DE2947762A1 - Anordnung zur ermittlung des antennen-nachfuehrungsfehlers in einem fernmeldesystem - Google Patents

Description

DB 417

Ital.Anm.Nr.3O211 A/78 10676/H/Ro.

vom 27. November 1978

Societa Italiana Telecomunicazioni

Siemens s.p.a. Piazzale Zavattari, 12, Mailand/Italien

Anordnung zur Ermittlung des Antennen-Nachführungsfehlers in einem Fernmeldesystem.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Im wesentlichen handelt es sich um eine Schaltungsanordnung, die es ermöglicht, aus einem Pilotsignal den Nachführungsfehler, insbesondere der Sende-Empfangs-Antenne der Erdfunkstelle eines Satelliten-Fernmeldesystems zu ermitteln.

Die in zunehmendem Maße zur Nachrichtenübermittlung eingesetzten Satelliten-Fernmeldesysteme arbeiten normalerweise mit HöchstfrequenzSignalen im GHz-Bereich; zur Zeit wird das Frequenzband 4-6 GHz verwendet, doch versucht man bereits, mit Frequenzen von 12-14 GHz oder noch höheren Frequenzen, zu arbeiten. Diese hohen Frequenzen haben den Vorteil, daß sie den Einsatz von Antennen großer Richtfähigkeit gestatten, die notwendig sind, damit ein zur Auswertung ausreichender Bruchteil der ausgestrahlten Leistung zu der um Zehntausende von Kilometern entfernten Antenne eines Zieles, also eines Satelliten bzw. einer Erdfunkstelle gelangt. Wegen der hohen Richtfähigkeit der Antenne und der großen Entfernungen muß die Antenne der Erdfunkstelle durch möglichst genaue Nachführung auf den Satelliten ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck

030023/0841

sendet der Satellit ein Pilotsignal, das von der Antenne empfangen und zu einem Fehlersignal verarbeitet wird, mit dem nach zweckmäßiger Verstärkung und unter Verwendung eines Motors die Antenne um zwei Achsen - meistens die senkrechte und die horizontale Achse - gedreht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Anordnung anzugeben, die sich für Fernmeldesysteme eignet, welche sowohl mit linearer Polarisation unabhängig vom Polarisationswinkel als auch mit rechts- oder linkszirkularer Polarisation arbeiten können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Anordnung gelöst.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Wechsel von der linearen Polarisation zur Zirkularpolarisation beim Sendesystem (oder umgekehrt) keine weiteren Einstellungen erforderlich sind.

An einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 teilweise das Blockschaltbild einer Empfangsstation mit der hier beschriebenen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 die Empfangsantenne und die Komponenten des der empfangenen elektromagnetischen Welle zugeordneten elektrischen Feldes;

Fig. 3 und 4 den Verlauf der durch das elektrische Feld nach Fig. 2 angeregten Wellentypen;

Fig. 5 ein linear polarisiertes elektromagnetisches Feld dar;

030023/0841

— ο — ■

Fig. 6, 7 und 8 die Positionen der drei Differenzphasenschieber DP.., DP2, DP jeweils bei linearer, rechtszirkularer und linkszirkularer Polarisation;

Fig. 9 und 10 die Richtungen der Ausgänge der Schaltungen OMT und OMT- zum Aussondern von Wellentypen;

Fig. 11 und 12 Darstellungen zur Berechnung der an den Ausgängen der Schaltungen OMT und 0MT„ bei linearer Polarisation vorliegenden Felder; und

Fig. 13 und 14 Darstellungen zur Berechnung der an den Ausgängen der Schaltungen OMT und OMT- bei Zirkularpolarisation vorliegenden Felder.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild des Erregers (Illuminators) einer Fernmeldeantenne dargestellt, die mit einer automatischen Nachführungseinrichtung ausgerüstet ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sei angenommen, daß die Antenne genau ausgerichtet ist. Es sind mit ζ die Antennenachse und mit χ und y zwei zueinander orthogonale, auf der Antennenachse ζ senkrecht stehende und daher zur Antennenöffnungsfläche parallele Achsen bezeichnet. Hat die Antenne einen Nachführungsfehler, so kann die von ihrer Achse angenommene Lage z¹ durch die beiden Winkelfehler ε und ε

χ y

beschrieben werden, die in der Ebene xz bzw. yz liegen. Es seien

ferner E und E die zu den Achsen χ und y parallel liegenden χ y

Komponenten des der empfangenen elektromagnetischen Welle zugeordneten elektrischen Feldes.

