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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlformungsnetzwerk mit zumindest
einem Strahleneingang und einer Vielzahl von Ausgängen; einer
Vielzahl von Leistungsverstärkern,
wobei jeder einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei jeder Eingang
mit einem jeweiligen der Vielzahl von Ausgängen des Strahlformungsnetzwerks
verbunden ist; einer Vielzahl von Hybridmatritzen, von denen jede eine
Vielzahl von Eingangsanschlüssen
und Ausgangsanschlüssen
aufweist, wobei jeder Eingangsanschluss mit einem jeweiligen der
Ausgänge
der Vielzahl von Leistungsverstärkern
verbunden ist, und wobei einzelne Hybridmatrix-Ausgangsanschlüsse mit
einem jeweiligen Speiseelement einer Antenne verbunden sind; wobei
das Strahlformungsnetzwerk die Amplitude und die Phase der die Leistungsverstärker ansteuernden
Signale einstellt, um die Strahlen zu steuern, die die Antenne abstrahlt;
wobei die Anzahl der Leistungsverstärker größer ist als die Anzahl der
Antennenspeiseelemente, und wobei jeder Hybridmatrix-Ausgangsanschluss,
der nicht mit einem Antennenspeiseelement verbunden ist, mit einer
einer Vielzahl von Lasten verbunden ist.
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Technisches
Gebiet
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Im
Allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf Systeme, die eine Redundanz
für eine
Hochleistungsleistungs-Satellitenkommunikations-Nutzlast bereitstellen,
bei denen mehrere Antennenstrahlen verwendet werden, die eine Leistungsneuverteilung unter
den Strahlen während
der Lebensdauer der Nutzlast erfordern.
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Stand der
Technik
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Der
bekannte Stand der Technik auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung
basiert im Allgemeinen auf dem Prinzip von schaltbaren Redundanzen, welches
eine Erkennung von Fehlern gefolgt von einer Neukonfiguration von
Redundanzschalteinheiten beinhaltet, um ausgefallene Einheiten mit
redundanten Betriebseinheiten zu ersetzen. In Abhängigkeit von
der Anzahl der Fehler, die man während
der Lebensdauer der Nutzlast erwartet, sind möglicherweise komplexe Schaltschemata
erforderlich, um sicher zu stellen, dass die Leistungsfähigkeit
beibehalten wird. Die hinzugefügten
Redundanzschalteinheiten führen
zu einer zusätzlichen
Komplexität,
zusätzlichem
Gewicht und zusätzlichen
Verlusten und können
die Gesamtzuverlässigkeit
der Nutzlast reduzieren.
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Ein
häufig
benutzter Ansatz ist die Verwendung einer Konfiguration mit Hybridmatritzen,
mit einem Strahlformungsnetzwerk, das einen Eingangsstrahl empfängt, Wichtungen
hinsichtlich der Amplituden- und Phasenverteilung bereitstellt und
an eine ersten, inverse Gruppe von inversen Hybridmatritzen ausgibt.
Die Ausgänge
der inversen Hybridmatritzen sind mittels einer ersten Gruppe von
redundanten Schalteinheiten mit Leistungsverstärkern verbunden.
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Die
Ausgänge
der Leistungsverstärker
sind mittels einer zweiten Gruppe von redundanten Schalteinheiten
mit einer zweiten Gruppe von Hybridmatritzen verbunden. Da die erste
Gruppe der Hybridmatritzen invers zu der zweiten Gruppe ist, ist
die Verteilung der Amplituden und der Phasen an den Eingängen der
ersten Gruppe der Hybridmatritzen daher die gleiche wie die an den
Ausgängen
der zweiten Gruppe. Die Ausgänge
der Hybridmatritzen sind mit Antennenspeiseelementen verbunden.
