EP0128970B1 - Viertornetzwerk für Mikrowellenantennen mit Monopulsnachführung - Google Patents

Viertornetzwerk für Mikrowellenantennen mit Monopulsnachführung Download PDF

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EP0128970B1
EP0128970B1 EP83105973A EP83105973A EP0128970B1 EP 0128970 B1 EP0128970 B1 EP 0128970B1 EP 83105973 A EP83105973 A EP 83105973A EP 83105973 A EP83105973 A EP 83105973A EP 0128970 B1 EP0128970 B1 EP 0128970B1
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antenna
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/04—Multimode antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion

Definitions

  • the present invention relates to an antenna feed system with a four-gate network for separating four signal paths which are assigned to two polarizations and two frequency bands, the input waveguide in which signals of both frequency bands and both polarizations of the basic wave type can be propagated, is connected to an exciter horn of a microwave antenna and one having a branching arrangement provided with a plurality of branching arms for frequency and polarization separation.
  • Microwave antennas are often used to send and receive signals from two frequency bands and polarizations. Feeding systems that allow such multiple use of the antenna are known under the name of four-wire network, system switch or quadruplexer.
  • the prior art includes four-door networks which are designed for two linearly orthogonally polarized frequency bands (cf. e.g. DE - B-24 43 166) and those which are designed for two circularly orthogonally polarized frequency bands (cf. e.g. DE-A-29 32 626, DE-A-27 03 878).
  • Such feed systems are used, for example, in ground station antennas for satellite radio in the 4/6 GHz range.
  • methods and devices are required which allow the ground station antenna to be aligned or tracked to the assigned satellite.
  • the known monopulse method is usually used for this, according to which antenna placement signals are derived from the radiation properties of one or more higher waveguide wave types.
  • monopulse methods are described in detail in DE-C-21 35 611 and DE-C-22 12 996.
  • DE-A-25 21 956 also describes an arrangement for decoupling a higher wave type serving as a direction-finding signal from a polarization switch.
  • a coaxial line protrudes up to the branching point of a waveguide branch, which decouples the higher wave type excited there.
  • a wave type switch known from DE-A-28 04 132 certain wave types are decoupled from a waveguide via coaxial lines arranged therein.
  • the frequency band (4 GHz) of the downward signal is generally far below the frequency band (6 GHz) of the upward signal.
  • the monopulse device of the ground station antenna requires the downward signal (reception signal) to obtain the storage signals.
  • the problem generally arises that the higher wave types required for obtaining the storage signals can only exist in the throat of the exciter horn of the antenna.
  • the higher wave types are reflected on the tapered throat of the exciter horn, which only lets the fundamental wave through.
  • the higher shaft types can therefore only be coupled within the conical horn mouth.
  • Devices for coupling the higher types of waves in a waveguide and in particular in a conical exciter horn are known as mode couplers z. B.
  • US-A-3 815 136 states that higher wave types, which serve as antenna tracking signals, are decoupled from an antenna exciter by means of a conductor projecting into it, which is arranged coaxially in a waveguide connected to the antenna exciter.
  • this conductor arranged in the waveguide is provided on the inside with coaxial lines, via which the coupled higher wave types are led out of the waveguide.
  • the invention is based on the object of supplementing an antenna feed system with a four-port network of the type mentioned at the beginning by simple means which accomplish the derivation of at least one higher wave type required for monopulse tracking without the useful signal transmission properties of the four-port network being disturbed.
  • the figure shows in longitudinal section a four-gate network 2 connected to a grooved exciter horn 1, as is known from DE-B-24 43 166.
  • This four-port network 2 begins with an input waveguide 3 with a round or square cross-section, in which two double-polarized waveguide waves can be propagated in two frequency bands (4 GHz / 6 GHz).
  • the input waveguide 3 is followed by a waveguide section 4 with a cross-sectional taper, which forms the transition to a waveguide 5, in which the waves of the lower frequency band (4 GHz) cannot propagate due to its cross-sectional dimensions.
  • a polarization switch (not shown in the figure) is connected to the waveguide 5 and divides the upper frequency band (6 GHz) into its two orthogonal polarizations.
  • the high-pass characteristics of the waveguide 5 effect at the end of the input waveguide 3 and in the front part of the transition hollow conductor Section 4, where the two frequency bands should branch, standing waves in the lower frequency band.
  • These waves are coupled with four coupling elements arranged in a double symmetry. In the figure, only the coupling elements 6, 7 lying in a longitudinal section plane are shown. The other two coupling elements are arranged in the longitudinal sectional plane perpendicular to the plane of the drawing.
