DE69517422T2

DE69517422T2 - Breitphasengesteuerte gruppenantenne fur kommunikations-satellit

Info

Publication number: DE69517422T2
Application number: DE69517422T
Authority: DE
Inventors: W. Dent
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2015-04-08
Also published as: WO1995028016A1; EP0754355A1; US5619210A; CA2187280A1; JPH10503064A; DE69517422D1; AU2280395A; EP0754355B1; FI964017A0; FI964017A; CN1191637A; AU690981B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kommunikationssatelliten mit einer phasengesteuerten Gruppenantenne (phased array) und insbesondere einen Kommunikationssatelliten mit einer verteilten Multiplexierung und Demultiplexierung, um so den Verkabelungsaufwand zu minimieren, der zwischen aussetzbaren phasengesteuerten Gruppenantennenfeldern und der Zentralverarbeitungsvorrichtung benötigt wird.

Hintergrund der Offenbarung

Ein Zellularkommunikationssystem kann eine Anzahl von sich umherbewegenden (roaming) in einem Automobil angebrachten oder handgehaltenen Telefongeräten umfassen, die entweder von festen bodengestützten Stationen oder von umlaufenden Satelliten oder durch eine Kombination von beiden bedient werden. Die Kapazität von derartigen Systemen zum Bedienen einer grossen Anzahl von Teilnehmern hängt davon ab, wie viel von dem Funkspektrum dem Dienst zugeordnet ist und wie effizient das Funkspektrum verwendet wird. Eine Effizienz einer spektralen Verwendung wird in Einheiten von gleichzeitigen Konversationen (Erlangs) pro Megahertz pro Quadratkilometer gemessen. Im allgemeinen kann die Spektraleffizienz weitaus mehr verbessert werden, indem Vorgehensweisen zur Wiederverwendung der verfügbaren Bandbreite mehrere Male gefunden werden, anstelle dass mehr Konversationen in die gleiche Bandbreite gepackt werden, da eine Einengung der Bandbreite allgemein zu der Notwendigkeit einer Erhöhung der räumlichen Trennung zwischen Konversationen führt, wodurch somit die Verstärkung in der Kapazität negiert wird. Deshalb ist es allgemein besser, die für jede Konversation verwendete Bandbreite zu erhöhen, so dass eine engere Frequenzwiederverwendung möglich ist.
Ein Verfahren zum Erhöhen der Kapazität besteht darin, einen Kommunikationssatelliten mit einer phasengesteuerten Gruppenantenne zur Weitergabe von Signalen von Bodenstationen an eine Vielzahl von Mobilstationen zu verwenden. Ein vom Boden gesteuertes umlaufendes System mit einer phasengesteuerten Gruppenantenne ist in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/179,953 und in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/179,947 offenbart.
In phasengesteuerten Gruppenantenne übertragen Zuführerverbindungen (feeder links) Signale an eine und von einer Satellitenrelaisstation. Jedoch ist die Bandbreite der Zuführerverbindungen begrenzt. Die U.S. Patentanmeldung Nr. 08/225,399 mit dem Titel "Multiple Beamwidth Phased Array" offenbart eine Verfahren zum effizienten Verwenden der begrenzten Bandbreite zur Zuführung von zusammengesetzten Elementsignalen von der Bodenstation an den Transponder des Satelliten mit der phasengesteuerten Gruppenantenne unter Verwendung der Zuführerverbindungen.
Der Stand der Technik offenbart nicht die Verwendung von kohärenten Zeit-multiplexierten Zuführerverbindungen mit einer verteilten Demultiplexierung zum Verringern der Verkabelung zu einer aussetzbaren phasengesteuerten Gruppenantenne. Einige herkömmliche Systeme weisen getrennte Koaxialkabel oder Wellenleiter auf, die jedes Element der Antenne mit einem zentral angeordneten Transponder verbinden. Diese Anordnung war für herkömmliche Systeme angemessen, bei denen die Anzahl von Antennenelementen oder Strahlen, die erzeugt werden sollen, klein war, z. B. 6, 19 oder 37, wird aber für die Anzahl von Elementen oder Strahlen, die in der vorliegenden Erfindung ins Auge gefasst werden, unpraktisch. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Vielzahl von Zuführerkabeln, wobei das Gewicht des Systems beträchtlich verringert wird.