Nach Fig. 1 wird die von der Antenne empfangene Energie durch das Horn H aufgenommen und in einen zylindrischen Hohlleiter G geleitet. Die Felder E und E von Fig. 2 erregen den Hohlleiter G gemäß "unendlichen" Wellentypen; der Durchmesser des Hohlleiters G ist so bemessen, daß die Ausbreitung der Wellentypen TE₁₁, TM₀₁, TE₃₁ ermöglicht wird.

03 0 0 23/0841

In Fig. 3 sind die Verteilungen des elektrischen Feldes
dargestellt, das im Hohlleiterquerschnitt 1-1 (Fig. 1) bei den Wellentypen TE₁₁ und TE₁ auftritt. Die beiden Verteilungen

TE¹ _ΛΛ und TE" werden durch die Felder E und E von Fig. 2 itt* lic« γ λ

bei beliebiger Nachführungslage hervorgerufen. Die beiden Verteilungen TE'₂₁ und TE" sind ebenfalls durch E und Ε_χ angeregt, wenn die Antenne einen Nachführungsfehler aufweist.

Der Wellentypkoppler C entnimmt aus dem Hohlleiter G die dem Wellentyp TE'₂₁ zugeordnete Energie und sendet diese über
ein Dämpfungsglied A¹ und einen Phasenschieber P¹ in einen
Hohlleiter R'-i· Der Wellentypkoppler C" entnimmt aus dem Hohlleiter G die dem Wellentyp TE"₂₁ zugeordnete Energie und sendet diese über ein Dämpfungsglied A" und einen Phasenschieber P" in einen Hohlleiter R'^.

Der zylindrische Hohlleiter G₁ gestattet nur die Ausbreitung der den Feldverteilungen TE'.. und TE".... entsprechenden Wellentypen in den orthogonalen Richtungen y_ und x_ von Fig. 3. Der Wellentyp TM₀₁ wird daher vollständig reflektiert und zusammen mit allen Wellentypen, die sich im Hohlleiter G nicht ausbreiten können, durch das Horn H wieder ausgestrahlt. Ein Wandler OMT₁ für orthogonale Wellentypen überträgt die die Hohlleiter R'.. und R"- durchlaufende Energie in einen zylindrischen Hohlleiter G-» der nur die Ausbreitung des Wellentyps TE₁₁ gestattet. Die den Wellentypen TE'₂₁ ^unc^ ^TE"21 ^zu9^eordnete Energie wird daher in
den Hohlleiter G₂ so übertragen, daß sie sich in diesem gemäß
den beiden Wellentypen bzw. Feldverteilungen TE'... und TE"... ausbreitet, die zueinander orthogonal und entsprechend den
Richtungen x. und y. von Fig. 4 ausgerichtet sind. Die somit
definierten Bezugsrichtungen x_, y , χ , y dienen zur Be-

L· Li U Δ

Stimmung der Winkelstellung der noch zu beschreibenden Bauteile der Fig. 1 .

030023/0841

Setzt man eine gegebene Feldverteilung voraus, so kann man eine eindeutige Übereinstimmung zwischen dieser und einem Vektor definieren. Auf Grund dieser Übereinstimmung sind in der folgenden Tabelle in der linken Spalte die betrachteten Feldverteilungen, in der mittleren Spalte die Beträge der entsprechenden Vektoren und in der rechten Spalte die Richtungen der Vektoren angegeben:

TE»	' V	HE y	-Ei) χ χ	y2Z	1)
TE"	V	HE χ	+ ExV		2)
TE· 11Δ	ΤΔ"	K (E £ y y	^Δ	3)
TE" 11Δ	V	V / 1U* f y *·		4)

In Fig. 1 ist mit 2-2 der Bezugsquerschnitt für die beiden ersten Vektoren und mit 5-5 der Bezugsquerschnitt für die beiden zweiten Vektoren bezeichnet. Die angegebenen Beziehungen sind an sich bekannt und leicht herleitbar und gelten für kleine Nachführungsfehler der Antenne. H und K sind komplexe Konstanten.

