SE439561B - Mataranordning for en antenn for bl a satellitsignaler - Google Patents

Description

7800165-3 från BBC Research Department Engineering Division av augusti 1976. Den här beskriv- na mataren innefattar en polarisationsomvandlare, vilken är konstruerad av en cir- kulär vågledare, vilken vågledare är försedd med ett flertal reaktiva element och vars ände är ansluten tillett cirkulärt matarhål. Medelst denna omvandlare omvand- las mottagna cirkulärt polariserade vågor till linjärt polariserade vågor, nämli- gen till vertlkalt polariserade vågor för en rotationsriktning hos de cirkulärt polariserade vågorna och till horisontellt polariserade vågor för den motsatta ro- tationsriktningen hos de cirkulärt polariserade vågorna.

Via en ortogonal modkopplingsanordning, som är ansluten till mataren, leds de inbördes ortogonalt linjärt polariserade vågorna till rektangulära vågledare för vidare behandling.

Till följd av den komplexa strukturen är denna matare inte så lämplig för att användas vid en liten bandbredd, såsom i individuellt mottagande antenner för mass- kommunikation genom satelliter, där endast en eller en av flera signaler skall tas emot. *_ Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en mycket enkel mataranordning som är lämpad för masstillverkning, vilken är utförd för mottagning av varje slag av polarisation, under det att den undertrycker en av de linjära respektive en av de cirkulära polamsationerna under optimal mottagning av den andra linjära respek- tive cirkulära polarisationen.

Radiatorn enligt uppfinningen kännetecknas för detta ändamål därav att vågledar- strukturen är uppdelad i två delar av det longítudinella symmetriplanet parallelltmed det elektriska fältet för TE01-moden i vågledarstrukturen, att denna skärm är anord- nad framför utgångsfönstret vinkelrätt mot utsträcknïngen av vågledarens längdaxel och är så anordnad att den kan vridas omkring vågledarens längdaxel.

Det observeras att en polarisationsomvandlare är i och för sig känd genom ar- tikeln "Meander-line Polarizer" i 1973, sid 376-378, vilken har en skärm som är sammansatt av flera skikt av bärmate- IEEE Transactions on Antenna and Propagation, maj rial med ett ledarmönster anbringat för varje skikt, vilken för HF-elektriska fäl- tet i skärmens plan i en given riktning verkar som en huvudsakligen induktiv be- lastning och en huvudsakligen kapacitiv belastning i en riktning vinkelrätt däremot.

I enlighet med en föredragen utföringsform har radiatorn ett hölje, i vilket den rektangulära vågledarkonfigurationen är anordnad så att den kan vridas omkring våg- ledarens längdaxel relativt höljet. Detta har fördelen att varje typ av polarisa- tion kan tas emot.

Ytterligare en föredragen utföringsform kännetecknas därav att höljet är för- sett med en cylindrisk fattning, i vilken den rektangulära vågledarkonfigurationen är anordnad på ett vridbart sätt, och att omvandlaren har en hållare för skärmen, vilken är uppburen på ett vridbart sätt omkring fattningen, medan radiatorn inne- fattar en med höljet förbunden motor, som är direkt kopplad till en av komponenter- na i den grupp, som utgöres av vågledarkonfigurationen och omvandlaren, för att brin- ga denna komponent att genom fjärreglering röra sig till varje önskat läge relativt _ _ _._ ___.-.___._:_._..___......_.._._ _ , _ _ . 7800165-3 s höljet, medan en kopplingsanordning är utförd att bringa den ena komponenten att driva den andra komponenten en given vinkel för inställning av en önskad vinkel mellan de båda komponenternas lägen. Detta har fördelen att bara en motor krävs för att bringa vågledarkonfigurationen och omvandlaren att röra sig till det önskade läget genom fjärreglering.

