АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано на линиях радиорелейной связи СВЧ-диапазона.

Современное состояние техники в указанной области и тенденции ее развития отражены в литературе.

Изобретение направлено на частное решение задачи повышения в рупорно-параболической антенне коэффициента усиления, симметрирования диаграммы направленности по плоскостям поля, увеличения эксплуатационной надежности и уменьшения высоты и массы при сохранении площади излучающего раскрыва.

Известна антенна с вынесенным облучением и вертикально питаемым рупорным излучателем. В этой антенне - АНК - 1,5 уменьшен вертикальный размер и симметрирована ДН. Однако вследствие открытого рупора его непосредственное излучение за края отражающего зеркала вызывает повышенный уровень дальних боковых лепестков, для уменьшения которых приходится устанавливать боковые стенки в антенне. Открытость рупора также снижает эксплуатационную надежность. Последнее объясняется тем, что от осадков в антенне защищен радиопрозрачной крышкой только раскрыв рупора. Попадание на эту крышку пыли, грязи или снега приводит к ухудшению параметров антенны. Кроме того, необходимость повысить жесткость конструкции по отношению к ветровым нагрузкам до уровня РПА приводит к ее существенному утяжелению.

Известна также антенна типа РПА, выпускаемая фирмой Anrew, с круглым излучающим раскрывом, конической рупорной частью и цилиндрическим экраном, описанным вокруг излучающего раскрыва, соединенных между собой в единую конструкцию. При этом плоскость раскрыва закрыта радиопрозрачным укрытием, а внутренний объем антенны герметизирован. В варианте антенны внутренняя поверхность конуса и цилиндра покрыты радиопоглощающим материалом. Недостатками антенны (при диаметре раскрыва 3 м) являются большая высота - 7,3 м, масса - 0,838 т, относительно невысокий КУ (соответственно КИП = 0,54 на средней частоте диапазона). При этом в горизонтальной плоскости для Е-поляризации уровень I-го бокового лепестка равен - 13 дБ, для Н-поляризации - 16 дБ.

Известна антенна типа РПА, в которой питающий конический рупор продлен до пересечения его стенок с параболическим отражателем, а в его передней стенке сделан вырез, повторяющийся в проекции на плоскости раскрыва круг диаметром, равным диаметру излучающего раскрыва. Вырез защищен радиопрозрачным материалом, продолжающим поверхность конуса. В варианте конструкции стенки конуса покрыты радиопоглощающим материалом.

Недостатки антенны такие же, как и предыдущей антенны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является антенна РПА-2П-2, которая имеет высокое согласование, КСВ < 1,02, низкий уровень бокового излучения, удобство питания при установке на мачтах с вертикально подвешенным круглым волноводом. Рупорная часть антенны выполнена в виде четырехгранной усеченной пирамиды, раскрыв имеет форму сектора, усеченного сверху и снизу по линиям стыковки граней пирамиды с параболическим отражателем.

В этой антенне питающий рупор выполняет современно функции излучателя и защитного кожуха. Поэтому его габариты соизмеримы с размерами антенны. Собственная расфасовка такого рупоpа весьма велика и может составлять (6-10) π и более, а с учетом разных расстояний до точек зеркала 1 она к тому же быстро меняется. При этом претерпевает заметные изменения распределение амплитуд и фаз на поверхности зеркала. Эти изменения искажают синфазность поля в раскрыве РПА и придают осциллирующий характер распределению амплитуд. В результате падает КУ и растет фон дальнего бокового излучения. Кроме того, положение фазового центра такого рупора не совпадает с его вершиной 0, что также ведет к уменьшению КУ.

Недостатками также являются большая высота - 6,8 м при эквивалентном диаметре излучающего раскрыва 3 м, большая масса - 1390 кг, недостаточная симметрия как главного лепестка, так и уровня первых боковых лепестков (-11 дБ в пл. Е и -23 дБ в пл. Н), а также низкая эксплуатационная надежность. Последнее связано с тем, что в процессе эксплуатации в устье рупора, соединенного с питающим волноводом, на радиопрозрачной пленке герметизирующей вставки скапливаются пыль, грязь и конденсат влаги, образующийся на стенках рупора, а это в ряде случае ведет к перерывам связи, необходимо время для очистки пленки или выпуска скопившейся воды в антенне.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления для антенны типа РПА, симметрирование диаграммы по плоскостям поля, увеличение эксплуатационной надежности и уменьшение высоты и массы при сохранении площади излучающего раскрыва.

