用於混合式通信衛星的天線系統的製作方法

2023-07-27 10:36:16

專利名稱:用於混合式通信衛星的天線系統的製作方法
本發明一般地涉及一種衛星通信系統，這種衛星系統採用一個位於地球同步軌道上的衛星，以用來在地球上的多個小孔徑天線地面站之間組成通信鏈路。更具體地說，本發明涉及用於具有兼容雙向和廣播通信系統的混合通信能力的通信衛星的天線系統。
以往，通信衛星通常採用幾個用於從地球和向地球分別接收和發射信號的天線子系統。為了使天線相對於地球的指向保持不變，這些天線子系統通常安裝在衛星的一個「反自旋」平臺上。這些天線子系統既可以是固定的，或可操作的和可以不同極化工作的。例如，一個已知的天線子系統包括安裝成兩行的一對初級反射器。其中的一個反射器是垂直極化的，可用來反射發射和接收信號中的一個;另一個是水平極化的，可用來反射和接收信號中的另一個。
由於受通信衛星空間的限制，所以這種衛星的天線系統必須結構緊湊，並儘可能使用少的部件。為了部分達到此目的，已設想了鏡象反射器裝置，以便用一個小的發射天線陣列形成一掃描波束。通過將一個小的相控陣列與一個大的主反射器及一個較小的反射器鏡象裝置相結合，以使在主反射器上形成一個小陣列的大鏡象，由這種裝置可獲得大孔徑相控陣的性能。於是，用一小陣列組成了一個具有大孔徑的電子掃描天線。這種鏡象裝置的重要特點是主反射器不必精確製造，因為可以用小天線陣有效地校正小的機械誤差。
為了提供一種結構緊湊的天線系統，已採用過用所謂的準光學天線雙工器去分開不同頻段的相重合的射頻信號，即分開發射和接收信號。採用上述類型的準光學天線雙工器的結構緊湊的鏡象裝置已經在由C.Dragone和M.J.Gans所著的發表在1979年2月29日出版的The Bell Sytem Technical Journal，第5卷，No.2上的題為「用小天線陣形成掃描波束的鏡象反射器裝置」一文中。該文公開了一個置於發射天線陣和鏡象反射器之間的頻率雙工器。接收天線陣置於雙工器的一側，發射天線陣在另一側。在發射帶通內的信號從發射陣列經過雙工器到達鏡象反射器。雙工器可反射在接收波段內的反射信號，結果使入射到雙工器的上接收波段內的信號反射到接收天線陣。
隨著在地球同步軌道上放置通信衛星的成本的提高，如果可能，使衛星能操作最大數目信道，和不同類型通信業務的能力越來越顯得重要。本發明是針對上述目標提出來的。
本發明的天線系統是供通信衛星使用的。它包括用來提供雙向，點對點的通信業務的第一子系統，和用來提供廣播業務的第二子系統。兩個子系統採用一個主反射器裝置，該裝置包括一對拋物面反射器，兩個反射器沿在公共軸上彼此交叉，並且分別為垂直極化和水平極化。
子系統的點對點發射機和廣播發射機每個都用一個垂直極化信號並與一垂直極化的主反射器相配合。子系統的廣播發射機和點對點的接收機每個都以水平極化信號工作並與水平極化反射器相配合。點對點子系統的發射機包括一個鏡象反射器裝置，以利用一個小的子反射器在主反射器上形成一個小發射機天線陣的大鏡象，從而獲得一個大孔徑相控陣所具有的性能。
一對由靠頻率選擇屏(frequency selective screens)進行選頻的準光學天線共用器用於分離每個子系統的發射和接收信號。
因此，本發明的主要目的是為了提供一種用於通信衛星的天線系統，該系統包括用來與由衛星所服務的區域建立獨立通信鏈路的各子系統。
本發明的另一目的是為了提供如上所述的一種在結構上特別緊湊和簡單的天線系統。
本發明的還有一個目的是為了提供一種如上所述的天線系統，包括使能在多個地面站之中任意兩個之間進行雙向通信的第一接收機和第一發射機，和包括為衛星服務區域提供廣播業務的第二接收機和第二發射機的天線系統。
本發明的再一個目的是為了提供上述利用一對頻率選擇屏分別分離每個子系統的發射和接收信號的天線系統。
本發明的又一目的是為了提供如上所述的包括一個利用小的相控陣獲得具有大孔徑的電子掃描天線。
本發明的其次目的是為了提高一個由包括一對反射器的反射器裝置，而反射器是不同極化的，在一公共軸彼此交叉，並組成一個結構緊湊的裝置。
讀者在閱讀本發明下述介紹之後，對上述的及其它的本發明目的和優點將會更明白。
在附圖中圖1是通信衛星的透視圖，所示為天線子系統。
圖2是圖1中天線子系統的俯視圖。
圖3是圖2中沿3-3線的剖視圖。
圖4是圖2中沿4-4線的剖視圖。
圖5是裝備此發明的衛星所覆蓋的美國及鄰近接收地區的視圖。斜線表示所覆蓋的基本區域，由小黑點表示的區域為採用區域。
圖6是通信衛星通信電子系統方塊圖。
圖7是耦合網絡的原理示意圖，此網絡連接點到點的接收饋喇叭和圖6所示通信電子系統的輸入。
圖8是用於連接接收和發射地區點對點系統的互連信道參考圖表。
圖9是衛星覆蓋的描述多個相鄰發射區域的美國圖解表示及橫貫美國各地區的互聯信道的地理分布圖。
圖9A是點對點系統每一地區發射天線波束增益變化曲線圖。此曲線與東西方向上離開波束中心的距離有關。
圖9B是與圖9A類似的曲線，表示南北方向上的增益的變化。
圖10是點對點系統濾波互聯矩陣的詳細原理圖。
圖11是點對點系統的波束成形網絡的平面詳圖。
圖12為圖11所示波束成形網絡的局部放大圖示。
