DK149675B - Foedearrangement til en antenne for blandt andet satelitsignaler - Google Patents

Description

149075

Opfindelsen angår et fødearrangemeirt til en antenne, omfattende en fødeåbning med rektangulært .tværsnit, en rektangulær bølgelederkonfiguration, der er koblet til åbningen, og en polarisationskonverter til konvertering af polarisationen af modtagne signaler til en ønsket polarisation, hvilken polarisationskonverter omfatter en skærm, der er sammensat af flere lag bæremateriale med et ledermønster påført hvert lag, og som for HF-elektriske felter i planen af skærmen for én retning danner en hovedsagelig induktiv belastning, og for en retning vinkelret herpå danner en hovedsagelig kapacitiv belastning, hvilken skærm er anbragt foran fødeåbningen vinkelret på forlængelsen af længdeaksen af bølgelederen.

Et sådant fødearrangement anvendes blandt andet i modtageanten- 149675 2 ner for satellitkommunikationssystemer, såsom i transmissionen af fjernsynssignaler med en bærefrekvens på 12 GHz, og kendes f.eks. fra PR patentskrift nr. 1.501.000.

Ved sådanne systemer optræder det problem, at strålebundterne fra nærliggende satellitter delvis overlapper hinanden på jordens overflade. For at muliggøre modtagelse af hvert satellitsignal for sig vælges polarisationen af signalerne fra nærliggende satellitter forskelligt.

Cirkulær polarisation foretrækkes, fordi modtagelsen ved cirkulær polarisation i modsætning til lineær polarisation ikke er følsom over for den geografiske beliggenhed af antennen i forhold til satellitten eller senderen.

Et fødearrangement til modtagelse af sådanne signaler er beskrevet i rapport nr. 21 fra "BBC Research Department Engineering Division", august 1976. Det deri beskrevne fødearrangement omfatter en polarisationskonverter, der er dannet af en cirkulær bølgeleder, som er forsynet med flere reaktive elementer og ved enden er forbundet til en cirkulær fødeåbning. Ved hjælp af denne konverter konverteres modtagne, cirkulært polariserede bølger til lineært polariserede bølger, nemlig til vertikalt polariserede bølger for én omdrejningsretning for de cirkulært polariserede bølger, og til horisontalt polariserede bølger for den modsatte omdrejningsretning for de cirkulært polariserede bølger.

Ved hjælp af en kobler for indbyrdes ortogonale svingningsformer forbundet til fødearrangementet tilføres de indbyrdes ortogonale, lineært polariserede bølger til rektangulære bølgeledere for yderiigere behandling.

Som følge af den komplicerede struktur er dette fødearrangement ikke så velegnet til brug i forbindelse med en lille båndbredde, såsom ved individuelle modtageantenner for massekommunikation via satellit, hvor kun ét eller et af flere signaler skal modtages.

Opfindelsen går ud på at tilvejebringe et meget enkelt fødearrangement, der er egnet til masseproduktion og indrettet til modtagelse af en hvilken som helst art polarisation, samtidig med at der opretholdes undertrykkelse af én af de lineære og én af de cirkulære polarisationer med optimal modtagelse af den anden henholdsvis lineære eller cirkulære polarisation.

Stråleren ifølge opfindelsen er følgelig ejendommelig ved, at bølgelederkonfigurationen er delt i to dele ved længdesymmetriplanen 3 149S75 parallelt med det elektriske felt af TE^-svingningsformen i denne bølgelederkonfiguration, at skærmen er anbragt således, at den kan dreje om bølgelederens længdeakse, og at den rektangulære bølge-lederkonfiguration er anbragt således omkring længdeaksen af bølgelederen, at den kan dreje i forhold til fødearrangementets hus.

Det skal her bemærkes, at der fra artiklen "Meander-line Polariser" i IEEE Transactions on Antenna and Propagation, maj 1973, siderne 376-378, i og for sig kendes en polarisationskonverter, som omfatter en skærm, der er sammensat af flere lag bæremateriale, som hvert er forsynet med et ledermønster, som for det højfrekvente elektriske felt, der er beliggende i skærmens plan, i en vis retning danner en hovedsagelig induktiv belastning og i en retning vinkelret herpå danner en hovedsagelig kapacitiv belastning.