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US 5,115,248 offenbart eine
Speisevorrichtung für
eine mehrstrahlige Antenne mit Leistungsverteilern mit mehreren
Anschlüssen,
Verstärkermodulen
und einem Strahlformungsnetzwerk. Es wird eine Vielzahl von Eingangssignalen
gezeigt, die zu den Verstärkermodulen
mittels des Strahlformungsnetzwerks geleitet werden. Die Ausgänge der
Verstärkermodule
werden zu den Leistungsteilern mit mehreren Anschlüssen geführt (hier:
orthogonale Matrixteiler) und jedes Eingangssignal wird über eine Vielzahl
von Ausgängen
verteilt, die wiederum mit den Antennenspeiseelementen verbunden
sind. Es wird behauptet, dass vorteilhafte Resultate erzielt werden
können,
wenn eine gegebene Anzahl von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der
Leistungsteiler mit mehreren Anschlüssen innerhalb der Speisevorrichtung
ausgewählt
werden. Das Dokument beschäftigt
sich jedoch nicht mit Redundanzen für eine solche Speisevorrichtung
für mehrstrahlige
Antennen.
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FR 2 690 010 A1 befasst
sich mit dem Schalten eines Strahls für die Satellitenkommunikation
für die Übertragung
von digitalen Daten. Es ist das Ziel die Flexibilität hinsichtlich
der Abdeckung des Strahls und hinsichtlich des Datendurchsatzes
des Strahls zu verbessern. Insbesondere betrifft das Dokument ein
Verfahren zur Steuerung einer abtastenden Antenne derart, dass zumindest
ein Strahl in einer Nachführungsrichtung übertragen
oder empfangen wird und eine nominale Abdeckungszone umfasst, die
um die Nachführrichtung
zentriert ist. Es wird ein vorteilhafter Effekt beansprucht, wenn
das Abtasten der Antenne mit Datenpaketen synchronisiert wird, die
von der Antenne gesendet oder von der Antenne empfangen werden.
Eine fortlaufende Multiplex-Betriebsart wird erreicht, während gleichzeitig
nacheinander die Pakete adressiert werden, die für verschiedene Benutzer bestimmt
sind. Auch wenn dieses Dokument einen Aufbau aufzeigt, der eine
höhere
Effizienz und höhere
Flexibilität
haben soll, wird der Bedarf hinsichtlich Redundanzen nicht angesprochen.
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EP 0 713 261 A1 offenbart
ein Verwaltungssystem für
eine Antenne mit einem phasengesteuerten Feld (phased-array antenna)
und ein Verfahren für
die Kalibrierung eines solchen Systems. Basierend auf einer mehrstrahligen
Antenne, weist das System eine Quelle für einen Testträger auf,
um ein Testträgersignal
zu erzeugen, das in orthogonaler Weise von jedem Antennenelement
in der Kette verarbeitet wird, bei den es sich um die gleichen handelt, die
dafür verwendet
werden, um die Signale zu verarbeiten die gesendet und/oder empfangen
werden sollen. Indem das Testträgersignal
ausgewertet wird, können
die Amplitude und die Phase ermittelt werden, die aktuell von jeder
Kette von Antennenelementen erzeugt werden. Unter der Annahme einer bestimmten
Konfiguration werden diese Werte bereitgestellt, die angeben, welche
Amplitude und welche Phase idealerweise für eine spezifische Kette von Antennenelementen
erwartet werden. Wenn sich Abweichungen der tatsächlichen Werte von den genannten
Werten ergeben, können
Korrekturschritte eingeleitet werden, um die gewünschte Amplitude und Phase
zu erreichen oder sich diesen anzunähern. Das Dokument sieht das
gesamte System, einschließlich
der Verstärker,
jedoch als ideale Bauteile. Das tatsächliche, nicht-ideale Verhalten,
das sich zudem über
der Lebensdauer des Systems ändert,
werden nicht angesprochen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Redundanz,
ohne die Verwendung von redundanten Schalteinheiten, für Hochleistungs-Satellitenkommunikations-Nutzlasten
unter Verwendung von mehreren Antennenstrahlen bereitzustellen,
die eine Leistungsneuverteilung unter den Strahlen während der
Lebensdauer der Nutzlast erfordern, und dabei gleichzeitig den Betrieb
der Kommunikationsnutzlast zu optimieren und die nutzbare Lebensdauer
zu erhöhen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die eingangs genannte Vorrichtung gelöst, wobei
