus der Vielzahl von Strahlungskeulensignalen empfängt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Formen von Strahlungskeulen elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlungskeulen über wenigstens zwei Gebiete als Funktion der Frequenz verschwenkt werden, mit den Schritten:
(A) Es werden wenigstens zwei Sätze von Strahlungskeulensignalen erzeugt;
(B) es werden Zeitverzögerungen als Funktion der Frequenz in die Strahlungskeulensignale eingefügt, um entsprechende Sätze von zeitverzögerten Signalen zu erzeugen, wobei die Satze jeweils den Gebieten zugeordnet sind;
(C) die Sätze von verzögerten Strahlungskeulensignalen werden kombiniert; und
{D) die verzögerten Strahlungskeulensignale, die in Schritt (C) kombiniert wurden, werden einem Array von Antennenelementen zugeführt.
Solch eine Vorrichtung sowie das entsprechende Verfahren sind aus dem Dokument WO 88/04837 bekannt.
Bei der bekannten Vorrichtung sind Anordnungen zur Frequenzumsetzung zwischen die Verzögerungsmittel und die Kombinierermittel geschaltet, um einen Satz von Signalen bei zwei verschiedenen Frequenzbändern zu erzeugen. Auf diese Weise werden zwei abtastende Strahlungskeulen durch unterschiedliche Teile der bekannten Vorrichtung derart erzeugt, daß sie verschiedene Frequenzen umfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Satellitenkommunikationssysteme und beschäftigt sich genauer mit einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zum Formen von in der Frequenz adressierbaren Strahlungskeulen elektromagnetischer Energie, die verwendet werden, um Kommunikationssignale zwischen einem Satelliten und einer Vielzahl von Kommunikationsstellen zu übertragen und zu empfangen, die ein Gebiet der Erde bedecken.
Über die Frequenz adressierbare Strahlungskeulen von elektromagnetischer Energie sind in der Vergangenheit verwendet worden, um für Strahlungskeulen von Kommunikationssignalen zu sorgen, die für jeden Anwenderstandort optimal sind. Solche Systeme werden manchmal als elektronisch abgetastete Antennensysteme bezeichnet, wobei der Ort einer jeden virtuellen Strahlungskeule, die geformt wird, durch die Frequenz des Anwenders bestimmt wird, wobei die Anwenderfrequenzen über ein Gebiet in Sicht derantenne verteilt sind. Man kann die Strahlungskeule so betrachten, als ob sie über ein Gebiet der Erde, zum Beispiel von Ost nach West, verschwenkt wird, wenn die Trägerfrequenz der so geformten virtuellen Strahlungskeulen erhöht wird.
Um für hinreichenden Gewinn an jedem Anwenderort zu sorgen, während ein gegebener Bereich von Frequenzen mehrfach verwendet wird, wurde der Einsatz von mehrfach abtastenden Strahlungskeulen vorgeschlagen, um ein gegebenes Gebiet der Erde zu bedienen, was weiter unten noch genauer beschrieben wird.
Um jedoch derartige mehrfache Strahlungskeulen zu erzeugen, wäre es notwendig, mehrfache Antennenarrays einzusetzen und möglicherweise mehr als einen Satelliten zu verwenden, um die erforderliche Bedeckung über der Erde zu erreichen.
Es gibt daher einen Bedarf in der Technik nach einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zum Formen von mehrfachen, frequenzabgetasteten Strahlungskeulen, wobei ein einziges Antennenarray verwendet wird, das auf einem einzigen Satelliten eingesetzt wird.
Bei der eingangs erwähnten Vorrichtung wird diese Aufgabe gelöst durch Phasenschiebermittel, die zwischen die Verzögerungsmittel und wenigstens bestimmte von den Kombinierermitteln gekoppelt sind, um die Phase von wenigstens bestimmten der Strahlungskeulensignale zu verschieben und so die Mitten der Strahlungskeulen zueinander in einer Richtung orthogonal zu der Richtung zu beabstanden, in der die Strahlungskeulen vers chwenkt werden.
