МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q15/08 H01Q3/08 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к многолучевым линзовым антеннам.

Изобретение может быть использовано в надежных многоканальных приемопередающих системах связи, в системах связи со спутниками, размещенными на геостационарной орбите, в том числе в сотовых системах связи и телевидения для одновременного приема, передачи или раздачи с одинаковой эффективностью сигналов от нескольких источников в широком рабочем секторе углов и с расширенными функциональными возможностями.

Известны многолучевые линзовые антенны (PCT/SU 91/00145-WO 93/02486 и PCT/RU 94/00097-WO 95/30254), содержащие закрепленную на опорно-поворотном устройстве сферическую линзу центральной симметрии, закрепленную на раме, положение плоскости которой может изменяться относительно горизонтальной плоскости, и облучатели, размещенные на полукольцевой направляющей, связанной с рамой, положение которых, как и положение плоскости рамы, выбирается в зависимости от географических координат места расположения антенны на Земле, а также от широты и долготы геостационарных спутников на орбите, на которые ориентируются лучи антенны для приема сигналов спутникового телевидения.

Узел крепления линзы к раме представляет собой жестко соединяемый с рамой кронштейн. В резьбовом отверстии кронштейна установлен с возможностью перемещения в продольном направлении резьбовой стержень с шаровой головкой, связанный через коническую опору с линзой.

Узел крепления полукольцевой направляющей к раме содержит резьбовой стержень с шаровой головкой, который соединен с направляющей с возможностью перемещения в продольном направлении и с ответной частью шаровой опоры, расположенной на раме. Кроме того, узел содержит пластину, соединяющую косынки, закрепленные соответственно на раме и направляющей.

Изменение положения облучателей относительно линзы в азимутальной плоскости обеспечивается перемещением их узлов крепления вдоль полукольцевой направляющей, которое ограничено ее длиной. Центральный угол на направляющую из центра сферической линзы не превышает 120-150^oC. Перемещение облучателей в вертикальной плоскости обеспечивается за счет поворота рамы относительно основания опорно-поворотного устройства. В результате лучи известной антенны ориентируются лишь на геостационарную орбиту Земли, рабочий сектор углов ограничен и не превышает 120 - 150^oC по азимуту, на краях сектора из-за затемнения элементами подвески линзы и опорной фермы коэффициент усиления лучей снижается, направление центра сектора привязано к южному направлению. В связи с этим конструкция известной многолучевой линзовой антенны достаточно жестко связана с ее применением в системах и установках для приема спутникового телевидения, что ограничивает возможности применения таких антенн для многочисленных, быстро развивающихся систем сбора, обработки и передачи всевозможных видов информации на Земле, в воздухе и в космосе. В то же время для таких коммуникационных систем необходимы сектора до 360^oC по азимуту с возможностью ориентации приемно-передающих лучей в произвольном направлении. Кроме того, в ряде случаев целесообразны технические решения по применению таких антенн одновременно для различных целей (например, для телевидения и связи) и различных диапазонах волн, что в известных решениях из-за отличия рабочих секторов (направлений) осуществить либо затруднительно, либо невозможно.

В основу настоящего изобретения положена задача создания многолучевой линзовой антенны, которая за счет конструктивного выполнения опорно-поворотного устройства обеспечивала бы расширение кругового рабочего сектора формирования лучей по азимуту (360^o) с увеличенным до ±60^o сектором формирования лучей по углу места, то есть работу антенны в телесном угле около 3 стерадиан, высокую стабильность параметров антенны при эксплуатации с максимальным коэффициентом усиления формируемых лучей во всем ее сверхшироком рабочем секторе углов.