Ifølge en foretrukken udførelsesform omfatter huset en cylindrisk tilpasning, hvori den rektangulære bølgelederkonfigura-tion er anbragt på drejelig måde, og konverteren omfatter en holder for skærmen, som understøttes på drejelig måde omkring tilpasningen, hvorhos fødearrangementet forbundet til huset har en motor, som er direkte koblet til den ene af komponenterne i den gruppe, der udgøres af bølgelederkonfigurationen og konverteren, for at bevæge denne komponent ved fjernstyring til en hvilken som helst ønsket position i forhold til huset, medens et koblingsorgan findes til at få den ene komponent til at drive den anden komponent over en. vis vinkel for indstillina af en ønsket vinkel mellem nnsitinnerne af de to komponenter. Dette, har den fordel, at der kun kræves, én motor til bevægelse af bølgelederkonfigurationen og. konverteren til den ønskede position ved hjælp af fjernstyring.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, hvor tilsvarende dele i de forskellige figurer har samme henvisningsbetegnelser, og hvor fig. 1 viser en antenne med en reflektor og et fødearrangement, fig. 2 et snit gennem en del af et fødearrangement ifølge opfindelsen, fig. 3 et snit gennem et modtageorgan, der er konstrueret delvis i form af en bølgeleder i fødearrangementet ifølge fig. 2, fig. 4 en del af det i fig. 2 viste fødearrangement, set forfra, fig. 5 et snit efter linjen A-A i fig. 2, 4 1'49675 fig. 6a-6d indstillingspositioner for fødearrangementet, der er vist i fig. 2 på basis af det i fig. 5 viste tværsnit, og fig. 7 kredsløbsskemaet for et styrekredsløb til fjernstyring af det i fig. 2 viste fødearrangement.

Fig. 1 viser en antenne, der omfatter en reflektor 1 og et fødearrangement 2. Dette fødearrangement anvendes til blandt andet at behandle SHF-signaler, der udsendes af satellitter, og indfanges af antennen. Fødearrangementet er understøttet ved hjælp af en stav 3 og anbragt foran brændpunktet for reflektoren 1.

Fødearrangementet 2 omfatter blandt andet et hus 6, der er forbundet til staven 3, og en cylindrisk tilpasning 5, der er forbundet til huset, som vist i fig. 2. For at forøge stivheden er en væg 7 anbragt mellem tilpasningen 5 og staven 3. Endvidere omfatter fødearrangementet 2 et modtageorgan 4, som delvis er konstrueret som en rektangulær bølgeleder. Fig. 3 viser et snit gennem huset for modtageorganet 4, hvilket snit svarer til tegneplanen for fig. 2.

Modtageorganet 4 omfatter en bølgeleder 8, hvoraf en udvidet endedel udgør et horn 9, som ender i en munding eller fødeåbning 10. Modtageorganet 4 er således indrettet, at midten af åbningen 10 falder sammen med brændpunktet for reflektoren 1.

Som vist i fig. 3 ender den anden ende af bølgelederen 8 i et rum 11, hvori der kan anbringes et SHF-signalbehandlingsudstyr, som ikke er vist på tegningen, og som er tilvejebragt i mikrostripteknik. Dette SHF-udstyr er direkte koblet til bølgelederen 8 ved hjælp af en mikrostrip-bølgelederomsætter, som beskrevet i hollandsk patentansøgning nr. 7402693. Endvidere er udgangen fra SHF-signalbehand-lingsudstyret forbundet til andet modtageudstyr, som ikke er vist, ved hjælp af et koaksialkabel 12, der er vist skematisk i fig. 2 ved en punkteret linje gennem et hul 13 i huset for modtageorganet 4.

Et fødearrangement 2, som er egnet til forskellige polarisationer, og som kan massefremstilles billigt, fås ved dels at sammensætte huset for modtageorganet 4 af to halvdele, dels ved at anvende en speciel polarisationskonverter (14, 15), som er anbragt drejeligt i forhold til fødeåbningen 10.