圖13為點對點系統中發射陣列的正視圖，為清晰起見，每一發射單元中的水平槽縫未畫出。
圖14為圖13所示發射陣列的側視圖，並畫出了單元的共饋網絡。
圖15為圖13所示的發射陣列中發射單元的正面透視圖。
圖16為點對點系統中接收饋送喇叭的正視圖。
圖17為表示點到點系統中發射波和部分發射饋源陣列間關係的簡圖。
先參看圖1-4，通信衛星10位於地球表面上方的同步軌道中。衛星天線系統(在下面將詳細介紹)安裝在面向地球的平臺上。這樣天線系統可以和地球保持固定的方向。
衛星10是一顆混合的通信衛星，它在一個特定的波段上(如固定衛星利用Ku波段)提供兩種不同的通信服務。一種通信服務(下面稱之為點到點服務)在很小孔徑天線地面站間提供空帶聲頻和數據信號的雙向通信。通過運用頻分多址(FDMA)及指定工作頻譜的復用，可以單一的線性極化同時容納成千上萬個通信信道。衛星10的另一種通信服務是廣播，它由另一個線性極化承擔。廣播用於衛星10的服務地理區域內，基本上採用單向視頻和數據傳輸。這樣，發射天線的波束覆蓋了整個的地理區域。為說明起見，假定接收點到點及廣播服務的地理地區是美國，因此可以用下面的CONUS(美國大陸)系統為例來介紹廣播服務系統。
衛星10的天線系統包括一個傳統的全向天線13和分別用於點到點系統及CONUS系統的二個天線子系統。點到點天線子系統提供雙向通信鏈路，聯接雙向通信的地面站。CONUS天線系統作為廣播的轉發器，以較寬的幅射方向圖覆蓋整個美國，其信號被一個或多個地面上指定地區所接收。點到點的發射信號及CONUS的接收信號是垂直極化的。CONUS的發射及點到點的接收信號是水平極化的。天線系統包含一個大反射器裝置12，它由兩個反射器12a和12b構成。兩個反射器12a和12b圍繞公共軸相對轉動，兩反射器在它們的中點相交。反射器12a為水平極化由水平極化信號控制，而反射器12b為垂直極化由垂直極化信號控制。因此，反射器12a、12b各反射另反射器12a、12b的發射信號。
頻率選擇屏18由18a、18b兩部分構成，它裝在支架30上，兩個半屏18a、18b相對安裝在衛星10的中心線兩邊，如圖2中所示的。頻率選擇屏18作為雙工器，用來分開不同的頻帶，它由一個分立陣列組成，其中的電導元件由銅一類的材料製成。任何各種類型的已知頻率選擇屏都可以用在這個天線系統中，在我方編號為PPD-85512的美國專利申請中所給出的頻率選擇器，具有極好的傳輸性能，並能區分十分相近的兩個頻帶。Hughes飛機公司的產品中就採用了這種選擇器。在點對點及CONUS子系統中，這個頻率選擇器有效地分離發射和接收信號。可以這樣認為，兩個半屏18a、18b各自用來分離水平及垂直極化的信號。
在該例中，以單一的波束服務於全國的CONUS系統有8個常規的轉發器，每個都用高功率行波管放大器作為它的發射機82(見圖6)。CONUS接收天線利用垂直極化，與點對點傳送系統共用一個垂直極化反射器12b。CONUS的接收信號通過頻率選擇半屏18b，聚焦於接收饋源喇叭14上，它安裝在反射器12b的聚焦平面28上。這樣形成的天線幅射(方向)圖剛好覆蓋整個美國大陸。CONUS發射天線利用水平極化，與點對點接收系統共用反射器12a。從發射饋源24幅射來的信號由水平極化頻率選擇屏18a反射到12a上。這樣反射後的二次幅射圖剛好覆蓋整個美國大陸。
點到點子系統包含一個發送陣列20，一個子反射器22和接收饋送喇叭16。發送陣列20(以後將詳細討論)安裝在支架30上，恰好位於反射屏18的下面。子反射器22安裝在反射陣列20的前方，較反射屏18略低一點，發送陣列20發出的信號由子反射器22反射至半個反射屏18b上。子反射器22和主反射器12配合，有效地加強並放大了來自發送陣列20的信號幅射圖。同樣，從子反射器22來的信號，被半個反射屏18b反射到大反射器12b上，12b將點到點系統信號再反射到地球上。通過這種方法可得到大孔徑相控陣列的性能。接收饋送喇叭16安裝在反射器12a的聚焦極26上，它由四個主喇叭50、54、58、62和三個輔助喇叭52、56、60構成，如圖16所示。
參考圖13～15，發送陣列20由許多(例如40個)發射波導元件106，依次排列構成，如圖13所示。每個發射波導元件106由許多諸如26的垂直隔開的水平的狹縫108構成。這樣即可產生垂直極化信號。如圖14所示，發送陣列20的饋入信號由共饋網絡(一般用數字110表示)提供。此網絡在四個標號為114的地方激發陣列元件。共饋網絡110的用處是提供一個寬頻帶與發送波導元件106相匹配。信號輸入到波導管，打開112，激發陣列狹縫108，由此此，狹縫激發用以在南北方向上產生一個平展的幅射圖。
請看圖5，它描述了一個普通的由水平極化點對點接收系統提供的矩形波束的覆蓋情形。在這個具體例子中，用點到點接收系統服務地區是美國大陸。點到點接收系統由4個波束R1、R2、R3、和R4組成，它們相應地將來自上行鏈路地區32、34、36、38的信號發送到衛星上。R1-R4中的每一波束都含有多個來自每個地區32，34，36，38中各個別地面站的各上行鏈路波束，並由該站載入一個個別信號，來自不同地面站上行鏈路信號被置於每一地區多個信道之內。例如，地區32包含多個諸如16個27MHZ的信道，每一信道載有來自地區32中相應上行地面站的上百的個別波束信號。
