ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ ОСЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 1998 года по МПК H01Q19/18 

Изобретение относится к антенной технике и, в частности, к антеннам, работающим в миллиметровом диапазоне длин волн, и может быть использовано в системах спутниковой связи, в системах обеспечения автомобильного движения, а также в любых других системах связи, управления и локации как в качестве одиночной приемной, передающей или приемопередающей антенны, так и в качестве элемента антенного полотна с синфазной апертурой.

Среди двухзеркальных антенн широкое распространение получили антенны, выполненные по схеме Кассегрена, и антенны типа АДЭ (антенна двухзеркальная с эллиптической образующей вспомогательного зеркала).

У антенн, выполненных по схеме Кассегрена, основное (рефлектор) и вспомогательное (контррефлектор) зеркала образованы соответственно вращением параболической и гиперболической образующими вокруг фокальной оси зеркальной системы. В модифицированных схемах антенн Кассегрена профили поверхностей рефлектора и контррефлектора могут отличаться от параболы и гиперболы, а контррефлектор может иметь острый излом на оси симметрии.

У антенн типа АДЭ, выполненных по схеме со смещенной фокальной осью, основное зеркало образовано вращением смещенной на некоторое расстояние от оси симметрии параболической образующей, а поверхность контррефлектора образована вращением вокруг оси симметрии антенны эллиптической образующей вспомогательного зеркала. При этом поверхность контррефлектора имеет острый излом на оси симметрии антенны.

Такие антенны описаны в книге Айзенберга Г.З. и до. "Антенны УКВ", ч. 2, Москва, изд. "Связь", 1977, с. 4 - 37, 40 - 52, 58 -74.

Благодаря компактности конструкции и высокой энергетике эти антенны оказались перспективными для создания зеркальных систем средств связи различного назначения с минимальным диаметром раскрыва рефлектора примерно до (20 - 25) длин волн λ и диаметром контррефлектора до (3-5)λ для антенн типа АДЭ и с минимальным диаметром раскрыва рефлектора примерно до (25 - 30) λ и диаметром контррефлектора примерно (4-6)λ для антенн Кассегрена. В таких антеннах высокие радиотехнические характеристики достигаются в том числе благодаря тому, что при диаметре контррефлектора примерно (3-5)λ для антенн АДЭ и примерно (4-6)λ для антенн Кассенгера и отношении диаметров контррефлектора d к диаметру рефлектора D обоих типов антенн d/D = (0,15 - 0,2) затенение раскрыва антенны контррефлектором достаточно мало, а паразитное дифракционное рассеяние на острой кромке контррефлектора и краях обоих зеркал не столь велико, чтобы существенно исказить амплитудно-фазовую характеристику поля в раскрыве антенны иди ухудшить КСВН облучателя. При соответствующих волноводных трактах эти антенны способны излучать или принимать сигналы любой поляризации. Достоинством антенн типа АДЭ и модифицированных антенн Кассегрена является также то, что отраженные от контррефлектора лучи практически не попадают обратно в облучатель, благодаря чему улучшается согласование с фидером.

При всех достоинствах этих антенн необходимо отметить, что они достаточно металлоемки, содержат большое количество сборочных единиц и крепежных элементов, требуют ручного труда при сборке и настройке (юстировка элементов зеркальной системы) в процессе изготовления. Они имеют тенденцию к ухудшению радиотехнических характеристик при уменьшении диаметра апертуры от (20-25)λ и ниже при минимально допустимых для таких антенн диаметрах контррефлектора, равных примерно (3-4)λ, что ограничивает возможность применения антенн этого класса для создания малогабаритных средств связи, управления и локации. Такие антенны требуют герметизации облучателя, надежного крепления узла облучатель-конттрефлектор в зеркальной системе, применения специальных мер по защите раскрыва зеркальной системы и волноводного тракта антенны от повреждений и воздействия окружающей среды.

Проблемам обеспечения точности союстировки элементов зеркальной системы, повышению КИП (коэффициента использования поверхности) двухзеркальных антенн и их герметизации посвящено достаточно много публикаций.

Известны конструкции зеркальных антенн, в которых применены устройства крепления узла облучатель-контррефлектор из диэлектрика.