Den omstændighed, at huset for modtageorganet består af to dele, har den fordel, at hver halvdel kan fremstilles på meget enkel måde af syntetisk harpiks, såsom acrylonitril-butadin-styren ved trykstøbning eller sprøjtestøbning og derefter forsynes med et tyndt ledende 149675 5 lag, f.eks. ved vakuurtiaflejring af kobber, sølv og/eller guld. Efter at de to halvdele er anbragt i kontakt med hinanden og fæstnet, er der på meget enkel og pålidelig måde dannet en meget god bølgeleder-konfiguration 8, 9 og 10.

Trykstøbning eller sprøjtestøbning af huset for modtageorganet giver desuden den mulighed at tilvejebringe et bølgelederfilter, uden at der kræves yderligere operationer, hvilket filter på i og for sig kendt måde er sammensat af flere vægge. Endvidere medfører den omstændighed, at huset for det nævnte organ udgøres af to dele, at SHF-signalbehandlingsudstyret, der er tilvejebragt i mikrostrip-teknik, kan monteres på meget enkel måde.

Delingsplanen, som falder sammen med tegneplanen for fig. 2, må ikke påvirke bølgeudbredelsen i bølgelederen. I modsætning til det modtageorgan, som kendes fra "BBC Research Report 21", 1976, er fødeåbningen 10 rektangulær, og dette vindue er over et rektangulært horn 9 forbundet til den rektangulære bølgeleder 8. En sådan bølgelederkonfiguration kan deles langs en længdesymmetriplan, som er parallel med det elektriske felt for TE0^-svingningsformen i bølgelederen, fordi denne plan ikke skærer vægstrømmene, der tilvejebringes ved denne svingningsform.

Den rektangulære åbning 10 kan imidlertid kun anvendes i forbindelse med en vis type polarisationskonverter, som kræver et specielt arrangement. Ifølge opfindelsen er denne polarisationskonverter 14, 15 af den type, der omfatter en skærm, som er sammensat af for eksempel fire lag bæremateriale, såsom polyester, hvor hvert lag er forsynet med et antal trykte ledere 16, der er arrangeret med indbyrdes ens afstand parallelt med hinanden, således som vist med det i fig. 4 viste billede forfra af skærmen 14. Denne fig. 4 viser fuldt optrukket to meanderformede ledere 16, medens de øvrige ledere er vist med punkterede linjer. En detaljeret beskrivelse med dimensionering af et eksempel på en sådan polarisationskonverter er givet i artiklen "Meander-line Polarizer" af Leo Young, Lloyd A. Robinson og Colin A. Hackin, offentliggjort i IEEE Transactions on Antennas and Propagation, maj 1973, siderne 376-378.

Denne polarisationskonverter arbejder på følgende måde.

De meanderformede ledere 16 udgør for et elektrisk felt, der er parallelt med længderetningen af disse ledere 16, en hovedsagelig induktiv belastning, medens de for et elektrisk felt, som er beliggende i ledernes plan og står på tværs af disse ledere, udgør en hovedsagelig kapacitiv belastning. Ved et passende valg af meander- 149675 6 kurvens dimensioner og den indbyrdes afstand er størrelserne af disse belastninger lige store. For en lineært polariseret bølge, hvis elektriske felt er beliggende i planen for lederne 16 og danner en vinkel på 45° med disse ledere, er den elektriske feltkomposant i længderetningen af lederne belastet induktivt, og den elektriske feltkomposant på tværs af lederne er belastet kapacitivt, så at faserne af disse to komposanter forskydes lige meget, men i modsatte retninger.

Anvendelse af flere efter hinanden følgende lag med en indbyrdes afstand på 1/4 bølgelængde ved arbejdsfrekvensen og med en vis dimensionering af meanderkurverne resulterer dels i en faseforskel på 90° mellem de nævnte komposanter, dels i at refleksionerne af bølgerne på de efter hinanden følgende lag elimineres ved destruktiv interferens over et vidt frekvensbånd. Faseforskellen på 90° mellem de indbyrdes ortogonale komposanter af det elektriske felt bevirker, at polarisationen er cirkulær. Som følge af den reciprokke karakter af konverteren konverteres en cirkulært polariseret bølge på tilsvarende måde til en lineært polariseret bølge af konverteren 14, 15.