die Vorrichtung Mittel zum Optimieren der Amplituden- und Phasen-Gewichte
aufweist, um die Leistung zu maximieren, während Veränderungen des Arbeitspunktes
des Leistungsverstärkers
minimiert werden, so dass dadurch die Leistung minimiert wird, die
den belasteten Hybridmatrix-Ausgangsanschlüssen zugeführt wird.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass Probleme vermieden
werden, die im Zusammenhang mit Ausfällen von redundanten Schalteinheiten
stehen.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Gewicht
der redundanten Schalteinheiten und das von einer Anzahl von Hybridmatritzen
eliminiert wird.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die
Komplexität
vermieden wird, die in Zusammenhang mit den redundanten Schalteinheiten
und einer Anzahl von Matritzen steht.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit,
einige der Leistungsverstärker
zu Beginn der Lebensdauer abzuschalten, falls dies gewünscht ist.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass überschüssige Leistungsverstärker, die
gebraucht werden, um solche zu ersetzen, die während der Lebensdauer des Satelliten
durch Abnutzung verloren gehen, zu Beginn der Lebensdauer benutzt werden
können;
und, da zu Beginn der Lebensdauer des Satelliten hohe Leistungspegel
und hohe Wärmekapazitäten zur
Verfügung
stehen, um am Beginn der Lebensdauer höhere effektive isotrope Abstrahlleistungen
zu generieren, sind die inhärenten
Fähigkeiten
des Satelliten gut an die Nützlichkeit
der Mission angepasst.
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Um
die zuvor genannten und anderen Aufgaben, Vorteile und Merkmale
zu realisieren, weist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Strahlformungsnetzwerk auf, das einen Strahleneingang und eine
Vielzahl von Ausgängen
hat. Sie weist außerdem
eine Vielzahl von Leistungsverstärkern auf,
von denen jeder einen Eingang und einen Ausgang hat. Jeder Leistungsverstärkereingang
ist jeweils entsprechend mit einem der Vielzahl von Ausgängen des
Strahlformungsnetzwerks verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung weist außerdem eine
Vielzahl von Hybridmatritzen auf, von denen jede eine Vielzahl von
Eingangsangsanschlüssen und
Ausgangsanschlüssen
hat. Jeder Eingangsanschluss der Hybridmatritzen ist jeweils entsprechend mit
einem der Ausgänge
der Vielzahl von Leistungsverstärkern
verbunden. Einzelne Hybridmatrix-Ausgangsanschlüsse sind mit einem jeweiligen
Speiseelement einer Antenne verbunden. Das Strahlformungsnetzwerk
stellt die Amplitude und die Phase der Signale ein, die den Leistungsverstärker ansteuern,
um die Strahlen zu steuern, die die Antenne abstrahlt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung hat jeder der Vielzahl von Leistungsverstärkern eine
ausreichende Kapazität
für eine überschüssige Leistung
an einem Punkt zum Beginn der Lebensdauer um sicher zu stellen,
dass unter der Annahme einer maximalen Anzahl von Ausfällen der
Leistungsverstärker,
die Leistungsanforderungen bis zu einem Punkt am Ende der Lebensdauer
erfüllt
werden können.
Außerdem
können
weitere Leistungsverstärker
untergebracht werden, indem man weniger als die Gesamtanzahl der
Ausgangsanschlüsse
der Hybridmatritzen an ein Antennenspeiseelement anschließt. Daher
kann die Anzahl der Leistungsverstärker gleich oder größer sein
als die Anzahl der Antennenspeiseelemente. Jeder verbleibende Ausgangsanschluss
wird an eine von einer Vielzahl von Lasten angeschlossen. Die Leistungsverstärker liefern
eine höhere
Ausgangsleistung zu Beginn der Lebensdauer, und ihre größere Anzahl
relativ zu der Anzahl der Einspeisungen erhöht die Anzahl der Freiheitsgrade im
Hinblick auf eine Optimierung der Strahlauslegung. Außerdem kann,
bei einer vorgegebenen Anzahl der strahlenden Elemente, die Anzahl
an Leistungsverstärkern
erhöht
werden, indem man Hybridmatritzen hinzufügt. Dies ermöglicht einen
grundlegenden Satellitenaufbau, der für Missionen mit verschiedenen
Leitungspegeln verwendet werden kann oder so wie die Effizienz des
Leistungssystems ansteigt.