Uppfinningen och dess fördelar kommer nu att förklaras i detalj med hänvisning till ritningarna, varvid motsvarande komponenter i de olika figurerna har givits samma hänvisningsbeteckningar. Fig l visar en antenn med en reflektor och en matar- anordning, fig 2'visar en delvis skuren sidovy av en mataranordning enligt uppfin- ningen, fig 3 visar ett tvärsnitt genom en mottagningsanordning, som delvis är ut- förd i form av en vågledare i mataranordningen enligt fig 2, fig Å visar en del av en vy framifrån av mataranordningen enligt fig 2, fig 5 visar ett tvärsnitt längs linjen A-A i fig 2, figurerna 6a-6d visar schematískt några inställningslägen av den i fig 2 visade mataranordningen på basis av det i fig 5 visade tvärsnittet och fig 7 visar kopplingsschemat för en styrkrets för fjärreglering av den i fig 2 visade mataranordningen.

Fig l visar en antenn som har en reflektor l och en mataranordning 2. Denna mataranordning användes bl a för att ta hand om SHF-signaler som är utsända av satelliter och uppfångade av antennen. Mataranordningen är uppburen av en stång 3, som är anordnad framför reflektorns l fokalpunkt.

Mataranordningen 2 innefattar bl a ett hölje 6, som är förbundet med stången 3, och en çylindrisk fattning 5 som är förbunden med höljet. såsom är visat i fig 2.

För att öka styvheten är en mellanvägg 7 anordnad mellan fattningen 5 och stången 3.

Dessutom innefattar mataranordningen 2 en mottagningsanordning H som delvis är ut- förd som en rektangulär vågledare. Fig 3 visar ett tvärsnitt genom mottagningsan- ordningens 4 hölje, vilket tvärsnitt svarar mot ritningens plan i fig 2.

Den mottagande anordningen Ä innefattar en vågledare 8, av vilken en vidgad del bildar ett horn 9 som slutar i en mynning eller ett matarhål l0. Anordningen h är så utförd att hålets l0 centrum sammanfaller med reflektorns i fokalpunkt.

Såsom framgår av fig 3 slutar den andra änden av vågledaren 8 i ett rum ll, i vilket en SHF-sígnalbehandlingsanordning, som ej är visad på ritningen och som är utförd i mikrostrip-teknik, kan vara anordnad. Denna SHF-anordning är kopplad direkttill vågledaren 8 medelst en mikrostrip-vågledarmodomvandlare, såsom är be- skrivet i den holländska patentansökningen 7799/75. SHF-signalbehandlingsanord- ningens utgång är å andra sidan ansluten genom en koaxialkabel 12, vilken är sche- matiskt visad i fig 2 genom en streckad linje och går genom ett hål l3 i den mot- tagande anordningens Ä hölje, till ytterligare ej visad mottagningsutrustning.

En mataranordning 2, som är lämpad för flera polarisationer och vilken lätt kan masstillverkas, erhålles genom att å ena sidan sätta samman mottagningsanord- ningens Ü hölje av två halvor och genom att å andra sidan använda en speciell pola- risationsomvandlare (lh,15), vilken är anordnad på ett roterbart sätt relativt 7800163-3 matarhålet lfl.

Det faktum att den mottagande anordningens hölje består av två delar har den fördelen att varje halva kan framställas på ett mycket enkelt sätt av ett syntetiskt hartsmaterial, såsom akrylonitril-butadin-styren genom pressning eller formsprutning och därefter förses med en tunn ledande beläggning, t ex genom vakuumavsättning av koppar, silver och/eller guld. Sedan de båda halvorna har _ placerats i kontakt med varandra och fästs samman har en mycket god vågledarkonstruk- tion 8,9 och 10 realiserats på ett enkelt och tillförlitligt sätt.

Pressning eller formsprutning av den mottagande anordningens hölje erbjuder vidare möjlighet till att utan extra operationer åstadkomma ett vågledarfilter, vilket på känt sätt är sammansatt av ett flertal mellanväggar. Det faktum att den föregående anordningens hölje består av två delar gör dessutom att SHF-signalbehand- lingsanordningen, som är implementerad i mikrostrip-teknik, kan monteras på ett mycket enkelt sätt.