En sådan lineært polariseret bølge kan trækkes ind næsten uden tab af udgangsåbningen 10 og tilføres via hornet 9 som TE^-sving-ningsform til bølgelederen 8.

Den elektriske feltvektor for en cirkulært polariseret bølge kan dreje enten med uret eller mod uret. For en polarisation med uret kommer den horisontale komponent foran den vertikale komponent, medens det er omvendt for polarisationen mod uret. Resultatet er, at hvis polarisationskonverteren 14, 15 konverterer en bølge med cirkulær polarisation med uret til en vertikalt polariseret bølge, vil en cirkulært polariseret bølge mod uret omdannes til en horisontalt polariseret bølge.

For selektivt at modtage hver af disse typer for sig er skærmen 14 i overensstemmelse med en udførelsesform for opfindelsen anbragt i en holder 15, som er anbragt drejeligt om den cylindriske tilpasning 5. Ved at dreje beholderen 45° med uret i forhold til den i fig. 2 viste position, når denne ses fra højre, modtages cirkulært polariserede bølger med polarisation med uret næsten uden tab, medens mod uret cirkulært polariserede bølger reflekteres af bølgelederkon-figurationen 8, 9 og 10. Drejning af holderen 15 45° mod uret fra den i fig. 2 viste position medfører, at mod uret cirkulært polariserede bølger modtages næsten uden tab, medens med uret cirkulært polariserede bølger reflekteres. Alle typer af polarisationer fra med 7

ί4967S

uret cirkulært polariserede til mod uret cirkulært polariserede bølger kan modtages næsten tabsfrit ved drejning af holderen 15 en vinkel, som svarer til den pågældende type af polarisation. For den position, der er vist i fig. 2, modtages horisontalt polariserede bølger næsten tabsfrit.

Det skal bemærkes, at skærmen 14 ikke er begrænset til den cylindriske form, der er vist i fig. 2. Der kan også anvendes andre former, såsom en flad skærm. Endvidere ér lederne 16 ikke begrænsede til meanderformen, der er vist i fig, 4, men en hvilken som helst lederstruktur, som i δη retning danner en i det væsentlige induktiv belastning og i en retning vinkelret derpå en hovedsageligt kapacitiv belastning, kan anvendes. Begge belastningerne behøver ikke at være lige store, i sidstnævnte tilfælde afviger den vinkel, hvori lederne 16 skal være arrangerede i forhold til fødeåbningen for at sikre modtagelse af cirkulært polariserede bølger, fra 45° og er bestemt af forholdet mellem argumenterne for belastningerne. I et ydertilfælde kan det ene af disse argumenter være nul.

For at muliggøre næsten tabsfri modtagelse af vertikalt polariserede bølger ved hjælp af fødearrangementet 2, der er vist i fig.2, er modtageorganet 4 i overensstemmelse ired en videre udførelsesform for opfindelsen indrettet drejeligt i den cylindriske tilpasning 5, så at modtageorganet 4 kan drejes 90°. I den drejede position reflekteres de horisontalt polariserede bølger af bølgelederkonfigura-tionen 8, 9 og 10.

For at muliggøre let drejning er huset for modtageorganet udformet cirkulært cylindrisk og er endvidere forsynet med en krave 18 og en fure 19, som i den viste stilling indeholder en låsefjeder 20, hvormed modtageorganet 4 holdes i tilpasningen 5.

Som følge af det drejelige arrangement af både konverteren 14, 15 og modtageorganet 4 kan der modtages en hvilken som helst type af polariserede bølger næsten tabsfrit.

Fødearrangementet 2 er forsynet med en motor 21 til indstilling af dets vinkelposition ved hjælp af fjernstyring for at tilpasse arrangementet til modtagelse af et specielt polariseret signal. En motor 21, som i denne udførelsesform kan indstilles trinvis, er koblet over et gear 22, 23 til modtageorganet 4 for bevægelse af dette til en hvilken som helst ønsket position i forhold til huset.