Авторы Ерухимович Ю. А. , Зимин Д.Б. (патент СССР N 390607, кл. H 01 Q 19/18, 11.07.73) предложили в облучающем устройстве для зеркальных антенн со смещенной фокальной осью в качестве устройства крепления контррефлектора применить диэлектрический полый тор. Такая конструкция крепления облучателя дает небольшое увеличение КИП антенны, а также защищает облучатель и контррефлектор от воздействия осадков. Однако применительно к малогабаритным антеннам миллиметрового диапазона длин волн эта система обладает недостатками, свойственными таким конструкциям: сложность в изготовлении, необходимость обеспечения прочности диэлектрической конструкции, нет защиты всего антенного блока.

Авторы Петров Р.А., Садовников А.П. и др. (патент СССР N 1665440 A1, кл. H 01 Q 19/06, 27.07.91 и патент СССР N 1753522 A1, кл. H 01 Q 19/06,7.08.92) предложили для двухзеркальной параболической антенны диэлектрические опоры между облучателем и контррефлектором как сплошной, так и полой конструкции, выполненные в виде тела вращения с осью, совпадающей с фокальной осью, образующая которого парабола. Форма поверхности диэлектрической опоры с параболической образующей обеспечивает падение на нее отраженных от контррефлектора волн под малыми углами, что позволяет согласовать поверхность диэлектрической опоры с окружающим пространством и улучшить параметры антенны. Эти конструкции также сложны в изготовлении, настройке и не герметизируют весь антенный блок.

Аналогичная конструкция крепления контррефлектора - бутылкообразная форма опоры из пеноматериала с низкой относительной диэлектрической проницаемостью и малой постоянной диэлектрических потерь описана в заявке ФРГ N 2715797, 12.10.78 г.

Система возбудителя для параболической антенны Кассегрена (заявка ФРГ N 2938187, кл. H 01 Q 19/18, 2.04.81 г.) предусматривает применение диэлектрического конуса с относительной диэлектрической проницаемостью, равной (2,5 - 3,5), между облучателем и контррефлектором для образования и фиксации последнего в зеркальной системе, а также для коррекции формы поля излучения облучателя, падающего на контррефлектор. Сплошной диэлектрический конус за счет полного внутреннего отражения энергии облучателя на границе раздела диэлектрик-воздух позволяет сконцентрировать энергию облучателя в относительно небольшом телесном угле. Применение диэлектрика позволяет уменьшить размеры раскрыва облучателя. Реализовать высокие радиотехнические характеристики в такой системе возбуждения модно только в случае применения контррефлектора специальной формы, поскольку при гиперболическом контррефлекторе система возбуждения со сплошным диэлектрическим конусом не имеет единого фазового центра. Зависимость профиля контррефлектора, амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны от геометрии и величины диэлектрической постоянной конуса усложняет антенну, делает ее критичной к точности изготовления и настройке.

В двухзеркальной антенне (заявка ФРГ N 4002913, кл. H 01 Q 19/02, 8.08.91) в качестве поддерживающей опоры между облучателем и контррефлектором применено диэлектрическое фигурное тело. Эта антенна отличается тем, что в тех плоскостях боковой поверхности диэлектрического фигурного тела, которые вызывают мешающие отражения излучения, диэлектрическое фигурное тело имеет слой с небольшой плотностью материала. При этом эффективная диэлектрическая проницаемость этого слоя уменьшена по сравнению с диэлектрической проницаемостью остальных частей фигурного тела. Эта конструкция также сложна в изготовлении.

Все описанные выше аналогии имеют общую особенность, они не имеют гарантированной защиты всего антенного блока от механических и климатических факторов, что делает их уязвимыми, снижает область применения, требует специального радиопрозрачного укрытия.

Наиболее близкой по технической сущности с предлагаемой антенной является зеркальная система, укрепленная диэлектриком (патент США N 5426443, кл. H 01 Q 19/14, 20.06.95), в которой структура из пеноматериала заполняет пространство между основным зеркалом (рефлектором) и остальными элементами зеркальной антенны, тем самым скрепляя их между собой и обеспечивая их требуемое взаимное расположение. Преимуществом изобретения являются легкий вес, простота изготовления, исключение применения квалифицированного ручного труда при изготовлении и настройке антенны. Недостатком прототипа является то, что в данной конструкции применяется диэлектрик с малой относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к 1, который служит только для конструктивных целей, размеры антенны при этом не зависят от использования диэлектрика и остаются такими же, как в антенне с воздушным заполнением, т.е. в данной конструкции диаметр апертуры контррефлектора не может быть меньше (3-5)λ, что не позволяет создать малогабаритную эффективную антенну с излучающей (принимающей) апертурой диаметром меньше (23-30)λ. Кроме того, принципиальная необходимость размещения рупорного облучателя с волноводным трактом за пределами пенонаполненного блока зеркальной системы, а не внутри него, ограничивает возможность уменьшения осевого размера антенны (ее толщины). Для полной герметизации такой антенны необходимы дополнительные конструкционные диэлектрические блоки, для чего требуются дополнительные элементы крепления.

