ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q19/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам СВЧ, и может быть использовано в широкополосных системах связи.

Известна двухполяризационная зеркальная антенна, описанная в [1] и используемая в системах спутниковой связи. Антенна установлена в бортовом ретрансляторе спутника связи. Она состоит из основного несимметричного параболического отражателя, двух размещенных друг над другом вспомогательных гиперболических отражателей, один из которых выполнен из параллельных между собой проводов, образующих гиперболическую поверхность, и двух, размещенных рядом, групповых облучателей с ортогональными поляризациями. Антенна выполнена по схеме Кассегрена, предусматривающей различные фокусные расстояния у вспомогательных отражателей, что позволило обеспечить установку облучателей с продольным и поперечным сдвигом и тем самым обеспечить совмещение максимумов диаграмм направленности с ортогональными поляризациями.

Поскольку приемный и передающий облучатели размещены рядом, то "разрядка" между ними обеспечивается в основном за счет ортогональных поляризаций и составляет величину не более 35 дБ.

Кроме того схема построения не позволяет обеспечить оперативную смену поляризации без изменения конструкции облучающего устройства в части его усложнения.

Известна приемопередающая двухполяризационная антенна, описанная в [2] и используемая для систем связи SATCOM. Она состоит из основного несимметричного параболического отражателя, двух облучателей, размещенных в реальном и мнимом фокусах, и установленной между ними перпендикулярно фокальной оси плоской селективной поверхности. Конструкция антенны не компактна, так как облучатели запитываются с противоположных сторон от селективной поверхности и селективная поверхность размещена вертикально. Кроме того облучатели установлены с малым углом наклона к поляризационному селектору, на малом расстоянии друг от друга и "развязка" между каналами не более 30 дБ. Оперативная смена поляризации без дополнительных конструктивных изменений облучающего устройства не реализуется. Из-за вертикальной установки селективной поверхности имеет место частичное затенение апертуры последней, что приводит к снижению коэффициента усиления и снижению помехозащищенности всей радиотехнической системы.

Известна двухполяризационная зеркальная приемопередающая антенная система, описанная в [3] и принятая за прототип, как наиболее близкая по технической сущности к заявляемому объекту.

Антенна состоит из несимметричного параболо-цилиндрического отражателя, облучателей приемного и передающего с ортогональными поляризациями, разделенных горизонтально установленным перед фокальной плоскостью поляризационным селектором, выполненным из параллельных между собой пластин. Первый облучатель установлен под селектором в реальном фокусе, а второй - над селектором в мнимом фокусе. Облучатели установлены под углом 40^o к поверхности селектора на минимальном расстоянии от него. Облучатели выполнены в виде сегментно-параболических антенн с раскрывами, размещенными на фокальных линиях параболо-цилиндрического отражателя. Для повышения компактности устройства облучатели выполнены с изгибом корпуса на 180^o в средней его части, чем обеспечивается запитка их с одной стороны.

Из-за использования пластин в поляризационном селекторе, не обеспечивается широкополосность системы. Ширина рабочей полосы частот имеет коэффициент перекрытия ~1,085.

Для повышения компактности конструкции облучатели установлены на минимальном расстоянии (1-2) λ, "развязка" обеспечивается за счет ортогональности поляризации и составляет величину не более 35 дБ. Кроме того, облучатель, размещенный в мнимом фокусе, затеняет апертуру, поэтому для уменьшения затенения параболо-цилиндрический отражатель повернут относительно фокальной линии, что приводит к отлонению максимума ДН от горизонтального направления. В схеме построения прототипа оперативная смена поляризации без изменения конструкции облучающего устройства не реализуема.

Задача, решаемая изобретением - построение компактной конструкции двухполяризационной зеркальной антенны, способной обеспечить максимальную "развязку" в двухкратной полосе частот и оперативную смену поляризации без изменения конструкции облучающего устройства.

