МНОГОЛУЧЕВАЯ НЕАПЛАНАТИЧЕСКАЯ ГИБРИДНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2002 года по МПК H01Q19/18 H01Q19/185 

Изобретение относится к области антенной техники СВЧ-КВЧ и может быть использовано в качестве антенны средств радиосвязи, а также в радиотехнических системах наблюдения за объектами.

Известны конструкции многолучевых зеркальных антенн, позволяющие осуществить формирование нескольких отклоненных диаграмм направленности - "парциальных лучей" или осуществить сканирование лучом диаграммы направленности в некотором секторе углов (А.С. СССР 148630, H 01 Q 15/20, 1181020, H 01 Q 19/18, 1137548, H 01 Q 19/18, 1596420, H 01 Q 25/00, 1647708, H 01 Q 3/26, 1517080, H 01 Q 3/24, 1665443, H 01 Q 25/00, пат. ФРГ 2624398, H 01 Q 3/26, пат. США 4044361, H 01 Q 3/00, 4516130 H 01 Q 19/19, 3914768, H 01 Q 3/24).

Однако эффективность подобных технических решений снижается из-за наличия фазовых искажений, возникающих при выносе облучателя из фокуса используемого рефлектора.

Из известных конструкций наиболее близкой по технической сущности является многолучевая зеркальная антенна, описанная в авторском свидетельстве 1517080, H 01 Q 3/24. Антенна содержит параболическое зеркало в виде осенесимметричной вырезки из осесимметричного рефлектора, основную и дополнительную решетки облучателей, расположенные в фокусах зеркала, и контррефлектор, выполненный из полупрозрачного плоского зеркала для увеличения числа формируемых лучей путем сближения максимумов парциальных диаграмм направленности.

К недостаткам конструкции следует отнести неизбежность проявления эффектов сферической аберрации, "комы" и астигматизма, при расположении одинаково ориентированных элементов решетки облучателей перпендикулярно линии визирования, проходящей через фокус рефлектора, последовательно выражающихся: в расширении парциальных диаграмм направленности (ДН); увеличении уровня боковых лепестков и "заплывании" нулей ДН; несимметричном искажении ДН; несовпадении точек оптимальной фокусировки в меридиональной сагиттальной плоскостях, т.е. расширении ДН в обеих плоскостях. Следствием этого является снижение коэффициента направленного действия антенны для каждого из парциальных лучей и уменьшение величины развязки между парциальными лучами. Поэтому эффективность данного технического решения не может быть высокой.

Технической задачей изобретения является снижение потерь коэффициента направленного действия при отклонении парциальной диаграммы направленности от фокальной оси основного рефлектора на некоторый угол θ из сектора углов θ_min-θ_max или формировании нескольких отклоненных парциальных диаграмм направленности в этом секторе углов за счет минимизации квадратичных (сферическая аберрация), кубических искажений (искажения типа "кома") и астигматизма для каждой парциальной диаграммы направленности путем оптимального размещения и ориентации каждого из облучателей, формирующих парциальную диаграмму, облучающей антенной решетки (ОАР) в фокальной области основного рефлектора (см. приложение к описанию, где поясняется принцип минимизации аберраций указанного типа).

Указанный технический результат достигается тем, что в многолучевой неапланатической гибридной зеркальной антенне, содержащей основной рефлектор, выполненный в виде осенесимметричной вырезки из симметричного параболоида вращения с фокальной длиной f и диаметром апертуры D; контррефлектор; основную и дополнительную облучающие антенные решетки, состоящие из набора облучателей, число которых равно числу формируемых парциальных диаграмм направленности, каждый облучатель, формирующий сферический фазовый фронт излучаемой волны, расположен в области, соответствующей максимальной концентрации лучевого (в геометрооптическом представлении) потока отраженной от основного и дополнительного рефлекторов приходящей волны с плоским фазовым фронтом, направление прихода которой совпадает с ориентацией максимума диаграммы направленности, при этом фазовый центр каждого облучателя совмещен с частичным фазовым центром предшествующего рефлектора, определяемого как центр тяжести масс точек неоднородной плоской фигуры раскрыва облучателя, ограниченной лучами (в геометрооптическом представлении), отраженными от кромки предшествующего зеркала, где учитываемая масса каждой точки определяется из выражения