Bezüglich des eingangs genannten Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Schritt (D) den Schritt umfaßt, daß Phasenverschiebungen in wenigstens bestimmte der Strahlungskeulensignale eingefügt werden, die Antennenelementen zugeführt werden, die in einer Spalte von Antennenelementen angeordnet sind und einen Teil eines N x M Array von Antennenelementen bilden, um die Strahlungskeulen relativ in einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Abtastung zu positionieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgesehen zum Formen von wenigstens einer ersten und einer zweiten frequenzabgetasteten Strahlungskeule von elektromagnetischer Strahlung, mit einem Array von Antennenelementen, ersten und zweiten Eingängen, die jeweils eine erste und eine zweite Vielzahl von Strahlungskeulensignalen empfangen, ersten und zweiten Verzögerungsmitteln, um die Strahlungskeulensignale als Funktion der Frequenz so zu verzögern, daß die erste und zweite Strahlungskeule jeweils über einen Zielbereich verschwenken, und Mitteln zum Kombinieren der Strahlungskeulensignale von den ersten und zweiten Verzögerungsmitteln, so daß jedes der Antennenelemente Strahlungskeulensignale aus den ersten und zweiten Vielzahlen von Strahlungskeulensignalen empfängt. Auf diese Weise erzeugt die strahlungskeulenformende Vorrichtung mehrere, frequenzabgetastete Strahlungskeulen, die unabhängig voneinander über den Zielbereich verschwenkt werden können. Um für eine vertikale Ausrichtung oder Beabstandung der getrennt geformten Strahlungskeulen zu sorgen, sind zwischen den ersten und zweiten Verzögerungsmitteln sowie wenigstens bestimmten von den Kombinierermitteln Phasenschiebermittel vorgesehen, um die Phase von wenigstens bestimmten der Strahlungskeulensignale zu verschieben und dadurch die Mitten der Strahlungskeulen voneinander in einer Richtung zu beabstanden, die orthogonal zu der Richtung ist, in der die Strahlungskeulen verschwenkt werden. Die Antennenelemente sind vorzugsweise in eine Array von N Spalten und M Reihen angeordnet, wobei die ersten und zweiten verzögerungsmittel jeweils N Verzögerungselemente umfassen, die jeweils operativ den N Spalten von Antennenelementen zugeordnet sind. Die Kombinierermittel können eine Vielzahl von Summierern beinhalten, die jeweils den Antennenelementen zugeordnet sind, wobei jeder der Summierer derart wirkt, daß er verzögerte Strahlungskeulensignale in den ersten und zweiten Vielzahlen von Strahlungskeulensignalen kombiniert.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen von ersten und zweiten Strahlungskeulen aus elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, wobei die Strahlungskeulen als Funktion der Frequenz über erste und zweite Gebiete verschwenkt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Es werden erste und zweite Sätzt von Strahlungskeulensignalen erzeugt, in die Strahlungskeulensignale werden Zeitverzögerungen als Funktion der Frequenz eingefügt, die ersten und zweiten Sätze von verzögerten Strahlungskeulensignalen werden kombiniert, und die so kombinierten, verzögerten Strahlungskeulensignale werden einem Array von Antennenelementen zugeführt. Darüber hinaus umfaßt das Verfahren das Einfügen von Phasenverschiebungen in wenigstens bestimmte der Strahlungskeulensignale, die den Antennenelementen zugeführt werden, um die ersten und zweiten Strahlungskeulensignale in einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Abtastung der Strahlungskeulensignale relativ zu positionieren.
Demgemäß ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Formen von mehreren, frequenzabgetasteten Strahlungskeulen von elektromagnetischer Energie zur Verwendung in Kommunikationssystemen zu schaffen, wobei ein einziges Antennenarray eingesetzt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, wobie die Erzeugung von mehreren Strahlungskeulen möglich wird, ohne daß mehrere Antennen auf einem einzigen oder mehreren Satelliten eingesetzt werden müssen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, wobei für eine Antenne mit mehreren Strahlungskeulen gesorgt wird, die die Verwendung eines Systems mit großer Apertur und Frequenzzuweisung ermöglicht, wobei das System die Wiederverwendung der Frequenzen erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen, wobei ein unabhängiges Verschwenken der Strahlungskeulen in der Abtastrichtung möglich wird.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden, ausführlichen Beschreibung der Erfindung erörtert und verdeutlicht.
In der beigefügten Zeichnung:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gebietes auf der Erde, die ein Paar von virtuellen UHF-Strahlungskeulen zeigt, die durch eine frequenzabgetastete Antenne geformt werden.
Fig. 2 ist ein Diagramm einer ebenen Arrayantenne, die die vorliegende Erfindung verwendet.
