TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein System zur mechanischen Auslenkung
einer Flugzeughochgewinnantenne bezüglich einer Azimutachse und
einer Elevationsachse; und insbesondere ein System zur
mechanischen Auslenkung einer Flugzeugantenne bezüglich
nicht-orthogonaler Azimut- und Elevationsachsen.
STAND DER TECHNIK
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Es wurde bereits eine Anzahl von Systemen entwickelt, um eine
Flugzeugantenne eines Kommunikationssystems nicht-mechanisch
auszulenken. Diese vorhergehenden Systeme waren wegen der
Verschlechterung der Antennenleistungsparameter, wie: Gewinn,
Achsenverhältnis, Strahlquerschnitt und Seitenkeulenpegel, um
einige Beispiele zu nennen, nicht zufriedenstellend. Bei diesen
Parametern war bekannt, daß sie sich als eine Funktion des
Lenkwinkels dieser nicht-mechanisch gelenkten Systeme
verschlechtern. Außerdem hatten frühere, nicht-mechanisch gelenkte Systeme
bezüglich einer vorgegebenen Position einen begrenzten
Erfassungsbereich des gesamten Sichtfeldes.
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Die EP-A-0 274 979, die eine unter Artikel 54 (3) EPÜ fallende
Druckschrift darstellt, zeigt ein System zur mechanischen
Auslenkung einer Flugzeugantenne.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zur
mechanischen Auslenkung einer Flugzeugantenne geschaffen, durch welches
ein Erfassungsbereich erreicht wird, der größer ist als die
Hemisphäre, wenn die Antenne unterschiedlich um
nicht-orthogonale Azimut- und Elevationsachsen positioniert wird. Die
mechanische Auslenkung der Antenne hat den Vorteil, daß die
Verschlechterung der wichtigen Antennenkenndaten reduziert oder
vermieden wird.
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Das erfindungsgemäße Antennensystem erfüllt die technischen
Anforderungen von Satellitennetzwerken, mit denen sich die
Antenne kombinieren läßt. Die durch das erfindungsgemäße System
ausgelenkte Antenne findet beispielsweise in Verbindung mit
einem Satellitensystem Anwendung bei der
Luftverkehrsüberwachung, für Passagiertelefon- und Telexdienste, bei der
Flugkommunikation und der Navigationskommunikation, jeweils über
entweder geschützte oder ungeschützte Übertragungsverbindungen.
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Normalerweise enthält die erfindungsgemäße Antenne, die durch
das erfindungsgemäße System positioniert werden kann, ein
abstrahlendes Helixelement, das ausgebildet ist, um den
Antennengewinn zu maximieren und das Achsenverhältnis zu minimieren.
In einem Ausführungsbeispiel, das in der EP-A-0 274 979 gezeigt
ist, ist das Element wiederum von einem Metallkonus umgeben, um
den Strahlquerschnitt des Helixelementes zu reduzieren, woraus
der Vorteil einer Erhöhung des Antennengewinns resultiert. Ein
solcher Metallkonus ist jedoch für den Betrieb der
erfindungsgemäßen Helixantenne nicht erforderlich. Bei einem üblichen
Kommunikationssystem läßt sich das Helixantennenelement mit einem
Diplexer, einem rauscharmen Verstärker und einem
Hochleistungsverstärker kombinieren.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem findet bei der Montage einer
Antenne am Seitenleitwerk eines Flugzeugs vom Typ Boeing 747
Anwendung, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Lenksystem
findet ebenfalls Anwendung bei der Montage einer Antenne am
Rumpf vieler sich in Betrieb befindlicher Flugzeuge. Bei allen
Anwendungen schützt ein Radom die Antenne und das
Positioniersystem vor der Luftumgebung und bildet einen Aufbau mit einer
gewünschten aerodynamischen Form, um den Luftwiderstand zu
minimieren.
GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird eine Antennen/Untergestell-Anordnung
geschaffen, deren erste Ausführungsform in Anspruch 1 und deren
zweite Ausführungsform in Anspruch 3 beansprucht ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum vollständigen Verständnis der vorliegenden Erfindung und
deren Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
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FIGUR 1 eine bildhafte Darstellung eines Systems zur
mechanischen Lenkung einer Flugzeugantenne zeigt;
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FIGUR 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Systems
aus FIGUR 1 zeigt, die die Antennen/Untergestell-
Anordnung der Antenne aus FIGUR 1 darstellt;
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FIGUR 3 eine schematische Darstellung der Bewegung der Antenne
um die Azimut- und Elevationsachsen zeigt;
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FIGUR 4 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Helixantennenelementes und dessen Montage bezüglich der Antennen/
Untergestell-Anordnung zeigt;
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FIGUR 5 ein Blockdiagramm eines
Flugzeughochgewinnantennensystems mit der Antennen/Untergestell-Anordnung aus
FIGUR 2 zeigt; und
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FIGUR 6 ein Blockdiagramm eines einteiligen
Helixantennensystems zeigt, das mit der erfindungsgemäßen
Untergestellanordnung verwendet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG
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Bezogen auf FIGUR 1 ist eine bildhafte Darstellung einer
auslenkbaren Antennen/Untergestell-Anordnung mit einem einzelnen
Helixantennenelement 10 gezeigt, welches von einem Metallkonus
12 umgeben ist, der dazu dient, den Strahlquerschnitt des
Helixelementes zu reduzieren und folglich den Gewinn der Antenne zu
erhöhen. Das Helixelement 10 wird durch querverlaufende
Haltestangen 14 im Metallkonus 12 gehalten, wobei jede der
Haltestangen aus einem nicht-metallischen Verbundmaterial
besteht. Der Konus 12 kann ebenfalls aus einem nicht-metallischen
Material bestehen und dient lediglich als eine mechanische
Halterung für das Antennenelement 10. Auf dem Konus 12 sind
elektronische Komponenten des Antennensystems befestigt, die
einen Diplexer 16, einen rauscharmen Verstärker 18 und einen
Leistungsverstärker (nicht gezeigt) umfassen. Der
Hochleistungsverstärker ist entweder auf dem Konus 12 oder im Inneren eines
Flugzeugs angeordnet, wenn das System an einem Flugzeug montiert
ist. Diese elektronischen Komponenten sind, wie in FIGUR 6
dargestellt, miteinander zu einem Antennensystem verbunden, das
beschrieben wird.
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Das Antennenelement wird durch ein unterschiedlich gelagertes
Untergestell mechanisch ausgelenkt, welches einen
Untergestellbasisring 20 aufweist, an dem ein Halterahmen 22 drehbar
montiert ist.
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Bezogen auf FIGUR 2 ist ein unterschiedlich gelagertes
Untergestell gezeigt, das einen Untergestellbasisring 20 aufweist, an
dem mittels eines Lagers 24 der Halterahmen 22 drehbar montiert
ist. Der Halterahmen 22 enthält ein Azimutbauteil 26 mit einer
Längsachse, die mit der Azimutachse 28 des Antennensystems
zusammenfällt. Mit dem Azimutbauteil 26 ist ein Elevationsbauteil
30 integriert gebildet, welches eine Längsachse hat, die mit der
Elevationsachse 32 des Antennensystems zusammenfällt. Wie in
FIGUR 2 beispielhaft dargestellt, beträgt die Winkelverschiebung
zwischen der Azimutachse 28 und der Elevationsachse 32 52,5º,
wodurch ein Schwenkbereich von 105º, zwischen -15º und +90º,
gebildet wird. Die Winkelverschiebung zwischen der Azimutachse
und der Elevationsachse ist gewählt, um den gewünschten
Schwenkbereich zu erreichen, wenn die Antenne 10 um die Azimutachse 28
und um die Elevationsachse 32 gedreht wird.
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In einem ersten Fall dreht sich das Antennenelement 10 bezüglich
der Ebene des Basisringes 20 von einer Position von -15º bis zu
einer Position von +90º um die Elevationsachse 32.
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Am Azimutbauteil 26 ist eine Motorhalterung 34 angebracht, an
der eine Azimutlenkeinheit 36 montiert ist, die einen
Positionsencoder 44 und einen Antriebsmotor mit einem Antrieb und einem
Zahnkranz 38 aufweist. Ein Azimutantriebszahnriemen 40 greift
mit dem Antriebszahnkranz 38 und ebenfalls mit einem
feststehenden Zahnkranz 42 des Untergestellbasisringes 20 ein. Durch die
Erregung der Azimutlenkantriebseinheit wird bewirkt, daß der
gesamte Halterahmen 22 mit dem Azimutbauteil 26 bezüglich des
Untergestellbasisringes 20 um die Azimutachse 28 gedreht wird.
Der Halterahmen 22 ist bezüglich des Basisringes 20 um 360º
drehbar.