где (X'_п ^(j,i)k; Y'_п ^(j,i)k) - координаты k-той точки, для которой определяется масса в выбранной i-й плоскости ориентации раскрыва облучателя в системе координат, совмещенной с i-й плоскостью;
(X'_п ^(j,i); Y'_п ^(j,i)) - координаты точек пересечения j-x лучей, отраженных от основного зеркала, с той же i-й плоскостью и определяющие массу k-той точки, а ориентация раскрыва каждого облучателя, определяется направляющими коэффициентами (P_X ⁱ; P_Y ⁱ; P_Z ⁱ) i-й плоскости, которым соответствует минимум функционала

где (Х_c; Y_c; Z_c) - координаты центра тяжести масс точек лучевого потока

(X₀; Y₀; Z₀) = u^T - координаты точки начального приближения, удовлетворяющие решению уравнения Au = b, при этом (т) - знак транспонирования; А - неособенная матрица третьего порядка с коэффициентами:

b - вектор - столбец свободных членов:

где




(θ; ξ) - углы отклонения максимума диаграммы направленности от фокальной оси основного зеркала в сферической системе координат;
- координаты центра тяжести лучевого потока в i-й плоскости;
(X_j; Y_j; Z_j) - координаты точек на рефлекторе;
j=i=1...m, где m ≥ 4πr/λ;
r - радиус раскрыва рефлектора;
λ- длина волны;
(X_п ^(j,i); Y_п ^(j,i); Z_п ^(j,i)) - точки пересечения j-того луча, отраженного от рефлектора, с i-той плоскостью в системе координат записи поверхности зеркала


cosα₁ = Pix

; cosβ₁ = Piy; cosγ₁ = Piz;
p = P_x ⁱX_c + P_y ⁱY_c + P_z ⁱZ_c (12)

Выражения (12), (13) - полярные параметры плоскости, на которой расположен раскрыв облучателя для заданного угла отклонения (θ; ξ).
Для пояснения принципа работы и устройства предлагаемой антенны используются фиг. 1 - конструкция многолучевой неапланатической гибридной зеркальной антенны, фиг. 2 - ход лучей в геометрооптическом представлении, фиг. 3 - взаимное расположение четных и нечетных диаграмм направленности.

Осенесимметричная зеркальная антенна содержит основной рефлектор 1 (фиг. 1), облучающие антенные решетки 2, 3 и дополнительный рефлектор в виде полупрозрачного зеркала 4.

Основное зеркало (рефлектор) 1, используемое для формирования поля отраженной волны с плоским фазовым фронтом в режиме передачи или квазисферической волны в режиме приема, выполнено в виде осенесимметричной вырезки из осесимметричного параболоида вращения. Просвет (d_кл) между нижним краем вырезки и фокальной осью (клиренс зеркала) больше половины конструктивного размера облучателя, используемого для формирования неотклоненной парциальной диаграммы направленности (фиг. 2).

Облучающие антенные решетки 2 и 3 состоят из облучателей 5, в качестве которых могут быть использованы рупорные, спиральные, щелевые и др. одиночные или групповые (кластерные) излучатели, что не влияет на суть заявляемого решения, но обладающие фазовым или "частичным фазовым" центром.

Дополнительный рефлектор в виде полупрозрачного зеркала или поляризационного частотно-селективного рефлектора 4, что не влияет на суть заявляемого решения, и используемый для пространственного прореживания упаковок облучающих решеток 2 и 3 выполнен в виде плоскости либо любой другой поверхности, что не влияет на суть заявляемого решения, и установлен в фокальной области основного зеркала так, что верхняя его граница является геометрическим местом положения точек пересечения отраженных от верхней кромки основного зеркала лучей с плоскостью расположения рефлектора 4 при формировании неотклоненной "парциальной" диаграммы направленности и определяется выражением

где Δd_p- расстояние от фокальной оси основного зеркала до верхнего края рефлектора;
f - фокусное расстояние основного зеркала;
ψ- угол раскрыва основного зеркала;
координата точки пересечения граничного луча, отраженного от нижней точки кромки основного зеркала для отклоненной "парциальной" диаграммы направленности с плоскостью, перпендикулярной фокальной оси основного зеркала и проходящей через точку частичного фазового центра (X_c; Y_c; Z_c) основного зеркала для угла θ = θ_max+2θ_p, где:
θ_max- максимальный требуемый угол отклонения "парциальной" диаграммы направленности;
2θ_p- ширина учитываемой (требуемой) диаграммы направленности по заданному уровню (p) мощности, обеспечивающему требуемую развязку между соседними ДН и определяемая из выражения (10) при условии Z_j =(d_кл ²/4f);
P_z ^j - определяется выражением (6);
ρ^j,i- определяется выражением (11) при Рⁱ={1,1,0}.

