МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q19/10 

Изобретение относится к антеннам и может применяться в системах спутниковой связи в качестве антенны фиксированно-непрерывного перекрытия рабочей зоны земной поверхности.

Известны несколько видов многолучевых антенн с пересекающимися лучами. Высокие уровни пересечения реализованы в двузеркальных антеннах, в том числе с зеркалами специальной формы. Наличие контррефлектора позволяет уменьшить расстояние между элементами облучающей решетки элементарными облучателями. К недостаткам таких схем относятся относительная сложность технической реализации, трудоемкость изготовления и настройки. Наличие вспомогательного зеркала сообщает конструкции дополнительную массу (авт. св. SU N 1665443 A1, кл. H 01 Q 25/00).

Существует однозеркальная антенна с облучающим устройством, вынесенным из фокуса. Поперечные размеры элементарных облучателей выбираются из условия оптимального облучения зеркала, а повышение уровней пересечения достигается за счет расширения парциальных диаграмм направленности (ДН) зеркала вследствие дефокусировки. Вариантом такой схемы построения можно считать антенну с гиперболическим зеркалом. В этом случае угловые размеры формируемых зеркалом ДН определяется заложенной в его геометрию расходимостью луча. Однако диаметр зеркала должен быть достаточно большим, чтобы обеспечивать расширение ДН как за счет дефокусировки, так и за счет профиля зеркала. Поэтому недостатком подобных антенн являются большие габариты зеркала (патент США N 4855751 8/1989, кл. H 01 Q 3/24).

Наиболее близкой к предлагаемой антенне является многолучевая однозеркальная антенна, в которой каждый луч формируется группой элементарных облучателей кластером. Каждый облучатель может использоваться для формирования нескольких отдельных лучей. Таким бразом достигается компромисс между малым поперечным размером облучателя и необходимостью получить достаточно узкую его ДН для оптимального облучения зеркала. Существенным недостатком антенны является сложность диаграммообразующей схемы, которая практически полностью исключает возможность использования антенны одновременно на прием и передачу. (Архипов Н. С. Гряник М.В. Ломан В.И. Нестеренко И.К. Гибридные зеркальные антенны. Зарубежная радиоэл. N 12, 1987, с.62-77).

Задачей изобретения является увеличение уровней пресечения лучей, формируемых антенной, диаграммообразующая схема которой проста, что предполагает возможность работы антенны в приемо-передающем режиме.

Решение задачи достигается тем, что облучающее устройство антенны компонуется из рупорно-диэлектрических элементарных облучателей. Диэлектрический элемент единичного облучателя может крепиться в горловине рупора или в его раскрыве с помощью диэлектрической диафрагмы. При работе в узкой полосе частот максимальной поперечный размер не должен превышать 0,8λ(λ- рабочая длина волны). Рекомендуемые размеры 0,5-0,8λ. При работе антенны в широкой полосе частот этот размер не должен превышать 1,2λ для наибольшей частоты. Рекомендуемые размеры 0,8-1,2λ. Длина диэлектрического элемента, измеряемая от плоскости раскрыва рупора, находится в пределах 1,3-8λ и зависит от способа облучения зеркала.

Антенна может работать в режиме оптимального облучения зеркала и в режиме недооблучения.

При работе в режиме оптимального облучения длина диэлектрического элемента от раскрыва не должна превышать 2-2,3λ. Диаметр рупора выбирается из условия пересечения лучей, формируемых соседними облучателями по заданному уровню.

По сравнению с рассмотренной двузеркальной антенной, предлагаемая антенна, работающая в режиме оптимального облучения, более технологична, поскольку не требует изготовления двух отражающих поверхностей или поверхности специальной формы, проще констуктивно, т.к. отсутствует вспомогательное зеркало и узлы его крепления. По этим же причинам она легче.

Указанные преимущества она сохраняет и по сравнению с последним аналогом антенной, в которой парциальный луч формируется кластером, поскольку имеет простую диаграммообразующую схему. Многоэлементная схема питания аналога усложняет изготовление и вносит дополнительную массу. В предлагаемой антенне масса диэлектрических элементов может быть очень мала, например, при использовании диэлектрических трубок. Задача получения достаточно узких ДН облучателей при их небольших поперечных размерах решается за счет диэлектрических трубок. Задача получения достаточно узких ДН облучателей при их небольших поперечных размерах решается за счет диэлектрического элемента, а не повторных использованием элементарного облучателя для формирования разных лучей.

По сравнению с антенной с дефокусированным облучающим устройством, предлагаемая антенна имеет более малую массу, т.к. при равной ширине лучей габариты ее зеркала меньше.

Для получения столообразных парциальных ДН антенны возможная ее работа в режиме недооблучения зеркала. В этом случае длина диэлектрического элемента единичного облучателя 4-8λ от раскрыва рупора. Пространственное положение облучателей на раме облучающего устройства выбирается по заданным уровнем пересечения лучей со столообразной ДН и в соответствие с формой облучаемой поверхности. Диаметр рупора элементарного облучателя не должен превышать 1,5λ. Формируя диаграммы, близкие к столообразным, антенна позволяет получить более равномерное усиление в рабочей зоне. В режиме недооблучения антенная позволяет создавать ДН, близкие к столообразным в 20-процетной полосе частот. Наряду с простой диаграммообразующей схемой это дает возможность использовать антенну одновременно на прием и передачу.