Fig. 3 ist eine kombinierte Blockdiagramm- und Schemadarstellung eines sendenden, ebenen Arrays, das in der frequenzabgetasteten Antenne aus Fig 1 verwendet wird.
Fig. 4 ist eine kombinierte Blockdiagramm- und Schemadarstellung eines empfangenden, ebenen Arrays, das zur Verwendung in der frequenzabgetasteten Antenne aus Fig. 1 vorgesehen ist.
Fig. 5 ist eine schematische Vorderansicht eines Satelliten, der die erfindungsgemäße Antenne für mehrere frequenzadressierte Strahlungskeulen verwendet, wobei die Antenne in ihrer entfalteten Stellung gezeigt ist und Teile des Gehäuses des Satelliten aus Gründen der Klarheit weggebrochen sind.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Gebietes auf der Erde und zeigt dessen Bedeckung durch acht frequenzabgetastete Strahlungskeulen, die in Übereinstimmung mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung geformt werden.
Fig. 7 ist eine Darstellung ähnlich wie Fig. 6, zeigt jedoch fünf verschwenkte UHF-Strahlungskeulen.
Fig. 8 ist eine kombinierte Blockdiagramm- und Schemadarstellung eines sendenden Leistungsarrays mit vertikaler Steuerung, das Teil der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 9A und 9B bilden zusammen eine kombinierte Blockdiagramm- und Schemadarstellung eines Antennenarrays und eines Paares von Formern für frequenzabgetastete Strahlungskeulen, um ein Paar der in Figur 6 gezeigten Strahlungskeulen zu formen.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Bevor das erfindungsgemäße System mit mehreren frequenzabgetasteten Strahlungskeulen beschrieben wird, soll das Konzept einer einzelnen frequenzabgetasteten oder elektronisch abgetasteten Strahlungskeule diskutiert werden, wobei in diesem Zusammenhang zuerst auf Figur 1 Bezug genommen wird. Ein Gebiet auf der Erde, das die Vereinigten Staaten von Amerika 22 sowie Kanada 24 umfaßt, soll mittels einer frequenzabgetasteten Strahlungskeule von elektromagnetischer Energie in Kommunikationsverbindung zu einem Satelliten oberhalb der Erde versetzt werden. Die frequenzabgetastete Antenne auf dem Satelliten (nicht gezeigt) bildet eine Vielzahl von virtuellen Strahlungskeulen, die das gewünschte Gebiet bedecken, wobei zwei der derartigen Strahlungskeulen mit 20 bzw. 26 bezeichnet sind. Die virtuelle Strahlungskeule 20 hat in ihrer Mitte die höchste Dichte von westlichen Anwendern, während die östliche Strahlungskeule 26 in ihrer Mitte gleichfalls eine relativ hohe Konzentration von östlichen Anwendern aufweist. Die äußere, kreisförmige Peripherie der Strahlungskeulen 20, 26 ist so gezeigt, daß sie einen Gewinn aufweist, der relativ zu ihrer Mitte um 3 dB tiefer liegt. Wie es oben bereits erwähnt wurde, ist die Antenne so ausgelegt, daß die Strahlungskeule als Funktion der Frequenz verschwenkt wird. An dem oberen Ende des dem vorgeschlagenen Dienst zuzuordnenden Frequenzbandes, z.B. bei 870 MHz, wird die Strahlungskeule an der Westküste gebildet, während an dem unteren Ende des Bandes, z.B. bei 866 MHz, die Strahlungskeule an der Ostküste gebildet wird. Frequenzen zwischen den Frequenzen, die den Strahlungskeulen 20, 26 für die West- und Ostküste zugeordnet sind, werden an verschiedenen Stellen zwischen den beiden Küsten gebildet. Unter Verwendung dieser virtuellen Strahlungskeulentechnik sind sowohl die Anwender an der Ostküste als auch die Anwender an der Westküste nahe bei der Mitte einer Strahlungskeule und empfangen nahezu den maximalen Gewinn der Strahlungskeule. Diese Anwender empfangen zwei oder drei dB mehr Leistung als sie es von einem vergleichbaren Satelliten empfangen würden, der feste, spotartige Strahlungskeulen verwendet. Wenn eine derartige frequenzabgetastete Strahlungskeule fehlen würde, wäre es notwendig, zwei feste, spotartige Strahlungskeulen einzusetzen, die sich nahe der Mitte der nordamerikanischen Region schneiden. Die Positionierung dieser beiden festen Strahlungskeulen ist so, daß die gewünschten Regionen der Strahlungskeulenkante der Antenne, wo der Gewinn 3 dB unterhalb dem der Mitte der Strahlungskeule ist, gerade bedeckt werden. Es ergibt sich, daß die Anwender im Osten und Westen nahe der Kante einer dieser Strahlungskeulen wären, so daß die EIRP, die sie empfangen würden, nahezu 3 dB unterhalb von dem in der Mitte der Strahlungskeule sein würde.