  • Each of the four coupling elements is followed by a waveguide arm 8, 9, each of which has a filter 10, 11 in the form of z. B. a radial circuit lock is integrated. These filters 10, 11 serve to block signal portions of the upper frequency band which have been coupled by the coupling elements 6, 7 together with the signals of the lower frequency band.
  • Two mutually opposite waveguide arms 8, 9 are brought together in a 180 ° hybrid 12 (magic T).
  • the useful signal of the lower frequency band of one polarization direction is then present at the sum output 13 of the one hybrid 12 and the useful signal of the lower frequency band of the other polarization direction is present at the sum output of the second hybrid.
  • the four-to-four network described above and on which DE-B-24 43 166 is based is designed for the separation of linearly polarized signals from two different frequency bands.
  • the four-port network is also able to separate circularly polarized signals.
  • the E ol wave excited in an excitation horn with a round cross section or the E 11 wave excited in an excitation horn with a rectangular cross section is usually used.
  • the figure shows the means by which the Eo i or E ll wave, which cannot normally propagate through the throat of the excitation horn 1 and the subsequent waveguide sections 14, 15, 3 due to their cross-sectional dimensions, is coupled to the four-pole network 2.
  • the coupling takes place with the aid of a conductor 16 which runs through the waveguide sections 14, 15, 3 between the excitation horn 1 and the branching for the frequency bands in the four-port network 2 centrally in the longitudinal direction.
  • the waveguide section 14 represents a transition from the round to the square (or vice versa) waveguide cross section, and the waveguide section 15 is, for example, a polarization converter, as is known from DE-A-29 32 626.
  • the conductor 16 extends so far into the exciter horn 1 (e.g. with a round cross section) that it completely couples the E, 1 wave present there in the case of an antenna deposit (in the grooved exciter horn, it is the E o p wave), and converts this wave type into a coaxial wave type (L or TEM wave).
  • the conductor ends 16 In the vicinity of the coupling means 6, 7, where the branch of the frequency bands is carried out in the four-port network, the conductor ends 16 and generates an aperiodic E ll field that together with the useful signal of the lower frequency band to the behind the coupling means following waveguide arms 8, 9 is coupled.
  • the higher shaft type is finally separated from the useful shaft in the 180 ° hybrid 12 which unites the waveguide arms 8, 9.
  • the useful wave can be tapped at the sum output and the higher wave type at the differential output 17 of the hybrid 12.
  • the four-door network has a total of two hybrids, on each of which two waveguide arms are brought together.
  • Each hybrid therefore delivers a signal component of the higher wave type at its differential output.
  • the two signal components can be combined in that the two differential outputs of the hybrids are connected together via a 3dB coupler and an upstream phase element.
  • One of the two differential outputs can also be provided with a displaceable short circuit, as a result of which the impedance matching of the other differential output to the higher wave type can be optimized at a desired frequency.
  • the attachment of the conductor 16 in the center of the waveguide sections 14, 15 and 3 can by dielectric supports, for. B. diagonally braced threads. To ensure that the disturbance of the useful wave remains negligibly small, it must be ensured that the supports have only a little dielectric material.
  • the conductor can be attached to the diagonally extending dielectric plate.
  • the higher wave type passes through the filters 10, 11 arranged behind the coupling means 6, 7 and is thereby kept free of signal parts of the higher frequency band.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft'ein Antennenspeisesystem mit einem Viertornetzwerk zum Trennen von vier Signalwegen, die zwei Polarisationen und zwei Frequenzbändern zugeordnet sind, dessen Eingangshohlleiter, in dem Signale beider Frequenzbänder und beider Polarisationen vom Grundwellentyp ausbreitungsfähig sind, mit einem Erregerhorn einer Mikrowellenantenne verbunden ist und eine mit mehreren Verzweigungsarmen versehene Verzweigungsanordnung für die Frequenz- und Polarisationstrennung aufweist.
  • Mikrowellenantennen werden häufig ausgenutzt zum Senden und Empfangen von Signalen aus jeweils zwei Frequenzbändern und Polarisationen. Speisesysteme, die eine solche Mehrfachausnutzung der Antenne ermöglichen, sind unter der Bezeichnung Viertometzwerk, Systemweiche oder Quadruplexer bekannt. Zum Stand der Technik gehören Viertornetzwerke, die für zwei linear orthogonal polarisierte Frequenzbänder ausgelegt sind (vgl. z. B. DE-B-24 43 166) und solche, die für zwei zirkular orthogonal polarisierte Frequenzbänder ausgelegt sind (vgl. z. B. DE-A-29 32 626, DE-A-27 03 878).
