ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА Российский патент 2006 года по МПК H01Q19/13 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенной технике, в частности в технике связи и спутникового телевидения.

Известны облучатели зеркальной антенны, состоящие из волновода и расфазированного конического рупора с гладкими или ребристыми стенками [1], стр.31-33, 37. Недостатками этих облучателей являются наличие значительной фазовой ошибки в раскрыве рупора и реализация спадающего амплитудного распределения в раскрыве зеркальной антенны, что приводит к уменьшению коэффициента усиления (КУ) зеркальной антенны.

Известен также коаксиальный облучатель с одной конусной насадкой, образующей противофазную кольцевую зону в апертуре облучателя [1], стр.35, 36. Коаксиальный облучатель формирует поле, согласованное с полем в фокальной плоскости зеркальной антенны. Однако недостатками этого облучателя являются сложность конструкции и изготовления, а также наличие диэлектрических элементов, приводящих к потерям в облучателе.

Известна также зеркальная антенна, содержащая осесимметричное параболическое зеркало и облучатель, состоящий из волновода обратного излучения и осесимметричного рефлектора в форме диска, кромка которого загнута в сторону основного зеркала [2], стр.349. Кромка позволяет увеличить коэффициент перехвата. Недостатком этой антенны является недостаточно высокий КУ антенны из-за спадающего амплитудного распределения в раскрыве зеркальной антенны и из-за рассеяния энергии облучателя в боковом направлении, а также значительное влияние рефлектора на согласование облучателя. Эта зеркальная антенна выбрана в качестве прототипа.

В основу настоящего изобретения положена задача создать зеркальную антенну с повышенным коэффициентом усиления.

Поставленная задача решается тем, что в зеркальную антенну, содержащую основное, например, осесимметричное параболическое зеркало и облучатель, состоящий из волновода и осесимметричного вспомогательного рефлектора, кромка которого загнута в сторону основного зеркала, согласно изобретению апертура волновода ориентирована в сторону основного параболического зеркала, причем в вспомогательном рефлекторе выполнено центральное отверстие для волновода, при этом границы кромки вспомогательного рефлектора в фокальной плоскости основного параболического зеркала совмещены с границами его первого кольцевого фокального пятна, а образующая кромки вспомогательного рефлектора выполнена в виде параболы или аппроксимирующей ее ломаной линии, причем фокус параболы совмещен с центром апертуры волновода, а фокусное расстояние параболы выбрано в пределах от 0,4·λ до 0,6·λ, где λ - рабочая длина волны.

Такое выполнение антенны позволяет повысить коэффициент усиления антенны. Коэффициент усиления антенны повышается за счет увеличения коэффициента использования поверхности антенны (КИП) путем создания более равномерного амплитудного распределения в раскрыве зеркальной антенны и за счет уменьшения уровня бокового излучения облучателя.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображена зеркальная антенна с облучателем в виде круглого волновода и осесимметричного вспомогательного рефлектора с загнутой кромкой;

- на фиг.2 изображен ход лучей в предлагаемом облучателе;

- на фиг.3 изображено амплитудное распределение в фокальной плоскости зеркальной антенны;

- на фиг.4 изображены диаграммы направленности (ДН) обычного облучателя, предлагаемого облучателя и идеального облучателя;

- на фиг.5 изображена кривая зависимости КИП от параметра, связанного с радиусом облучателя;

- на фиг.6 изображена зависимость КИП от фазовой ошибки, связанной с выбором расстояния до кромки вспомогательного рефлектора;

- на фиг.7 изображены ДН облучателя с конической кромкой.

Зеркальная антенна по фиг.1 состоит из основного, например, осесимметричного параболического зеркала 1 и облучателя 2. Облучатель 2 изображен на фиг.2 и выполнен, например, в виде круглого волновода 3 и осесимметричного вспомогательного рефлектора 4. Апертура круглого волновода 3 ориентирована в сторону основного параболического зеркала 1. Рефлектор 4 состоит из центрального, например, плоского диска 5, в котором выполнено отверстие 6 для круглого волновода 3, и кромки 7, загнутой в сторону основного параболического зеркала 1. Образующая 8 кромки 7 выполнена в виде параболы, фокус которой совмещен с центром O₁ апертуры круглого волновода 3, а фокусное расстояние f параболы равно 0,5·λ, где λ - рабочая длина волны. При этом апертура круглого волновода 3 с плоским диском 5 совмещена с главным фокальным пятном 9 поля, сфокусированного основным зеркалом 1, а границы кромки 7, спроецированные на фокальную плоскость 10 зеркальной антенны 1, совмещены с границами первого дифракционного кольцевого фокального пятна 11. В соответствии с представлениями геометрической оптики любой луч 12, отраженный от поверхности кромки 7, распространяется вдоль оси круглого волновода 3 в противофазе с прямым лучом 13 круглого волновода 3. Это следует из того, что в соответствии с известными свойствами параболы расстояние от центра O₁ круглого волновода 3 до точки O₂ параболической поверхности кромки 7 в плоскости апертуры круглого волновода 3 равно 2f и равно λ, а отражение от металлической параболической поверхности кромки 7 изменяет фазу волны на 180 градусов. При этом угол наклона параболической образующей 8 в точке О₂ составляет 45 градусов по отношению к оси облучателя 2. Для упрощения формы вспомогательного рефлектора 4 параболическая образующая 8 может быть аппроксимирована ломаной линией. Замена исходной параболической поверхности на одну или несколько аппроксимирующих конических поверхностей возможна из-за небольших размеров кромки 7 и возникающей при этом незначительной фазовой ошибки. На фиг.2, например, изображен один отрезок 14 ломаной линии, аппроксимирующий параболу.