Die Vektoren Χ_Δ und Υ_Δ haben nur dann die gleiche Konstante K, wenn die Wellentypen TE₂₁ durch die Koppeleinheit AD aus dem gleichen Querschnitt des Hohlleiters G entnommen werden. Benutzt man, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, zwei benachbarte Wellentypkoppler C und C", so läßt sich die Gleichheit der Konstanten nach 3) und 4) der obigen Tabelle mit Hilfe der Dämpfungsglieder A¹ und A" und der Phasenschieber P' und P" erreichen. Diese vier Bauteile sind jedoch nicht unentbehrlich und können unter Umständen ganz oder teilweise entfallen.

Der Differenzphasenschieber DP₁ verzögert ein parallel zu einer Richtung a-j-a., polarisiertes Feld zeitlich um 90° gegen ein parallel zur orthogonalen Richtung b..-b₁ polarisiertes Feld.

030023/0841

Der Differenzphasenschieber DP_ bewirkt eine zeitliche 90°- Verzögerung in Bezug auf seine Differenzphasenverschiebungs-Richtungen a₂-a~ und b₂-b₂, während der Differenzphasenschieber DP eine zeitliche 180°-Verzögerung in Bezug auf seine Differenzphasenverschiebungs-Richtungen a-a und b-b bewirkt. Diese drei Phasenschieber können jeweils um ihre eigene Achse mit Hilfe von (nicht dargestellten) Drehkupplungen gedreht werden. Ihre Winkelstellung hängt von der Polarisationsart des durch die Antenne empfangenen Feldes ab.

Es seien nun die drei möglichen Fälle betrachtet, wobei die durch die Hohlleiterabschnitte eingeführten Phasenverschiebungen (gleich für beide Polarisationsarten) vernachläßigt werden, weil sie keinen Einfluß auf die Endergebnisse haben:

Für den Fall linearer Polarisation und unter der Voraussetzung, daß das von der Antenne empfangene Feld den Betrag E hat und um einen Winkel α gegenüber der Achse y von Fig. 2 versetzt ist (siehe Fig. 5), sind die Winkel zwischen den erwähnten Differenzphasenverschiebungs-Richtungen der drei Phasenschieber und den Bezugsrichtungen in den Fig. 6a, 6b, 6c dargestellt. Dies bedeutet, daß die Differenzphasenschieber DP₁ und DP- zuvor nach den Richtungen x_ und y_ ausgerichtet wurden, während der Phasenschieber DP um 2 2,5° gegenüber dem Wandler OMT gedreht wurde. Anschließend werden die drei Differenzphasenschieber gleichzeitig um einen Winkel gedreht, der gleich dem halben Polarisationswinkel α ist, was durch an sich bekannte (nicht dargestellte) Schaltungen geschieht, die den genannten Winkel ermitteln und zu der Empfangseinrichtung RIC gehören.

Für den Fall der Zirkularpolarisation sind die von Differenzphasenverschiebungs-Richtungen mit den Bezugsrichtungen gebilde-

03 0 023/08A1

ten Winkel für rechtszirkulare Polarisation in Fig. 7 und für linkszirkulare Polarisation in Fig. 8 dargestellt. Die Stellungen der Phasenschieber DP₁ und DP₂ sind so, wie dies bei Fernmeldesystemen mit Zirkularpolarisation üblich ist. Der Phasenschieber DP wird um 45° gegenüber dem Wandler OMT₁ gedreht.