四個波束幅射方向圖的信號等場強度，分別用數字32、34、36和38表示，其信號強度大約比它們相應的波束峰值低3分貝。天線波束設計得能夠充分隔離，能在39、41、43和45斜線地區復用頻譜四次。在小黑點區域40、42和44，相鄰區域產生的同頻信號無法有效地隔離。在這些區域產生的每個信號包含兩種下行鏈路信號號，一個是期望的，另一個是附加的。在這些區域產生的附加信號以後將會詳細討論。
從圖5上可明顯看出，被波束32、34、36和38覆蓋的地區其寬度不等。被波束32覆蓋的東海岸沿伸約1.2徑度;被波束34覆蓋的中部地區約1.2度;由波束36覆蓋的中西部及波束38覆蓋的西海岸約沿伸2度。四個接收地區32、34、36和38的寬度由地面站數目，也即不同地區的人口密度來確定。因此波束幅射方向圖案32相對窄些，用以容納美國東部地區較高的人口密度，而波束36相對寬些，這是因為山區各州的人口密度比較低。由於每一地區使用整個頻譜，因而波束區域寬度在人口密度大的地區較窄，以滿足使用信道較多的要求。
如圖9所示，點到點發射系統由T1、T2、T3和T4四個波束構成，相應地覆蓋31、33、35、37四個發射地區。T1-T4的每個波束中具有多個各自的下行鏈路波束，指定給31、33、35和37地區中的各個下行鏈路地面站，向這些地面站傳送各自的信號。下行鏈路波束信號由指定的下行鏈路地面站接收，並送入每個地區的許多信道中。例如，地區31可能含有16個27MHZ的信道，每一信道將上百個不同的波束信號傳送給地區32中相應的下行地面站。
多個下行鏈路及不同寬度下行鏈路的使用有利於產生後面將要敘述的由固態功率放大器產生的互調產物，這些互調產物按地理分布在不同的區域，這種分布能防止多數互調產物被地面站接收。其基本的作用是因為系統能容納較多的互調產物，可使放大器更有效地使用。儘管發射區域31、33、35和37的寬度幾乎和接收區域R1、R2、R3和R4的相同，在兩套系統中，仍有微小的差別，用以最大限度地增加系統的容量。
各個發射波束29的半功率點波束寬度較發射地區31、33、35和37的地區寬度要窄。這導致得到所需的高增益，並避免了40、42、44接收區域分布上特有的區域爭用。各個波束29必須在地區內予以調整，以便在各個目標地面站方向上獲得最大的下行鏈路全向同性有效幅射功率。點到點可尋址窄波發射由陣列20產生，其量值被兩個共焦點拋物面反射器增強，反射器由主反射器12b和子反射器22組成。每個波束29的東西方向由沿著發射陣列20的106元件上的信號的相位進行來決定(見圖13及圖15)。相位進行由後面要講的波束成形網絡98確定，它是信號頻率的函數。每一發射陣列單元20由後面要講的固態功率放大器驅動。傳送到陣列元件106上的功率並不是均勻的，而是錐形，邊界上的元件接收到的功率要低10分貝。波束29的錐形是按照發射陣列單元20的位置通過調整發射增益而獲得，如圖9A所示。激發幅射圖決定了發送二次幅射圖形的特性。參考圖9，發射區域31、33、35和37間最小的間距發生在31和33地區之間，大約有1.2度。這意味著用特定頻率對地區33的尋址信號會干擾和用同樣頻率對地區31的尋地信號，因為其波束中心到旁瓣相差1.2度寬。然而，調整各個發射增益，可以獲得較低的旁瓣，因而允許相鄰地區頻率復用。參考圖9A，這時的旁瓣要低波束中心30分貝，因此，這樣的幹擾就可以忽略。運用相同頻率的地區35及37的天線角度離得更遠，因此這兩個區域的旁瓣幹擾就更小。
圖9B是南北向發射波束幅射圖的說明。每一發射波導管元件106中的26個狹縫108，被激發產生一個近似平展的南北幅射圖，從南北軸線向外擴大到加減1.4度的範圍。
點到點及CONUS系統都可利用同樣的上行鏈路及下行鏈路頻帶，只是點到點系統對上行鏈路極化用水平極化，而CONUS系統用垂直極化，如前面所述。例如，兩個系統同時在14～14.5GHZ間使用整個500MHZ上行鏈路頻帶，同樣在11.7～12.2GHZ間使用整個500MHZ下行鏈路頻帶。在以點到點服務時，32、34、36、38的每一接收地區和31、33、35、37的每一發射地區都利用整個頻譜(如500MHZ)。更進一步說，將這整個頻譜劃分為許多信道，如16個信道，每個信道有27MHZ的可用帶寬和30MHZ的間隔。同樣，16個信道中的每一個都可容納800個子信道。因此，在任何給定時刻對每一地區，大約可容納12500個(16信道×800子信道)32千比特/秒的信道。下面將要講到，點到點通信技術可使任一地面站同另一個地面站直接聯接。這樣，以單一極化在全國範圍內可容納共50000個子信道。
參考圖1、2、6、7和16，點到點接收饋送陣列16用了七個接收喇叭50-62。喇叭50、54、58和62分別從32、34、36和38地區接收信號。喇叭52、56和60接收來自爭用地區40、42和44的信號。用一系列的混合耦合器或功率分配器C1-C9，由喇叭50-62所接收的信號接入四個輸出端64-70。例如來自幹擾地區44的信號被喇叭的接收，由耦合器C2分離，分到的部分信號分別送入耦合器C1和C4，在C1和C4中，分離信號分別與喇叭58、62接收到的信號相混合。同樣，來自地區42由喇叭556的接收信號，由耦合器C5分離。一部分分離信號由耦合器C3將其與耦合器C4的輸出信號混合，同時剩下的部分分離信號由耦合器C7同喇叭54接收的信號相混合。
