МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q19/17 

Изобретение относится к радиотехнике, а точнее, к области антенн СВЧ, и, может быть использовано в системах спутниковой связи с несколькими спутниками одновременно, в диапазоне 12 ГГц и ниже.

Известна сферопораболическая антенна, описанная в книге А.Л. Драбкина и др. Антенно-фидерные устройства. М.Советское радио, 1974, с. 387, где отражатель выполнен с отношением фокусного расстояния к радиусу в пределах 0,43 0,45. При таком отношении фокусного расстояния к радиусу отражателя, профиль окружности и параболы совпадает только в центре, а к краям отражателя, например, при его угле раствора 120^o, несовпадение достигает нескольких длин волн и фазовые ошибки составят несколько π что недопустимо. Уменьшить величину фазовых ошибок можно за счет уменьшения сектора облучения до 60^o вместо 120^o, а это потребует увеличения раскрывов радиально установленных на квазифокальной дуге облучателей, что приведет к ухудшению разрешающей способности антенны, т.к. углы между лучами будут более 3^o (угловое расстояние между соседними спутниками). Кроме того, снизится коэффициент использования поверхности отражателя, что ведет к увеличению его габаритов.

Известна многолучевая антенна (патент Японии N 48-96891, кл. H 01 Q 19/17, 1982), состоящая из сферического отражателя и рупорных облучателей, размещенных радиально на квазифокальной дуге. При этом облучаются отдельные участки отражателя. Радиальная установка облучателей и облучение отдельных участков отражателя в узких секторах, приводит к увеличению раскрывов облучателей и, следовательно, к увеличению расстояния между фазовыми центрами облучателей, что не позволит вести одновременный прием с рядом расположенных на орбите спутников сближения фазовых центров облучателей из-за их радиальной установки. Облучение отдельных участков отражателя требует увеличения его размеров.

Известна многолучевая антенна, описанная в журнале IEEE Trans, on Antennas and Propag 37, N 7 865-874, принятая за прототип, как наиболее близкая заявляемому объекту.

Отражатель антенны выполнен в виде параболического тора, собранного из алюминиевых панелей, закрепленных на ферменной конструкции. Отношение фокусного расстояния к радиусу составляет величину 0,468 и при горизонтальном размере отражателя 2,5 м приводит к несовпадению параболы и окружности при секторе облучения (угле раствора) 2Φ_o= ± 30^° составляет величину около 4,5 мм или ~3λ Поскольку в прототипе это край облучения, то фазовая ошибка, обусловленная этим расхождением, согласно приведенных авторами экспериментальных результатов, допустима.

При увеличении сектора облучения до ±60^o этот участок оказывается в средней части отражателя, где интенсивность облучения значительная (уровень 3 5 дБ). Это может привести к деформации ДН из-за недопустимых фазовых ошибок (более 0,5π ). Облучатели в антенне размещены радиально и облучают отдельные участки отражателя в секторе около ±30^o, что при угле раствора отражателя 2Φ_o = 120^° приводит к значительному недоиспользованию его поверхности. Кроме того, радиальная установка облучателей не позволяет сблизить максимально лучи антенны из-за конструктивных элементов облучателей (фидера, поляризатора, конвертера и т.д.) и тем самым обеспечить максимальное число лучей в заданном рабочем секторе. При максимальном разносе облучателей на квазифокальной дуге, как например, в прототипе α_ск = ± 15^°, не исключен сход крайних лучей с геостационарной орбиты, позтому в прототипе в креплении каждого облучателя используется механизм перемещения каждого облучателя в поперечном квазифокальной дуге направлении, а это усложняет конструкцию и наведение лучей антенны на соответствующие спутники.

Задача изобретения повышение разрешающей способности антенны за счет увеличения числа лучей в заданном рабочем секторе при уменьшенном горизонтальном размере отражателя и упрощение наведения лучей.