Wie es im Detail weiter unten noch diskutiert wird, kann die frequenzabgetastete virtuelle Strahlungskeule so ausgelegt sein, daß sie die Kommunikationskanäle ungleichmäßig über dem Land verteilt, um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden. Diese geographische Verteilung kann erreicht werden, ohne daß Kompromisse bei den optimalen Positionen der virtuellen Strahlungskeule eingegangen werden müssen.
Die Technik der frequenzabgetasteten virtuellen Strahlungskeule kann sowohl für Dienste im L-Band als auch für UHF verwendet werden. Die Strahlungskeulenmuster müssen nicht kreisförmig sein, sie können stattdessen so konfiguriert werden, daß sie zum Beispiel fächerartig sind, so daß die Strahlungskeule in Ost-West-Richtung schmaler ist als in Nord-Süd-Richtung.
Die oben beschriebene, frequenzabgetastete Antenne sorgt für einen höheren Antennengewinn als normal, wobei die Kommunikationsmöglichkeit zu kleinen Anschlußstellen verbessert wird. Die Antennenstrahlungskeule von dem Satelliten ist von Ost nach West steuerbar. Wenn viele Anwender gleichzeitig bedient werden müssen, wird die Antennenausrichtung für jeden Anwender optimiert, wie es oben beschrieben wurde, was eine Verbesserung im Gewinn um 3 dB über spotartigen Strahlungskeulen ermöglicht. Die geeignete Frequenz zu jedem Anwender wird auf Anforderungsbasis zugeordnet.
Unter Bezugnahme auf Figur 2 wird die oben diskutierte Frequenzabtastung dann in einer ebenen Arrayantenne erzeugt, die ein Array von Primärstrahlern 30 umfaßt, wenn eine progressive Zeitverzögerung in das Array so eingefügt wird, daß die Anregungsphasendifferenz zwischen benachbarten Elementen 30 proportional zu der Frequenz ist. Die Zeitverzögerung wird auf günstigste Weise synthetisiert, indem Allpass-Netzwerke mit stationären Parametern verwendet werden, wobei gut bekannte Konstruktionstechniken eingesetzt werden, wobei die Netzwerke vor den Leistungsendverstärkern eingefügt werden, um Verluste zu minimieren.
Figur 3 zeigt ein 4 x 4 Array von Primärstrahlern 30, wobei die Elemente 30 in N Spalten und M Reihen angeordnet sind. In diesem Beispiel wird angenommen, daß alle vier Elemente in jeder Spalte von Elementen in gleicher Phase sind, und daß die Phasenprogression für die Abtastung zwischen den Spalten eingefügt wird. Im Wege eines Beispieles kann im Falle eines mobilen UHF-Satellitendienstes das zugeordnete Frequenzband für die Abwärtsverbindung von 866 bis 870 MHz reichen und für die Aufwärtsverbindung bei 821 MHz liegen. Jede Bandbreite von 4 MHz ist in ungefähr 8 zuzuordnende Schlitze für kompandierte Einseitenband-Sprachübertragung unterteilt. Unter Verwendung der oben diskutierten frequenzabtastenden Technik sind diese 800 zuzuordnenden Kanäle innerhalb 0,10 Grad von der optimalen zuordnung verfügbar. Folglich ist die Reduktion vom Spitzengewinn ebenso viel wie 0,01 dB, im Gegensatz zu früheren Entwürfen, die feste Strahlungskeulen verwendeten, wo der Strahlungskeulenkantenverlust und der Gewinn relativ zum Spitzengewinn ungefähr 0,3 dB betrug.
In Figur 3 werden die Strahlungskeulensignale durch ein strahlungskeulenformendes Netzwerk erzeugt und einem Treiberverstärker 34 über einen Eingang 33 zu diesem zugeführt. Die Strahlungskeulensignale werden durch den Treiberverstärker 34 verstärkt und die verstärkten Signale werden vier Verzögerungsvorrichtungen 36 zugeführt, die jeweils operativ den Spalten von Antennenelementen 30 zugeordnet sind. Die Verzögerungsvorrichtungen 36 fügen progressive Verzögerungen in die Signale ein, wobei die verzögerten Signale dann durch entsprechend zugeordnete Verstärker 38 verstärkt werden, bevor sie den Spalten von Antennenelementen 30 zugeführt werden. Der Treiberverstärker 34, die Verzögerungsvorrichtungen 36 und die Leistungsverstärker 38 bilden zusammen den Sender 32.