For at bevæge konverteren 14, 15 til en ønsket position ved hjælp af den samme motor 21 er huset for modtageorganet 4 ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen forsynet med en fure 24, der 149675 8 strækker sig over 135° a,£ omkredsen af huset, som vist i det i fig.5 viste snit gennem modtageorganet efter linjen A-A i fig. 2. Endvidere er holderen 15 for konverteren forsynet med et stop i form af en skrue 25, som rager ind i furen 24. Dette resulterer dels i, at holderen 15 føres med af endefladerne 34 og 35 af furen 24, der er vist i fig. 5, dels i, at holderen 15 er fikseret i aksial retning. Drejningsbevægelsen af holderen 15 er begrænset ved hjælp af endefladerne 34 og 35 i'en reces 26, som strækker sig over 135° af omkredsen, og hvori væggen 7 er beliggende.

Det skal bemærkes, at det også er muligt at lade holderen 15 drive direkte af motoren 21 og at drive modtageorganet 4 med holderen ved drejning ved hjælp af en tilsvarende form for sammenkobling.

De indstillinger af fødearrangementet 2, der kræves for de mest fremherskende typer af polarisation, vil blive forklaret nærmere under henvisning til fig. 6a-6d. For enkelhedens skyld viser disse figurer kun snittet gennem huset for modtageorganet 4 svarende til det i fig. 5 viste snit. I disse figurer er delingsplanen for huset for modtageorganet 4 angivet med 31. Endvidere antages det, at i stedet for at recessen 26 bevæges i forhold til skillevæggen 7, bevæges skillevæggen i forhold til recessen 26. Dette muliggør at . kombinere funktionen af skillevæggen 7 og af sammenkoblingen 25 i den i figurerne viste tap 27. Dels rager denne tap 27 ind i furen 24 for ved drejningen at drive denne tap 27 med endefladerne 32 og 33, dels begrænses bevægelserne af anslagene 28 og 29, som repræsenterer kanterne af recessen 26. Af konverteren 14, 15, der drives af tappen 27 ved drejning af modtageorganet 4, er de meanderformede ledere 16 symbolsk repræsenterede af gitteret 30.

Udgående fra en referenceposition, som er vist i fig. 6a for fødearrangementet 2 og en drejning på en halv grad af modtageorganet 4 for hvert skridt af skridtmotoren 21, tilføres optimal signalstyrke til SHF-udstyret for et modtagesignal: med en horisontal polarisation ved at lade skridtmotoren dreje 90 skridt med uret, så at modtageorganet 4 ankommer til den position, der er vist i fig. 6b, som svarer til den i fig. 2 viste indstilling-f med en vertikal polarisation ved at lade skridtmotoren foretage 270 skridt mod højre, så at modtageorganet antager den position, der er vist i fig. 6c; med i retning mod uret gående polarisation ved at lade skridtmotoren foretage først 360 skridt mod højre, så at modtageorganet driver « 149675 9 konverteren 45° efter en drejning på 180° mod højre, så at konverteren er i den position, der er vist i fig. 6d, og ved derefter at lade skridtmotoren foretage 90 skridt mod uret, så at modtageorganet 4 drejes tilbage 45° og antager den position, der er vist i fig. 6d, og; med en med uret gående cirkulær polarisation ved den referenceposition, der er vist i fig. 6a.

Fig. 7 viser kredsløbet for fjernstyring af skridtmotoren 21. Dette kredsløb er sammensat af en styrekreds 38 anbragt i nogen afstand fra antennen 1, 2 og 3, der er vist i fig. 1, og et kredsløb 39, der er anbragt i huset 6 for fødearrangementet 2.