Рассмотрим принцип работы зеркальной антенны. Для сфокусированной апертуры с равномерным амплитудным распределением нормированное поле в фокальной плоскости описывается функцией вида [3]

где J₁(х) - функция Бесселя первого порядка от аргумента х;

- волновое число;

r - текущий радиус в фокальной плоскости;

- угол полураствора сфокусированной апертуры;

Λ₁(х) - лямбда-функция первого порядка от аргумента х;

D - диаметр сфокусированной апертуры;

F - фокусное расстояние сфокусированной апертуры.

На фиг.3 изображено распределение (1). Участок 15 кривой распределения представляет амплитуду центрального круглого главного фокального пятна 9, а участок 16 представляет амплитуду первого дифракционного кольцевого фокального пятна 11. Несмотря на малую амплитуду первого дифракционного кольцевого фокального пятна 11 его энергетический вклад является существенным из-за его большой площади. Заметим, что размеры фокальных пятен зависят от параметров основного параболического зеркала 1 и длины волны, при этом они увеличиваются со спаданием амплитудного распределения в раскрыве зеркала 1. Для учета спадания амплитудного распределения заметим, что ДН круглого раскрыва и распределение поля в фокальной плоскости описываются одной и той же функцией, разница заключается лишь в аргументе. В соответствии с [4], стр.304-307, распределение амплитуды поля в фокальной плоскости для спадающего до нуля амплитудного распределения описывается функцией вида

где Λ₂(х) - лямбда-функция второго порядка от аргумента х.

Распределение (2) изображено на фиг.3 пунктирной кривой 17.

Радиус r₀ главного фокального пятна 9 определяется первым корнем функции (1) или (2) и лежит в пределах

от до

Наружний радиус r₁ первого дифракционного кольцевого фокального пятна 11 определяется вторым корнем функции (1) или (2) и лежит в пределах

от до

Положительный эффект предлагаемого устройства основан на перехвате энергии первого дифракционного фокального кольцевого пятна 11. Наклонная кромка 7 рефлектора 4 направляет энергию дифракционного фокального пятна 11 в апертуру круглого волновода 3, что приводит к увеличению принимаемой энергии. Проведем оценку положительного эффекта. Пусть поле в апертуре облучателя 2 согласовано с полем (1) в фокальной плоскости 10 зеркальной антенны 1. Тогда ДН облучателя 2 можно рассчитать по формуле [4], стр.304-305

где θ - угол, отсчитываемый от оси облучателя 2;

r₁ - наружний радиус апертуры облучателя 2;

r - текущий радиус апертуры;

J₀(x) - функция Бесселя нулевого порядка от аргумента х.

На фиг.4 кривая 18 представляет ДН предлагаемого облучателя, кривая 19 представляет ДН обычного облучателя, реализующего спадающее амплитудное распределение, а кривая 20 представляет ДН идеального облучателя, обеспечивающего максимальный КИП зеркальной антенны, равный 1. Расчет проводился для угла θ₀, равного 65 градусам. В соответствии с выбранной геометрией поверхность кромки 7 облучателя 2 обеспечивает формирование противофазной кольцевой зоны, расположенной в области первого дифракционного пятна 11 сфокусированного поля. Противофазная кольцевая зона изменяет форму ДН облучателя таким образом, что вдоль оси облучателя 2 и в боковом направлении поле излучения уменьшается, а максимум излучения приходится на среднюю часть основного параболического зеркала 1, обеспечивая более равномерное амплитудное распределение поля в его раскрыве и приближая ДН облучателя по форме к ДН 20 идеального облучателя. Это увеличивает коэффициент усиления антенны за счет увеличения как апертурного КИП, так и увеличения коэффициента перехвата за счет уменьшения бокового излучения облучателя 2. По сравнению с облучателем по прототипу большая часть энергии предлагаемого облучателя используется полезным образом и направляется в сторону основного параболического зеркала 1. При этом ослабление поля вдоль оси происходит в небольшом стереоугле и носит полезный эффект, так как уменьшает негативное влияние эффекта затенения в осесимметричной зеркальной антенне и уменьшает влияние основного параболического зеркала 1 на согласование облучателя 2.