Zusammenfassung der Offenbarung

Die vorliegende Erfindung umfasst eine verteilte Multiplexierung und Demultiplexierung, um den Verkabelungsaufwand zwischen den aussetzbaren phasengesteuerten Gruppenantennen und der Zentralvorrichtung zu minimieren.
Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Satellitenrelaisstation zum Kommunizieren zwischen wenigstens einer ersten Station und einer Vielzahl von zweiten Stationen offenbart. Die Satellitenrelaisstation umfasst eine erste Anzahl von aktiven Antennenplatten, die um den Satelliten in der Abschusskonfiguration zum Bilden eines zylinders herumgefaltet sind und die, sobald sie im Weltraum sind, heruntergefaltet werden, um ein koplanares Feld zu bilden. Die aktiven Antennenplatten umfassen wenigstens eine Zeit-mutilplexierte Signalverteilungseinrichtung zum Verteilen von Signalen an eine zweite Anzahl von aktiven Antennenelementen. Die zweite Anzahl von aktiven Antennenelementen umfassen jeweils wenigstens ein Abetrahlelement, das mit einem Sendeleistungsverstärker verbunden ist, eine Modulatorschaltung mit einem Eingang zum Modulieren von Wellenformen, und eine Abtasthalteschaltung zum Abtasten von Signalen auf der Signalverteilungsleitung und zum Filtern des abgetasteten Signals zum Bilden der Modulationswellenformen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich einem Durchschnittsfachmann näher aus der folgenden geschriebenen Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine Konstruktion eines Satelliten gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein aktives Antennenelement zum Senden und Empfangen unter Verwendung eines Frequenzduplex gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine kohärente Zeitmultiplex-Zuführerverbindung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine erste Stufe eines Empfangsdemultiplexers gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine zweite Stufe eines Empfangsdemultiplexers gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Quadraturmodulation;
Fig. 7 Empfangsverarbeitungselemente gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 Empfangsverarbeitungselemente gemäss einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 Empfangsverarbeitungs- und K-Band- Sendemultiplexierungselemente gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Offenbarung

Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung eines Satelliten gemäss der vorliegenden Erfindung. Fig. 1a zeigt den Satelliten mit einer Vielzahl von Antennenfeldplatten 30 und Solarzellen 20, die in einer Abschusskonfiguration gefaltet sind, um eine mehr oder weniger zylindrische Form zu bilden, die mehr geeignet ist, um unter einer Abschussfahrzeugverkleidung zum Abschuss aufgenommen zu werden. Der Satellit kann auch andere gewöhnliche Untersysteme wie beispielsweise einen Apogäum- Boost-Motor 50 und andere Untersysteme, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind, beispielweise Batterien und ein Leistungkonditionierungssystem, ein Reaktionsrad- Fluglagensteuersystem mit Fluglagensensoren, ein magnetisches Drehmomentsystem zum periodischen Dämpfen eines Radmoments, ein Wärmerohr-Thermosteuersystem, eine Telemetrie, Verfolgungs- und Steuersysteme, und die zugehörige Kommunikations-Nutzlastelektronik, die in dem technischen Gebiet altbekannt sind, umfassen.
Fig. 1b zeigt den Satelliten in seiner gewöhnlichen Konfiguration, nachdem die Antennenfelder und Solarfelder im Orbit ausgesetzt oder ausgeschwenkt worden sind. Die K-Band Zuführerverbindungs-Antennen 40 sind so angeordnet, dass sie auf die Erde gerichtet sind, während der vorgesehene Apogäum- Boost-Motor von der Erde wegweist. Jedes Antennenfeld umfasst eine grosse Anzahl von Antennenelementen mit zugehörigen aktiven Modulen mit phasengesteuerten Gruppenantennen, die aktive Elemente bilden. Die aktiven Elemente können Nur- Sendeelemente, Nur-Empfangselemente oder Sende/Empfangs- Elemente unter Verwendung entweder einer Zeit-Duplexierung oder einer Frequenzduplexierung sein. Im letzteren Fall ermöglichen Duplexierungsfilter gleichzeitig eine Übertragung und einen Empfang.
Fig. 2 zeigt eine Frequenz-Duplexierungskonfiguration gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Patch- Antenne 100 ist über einer leitenden Masseebene 101 positioniert, um ein Feldelement zu bilden. Die Masseebene 101 kann z. B. eine gedruckte Schaltungsplatine mit auf der Rückseite angebrachten Komponenten sein. Die Patch-Antenne 100 wird an zwei Punkten, die um 90º von der Mitte versetzt sind, um kreuzlineare Polarisationen zu bilden, gespeist. Die kreuzlineare Polarisationen werden in eine RHC und LHC Zirkularpolarisation durch Verwendung eines 90-Grad, 3dB Kopplers 102 umgewandelt. Eine Polarisation wird durch Verbinden eines Sendeleistungsverstärkers 106 über einen Filter 105 mit einem Eingang des Kopplers 102 zum Senden verwendet und der andere Koppleranschluss wird durch Verbinden des Anschlusses über einen Filter 103 mit einem Verstärker mit niedrigem Rauschen 104 zum Empfangen verwendet. Die Verwendung der entgegengesetzten Polarisation zum Senden und Empfangen ergibt vielleicht eine 20 dB Isolation zwischen dem Leistungsverstärker 105, der bei 1 Watt rms senden kann, und dem Verstärker 104 mit niedrigem Rauschen, der bei 10&supmin;¹&sup6; Watt empfangen kann. Aufgrund dieser grossen Abweichung in den Leistungspegeln wird mehr Isolation als die 20dB Isolation benötigt, die der Koppler bereitstellt. Das Filter 105 stellt eine Abblockung für potentiell interferierende Komponenten und Breitbandrauschen auf der Empfangsfrequenz, die von dem Leistungsverstärker 106 verstärkt wird, bereit. Jedoch lässt das Filter 105 die gewünschten Sendefrequenzen an das Filter 103 durch, das eine Abblockung für eine Restsendefrequenz darstellt, die den Verstärker 104 mit niedrigem Rauschen erreicht und die stark genug sein könnte, um ihn zu sättigen, während die gewünschten Empfangsfrequenzen durchgelassen werden. Mit einem ausreichenden Sende/Empfangsfrequenzabstand (Duplex-Abstand), können derartige Filter sowie der Koppler 102 kostengünstig auf eine gedruckte Schaltungsplatine 101 gedruckt werden, auf der auch der Leistungsverstärker 106 und die Verstärkerelemente 104 mit niedrigem Rauschen angebracht sind. In einigen Fällen kann jede Patch-Antenne 100 nicht immer ihren zugehörigen Leistungsverstärker und einen Verstärker mit niedrigem Rauschen aufweisen. Die Signalverbindugnen einer Anzahl von Patch-Antennen können zunächst zusammengefasst werden, um ein "Unter-Feld" zu bilden, bevor sie mit einem Feld-Verstärker und einem Verstärker mit niedrigem Rauschen für dieses Unter-Feld verbunden werden.