In Fig. 1 ist mit OMT ein Wandler für orthogonale Wellentypen bezeichnet, der die Energie, die sich im Hohlleiter G₁ gemäß den beiden nach den Richtungen r¹ bzw. r" der Fig. 9 polarisierten Wellentypen TE₁₁ ausbreitet, in die Hohlleiter R* und R" sendet. Darstellungsgemäß ist die Richtung r' parallel zu y_ und die Richtung r" parallel zu x_. OMT- ist dagegen ein Wandler für orthogonale Wellentypen, der die Energie, die sich im Hohlleiter G₁ gemäß den beiden in Fig. 10 gezeigten Richtungen r¹- bzw. r"₂ polarisierten Wellentypen TE₁₁ ausbreitet, in die Hohlleiter R'~ und R" sendet. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, ist die Richtung r'₂ um 45° gegenüber y. und die Richtung r"₂ um -45° gegenüber y versetzt.

Wie im folgenden gezeigt wird, haben die in den Hohlleitern R¹, R'₂ und R"₂ vorliegenden Signale solche Eigenschaften, daß sie die automatische Nachführung der Antenne dann ermöglichen, wenn die Polarisation des empfangenen Signals linear, rechtszirkular und linkszirkular ist. Bei übergang von einer Polarisationsart auf die andere muß man nur einfach die Winkelstellung der drei Differenzphasenschieber ändern. Eine weitere Nachführung ist weder für den Erreger (Illuminator) noch für den mit den Hohlleitern R¹, R'₂ und R"₂ verbundenen Autokollimationsempfanger erforderlich. Entspricht die lineare Polarisation den in der Zeichnung angegebenen Bedingungen, so gilt:

E-E cos et 5)

B-E ain oc 6)

030023/0841

Ersetzt man 5) und 6) durch 1) und 2), so gilt für den Querschnitt 2-2 in Fig. 1 unter Bezugnahme auf Fig. 11:

Ty,- HE cos oc 7)

I- HB ein cc 8)

Durch Projektion längs der Richtungen y.. _ und χ.._ ergibt sich für denselben Querschnitt 2-2 in Fig. 1 :

Nach den Differenzphasenschiebern DP₁ und DP_ gilt für den Querschnitt 4-4 in Fig. 1:

Im gleichen Querschnitt 4-4 erhält man durch Projektion längs der Richtungen r¹ und r":

r·- T₁₂COeI-X₁₂Bl_n f. HE 9) r« - X_1E coe * f T_1E ein * - O 10)

Ersetzt man unter Bezugnahme auf Fig. 12 die Ausdrücke 5) und 6) durch 3) und 4), so gilt für den Querschnitt 5-5 in Fig. 1:

Τ_Δ- KE ( £ coeec-ί eiact) 11)

Χ_Δ-ΚΒ(ί coe <*+£ ein et) 12)

030023/0841

Durch Projektion längs der Richtungen y.. . und x.. gilt für denselben Querschnitt 5-5:

Nach dem Differenzphasenschieber DP gilt für den Querschnitt 6-6 in Fig. 1:

1_Δ- ·Δ~- 2 * ^ΑΔ

,"¹A

Durch Projektion längs der Richtungen r'- und r"₂ und unter Berücksichtigung von 11) und 12) erhält man im gleichen Querschnitt 6-6:

r« -T_ ooe⁴⁵ «* ■ - -*- ⁴⁵

1Δ°°^{β +} ^Δ⁸¹" ^{+ Τ}1

1Δ d.h.

r« -XE£ 13)

2 y

ρ« . KB ε 14)

2 χ

Für rechtszirkulare Polarisation läßt sich das von der Antenne empfangene Feld wie folgt darstellen:

16)

030023/0841

294776?