Решение этой задачи достигается тем, что в двухполяризационной зеркальной антенне, содержащей несимметричный параболический отражатель и размещенный перед фокальной осью поляризационный селектор с наклонно установленными в реальном и мнимом фокусах облучателями, образующими облучающее устройство, согласно изобретению, перед раскрывом облучателя, размещенного в мнимом фокусе, установлено плоское селективное зеркало, над которым параллельно последнему на расстоянии 0,5 λ размещен поглощающий экран, причем угол наклона раскрывов облучателей к поляризационному селектору совпадает с углом наклона селективного зеркала к раскрыву облучателя, при этом облучающее устройство выполнено в виде единой унифицированной конструкции с возможностью ее поворота от фокальной оси в реальном фокусе на угол 0^o < α ≤ 45^o, параболический отражатель выполнен с углом раствора 50-60^o и с облучателями, установленными друг от друга на расстоянии (8-16) λ с углом наклона к поляризационному селектору (45±1)^o.

Изобретение поясняется чертежами:
на фиг. 1 показан общий вид антенны при минимальном повороте облучающего устройства 8^o;
на фиг. 2 показан общий вид антенны при максимальном повороте облучающего устройства 45^o.

Двухполяризационная зеркальная антенна (фиг. 1, 2) содержит несимметричный параболический отражатель 1 с каркасом 2 и облучающее устройство 3. Облучающее устройство содержит облучатель передающего устройства 4, облучатель приемного устройства 5 и поляризационный селектор 6. Отражатель 1 выполнен в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения с допуском на отклонение от теоретического профиля не более λ/16. В качестве материала может быть использован листовой алюминий, толщиной (1,5-2,0) мм. Фокусное расстояние отражателя (фиг.1) 2700 мм, диаметр апертуры 3000 мм, а угол раствора 50^o, так как при увеличении угла раствора более 60^o энергия, падающая от облучателей на поверхность отражателя, может затеняться конструктивными элементами передающего облучателя (фиг. 1, 2). При уменьшении угла раствора увеличиваются конструктивные размеры облучателей 4 и 5, что также приводит к затенению.

Отражатель 1 закреплен на алюминиевом каркасе 2, соединенном посредством кронштейна 7 с основанием 8. В конструкции фиг. 2 основанием 8 может служить подшипник скольжения или качения. Облучающее устройство 3 представляет собой единую унифицированную конструкцию (фиг. 1, 2), которая закреплена на общей раме 9 перпендикулярно линии F_рF_м закрепленным поляризационным селектором 6 и рупорными облучателями 4 и 5. Фазовые центры облучателей 4 и 5 удалены друг от друга на (8-16)λ. При установке облучателей на расстояние меньше 8 λ, облучатель 4 своими конструктивными элементами может затенять поток энергии, падающей на отражатель 1 от облучающего устройства 3, а при расстоянии большем, чем 16 λ, увеличивается вертикальный размер антенны из-за возможного затенения апертуры конструктивными элементами облучателя 4 (фиг. 1). Чтобы исключить затенение апертуры отражателя облучающим устройством, при компактной конструкции и сохранении неизменным направления максимума ДН, необходимо облучающее устройство повернуть под отражатель 1 на некоторой угол. Для рассматриваемого варианта (фиг. 1) угол поворота α = 8^o. В случае необходимости оперативной смены поляризации указанный угол α должен быть 45^o (фиг. 2).

Поляризационный селектор 6 выполнен из параллельных стержней цилиндрического сечения диаметром 3 мм и с шагом 7,5 мм, обеспечивающих возможность работы поляризационного селектора в двухкратной полосе частот в отличие от пластинчатой узкополосной структуры [4].

Перед раскрывом облучателя 4, на его кромке под углом 45^o, закреплено плоское селективное по поляризации зеркало 10, выполненное из аналогичных поляризационному селектору параллельных между собой стержней.

Над селективным зеркалом 10 параллельно ему установлен поглощающий экран 11 с помощью упоров 12 на расстоянии не менее 0,5 λ, так как при уменьшении расстояния ухудшается эффективность селективного зеркала 10 за счет влияния поглощающего экрана, а при увеличении расстояния возможно затенение апертуры экраном.