Решение этой задачи достигается тем, что в многолучевой антенне, содержащей отражатель с профилем в виде параболического тора и облучатели, размещенные на квазифокальной дуге отржателя, профиль отражателя выполнен с отношением фокусного расстояния к радиусу окружности равным 0,472 0,474, а облучатели установлены с возможностью их поворота в фазовых центрах от радиальных направлений к центру отражателя на угол:

где ε_m угол поворота облучателя от его радиального направления;
α_ск угол между радиальным направлением соответствующего облучателя и фокальной осью;
r радиус квазифокальной дуги;
f фокусное расстояние, причем, ширина диаграммы направленности каждого повернутого облучателя на уровне облучения отражателя, равна сектору соответствия радиального направления и облучатели расположены на шарнирных, относительно центрального облучателя, кронштейнах.

На фиг. 1 изображен общий вид антенны; на фиг. 2 геометрия построения антенны.

Многолучевая антенна (фиг. 1) состоит из отражателя 1, облучающего устройства 2 с облучателями 3 и тяги 4.

Отражатель 1, размером 2,5х2,5 м (фиг.1, 2), выполнены из листового алюминия толщиной 1,5 2,0 мм, имеет профиль параболического тора с фокусным расстоянием f 1182,5 мм и радиусом окружности профиля отражателя R 2500 мм (f/R 0,473).

Отношение f/R выбрано расчетным путем из условия получения минимального отличия Δρ сферического профиля от параболического. При выбранном отношении f/R и горизонтальном размере отражателя равном R, это отличие в секторе 2Φ_o = ± 60^° составляет величину в середине сектора облучения (±30^o) от радиального направления (фиг. 2) около 3,0 мм, а на краю (±60^o) не более 4,5 мм, что приводит к фазовым ошибкам ψ₁≃ 0,45π и ψ₂≈0,7π соответственно, а это допустимо.

Значение Δρ определено по формуле:

где ρ_c радиус-вектор сферического профиля;
ρ_п радиус-вектор параболического профиля;
Φ полярный угол направления радиуса-вектора параболического профиля от фокальной оси.

Значение Dr минимально когда f/R 0,473.

Отражатель 1 (фиг. 1) закреплен на алюминиевом каркасе, который посредством тяги 4 соединен с облучающим устройством 2, состоящим из облучателей 3, размещенных в цилиндрических обтекателях 5 и установленных в обоймах 6 на шарнирных кронштейнах 7 с прорезями 8. Облучатели 3 поворачиваются вместе с обоймами 5 в прорезях 8 и перемещаются в горизонтальной плоскости на шарнирных кронштейнах 7. Облучатели 3 установлены таким образом, что их фазовые центры находятся с точностью + 2,5 3,0 мм на квазифокальной дуге MN (фиг. 2) радиуса r R f. Шарнирные кронштейны 7 фиксируются шпильками 9 на тяге 4. Центральный облучатель закреплен в обойме непосредственно на тяге 4 и имеет возможность только продольного перемещения в обойме. Все остальные облучатели с обтекателями 5 имеют также продольно перемещение помимо указанных выше.

Угол поворота e_m выбирается равным α_ск когда нужна максимальная разрешающая способность (облучатели параллельны) и больше α_ск когда нужны самые минимальные размеры отражателя, но при этом будет и минимальный КУ, так как угол раствора отражателя при этом будет равен около 60^o, что соответствует минимальной апертуре (фиг. 2).

Облучатели в изготовленных образцах размещены параллельно друг другу в цилиндрических обтекателях 5 из алюминиевых труб, дно которых выполнено из диэлектрической пленки с диэлектрической проницаемостью ε_r≃3 и толщиной 0,2
0,3 мм, tgδ≃0,01 Шарнирные кронштейны 7 выполнены из текстолита, возможна конструкция из алюминия. Облучатели изготовлены в виде конических рупоров с шириной диаграммы направленности на уровне минус 10 дБ равной 90 ^o, что позволяет в рабочем секторе 30^o разместить около 11 облучателей и тем самым получить 11 лучей, обеспечив угол между лучами около 3^o, при этом уровень облучения отражателя в среднем можно считать около минус 12 дБ.