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Die
Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich unmittelbar aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und zwar unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen.
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Kurz Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
vollständigere
Würdigung
der Erfindung und der vielen damit verbundenen Vorteile kann man unmittelbar
im Hinblick auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung unter
Berücksichtigung
der beigefügten
Zeichnungen vornehmen, bei denen jeweils die gleichen Bezugszeichen
die entsprechenden Teile in allen Ansichten kennzeichnen, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist,
die redundante Schalteinheiten verwendet;
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2 eine
graphische Darstellung der individuellen Einspeisemuster für eine fokussierte
Antenne ist, die mit einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik verwendet
wird, wie sie in 1 gezeigt ist;
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3 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, die keine redundanten Schalteinheiten verwendet;
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4 eine
graphische Darstellung der individuellen Einspeisemuster für eine defokussierte
Antenne ist, die mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, wie sie in 3 gezeigt
ist;
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5 eine
graphische Darstellung von typischen individuellen Mustern ist,
die jedem Leistungsverstärker
für eine
defokussierte Antenne zugeordnet sind, die mit einer Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, wie sie in 3 gezeigt
ist;
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6 eine
graphische Darstellung eines Antennenmusters eines typischen Strahls
ist;
-
7 eine
graphische Darstellung der Leistungsverteilung eines Leistungsverstärkers ist,
und zwar für
einen typischen Strahl während
des Normalbetriebs;
-
8 eine
graphische Darstellung eines Antennenmusters eines typischen Strahls
ist, bei dem vier Ausfälle
von Leistungsverstärkern
vorliegen;
-
9 eine
graphische Darstellung eines Antennenmusters ist, und zwar nach
einer Neuoptimierung, von einem typischen Strahl, bei dem vier Ausfälle von
Leistungsverstärkern
vorliegen; und
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10 eine
graphische Darstellung der Leistungsverteilung des Leistungsverstärkers ist,
und zwar nach der Neuoptimierung, bei einem typischen Strahl, bei
dem vier Ausfälle
von Leistungsverstärkern
vorliegen.
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Bevorzugte
Ausführungsform
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1 der
Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, zum Bereitstellen von Redundanz. Es ist eine Konfiguration
mit Hybridmatrix gezeigt, die ein Strahlformungsnetzwerk 12 aufweist,
das einen Strahleneingang 14 empfängt, Wichtungen hinsichtlich
der Amplituden- und Phasenverteilung bereitstellt, und an eine erste,
inverse Gruppe von Hybridmatritzen ausgibt, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 16 bezeichnet sind. Die Ausgänge der
inversen Hybridmatritzen 16 sind durch eine erste Gruppe
von redundanten Schalteinheiten, allgemein mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet,
mit Leistungsverstärkern verbunden,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet sind.
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Die
Ausgänge
der Leistungsverstärker 20 sind
mittels einer zweiten Gruppe von redundanten Schalteinheiten, die
allgemein durch das Bezugszeichen 22 bezeichnet ist, mit
einer zweiten Gruppe von Hybridmatritzen verbunden, die allgemein
durch das Bezugszeichen 24 bezeichnet ist. Da die erste
Gruppe der Hybrid matritzen 16 zu der zweiten Gruppe 24 invers
ist, ist die Verteilung von Amplitude und Phase an den Eingängen A' der ersten Gruppe
von Hybridmatritzen 16 dieselbe, wie an den Ausgängen A der zweiten
Gruppe der Hybridmatritzen 24. Die Ausgänge der zweiten Gruppe der
Hybridmatritzen 24 sind mit den Antennenspeiseelementen
verbunden, die allgemein mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet sind.
Ein repräsentativer
Antennenreflektor ist mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet.