Излучающие элементы (5) облучающей решетки 2, обеспечивающие формирование четных лучей m=2k и облучающей решетки 3, обеспечивающие формирование нечетных лучей диаграммы направленности антенны m=2k+1, где k=0, 1, 2..., расположены по разные стороны дополнительного рефлектора 4 в точках, соответствующих максимальной концентрации лучевых потоков четных парциальных ДН, отраженных от основного зеркала для облучающей решетки 2, и максимальной концентрации лучевых потоков нечетных парциальных ДН, отраженных от дополнительного рефлектора 4 для облучающей решетки 3.

Крепеж дополнительного рефлектора 4 и облучающих решеток 2, 3 может быть осуществлен на жесткой металлической стреле 6, закрепленной на основании 7, или каким-либо другим известным способом, что не влияет на суть заявляемого решения.

Предложенная антенна на передачу работает следующим образом (фиг. 2). Каждый облучатель 5 облучающей решетки излучает электромагнитное поле со сферическим фазовым фронтом в пределах угла раскрыва основного рефлектора. Геометрооптические лучи этих полей отражаются в соответствующих точках основного зеркала в виде вырезки из параболоида вращения в соответствии с известным законом Снеллиуса

где орт падающего луча от излучателей 5 облучающей решетки 2, орт нормали на основном зеркале, и формируют отраженные волны с плоским фазовым фронтом под заданными углами к фокальной оси (8) основного зеркала 1. Выбор оптимального места расположения и ориентации облучающей решетки 2 относительно основного зеркала 1 для каждого из заданных углов отклонения позволяет минимизировать проявление эффектов "комы" и астигматизма (см., например, стр. 103. ..106 Бахрах Л.Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета. - М.: Наука, 1981), сформировать в дальней зоне диаграммы направленности "парциальных лучей" четных номеров с уменьшенным уровнем боковых лепестков без несимметричного искажения каждой диаграммы.

Каждый облучатель 5 облучающей решетки 3 излучает электромагнитное поле со сферическим фазовым фронтом в пределах угла раскрыва дополнительного рефлектора 4, являющегося непрозрачным для полей, излучаемых облучателями облучающей решетки 3. Геометрооптические лучи этих полей отражаются в соответствующих точках дополнительного рефлектора 4 и получают новое направление, определяемое выражением

где орт луча падающего от излучателя на дополнительный рефлектор 4, орт нормали в точке на дополнительном рефлекторе. В свою очередь, переотраженные от дополнительного рефлектора 4 геометрооптические лучи с направляющим единичным вектором попадают на основное зеркало, где вновь отражаются и получают направление

формируя в своей совокупности отраженные волны с плоским фазовым фронтом. Выбор оптимального места расположения облучателей 5 облучающей решетки 3 относительно основного 1 или дополнительного 4 рефлекторов для каждого из нечетных лучей осуществляется по заданному углу (фиг. 3)

где m = 2k, k = 0, 1, 2,..., относительно четных лучей антенной системы при одновременном выполнении требуемой развязки четных и нечетных лучей выбором угла отклонения θн = θ_m+2-θ_p,(m+2), при этом θ_p,(m+2)- половина ширины диаграммы направленности четного отклоненного луча на требуемом уровне мощности (индекс р - уровень мощности,
).

Таким образом, формируется набор парциальных диаграмм направленности с улучшенными характеристиками по уровню боковых лепестков, гарантированным направлением максимумов излучения, отсутствием несимметричных искажений и требуемой развязкой.

В режиме приема предложенная антенна работает следующим образом (фиг. 1). Геометрооптические лучи четных и нечетных "парциальных" диаграмм направленности, приходящие на основное зеркало 1 в виде волн с плоским фазовым фронтом, направления которых задаются ортом

где θ, ξ- углы сферической системы координат соответствуют требуемым углам отклонения максимумов "парциальных" диаграмм направленности: четные ДН - θ_2k = 2k(2θ_p); нечетные ДН - θ_2k+1= (2k+1)(2θ_p)), где k = 0, 1, 2..., 2θ_p- ширина "парциальной" диаграммы направленности по требуемому уровню мощности р, отражаются от основного зеркала 1 и получают направление, определяемое ортом

где орт нормали в точке падения геометрооптического луча на зеркало 1.

