АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 1995 года по МПК H01Q19/30 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, в том числе для приема сигналов спутникового телевизионного вещания.

Известны антенные системы для приема сигналов со спутников, состоящие из нескольких директорных антенн.

Недостатки этих антенн низкая чувствительность, неудовлетворительные шумовые характеристики, высокие потери в фидерных линиях.

Рассмотрены возможные пути усовершенствования таких антенн введение активных элементов, выбор типа питающих фидеров.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и конструктивному выполнению является антенная система, которая содержит четыре директорные антенны (ДА), оси которых параллельны, а активные вибраторы присоединены посредством фидерного блока, содержащего коаксиальные фидеры и направленные ответвители, к общему фидеру. Благодаря соответствующему распределению мощности и фазированию удается повысить коэффициент усиления антенной системы по сравнению с одиночной ДА.

Недостаток такой системы невозможность реализации в диапазоне СВЧ из-за высоких потерь и шумов в фидерной системе, ограничивающих достижимую чувствительность при приеме.

Цель изобретения повышение коэффициента усиления и КПД антенной системы, снижение шумов за счет уменьшения потерь в фидерных линиях.

Для этого осуществлена замена коаксиальных фидеров прямоугольными волноводами, снабженными устройствами для точного распределения мощности и фазирования, а также введены технические средства, обеспечивающие эффективное возбуждение ДА и их согласование со свободным пространством и питающим фидером.

На чертеже изображена предложенная антенная система.

Она содержит ДА 1, состоящие из активных вибраторов 2, директоров 3 и рефлекторов 4, фидерный блок, состоящий из отрезков прямоугольных волноводов 5, в одних концах которых установлены подвижные короткозамыкатели 6, а другие концы присоединены посредством согласованного тройника 7 к общему фидеру (на чертеже не показан), согласующий элемент, состоящий из уголка 8 и отражателя 9, и элемент симметрирования 10.

При выборе размеров элементов фидерного блока и взаимного расположения ДА была решена задача оптимального распределения мощности и фазирования. Как известно при объединении в антенную систему двух или более антенн (например, ДА) условием получения максимального коэффициента усиления К_у является точное фазирование и равенство входных сопротивлений в точке питания. При использовании ДА необходимо учитывать также влияние на параметры антенной системы (К_у, уровень бокового и заднего излучения, ширину ДН) подстилающей поверхности, ориентации ДА относительно направления оптимального приема сигналов, ДН (т. е. числа элементов) отдельных ДА. С учетом указанных факторов расстояние l между последовательно включенными ДА было выбрано из соотношения
l n λ, где λ рабочая длина волны;
n целое число, а расстояние L между параллельно включенными рядами ДА из соотношения
L (2N + 1) λ/2, где N целое число.

Для дополнительного повышения точности фазирования и улучшения согласования предусмотрена возможность подстройки электрической длины каждого отрезка прямоугольного волновода 5 с помощью короткозамыкателя 6, установленного с возможностью продольного перемещения, а также возможность симметрирования параллельно включенных рядов с помощью элемента симметрирования 10, выполненного в виде волноводной вставки длиной λ /4, и смещения снабженного элементом симметрирования 10 отрезка прямоугольного водновода вперед на расстояние λ /4 по отношению к второму отрезку за счет искривления плеча одного из отрезков прямоугольного волновода.

Поскольку все ДА установлены в отличие от прототипа практически на одной высоте относительно Земли (величина скоса за счет элемента симметрирования << λ ), влияние подстилающей поверхности на их параметры одинаково и соответствующей ошибкой фазирования можно пренебречь.

Кроме традиционного пути повышения К_у (улучшением точности фазирования и распределения мощности) в предложенном устройстве повышение К_у достигается также за счет улучшения согласования ДА 1, запитанной прямоугольным водноводом, со свободным пространством и с питающим фидером. Для этого разработан согласующий элемент, состоящий из уголка 8 и отражателя 9 и установленный на отрезке прямоугольного волновода 5 соосно с ДА 1. Уголок 8 образован двумя проводящими пластинами, установленными на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода 5, при этом их верхние кромки совмещены на оси ДА, а нижние совмещены с соответствующими ребрами отрезка прямоугольного волновода 5. Отражатель 9 образован двумя проводящими пластинами П-образного профиля, установленными на широких стенках так, что их средний участок шириной d (5,5 λ< d < 6,5 λ ) является продолжением узкой стенки прямоугольного волновода, которая совмещена с рефлектором 4(9) ДА. Внешний контур проводящих пластин отражателя 9 может быть выполнен в форме полуэллипса, разделенного по малой оси величиной d, половина большой оси которого совпадает по величине с широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода.

Наилучшие параметры (ДН, согласование) получены при следующих размерах согласующего элемента: а λ ширина узкой стенки волновода; b 3а-3 λ высота узкой стенки волновода.

Эффективность возбуждения ДА подбирается путем регулирования глубины погружения активного вибратора внутрь прямоугольного волновода. Возможно использование двух и более активных вибраторов 2, при этом оптимальные параметры достигаются при их установке симметрично относительно середины широкой стенки на расстоянии d λ /8 λ /12 друг от друга.

Антенная система работает следующим образом.

При соответствующей ориентации ДА относительно направления приема сигналов в активных вибраторах 2 ДА электромагнитным полем падающей волны наводится ток, который возбуждает электромагнитные колебания в отрезках прямоугольных волноводов 5. При выбранных размерах фидерного тракта обеспечивается синфазное сложение сигналов, принятых соединенными последовательно-параллельно ДА, суммарный сигнал через согласованный тройник 7 по общему фидеру поступает в приемник для дальнейшей обработки.

В антенной системе, состоящей из четырех ДА, получен К_у 24 дБ (без учета усиления конвертора, т.е. непосредственное усиление антенной системы в диапазоне 11, 19 ГГц, что достаточно для устойчивого приема сигналов непосредственного спутникового телевизионного вещания с учетом усиления, привносимого конвертором.

Использование: системы непосредственного спутникового телевизионного вещания. Сущность изобретения: антенная система содержит несколько директорных антенн, возбужденных последовательно-параллельно и сфазированных соответствующим образом с использованием волноводной распределительной системы. В каждом плече волноводной системы включена по крайней мере одна директорная антенна, активный вибратор которой погружен в волновод. Все плечи размещены параллельно друг другу и присоединены к согласованному тройнику. Предусмотрена возможность подстройки фазы в каждом плече, улучшения согласования каждой директорной антенны со свободным пространством и симметрирования сигнала в параллельно соединенных плечах. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. АНТЕННАЯ СИСТЕМА, содержащая директорные антенны, оси которых параллельны, подключенные к фидерному блоку, отличающаяся тем, что фидерный блок выполнен в виде отрезков прямоугольных волноводов, размещенных параллельно друг другу широкими стенками, на расстоянии
L = (2N+1) λ/2,
где λ рабочая длина волны,
N целое число,
при этом в одних концах отрезков прямоугольных волноводов установлены подвижные короткозамыкатели, а их другие концы посредством согласованного тройника присоединены к общему фидеру, к каждому отрезку прямоугольного волновода подключены по крайней мере две директорные антенны, оси которых перпендикулярны продольным осям отрезков прямоугольных волноводов и лежат в их плоскости симметрии, проходящей через середину узкой стенки, причем расстояние l между осями соседних директорных антенн выбрано из соотношения l = nλ, где n 1,2, при этом каждая директорная антенна содержит по крайней мере один штыревой активный вибратор, которые установлены внутри отрезка прямоугольного волновода, причем их концы выступают наружу через отверстия в широких стенках, при этом рефлектор директорной антенны совмещен с соответствующей узкой стенкой отрезка прямоугольного волновода, и введен согласующий элемент, установленный снаружи отрезка прямоугольного волновода симметрично относительно оси директорной антенны и состоящий из уголка, образованного двумя прямоугольными проводящими пластинами, верхние кромки которых совмещены одна с другой в плоскости симметрии отрезка прямоугольного волновода, а нижние кромки совмещены с соответствующими верхними ребрами отрезка прямоугольного волновода, и отражателя, выполненного из двух проводящих пластин, каждая из которых установлена перпендикулярно широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, причем концы ребер боковых участков проводящих пластин соединены с концами нижних кромок уголка. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что штыревые активные вибраторы размещены внутри отрезка прямоугольного волновода симметрично относительно середины широкой стенки на расстоянии λ/8-λ/12 один от другого. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что пластины отражателя имеют П-образную форму, средний участок которой лежит в плоскости узкой стенки, причем размеры уголка и отражателя выбраны из соотношения 5,5λ < d < 6,5λ, где d ширина проводящей пластины уголка и ширина среднего участка П-образной пластины отражателя. 4. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что пластины отражателя выполнены в виде полуэллипса, разделенного по малой оси, большая ось которого равна размеру широкой стенки отрезка прямоугольного волновода, а малая ось равна ширине проводящей пластины уголка, при этом штыревые активные вибраторы установлены симметрично относительно фокусов эллипса.