  • Derartige Speisesysteme werden beispielsweise in Bodenstationsantennen des Satellitenfunks im 4/6 GHz-Bereich eingesetzt. Speziell beim Satellitenfunk sind Verfahren und Einrichtungen erforderlich, die eine Ausrichtung bzw. Nachführung der Bodenstationsantenne auf den zugeordneten Satelliten erlauben. Hierfür macht man sich üblicherweise das bekannte Monopulsverfahren zunutze, wonach aus den Strahlungseigenschaften eines oder mehrerer höherer Hohlleiterwellentypen Antennenablagesignale abgeleitet werden. Z. B. in der DE-C-21 35 611 und der DE-C-22 12 996 sind Monopulsverfahren detailliert beschrieben. Auch die DE-A-25 21 956 beschreibt eine Anordnung zum Auskoppeln eines als Peilsignal dienenden höheren Wellentyps aus einer Polarisationsweiche. Dabei ragt bis zum Verzweigungspunkt einer Hohlleiterverzweigung eine Koaxialleitung hinein, welche den dort angeregten höheren Wellentyp auskoppelt. Bei einer aus der DE-A-28 04 132 bekannten Wellentypweiche werden aus einem Hohlleiter über darin angeordnete Koaxialleitungen bestimmte Wellentypen ausgekoppelt.
  • Im Satellitenfunk liegt in der Regel das Frequenzband (4 GHz) des Abwärtssignals weit unterhalb des Frequenzbandes (6 GHz) des Aufwärtssignals. Die Monopulseinrichtung der Bodenstationsantenne benötigt das Abwärtssignal (Empfangssignal) zur Gewinnung der Ablagesignale. Dabei ergibt sich in der Regel das Problem, daß die zur Gewinnung der Ablagesignale erforderlichen höheren Wellentypen nur im Schlund des Erregerhorns der- Antenne existenzfähig sind. Die höheren Wellentypen werden nämlich am verjüngten Schlund des Erregerhorns, der nur die Grundwelle durchläßt, reflektiert. Die Ankopplung der höheren Wellentypen kann daher nur innerhalb des konischen Hornschlundes erfolgen. Vorrichtungen zum Ankoppeln der höheren Wellentypen in einem Hohlleiter und im besonderen in einem konischen Erregerhorn sind als Modenkoppler bekannt z. B. aus der DE-C-21 35 611, der DE-C-22 12 996, der DE-B-24 60 552 oder der DE-C-26 08 092. Diese Druckschriften verdeutlichen, daß die Modenkoppler recht aufwendige Gebilde sind. Außer dem besteht die Gefahr, daß beim Ankoppeln der höheren Wellentypen mit einem Modenkoppler der bekannten Art direkt an dem Erregerhorn (vgl. DE-B-24 60 552) unerwünschte Wellentypen angeregt und Nutzsignalanteile mit ausgekoppelt werden.
  • In der US-A-3 815 136 ist dargelegt, daß aus einem Antennenerreger mittels eines in ihn hineinragenden Leiters, der koaxial in einen an der Antennenerreger angeschlossenen Hohlleiter angeordnet ist, höhere Wellentypen ausgekoppelt werden, die als Antennennachführsignale dienen. In aufwendiger Weise ist dieser im Hohlleiter angeordnete Leiter in seinem Innern mit Koaxialleitungen versehen, über die die angekoppelten höheren Wellentypen aus dem Hohlleiter herausgeführt werden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antennenspeisesystem mit einem Viertornetzwerk der eingangs genannten Art um einfache Mittel zu ergänzen, die die Ableitung mindestens eines für eine Monopulsnachführung erforderlichen höheren Wellentyps bewerkstelligen, ohne daß die Nutzsignalübertragungseigenschaften des Viertornetzwerkes gestört werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellen Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt im Längsschnitt ein mit einem gerillten Erregerhorn 1 verbundenes Viertornetzwerk 2, wie es aus der DE-B-24 43 166 bekannt ist. Dieses Viertornetzwerk 2 beginnt mit einem Eingangshohlleiter 3 runden oder quadratischen Querschnitts, worin zwei doppelt polarisierte Hohlleiterwellen in zwei Frequenzbändern (4 GHz/6 GHz) ausbreitungsfähig sind. An den Eingangshohlleiter 3 schließt sich ein Hohlleiterabschnitt 4 mit einer Querschnittsverjüngung an, der den Übergang auf einen Hohlleiter 5 bildet, in dem sich aufgrund seiner Querschnittsabmessungen die Wellen des unteren Frequenzbandes (4 GHz) nicht ausbreiten können. An den Hohlleiter 5 ist eine Polarisationsweiche (in der Figur nicht dargestellt) angeschlossen, welche das obere Frequenzband (6 GHz) in seine zwei orthogonalen Polarisationen zerlegt.