Delningsplanet, som sammanfaller med ritningens plan i fig 2, behöver inte påverka vågledarutbredningen i vågledaren. I motsats till den mottagningsanordning, som är känd genom BBC Research Report 21 från 1976, är matarhålet l0 rektangulärt och detta fönster är anslutet genom ett rektangulärt horn 9 till den rektangulära vågledaren 8. En sådan vågledarkonfiguratíon är delbar längs längdsymmetriplanet, vilket är parallellt med det elektriska fältet i en TE01-mod i vågledaren, emádan detta plan inte skär väggströmmar, som alstras i denna mod.

Det rektangulära hålet l0 kan emellertid bara användas i samband med en speciell typ av polarisationsomvandlare,_som kräver ett speciellt arrangemang.

Enligt uppfinningen är denna polarisationsomvandlare lü,l5 av den typ som inne- fattar en skärm vilken t ex är sammansatt av fyra skikt av bärmaterial, såsom poly- ester, varvid varje skikt är försett med ett flertal tryckta ledare 16 som är an- ordnade på inbördes lika avstånd, parallellt med varandra, såsom är visat genom vyn framifrån av skärmen 14 i fig Ä. Denna figur visar med heldragna linjer två Meander- formade ledare 16, medan de andra ledarna är visade genom streckade linjer. En de- taljerad beskrivning med dimensionering av ett exempel på en sådan polarisations- omvandlare är given i artikeln "Meander-line Polarizer" av Leo Young, Lloyd A Robinson och Colin A Hackin publicerad i IEEE Transactions on Antennas and Propa- gation, maj l973, sid 376-378.

Denna polarisationsomvandlare arbetar på följande sätt.

De Meander-formade ledarna l6 bildar för ett elektriskt fält, som är parallellt med dessa ledares 16 längdriktning, en huvudsakligen induktiv belastning och för en elektrisk fältstyrka, som ligger i ledarnas 16 plan tvärs mot dessa ledare en huvudsakligen kapacitiv belastning. Genom lämpligt val av Meander-dimen- sionerna och det inbördes avståndet blir värdena på dessa belastningar lika med varandra. För en linjärt polariserad våg, vars elektriska fältstyrka är belägen i ledarnas l6 plan och i en vinkel av 450 med dessa ledare blir den elektriska fält- komponenten i ledarnas längdriktning belastad induktivt och den elektriska fält- 7800163-3 V1 komponenten tvärs mot ledarna blir belastad kapacitivt. så att de båda komponen- ternas fas skiftas ett givet lika stort men motsatt belopp.

Genom att använda flera successivt anordnade skikt på ett inbördes avstånd av l/Ä av våglängden vid arbetsfrekvensen och en given dimensionering av Meander- slingorna erhålles å ena sidan en 9U° fasskillnad mellan nämnda komponenter och å andra sidan att reflektionerna av vågorna på de successivt anordnade skikten elimi- neras genom destruktiv interferens inom ett brett frekvensområde. Den 900 fasskill- naden mellan de inbördes ortogonala komponenterna av det elektriska fältet resul- terar i att polarisationen är cirkulär. Till följd av den reciproka karaktären av omvandlaren kommer en cirkulärt polariserad våg att på ett liknande sött omvand- las till en linjärt polariserad våg av omvandlaren 17,18.

En sådan linjärt polariserad våg kan tas in huvudsakligen förlustfritt av utgångshålet l0 och genom hornet 9 matas såsom TEOI-mod till vågledaren S.

Den elektriska fältvektorn hos en cirkulärt polariserad våg kan antingen rotera medurs eller moturs. För en medurs polarisation ligger den horisontella komponenten före den vertikala och omvänt för en moturs polarisation. Resultatet är att om polarisationsomvandlaren ih,15 omvandlar en medurs cirkulär: polariserad våg till en vertikalt polariserad våg så omvandlas en moturs cirkulärt polariserad våg till en horisontellt polariserad våg.

