АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01Q19/17 

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотных (СВЧ) зеркальных антенн с изменением ориентации диаграммы направленности и может быть использовано для одновременного позиционирования на многочисленную группу геостационарных спутников (ГСС) или других неподвижных объектов, расположенных преимущественно в одной плоскости.

Известны однозеркальные сферические антенны, установленные на ГСС и имеющие несколько облучателей. Формируемые ими диаграммы направленности в основном имеют характер глобального луча, охватывающего значительные территории поверхности земного шара и, следовательно, не селектирующие наземные станции (позиции) по отдельности.

Известен "Управляемый облучатель для тороидальной антенны" по патенту US, 3988736 (Communication Satellite Corporation (COMSAT)), 26 октября 1976 г. предназначенный для обеспечения связи с одним или одновременно несколькими (вероятно, 6 шт.) ГСС, находящимися рядом друг с другом в небольшом (20^o) угловом секторе.

Однако упомянутую систему трудно приспособить для широкого индивидуального пользования, поскольку она включает большое тяжелое зеркало и отдельно стоящее строение с облучателями, а их совместный монтаж представляет сложную строительно-геодезическую задачу: должны быть строго соблюдены взаимное расположение зеркала и строения, а также углы наклона зеркала, облучателей с рельсами и окна в строении. К тому же для различных пунктов установки этой системы, отличающихся по географическим координатам, значения углов наклона зеркала и окна в доме должны быть соответственно изменены, к примеру, для широты экватора весьма существенно, что уже ведет к конструктивным изменениям. Но ее основным недостатком является ограниченность обзора пространства, поскольку она может принимать сигналы только от спутников, находящихся левее от местного меридиана (направления от юга к востоку для северного полушария). Либо если ее развернуть зеркально, то будет возможен прием группы ГСС, находящихся только справа от местного меридиана (направление от юга к западу). Совместный же прием и влево и вправо от юга для данной конструкции принципиально не возможен.

Прототипом является "Антенна синхронного связного спутника" по патенту SU, 310466 (Western Electric Company Incorporated), 11 октября 1971 г. в которой предусматривается селектирование отдельных наземных станций отдельными облучателями, но на практике в пятнах лучей антенны, нацеленных на заданные "корреспондентские" наземные станции, могут оказаться и совсем посторонние приемные антенны. К тому же эта система может служить только для изначально "зеркально"-зафиксированных положений как облучателей на спутнике, так и "корреспондентских" антенн на Земле, без права изменения их положений, поскольку отсутствует эта возможность на ГСС.

В качестве индивидуальных многопозиционных антенн для приема сигналов ГСС в настоящее время используются параболические зеркала, обеспечивающие в неподвижном состоянии своего зеркала дополнительный прием лишь двух-трех ГСС, расположенных на соседних позициях. Это ограничение обусловлено свойствами параболы. Эти антенны включают в себя два-три дополнительных облучателя, каждый со своим малошумящим конвертором. Для приема сигналов других ГСС параболическое зеркало необходимо поворачивать вокруг своих осей, используя электропривод и блок управления.

Основной технической задачей настоящего изобретения является создание простой зеркальной антенны, которая позволит осуществить одновременное селектированное позиционирование на весьма большую (практически всю) группу ГСС. Причем, в отличие от аналогов, не должно производиться механических вращений каких-либо частей этой антенны ее зеркала или облучателя.

Поставленную задачу предлагается реализовать путем использования зеркала со сферическим профилем в сочетании с рядом неподвижно установленных облучателей, число которых равно числу позиционируемых ГСС и которые независимо друг от друга сориентированы своими осями каждый на "свой" стационарный спутник.

Целесообразно установить все облучатели на одной специальной направляющей двойной кривизны, которая должна быть концентрична сферическому зеркалу и иметь радиусом своей кривизны величину порядка половины радиуса сферического зеркала. Облучатели должны иметь возможность юстировки своего положения на этой направляющей, после чего они должны фиксироваться. Облучатели крепятся к направляющей при помощи специальных держателей.

Поскольку ГСС занимают свои места на орбите не в строго определенных интервалах друг от друга, то с целью удобства и точности выполнения наведения (позиционирования) облучателей на свои ГСС предлагается тракты облучателей выполнить частично гибкими путем включения в них гибких отрезков трактов. В зависимости от частотного диапазона позиционируемых ГСС это могут быть отрезки гибких гофрированных волноводов или отрезки коаксиальных кабелей.

Гибкость трактов облучателей позволяет при процедуре монтажа и наладки антенны производить при помощи держателей облучателей перемещение осей (или раскрывов) облучателей вдоль (влево/вправо) и поперек (вверх/вниз) относительно направляющей, обеспечивая наиболее точное позиционирование на ГСС, а также позволяет "дотягивать" оси облучателей к тем ГСС, которые востребованы потребителем, минуя невостребованные ГСС.

Кроме того, каждый облучатель предлагается выполнить с возможностью телескопического изменения своей длины с целью наиболее точной настройки на максимум сигнала в районе своего параксиального фокуса (в вершине каустик).

Другой технической задачей, решаемой в данном изобретении, является достижение возможности использования при приеме сигналов от группы ГСС всего лишь одного блока малошумящего конвертора (МШК).

Эта проблема решается тем, что выходы облучателей в предлагаемой многопозиционной антенной системе присоединены ко входам пассивного СВЧ-многополюсника, названного СВЧ-коллектором. Он представляет собой аналог простого СВЧ-сумматора с числом входов, соответствующим числу выходов облучателей, и, как минимум, одним выходом. Однако суммирования сигналов не производится. К выходу СВЧ-коллектора присоединен МШК, который усиливает тот сигнал, который поступает на его вход с выхода СВЧ-коллектора. То обстоятельство, что облучатели своими выходами сходятся к центру сферы, позволяет реализовать СВЧ-коллектор весьма компактных размеров, с минимально вносимым затенением зеркала.