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Wenn
nur ein Antennenspeiseelement 26 in einer Speiseanordnung
(feed array) angeregt wird, wird im Fernfeld ein Antennenmuster
erzeugt, das der Einspeisung zugeordnet ist. Dies ist als ein sog. einzelnes/individuelles
Einspeisemuster bekannt. Wenn die Antenne fokussiert ist, wie es
in der 2 gezeigt ist, gibt es nur geringe Überlappungen
zwischen den Mustern der einzelnen Einspeisungen. Mit nicht ganz
exakten mathematischen Begriffen ausgedruckt, spricht man davon,
dass die einzelnen Muster „orthogonal", oder nahezu, sind.
In der 2 ist das Muster einer einzelnen Einspeisung allgemein
mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet; und die Muster der
angrenzenden Einspeisungen sind allgemein mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet.
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Wenn
mehr als ein Antennenspeiseelement 26 in der Speiseanordnung
angeregt wird, wird im Fernfeld ein anderes Antennenmuster erzeugt.
Dieses ist als „Strahl" bekannt. Da es sich
bei der Antenne um ein lineares System handelt, ist der Strahl eine Linearkombination
der einzelnen Einspeisemuster und wird mittels der Amplituden- und
Phasenverteilung der einzelnen Einspeisungen gewichtet.
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Dies
wird mittels der folgenden Gleichung ausgedrückt: Pbeam(θ, ϕ)
= ΣwiPAi(θ, ϕ)wobei:
- Pbeam(θ, ϕ)
- der Strahl als eine
Funktion in Abhängigkeit
von den Winkeln θ und ϕ ist,
- wi
- die komplexe Wichtung
der i-ten Einspeisung ist, und
- PAi(θ, ϕ)
- das i-te einzelne
Einspeisemuster ist.
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Die
Wichtungen wi werden mittels Computeroptimierung
ausgewählt,
um einen Strahl mit bestimmten gewünschten Charakteristiken bereitzustellen.
Für einen
Strahl in einer vorgegebenen Richtung θ, ϕ, tragen nur einige
wenige Antennenspeiseelemente 26 zu dem Strahl bei, wenn
die einzelnen Einspeisemuster weitestgehend orthogonal sind. Des Weiteren
sind nur die Leistungsverstärker 20,
die diesen Einspeisungen zugeordnet sind, in der Lage, Leistung
für den
Strahl beizusteuern. Die Größe der Hybridmatritzen 24 bestimmt
wie viele Leistungsverstärker 20 zu
einer einzelnen Einspeisung etwas beisteuern können. 1 zeigt
acht Leistungsverstärker 20,
die hierzu beitragen.
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Wenn
ein Leistungsverstärker 20 ausfällt, soll
dies dazu führen,
dass die Übertragungsfunktion der
zweiten Gruppe von Hybridmatritzen 24 geändert wird.
Es kann schwer sein das Muster einer einzelnen Einspeisung wieder
herzustellen, da die zwei Hybridmatritzen 16 und 24 nun
nicht mehr invers sind. Fehlersignale erscheinen an den anderen
Ausgängen
der zweiten Gruppe von Hybridmatritzen 24, was zu einer
Verschlechterung bei der Trennung der Strahlen führt. Es ist möglich diese
Fehler etwas unvollständig
zu kompensieren, indem man neu optimiert oder, was üblich ist,
indem man Schalteinheiten 22 verwendet, um einen identischen
Leistungsverstärker 20 hinzuzuschalten. 1 zeigt,
dass jede Gruppe von Leistungsverstärkern 20 einen zusätzlichen
Leistungsverstärker
hat, der eine „9-für-8" redundante Konfiguration
bildet.
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Wie
es in der 3 gezeigt ist, wird bei der Vorrichtung 34 gemäß der vorliegenden
Erfindung ein anderer Ansatz verwendet, der als „aktive Redundanz" bezeichnet wird.
Die Vorrichtung 34 weist ein Strahlformungsnetzwerk 36 auf,
das einen Strahleneingang 38 und eine Vielzahl von Ausgängen aufweist,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet sind.
Jeder Ausgang 40 ist direkt jeweils mit einem der Vielzahl
von Eingängen,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet sind,
der Leistungsverstärker
verbunden, die allgemein mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet
sind.