請看圖6所示的示意，它用方塊圖的形式描述了CONUS及點到點兩系統接收和發射信號的電子設備，點到點接收信號64-70(見圖7)來自點到點接收饋送網絡(圖7)。CONUS接收信號72來自CONUS接收饋送喇叭14(見圖1和3)。點到點及CONUS兩者的接收信號都被輸入一開關網絡76，它能有選擇地將輸入線64～72與五個相應的接收機相接，74通常指8個接收機。接收機74是按常規方法設計的，其中三個是備用的，除非發生故障，一般不予使用。出現故障時，開關網絡重新使輸入線64-72與一後備接收機74聯接。接收機74用來驅動濾波器互聯矩陣90中的濾波器。與64-70連線相接的接收機74的輸出由第二個開關網絡78通過4條接收線路R1-R4與濾波互聯矩陣90相聯。在後面將討論到，濾波互聯矩陣(FIM)在接收區域32、34、36、38和發射區域31、33、35、37之間提供了互聯。當運用上述的分成16個27MHZ信道的500MHZ頻譜時，需要四組由16個濾波器來分離信道。每組16個濾波器利用整個500MHZ頻譜每個濾波器的帶寬為27MHZ。後面將會談到，濾波器的輸出T1-T4排成四組，每組指定給地區31、33、35和37中的一個來使用。
發射信號T1-T4通過開關網絡94分別與6個驅動放大器92中的四個相聯，還有兩個用於後備。當一個放大器92出現故障時，開關網絡94將會把一個後備放大器92與相應的發射信號T1-T4接通。一個相似的開關網絡96把放大器92的放大輸出同波束成形網絡98聯接起來。後面將要詳細介紹的波束成形網絡98由許多傳輸延遲線構成，沿四條延遲線在等間隔處相接。這些延遲線的間隔和寬度是可以選擇的，用以提供所需的中心波束偏斜(squint)和服務於對應的發射地區31、33、35、37隨頻率而掃描的波束掃描速度。從四條延遲線耦合而來的發射信號在波束成形網絡98中相加(如圖11、12)，為固態功率放大器100提供輸入，固態功率放大器可嵌在點對點發射陣列20之中。在下面的實例介紹中，有40個固態功率放大器100(SSPAS)，每個SSPAS100放大40個信號中相應的一個信號，此信號由波束成形網絡98成形。SSPAS100具有不同的功率容量以提供上面提到的錐形陣列激勵。SSPAS100的輸出與發射陣列20的一個單元上的輸入端112相聯。(圖14)。
CONUS在傳輸線72上的接收信號5開關網絡76、78相連的一個合適的接收機74和CONUS信號相連的接收機輸出信號送到多路轉換開關80的輸入端，此開關有8個信道。輸入多路轉換開關的目的是將低電平的信號分成一些子信號，這樣使及子信號能夠在各自的基礎上得到放大。CONUS的接收信號被充分放大，因此CONUS發射信號可以分配給非常小的地面站。輸入多路轉換開關80的輸出通過開關網絡84與12個高功率行波管放大器82(TWTAS)中的8個相聯，另4個TWTAS82是備用的。8個TWTAS82的輸出由另一開關網絡86與輸出多路復用器86相連，此復用器將8個放大信號重新組合，以形成一個CONUS發射信號。多路復用器88的輸出通過波導管送入CONUS發射機24(圖2和圖3)的發射天線上。
圖10描述了FIM90(圖6)的細節。上面講過，FIM90能夠將接收區域32、34、36和38(圖5)中的任何地面站與發射地區31、33、35和37中的任何地面站有效地聯接起來。FIM90含有四個波導輸入端120、122、124和126，分別接收信號R1-R4。如上所述，接收信號R1-R4來自相應的接收區域32、34、36和38(圖5)。每一信號包含整個給定頻譜(如500MHZ)，並且分成多個信道(如16個27MHZ信道)。信道再分為多個子信道，每一子信道傳送一個來自相應的上行鏈路地面站的信號。FIM90擁有64個濾波器，其一用102表示。每個濾波器102都有一個對應每個信道的通帶(如1403-1430MHZ)。濾波器102分為四群，分別用於接收地區32、34、36和38，每組分成兩級或稱子群，每個子群含有8個濾波器。濾波器102的一子群包含用於奇數信道的濾波器，另一子群則為偶數信道的8個濾波器。例如，接收信號R1的濾波器群由奇數信道的濾波器102子群104及偶數信道濾波器102的子群106組成。
下表表示了接收信號和地區與它們的濾波子群的關係接收區 接收信號 濾波器子群奇信道 偶信道32 R1 104 10634 R2 108 11036 R3 112 11438 R4 116 118將濾波器按特殊方法分組，使得當接收信號R1-R4過濾後，合成輸出的信號以形成發射信號，發射信號T1-T4亦使用整個給定的頻譜(如500MHZ)。具體說來，每個發射信號T1-T4都擁有16個27MHZ帶寬的信道，還包含來自四個接收地區32-38(圖5所示)之一的四個信道。