Параметры селективных поверхностей селектора и зеркала могут быть рассчитаны по формулам [4]:


где K_о - коэффициент отражения нормальной стержням поляризации;
r - радиус стержня;
h - шаг размещения стержней;
λ - длина волны;
K_пр - коэффициент прохождения параллельной стрежням поляризации.

Антенна работает следующим образом.

Энергия передатчика, проводимая к облучателю 4, работающему, например, на вертикальной поляризации, падает на селективное плоское зеркало 10. Поле основной поляризации, параллельной стержням, отражается от зеркала и под углом 45^o падает на поляризационный селектор 6 и вновь отражается на параболический отражатель 1, который формирует диаграмму направленности передающего канала. Энергия перпендикулярной стержням кроссполяризационной составляющей облучателя 4 практически беспрепятственно проходит сквозь зеркало 10 и поглощается экраном 11, что способствует увеличению "развязки". Экспериментально установлено, что при изменении поворотом облучателей угла падения максимумов диаграмм направленности на поляризационный селектор от 45^o до нормального падения значительно ухудшается "развязка" до 30 дБ, а при увеличении падения резко увеличиваются размеры поляризационного селектора. Поэтому угол падения 45^o является оптимальным с точки зрения компактности конструкции и "развязки".

Энергия приемного сигнала горизонтальной поляризации фокусируется отражателем 1 в реальном фокусе беспрепятственно, поскольку стержни поляризационного селектора 6 перпендикулярны вектору E приемного сигнала.

Для оперативной смены поляризации необходимо использовать схему фиг. 2 и повернуть отражатель 1 относительно оси F_рF_м необходимый угол. Если повернуть на 45^o, то поляризация будет ортогональная наклонная, а если повернуть на 90^o, то поляризация приемного устройства будет вертикальной, а если передающего - горизонтальной. После поворота отражателя необходимо развернуть всю систему в исходное направление.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволило получить компактную конструкцию и оперативно изменять поляризацию при унифицированном облучающем устройстве. Экспериментально получена в двухкратной полосе частот "развязка" между передающим и приемным каналами более 60 дБ. Компактность конструкции и уровень "развязки" могут быть выше, если установить селективное зеркало с экраном и на второй облучатель.

Изготовлен макет антенны по схеме фиг. 2 и измерены ее характеристики, приведенные выше.

Литература
1. "Microwave", 1984, b. 27, N 1.

2. "Microwave", 1984, b 27, N 2.

3. Патент США H 01 S 19/00, N 3810185, 1974, 7.05.

4. Г. З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, "Антенны УКВ", в 2-х ч., М., Связь, 1977, с. 158-168.

Изобретение предназначено для использования в широкополосных системах связи. Техническим результатом является обеспечение работы в двукратной полосе частот на ортогональных поляризациях при "развязке" более 60 дБ, компактность конструкции, а также обеспечение оперативной смены линейной поляризации при унифицированном облучающем устройстве. Изобретение основано на том, что перед раскрывом одного из облучателей под углом 45^o установлено плоское селективное зеркало, над которым на расстоянии 0,5λ закреплен поглощающий экран, при этом обучающее устройство выполнено с возможностью поворота в реальном фокусе отражателя на угол 0^o < α ≤ 45^o. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двухполяризационная зеркальная антенна, содержащая несимметричный параболический отражатель и поляризационный селектор с наклонно установленными в реальном и мнимом фокусах облучателями, образующих облучающее устройство, отличающаяся тем, что перед раскрывом облучателя, размещенного в мнимом фокусе, установлено плоское селективное зеркало, над которым параллельно последнему на расстоянии 0,5λ размещен поглощающий экран, причем угол наклона раскрывов облучателей к поляризационному селектору совпадает с углом наклона селективного зеркала к раскрыву облучателя. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что облучающее устройство выполнено в виде единой унифицированной конструкции с возможностью ее поворота от фокальной оси в реальном фокусе на угол 0^o<α≤45^o. 3. Антенна по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что параболический отражатель выполнен с углом раствора (50-60)^o. 4. Антенна по пп.1-3, отличающаяся тем, что облучатели установлены друг от друга на расстоянии (8-16)λ с углом наклона к поляризационному селектору (45±1)^o.