Поставленная задача решается тем, что в многолучевой линзовой антенне, содержащей закрепленные на опорно-поворотном устройстве сферическую линзу центральной симметрии и облучатели, согласно изобретению, линза снабжена опорным стержнем, а опорно-поворотное устройство содержит вал, ось которого совпадает с вертикальной осью антенны, проходящей через центр линзы, опорную втулку, которая насажена на один конец вала и в которой размещен с возможностью фиксации опорный стержень линзы, несущий диск, соединенный с другим концом вала, и, кроме того, опорно-поворотное устройство содержит кронштейны, количество которых соответствует количеству облучателей и которые закреплены на несущем диске с возможностью перемещения по его периметру с последующей их фиксацией в выбранном положении и соединены с помощью держателей с валом, секторно-кольцевые меридиональные направляющие, снабженные опорно-юстировочными узлами и закрепленные на кронштейнах посредством подвижных переходных узлов крепления, в которых указанные направляющие размещены с возможностью перемещения с последующей их фиксацией в выбранном положении, причем облучатели установлены в опорно-юстировочных узлах с возможностью перемещения вдоль своих осей и поворота вокруг них.

Введение стабилизирующего всю систему опорного стержня линзы вместо обычного кольцевого стыка с опорой или клеевых фланцев, как правило, внедряемых в тело линзы с нарушением ее однородности, улучшает все радиотехнические характеристики антенны. Кроме того, крепление линзы в опорно-поворотном устройстве посредством опорного стержня способствует существенному сокращению площади и соответственно телесного угла опоры из центра линзы. Это, в свою очередь, обеспечивает максимальные значения коэффициентов усиления антенны на краях рабочего сектора по углу места, минимизируя затемнение, создаваемое опорой.

Перемещение кронштейнов по периметру несущего диска и, следовательно, перемещение облучателей вокруг линзы, обеспечивает возможность ориентации лучей антенны в полном азимутальном круге; перемещение облучателей путем передвижения направляющих в узлах крепления, а также за счет движения самих облучателей в опорно-юстировочных узлах позволяет располагать облучатели в оптимальном положении по углу места.

Такое техническое решение при сравнительно низкой стоимости обеспечивает высокую стабильность и надежность антенны как в короткой части сантиметрового, так и в миллиметровом диапазоне волн.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 изображает конструкцию многолучевой линзовой антенны, продольный разрез, согласно изобретению; фиг. 2 - общий вид многолучевой линзовой антенны; фиг. 3 - конструкцию узла крепления облучателя к секторно-кольцевой меридиональной направляющей, согласно изобретению; фиг. 4 - конструкцию переходного узла крепления секторно-кольцевой меридиональной направляющей к кронштейну, согласно изобретению.

Многолучевая линзовая антенна, выполненная согласно изобретению, содержит сферическую линзу 1 (фиг. 1, 2) центральной симметрии, выполненную в виде диэлектрического шара с опорным стержнем 2. Опорно-поворотное устройство содержит вал 3, ось которого совпадает с вертикальной осью антенны, проходящей через центр 0 линзы 1. На одном конце вала 3 насажена опорная втулка 4, в которой закреплен опорный стержень 2 с возможностью фиксации посредством цилиндрического вкладыша 5, проходящего сквозь опорную втулку 4 и опорный стержень 2. С помощью болта 6 втулка 4 и стержень 2 стягиваются, прижимая линзу 1 к опорной втулке 4. На валу 3 втулка 4 и стержень 2 фиксируются стопорным винтом 7. Другим своим концом вал 3 закреплен на несущем диске 8 и в стакане 9, установленном в кольцевой канавке несущего диска 8.

Несущий диск 8 установлен на стойке 10 юстируемой подставки 11, опирающейся на регулируемые по высоте шаровые подпятники 12.

На валу 3 закреплены поворотные кольцевые звенья 13 держателей 14 кронштейнов 15, количество которых соответствует количеству облучателей 16. Другой конец каждого держателя 14 закреплен на соответствующем кронштейне 15 посредством винтов 17, при этом кронштейны 15 заканчиваются струбцинами 18, охватывающими несущий диск 8 и создающими вместе с прокладками 19 скользящие посадочные узлы, которые фиксируются болтами 20. Вся система кольцевых звеньев 13 и, соответственно, держатели 14 фиксируются путем затяжки гайки 21 на валу 3, которая стягивает кольцевые звенья 13 держателей 14 между собой.