Figur 4 zeigt ein empfangendes, ebenes Array, das zur Verwendung mit dem oben beschriebenen, frequenzabgetasteten System geeignet ist. Die Antenne 40 umfaßt ein 4 x 4 Array von Antennenelementen 30, die einen Empfänger 42 speisen. Jede Spalte von Antennenelementen 30 gibt Signale zu einem Vorverstärker 44 aus, wobei die vorverstärkten Signale dann zu Verzögerungsschaltungen 46 geführt werden, die progressive Verzögerungen in die empfangenen Signale einfügen, wie es zuvor unter Bezugnahme auf Figur 2 diskutiert wurde. Das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltungen 46 wird in einen Empfänger 48 eingegeben, der an einem Ausgang 47 Strahlungskeulensignale ausgibt. Es ist folglich zu erkennen, daß die oben beschriebene Antenne mit verschwenkenden Strahlungskeulen so konfiguriert ist, daß sowohl die Sendestrahlungskeule als auch die Empfangsstrahlungskeule verschwenkt wird.
Nunmehr wird auf Figur 5 Bezug genommen, die einen typischen Kommunikationssatelliten 50 zeigt, bei dem das Verfahren sowie die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Satellit 50 weist einen allgemein zylindrischen äußeren Körper 52 auf, dessen eines Ende sich in den Raum öffnet, um das System aus Antenne und Reflektor freizugeben. Die Antennenkonfiguration beinhaltet ein Paar von Antennenversorgungen 60, 62, um Signale in dem L-Band bzw. im UHF-Bereich bereitzustellen. Die Versorgungen 60, 62 können vom ebenen Array-Typ sein, wie es oben diskutiert wurde. Da eine direkt abstrahlende Apertur eine ungeeigneterweise große Zahl von einzelnen Elementen erfordern kann, wird ein Paar von konfokalen Parabolantennen eingesetzt, zu denen ein kleiner Parabolreflektor 58 und ein großer Parabolreflektor 54 zählen, um die sich ergebenden Abmaße des kleineren Arrays 60 zu verstärken. Solch eine Konfiguration ist in der Funktionsweise und Wirkung gut bekannt, so daß deren Details hier nicht beschrieben werden müssen. Sowohl das L-Band- als auch das UHF- Subsystem verwenden dieselbe Apertur und dieselbe frequenzabtastende Technik. Das größere Antennenspeisearray 62 leuchtet einen Reflektor 64 aus, der die Signale durch einen frequenzselektiven Schirm 56 auf den großen Reflektor 54 abbildet. Der frequenzselektive Schirm 56 reflektiert wegen seiner dichroitischen Eigenschaften die L-Band-Signale und wirkt so als Reflektor, läßt jedoch die UHF-Signale hindurchgelangen. Alle Speisenetzwerke und konfokalen Reflektoren sind starr an die Nutzlastsektoren angefügt, obwohl die dafür erforderliche Montagestruktur aus Gründen der übersichtlichkeit in Figur 5 nicht gezeigt ist; Nur der Hauptreflektor 54 und der frequenzselektive Schirm 56 müssen sich aus einer verpackten Position während des Startes des Raumfahrzeuges in ihre einsatzbereite Position im Orbit entfalten.
Unter Bezugnahme auf Figur 6 werden acht frequenzabgetastete Strahlungskeulen 66-80 erzeugt, wobei jede Strahlungskeule eine Zahl von Unterbändern beinhaltet. Diese acht frequenzabgetasteten Strahlungskeulen 66-80 bedecken die Vereinigten Staaten von Amerika und Kanada. Die Strahlungskeulen sind bezüglich der Frequenz geordnet, so daß ein gegebener Satz von Frequenzen ohne überlappung der Strahlungskeulen derselben oder nahe bei derselben Frequenz wiederverwendet wird, was ansonsten zu Interferenzen führen würde. Die Strahlungskeule 66 verwendet zum Beispiel das tiefste Frequenzunterband (1) für Florida und das höchste Unterband (7) in Südkalifornien. Die mittleren Frequenzen, d.h. die Bänder (3) und (4) werden verwendet, um Texas zu bedecken. Die Strahlungskeulen 80 und 72, die in Reihe 2 der Abtastung vorhanden sind, verwenden das Subband (3) für die US-Ostküste und das Subband (7) über Oklahoma. Die Subbänder (1) und (2) werden über Neu Mexiko und Kalifornien verwendet. Die Verwendung dieser Frequenzanordnung für die abtastenden Strahlungskeulen minimiert die Komplexität des Raumfahrzeuges. Jede der acht frequenzabgetasteten Strahlungskeulen 66-80 erfordert einen getrennten Transponder; es sind jedoch nur acht Lagen für das Speisenetzwerk erforderlich. Zu einem gewissen Maß können die Frequenzen in jeder Strahlungskeule geographisch gebündelt werden, um Forderungen des Marktes gerecht zu werden. In Texas können zum Beispiel Kanäle der Frequenzgruppe 2 verwendet werden, wenn die entsprechenden Frequenzen in den Reihen 3 und 5 um ein entsprechendes Maß westwärts bewegt werden. Jede Strahlungskeule ist ein unabhängiges System mit Zuordnung auf Anforderung. Bei dem frequenzabgetasteten System gibt es jedoch nur acht unabhängige Systeme.