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Um das Azimutbauteil 26 zu begrenzen und es bezüglich des
Untergestellbasisringes 20 mit einem Bezugspunkt zu versehen, sind am
Untergestellring 20 und am Azimutbauteil 26 ein
Azimutgrenzschalter mit einem Halleffektsensor 46 und ein Flügel 48
befestigt. Die Position der Azimutachse wird durch Überwachung der
Ausgabe eines Azimutencoders 44 bestimmt, indem die Impulsdaten
bezüglich des Azimutbezugspunktes, der durch den Grenzschalter
erfaßt wird, gezählt und gespeichert werden. Nach dem Erfassen
der Bezugspunktposition werden die Azimutrückführsignale vom
Azimutencoder 44 einer Antennensteuerungseinheit zugeführt, um
die Erregung und die Drehverschiebung der Azimutlenkeinheit 36
digital zu steuern.
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Mit dem Elevationsbauteil 30 ist ein Elevationslagergehäuse 50
integriert gebildet, welches Lagerbauteile (eines bei 51
gezeigt) aufweist, um ein Antennen/Untergestell-Zwischenelement
52 drehbar zu halten. Das Antennen/Untergestell-Zwischenelement
52 enthält innerhalb des Lagerbauteils ein Hohllager und einen
U-förmigen Träger 54, der an der Außenfläche des Metallkonus 12
angebracht ist.
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Durch das Elevationslagergehäuse 50 wird eine
Elevationslenkeinheit 56 gehalten, die ein Ritzel 58 drehbar antreibt, welches
mit einem Antriebszahnrad 60 eingreift. Das Antriebszahnrad ist
am Antennen/Untergestell-Zwischenelement 52 angebracht, so daß
die Erregung der Elevationslenkeinheit 56 die Drehung des Konus
12 und des gehaltenen Antennenelementes 10 um die
Elevationsachse 32 herum bewirkt. Um das Antennenelement 10 zu begrenzen
und es bezüglich der Elevationsachse 32 mit einem Bezugspunkt zu
versehen, ist am Elevationsbauteil 30 eine
Elevationsgrenzschalteranordnung mit einem Halleffektpositionssensor 64 und am
Antennen/Untergestell-Zwischenelement 50 ein Flügel 66
befestigt. Der Antennensteuerungseinheit werden von einem
Elevationsencoder 62 Elevationsrückführsignale zugeführt, um die
tatsächliche Position der Elevationsachse bezüglich der
Elevationsgrenzschalteranordnung zu überwachen.
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Normalerweise ist die Antennen- und Untergestell-Anordnung der
vorliegenden Erfindung zur Installation auf dem Seitenleitwerk
eines Flugzeugs vom Typ Boeing 747 oder am Rumpf eines anderen
Flugzeugs ausgebildet. Bei der Installation ist die Antennen-
und Untergestell-Anordnung von einem Radom 68 umgeben, um die
Anordnung vor der Luftumgebung zu schützen und um einen
gewünschten aerodynamischen Aufbau zu schaffen, um den
Luftwiderstand zu minimieren.
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Weitere Komponenten des in FIGUR 2 dargestellten Systems
umfassen den Diplexer 16 und den rauscharmen Verstärker 18, die an
der Außenfläche des Konus 12 befestigt sind. Diese verschiedenen
elektronischen Komponenten sind mittels einer Bauteilverbindung
70 mit der Helixantenne 10 verbunden. Eine solche Verbindung und
Zwischenverbindungen zwischen dem Antennenelement 10 und den
verschiedenen elektronischen Komponenten sind Teil eines
üblichen Installations- und Verbindungssystems.
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Bezogen auf FIGUR 3 ist die Antennen/Untergestell-Anordnung aus
FIGUR 2 schematisch dargestellt, wobei die Antenne 10 bezüglich
der Azimutachse 28 und der Elevationsachse 32 positioniert wird.
In gestrichelten Linien sind verschiedene Stellungen der Antenne
10 gezeigt, wenn sich diese um die Elevationsachse 32 dreht. Die
Antenne 10 kann in ihrer Höhe bezüglich der Ebene des
Basisringes 20, wie dargestellt, von ungefähr -15º bis +90º positioniert
werden. In jeder der dargestellten Positionen kann die Antenne
außerdem um die Azimutachse 28 positioniert werden, indem der
Halterahmen 22 bezüglich des Basisringes 20 gedreht wird. Wie
vorstehend beschrieben, kann die Antenne 10 um 360º um die
Azimutachse 28 gedreht werden. Durch diese kombinierte
Drehhüllkurve wird ein Erfassungsbereich gebildet, der größer ist als
eine hemisphärische Anordnung und durch das mechanische
Untergestellelement der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Die gewünschte Position der Antenne 10 wird durch die
Antennensteuerungseinheit bestimmt, die unter Bezugnahme auf FIGUR 5
beschrieben wird.