На чертеже схематически показано устройство антенны.

В фокусе параболического зеркала 1 расположено облучающее устройство 2, на котором установлены рупорно-диэлектрические элементарные облучатели 3. Зеркало изготовлено так, что его фокальная ось 4 вынесена из центра апертуры. Расположение облучателей на раме облучающего устройства определяется формой облучаемой зоны. Расстояние между ними требуемым уровнем пересечения лучей. При этом не рекомендуется сближать облучатели больше, чем это необходимо для получения пересечения лучей по -3 дБ. При более тесном размещении усиливается влияние облучателей на ДН друг друга. В качестве диэлектрического элемента 5 можно выбрать стержень или трубку.

Облучающее устройство 2 излучает в сторону зеркала 1, после отражения от которого в пространстве формируется необходимое количество лучей с необходимым угловым разносом. Каждый элементарный облучатель 3 с помощью диэлектрического элемента 5 формирует отдельную ДН. Зеркало преобразует ее в луч с ДН требуемых угловых размеров. Угол отклонения луча от фокальной оси 4 определяется углом выноса соответствующего облучателя из фокуса зеркала. Таким образом в некотором телесном угле антенна создает систему лучей, равных по числу количеству элементарных облучателей. Лучи развязаны между собой по частоте, поляризации и за счет развязки между облучателями. Уменьшение поперечных размеров облучателей за счет использования диэлектрических элементов позволяет уменьшить угловые расстояния между лучами и, тем самым увеличить уровни их пересечения.

В сантиметровом диапазоне с целью уменьшения веса облучателя диэлектрический элемент рекомендуется крепить не в горловине, а на раскрыве рупора.

В режиме оптимального облучения зеркала диаметр рупора определяется расстоянием между облучателями и составляет примерно 1,1÷1,5λ. При недооблучении зеркала расстояние между элементарными облучателями 2÷3λ. Однако при максимальном поперечном размере диэлектрического элемента не более 0,8λ не рекомендуется увеличивать диаметр рупора более 1,5λ, т.к. увеличение диаметра сверх этого размера негативно сказывается на осесимметричности ДН облучателя.

Диаметр диэлектрического элемента не должен превышать 0,8λ, или при работе в широкой полосе частот 1,2λ на верхней частоте рабочего диапазона. Опыт показывает, что если диаметр трубки меньше 0,8λ, то можно подобрать такую трубку, что при оптимальном облучении ее длина не превысит 2÷2,3λ. При этом взаимное влияние между облучателями будет незначительным. Уменьшить взаимное влияние можно специальным подбором толщины трубки. При формировании ДН облучателя нужно выбрать минимально возможную длину диэлектрика, но не менее 1,3λ. Применение коротких диэлектрических элементов малоэффективно. Можно несколько уменьшить продольные размеры выбором материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Вместе с тем, указанная длина диэлектрика 2÷2,3λ не является критичной, а определяется углом раскрыва зеркала. Если угол раскрыва настолько мал, что для формирования достаточно узкой ДН облучателя указанной длины не хватает, этот предел можно превысить. Хотя длина диэлектрического элемента возросла, существенных изменений во взаимовлиянии облучателей не произойдет, поскольку с уменьшением угла раскрыва зеркала увеличивается расстояние между ними. Угол раскрыва зеркала обычно выбирается в пределах 54^o 70^o.

Столообразная ДН антенны, получаемая при недооблучении, больше, чем в два раза, шире обычной ДН. Поэтому облучатели пространственно разнесены. Это позволяет использовать диэлектрические элементы длиной до 8λ Для эффективного сужения ДН облучателя рекомендуется использовать материалы с небольшой диэлектрической проницаемостью. Пи увеличении длины сверх 8λ больше не происходит существенного сужения ДН облучаетля, она становится более частотнонезависимой, в взаимное влияние между облучателями сильно возрастает.

В режиме недооблучения фокус зеркала расположен приблизительно посередине длины диэлектрического элемента центрального облучателя, несколько ближе к раскрыву рупора. При нормальном облучении он может смещаться к раю диэлектрика и даже находиться непосредственно перед ним. Точное положение фокуса определяется в процессе настойки антенны.

Использование: изобретение может применяться в системах спутниковой связи в качестве антенны фиксированно-непрерывного перекрытия рабочей зоны земной поверхности. Сущность изобретения: увеличение уровней пересечения лучей, формируемых антенной. Антенна содержит параболическое зеркало и облучающее устройство 2, на котором установлены рупурно-диэлектрические элементарные облучатели. Расположение облучателей на раме облучающего устройства определяется формой облучаемой зоны. Можно подобрать диэлектрической элемент 5 облучателя с длиной в пределах 1,3÷8λ от плоскости раскрыва рупора 3 и максимальным поперечным размером не более 0,8÷1,2λ, , позволяющий сократить расстояние между элементарными облучателями и тем самым увеличить пересечения лучей. 1 ил.

Многолучевая зеркальная антенна, содержащая зеркало и облучающее устройство в фокусе зеркала, отличающаяся тем, что облучающее устройство выполнено в виде системы рупорно-диэлектрических элементарных облучателей, при этом длина диэлектрического элемента от раскрыва рупора в пределах 1,3 8 λ, а максимальный поперечный размер упомянутого элемента не более 0,8 1,2 l, где l рабочая длина волны.