Das Ziel beim Entwerfen eines derartigen Unter-Felds besteht darin, dass das zusammengesetzte Abstrahldiagramm, das durch Koppeln seiner individuellen Elemente gebildet wird, den gesamten Bereich abdecken sollte, über dem Kommunikationen bereitgestellt werden sollen. Wenn das Abstrahldiagramm zu breit ist, dann wird die Anzahl von Unter-Feldern und demzufolge zugehörigen Leistungsverstärkern und Verstärkern mit niedrigem Rauschen unnötig hoch sein, und da jeder ein Signal von den Bodenstationen über die K-Band Zuführerverbindung empfangen muss, wird der Betrag der Zuführerverbindungs-Bandbreite, die verwendet wird, grösser als erforderlich sein. Wenn andererseits das Unter-Feld- Muster zu schmal ist, wird ein Verstärkungsverlust an den Flanken des Abdeckungsbereichs existieren. Der Abdeckungsbereich kann zum Beispiel als das Gebiet der Erde genommen werden, über das der Satellit sofort bei 20º über dem Horizont oder mehr sichtbar ist. Ein derartiger Verstärkungsverlust an dem Abdeckungsrand kann minimiert werden durch Ausbilden des Abstrahlmusters jedes Elements in solcher Weise, dass eine höhere Verstärkung an dem Abdeckungsrand gegeben wird, wo erd-gestützte Mobilstationen in einem grösseren Neigungsbereich sind, und weniger Verstärkung in der Mitte der Abdeckung gegeben wird, wo der Satellit direkt über Kopf ist und der Neigungsbereich zu den Mobilstationen minimal ist. Die Verstärkung an dem Abdeckungsrand kann auch verbessert werden, indem freiwillig Unter-Felder mit einer etwas breiteren Strahlbreite als die Erdabdeckung verwendet werden und mehr Unter-Felder zum Bilden der gewünschten Strahlen verwendet werden. Dies erfordert eine höhere K-Band Bandbreite und ein Faktor von 2 ist vorteilhaft, wenn verfügbar. Andere erfindungsgemässe Aspekte der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/179,947 können dann verwendet werden, beispielsweise die Verwendung von effizienten Leistungsverstärkern der Klasse C zum Senden von mehreren Signalen, mit einer Verteilung von unerwünschten Intermodulationskomponenten, die dadurch erzeugt werden, in Richtungen, die die Erde nicht schneiden.
Fig. 3 zeigt das Zeitmultiplexformat, das auf der K-Band Zuführerverbindung verwendet wird. Für die Satellitensenderichtung berechnet ein Bodenstations- Signalprozessor komplexe (I+jQ) Signalabtastwerte für jedes Sendefeldelement, die ein zusammengesetztes Signal darstellen, das die gewichteten Summen von Signalen umfasst, die für eine Vielzahl von Mobilstationen vorgesehen sind. Das zusammengesetzte Signal jedes Elements wird so berechnet, dass der kombinierte Effekt zum Senden von diesen von entsprechenden Satellitenfeldelementen derart sein wird, dass jedes Signal, das für jede Mobilstation vorgesehen ist, in einer gewünschten Richtung übertragen wird. Die Matrixmathematik-Operationen zum Erzeugen von diesen Signalen in einem digitalen Signalprozessor sind in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/179,953 offenbart.
Die Signalabtastwerte für jedes Element werden in ein zeitmultiplexiertes 'I' Signal 201, das die Realteile von sequentiellen Elementen darstellt, und in ein zeitmultiplexiertes 'Q' Signal 202, das die Imaginärteile von sukzessiven Elementen darstellt, zeitmultiplexiert. Bekannte Kalibrierungsabtastwerte 200 können in dem Multiplexformat enthalten sein, um eine Synchronisation und Frequenzkorrektur an dem Empfangsdemultiplexer zu unterstützen. Das Imultiplexierte Signal wird auf eine K-Band-Träger-Kosinus- Komponente moduliert, während das Q-multiplexierte Signal auf eine Sinus-Trägerwelle moduliert wird. Dies wird in einer bekannten Weise durch einen Quadraturmodulator ausgeführt. Diese Modulation kann, wenn dies gewünscht ist, zunächst. auf einen unteren Zwischenfrequenzträger aufgeprägt werden, der dann in das K-Band heraufgewandelt wird.
Fig. 4 zeigt den Empfangsdemultiplexer an dem Satelliten gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Signale werden von einer Bodenstation auf dem K-Band unter Verwendung der K-Band-Antenne 40 empfangen. Die empfangenen Signale werden unter Verwendung von bekannten Prinzipien eines Superheterodyn-Empfängers 41 verstärkt, gefiltert und heruntergewandelt und schliesslich unter Verwendung eines Quadraturdemodulators in das komplexe I, Q-Basisband umgewandelt, um I und Q multiplexierte Wellenformen zu ergeben. Diese Wellenformen werden von einem I-Demultiplexer 43 und einem Q-Demultiplexer 44 abgetastet, um Wellenform- Abtastwerte zu trennen, die für verschiedene Feldplatten beabsichtigt sind. Um dies zu erleichtern, sollte die Multiplexierung vorzugsweise folgendermassen sein:
Kalibrierungs-Abtastwert 0
Abtastwert für ein Element 0 der Platte 0
Abtastwert für ein Element 0 der Platte 1
Abtastwert für ein Element 0 der Platte 2
Abtastwert für ein Element 0 der Platte 3
Abtastwert für ein Element 0 der Platte 4
.............
Kalibrierungs-Abtastwert 1
Abtastwert für ein Element 1 der Platte 0
Abtastwert für ein Element 1 der Platte 1
Abtastwert für ein Element 1 der Platte 2
Abtastwert für ein Element 1 der Platte 3
Abtastwert für ein Element 1 der Platte 4
.............
etc.