Kredsløbet 38 indeholder en impulsgenerator 40, som efter indkobling afgiver en vedvarende serie af impulser dels direkte til en første indgang af en OG-port 41, dels til en tæller 42 med en indstillelig maksimaltællingsposition. I den tid, hvor maksimaltællingspositionen ikke er nået, afgiver tælleren 42 høj signalspænding til en anden indgang til OG-porten 41. Når denne maksimaltællingsposition nås, skifter udgangsspændingen fra tælleren 42 fra høj til lav og spærrer OG-porten 41. For at få skridtmotoren 21 til at foretage et ønsket antal skridt,' indstilles tællerpositionen af tælleren 42 først til den ønskede værdi, hvorefter impulsgeneratoren 40 startes. OG-porten 41 overfører det ønskede antal impulser, som efter forstærkning i forstærkeren 43 tilføres omskifterarmen på omskifteren 44 i en to-stillings dobbelt omskifter 44, 45. I den position af omskifteren 44, 45, som ikke er indtegnet, tilføres impulserne en første aktiveringsvikling 46 i motoren 21, hvilket får motoren 21 til at foretage det ønskede antal skridt med uret. I den position af omskifteren 44, 45, der er vist i fig.7, tilføres impulserne over en kobler 37 i dennes ikke viste stilling til en anden vikling 47 i motoren 21, hvilket får motoren 21 til at dreje modtageorganet 4 mod uret.

Kobleren 37 er indskudt i kredsløbet for at sikre, at fødearrangemen-tet bevæges ind i referencepositionen, når dette ønskes. I denne hensigt er kobleren 37 udformet som en mikrokobler og anbragt i huset 6 af fødearrangementet, og gearhjulet 23 er forsynet med en knast 36, der er således anbragt, at den åbner den normalt lukkede kobler 37 i referencepositionen af fødearrangementet. Ved ud fra en vilkårlig indstilling af fødearrangementet 2. at sætte tælleren 42 til maksimaltællingspositionen på i det mindste 360, og ved at sætte omskifteren 44, 45 til den position, der er vist på tegningen, vil skridtmotoren dreje modtageorganet mod uret, indtil knasten 36 åb-

Claims (2)

149675 ner kobleren 37, hvilket altid bevæger fødearrangementet 2 ind i referencepositionen. Alle øvrige impulser, der afgives af OG-porten 41, spærres af den åbne kobler 37. Det skal bemærkes, at der i stedet for skridtmotoren kan anvendes en kontinuerligt styrbar motor i kombination med en antenne, der er anbragt i bølgelederen 3, som er koblet til aktiveringskredsen for motoren for kontinuerlig styring af positionen af fødearrange-mentet 2 for at opnå optimalt signal/støjforhold. Endvidere skal det bemærkes, at det ved anvendelse af skridtmotoren er muligt at forudindstille til en vis forudindstilling, som ikke tilbagevendende indstilles til det optimale signal/støj-forhold. Endvidere kan der anvendes en Cassegrain-antenne i stedet for den i fig. 1 viste antenne, hvorved polarisationsskærmen kan anbringes foran underreflektoren eller foran hornet.

1. Pødearrangement (2) til en antenne, omfattende en fødeåbning (10) med rektangulært tværsnit, en rektangulær bølgelederkon-figuration (8, 9), der er koblet til åbningen, og en polarisationskonverter (14, 15) til konvertering af polarisationen af modtagne signaler til en ønsket polarisation, hvilken polarisationskonverter omfatter en skærm (14), der er sammensat af flere lag bæremateriale med et ledermønster (16) påført hvert lag, og som for HF-elektriske felter i planen af skærmen for én retning danner en hovedsagelig induktiv belastning, og for en retning vinkelret herpå danner en hovedsagelig kapacitiv belastning, hvilken skærm (14) er anbragt foran fødeåbningen (10) vinkelret på forlængelsen af længdeaksen af bølgelederen, kendetegnet ved, at bølgelederkonfigurati-onen (8, 9) er delt i to dele ved længdesymmetriplanen parallelt med det elektriske felt af TE0^-svingningsformen i denne bølge-lederkonfiguration, at skærmen (14) er anbragt således, at den kan dreje om bølgelederens længdeakse, og at den rektangulære bølge-lederkonfiguration (8, 9) er anbragt således omkring længdeaksen af bølgelederen, at den kan dreje i forhold til fødearrangementets hus (5, 6).

2. Fødearrangement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at huset (5, 6) omfatter en cylindrisk tilpasning (5), hvori den