  • Die Hochpaßeigenschaften des Hohlleiters 5 bewirken am Ende des Eingangshohlleiters 3 und im vorderen Teil des Übergangsholleiterabschnitts 4, dort wo eine Verzweigung der beiden Frequenzbänder stattfinden soll, stehende Wellen im unteren Frequenzband. Diese Wellen werden mit vier doppelt symmetrisch angeordneten Koppelelementen angekoppelt. In der Figur sind nur die in einer Längsschnittebene liegenden Koppelelemente 6, 7 dargestellt. Die anderen beiden Koppelelemente sind in der zur Zeichenebene senkrecht stehenden Längsschnittebene angeordnet.
  • Jedem der vier Koppelelemente ist ein Hohlleiterarm 8, 9 nachgeschaltet, worin jeweils ein Filter 10, 11, in Form z. B. einer Radialkreissperre integriert ist. Diese Filter 10, 11 dienen dazu, Signalanteile des oberen Frequenzbandes, welche von den Koppelelementen 6, 7 zusammen mit den Signalen des unteren Frequenzbandes angekoppelt worden sind, zu sperren.
  • Je zwei einander gegenüberliegende Hohlleiterarme 8, 9 sind in einem 180° Hybrid 12 (magisches T) zusammengeführt. An dem Summenausgang 13 des einen Hybrids 12 liegt dann das Nutzsignal des unteren Frequenzbandes der einen Polarisationsrichtung und an dem Summenausgang des zweiten Hybrids das Nutzsignal des unteren Frequenzbandes der anderen Polarisationsrichtung vor.
  • Das oben beschriebene und der DE-B-24 43 166 zugrunde liegende Viertometzwerk ist für die Trennung linear polarisierter Signale aus zwei verschiedenen Frequenzbändern ausgelegt. Durch einfache Ergänzung dieses Viertornetzwerkes gemäß der DE-A-29 32 626 um einen Polarisationswandler vor dem Einganghohlleiter und einen zweiten Polarisationswandler zwischen dem Hohlleiter 5 und der Polarisationsweiche für das obere Frequenzband ist das Viertornetzwerk auch in der Lage, zirkular polarisierte Signale zu trennen.
  • Für die Monopulsnachführung der Antenne wird üblicherweise die in einem Erregerhorn mit rundem Querschnitt angeregte Eol-Welie bzw. die in einem Erregerhorn mit rechteckigem Querschnitt angeregte E11-Welle ausgenutzt.
  • Die Figur zeigt, mit welchen Mitteln die Eoi- bzw. Ell-Welle, welche sich durch den Schlund des Erregerhorns 1 und die nachfolgenden Hohlleiterabschnitte 14, 15, 3 aufgrund deren Querschnittsabmessungen üblicherweise nicht ausbreiten können, an das Vierpolnetzwerk 2 angekoppelt wird. Die Ankopplung erfolgt mit Hilfe eines Leiters 16, der die Hohlleiterabschnitte 14, 15, 3 zwischen dem Erregerhorn 1 und der Verzweigung für die Frequenzbänder im Viertornetzwerk 2 zentrisch in longitudinaler Richtung durchläuft. Der Hohlleiterabschnitt 14 stellt dabei einen Übergang vom runden auf den quadratischen (bzw. umgekehrt) Hohlleiterquerschnitt dar, und der Hohlleiterabschnitt 15 ist beispielsweise ein Polarisationswandler, wie er aus der DE-A-29 32 626 bekannt ist.
  • Der Leiter 16 reicht soweit in das Erregerhorn 1 (mit z. B. rundem Querschnitt) hinein, daß er die dort im Falle einer Antennenablage vorhandene E,1-Welle (im gerillten Erregerhorn ist es die Eop-Welle) vollständig ankoppelt, und wandelt diesen Welletyp in einen koaxialen Wellentyp (L- oder TEM-Welle) um. In der Nähe der Koppelmittel 6, 7, wo die Verzweigung der Frequenzbänder im Viertornetzwerk erfolgt, endet der Leiter 16 und erzeugt dort ein aperiodisches Ell-Feld, das zusammen mit dem Nutzsignal des unteren Frequenzbandes an die hinter den Koppelmitteln folgenden Hohlleiterarme 8, 9 angekoppelt wird. Der höhere Wellentyp wird schließlich in dem die Hohlleiterarme 8, 9 vereinenden 180° Hybrid 12 von der Nutzwelle getrennt. Dabei ist die Nutzwelle am Summenausgang und der höhere Wellentyp am Differenzausgang 17 des Hybrids 12 abgreifbar.