Облучатели 16 (фиг. 1, 2, 3) установлены в опорно-юстировочных узлах 22 (фиг. 1, 2), которые являются концевыми наконечниками секторно-кольцевых меридиональных направляющих 23, закрепленных на кронштейнах 15 посредством подвижных переходных узлов 24 крепления. Узлы 22 выполнены в виде хомутов 25 (фиг. 3с) со сферическими вкладышами 26 (фиг. 3b) типа шарнира Гука, обеспечивающими возможность угловой юстировки облучателей 16 с целью симметричного облучения линзы 1 (фиг. 1, 2), поляризационной угловой юстировки поворотом облучателя 16 вокруг его оси, а также линейного юстировочного перемещения, обеспечивающего совпадение фазового центра облучателя 16 с фокальной сферой линзы 1. После юстировки положение облучателя 16 (фиг. 3с) фиксируется винтом 27.

Переходной узел 24 (фиг. 4) крепления секторно-кольцевых меридиональных направляющих 23 представляют собой узел из двух плоско-параллельных пластин 28 и 28 (фиг. 4b), соединенных между собой в четырех точках: в двух точках заклепочным соединением 30 (фиг. 4a) на концах кронштейнов 15, а в двух других точках - направляющими втулками 31, концы которых развальцованы на пластинах 28, 29 узла. Расстояние между пластинами 28, 29 и их размеры определяются поперечным сечением секторно-кольцевых меридиональных направляющих 23 и кронштейнов 15. С помощью стопорящего болта 32, проходящего сквозь резьбовое отверстие в кронштейне 15, секторно-кольцевая направляющая 23 через прокладку 33 прижимается к направляющим втулкам 31 и фиксируется в меридиональном положении.

При необходимости с помощью соединения несущего диска 8 опорно-поворотного устройства со стойкой 10 (фиг. 1) антенну устанавливают на юстируемую подставку 11, опирающуюся на регулируемые по высоте шаровые подпятники 12. Процесс монтажа антенны происходит следующим образом. Устанавливают юстируемую подставку 11 на открытой площадке или любой другой поверхности, например, крыше здания, с которой обеспечивается наилучший обзор области размещения абонентов наземной или космической приемопередающей многоканальной системы и с помощью подпятников 12 выставляют стойку 10 точно в вертикальное положение. Собирают опорно-поворотное устройство в следующей последовательности: на несущем диске 8 и валу 3 закрепляют кольцевые звенья 13 держателей 14 кронштейнов 15, количество которых равно числу абонентов, с которыми необходимо установить связь. В переходные узлы 24 крепления вводят секторно-кольцевые меридиональные направляющие 23 с вставленными в опорно-юстировочные узлы 22 облучателями 16. После этого на опорный стержень 2 линзы 1 устанавливают опорную втулку 4 и фиксируют ее с помощью цилиндрического вкладыша 5 и болта 6. Затем линзу 1 с опорной втулкой 4 насаживают на верхний выступающий конец вала 3 и фиксируют стопорным винтом 7.

Далее каждый облучатель 16 ориентируют в направлении на центр 0 сферической линзы 1 и на соответствующий абонент путем перемещения кронштейна 15 по диску 8 и секторно-кольцевых направляющих 23 в переходных узлах 24 с последующим закреплением болтами 20 (фиг. 1) и 32 (фиг. 4a). Установка фазового центра каждого облучателя 16 на фокальную поверхность линзы 1 выполняется путем перемещения облучателя 16 в узле 22 в направлении центра 0 линзы 1 и его поворотом вокруг оси с целью поляризационной угловой юстировки до получения максимума принятого или переданного сигнала, с последующим закреплением облучателя 16 в этом положении винтом 27 (фиг. 3с). После этого многолучевая линзовая антенна готова для работы в составе многокальной приемопередающей системы наземной или спутниковой связи.