Задачей изобретения является создание в миллиметровом диапазоне длин волн малогабаритных герметичных высокотехнологических двухзеркальных антенн (типа АДЭ, антенны Кассегрена и их модификаций) с диаметром основного зеркала примерно (15-20)λ т более при уменьшении диаметра вспомогательного зеркала до (2-3)λ и осевого габарита (толщины) антенны до (5-6)λ при обеспечении высокой точности союстировки облучателя и зеркальной системы антенны и сохранении высоких значений основных электрических параметров.

Задача решается выполнением конструкции двухзеркальной осесимметричной антенны в виде монолитного блока, состоящего из двух основных сборочных единиц: несущего диэлектрического блока зеркальной системы, имеющего с одной стороны поверхность вращения, покрытую слоем электропроводящего материала, выполняющую роль основного зеркала (рефлектора), а с противоположной стороны другую поверхность вращения, также покрытую слоем электропроводящего материала, выполняющую роль вспомогательного зеркала (контррефлектора) и блока облучателя, размещенного внутри диэлектрического блока. Диэлектрический блок выполнен из однородного радиотехнического диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью, равной (2,5-3,5), и постоянной диэлектрических потерь не более (3-5)•10^-4 и заполняет все пространство зеркальной системы, в которой осуществляется преобразование сферической волны облучателя в плоскую волну в раскрыве антенны.

Поскольку длина волны в диэлектрике меньше в раз чем в воздухе, то в зеркальной системе с диэлектрическим заполнением с диаметрами раскрывов большого и малого зеркал D_р= (15-20)λ и d_кр = (2-3)λ соответственно, уровень дифракционного рассеяния поля на кромках зеркал и затенение апертуры соответствуют антенне с воздушным заполнением с размерами рефлектора D_р= и контррефлектора d_кр = При этом естественно предполагается, что граница воздух-диэлектрик в раскрыве антенны должна быть согласована, например поверхность диэлектрика раскрыва антенны выполняется ребристой.

Малые осевые габариты антенны обеспечиваются также за счет того, что блок облучателя размещен внутри несущего диэлектрического блока зеркальной системы, а элементы волноводного тракта в полости между основным зеркалом и задней поверхностью антенны, образованной при изготовлении несущего блока зеркальной системы, герметизируемой пенодиэлектриком после установки в ней волноводного тракта антенны, что не требует дополнительного крепления волноводного тракта.

Техническим результатом является уменьшение габаритов антенны, предлагаемая антенна при диаметре раскрыва основного зеркала (15-20)λ имеет примерно такой же коэффициент использования поверхности и уровень боковых лепестков диаграммы направленности, как и аналогичная антенна с воздушным заполнением с диаметром раскрыва примерно в 1,5 раза большим.

Использование изобретения позволяет спроектировать двухзеркальную антенну (типа АДЭ, антенны Кассегрена и их модификаций), имеющую минимально возможные габариты (диаметр основного зеркала (15-20)λ, диаметр вспомогательного зеркала (2-3)λ, толщина антенны (5-6)λ.).

В предлагаемой антенне диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью (2,5-3,5) является также и несущей конструкцией для крепления в зеркальной системе облучателя с волноводным трактом и контррефлектора без дополнительных элементов крепления - источников рассеяния энергии.

Данная конструкция позволяет использовать различные типы облучателей как пустотелые, так и заполненные диэлектриком.

При применении прогрессивной технологии металлизации рабочих поверхностей зеркальной системы в сформированном диэлектрическом блоке антенна состоит всего из двух сборочных единиц: диэлектрического монолитного несущего блока зеркальной системы с металлизированными поверхностями рефлектора и контррефлектора, и блока облучателя, включающим в себя облучатель, селектор поляризации с волноводным трактом.

На фиг. 1 показан вариант конструкции предлагаемой антенны, построенной по схеме антенны типа АДЭ, с пустотелым металлическим блоком облучателя, в котором поляризационный селектор и два выходных волновода располагаются в объеме диэлектрика (внутри зеркальной системы).