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Jeder
Leistungsverstärker 44 hat
auch einen Ausgang, der allgemein mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet
wird, der jeweils mit einem der Vielzahl von Eingangsanschlüssen, die
allgemein mit dem Bezugszeichen 48 bezeichnet sind, der
Hybridmatritzen verbunden ist, die allgemein mit dem Bezugszeichen 50 sind.
Jede Hybridmatrix 50 hat eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen, die
allgemein mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet sind, die
mit Antennenspeiseelementen verbunden sind, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 53 bezeichnet sind. Ein repräsentativer
Antennenreflektor ist mit dem Bezugszeichen 55 bezeichnet.
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Allgemein
gesprochen, gibt es mehr Leistungsverstärker 44 als Einspeiseelemente 53.
Jeder unbenutzte Ausgangsanschluss, allgemein mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet,
ist mit einer der Vielzahl von Lasten verbunden, die allgemein mit
dem Bezugszeichen 56 bezeichnet sind. Dies wird gemacht,
um Streuleistung, die aus dem Versagen eines Leistungsverstärkers resultiert
und jegliche unausgeglichene Leistung zu absorbieren, wie sich nach
der ersten Optimierung oder im Anschluss an eine Reoptimierung nach
einer Änderung
der Strahlenmuster oder dem Ausfall eines Leistungsverstärkers einstellt.
Die größere Anzahl
an Leistungsverstärkern 44 relativ
zu der Anzahl der Speiseelemente, ermöglicht im Ergebnis mehr Ausgangsleistung
zu Beginn der Lebensdauer, und die größere Anzahl von ihnen relativ
zu der Anzahl von Einspeisungen erhöht die Anzahl an Freiheitsgraden
im Hinblick auf die Optimierung beim Entwurf des Strahls.
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Die
Antenne 55 kann außerdem
defokussiert sein. Für
den Fachmann auf dem technischen Gebiet, auf das sich die Vorrichtung
bezieht, ist klar, dass die Vorrichtung in einer fokussierten oder
einer defokussierten Konfiguration gut funktioniert, aber in der
letztgenannten etwas besser funktioniert. Bei der defokussierten
Konfiguration sind die Speiseelemente 53 von dem Brennpunkt
des Antennenreflektors 55 versetzt. Wie es in der 4 dargestellt
ist, führt
dies zu einer erheblichen Überlap pung
zwischen den Mustern der einzelnen Einspeisungen. Dies bedeutet,
dass die einzelnen Einspeisemuster weniger orthogonal sind, als
sie es bei einer fokussierten Antenne wären. Das Muster einer einzelnen
Einspeisung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet, und
die Muster der angrenzenden Einspeisungen sind allgemein mit dem
Bezugszeichen 60 bezeichnet.
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Bei
jedem Strahl tragen viele Einspeisungen zu dem Antennenmuster bei.
Man nehme an, dass es ein Antennenmuster gibt, das dem Eingang 42 (3)
eines jeden Leistungsverstärkers 44 zugeordnet
ist. Dies ist bekannt als ein einzelnes Leistungsverstärkermuster. 5 stellt
typische einzelne Leistungsverstärkermuster
für eine
defokussierte Antenne dar. Jedes Muster, das durch die Amplituden- und
Phasenverteilung der Hybridmatrix bestimmt ist, ist gut bekannt
und fest vorgegeben, wie es bei jeder fest vorgegebenen Antenne
mit mehreren Strahlen der Fall wäre.
Zur Erinnerung, der Strahl ist eine Linearkombination der einzelnen
Leistungsverstärkermuster,
wobei diese bezüglich
der Amplituden- und Phasenverteilung gewichtet sind. Die Muster
eines einzelnen Leistungsverstärkers
sind allgemein mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet und
die Muster von angrenzenden Leistungsverstärkern sind allgemein mit dem
Bezugszeichen 64 bezeichnet.