Unter Berücksichtigung der in Fig. 7 dargestellten Winkelstellung der Differenzphasenschieber sei auf Fig. 13 Bezug genommen. Ersetzt man 15) und 16) durch 1) und 2), so gilt im Querschnitt 2-2 in Fig. 1:

T - HE ^{1 + i}

Durch Projektion längs der Richtungen y.. _ und X₁- gilt im selben Querschnitt 2-2 in Fig. 1:

HB

Nach dem Phasenschieber DP. gilt im Querschnitt 3-3 von Fig. 1

^Χ1Σ 7=

Λ/2
Durch Projektion längs der Richtungen y und x_ gilt im glei-

L L

chen Querschnitt 3-3:

Die gleichen Beziehungen gelten auch nach Durchlaufen des Differenzphasenschiebers DP-, so daß für den Querschnitt 4-4 gilt:

r¹ = HE 17)

r" = 0 18)

030023/0841

Ersetzt man unter Bezugnahme auf Fig. 14 die Ausdrücke 15) und 16) durch 3) und 4), so gilt im Querschnitt 5-5 in Fig. 1:

Y -E

Δ 2

Δ" 2

Durch Projektion längs der Richtungen y^_ und X₁- gilt im gleichen Querschnitt 5-5 in Fig. 1:

Nach dem Differenzphasenschieber DP gilt im Querschnitt 6-6 in Fig. 1:

²⁰⁾

Für linkszirkulare Polarisation läßt sich das von der Antenne empfangene Feld wie folgt darstellen:

E .lill 21)

y 2

E .-J₅Il-I 22)

ζ 2

030023/0841

Ersetzt man unter Berücksichtigung der in Fig. 8 dargestellten Winkelstellung der Differenzphasenschieber die Ausdrücke 21) und 22) durch 1) und 2), so gilt im Querschnitt 2-2 der Fig. 1 :

T - H2 ^j - ¹

Durch Projektion längs der Richtungen y., _ und x. gilt im gleichen Querschnitt 2-2:

T₁ - JL(T ₊ χ).

^1Σ γ~

Nach dem Differenzphasenschieber DP. gilt im Querschnitt 3-3 in Fig. 1 : ^

X --j-S.
"V 2

Durch Projektion längs der Richtungen y und χ gilt im glei

Zj Zj

chen Querschnitt:

Nach dem Differenzphasenschieber DP„ gilt im Querschnitt 4-4 in Fig. 1 :

r' = HE 23)
r" = 0 24)

03 J 023/0841

29A7762

Werden unter Bezugnahme auf Fig. 14 die Ausdrücke 21) und 22) durch 3) und 4) ersetzt, so gilt im Querschnitt 5-5 in Fig. 1

KB

Durch Projektion längs der Richtungen y. und χ,_Δ gilt im gleichen Querschnitt 5-5:

Nach dem Differenzphasenschieber DP gilt im Querschnitt 6-6 in Fig. 1:

r· „ JL ( £ - j £ ) 25)

X⁺¹V

26)

Bekanntlich werden die aus den Hohlleitern R¹, R¹. und R"₂ des Erregers entnommenen Signale (r¹, r¹, und r"^) im Autokollimationsempfänger nach Verstärkung und nach Umsetzung auf eine entsprechende Frequenz an zwei Kohärenzdetektoren gegeben, in denen das Signal der Richtung r* als Bezugssignal benutzt wird und den Richtungen r¹», r"» die auszuwertenden Signale entsprechen. Auf Grund der bekannten Eigenschaft der Kohärenzdetektoren, nach welcher nur die Komponente ausgewertet wird, die in Phase mit dem Bezugssignal ist, während die Quadraturkomponente unterdrückt wird, und unter Berücksichtigung von 9), 13), 14), 17), 19), 20), 23), 25), 26) ergeben sich die Ausgangssignale Δ und Δ beider Kohärenzdetektoren wie folgt:

y *

030023/0841

Lineare Polarisation & _m χ C : Δ « A £ 27)

y y¹ χ χ

Zirkularpolarisation Δ - —~ t '> Δ - JT ί_χ 28)

y Λ/2 ^y Λ/2

Hierin ist A eine Konstante. Beim Übergang von der linearen auf die kreisförmige Polarisation tritt nur eine Änderung von 3 dB in der Amplitude der Signale Δ und Δ auf, wodurch der richtige Betrieb des gesamten Autokollimationssystems nicht beeinträchtigt wird.