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Bezogen auf FIGUR 4 ist ein Ausführungsbeispiel des
Helixantennenelementes gezeigt, das auf einem unterschiedlich gelagerten
Untergestell der vorliegenden Erfindung gehalten ist, wobei für
die in den FIGUREN 1 bis 3 gezeigten Teile die gleichen
Bezugszeichen verwendet werden. Das unterschiedlich gelagerte
Untergestell enthält den Untergestellbasisring 20 aus FIGUR 2, an dem
ein Halterahmen 22 montiert ist. Der Halterahmen 22 enthält ein
Azimutbauteil 26 mit einer Längsachse, die mit der Azimutachse
28 des Antennensystems zusammenfällt. Mit dem Azimutbauteil 26
ist ein Elevationsbauteil 30 integriert gebildet, welches eine
Längsachse aufweist, die mit der Elevationsachse 32 des
Antennensystems
zusammenfällt. Das unterschiedlich gelagerte
Untergestell aus FIGUR 4 ermöglicht im wesentlichen die gleiche
Winkelverschiebung zwischen der Azimutachse 28 und der
Elevationsachse 32 wie das unterschiedlich gelagerte Untergestell aus
FIGUR 2.
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Ebenfalls ähnlich zum unterschiedlich gelagerten Untergestell
aus FIGUR 2 ist eine Azimutlenkeinheit, die einen
Positionsencoder und einen Antriebsmotor aufweist, der in FIGUR 4 nicht
detailliert gezeigt ist. Wie unter Bezugnahme auf FIGUR 2
erläutert, bewirkt die Erregung der Azimutlenkantriebseinheit, daß
sich der gesamte Halterahmen 22 mit dem Azimutbauteil 26
bezüglich des Untergestellbasisringes 20 um die Azimutachse 28 dreht.
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Mit dem Elevationsbauteil 30 ist ein Elevationslagergehäuse 50
integriert gebildet, welches Lagerbauteile enthält, um ein
Antennen/Untergestell-Zwischenelement 100 drehbar zu halten. Das
Zwischenelement 100 ist, wie dargestellt, ein Halteträger mit
zwei Abschnitten, die mit einem schiefen Winkel integriert
gebildet sind, um die Antenne entlang einer Achse 102 zu halten.
Am Antennen/Untergestell-Zwischenelement 100 ist ein einzelnes
Helixantennenelement 104 befestigt. Dieses Helixantennenelement
104 ist mittels eines Trägers 106 am Zwischenelement 100
befestigt und wird durch dieses gehalten. Vom Antennenelement
wird mit Hilfe von Energieleitungen 108 Radiofrequenzenergie zu
den elektronischen Komponenten des Antennensystems übertragen.
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Wie in FIGUR 4 dargestellt, weist das Antennenelement 104 zwei
Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt 104a mit einem im
wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser, der in einem konusförmigen
Abschnitt 104b endet, welcher sich von einer mit dem Abschnitt
104a integriert gebildeten Basis zu einem Punkt verjüngt. Das
Antennenelement 10 aus FIGUR 2 und das Antennenelement 104 aus
FIGUR 4 haben unterschiedliche Merkmale, die von der Verwendung
des erfindungsgemäßen Antennensystems abhängen.
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Wie in FIGUR 4 dargestellt, ist das Antennenelement 104 mittels
des Zwischenelementes 100 direkt am unterschiedlich gelagerten
Untergestell montiert. Dies stellt einen anderen Aufbau des
Antennensystems aus FIGUR 2 dar, da im Ausführungsbeispiel aus
FIGUR 4 kein Konus 12 verwendet wird.
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Der Mechanismus aus FIGUR 4 enthält ebenfalls eine
Elevationslenkeinheit, die bei Erregung die Drehung des Antennenelementes
104 um die Elevationsachse bewirkt. Dies ist eine ähnliche
Konstruktion wie das Untergestell aus FIGUR 2.
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Weitere Komponenten des in FIGUR 2 dargestellten Systems, die
den Diplexer 16 und den rauscharmen Verstärker 18 umfassen, sind
bezüglich des Untergestells aus FIGUR 4 versetzt angeordnet, da
dieses Ausführungsbeispiel für Haltezwecke keinen Konus 12
verwendet. Wie vorstehend beschrieben, sind diese verschiedenen
elektronischen Komponenten mittels verschiedener Führungen und
Verbindungen mit der Helixantenne 104 verbunden.