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Dies
wird mittels der folgenden Gleichung ausgedrückt: Pbeam(θ, ϕ)
= ΣwjPBj(θ, ϕ)wobei:
- Pbeam(θ, ϕ)
- der Strahl als eine
Funktion in Abhängigkeit
von den Winkeln θ und ϕ ist,
- wj
- ist die komplexe Wichtung
des j-ten Leistungsverstärkers
ist, und
- PBj(θ, ϕ)
- das j-te einzelne
Leistungsverstärkermuster
ist.
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Das
Strahlformungsnetzwerk stellt die Amplituden- und Phasenwichtungen
an dem Eingang zu den Leistungsverstärkern zur Verfügung, um
die Strahlformung einzuleiten. Ein Optimierer wird verwendet, um
die Wichtungen zu bestimmen, so dass die Leistung maximiert und
dabei gleichzeitig die Variationen bei den Arbeitspunkten der Leistungsverstärker minimiert
werden. Indem die Leistung maximiert wird, wird automatisch die
Leistung minimiert, die den Ausgangsanschlüssen der Hybridmatrix zugeführt wird,
die mit einer Last verbunden sind (loaded hybrid matrix output ports).
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Es
besteht außerdem
eine erhebliche Überlappung
zwischen den einzelnen Leistungsverstärkermustern, die in der 5 gezeigt
sind. Dies bedeutet, dass für
jeden Strahl, viele Leistungsverstärker zu dem Antennenmuster
und zu der Leistung des Strahls beitragen. Die Flexibilität der Leistungsverteilung
unter den Strahlen wird erheblich erhöht.
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Wenn
irgendein Leistungsverstärker
ausfällt, steht
das Muster, das diesem Leistungsverstärker zugeordnet ist, nicht
mehr für
die Optimierung des Strahls zur Verfügung. Um die Leistungsfähigkeit wieder
herzustellen, wird der Strahl neu optimiert, wobei das Muster des
ausgefallenen Leistungsverstärkers
nicht beachtet wird. Da jedoch viele Leistungsverstärkermuster
für jeden
Strahl verwendet werden, führt
die fehlende Verfügbarkeit
eines Leistungsverstärkers
nur zu einer geringfügigen
Verschlechterung der Leistungsfähigkeit.
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6 bis 10 zeigen
Beispiele davon. 6 zeigt ein Antennenmuster eines
typischen Strahls. 7 zeigt eine Darstellung der
relativen Ausgangsleistung von jedem Leistungsverstärker, und
zwar auf insgesamt 1 Watt normiert. Es ist zu beachten, dass viele
Leistungsverstärker
zu einem typischen Strahl beitragen. 8 zeigt
wie der Strahl aussieht, wenn vier zufällig verteilte Leistungsverstärker gleichzeitig
ausfallen. 9 zeigt wie der Strahl nach
einer Neuoptimierung aussieht. Im Vergleich mit der 6 zeigt
sich, dass sich das Antennenmuster nicht nennenswert verändert hat.
In den 6, 8 und 9 sind die
Muster der einzelnen Einspeisungen allgemein mit dem Bezugszeichen 66 bezeichnet,
und die Muster der angrenzenden Einspeisungen sind allgemein mit
dem Bezugszeichen 68 bezeichnet.
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10 stellt
die relative Leistung der Leistungsverstärker nach der Neuoptimierung
dar. Es ist zu beachten, dass vier Leistungsverstärker fehlen. Auf
der anderen Seite hat sich jedoch die Leistungsverteilung nicht
wesentlich geändert.
Die gesamte Auswirkung auf die Richtcharakteristik an den Außenbereichen
des Strahls (edge-of-beam
directivity) beträgt
0,19 dB. Diese Verschlechterung fließt in die Seitenkeulenbetriebsspanne
(side lobe operating marging) und in die Betriebsspanne der kumulierten effektiven
isotropen abgestrahlten Leistung (aggregate effective isotropically
radiated power, AEIRP) ein. Bei dem System, das mit vielen Benutzern
und daher mit vielen Trägern
betrieben wird, ist die AEIRP die Summe der effektiven isotrop abgestrahlten
Leistung für
jeden Träger.