För att selektivt ta emot var och en av nämnda typer separat är skärmen 14 enligt ett ytterligare kännetecken för uppfinningen anordnad i en hållare l5, vilken hållare 15 är anbringad på ett vridbart sätt omkring den cylindriska fattningen 5. Genom att vrida behållaren #50 medurs relativt det i fig 2 visade läget sett från höger mottages medurs cirkulärt polariserade vågor huvudsakligen förlustfritt, medan moturs církulärt polariserade vågor reflekteras av vågledar- konstruktionen 8,9 och lD; om man vrider hållaren 15 ÅBO moturs från det i fig 2 visade läget mottages moturs cirkulärt polariserade vågor huvudsakligen förlustfritt, medan medurs cirkulärt polariserade vågor reflekteras. Alla typer av polarisationer från medurs cirkulârt till moturs cirkulärt polariserade vågor kan mottas huvudsak- ligen förlustfritt genom att vrida hållaren 15 en vinkel, som svarar mot denna typ av polarisation. För det i fig 2 visade läget mottages horisontellt polariserade vågor huvudsakligen förlustfritt.

Det observeras att skärmen ih inte är begränsad till att ha den i fig 2 visade cylindriska formen. Även andra former, såsom en plan skärm, kan användas Likaså är ledarna l6 inte begränsade till att ha den i fig H visade Meander-formen utan andra ledarstrukturer, som i en riktning huvudsakligen bildar en induktiv be~ lastning och en huvudsakligen kapacitiv belastning i en däremot vinkelrät riktning, kan användas. Båda belastningarna behöver ej heller vara lika stora. I så fall kommer den vinkel, i vilken ledarna 16 måste vara anordnade relativt matarhålet för att möjliggöra mottagning av cirkulärt polariserade vågor, att skilja sig från h5° och bestämmes av förhållandet mellan belastningarnas argument. l ett extremt fall 7800163-3 kan ett av dessa argument vara noll.

För att möjliggöra huvudsakligen förlustfri mottagning av vertikalt polarisera- de vågor medelst den i fig 2 visade mataranordningen 2 är den mottagande anordning- en 4 i enlighet med ett ytterligare kännetecken vridbart monterad i den cylindriska fattningen 5, så att anordningen 4 kan vridas 900. Efter vridning reflekteras de horisontellt polariserade vågorna av vågledarkonstruktionen 8,9 och 10.

För att möjliggöra lätt rotation är den mottagande anordningens hölje cirkulärt cylindriskt och det är vidare försett med en krage lS och ett spår 19 som i monte- rat tillstånd innehåller en låsfjäder 20, medelst vilken mottagningsanordningen 14 hålles kvar i fattningen 5.

Till följd av det roterbara arrangemanget av både omvandlaren 1ü,15 och mot- tagningsanordningen Ä kan varje typ av polariserad våg tas emot huvudsakligen för- lustfritt.

Mataranordningen 2 är försedd med en motor 21 för inställning av dess vinkel- läge genom fjärreglering för att kunna ta emot en speciell polariserad signal.

En motor 21, som i transmission 22 och 23 kopplad till mottagningsanordningen Ä för att bringa denna denna utföringsform kan inställas stegvis, är genom en kugghjuls- att röra sig till varje önskat läge relativt höljet. För att bringa omvandlaren 14,15 att röra sig till ett önskat läge medelst samma motor 21 är mottagningsanord- ningens Ä hölje enligt ytterligare ett kännetecken för uppfinningen försett med ett spår ZÅ, som sträcker sig över 1350 av höljets omkrets, såsom är visat genom det tvärsnitt av mottagningsanordningen, som är visat i fig 5 taget längs linjen A-A i fig 2. Dessutom är omvandlarens hållare 15 försedd med en klack i form av en skruv 25, som skjuter in i spåret Zü. Å ena sidan resulterar detta i att hållaren 15 medbringas av ändytorna Bh och 35 av det i fig 5 visade spåret 24 och å andra sidan blir hållaren 15 fixerad i axiell riktning. Hållarens 15 roterande rörelse begrän- sas medelst ändytorna 3# och 35 av ett spår 26, som sträcker sig utefter 1350 av omkretsen och i vilket mellanväggen 7 är belägen.

Det observeras att det också är möjligt att låta hållaren 15 drivas direkt av motorn 21, medan mottagningsanordningen Ä drivs av hållaren vid rotation av denna medelst en liknande typ av klack.