Геометрооптические лучи четных "парциальных" волн, для которых дополнительный рефлектор 4 является прозрачным, беспрепятственно проходят в фокальную область основного зеркала, концентрируясь при θ_2k = 0 в фокусе зеркала. При отклонении парциальной волны на угол θ_2k ≠ 0 геометрооптические лучи этих волн не проходят через точку фокуса параболической образующей основного зеркала 1, а образуют некоторое "фокальное пятно", которое с точки зрения геометрической оптики (см., например, стр. 131...134, Борн М., Волф Э. Основы оптики. Изд 2-е Пер. с английского. - М.: Наука, 1973, и "Радиотехника и электроника", 1981 12, т.26, стр. 2500...2510) полностью задается и определяется конгруэнцией отраженных от основного зеркала 1 лучей. Максимально плотный пучок геометрооптических лучей, пересекающих "основной" - осевой для заданного угла отклонения θ_2k максимума ДН геометрооптический луч, соответствует параксиальному фокусу или частичному фазовому центру основного зеркала (координаты X_c; Y_c; Z_c, выражение (3)), где и устанавливается облучатель 5, ориентация в пространстве которого соответствует "основному" или осевому геометрооптическому лучу для заданного угла отклонения, задаваемого в результате сведения к минимуму функционала (2).

Геометрооптические лучи нечетных "парциальных" волн, для которых дополнительный рефлектор 4 является отражающим, получают направление

где орт нормали дополнительного рефлектора 4 в точке падения луча и концентрируются в пространстве между основным зеркалом 1 и дополнительным рефлектором 4 в фокальной области последнего. Аналогично четным парциальным волнам геометрооптические лучи нечетных волн образуют "фокальное пятно", полностью определяемое конгруэнцией отраженных от дополнительного рефлектора 4 лучей, причем максимально плотный пучок геометрооптических лучей, пересекающих "основной" - осевой для заданного угла отклонения θ_2k+1 максимума ДН геометрооптический луч, соответствует параксиальному фокусу или частичному фазовому центру системы основное зеркало (1) - дополнительный рефлектор (4), где устанавливается облучатель 5 облучающей решетки 3, ориентация в пространстве которого соответствует "основному" или осевому геометрооптическому лучу для заданного угла отклонения θ_2k+1 системы основное зеркало (1) - дополнительный рефлектор (4).

Предлагаемое в изобретении решение позволяет сформировать набор "парциальных" диаграмм направленности, перекрывающихся на требуемом уровне (р), с одновременным снижением уровня боковых лепестков за счет минимизации эффектов комы и астигматизма, обеспечить уменьшение потерь коэффициента направленного действия антенны при отклонении диаграммы направленности от фокальной оси путем выбора оптимальных мест расположения облучателей и их ориентации в пространстве.

Кроме того, использование в качестве основного зеркала (1) вырезки из любой иной поверхности не накладывает ограничения на выражения (1...14), т. е. заявленное в изобретении решение является общим для зеркальных антенн, формирующих многолучевую диаграмму направленности или предназначенных для обеспечения сканирования путем попеременной коммутации лучей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ:
1. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Часть I. Под редакцией Айзенберга Г.З. - М.: Связь, 1977.

2. Боровиков В. А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.: Связь, 1978.

3. Бахрах Л. Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета. - М.: Наука, 1981.

4. Борн М. , Волф Э. Основы оптики. Изд 2-е Пер. с английского. - М.: Наука, 1973 и "Радиотехника и электроника", 1981 12, т. 26.

5. Алимов Л. И., Кинбер Б.Е., Классен В.И., Шилов А.В. Асимптотическая теория сканирующих гибридных зеркальных антенн. // Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике. - М.: Радиотехника, 1983, выпуск 12.

6. Архипов Н. С. Способ согласования внутреннего и внешнего полей фокальной области. Межвузовский научно-технический сборник, вып. 29, Изд. ТГУ, 1997.

7. Архипов Н.С., Кочетков В.С, Некрасов И.С., Чаплыгин И.А. Пространственное разнесение лучей для рефлекторов в виде параболического цилиндра. Телекоммуникации 6, 2000.

8. Архипов Н.С., Кочетков В.С, Некрасов И.С., Чаплыгин И.А. Форма распределения и плотность лучевого потока в фокальной области гибридных зеркальных антенн. Телекоммуникации 1, 2001.