В процессе работы электромагнитная волна, излученная источником сигнала (абонентом) или космическим объектом с одного из направлений, падает на сферическую линзу 1 центральной симметрии, фокусируется ею на один из облучателей 16 и принимается им. В передающем режиме электромагнитная волна излучается облучателем 16, фокусируется линзой 1 и направляется в одно из заданных направлений для приема абонентом. Таким образом, предлагаемая антенна является легко и надежно настраиваемой на любое расположение источников и потребителей, видимых с места установки антенны и позволяет осуществлять независимую одновременную работу на прием и передачу по требуемым, заранее заданным направлениям.

Описанная выше конструкция позволяет обеспечить ориентацию лучей антенны в полном азимутальном круге за счет перемещения кронштейнов 15 по периметру несущего диска 8 вокруг линзы 1, а возможность перемещения облучателей 16 путем передвижения направляющих 23 в узлах 24 крепления, а также за счет движения самих облучателей 16 в опорно-юстировочных узлах 22, дает возможность располагать облучатели 16 в оптимальном положении по углу места.

Кроме того, обеспечивается существенное сокращение площади и телесного угла опоры из центра линзы 1. Все это улучшает радиотехнические характеристики антенны и обеспечивает максимальные значения коэффициентов усиления антенны на краях рабочего сектора по углу места.

Использование: в области антенной техники. Технический результат: расширение кругового рабочего сектора формирования лучей по азимуту и углу места, т.е. обеспечение работы антенны в телесном угле около 3 стерадиан. Высокая стабильность параметров с максимальным коэффициентом усиления. Многолучевая линзовая антенна содержит закрепленные на опорно-поворотном устройстве сферическую линзу центральной симметрии и облучатели. Линза снабжена опорным стержнем, а опорно-поворотное устройство содержит вал, ось которого совпадает с вертикальной осью антенны, проходящей через центр линзы. На один конец вала насажена опорная втулка, в которой размещен с возможностью фиксации опорный стержень, а с другим концом вала соединен несущий диск. Кроме того, опорно-поворотное устройство содержит кронштейны, количество которых соответствует количеству облучателей и которые закреплены на несущем диске с возможностью перемещения по его периметру с последующей их фиксацией в выбранном положении и соединены с помощью держателей с валом, секторно-кольцевые меридиональные направляющие, снабженные опорно-юстировочными узлами и закрепленные на кронштейнах посредством подвижных узлов крепления, в которых указанные направляющие размещены с возможностью перемещения с последующей их фиксацией в выбранном положении. Облучатели установлены в опорно-юстировочных узлах с возможностью перемещения вдоль своих осей и поворота вокруг них. 4 ил.

Многолучевая линзовая антенна, содержащая закрепленные на опорно-поворотном устройстве сферическую линзу центральной симметрии и облучатели, отличающаяся тем, что линза снабжена опорным стержнем, а опорно-поворотное устройство содержит вал, ось которого совпадает с вертикальной осью антенны, проходящей через центр линзы, опорную втулку, которая насажена на один конец вала и в которой размещен с возможностью фиксации опорный стержень линзы, несущий диск, соединенный с другим концом вала, и, кроме того, опорно-поворотное устройство содержит кронштейны, количество которых соответствует количеству облучателей и которые закреплены на несущем диске с возможностью перемещения по его периметру с последующей их фиксацией в выбранном положении и соединены с помощью держателей с валом, секторно-кольцевые меридиональные направляющие, снабженные опорно-юстировочными узлами и закрепленные на кронштейнах посредством подвижных переходных узлов крепления, в которых указанные направляющие размещены с возможностью перемещения с последующей их фиксацией в выбранном положении, причем облучатели установлены в опорно-юстировочных узлах с возможностью перемещения вдоль своих осей и поворота вокруг них.