ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q15/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в технике связи, космического телевидения и в тех областях народного хозяйства, где требуется применение остронаправленных антенн.

Известны осесимметричные зеркальные параболические антенны, используемые, например, в технике связи, состоящие из зеркала в виде параболоида вращения и облучателя Катлера, помещенного в фокусе (Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. М. Связь, 1977, с. 278 279).

Недостатками параболических антенн с облучателем Катлера являются их узкополосность и наличие фазовых искажений, имеющих место из-за отражения от стенок волновода, соединяющего облучатель и зеркало.

Известна также зеркальная сферическая антенна, содержащая зеркало сферической формы и облучатель, выполненный в виде расположенной вдоль радиуса сферы линейной антенны бегущей волны с переменной фазовой скоростью (патент США N 3534373, кл. H 01 Q 13/10, 1970).

Однако, возможности известной сферической антенны ограничены из-за однозначной привязки к форме зеркала, например, при разработке конструкции.

Задача изобретения, состоит в поиске формы осесимметричного зеркала и ее связи с законом измерения фазовой скорости волны в облучателе. Решение задачи расширяет арсенал осесимметричных зеркальных антенн.

Сущность изобретения состоит в совокупности следующих признаков: зеркальная антенна, содержащая зеркало и облучатель, выполненный в виде линейной антенны бегущей волны с переменной фазовой скоростью, зеркало антенны формируется образующей кривой за счет ее вращения вокруг оси симметрии зеркала, причем образующая кривая в декартовой системе координат хоy представлена в виде суммы степенного ряда

а ось oy является осью симметрии зеркала, произвольная точка излучения облучателя связана с координатами точки падения луча волны на зеркало соотношением

где t координата произвольной точки излучения облучателя;
x и y координаты точки падения луча волны на зеркало;
y' производная от y по x;
фазовая скорость волны в произвольной точки излучения облучателя связана с координатой точки падения луча на зеркало соотношением

где c скорость света в вакууме;
v(t) фазовая скорость волны в произвольной точке излучения облучателя.

На чертеже изображена схема зеркальной антенны. На этой схеме введены следующие обозначения: 1 образующая кривая, 2 начало облучателя, 3 конец облучателя, 4 произвольная точка излучения облучателя, 5 угол излучения, 6 луч, 7 точка падения луча волны на зеркало, 8 угол падения, 9 - касательная, 10 угол отражения, 11 угол, 12 угол, 13 луч, 14 - координата, 15 координата, 16 координата, 17 координата раскрыва зеркала.

Образующую кривую 1 представим в виде суммы степенного ряда

где y(x) функция, описывающая образующую кривую 1;
n 1, 2, 3.

C_n постоянные коэффициенты;
x аргумент.

Функция y(x) является образующей кривой 1, за счет вращения которой вокруг оси оy декардовой системы координат xoy, формируется зеркало антенны. Радиоволна, распространяющаяся от начала облучателя 2 в направлении конца облучателя 3, излучается, в общем случае, в произвольной точке излучения облучателя 4 под углом излучения 5, определяемым формулой
,
где α- угол излучения 5;
c скорость света в вакууме;
v(t) фазовая скорость радиоволны в произвольной точке излучения облучателя 4;
t произвольная точка излучения облучателя 4.

Анализ проведем в представлениях геометрической оптики. Радиоволна, излучаемая произвольной точкой излучения облучателя 4, распространяется по лучу, в котором пересекает поверхность зеркала в точке падения луча волны на зеркало 7, имеющей координаты х, у. Угол падения 8 образуется при пересечении луча 6 и касательной 9, проведенной к функции у(х) в точке падения луча волны на зеркало 7 х, у. Угол отражения 10, а также углы 11 и 12 равны углу падения 8. Далее радиоволна, отраженная от точки падения луча волны на зеркало 7, распространяется по лучу 13, параллельному оси оу. Размеры зеркала антенны ограничены координатой 14 и координатой 15, с одной стороны, а также координатой 16 и координатой раскрыва зеркала 17, с другой.