На фиг. 2 показан другой вариант конструкции предлагаемой антенны, построенной по схеме Кассегрена, с блоком облучателя, заполненного диэлектриком, в котором поляризационный селектор и два выходных волновода расположены вне объема диэлектрика, на "затылке" антенны (как это делается в обычных антеннах).

На фиг. 3 показан вид предлагаемой антенны со стороны излучающего раскрыва при оформлении антенного блока в виде восьмигранника.

На фиг. 4 показаны варианты конструктивной схемы несущего диэлектрического блока зеркальной системы предлагаемой антенны при размещении двух выходных волноводов блока облучателя в теле диэлектрика: фиг. 4а - для пустотелого блока облучателя, фиг. 4б - для блока облучателя, заполненного диэлектриком.

На фиг. 5 показан вид несущего диэлектрического блока зеркальной системы со стороны "затылка" антенны.

На фиг. 6 представлена конструктивная схема расположения СВЧ-узлов волноводного тракта предлагаемой антенны в герметизированном объеме при приеме (излучении) двух линейных ортогональных поляризаций.

На фиг. 7 представлена конструктивная схема расположения СВЧ-узлов волноводного тракта предлагаемой антенны в герметизированном объеме при приеме (излучении) двух круговых ортогональных поляризаций.

Предлагаемая антенна (фиг. 1, 2) представляет собой монолитный диэлектрический блок, состоящий из двух основных сборочных единиц: диэлектрического несущего блока зеркальной системы 1 и плотно установленного в него блока облучателя 2.

Несущий блок зеркальной системы 1 (фиг. 3, 4) изготавливается из однородного диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью, равной (2,5 - 3,5), и постоянной диэлектрических потерь, равной (3 - 5)•10^-4, например полистирол УПМ-325, методом литья под давлением или горячего прессования с последующей металлизацией рабочих поверхностей зеркальной системы (рефлектор 3 и контррефлектор 4).

При сохранении одинаковой толщины несущий блок 1 в плоскости апертуры может быть круглым или иметь форму любого многогранника с равными диаметрами вписанных окружностей.

Конструкция позволяет выполнить образование формы рабочих поверхностей рефлектора 3 и контррефлектора 4, пустотелых каналов 5, 6 для размещения в них блока облучателя 2 с выходными волноводами, а также ребристой структуры согласующего слоя 7 апертуры антенны в едином технологическом цикле изготовления диэлектрического блока.

В зависимости от типа применяемого облучателя дно пустотелого канала 5 может быть плоским, как показано на фиг. 4б, или иметь фигурный выступ 8, как показано на фиг. 4а. Фигурный выступ 8 в канале 5 выполняет роль согласующего элемента границы раздела воздух-диэлектрик при использовании в антенне блоков облучателей с пустотелым волноводным каналом. Пустотелый канал 5 с плоским дном (фиг. 4б) пригоден для использования блоков облучателей, заполненных диэлектриком.

Форма рабочих поверхностей рефлектора 3 и контррефлектора 4, их размеры и расположение на фокальной оси антенны по отношению к облучателю, а также размеры пустотелых каналов 5 определяются выбранной схемой лучеобразования, например схема АДЭ или антенна Кассегрена.

Конструктивно блок облучателя 2 представляет собой цилиндр, от которого отходят два волновода прямоугольного сечения, развернутые друг относительно друга на 90 градусов в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Для уменьшения эффекта затенения узкие стенки волноводов ориентированы параллельно плоскости раскрыва антенны. Рупор облучателя и круглый волновод поляризатора располагаются внутри цилиндра соосно с ним. Размер внешнего диаметра цилиндра обеспечивает плотную соосную установку облучателя в цилиндрическом пустотелом канале 5 несущего блока 1, а плотная установка прямоугольных волноводов в пустотелых прямоугольных каналах 6 несущего блока 1 обеспечивает привязку направления поляризации излучаемого (принимаемого) СВЧ-сигнала к конструкции антенны. При установке блока облучателя 2 в пустотелые каналы 5, 6 несущего блока 1 на всю его глубину согласующий конус 8 несущего блока 1 входит внутрь рупора (только для варианта фиг. 4а), раскрыв облучателя при этом плотно прижимается к диэлектрику дна канала 5 и автоматически фиксируется на фокальной оси антенны в расчетном положении без дополнительных регулировок и крепления.

Выходные фланцы волноводов, исходя из удобства стыковки, могут быть выведены как на боковые стенки антенны (фиг. 1), так и на заднюю поверхность антенны (фиг. 2).