Somit trennt der Demultiplexer einen Kalibrierungs-Abtastwert 0 auf einem ersten Ausgang; einen Abtastwert für ein Element 0 der Platte 0 auf einen zweiten Ausgang; einen Abtastwert für ein Element 0 einer Platte 1 auf einen dritten Ausgang usw. und kehrt dann zum getrennten Kalibrierungs-Abtastwert 1 auf dem ersten Ausgang wieder zurück; einen Abtastwert für ein Element 1 der Platte 0 auf dem zweiten Ausgang, usw. Somit wird von dem Ausgang 1 eine Folge von sukzessiven Kalibrierungs-Abtastwerten 0, 1, 2, .... 0, 1, 2.... erzeugt und an eine Synchronisations- und Frequenzkorrektur-Einheit 4, 5 gesendet, während von dem Ausgang 2 eine Folge von Abtastwerten von sukzessiven Elementen 0, 1, 2.... der Platte 0 erzeugt wird. Von dem Ausgang 3 wird eine Folge von Abtastwerten für sukzessiven Elemente 0, 1, 2.... der Platte 1 erzeugt usw.
Die Synchronisations- und Frequenzkorrektur-Einheit 45 ist programmiert, um die a-prior-bekannte Sequenz von Kalibrierungs-Abtastwerten zu erwarten, und steuert die Zeitsteuerung des Taktgenerators 42, um die Demultiplexer 43 und 44 zu synchronisieren, bis die erwartete Folge von Kalibrierungs-Abtastwerten empfangen wird. Als ein Beispiel sei angenommen, dass der Satellit 31 ausfahrbare phasengesteuerte Gruppenantennenplatten umfasst und dass ein Kalibrierungs-Abtastwert vorhanden ist, der in einem gesamten Multiplexzyklus von 32 verteilt ist. Die Zahl 32 ist vorzugsweise eine Zweier-Potenz, weil Multiplexer oder Demultiplexer mit einer sehr hohen Geschwindigkeit viel einfacher als ein Binärbaum von Bipolartransistorschaltern konstruiert werden können, wobei Paare von Signalen in einem ersten Satz von Multiplexern einer ersten Stufe multiplexiert werden, Paare der Paare weiter in einem zweiten Stufensatz mit Multiplexierern höherer Geschwindigkeit multiplexiert werden, usw. Jeder einzelne der 31 Abtastwerte pro Zyklus von 32 ist für eine bestimmte Platte vorgesehen und kann aus einer Multiplexierung oder einer Unter-Multiplexierung von Abtastwerten bestehen, die für jedes Element der Platte vorgesehen sind. Zum Beispiel können 16 Elemente pro Platte und 31 Platten vorhanden sein. Infolgedessen würde die Gesamtanzahl von Elementen in der Antenne dann 31 · 16 = 496 sein. Die Gesamtanzahl von Elementen in der Antenne (dem Feld) kann durch Verändern der Anzahl von Kalibrierungs- Abtastwerten und Platten, die in die erste Multiplexierungsstufe multiplexiert werden, oder durch Ändern der Anzahl von Elementen pro Platte geändert werden. In dem letzteren Fall ist es nicht wichtig, einen Multiplexzyklus mit einer Zweier-Potenz vorzusehen, da die Unter-Multiplexer mit niedrigerer Geschwindigkeit mit irgendeiner Anzahl von Eingängen einfacher zu konstruieren sind.
Unter der Annahme, dass nun jedes Element ein zusammengesetztes Signal mit ungefähr einer 1 MHz Bandbreite abstrahlt, ist die Anzahl von komplexen Abtastwerten pro Sekunde pro Element, die zum Erfüllen des Nyquist- Abtasttheorems erforderlich ist, eine Million Abtastwerte. Die Gesamtanzahl von Abtastwerten pro Sekunde über der K-Band Verbindung würde dann 512 Millionen sein, umfassend 32 Unter- Multiplexierungsfolgen von 16 Millionen Abtastwerten/Sekunde, von denen 31 der Folgen mit 16 Millionen Abtastwerten/Sekunde für jeweilige Feldplatten sind und eine Folge von 16 Millionen Abtastwerten/Sekunde aus Kalibrierungs-Abtastwerten besteht. Die Kalibrierungsfolge mit 16 Mega- Abtastwerten/Sekunde kann aus bekannten Signalpegeln wie beispielsweise +1, -1 oder 0 bestehen und kann einen 16 Megabit-Code auf den I und Q Folgen bilden, wenn dies erwünscht ist. Dies ist mehr als eine ausreichende Information, mit der eine Synchronisation erhalten und aufrechterhalten werden kann, sowie zum Senden von Wartungsinformation oder Befehlen an den und von dem Satelliten.
Kalibrierungs-Abtastwerte, die aus einem I Abtastwert und einem Q Abtastwert bestehen, bilden zusammen einen komplexen Abtastwert. Ein gesendeter komplexer Abtastwert von 1+j0 kann als A·cos (θ) + jA·sin (θ) empfangen werden, wobei A die empfangene Amplitude nach einer Dämpfung über dem Übertragungspfad und einer Verstärkung in dem Empfänger ist, und θ die auf dem Pfad eingeführte Phasenverschiebung ist. Die Synchronisations- und Frequenzkorrektur-Einheit 45 kann die Summe der Quadrate von derartigen I und Q Kalibrierungs- Abtastwerten berechnen, um A² zu ergeben, was verwendet werden kann, um die Verstärkung des Empfängers 41 einzustellen, bis die ausgegebenen Kalibrierungs-Abtastwerte von dem Empfänger 41 und den Demultiplexern 43 und 44 von einer gewünschten Amplitude sind. Dies wird sicherstellen, dass die Feldsignal-Abtastwerte auch von einer gewünschten Grösse sind.
Die absolute Phasenverschiebung θ ist von keinerlei Konsequenz, da nur die relative Phase von Feldsignalen wichtig ist. Jedoch stellt die Änderungsrate von θ einen Frequenzfehler dar und die Synchronisations- und Frequenzkorrektureinheit 45 kann die Änderungsrate der Phase durch Kombinieren von sukzessiven I und Q Kalibrierungs- Abtastwerten des gleichen Typs und I(i-1), Q(i-1) und I(i), Q(i) unter Verwendung der folgenden Formel berechnen:
Q(i) · I(i-1) - I(i) · Q(i-1)
Diese Formel gibt ein Mass darüber an, um wie viel die Phase zwischen aufeinanderfolgende Kalibrierungs-Abtastwerten des gleichen Typs gedreht worden ist, und somit ein Mass für den Frequenzfehler. Dies kann zum Korrigieren der lokalen Oszillatoren, die in dem K-Band Empfänger 41 verwendet werden, verwendet werden, bis der Frequenzfehler innerhalb akzeptabler Grenzen liegt. Die Anzahl von Abtastwerten/Sekunde des Frequenzfehlers, der berechnet werden kann, in dem obigen Beispiel bis zu 16 Millionen, ist mehr als ausreichend, um sicherzustellen, dass eine schnelle, genaue automatische Frequenzsteuerungs-Rückkoppelungsschleife konstruiert werden kann. Ein Element der absoluten Phase θ kann auch in die automatische Sequenzsteuerungs-Rückkoppelung eingebaut werden, um eine phasenstarre Regelschleife sowie eine frequenzstarre Regelschleife zu bilden. Dies kann durchgeführt werden, indem ein Element des Q Abtastwerts. A·sin(θ) in die Rückkoppelungsschleife addiert wird, die auf Null gesteuert wird, wodurch θ auf den Zielwert Null gesteuert wird.
Der Taktgenerator 42 erzeugt, wenn er unter der Steuerung der Synchronisationseinheit 45 zum Heraustrennen des erwarteten Kalibrierungsabtastmusters synchronisiert ist, Ausgangstaktimpulse und Rahmenbildungs-Strobe-Signale zur Verteilung an die Feldplatten zusammen mit den jeweiligen getrennten Signalabtastwerten für jedes Feld.
Fig. 5 zeigt wie die derartige Takte und Strobe-Signale an jedem Element einer bestimmten Platte verwendet werden. Das Taktsignal von der Einheit 42 wird von einem Pufferverstärker 37a gepuffert und zum Ansteuern eines Zählers 33 verwendet. Das Strobe-Signal von der Einheit 42 wird in einem Pufferverstärker 37b gepuffert und zum Rücksetzen des Zählers verwendet. Das Strobe-Signal kann z. B. einer Zeit entsprechen, wenn ein Kalibrierungs-Abtastwert gerade in den Demultiplexern 43 und 44 getrennt wird und kein Feldelement- Abtastwert gerade getrennt wird, wobei das Strobe-Signal den Start der Feldabtastwert-Trennung aus dem Zeitmultiplexformat markiert. Der Zähler 33 ist mit der Anzahl Taktimpulsen 'N' nach dem Strobe-Signal programmiert, bei dem er einen Abtastimpuls für Abtasthalteschaltungen 34 erzeugen soll. Dies trennt das Signal für das Element N der fraglichen Feldplatte aus den I und Q Multiplexierungs-Folgen heraus. Die Pufferverstärker 38a, 38b verhindern, dass Sprünge von den Abtastungsschaltern 34 an die I und Q Multiplexierungsleitung zurückgeführt werden, wodurch eine Potentialinterferenz auf der Leitung vermieden wird, die für alle Elemente der Platte gemeinsam ist. Die getrennten I und Q Abtastwerte für das Element 'N' werden auf kontinuierliche modulierende Wellenformen unter Verwendung von Tiefpassfiltern 35 und 36 umgewandelt, die Grenzfrequenzen aufweisen, die gerade kleiner als eine Hälfte der untermultiplexierten Abtastrate (in dem obigen Beispiel 1 Mega-Abtastwert/Sekunde) sind.
Fig. 6 zeigt, wie die kontinuierlichen I und Q Wellenformen, die von der in Fig. 5 gezeigten Schaltung erzeugt werden, zur Quadraturmodulation eins L-Band Trägers unter Verwendung eines Quadraturmodulators verwendet werden. Die gewünschte L- Band Mittenfrequenz wird von einem Lokaloszillatorsignal 56 bestimmt, das an sämtliche Elemente entlang einer Streifenleiter-Spur auf einer Feldplatte einer gedruckten Schaltungsplatine verteilt wird. Ein Teil des Lokaloszillatorsignals wird von der Leitung 56 unter Verwendung eines Richtkopplers 55, der ebenfalls auf die Platte gedruckt sein kann, heruntergesampelt. Nach Pufferung in einem Pufferverstärker 54 wird das Signal in Komponenten, die sich um 90º in der Phase unterscheiden, unter Verwendung eines Hilbert-Netzes oder eine Phasenschiebers 51 aufgesplittet. Die Komponenten steuern jeweilige I und Q ausgeglichene Modulatoren an, die eine I und Q Modulation auf jeweilige I und Q Trägerwellen aufprägen. Die modulierten I und Q Trägerwellen werden dann an einem Summationsübergang 58 auf summiert, um ein Signal zum Ansteuern eines Leistungsverstärkers 106 zu erzeugen.
Keinerlei Schritte müssen vorgenommen werden, um die relative Phase des lokalen Oszillators 56, die an verschiedene Elemente verteilt wird, zu steuern, da irgendwelche Phasendifferenzen in dem mittleren Term fest und stabil sind und als solche während einer Erzeugung der elementaren I und Q Abtastwerte an der Bodenstation kompensiert werden können. Die U.S. Patentanmeldung Nr. 08/179,953 offenbart die Verwendung der Mobilstationen zum Bestimmen von Strahlbildungsfehlern, die durch eine nicht perfekte Kompensation von derartigen Faktoren verursacht werden, wobei derartige Messungen periodisch über den Satelliten an die Bodenstation über eine Rückführungsverbindung gesendet werden.