Изобретение относится к области антенной техники СВЧ-КВЧ и может быть использовано в качестве средств радиосвязи, а также в радиотехнических системах наблюдения за объектами. Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь коэффициента направленного действия гибридной зеркальной антенны при отклонении парциальной диаграммы направленности от фокальной оси основного рефлектора на некоторый угол Θ или формировании нескольких отклоненных парциальных диаграмм направленности за счет минимизации квадратичных кубических искажений и астигматизма для каждой парциальной ДН путем оптимального размещения и ориентации каждого из облучателей, формирующих парциальную диаграмму, облучающей антенной решетки в фокальной области основного рефлектора. Это достигается тем, что в многолучевой неапланатической гибридной зеркальной антенне, содержащей основное зеркало, выполненное в виде осенесимметричной вырезки из параболоида вращения с фокальной длиной f и диаметром апертуры D, контррефлектор, основную и дополнительную облучающие антенные решетки, состоящие из набора облучателей, число которых равно числу формируемых парциальных диаграмм направленности, каждый облучатель, формирующий сферический фазовый фронт излучаемой волны, расположен в области, соответствующей максимальной концентрации лучевого потока отраженной от основного и дополнительного рефлексора приходящей волны с плоским фазовым фронтом, направление прихода которой совпадает с ориентацией максимума диаграммы направленности, при этом фазовый центр каждого облучателя совмещен с частичным фазовым центром предшествующего рефлектора. 3 ил.

Многолучевая неапланатическая гибридная зеркальная антенна, содержащая основной рефлектор в виде осенесимметричной вырезки из симметричного параболоида вращения, контррефлектор, основную и дополнительную облучающие антенные решетки с числом облучателей, равным числу формируемых парциальных диаграмм направленности, отличающаяся тем, что каждый из облучателей расположен в точке, соответствующей максимальной концентрации лучевого потока, отраженного от предшествующего рефлектора в режиме приема для заданного угла отклонения и определяемой, как центр тяжести точек неоднородной плоской фигуры раскрыва облучателя, ограниченной лучами, отраженными от кромки предшествующего рефлектора, при этом масса каждой точки определена из выражения

где (X'_п ^(j,i)k; Y'_п ^(j,i)k) - координаты k-й точки, для которой определяется масса в выбранной i-й плоскости ориентации раскрыва облучателя в системе координат, совмещенной с i-й плоскостью;
(X'_п ^(j,i); Y'_п ^(j,i)) - координаты точек пересечения j-x лучей, отраженных от основного зеркала, с той же i-й плоскостью и определяющие массу k-й точки, а ориентация раскрыва каждого облучателя, определяется направляющими коэффициентами (P_X ⁱ; P_Y ⁱ; P_Z ⁱ), которым соответствует минимум функционала:

где



(Х₀; Y₀; Z₀)= u_т - координаты точки начального приближения, удовлетворяющие решению уравнения Au= b, где (т) - знак транспонирования; А - неособенная матрица третьего порядка с коэффициентами

b - вектор - столбец свободных членов:



где



W = n_xcosα+n_ycosβ-cosγ;
V = (n_x)²+(n_y)²+1;



cosα = sinΘ•cosξ;
cosβ = sinΘ•sinξ;
cosγ = cosΘ;
(θ,ξ) - углы отклонения максимума диаграммы направленности от фокальной оси основного зеркала в сферической системе координат;


(X_j; Y_j; Z_j) - координаты точек на рефлекторе;
j= i= 1. . . m, где m≥4πr/λ;
f - фокусное расстояние основного зеркала;
r - радиус раскрыва рефлектора;
λ - длина волны;
(X_п ^(j,i); Y_п ^(j,i); Z_п ^(j,i)) - точки пересечения j-го луча, отраженного от рефлектора, с i-ой плоскостью в системе координат записи поверхности зеркала
X(j,i)п

= X_j+Pjxρ^j,i;
Y(j,i)п= Y_j+PjYρ^j,i;
Z(j,i)п= Z_j+Pjzρ^j,i;

cosα₁= PiX;
cosβ₁= Piy;
cosγ₁= PiZ;
p= P_x ⁱX_c+P_y ⁱY_c+P_z ⁱZ_c;

где cosα₁,cosβ₁,cosγ₁,p - полярные параметры плоскости, на которой расположен раскрыв облучателя для заданного угла отклонения (θ;ξ).