De inställningar av mataranordningen 2, som krävs för de mest vanliga typerna av polarisation, kommer att förklaras mera detaljerat med hänvisning till fig 6a till 6d. För enkelhets skull visar dessa figurer bara ett tvärsnitt av mottagningsanord- ningens Ä hölje, vilket svarar mot det i fig 5 visade tvärsnittet. I dessa figurer är delningsplanet för mottagningsanordningens Ä hölje betecknat med 31. Vidare har det antagits att istället för att urtagningen 26 rör sig relativt mellanväggen 7 denna mellanvägg 7 rör sig relativt urtagningen 26. Detta gör det möjligt att kom- binera mellanväggens 7 och klackens 25 funktioner i en pinne 27, som är visad i dessa figurer. Å ena sidan skjuter denna pinne 27 in i spåret Zh för att vid rota- tion driva pinnen 27 genom ändytorna 32 och 33 och å andra sidan begränsas dess 7800163-3 rörelser av stoppen 28 och 29, som representerar kanterna av urtagningen 26.

Av omvandlaren lü,15 som drives av pinnen 27 vid rotation av mottagningsanordningen Ä är de Meander-formade ledarna 16 symboliskt representerade genom gallret 30.

Med start från ett i fig 6a visat referensläge av mataranordningen 2 och en vridning av en halv grad av mottagningsanordningen 4 per steg av stegmotorn 21 matas en optimal signalstyrka till SHF-anordningen för en mottagen signal: vid en horisontell polarisation genom att låta stegmotorn vrida sig 90 steg medurs så att mottagningsanordningen Ä kommer till det i Fig 6b visade läget, vilket motsvarar den i fig 2 visade inställningen; vid en vertikal polarisation genom att låta steg- motorn göra 270 steg åt höger så att mottagningsanordningen intar det i fig 6c vi- sade läget; vid moturs polarisation genom att låta stegmotorn först göra 360 steg åt höger så att mottagningsanordningen driver omvandlaren H50 efter en rotation av l80° åt höger så att omvandlaren befinner sig i det i fig 6d visade läget och genom att därefter låta stegmotorn göra 90 steg moturs så att mottagningsanordníng- en Ä vrídes tillbaka #50 och intar det i fig 6d visade läget; och vid en medurs cirkulär polarisation genom det i fig 6a visade referensläget.

Fig 7 visar en krets för fjärreglering av stegmotorn Zl. Denna krets är sammansatt av en styrkrets 38 anordnad på ett visst avstånd från den i fig 1 visade antennen 1,2 och 3 samt en krets 39 anordnad i mataranordningens 2 hölje 6.

Kretsen 38 innefattar en pulsgenerator ÅO som efter tillkoppling matar en kontinuerlig serie av pulser å ena sidan direkt till en första ingång på en OCH- grind hl och å andra sidan till en räknare H2 med ett inställbart maximalt räkne- läge. Under den tid då det maximala räkneläget ej har nåtts avger räknaren ü2 en hög signalspänning till en andra ingång på OCH-grinden hi. Vid uppnående av det maxi- mala räkneläget ändrar sig räknarens M2 utgångsspänning från hög till låg och blocke- rar OCH-grinden hl. För att bringa stegmotorn Zl att göra ett önskat antal steg ställes först räknarens #2 räkneläge in till det önskade värdet, varefter puls- generatorn 40 startas. OCH-grinden Ål genomsläpper det önskade antalet pulser, vilka efter förstärkning i en förstärkare H3 matas till omkopplingsarmen i en omkopplare Åk av två tvâläges växlingsomkopplare Åh och ÅS. I det ej visade läget av två- lägesomkopplarna Åh och #5 matas puiserna till en första exciteringslindning H6 i motorn 21, vilket bringar motorn 21 att göra det önskade antalet steg medurs. I det i fig 7 visade läget av tvålägesomkopplarna hä och #5 matas pulserna genom en ström- ställare 37, vilken kommer att beskrivas i det efterföljande, till en andra lindning H7 i motorn 21, vilket bringar motorn 21 att rotera mottagningsanordningen H moturs.