輸入接收信號R1-R4由有關相聯的混合耦合器128-134分為相應的子群，耦合器能有效地將50%的信號功率送入每個子群。例如輸入于波導管120中R1信號的一半被送入傳送線136，以供給濾波器102的106子群。同樣，102濾波器的每個104-118子群由相應的分配線路提供，如同136和138線路一樣。
現在來更詳細地看一下子群104的結構。顯然，其他的子群106-118與104子群的結構是一樣的。沿發射線136有8個鐵氧體環行器140，每個都與奇數信道濾波器140相聯。環行器140用來將發射線136的信號無損耗地與每個奇數信道濾波器連接。這樣，例如R1信號進入第一個環行器140a，並以反時針轉，同時，相應於信道1的27MHZ帶寬的信號通過它後再進入環行器142。所有其它頻率的信號都被反射。這樣反射信號經環行器傳向下一個濾波器，這種過程重複地進行。通過這一過程，R1接收信號通過16濾波器104-108對應於R1信號的濾波器的濾波進入16個信道。故具有1個信道頻率範圍的R1信號經過第一個環行器140a，並由104群的濾波器1濾波。
濾波器子群104-118的輸出有選擇地以第二個鐵氧體環行器142耦合，並和以交叉方式與相鄰的102濾波器群的輸出相加。如104群的信道濾波器1、5、9、13的輸出與112群的信道濾波器3、7、11、15的輸出相加。這個相加信號在輸出端以T1144表示。參看圖8，這些信號與接收區域R1、R3的連接有關，並與發射區域T1相關。
圖8和9顯示了發射及接收信號是如何通過FIM90連接的，由此允許任何地面站間的雙向通信。圖8的圖表明接收和發射區域由互聯信道連在一起的，而圖9表示了這些互聯信道在發射地區31、33、35、37的地理分布。圖8中，接收信號R1-R4按行來讀，發射信號T1-T4按列來讀。從圖8可以看出，T1-T4中每個發射信號由16個信道分成相應的四個群，每群與R1-R4中的一個信號合在一起。所呈的衛星通信系統可望用於地面站的相連，這涉及到一個衛星網絡控制中心，它能夠通過一組開關信號使地面站互相通信。網絡控制中心給上行鏈路用戶分配上行鏈路頻率，這個頻率基於所需的下行鏈路的位置，指定使用頻率以使其下行鏈路緯度與目的地面站的最為接近。可尋址下行鏈路發射波束29的頻率也因此由上行鍵路信號的頻率來確定。這個方法可獲得最大的下行鏈路信號增益。
如圖9所示，將美國大陸分成四個基本地區，分別用31、33、35和37表示。31代表東海岸地區，33代表中部地區，35代表山部地區，37代表西海岸地區。如前所述，每個地區使用全部的給定頻譜(例如500MHZ)。因此，當指定頻帶為500MHZ時，可有16個27MHZ的信道，加上31、33、35、37中每地區的保護頻帶。
圖9中波束29上方的數字1-16重複了四次，這些數字表示與信道中心頻率相一致的波束之徑度。由于波束頻率靈敏度的原因，要使信道中窄帶信號的最低與最高頻率之間的縱向間隔接近於信道寬度。每個波束的半功率點間的寬度為0.6度，大約為東海岸和中部地區寬度的一半，是山部地區和西部寬度的 1/3 。天線波束29互相重疊，以保證高的信號密度。所給地區的信道容量越大波束重疊越多。因此，在東海岸31地區，波束重疊大於山部地區35，這是因為東部地區的信號容量大於山部地區35。
現在，以兩個不同地區地面站間的典型通信來描述上述所說的互聯繫統。在這個例子中，假設在密執安州底特律的呼叫者想給加利福尼亞州洛杉磯的地面站通話。底特律位於中部地區34，是上行鏈路地面站，洛杉磯位於西海岸地區37，為下行鏈路目的地。如圖9所示，位於美國大陸的每一地理位置和特定地區的特定信道相關連。因此，洛杉磯位於發射地區37的14和15信道之內。
現在同時參看一下圖5圖8和圖9，尤其是以下接收和發送區R1和T1在東海岸地區31和32內，R2和T2在中部地區34和33內，R3和T3在山區36和35內，及R4和T4在西海岸地區38和37內。因為底特律位於中部地區，或者說R2位於地區34，由此可見，信號只能通過信道1、5、9、13傳送到西部地區，或T4地區37的信道為1、5、9和13。這由圖8表中R2行與T4列的交叉來決定。因此，上行鍵路用戶將來自底特律的信號通過信道1、5、9或者13上行，這取決於這些信道的哪一個最接近於下行鏈路目的地。因為洛杉磯位於信道14和15之間，而信道13最接近於信道14，所以網絡控制中心將上行鍵路信號接於信道13上。洛杉磯的下行鏈路波束其寬度足以提供較高的增益。
反之，如果上行地面站位於洛杉磯，下行地面站位於底特律，則需要參考圖8表中R4行T2列的交叉處。它給出信號能夠通過的信道1、5、9或13，並由此選擇最接近下行鏈路目的地的信道。網絡控制中心將來自洛杉磯的信號上行連結到信道9上，這是圖為信道9最接近於信道11，也最接近於底特律。
現在回到圖10，我們用上面所講的例子來描述如何將接收到的信號轉換成發送信號，其中上行地面站位於底特律，下行地面站位於洛杉磯，從底特律所發送的上行鏈路信號被發送到信道13上，此上行信號載有接收信號R2。從而，R2接收信號輸入到傳輸線122，輸入信號的一部分由混合耦合器130分配給濾波器組120的子群108的輸入線路。子群108包括用於奇數信道的一行8個濾波器，奇數信道包括信道13。於是，輸入信號經過濾波器13濾波和來自子群108和116別的信號一起輸出到164線路上。在164線路上的信道13的信號由混合耦合器158與來自子組106和114的信號合成一起，在輸出線150上形成T4信號。此發送信號T4於是被下行鏈路接到洛杉磯。