После установки блока облучателя 2 с волноводным трактом в направляющие каналы 5, 6 несущего блока 1 оставшиеся пустоты 9 заполняют пенодиэлектриком, например пенополистиролом, чем обеспечивается герметизации антенны и жесткость волноводного тракта.

Исследованы два варианта размещения волноводного тракта: фиг. 1 селектор поляризации с выходными волноводами располагаются в объеме диэлектрика; фиг. 2 - селектор поляризации с выходными волноводами расположен вне объема диэлектриков.

В первом варианте (фиг. 1) обеспечивается минимальная толщина антенны, но коэффициент усиления из-за дополнительного затенения снижается примерно на 0,5 дБ. При применении волноводов с уменьшенным размером узкой стенки или волноводов, заполненных диэлектриком, величину потерь усиления антенны за счет затенения можно снизить до 0,2 дБ.

Во втором варианте (фиг. 2) отсутствует затенение раскрыва антенны выходными волноводами, но при этом толщина антенны увеличивается на длину селектора поляризации.

Выбор варианта размещения волноводного тракта в основном зависит от требований к поляризации принимаемого (излучаемого) сигнала. Для приема двух ортогональных линейных (фиг. 6) или двух круговых поляризаций (фиг. 7) первый вариант размещения более предпочтителен, поскольку антенна имеет минимальную толщину и все узлы волноводного тракта, (фазирующая секция 10, двойной тройник 11, соединительные волноводы 12) размещаются в пустотелом объеме 9 несущего блока (фиг. 4) между рефлектором и задней плоскостью блока и не выходят за габариты антенны. В случае необходимости организации приема сигнала любой поляризации (полного поляризационного приема) или других усложнений в волноводном тракте, когда пустотелого объема 9 в несущем блоке 1 окажется недостаточным для размещения в нем волноводного тракта, более предпочтительным может оказаться второй вариант размещения селектора поляризаций, показанный на фиг. 2.

На основании описанного технического решения могут быть сконструированы двухзеркальные антенны (типа АДЭ, типа антенны Кассегрена и их модификаций) с высоким значением КИП при минимально возможных габаритах.

По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция антенны обладает следующими преимуществами:
1. Меньшими габаритами раскрыва и меньшими осевыми габаритами при одинаковых радиотехнических характеристиках.

2. Полной герметичностью без дополнительных устройств.

3. Возможностью выполнения антенны с любой поляризацией без увеличения ее габаритов.

Предлагаемая конструкция обладает простотой и технологичностью.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является создание малогабаритной, герметичной, высокотехнологичной и невысокой стоимости двухзеркальной антенны в миллиметровом диапазоне длин волн с диаметром рефлектора примерно (15-20)λ, диаметром контррефлектора примерно 2λ, толщиной порядка 5 и высоким коэффициентом использования поверхности. Весь объем антенны, в котором происходит преобразование сферической волны облучателя в плоскую волну в раскрыве антенны, заполнен однородным радиотехническим диэлектриком, относительная диэлектрическая проницаемость которого равна примерно (2,5 - 3, 5), а также за счет того, что с целью максимального уменьшения габаритов антенны и ее металлоемкости, уменьшения числа сборочных единиц, обеспечения герметичности конструкции, антенна выполнена в виде монолитного блока, включающего в себя две основные сборочные единицы: несущий диэлектрический блок зеркальной системы, изготовленный по прогрессивной технологии, и блок облучателя с селектором поляризации и волноводным трактом. Описаны различные варианты размещения волноводного тракта (в объеме диэлектрика или вне этого объема) при обеспечении приема или излучения сигналов различной поляризации. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двухзеркальная осесимметричная антенна, состоящая из несущего диэлектрического блока, имеющего с одной стороны поверхность вращения, покрытую слоем электропроводящего материала, выполняющую роль основного зеркала, а с противоположной стороны поверхность вращения также покрытую слоем электропроводящего материала, выполняющую роль вспомогательного зеркала, и блока облучателя, отличающаяся тем, что несущий диэлектрический блок выполнен из однородного радиотехнического диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого равна 2,5 - 3,5, а постоянная диэлектрических потерь не более (3 - 5)10^-4, блок облучателя размещен внутри несущего диэлектрического блока. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что блок облучателя включает в себя облучатель и селектор поляризации с волноводным трактом, плотно размещен в теле несущего диэлектрического блока внутри зеркальной системы в полостях, образованных при изготовлении несущего диэлектрического блока. 3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что пустотелый объем несущего диэлектрического блока после установки блока облучателя герметизирован пенодиэлектриком.