Strömställaren 37 är anordnad i kretsen för att säkerställa att radiatorn ställes in i referensläget, då detta önskas. För detta ändamål är strömställaren 37 utförd såsom en mikroströmställare och anordnad i mataranordningens hölje 6, medan kugghjulet 23 är försett med en klack 36 som är så anordnad att den öppnar den normalt slutna strömställaren 37 i mataranordningens referensläge. Genom att med 7800163-3 8 start från ett godtyckligt inställningsläge av mataranordníngen 2 ställa in räknaren H2 i det maximala räknelâget på minst 360 och genom att ställa in tvåläges- omkopplaren Åh och 45 i det visade läget så kommer stegmotorn att vrida mottagnings~ anordníngen moturs tills klacken 36 öppnar strömställaren 37, vilket bringar matar- anordningen 2 att inta referensläget. Alla återstående av OCH-grinden Ål tíllförda pulser blockeras av den öppna strömställaren 37.

Det observeras att istället för stegmotorn en kontinuerligt styrbar motor kan användas i kombination med en antenn belägen i vågledaren 8, vilken är kopplad till motorns exciteringskrets för att kontinuerligt styra mataranordningens 2 läge så att optimalt signal-brusförhållande erhålles.

Vidare observeras att det vid användning av en stegmotor är möjligt att ställa in på ett givet förínställningsläge, som är anpassat till optimalt signal~brusför- hållande.

Slutligen kan en "cassegrain"-antenn användas istället för den i fig l visade antennen, varvid polarisationsskärmen kan placeras framför delreflektorn eller framför hornet.

Claims (3)

9 7800163-5 Patentkrav.

1. l. Mataranordning för en antenn innefattande en matarapertur eller ett matarhål (10), en rektangulär vågledarstruktur (8,9) som är kopplad till hålet och en pola- risationsomvandlare (1Ä,15) för omvandling av mottagna signalers polarisation till en önskad polarisation, varvid matarhålet (10) har rektangulärt tvärsnitt och ut- gör en del av den rektangulära vågledarstrukturen (8,9), vilken polarisationsom- vamflare (1h,15) innefattar en skärm (lä), som är sammansatt av flera skikt av bär- material med ett ledarmönster (16) anordnat För varje skikt och vilken skärm För HF-elektriska fält i skärmens plan i en riktning bildar en huvudsakligen induktiv belastning och i en däremot vinkelrät riktning bildar en huvudsakligen kapacitiv belastning, k ä n n e t e c k n a d av att vågledarstrukturen (8,9) är uppdelad i två delar av det longitudinella symmetriplanet parallellt med det elektriska fäl- tet för TE01-moden i vågledarstrukturen, att denna skärm (lå) är anordnad framför utgångsfönstret (10) vinkelrätt mot utsträckningen av vågledarens (8) längdaxel och är så anordnad att den kan vridas omkring vågledarens längdaxel.

2. Mataranordning enligt patentkravet l, vilken är försedd med ett hölje, k ä n- n e t e c k n a d av att den rektangulära vågledarkonfigurationen (8,9) är så an- ordnad omkring vâgledarens (8) längdaxel att den kan rotera relativt höljet.

3. Mataranordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att höljet innefattar en cylindrisk fattning (5), i vilken den raktangulära vågledar- konfigurationen (8,9) är anordnad på ett vridbart sätt, och att omvandlaren (lb, 15) har en hållare för skärmen (lä), vilken är uppburen på ett vridbart sätt om- kring fattningen, medan radiatorn innefattar en med höljet förbunden motor (21), som är direkt kopplad till en av komponenterna i den enhet, som utgöres av vägle- darkonfigurationen (8,9) och omvandlaren (1ü,15), för att bringa denna komponent att genom fjärreglering röra sig till varje önskat läge relativt höljet, medan en kopplingsanordning är utförd att bringa den ena komponenten att driva den andra komponenten en given vinkel för inställning av en önskad vinkel mellan de båda kom- ponenternas lägen.