應理解上述例子是簡化了的，因為網絡控制中心可指定較27MHZ帶寬的信道更為專用的信道，這是因為27MHZ帶寬的信道實際上可由許多較小的信道所構成，如800個32KHZ帶寬的子信道。
現在再參看一下圖5，8和9，當上行鏈路信號來自40，42，44(見圖5所示)的任一爭用地區時，這種信號不僅被發送到所希望的下行鏈路目的地，而且也將一個不同忽略的信號發送到另一個地理區域，例如，假定上行鏈路信號來自爭用地區42的伊利諾斯州的芝加哥，此信號亦發送到加利福尼亞州的洛杉磯，地區34和36的波束的成形疊加產生了爭用區域42。因此，上行鏈路信號可作為接收信號R2或R3而發送。網絡控制中心決定是否將接收信號R2和R3加載到上行鏈路的通信中去，在上述例子中，由於芝加哥離地區36較近，因此是將接收信號R3加載到上行鏈路通信中去。
如前所述，下行鏈路的目的地洛杉磯位於地區31，在信道14和15之間。如圖8所示，R3行和T4列的交叉點給出了可進行分路通信的可能信道。因此，芝加哥的上行鏈路信號將被發送到信道2，6，10或11上。因為洛杉磯離信道14最近，所以網絡控制中心將選擇信道14作為上行鏈路信道。因而需要注意的是，來自地區34的所不希望的信號也被傳送到信道14上，為了確定不需要的信號下行到任處處，可以參考圖8所示的表格。圖8的表格表明，加載到R2地區34中信道14上的上行鏈路信號被下行到T1發送區31，所需的信號發送到洛杉磯，不要的信號(即附加信號)發送到東部海岸(即地區31)。網絡控制中心在進行頻率分配時保持跟蹤這些附加信號。由於這些附加信號的影響，使系統的容量略為減少。
現在再參看圖6，波束成形網絡98接收發送信號T1-T4，並將這些發射信號中的所有單個通信信號耦合在一起，以形成每個信號的發射天線波束。在上面所討論的例子中指定的頻譜為500MHZ，當系統完全載以窄波信號時，波束成形網絡98將形成總數約為50，000個疊加的天線波束，這樣形成的每一個天線波束能夠指出在一個使系統性能最佳的方向。相鄰單元間的增量相移決定在天線波束的方向，因為相移由信號頻率所決定的，所以系統可用來進行頻率尋址。
現在我們將注意力集中到圖11和12，它詳細描述了波束成形網絡98。在圖11中，波束成形網絡常用數字98表示，它被做或通常的弧形並可按裝在衛星的通信架上(未標出)。假設通過信號的傳通距離是正確，那麼弧形形狀的波束成形網絡98很容易排列。
波束成形網絡98包括兩組延時線，第一組為環形伸展的發射延時線168，170，第二組為發射延時線172，174，它們和延時線168，170在徑向隔開，另外波束成形網絡還包括許多徑向伸展的波導裝置176。具體地講，提供了40個波導裝置176，每個用作發射陣列20(如圖13所示)的一個單元106。波導裝置與168-174的每一個延時線交接並按角度等分。
每個波導裝置176確定了徑向線的大梁並與每個168-174延遲線相交。如圖12所示，在徑向線大梁176和發射延遲線168-174的交點上，提供了一個十字形波導耦合器180，此耦合器180將延遲線168-174和徑向線大梁相連接。十字形波導耦合器的作用將在以後討論。
四根延時線168-174分別提供給四個發射地區的T1-T4(圖9所示)。這裡，發射信號T1加於延時線170的輸入端，T2加於延時線168的輸入端，T3加於延時線174的輸入端，T4加於延時線172的輸入端。正如圖12所示，字母「L」指明徑向大梁間的距離。字母「W」標示每個徑向延時線的寬度。儘管徑向大梁在延時線方向上按角度等分相隔，由於延時線168-174是徑向分隔的，所以它們之間從延時線到延時線的距離也各不相同。因此，由徑線大梁176形成的弧度離中心越長，徑向線大梁176間在它們與延時線168-174交點處的距離就越大。換句話說，在徑向線大梁176之間，延遲線168的間距「L」是小於鄰近徑向線大梁176之間延遲線174的間距。「L」和「W」的典型數值如下所示延時線 信號 L英吋 W英吋168 T2 1.66 0.64170 T1 1.72 0.66172 T4 2.45 0.74174 T3 2.55 0.76選擇延遲線168-174的寬度「W」以及相鄰兩徑向徑大梁間的長度「L」以產生所需的中心波束的偏斜角(center beamsquint)及波束掃描速率，因此校正了每個信道的波束指向。這樣每一發射區域的T1-T4可得到所希望的開始及終止點。