Для получения максимального коэффициента усиления как по центральному лучу, так и по остальным, ширина диаграммы направленности центрального облучателя по уровню минус 10 дБ должна быть равна углу раствора отражателя 1 (фиг. 2), т. е. 2Φ_o а остальных, повернутых на угол ε_m облучателей, уменьшаться таким образом, чтобы сектор облучения отражателя 1 от соответствующего радиального направления R не превышал угла Φ_o≈60^°.
Антенна работает следующим образом.

После наведения на спутник луча центрального облучателя, ослабляют крепления остальных облучателей и перемещают их в прорезях 8 поперечно по квазифокальной дуге MN (фиг. 2) в секторе α_ск= ± 15^° параллельно друг другу (ε_m = α_ск) и продольно в обоймах 6, наводя тем самым лучи на соответствующие спутники геостационарной орбиты в рабочем секторе 30. При проведении указанных операций, несмотря на поворот облучателей от радиального направления (ε_m ≥ α_ск) направление лучей остается тем не менее таким как и при радиальном направлении облучателей, так как поворот облучателей производится в их фазовых центрах, расположенных на квазифокальной дуге MN. Искажение диаграмм направленности не происходит, потому что сектор облучения при повороте облучателя от радиального направления к середине отражателя находится в пределах соответствия сферического профиля параболическому с допустимой фазовой ошибкой в средней части облучения не более 0,4π и на краю не более 0,7π. Для получения более качественного сигнала ослабляют шпильки 9 кронштейнов 2 (фиг. 2) и поворачивают кронштейны в поперечном горизонтальной плоскости направлении до получения максимального сигнала в лучах самых крайних облучателей, при этом в остальных лучах качество сигнала улучшится автоматически. После проведения этих операций фиксируют положение кронштейнов 2 шпильками 9, а также положение облучателей соответствующими им элементами крепления.

По сравнению с прототипом, где может быть не более 5 лучей, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить число лучей до 11 в рабочем секторе 30^o, сблизить их максимумы до 2,5 3,0^o и тем самым уменьшить горизонтальный размер отражателя на 25% Имеется возможность (при ε_max/ уменьшения горизонтального размера отражателя до 50% Возможно (при αmaxск

Технология изготовления отражателя упрощена за счет простоты профиля. Это позволяет обеспечить высокий допуск и повторяемость характеристик.

Упрощено наведение лучей на спутники и конструкция регулировки облучателей.

В настоящее время изготовлено 6 образцов и проведены предварительные испытания, которые показали положительные результаты при работе с геостационарными спутниками на телевизионных программах.

Изобретение предназначено для использования в спутниковой связи одновременно с увеличенным числом спутников в секторе до 60 при уменьшенных горизонтальных размерах. В предлагаемой антенне профиль отражателя выполнен в виде параболического тора с отношением фокусного расстояния к радиусу окружности 0,472 - 0,474, а облучатели установлены с возможностью поворота в их фазовых центрах от радиального направления к центру отражателя на угол

где α_ск - угол между радиальными направлениями облучателей и фокальной осью; f - фокусное расстояние; r - радиус квазифокальной дуги. Ширина ДН каждого из повернутых облучателей на уровне облучения отражателя равна сектору соответствия окружности отражателя его параболе от соответствующего радиального направления. Облучатели расположены на шарнирных относительно центрального облучателя кронштейнах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многолучевая антенна, содержащая отражатель с профилем в виде параболического тора и облучатели, размещенные по квазифокальной дуге отражателя, отличающаяся тем, что профиль отражателя выполнен с отношением фокусного расстояния к радиусу окружности, равным 0,472 0,474, а облучатели установлены с возможностью их поворота в фазовых центрах от радиальных направлений к центру отражателя на угол

где ε_m угол поворота облучателя от его радиального направления;
α_ск углы между радиальными направлениями облучателей и фокальной осью отражателя;
r радиус квазифокальной дуги;
f фокусное расстояние,
2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что ширина диаграммы направленности каждого из повернутых облучателей на уровне облучения отражателя равна сектору соответствия окружности отражателя его параболе от соответствующего радиального направления. 3. Антенна по п. 1 или 2 отличающаяся тем, что облучатели расположены на шарнирных относительно центрального кронштейнах.