Das UHF-System kann ebenfalls mit verschwenkenden Strahlungskeulen angeordnet werden, damit die Frequenz einmal wieder verwendet werden kann, wie es in Figur 7 gezeigt ist. Nur fünf Strahlungskeulen 82-90, die in drei Reihen angeordnet sind, sind erforderlich, um die USA und Kanada zu bedecken. Die Strahlungskeulen 82 und 88 können gestreckt werden, falls es notwendig ist, um weiter entfernte östliche Bereiche von Florida und Kanada zu bedecken.
Nunmehr wird auf Figur 8 Bezug genomeen, die ein ebenes Sendesystem zur Erzeugung der vertikalen Steuerung zeigt, die erforderlich ist, um die abtastenden Strahlungskeulen vertikal auszurichten und die Bedeckung und gezeigte horizontale Abtastung zu erreichen, die zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 diskutiert wurde. Phasenschieber 92, 94 und 96 sind jeweils zwischen den Sender 32 und darauffolgende von den Antennenelementen 30 in jeder der Spalten eingefügt, so daß bestimmte der Strahlungkeulensignale durch Phasenschieber gelangen, bevor sie den Arrayelementen 30 zugeführt werden. Die Phasenschieber 92, 94, 96 sind selbstverständlich übliche Vorrichtungen und führen dazu, daß das Eingangssignal zu jedem der Arrayelemente 30 um ein Maß verschoben wird, das erforderlich ist, um für eine feste Abtastung in der vertikalen Richtung, d.h. orthogonal, zu dem Abtastungspfad zu sorgen. Die Phasenschieber 92, 96 sorgen für eine konstante Phasenverschiebung über dem Frequenzband, so daß die Strahlungskeule fest in vertikaler Richtung ist, aber in der Frequenz in horizontaler Richtung verschwenkt.
Figur 9 zeigt den Sender und das strahlungskeulenformende Netzwerk zur Formung von zwei gleichzeitigen, frequenzabgetasteten Strahlungskeulen. Es ist zu verstehen, daß die in Figur 9 gezeigte Konfiguration gleichfalls zur Verwendung als Empfänger auf dieselbe Weise geeignet ist, wie die sendenden und empfangenen Arrays unter Bezugnahme auf die Figuren 3 bzw. 4 beschrieben wurden. Darüber hinaus ist zu verstehen, daß obwohl das in Figur 9 gezeigte Netzwerk nur zur Bildung von zwei gleichzeitigen, frequenzabgetasteten Strahlungskeulen geeignet ist, das erfindungsgemäße Konzept, das hier beschrieben wird, gleichfalls auf Netzwerke zur Bildung von mehr als zwei derartigen Strahlungskeulen anwendbar ist. Antennenstrahlungskeulensignale werden jeweils über entsprechende Eingänge 100 und 102 in die Strahlungskeulenformer 104 und 105 eingegeben. Diese Strahlungskeulen-Eingangssignale werden jeweils Treiberverstärkern 34 der beiden Strahlungskeulenformer 104, 106 zugeführt, wobei die sich ergebenden, verstärkten Signale einer Bank von Verzögerungselementen 36 in jedem Strahlungskeulenformer 104, 106 zugeführt werden. Die Verzögerungselemente in jedem Strahlungskeulenformer 104, 106 sind jeweils betrieblich den Arrayelementen 30 in jeder Spalte des Arrays zugeordnet. Die Ausgangssignale der Verzögerungselemente 36 von beiden Strahlungskeulenformern 104, 106 werden für eine gegebene Spalte der Arrayelemente 30 einem Summierer 98 zugeführt, der die verzögerten Signale von den beiden Strahlungskeulenformern kombiniert. Die kombinierten Signale werden einem Leistungsverstärker 38 und dann dem Arrayelement 30 zugeführt. Wie im Falle des Ausführungsbeispieles der Figur 8 werden Phasenschieber 92, 94, 96 zwischen den Verzögerungselementen und den Summierern in bestimmten Reihen davon verwendet, um für die gewünschte, vertikale Ausrichtung der Strahlungskeule zu sorgen.
Es ist folglich zu erkennen, daß jedes Arrayelement 30 einen eigenen Sender aufweist, der ihm zugeordnet ist, um Verluste bei höheren Leistungspegeln zu minimieren. Die Phasenschieber 92, 94, 96 sorgen für eine feste vertikale Ausrichtung für jede der beiden so erzeugten abtastenden Strahlungskeulen. Unter Bezugnahme auf Figur 6 kann zum Beispiel der Strahlungskeulenformer 104 verwendet werden, um die abtastende Strahlungskeule 66 in Reihe 1 zu erzeugen, während der Strahlungskeulenformer 106 verwendet werden kann, um die abtastende Strahlungskeule 68 in Reihe 3 zu erzeugen.
Aus dem vorstehenden kann entnommen werden, daß das oben beschriebene Verfahren sowie die oben beschriebene Vorrichtung nicht nur für die zuverlässige Lösung der Aufgaben der Erfindung sorgen, sondern dies auf eine relativ einfache und ökonomische Weise bewirken.