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Die
aktive Redundanz ermöglicht
es die Nutzlast zu Beginn der Lebensdauer (beginning of life, BOL)
bei Leistungspegeln zu betreiben, die deutlich oberhalb den zum
Ende der Lebensdauer (end of life, EOL) garantierten Leistungspegeln
liegen. Dies erzielt man, indem die bei der Lebensdauer verfügbare Solarenergie
und bei der Lebensdauer verfügbare thermische
Strahlungsfähigkeit
auf die Leistung der abgestrahlten Hochfrequenz (radio frequency,
RF) abgestimmt wird.
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Zum
Beginn der Lebensdauer arbeiten die Strahler des Satelliten mit
maximaler Effizienz. Über die
Lebensdauer des Satelliten geben einige der nicht-metallischen Materialien,
die während
der Herstellung verwendet wurden, kleine Mengen von Materialdampf
ab, während
sie in das Vakuum des Weltalls ausströmen. Einige von diesen Gasen
kondensieren an den kalten äußeren Oberflächen der
Strahler. Dies beeinträchtigt
ihre Abstrahlfähigkeit
nicht nennenswert, d.h., ihr Emissionsvermögen wird nicht deutlich reduziert;
aber ihre Absorptionsfähigkeit
wird erhöht,
so dass das Sommer- und Wintersonnenlicht, welches die Strahler
erreicht, zu einem größeren Grad
absorbiert wird. Dies führt
zu höheren
Arbeitstemperaturen des Satelliten.
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Halbleiterzellen
in den Sonnenkollektoren, verschlechtern sich in ähnlicher
Weise durch den Einfluss des Sonnenwinds und durch Einschläge von Mikrometeoriten.
Dies führt
zu einer langsamen Reduzierung der verfügbaren elektrischen Leistung.
Zu Beginn der Lebensdauer wird die überflüssige Leistung einfach gegen
Masse abgeführt
und erneut als thermische Energie abgestrahlt. Mit der aktiven Redundanz
können
die zusätzlichen
Verstärker
mit nomineller Leistung während
der frühen
Jahre betrieben werden, was zu erhöhten effektiven isotropen Strahlungsleistung
(effective isotropic radiated power, EIRP) führt. Im Gegensatz dazu begrenzt
die konventionelle Methode Redundanz bereitzustellen, d.h. indem
Ersatzteile eingeschaltet werden, die zu Beginn der Lebensdauer
verfügbare
Leistung auf die Leistung, die von der primären Leistungsverstärkerkette,
die am Ende der Lebensdauer betrieben wird.
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Das
Nettoergebnis ergibt eine höhere
EIRP und eine höhere
Zuverlässigkeit
des Satelliten je Pfund Gewicht des Satelliten als es konventionelle Systeme
bereitstellen. Konventionelle Schemata für die Redundanz der Nutzlast
beruhen auf zusätzlichen
aktiven Einheiten, die in die Kette geschaltet werden, um ausgefallene
Primäreinheiten
zu ersetzen. Mit Strahlen, die bezüglich Amplitude und Phase rekonfigurierbar
sind, Leistungsteilung mittels Hybridmatritzen und einem defokussierten
Antennendesign, ist eine neue Betriebsart möglich.
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Auch
wenn die Elemente und der Betrieb der Vorrichtung 34 gemäß der vorliegenden
Erfindung im Hinblick auf die Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischen
Signalen beschrieben wurde, ist es dem Fachmann auf diesem Gebiet
klar, dass die Vorrichtung 34 auch für den Empfang solcher Signale
verwendet werden kann. Dies würde
es lediglich erfordern, die Eingänge
und die Ausgänge
der Hybridmatritzen 50, die Leistungsverstärker 44,
die dann als geräuscharme
Verstärker
funktionieren würden,
und das Strahlformungsnetzwerk 36 umzukehren.
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Obwohl
hier die beste Ausführungsform
zur Ausführung
der Erfindung im Detail beschrieben wurde, wird der Fachmann auf
diesem Gebiet viele alternative Realisierungen und Ausführungsformen
erkennen, von denen ein Beispiel in dem vorgehenden Absatz beschrieben
wurde, um die anhand der nachfolgenden Ansprüchen definierte Erfindung auszuführen.