Fig. 7 zeigt einen Teil des Empfangssignal- Verarbeitungsnetzes gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Signal, das an einem Feldelement oder einem Unterfeld empfangen wird, wird von dem Verstärker 104 mit niedrigem Rauschen verstärkt und dann wird das Signal nach einer Bildzurückweisung in einem Filter 64 in einem Mischer durch eine Superheterodyn-Verarbeitung mit einem ersten lokalen Oszillatorsignal 61 heruntergewandelt. Das sich ergebende Signal wird an sämtliche Elemente auf einer Bahn der gedruckten Schaltungsplatine verteilt und jedes Element tastet einen Teil des Signals unter Verwendung eines Richtkopplers 62 und eines Pufferverstärkers 63 ab. Das empfangene Signal wird, nachdem es auf eine geeignete Zwischenfrequenz heruntergemischt worden ist, unter Verwendung eines Bandpassfilters 65 gefiltert, um die gewünschte gesamte Systembandbreite (in dem obigen Beispiel 1 MHz) aufzuprägen. Das gefilterte Signal wird ferner unter Verwendung eines Zwischenfrequenzverstärkers 66 weiter verstärkt, um das Signal auf einen geeigneten Pegel anzuheben. Das verstärkte Zwischenfrequenzsignal wird dann unter Verwendung eines Quadratur-Demodulators 69 auf das komplexe (I, Q) Basisband quadratur-heruntergewandelt. Ein zweiter lokaler Oszillator definiert die Mittenfrequenz der Bandbreite, die in das Basisband umgewandelt wird und an alle Elemente verteilt wird.
Bestimmte Modifikationen können an der in Fig. 8 gezeigten Schaltung durchgeführt werden, um die Anzahl von verteilten lokalen Oszillatoren zu verringern und die Anzahl von Schaltungskomponenten, die für eine Integration in einen Siliziumchip nicht geeignet sind, zu minimieren. Zum Beispiel kann anstelle der Verwendung des Bildzurückweisungsfilters 60 eine Bildzurückweisungs-Mischerkonfiguration 75 verwendet werden, umfassend einen Aufsplittungsverstärker 74, Mischer 72 und 73, die durch lokale Quadraturoszillatorsignale von einer Quadratur VCO 71 und einem Zwischenfrequenz-Hilbert- Kombinationsnetz 70 angesteuert werden.
Die Anzahl von lokalen Oszillatorsignalen, die verteilt werden sollen, kann verringert werden, wenn die ersten und zweiten lokalen Oszillatorfrequenzen so gewählt werden, dass sie zueinander eine einfache Beziehung aufweisen, z. B. 32. 1. Die erste lokale Oszillatorfrequenz wird dann in einem Verstärker 76 gepuffert und an einen digitalen Teiler 77 geführt, wo sie geteilt wird durch 32 zum Vergleich in einem Phasenvergleicher 78 mit dem verteilten zweiten lokalen Oszillatorsignal, das von Puffern 80 und 81 von der Leitung 67 heruntergesampelt wird. Das Fehlersignal wird dann unter Verwendung eines Schleifenfilters 79 gefiltert und an einen Spannungssteuereingang eines quadraturspannungs-gesteuerten Oszillators 71 zum Steuern seiner Phase und Frequenz angelegt. Derartige Schaltungen sind in der Praxis auch verkleinert worden und können in einen einzigen Siliziumchip umfassend sämtliche Blöcke 75, 77, 78, 80, 81, 82, 66 und 69 integriert werden. Nur nicht-integrierbare Filter wie 103, 65 und 79 bleiben ausserhalb des Chips, das nur wenige Quadratmillimeter Silizium belegt. Ferner kann die gleiche Technik verwendet werden, um das lokale Sendeoszillatorsignal 56 lokal zu erzeugen, so dass eine einzelne Referenzfrequenz nur an die Elemente entlang der Feldplatten verteilt werden muss.
Fig. 9 zeigt eine andere Empfangsverarbeitungsschaltung zum Multiplexieren von Signalen von jedem Element auf einer Platte in Platten-Multiplexierungssignale unter Verwendung von verteilten Multiplexern 91 und 92 und schließlich die Supermultiplexierung von sämtlichen Plattensignalen unter Verwendung eines zentralen Multiplexers 93, der auch Kalibrierungssignale für eine ähnliche Verwendung an der Bodenstation wie diejenige, die für den Satelliten beschrieben wurde, beinhaltet, nämlich zum Durchführen einer Synchronisationssammlung, einer Wartung, einer automatischen Verstärkungssteuerung und einer automatischen Frequenzsteuerung. Die verteilten Multiplexer 92 und 91 können in den gleichen Siliziumchip eingebaut werden, von dem angenommen wird, dass er die Schaltung der Fig. 8 realisiert.
Es ist offensichtlich, dass die Anzahl von Leitungen zum Verteilen von Takten und Strobe-Signalen minimiert wird, wenn der Takt und das Strobe-Signal für die Empfangsverarbeitung die gleichen wie diejenigen sein können, die zur Übertragung verwendet werden, und dies ist die bevorzugte Lösung.
Zahlreiche ausführliche Änderungen in der vorliegenden Erfindung können von einem Durchschnittsfachmann mit Hilfe von Material durchgeführt werden, das in der U.S. Patentanmeldung mit der Nr. 08/179,953 offenbart ist.