Поставленная цель достигается тем, что рупор помещен внутрь защитного кожуха, собственная расфазировка рупора не превышает (2-3) π , его плоскость раскрыва перпендикулярна или наклонена к плоскости раскрыва антенны, а фазовый центр совмещен с фокусом параболоида, кроме того, рупор крепится к днищу, например горизонтальному, ограничивающему снизу защитный кожух. Для совмещения фазового центра рупора с фокусом параболоида рупор может перемещаться вдоль вертикали.

На фиг. 1 показано сечение предлагаемой антенны в плоскости симметрии, где 1 - параболический отражатель; 2 - рупор; 3 - днище; 4 - защитный кожух; 5 и 6 - поглотитель; на фиг. 2 - распределение поля в раскрыве антенны при той же диаграмме рупора и разных углах облучения ближней и дальней кромок зеркала; на фиг. 3 - геометрия и сечение предлагаемой антенны с коническим кожухом (7 - вырезка из цилиндра) на фиг. 4 - геометрия и сечение предлагаемой антенны с пирамидальным кожухом (8 - защитная крышка).

Антенна содержит отражатель 1 - несимметричную вырезку из параболоида вращения с фокусом 0 и фокальной осью А-А, рупорный излучатель 2, установленный на днище 3, и защитный кожух 4. Днище 3 имеет бесщелевой электрический контакт с кожухом 4. Рупорный излучатель выполнен в виде малогабаритного расфазированного рупора с собственной расфазировкой не более (2-3)π. Он может перемещаться вдоль вертикали ВО, проходящей через фокус параболоида. Рупор 2 размещен внутри защитного кожуха 4, его плоскость раскрыва СС перпендикулярна или наклонена к плоскости излучающего раскрыва антенны, а фазовый центр рупора совмещен с фокусом параболоида 0, кроме того, рупор крепится к днищу 3, ограничивающему снизу защитный кожух, и имеет возможность перемещения вдоль вертикали ВО₁. Угол β₁ из фокуса 0 на дальнюю точку Q кромки отражателя 1 больше, чем угол β₂ - угол из того же фокуса на ближнюю точку Р кромки.

Описанная часть устройства антенны одинакова для устройства с коническим или пирамидальным кожухом, одинаковы и их сечения в плоскости симметрии (см. фиг. 1 и 4).

Антенна с круглым излучающим раскрывом имеет защитный кожух 4, который может быть выполнен в виде вырезки из конуса или пирамиды с вершиной в точке O₁. Вершина O₁ конуса (пирамиды) 4 смещена вниз и вправо от фокуса параболоида, а ось симметрии конуса 4 (пирамиды) O1R наклонена под углом RОB к вертикали ВО влево, при этом углы γ₁ и γ₂(в плоскости симметрии), составленные образующими конуса (пирамиды) О₁Р и О₁Q с фокальной осью А-А различны, причем угол γ₂ , составленный образующей О₁Р к нижней точке Р параболы 1 меньше, чем угол γ₁ к верхней точке Q параболы 1, коническая поверхность 4 стыкуется с зеркальным отражателем 1 по линии их взаимного пересечения РК (см. фиг. 3), кроме того, защитный кожух 4 выполнен вырезкой 7 из цилиндра с диаметром излучающего раскрыва QD и осью GH, параллельной фокальной оси параболоида. Значения углов γ₁ и γ₂ выбирают из конструктивных соображений.

Малогабаритный рупор 2 (см. фиг. 1) облучает поверхность параболического отражателя 1. После отражения поля от последней в раскрыве антенны OD образуется плоский волновой фронт. Ход лучей в антенне показан тонкими линиями со стрелками. Следовательно, предложенная антенна работает так же, как прототип, но имеет меньшие габариты и лучшие характеристики.

Поясним способ выбора геометрии предложенной антенны при заданной форме диаграммы направленности F(β), β= -θ малогабаритного рупорного излучателя , β отсчитывается от оси А-А, θ - от точки ОВ, а также проиллюстрируем изобретение соответствующим примером.

На пути лучей от рупора к плоскости раскрыва проявляется действие двух факторов: спад поля при удалении от оси симметрии ОВ рупора в обе стороны, т. е. фактически изменение уровня в диаграмме рупора F( β ); пространственное затухание, определяемое расстоянием от фазового центра 0 до точек отражения на поверхности параболоида. Чем больше это расстояние, тем больше и величина затухания. На пути лучей от параболы до плоскости раскрыва распространяется неоднородная плоская волна, которая с большой степенью точности не имеет пространственного затухания. Поэтому всегда можно уравнять поле в точках Q и Р, используя соотношение
=
или F(β₂)Cos² = F(β₁)Cos² = q
Задав уровень q на краю раскрыва и какой-либо из углов β₁ или β₂ из этого соотношения, а также зная форму F(β) диаграммы рупора, найдем значение второго искомого угла β₂ или β₁соответственно. Еще одно соотношение имеем для горизонтальной плоскости
F(α^*)Cos² = q
где
Указанные соотношения, использованные совместно, позволяют решить задачу определения геометрии вырезки из параболоида в предложенной антенне, т. е. найти значения углов α* и β₂ при заданных значениях поля F(α*) и β₁ .

Пример соответствующего выполнения при заданных значениях F(α*) на кромке антенны в горизонтальной плоскости, равных -14 дБ и β₁= 26^о приведен на фиг. 2. При этом β₂ = 44^о, α* = 70^о, а характер распределения в плоскости симметрии антенны и изоклины поля весьма близки к осесимметричному случаю. Максимум распределения амплитуд в плоскости раскрыва антенны (0 дБ) заметно приблизился к центру раскрыва, а уровень поля вдоль кромки колеблется в небольших пределах - 13. . . 14 дБ. Такому распределению соответствует повышенный КИП и улучшенная симметрия в области главного и первого бокового лепестка. Выбрав описанным путем положение крайних точек Р( β ) и Q( β ), увязываем их с диаметром излучаемого раскрыва
2r = 2Ftg - tg через F_o через F_о, где F_o - фокусное расстояние образующей параболы. Задавая 2 r, отсюда можно найти фокусное расстояние параболоида, который должен проходить через точки Р и Q. Выписанные соотношения позволяют полностью определить все независимые геометрические параметры в предложенной антенне. В прототипе рупор не имеет возможности перемещаться относительно отражающего зеркала, так как его фазовый центр не совпадает с геометрической вершиной конуса, совмещенной с фокусом параболоида, то отсутствует некоторая несинфазность поля в раскрыве РПА, что снижает ее КУ. В предложенной антенне рупор может перемещаться вдоль вертикали, а это позволяет совместить его фазовый центр с фокусом параболоида. Степень совмещения контролируется соответствующим изменением сигнала на входе приемной антенны, расположенной в дальней зоне поля. На макете антенны получено повышение КИП до 0,75 по сравнению с 0,6 в прототипе.

Относительное уменьшение высоты антенны μ в сравнении с высотой РПА с той же площадью излучающего раскрыва может быть определено по формуле
μ =
В сравнении с антенной РПА-2П имеем μ = 0,559, т. е. общая высота предложенной антенны, в 1,8 раза меньше высоты антенны по прототипу.

Таким образом, в предложенной антенне достигается практически осесимметричная ДН, высокий КУ, уменьшение высоты и массы при сохранении площади излучающего раскрыва.

Эксплуатационная надежность предложенной антенны заметно выше, чем антенны по прототипу, так как конденсат влаги с пылью и грязью, образующийся на стенках защитного кожуха, стекает на днище кожуха, откуда он легко может быть смыт без нарушения режима работы антенны.

Действие антенны по п. 2 аналогично, но имеется возможность дополнительно снизить уровень дальнего бокового излучения за счет подавления полей, отраженных от стенок защитного кожуха. (56) О направленных свойствах РПА. - Под ред. А. А. Пистольнерса. Вып. 17. М. : Связь, 1973, с. 3-14.

Изобретение относится к зеркальным антеннам. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления, симметрирования диаграммы направленности по плоскостям поля, увеличение эксплуатационной надежности и уменьшение высоты и массы при сохранении площади излучающего раскрыва - достигается геометрией рупора и его размещением и ориентацией. 4 ил.

1. АНТЕННА с вертикальной плоскостью симметрии, содержащая рефлектор в виде вырезки из параболоида вращения, рупорный излучатель с вертикальным питанием и защитный кожух в виде части конуса или пирамиды, опирающихся основанием на кромку рефлектора, причем часть защитного кожуха, затеняющая раскрыв, выполнена из радиопрозрачного материала, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, симметрирования диаграммы направленности по плоскостям поля, увеличения эксплуатационной надежности и уменьшения высоты и массы при сохранении площади излучающего раскрыва, рупорный излучатель выполнен в виде малогабаритного расфазированного рупора с собственной расфазировкой не более (2-3) π , , вершина защитного кожуха смещена в плоскости симметрии от фокуса параболоида и размещена между фокальной осью и вертикальной осью рупорного излучателя, причем угол γ₁ между фокальной осью и направлением из вершины защитного кожуха на кромку рефлектора у его раскрыва больше угла γ₂ между фокальной осью и направлением из вершины защитного кожуха на тыльную кромку рефлектора, защитный кожух ограничен снизу плоским днищем, на котором установлен рупорный излучатель с возможностью перемещения вдоль своей оси, а его фазовый центр совмещен с фокусом рефлектора. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя сторона защитного кожуха частично или полностью покрыта радиопоглощающим материалом.