  • Es ist somit bei Anwendung einfacher Mittel gelungen, den für die Monopulsnachführung erforderlichen höheren Wellentyp unter Umgehung der Grenzwelleneigenschaften des Erregerhornschlundes und der nachfolgenden Hohlleiterabschnitte 14, 15, 3 vom Erregerhorn bis an das Ausgangstor 17 des Viertornetzwerkes zu führen.
  • Wie bereits oben erwähnt, besitzt das Viertornetzwerk insgesamt zwei Hybride, an denen jeweils zwei Hohlleiterarme zusammengeführt sind. Jedes Hybrid liefert also an seinem Differenzausgang einen Signalanteil des höheren Wellentyps. Beispielsweise können die beiden Signalanteile dadurch zusammengefaßt werden, daß beide Differenzausgänge der Hybride über einen 3dB-Koppler und ein vorgeschaltetes Phasenglied zusammengeschaltet werden. Auch kann einer der beiden Differenzausgänge mit einem verschiebbaren Kurzschluß versehen werden, wodurch sich die Impedanzanpassung des anderen Differenzausganges an den höheren Wellentyp bei einer gewünschten Frequenz optimieren läßt.
  • Die Befestigung des Leiters 16 im Zentrum der Hohlleiterabschnitte 14, 15 und 3 kann durch dielektrische Stützen, z. B. diagonal verspannte Fäden, erfolgen. Damit die Störung der Nutzwelle vernachlässigbar gering bleibt, ist darauf zu achten, daß die Stützen nur wenig dielektrisches Material aufweisen.
  • Ist der Hohlleiterabschnitt 15 als Polarisationswandler ausgebildet gemäß der DE-A-29 32 626, so kann der Leiter an der diagonal verlaufenden dielektrischen Platte befestigt werden.
  • Als sehr vorteilhaft erweist sich, daß der höhere Wellentyp die hinter den Koppelmitteln 6, 7 angeordneten Filter 10, 11 durchläuft und dadurch von Signalteilen des höheren Frequenzbandes freigehalten wird.

Claims (3)

1. Antennenspeisesystem mit einem Viertornetzwerk (2) zum Trennen von vier Signalwegen, die paarweise zwei Polarisationen und paarweise zwei Frequenzbändern zugeordnet sind, dessen Eingangshohlleiter (3), in dem Signale beider Frequenzbänder und Polarisationen vom Grundwellentyp ausbreitungsfähig sind, mit einem Erregerhorn (1) einer Mikrowellenantenne verbunden ist und eine mit mehreren Verzweigungsarmen versehene Verzweigungsanordnung für die Frequenz- und Polarisationstrennung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die Signale des Grundwellentyps zwischen dem Erregerhorn (1) und dem Viertornetzwerk (2) übertragenden Hohlleiter (14, 15, 3) mindestens ein in longitudinaler Richtung verlaufender Leiter (16) angeordnet ist, der einerseits bis zum Bereich des Erregerhornschlundes reicht, wo er mindestens einen dort ausbreitungsfähigen, für eine Monopulsnachführung der Antenne erforderlichen höheren Wellentypen (E01 bzw. E11) ankoppelt und ihn als koaxialen Wellentyp durch den Hohlleiter (14, 15, 3) überträgt, und der andererseits in der Nähe der Verzweigungsanordnung im Eingangshohlleiter (3) des Viertornetzwerkes (2) endet, wo der koaxiale Wellentyp in ein aperiodisches Feld des im Erregerhornschlund angekoppelten höheren Wellentyps (E01 bzw. E11) umgewandelt wird, daß die an der Verzweigungsanordnung vorhandenen Verzweigungsarme (8, 9) die Signale dieses höheren Wellentyps zusammen mit den Signalen des Grundwellentyps ankoppeln, und daß die Trennung der Signale des höheren Wellentyps von den Signalen des Grundwellentyps durch Hybride (12) erfolgt, an denen die Verzweigungsarme zusammengeführt sind.
2. Antennenspeisesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (16) mittels dielektrischer Stützen im Hohlleiter zentrisch gehalten ist.
3. Antennenspeisesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zwischen dem Erregerhorn (1) und dem Viertornetzwerk (2) eingesetzten Polarisationswandler der Leiter (16) an der diagonal im Polarisationswandler angeordneten dielektrischen Platte befestigt ist.
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