Общий КИП, равный произведению апертурного КИП на коэффициент перехвата, можно рассчитать по формуле [5], стр.166

В случае ДН 19 обычного облучателя со спадающим амплитудным распределением уровень облучения края основного зеркала 1 для обеспечения максимальной величины КИП должен составлять приближенно -10 дБ [1], стр.28. Для предлагаемого облучателя 2 величина КИП достигает максимального значения для значительных величин ослабления поля вдоль оси облучателя, достигающих -5 дБ, а уровень облучения края основного зеркала 1 должен составлять около -8 дБ. На фиг.5 приведена расчетная зависимость КИП от параметра kr₁. Первый максимум КИП, равный 0,73, соответствует обычному случаю, второй максимум КИП, равный 0,81, соответствует предлагаемому облучателю, обеспечивающему перехват энергии первого дифракционного кольцевого фокального пятна. Таким образом, коэффициент усиления предлагаемой антенны по сравнению с устройством по прототипу увеличивается на 0,45 дБ. Кроме того, в предлагаемой антенне уменьшается частотная зависимость формы ДН. Это связано с тем, что исходная параболическая поверхность кромки 7 является частотно-независимой структурой, а рефлектор 4 расположен ближе к апертуре круглого волновода 3, что стабилизирует фазовые соотношения между прямым полем 13 круглого волновода 3 и полем 12, отраженным от кромки 7 рефлектора 4, в рабочем диапазоне частот. В соответствии с рассматриваемой геометрией облучателя полезный эффект максимален при выборе фокусного расстояния f, равного 0,5·λ, что обеспечивает формирование противофазной кольцевой зоны. Для определения пределов изменения фокусного расстояния заметим, что фазовая ошибка поля, отраженного от параболической поверхности кромки 7 рефлектора 4, связана с изменением фокусного расстояния формулой

ΔФ=2·k·Δf,

где Δf - изменение фокусного расстояния. На фиг.6 приведена зависимость КИП от величины модуля фазовой ошибки ΔФ. Расчет проводился по формулам (1), (3), (4), при этом амплитуда первого дифракционного кольцевого фокального поля домножалась на величину ехр(i·ΔФ), где i - мнимая единица. Из фиг.6 следует, что при превышении модуля фазовой ошибки в 72 градуса величина КИП предлагаемой антенны становится меньше 0,73. Таким образом фокусное расстояние f должно лежать в пределах от 0,4·λ до 0,6·λ.

Как уже отмечалось, форма кромки 7 может быть упрощена заменой параболы на ломаную линию, в частности на отрезок 14 прямой линии. Это позволяет изготовить вспомогательный рефлектор 4 на обычном токарном станке, в то время как для изготовления параболической кромки требуется токарный станок с числовым программным управлением. Результаты расчета ДН облучателя с образующей кромки 7 в виде отрезка 14, аппроксимирующего параболу с фокусным расстоянием f, равным 0,5·λ, приведены на фиг.7. Радиус конической кромки 7 r₀ равен 0,76×λ, а радиус r₁ равен 1,3·λ. Кривой 21 соответствует ДН в Е-плоскости, кривой 22 в Н-плоскости. Видно, что ДН осесимметрична, обеспечивает ослабление поля вдоль оси облучателя 2 и существенно пониженное боковое излучение, что приводит к повышению КУ зеркальной антенны.

Предложенное техническое решение может быть использовано в различных антеннах (осесимметричных, офсетных, сферических и т.п.) для систем связи и спутникового телевидения. Предлагаемый облучатель позволяет обеспечить повышение КУ зеркальной антенны.

Источники информации

1. Бахрах Л.Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканирующие антенны. - М.: «Наука», 1981.

2. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. - ч.1. М.: «Связь», 1977.

3. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. - М.: «Наука», 1970.

4. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: «Энергия», 1975.

5. Покрас A.M., Сомов A.M., Цуриков Г.Г. Антенны земных станций спутниковой связи. - М.: «Радио и связь», 1985.

Изобретение относится к антенной технике. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления. Сущность изобретения заключается в том, что зеркальная антенна содержит основное осесимметричное параболическое зеркало и облучатель, состоящий из волновода и вспомогательного осесимметричного рефлектора с отверстием для волновода. Границы кромки вспомогательного рефлектора в фокальной плоскости согласованы с границами первого фокального кольцевого пятна. Образующая кромки вспомогательного рефлектора выполнена в виде параболы или аппроксимирующей ее ломаной линии, причем фокус параболы совмещен с центром апертуры волновода, а фокусное расстояние параболы выбрано в пределах от 0,4·λ до 0,6·λ, где λ - рабочая длина волны. 7 ил.

Зеркальная антенна, содержащая основное, например, осесимметричное параболическое зеркало и облучатель, состоящий из волновода и осесимметричного вспомогательного рефлектора, кромка которого загнута в сторону основного зеркала, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, апертура волновода ориентирована в сторону основного параболического зеркала, причем в вспомогательном рефлекторе выполнено центральное отверстие для волновода, при этом границы кромки вспомогательного рефлектора в фокальной плоскости основного параболического зеркала совмещены с границами его первого кольцевого фокального пятна, а образующая кромки вспомогательного рефлектора выполнена в виде параболы или аппроксимирующей ее ломаной линии, причем фокус параболы совмещен с центром апертуры волновода, а фокусное расстояние параболы выбрано в пределах от 0,4·λ до 0,6·λ, где λ - рабочая длина волны.