Die Ausdrücke 27) und 28) sind nur dann gültig, wenn das Bezugssignal in Phase mit dem Realteil des auszuwertenden Signals ist. Dieser Fall kommt in der Wirklichkeit wegen einer Vielzahl möglicher Ursachen nicht vor, z.B. wegen der Tatsache, daß die Kette zur Verstärkung und Frequenzumsetzung des Signals gemäß Richtung r¹ unterschiedlich und unabhängig von der Kette der beiden anderen Signale ist. üblicherweise wird daher einem Kohärenzdetektor ein Phasenschieber vorgeschaltet, der einen Vorabgleich erfordert, um das auszuwertende Signal auf das Bezugssignal abzugleichen. Man beachte, daß bei linearer Polarisation ein nicht einwandfreier Abgleich lediglich eine Amplitudenverminderung im Ausgangssignal mit sich bringt, was den Vorabgleich besonders vereinfacht. In Fig. 1 sind weder dieser Phasenschieber noch der Kohärenzdetektor dargestellt, da sie normalerweise zu der Empfangseinrichtung RIC gehören.

03 0 023/0841

Claims (4)

Patentansprüche

1.} Anordnung zur Ermittlung des Antennen-Nachführungsfehlers in einem Fernmeldesystem, insbesondere in der Erdfunkstelle eines Satellitenverbindungssystems, dessen selbsttätig einem Ziel nachführbare Hornantenne einen das Horn mit einer Empfangseinrichtung verbindenden Hohlleiter hat, mit dem zwei Differenzphasenschieber in Reihe geschaltet sind, die differentielle Verzögerungen von 90° bewirken, mit einer ersten Einrichtung zum Aussondern von Wellentypen, die nach zwei zueinander orthogonalen

030023/0841

ORIGINAL INSPECTED

Richtungen polarisiert sind, und mit einem Kohärenzdetektor in der Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Horn (H) und den ersten Differenzphasenschieber (DP₁) eine Koppeleinheit (AD) geschaltet ist, die aus demselben Querschnitt des Hohlleiters (G) zwei durch das von der Antenne aufgefangene Signal in dem Hohlleiter (G) angeregte höhere Wellentypen entnimmt und sie einem Einschaltungsglied (OMT₁) zuführt, das diese Wellentypen gemäß zwei orthogonalen Ebenen in einen Hohlleiter (G₂) einspeist, in welchen ein dritter Differenzphasenschieber (DP) zur Einführung einer differentiellen 180°-Verzögerung und eine zweite Einrichtung (OMT₂) zum Aussondern von Wellentypen geschaltet sind, die nach zwei zueinander orthogonalen, um 45° gegenüber denen des Einschaltungsgliedes (OMT.) versetzten Richtungen polarisiert sind, und daß jedes Ausgangssignal der zweiten Aussonderungseinrichtung (OMT₂) zu dem Kohärenzdetektor der Empfangseinrichtung (RIC) gelangt, der eines der Ausgangssignale der ersten Aussonderungseinrichtung (OMT) als Bezugssignal empfängt.

2.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Koppeleinheit (AD) zwei benachbarte Wellentypkoppler (C, C") enthält, von denen jeder dem Hohlleiter (G) einen der höheren Wellentypen entnimmt, und daß die die Ausgänge der Wellentypkoppler (C, C") mit den Eingängen des Einschaltungsgliedes (OMT₁) verbindenden Hohlleiterstrecken Mittel (Dämpfungsglieder A', A"; Phasenschieber P¹, P") zur Amplituden- und Phasenentzerrung enthalten, die die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den höheren Wellentypen in dem Querschnitt des Hohlleiters (G) wiederherstellen.

3.) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für ein Fernmeldesystem mit linearer Polarisation der dritte Differenzphasenschieber (DP)

030023/0841

um 22,5° gegenüber dem Einschaltungsglied (OMT..) gedreht ist, und daß alle drei Differenzphasenschieber um einen Winkel gedreht werden, der gleich dem halben Polarisationswinkel (α) feststellen.

4.) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß für ein Fernmeldesystem mit Zirkularpolarisation der dritte Differenzphasenschieber (DP) um 45° gegenüber dem Einschaltungsglied (OMT₁) gedreht ist.

030023/0841