Claims

1. Satellitenrelaisstation zum Kommunizieren zwischen wenigsten einer ersten Station und einer Vielzahl von zweiten Stationen, umfassend:

eine erste Anzahl von schwenkbaren aktiven Antennenplatten, wobei die aktiven Antennenplatten ferner wenigstens umfassen:

eine Zeitmultiplexierungssignal-Verteilungseinrichtung zum Verteilen von Signalen an eine zweite Anzahl von aktiven Antennenelementeinrichtungen, wobei die zweite Anzahl von aktiven Antennenelementeinrichtungen jeweils umfassen:

ein Abstrahlelement, das mit einem Sendeleistungsverstärker verbunden ist;

eine Modulatorschaltung mit einem Eingang für modulierende Wellenformen; und

eine Abtasthalteschaltung zum Abtasten von Signalen auf der Signalverteilungsleitung und zum Filtern des abgetasteten Signals zum Bilden der Modulationswellenformen.

2. Kommunikationssatellit nach Anspruch 1, ferner umfassend:

eine Zuführerverbindungs-Empfängereinrichtung zum Empfangen einer Zeitmultiplexierung von Feldelementsignalen von der wenigstens einen ersten Station;

eine Demultiplexereinrichtung, um für jede der aktiven Antennenplatten ein zeitmultiplexiertes Signal für eine Verteilung unter Verwendung der Signalverteilungseinrichtung herauszutrennen.

3. Kommunikationssatellit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Antennenelementeinrichtungen in Unter-Felder unterteilt sind.

4. Satellitenrelaisstation zum Kommunizieren zwischen wenigstens einer ersten Station und einer Vielzahl von zweiten Stationen, umfassend:

eine erste Anzahl von schwenkbaren aktiven Antennenplatten, wobei die aktiven Antennenplatten ferner umfassen:

eine Zeitmultiplexierungssignal-Sammeleinrichtung zum Sammeln von Signalabtastwerten von einer zweiten Anzahl von aktiven Antennenelementen, wobei die zweite Anzahl von aktiven Antennenelementeinrichtungen jeweils wenigstens umfassen:

ein Abstrahlelement, das mit einer Verstärkereinrichtung mit niedrigem Rauschen verbunden ist;

eine Abwärtsumwandlungs-Empfängerschaltung mit einem Eingang, der mit dem Verstärker mit niedrigem Rauschen verbunden ist und einem Ausgang für heruntergewandelte Wellenformen; und

eine Abtastungsschaltung zum Abtasten des heruntergewandelten Wellenformenausgangs und zum Anlegen der abgetasteten Signale an die Sammeleinrichtung.

5. Kommunikationssatellit nach Anspruch 4, ferner umfassend:

eine zentrale Multiplexereinrichtung mit Eingängen, die mit der Signalsammeleinrichtung für jede der ersten Anzahl von aktiven Antennenplatten verbunden ist, und einem multiplexierten Ausgang;

eine Zuführerverbindungs-Sendeeinrichtung, die mit dem multiplexierten Ausgang verbunden ist, zum Senden einer Zeitmultiplexierung der aktiven Antennenelementsignale, die von den zweiten Stationen empfangen werden, an die wenigstens eine erste Station.

6. Kommunikationssatellit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Antennenelementeinrichtungen in Unter-Felder unterteilt sind.

Verfahren zum Weitergeben von Signalen von einer ersten Station durch eine Relaisstation unter Verwendung einer phasengesteuerten Gruppenantenne, die Platten von Antennenelementen umfasst, an wenigstens eine zweite Station, umfassend die folgenden Schritte:

Empfangen von Signalen von der ersten Station;

Verstärken, Filtern und Herunterwandeln der empfangenen Signale;

Umwandeln der heruntergewandelten Signale in ein komplexes I, Q Basisband;

Abtasten der umgewandelten Signale, um getrennte Signalabtast-Folgen für jede Platte der Antenne und Kalibrierungs-Abtastwerte zu erzeugen;

Erzeugen von Ausgangstaktimpulsen und Rahmenbildungs-Strobe-Signalen unter Verwendung der Kalibrierungs-Abtastwerte;

Erzeugen eines Abtastimpulses unter Verwendung der Taktimpulse und der Rahmenbildungs-Strobe-Signale, um Signalabtastwerte aus den Signalabtast-Folgen für ein bestimmtes Element auf einer Platte der Antennenelemente herauszutrennen;

Umwandeln der Signalabtastwerte in kontinuierliche modulierende Wellenformen;

Modulieren eines Trägers unter Verwendung der kontinuierlichen modulierenden Wellenformen, um ein Ansteuersignal zu erzeugen; und

Ansteuern eines Leistungsverstärkers mit dem Ansteuersignal, um ein Signal für eine Übertragung an die wenigstens eine zweite Station unter Verwendung des bestimmten Antennenelements zu erzeugen.