Claims

1. Vorrichtung zum Formen von frequenzabgetasteten Strahlungskeulen (66-80) elektromagnetischer Strahlung, mit einem Eingang (33), Verzögerungsmitteln (36) und einem Array von Antennenelementen (30), mit:

- wenigstens zwei Eingängen (100, 102), die jeweils eine entsprechende Vielzahl von Strahlungskeulensignalen empfangen;

- wenigstens zwei Verzögerungsmitteln (104, 106), die jeweils an die Eingänge (100, 102) gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale als Funktion der Frequenz so zu verzögern, daß die Strahlungskeulen (66-80) jeweils über einen Zielbereich (22, 24) verschwenken; und

- Mitteln (18), die zwischen die Antennenelemente (30) und die Verzögerungsmittel (104, 106) gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale von den Verzögerungsmitteln (104, 106) derart zu kombinieren, daß jedes der Antennenelemente (30) Strahlungskeulensignale aus der Vielzahl von Strahlungskeulensignalen empfängt,

gekennzeichnet durch Phasenschiebermittel (92-96), die zwischen die Verzögerungsmittel (36) und wenigstens bestimmte von den Kombinierermitteln gekoppelt sind, um die Phase von wenigstens bestimmten der Strahlungskeulensignale zu verschieben, um die Mitten der Strahlungskeulen (66-80) zueinander in einer Richtung orthogonal zu der Richtung, in der die Strahlungskeulen (66-80) verschwenkt werden, zu beabstanden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebermittel (92-96) entsprechende Sätze von Phasenschieberelementen umfassen, die jeweils mit den Verzögerungsmitteln (36) gekoppelt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Antennenelemente (30) in einem Array von N Spalten und M Reihen angeordnet sind, und

- die Verzögerungsmittel (36) jeweils N Verzögerungselemente unfassen, die jeweils den N Spalten von Antennenelementen (30) operativ zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinierermittel eine Vielzahl von Summierern (98) umfassen, die jeweils den Antennenelementen zugeordnet sind, wobei jeder der Summierer (98) Eingänge umfaßt, die jeweils mit Verzögerungselementen in den Verzögerungsmitteln (36) gekoppelt sind, wobei jeder der Summierer (98) derart wirkt, daß er verzögerte Strahlungskeulensignale in der Anzahl von Strahlungskeulensignalen kombiniert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Formen von Vielzahlen von Antennenkeulen (66-80), die jeweils längs einer ersten und einer zweiten Achse liegen, wobei die beiden Achsen im wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Positionen der Strahlungskeulen (66-80) in jeder Vielzahl von Strahlungskeulen eine Funktion der Frequenz der Strahlungskeulensignale sind, wobei die Vorrichtung den Eingang (33), die Verzögerungsmittel (36) sowie ein orthogonales Array von Antennenelementen (30) umfaßt, die in N Reihen und M Spalten angeordnet sind, gekennzeichnet durch:

- erste Mittel (100), um einen ersten Satz von Strahlungskeulensignalen zu empfangen, die jeweils einer ersten Vielzahl von Antennenkeulen (66-80) zugeordnet sind;

- zweite Mittel (102), um einen zweiten Satz von Strahlungskeulensignalen zu empfangen, die jeweils einer zweiten Vielzahl von Antennenkeulen (66-80) zugeordnet sind;