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Bezogen auf FIGUR 5 ist ein Blockdiagramm der
Antennen/Untergestell-Anordnung für ein Antennensystem aus den FIGUREN 1, 2
und 4 gezeigt, das eine Antennensteuerungseinheit 70 aufweist.
Diese Steuerungseinheit empfängt über eine Eingangsleitung 72
Positionsinformationen zur Positionssteuerung der Antenne 10
oder der Antenne 104. Außerdem werden der
Antennensteuerungseinheit über die Eingangsleitung(en)
Relativempfangssignalstärkeeingänge 76 zugeführt. Diese Relativstärkesignale werden
von den elektronischen Komponenten der Helixantenne empfangen,
um die Antenne 10 oder die Antenne 104 zu positionieren, um die
empfangene Signalstärke zu maximieren.
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Zusätzlich zu den Positionssteuerungssignalen für die
Untergestellenkeinheiten 36 und 56 gibt die Antennensteuerungseinheit
70 auf einer Leitung 80 Antennenstatusinformationen aus.
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Die Antennensteuerungseinheit 70 arbeitet zweckmäßig, um auf
Leitung(en) 82 Elevationsbefehlssignale zur
Elevationslenkeinheit 56 und auf Leitung(en) 84 Azimutbefehlssignale zur
Azimutlenkeinheit 36 zu übertragen. In FIGUR 5 sind die
Befehlssignale dargestellt, die zum Untergestell übertragen werden,
welches durch einen Funktionsblock dargestellt ist, der mit dem
Bezugszeichen 86 bezeichnet ist. Vom Untergestell 86 werden
ebenfalls Radiofrequenzeingangssignale verwendet, die zur
Antenne 10 oder zur Antenne 104 geleitet werden, und
Radiofrequenzausgangssignale, die von der Antenne empfangen werden.
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Wie vorstehend erläutert, wird die Position des Azimutbauteils
26 und des Elevationsbauteils 30 mittels der Encoder 44 bzw. 62
(FIGUREN 2 und 4) überwacht. Mittels der Leitungen 88 und 90
werden von diesen Encodern Rückführsignale zur
Antennensteuerungseinheit 70 übertragen.
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In FIGUR 5 ist ebenfalls das Radom 68 dargestellt, das mittels
eines Kreislaufes 92 mit einer gesteuerten Kühlung versehen ist.
Eine Kühlung des Radoms 68 ist üblich, und eine weitergehende
Beschreibung ist für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
nicht erforderlich.
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Während des Betriebes empfängt die Antennensteuerungseinheit 70
die verschiedenen Eingangssignale, die für eine unterschiedliche
Koordinatenumwandlung berechnet und verarbeitet werden, um die
erforderliche Drehung um die Azimutachse 28 und die
Elevationsachse 32 zu bestimmen, um die gewünschten Schwenkwinkel der
Antenne 10 oder der Antenne 104 zu erhalten.
Azimutbefehlssignale werden erzeugt und zur Azimutlenkeinheit 36 geführt, und
Elevationsbefehlssignale werden zur Elevationslenkeinheit 56
geführt. Die jeweiligen Lenkeinheiten werden erregt, bis die
gewünschte Position der Antenne mit Hilfe der Rückführsignale
von den Encodern 44 und 62 erfaßt wird. Die
Antennensteuerungseinheit 70 bildet zusammen mit den Lenkeinheiten 36 und 56 einen
Teil eines Servosteuerungssystems mit einer Rückführschleife,
die durch die Encoder 44 und 64 gebildet wird.
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Bezogen auf FIGUR 6 ist ein Blockdiagramm des Antennensystems
gezeigt, wobei die einteilige Helixantenne 10 mit den
elektronischen Komponenten des Systems verbunden ist. Abstrahlende
Helixelemente der Antenne 10 sind mit dem Diplexer 16 verbunden,
der im Empfangsmodus einen Radiofrequenzeingang zu einem
rauscharmen Verstärker 18 führt. Im Übertragungsmodus empfängt der
Diplexer 16 Radiofrequenzausgangssignale vom Leistungsverstärker
94. Wie bei üblichen Antennensystemen ist der rauscharme
Verstärker 18 mit einem Empfänger verbunden, und der
Leistungsverstärker 94 ist mit einem Sender verbunden. Eine weitere
Beschreibung eines solchen Empfängers und Senders ist zum
Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.