見圖12，發射信號T2由於準確的距離傳入延遲線168，並在此點進入第一徑向線大梁176。部分T2信號經過十字形波導耦合器180(例為為一個20分貝的耦合器)，這樣，發射信號T2的1%功率被送入徑向線傳輸線176。這部分能量又經波導管176進入相應的固態功率放大器100(見圖6及11)。傳入延遲線170的信號T1也進行上述的同樣過程。由十字形波導耦合器180轉送的部分T1、T2信號(如0.01的T1信號和0.01的T2信號)在徑向線大梁中相加，組合信號0.01(T1+T2)以徑向向外傳入下一組延遲線172、174。對於信號T3及T4分別在延遲線174及172上重複了上述的相同耦合過程。也就是通過十字形波導耦合器180的0.01的T3及T4信號耦合傳入徑向線大梁176，得到組合信號0.01(T1+T2)+T3+T4)以徑向向外傳入一個相聯的固態功率放大器100，並在其中放大以供發射。
經過第一個徑向線大梁176後，剩下的0.99的T1-T4信號進入第二個徑向線大梁，又將另外1%的信號送入大梁176。每經過一個徑向線大梁，都將1%的信號送入其中。
經由徑向線大梁176送入SSPAS100的信號，是所有四種點到點發射信號T1-T4的混合信號。然而，發射信號T1-T4都是由12，500個子信號組成的。因此，在上面的詳細說明中(指定的頻譜寬500MHZ)，40個經由徑向線大梁176的信號是50，000個信號的混合信號。因此，每個SSPAS100放大來自眾多波導裝置176的所有50，000個信號。
由於每個SSPAS100放大所有50，000個來自所有地區的指定信號，因此可以看出，所有的窄帶高增益下行波束都是由共同匯集發射機形成的，即所有的SSPAS100形成的。因為使用所有的SSPAS可使下行鏈路波束覆蓋整個國土，所以此方法被認為能有效地提供全國範圍的功率匯集區。這樣，就可在不減弱其他波束功率的前提下，將功率匯集區的部分功率以適應特殊情況，處於別地區不利條件下的下行鏈路用戶。例如，由於下雨而減弱了下行鏈路地面站的波束信號的強度使下行用戶處於不利條件下。這種因雨受損害的用戶可通過增加相應上鏈路波束的信號強度來彌補。即是通過從全國性發射功率網(pool of power)中輸送一部分功率給處於不利條件下的下行鏈路用戶來完成(例如，從所有SSPAS100中提供一部分功率)。每一行上鏈路波束的功率都相應的下行鏈路波束的功率成比例例。所以，為了增加下行鏈路波束的功率，只需增加上行鏈路波束的功率即可。
實際上，上述的網絡控制中心保持跟蹤所有的降雨區域，並確定區哪些上行鏈路用戶要與降雨的下行鏈路用戶通信。於是網絡控制中心利用開關信號陣指令每個上行鏈路用戶，增加發向雨區的上行鏈路信號功率。上行鏈路信號功率的增強，使SSPAS100對這些信號增加集合放大，以產生針對雨區的相應下行波束，增加的功率電平有效地補償了下雨的影響。一般而言，給定降雨地區的信號數目與用SSPAS100總功率操作的信號總數關係不大。因此，其它非降區地區下行鏈路用戶的信號不會減弱，因為一點微小的減弱被分配於成千上萬個用戶的身上。
SSPAS100(圖8和11所示，例如可裝在衛星通信架上(未標出)。由SSPAS100放大的信號送到發射陣列20的相應元件106上。
如上所述，可得到40個徑向線大梁176耦合的信號之間的增量相移。因此，波束成形網絡98允許從發射陣列20(圖12、13)發出的天線波束用頻率的給定來控制。增量相移與在波導管176間的時間延遲有關，同樣也與頻率有關。參看圖17，這是40個發射陣列元件106中的四個的簡圖，說明波陣面從那裡發出的。其中「d」為發射陣列元件106間的距離。所得天線波束有一傾角θ，此θ定義為波束掃描角。這就是說，θ是離標準波束髮射中心的角度。由延遲線產生的增量相移為△φ。θ與△φ的關係如下△φ＝ (2πd)/(λ) sinθ其中λ＝單個波長θ＝波束掃描角d＝陣列元件間距這樣，天線波束的東西方向由增量相移來確定，增量相移對于波束成形網絡98的四個延遲線168-174是不同的。因而得到上面所述的四個發射地區T1-T4，通過對該項發明的介紹，可以認為，對於熟練於此技術的人來講，在不背離該項發明的精神和超出其涉及的技術範圍的前提下，可以對該發明描述的細節作各種補充和修改。因而可以理解。我們所尋求的專利保護將涉及所述主體部分的權利要求
以及本發明範圍內的一切等價之處。
權利要求
1.一個用於地球軌道通信衛星的天線系統，包括用於分別反射第一和第二不同極化的射頻信號的第一和第二反射器；第一天線子系統，它包括用於發射具有上述第一極化的第一發射波束的第一發射機裝置，和包括用於接收具有上述第二極化的第一接收波束的第一接收機裝置，上述第一發射波束被上述第一反射器反射到地面，上述第一接收波束由上述第二反射器從地面反射到上述第一接收機裝置；和第二天線子系統，包括一個用於發射具有上述第二極化的第二發射波束的第二發射機裝置，和包括用於接收具有上述第一極化的第二接收波束的第二接收機裝置，上述第二發射波束被上述第二反射器反射到地面，上述第二接收波束被上述第一反射器從地面反射到上述第二接收機裝置。
2.權利要求
1的天線系統，其中上述第一第二反射器沿一公共軸彼此交叉。
3.權利要求
2的天線系統，其中上述第一和第二反射器以上述公共軸相互偏置於一個角度。
4.權利要求
2的天線系統，其中每個上述第一和第二反射器的形狀通常為拋物面。
5.權利要求
1的天線系統，包括一用於分離上述第一接收波束和上述第二發射波束頻率的第一頻率雙工器，和用於分離上述第二接收波束和上述第二發射波束頻率的第二頻率雙工器。