Для осуществления возможности выбора требуемого к просмотру ГСС из общего меню ГСС в состав облучателей введены СВЧ-выключатели, к примеру на основе p-i-n диодов или иных, запирающих их СВЧ-тракты, элементов. Переключение направлений позиционирования производится по командам от коммутатора.

Кроме того, в состав облучателей могут быть введены стандартные поляризаторы волн и фазокорректирующие элементы типа каплевидных диэлектрических вставок (линз). В зависимости от частотного меню позиционируемых ГСС предлагаемая антенная система может быть оснащена разнодиапазонными облучателями, МШК и СВЧ-коллекторами при необходимости.

В зависимости от востребованного углового сектора позиционирования на ГСС по азимуту раскрыв зеркала может быть раздвинут по своей ширине вплоть до достижения размеров полусферы, но не более того. В то же время, учитывая, что все ГСС расположены в одной экваториальной плоскости, высота зеркала по вертикали может не изменяться в зависимости от направления на ГСС, а оставаться равной той оптимальной величине, которая достаточна для качественного приема наиболее слабого по своему уровню сигнала из позиционируемого ряда ГСС в регионе установки антенны.

На фиг. 1 показаны устройство и принцип действия предлагаемой многопозиционной антенной системы.

Антенная система содержит: сферическое зеркало 1, облучатели 2, СВЧ-выключатели 3, СВЧ-коллектор 4, МШК 5, держатели облучателей 6, направляющую 7, коммутатор позиционирования 8.

Описание конструкции. Сферическое зеркало 1 представляет собой вырезку из сферической поверхности, состоящую из совокупности частных используемых раскрывов. По своей ширине (азимуту) контур сферического зеркала 1 задается направлениями на крайние ГСС в востребованной для позиционирования группе ГСС с добавочной по краям площадью полуокружности, описанной оптимальным радиусом частного используемого раскрыва, а по своей высоте контур зеркала 1 задается оптимальным диаметром того же частного используемого раскрыва сферического зеркала 1. При этом под оптимальным подразумевается диаметр (радиус) такого частного раскрыва, величина которого достаточна для качественного приема сигналов от ГСС в пункте установки антенны.

Облучатели 2, число которых соответствует числу позиционируемых ГСС, состоят из двух отрезков: жесткого отрезка СВЧ-тракта, к примеру круглого волновода, и состыкованного с ним гибкого отрезка СВЧ-тракта, к примеру гофрированного волновода. В своей жесткой части СВЧ-трактов облучатели 2 выполнены с возможностью телескопического изменения своей длины. Облучатели 2 снабжены СВЧ-выключателями 3. Выходы облучателей 2 соединены со входами СВЧ-коллектора 4, представляющего собой СВЧ-многополюсник, к выходу которого присоединен блок МШК 5.

Облучатели 2 установлены в держателях 6, которые выполнены и установлены с возможностью юстировочных перемещений и фиксации на направляющей двойной кривизны 7. Направляющая 7 выполнена концентрично сферическому зеркалу 1 и в свою очередь прикреплена к некоторой опоре с возможностью юстировки своего положения по трем координатам относительно центра сферы.

Для позиционирования на ГСС оси облучателей 2 путем юстировки их положения на направляющей 7 ориентируются при помощи держателей 6 по направлениям на "свои" ГСС, а их раскрывы телескопически совмещаются с поверхностью параксиальных фокусов и фиксируются.

Принцип действия многопозиционной антенной системы следующий. Сигналы от ГСС независимо друг от друга поступают по своим частным направлениям на сферическое зеркало 1. Независимо отражаясь от соответствующих частных раскрывов сферического зеркала 1, они формируются в свои каустические области, в вершинах которых перехватываются раскрывами облучателей 2 и канализируются в их СВЧ-тракты.

В рабочем состоянии СВЧ-тракты всех облучателей, кроме одного, заданного, "заперты" СВЧ-выключателями 3. Сигнал "открытого" облучателя через СВЧ-коллектор 4 поступает на усиление в МШК 5 и с выхода последнего подается на обработку в приемник теле-, радиоканалов или иное приемное устройство.

Переключение позиционирования антенной системы на другие ГСС производится дистанционно от коммутатора 8 путем подачи команд "открыть"/"закрыть" на соответствующие СВЧ-выключатели 3.

Использование: для приема теле- и радиопередач с геостационарных спутников. Сущность изобретения: антенная система имеет несколько облучателей 2, установленных на направляющей 7, концентричной сферическому зеркалу 1. Оговорен контур этого зеркала. Выходы облучателей присоединены к СВЧ-коллектору 4. Количество облучателей 2 равно количеству геостационарных спутников, сигналы которых принимает антенная система. 1 ил.

Антенная система для приема сигналов геостационарных спутников, содержащая сферическое зеркало и облучатели, количество которых равно количеству геостационарных спутников, отличающаяся тем, что облучатели состоят из отрезков круглых волноводов, выполненных с возможностью телескопического изменения их длины, и отрезков гибких волноводов и снабжены СВЧ-выключателями, выходы облучателей присоединены к входам СВЧ-коллектора, облучатели установлены на введенной направляющей, концентричной сферическому зеркалу, контур которого по ширине определен с учетом азимутального сектора между направлениями на крайние для данной широты и долготы геостационарные спутники, а по высоте диаметром, оптимальным для приема наиболее слабого из сигналов геостационарных спутников.