- erste Verzögerungsmittel (36), die mit den ersten Empfangsmitteln (100) gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale in dem ersten Satz von Strahlungskeulensignalen, die den Spalten von Antennenelementen (30) zugeführt werden, progressiv zu verzögern, so daß die Differenz in der Anregungsphase zwischen benachbarten Elementen (30) in jeder der Reihen eine Funktion der Frequenz ist;

- zweite Verzögerungsmittel (36), die mit den zweiten Empfangsmitteln gekoppelt sind, um die Strahlungskeulensignale in dem zweiten Satz von Strahlungskeulensignalen, die den Spalten von Antennenelementen (30) zugeführt werden, progressiv zu verzögern, so daß die Differenz in der Anregungsphase zwischen benachbarten Elementen (30) in jeder der Reihen eine Funktion der Frequenz ist; und

- Mittel, die zwischen die Antennenelemente (30) und die ersten sowie zweiten Verzögerungsmittel (36) gekoppelt sind, um die progressiv verzögerten Strahlungskeulensignale derart zu kombinieren, daß jedes der Antennenelemente (30) durch progressiv verzögerte Strahlungskeulensignale in dem ersten und zweiten Satz von Strahlungskeulensignalen angeregt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ersten und zweiten Verzögerungsmittel (36) eine Vielzahl von Verzögerungselementen umfaßt, die jeweils den N Spalten von Antenne nelementen (30) zugeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Verzögerungselemente (36) einen Eingang aufweist, um Strahlungskeulensignale zu empfangen, sowie einen Ausgang umfaßt, um verzögerte Strahlungskeulensignale zu liefern.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinierermittel eine Vielzahl von Summierern (98) umfassen, die jeweils den Antennenelementen (30) zugeordnet sind, wobei jeder der Summierer (98) ein Paar von Eingängen aufweist, um verzögerte Strahlungskeulensignale in dem ersten bzw. zweiten Satz von Strahlungskeulensignalen zu empfangen, sowie einen Ausgang aufweist, der mit einem zugeordneten der Antennenelemente (30) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch erste und zweite Phasenschiebermittel (92-96), um die Phasen der Strahlungskeulensignale jeweils auf eine Weise zu verschieben, daß die erste und zweite Vielzahl von Strahlungskeulen (66-80) ausgerichtet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Phasenschiebermittel (92-96) jeweils zwischen die ersten und zweiten verzögerungsmittel (36) sowie die Kombinierermittel gekoppelt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Phasenschiebermittel (92-96) eine erste sowie zweite Vielzahl von Phasenschiebern umfassen, um jeweils die den Antennenelementen (30) zugeführten Strahlungskeulensignale auf eine Weise zu verschieben, daß die ersten und zweiten Achsen zueinander beabstandet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Phasenschiebern, die zwischen die Summierer (98) und die Verzögerungselemente (36) gekoppelt sind und derart wirken, daß sie die erste und zweite Vielzahl von Strahlungskeulen derart ausrichten, daß die erste sowie die zweite Achse zueinander beabstandet sind.

13. Verfahren zum Formen von Strahlungskeulen (66-80) elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlungskeulen über wenigstens zwei Gebiete (22, 24) als Funktion der Frequenz verschwenkt werden, mit den Schritten:

(A) Es werden wenigstens zwei Sätze von Strahlungskeulensignalen erzeugt;

(B) es werden Zeitverzögerungen als Funktion der Frequenz in die Strahlungskeulensignale eingefügt, um entsprechende Sätze von zeitverzögerten Signalen zu erzeugen, wobei die Sätze jeweils den Gebieten zugeordnet sind;

(C) die Sätze von verzögerten Strahlungskeulensignalen werden kombiniert; und

(D) die verzögerten Strahlungskeulensignale, die in Schritt (C) kombiniert wurden, werden einem Array von Antennenelementen (30) zugeführt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (D) den Schritt umfaßt, daß Phasenverschiebungen in wenigstens bestimmte der Strahlungskeulensignale eingefügt werden, die Antennenelementen zugeführt werden, die in einer Spalte von Antennenelementen angeordnet sind und einen Teil eines N x M-Array von Antennenelementen (30) bilden, um die Strahlungskeulen relativ in einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Abtastung zu positionieren.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (D) durchgeführt wird, indem Sätze von verzögerten Signalen, die in Schritt (C) kombiniert wurden, jeweils zu jedem der Antennenelemente (30) in einer Vielzahl von Spalten der Antennenelemente (30) geliefert werden.