Электрическая длина пути произвольного луча радиоволны от начала облучателя 2 до раскрыва зеркала, определяемого координатой раскрыва зеркала 17, рассчитывается по формуле
,
где l электрическая длина пути произвольного луча радиоволны от начала облучателя 2 до раскрыва зеркала;
a начало облучателя 2;
κ(t)- расстояние между произвольной точкой излучения облучателя 4 и точкой падения луча волны на зеркало 7, являющееся функцией произвольной точки излучения облучателя 4;
y_p координата раскрыва зеркала 17;
y(t) координата точки падения луча волны на зеркало 7, являющаяся функцией произвольной точки излучения облучателя 4.

Положим, что произвольная точка излучения облучателя 4 связана с координатами точки падения луча волны на зеркало 7 соотношением
,
где x, y координаты точки падения луча волны на зеркало 7;
y' производная от y по x;
а фазовая скорость волны в произвольной точки излучения облучателя 4 связана с координатой точки падения луча волны на зеркало 7 соотношением
.

Представим формулу (1) в виде

Если при интегрировании ввести замену (3), то последнюю формулу можно представить в виде

Как следует из геометрии схемы зеркальной антенны, показанной на чертеже.

,
где b угол падения 8.

Отсюда находим

Из геометрии схемы предлагаемой зеркальной антенны следует также, что угол 12 равен углу падения 8, обозначенному через β. Производная от y по x в точке падения луча волны на зеркало 7
y′=tgβ
Окончательно получим

Подставим (3), (4) и (6) в (5), получим, что подынтегральное выражение тождественно равно нулю. Таким образом электрическая длина пути произвольного луча радиоволны от начала облучателя 2 до раскрыва зеркала величина постоянная, т.е. фазовые искажения в раскрыве зеркала отсутствуют.

Если положить все постоянные коэффициенты в степенном ряду (1), кроме первого, равными нулю, то зеркало антенны приобретает вид конуса, а образующая кривая будет описываться уравнением прямой
y c₁•x
Для этой функции выражения (3) и (4) приобретают вид


Из последней формулы следует, что фазовая скорость радиоволны в произвольной точки излучения величина постоянная и не зависит от t. Скорость положительна, т.е. ее направление совпадает с направлением оси oy при C₁ > 1, и отрицательна, т.е. ее направление противоположно направлено оси oy при C₁ < 1.

Если от нуля отличаются два первых члена суммы ряда (1), то уравнение образующей кривой можно записать в виде
y C₁•x + C₂•x²
Коэффициент C₂ удобно представить в виде

где f фокусное расстояние параболы.

В этом случае получим следующее представление выражений (3) и (4)


Таким образом, как следует из выражения для степенного ряда (1), арсенал антенн с осесимметричными зеркалами, в раскрыве которых фазовые искажения практически отсутствуют, расширяется до бесконечности.

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в технике связи, космического телевидения и тех областях народного хозяйства, где требуется применение остронаправленных антенн. Сущность изобретения состоит в том, что в зеркальной антенне, содержащей зеркало и облучатель, выполненный в виде линейной антенны бегущей волны с переменной фазовой скоростью, зеркало антенны формируется образующей кривой за счет ее вращения вокруг оси симметрии зеркала, причем образующая кривая в декартовой системе координат представлена в виде степенного ряда. Установлена связь между фазовой скоростью в произвольной точке облучателя и видом образующей кривой, при которой фазовые искажения в раскрыве зеркала практически отсутствуют. Предлагаемое изобретение расширяет арсенал антенн с различной формой осесимметричного зеркала до бесконечности. 1 ил.

Зеркальная антенна, содержащая зеркало и облучатель, выполненный в виде линейной антенны бегущей волны с переменной фазовой скоростью, отличающаяся тем, что зеркало сформировано образующей кривой путем ее вращения вокруг оси ординат, причем образующая кривая в декартовой системе координат представлена в виде степенного ряда

при этом ордината произвольной точки облучателя должна быть связана с координатами точки зеркала, в которую приходит луч из этой произвольной точки облучателя, соотношением

а фазовая скорость волны в произвольной точке облучателя связана с координатами этой точки зеркала соотношением

где t ордината произвольной точки облучателя;
x, y координаты соответствующей точки зеркала;
y¹ производная от y по x;
c скорость света в вакууме;
v(t) фазовая скорость волны в произвольной точке облучателя.