6.權利要求
5的天線系統，其中上述第一雙工器包括一個第一頻率選擇屏，它用以通過傳送的上述第一接收波束和反射來自上述的第二發射波束，上述第二雙工器包括一個第二頻率選擇屏，它用以通過傳送的上述第二接收波束和反射來自上述的第一發射波束。
7.權利要求
6的天線系統，其中上述第一接收機裝置至少包括一個饋送喇叭，和上述第一頻率選擇屏位於上述饋送喇叭和上述第二反射器之間。
8.權利要求
7的天線系統，其中上述第二發射機裝置包括一個用於形成上述第二發射波束的發射天線陣，和上述第二天線子系統還包括用於擴大由上述發射天線陣發射的第二發波束的裝置。
9.權利要求
8的天線系統，其中上述擴大裝置包括一個拋物面反射器位於上述第二頻率選擇屏的反射處，用以反射由上述發射天線陣發射的第二發射波束。
10.權利要求
8的天線系統，其中，上述發射天線陣，上述第一頻率選擇屏，和上述饋送喇叭均安裝於一個公共底座上。
11.權利要求
6的天線系統，其中上述第一和第二頻率選擇屏相互並排放置的。
12.權利要求
6的天線系統，其中上述第二接收機裝置至少包括一個饋送喇叭，而上述第二頻率選擇屏置於上述饋送喇叭與上述第一反射器之間。
13.權利要求
6的天線系統，其中上述第一發射機置於上述第二頻率選擇屏與上述第一反射器之間。
14.權利要求
5的天線系統，其中上述第一雙工器，上述第一接收機裝置和上述第二發射機裝置每個都包括置於近似地通過上述第一和第二反射器的中心的一個平面的一側的饋送喇叭，而上述第二雙工器和上述第一發射機裝置及上述第二接收機裝置均包括置於上述平面另一側的饋電喇叭。
15.一個用於地球軌道通信衛星的天線系統，包括一個用來組成一個第一地-地通信鏈路的第一發射機和第一接收機，上述第一發射機發射一個具有第一極化的第一發射信號，上述第一接收機接收一個具有不同上述第一極化的第二極化的第一接收信號。一個第二發射機和一個第二接收機，用來組成一個第二地-地通信鏈路，上述第二發射機發射一個具有上述極化的第二發射信號，上述第二接收機接收一個具有上述第一極化的第二接收信號。用於將上述第一發射信號的頻率與上述第二接收信號的頻率分離的第一裝置;用於將上述第一接收信號頻率與上述第二發射信號頻率分離的第二裝置;和用於反射每個上述第一和第二發射和接收信號。
16.權利要求
15的天線系統，其中上述反射裝置包括一個具有上述第一極化的第一反射器，用於反射上述第一發射信號和上述第二接收信號，和一個具有第二極化的第二反射器，用於反射上述第一接收信號和上述第二發射信號。
17.權利要求
16的天線系統，其中上述第一和第二反射器沿一公共軸互相交叉，並互相成角度偏離上述公共物。
18.權利要求
15的天線系統，其中每個上述第一和第二裝置分別包括第一和第二頻率選擇屏，上述第一屏用以發送通過的上述第二接收信號，並反射上述第一發送信號，上述第二屏用於發送所通過的上述第一接收信號和反射上述第二發射信號。
19.權利要求
15的天線系統，其中上述第二發射機包括一個用於形成確定上述發射信號的一個發射波束方向圖的發射天線陣;上述系統還包括用於放大上述發射波束方向圖的裝置;和上述第二裝置包括一個頻率選擇屏，用來通過所傳送的上述第一接收信號和反射上述發射信號;上述第一接收機包括至少一個接收喇叭;上述頻率選擇屏位於上述第一接收喇叭和上述反射裝置之間;上述放大裝置包括一個定向地把上述發射波束從上述天線陣反射到上述頻率選擇屏上的一個反射器。
20.權利要求
15的天線系統，其中上述第一裝置包括一個頻率選擇屏，用於發射所傳送的上述第二接收信號和反射來自上述的第一發射信號，和上述第二接收機至少包括一個接收喇叭;上述頻率選擇屏位於上述反射器裝置和上述第二接收喇叭之間;上述第一發射機至少包括一個於位於上述頻率選擇屏和上述反射裝置之間的喇叭。
21.一個天線反射器系統，包括一個用於反射具有第一極化的射頻信號的第一反射器，和一個用於反射具有不同於上述第一極化的第二極化的射頻信號的第二反射器;上述第一和第二反射器互相沿一公共軸相交。
22.權利要求
21的天線反射器系統，其中上述反射器互相對上述公共軸偏開一個角度。
23.權利要求
21的天線反射器系統，其中每個上述反射器一般為拋物面形狀。
24.權利要求
21的天線反射系統，其中上述第一反射器可發射具有上述第二極化的射頻信號，而上述第二反射器可發射具有上述第一極化的射頻信號。
專利摘要
採用分離子系統的衛星通信系統，用於在給定的頻帶內實現廣播和點對點的雙向通信。廣播和點對點的子系統採用具有公共反射器12的集成化衛星天線系統。子系統通過對給定的頻帶在覆蓋所需服務的地面區域的多個鄰近地區32，34，36，38中重複使用，以得到增加通信的容量。這些區域中的小孔徑天線地面站由多個高增益下行鏈路扇形波束提供服務，通過頻率尋址的方法對這些波束在東西方面進行控制。
文檔編號H01Q19/17GK87105573SQ87105573
公開日1988年3月16日 申請日期1987年8月14日
發明者羅森·哈羅德·A 申請人:休斯航空公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan