ГИБРИДНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ АНТЕННА ДЛЯ МНОГОРЕЖИМНОГО КОСМИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ Российский патент 2010 года по МПК H01Q15/16 

Изобретение - гибридная зеркальная сканирующая антенна (ГЗСА) для многорежимного космического радиолокатора с синтезированной апертурой - относится к антенной технике и может быть применена в многорежимных космических поляриметрических радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА).

В патенте [1] в зеркальной антенне рассматривается линейная многоэлементная решетка, размещенная вдоль отрезка нормали к каустике, ограниченного точкой пересечения нормали с лучами, отраженными от краев цилиндрического параболического зеркала. Выбор положения линейной решетки сделан таким образом, чтобы обеспечить увеличение угла отклонения диаграммы направленности от оси антенны.

В патенте [2] рассмотрена развертываемая зеркальная антенна, устанавливаемая на поверхности космического корабля. Антенна имеет параболическое зеркало с рупорным облучателем и механическую часть с двумя двигателями постоянного тока. Механическая часть состоит из опорно-поворотных колец, двух параллельных направляющих, механизма скольжения, угломестного механизма и механизма крепления облучателя. Вращающееся кольцо определяет положение антенны по азимуту и приводится в движение с помощью двигателя, связанного с ним через червячный механизм. Механизм скольжения, на котором закреплен угломерный механизм, связанный с зеркалом, перемещается вдоль направляющих с помощью привода от двигателя. Механическая часть обеспечивает быстрое и прецизионное развертывание антенны при минимальном уровне интерференции волн от ее выступающих частей.

В патенте [3] предложено устройство для облучения больших параболических антенн, где в качестве облучателя применен параболический отражатель, подобный основному зеркалу, установленный так, что его фокус совпадает с фокусом основного зеркала. Отражатель облучается синфазной решеткой излучателей с равномерным распределением амплитуд.

Прототипом предлагаемой антенны можно считать ГЗСА, предлагаемую в работе [4]. В статье изложена теория и дан расчет антенны диаметром 35,5 м с углом сканирования, до 200 раз превышающего ширину диаграммы направленности. Система работает в Ка-диапазоне на частоте 35,6 ГГц, имеет ширину луча 0,02° и используется для определения ураганов центров кругового движения облаков верхнего уровня с космического аппарата, дает возможность трехмерного анализа критических параметров и динамики, контроля их образования и эволюции. ГЗА состоит из сферического рефлектора радиусом 56 м и подвижного облучателя (движение по спирали) в виде планарной фазированной антенной решетки. Фазированная антенная решетка имеет 271 элемент, расположенный в узлах гексагональной сетки с шагом 0,9 λ.

Недостатком конструкций рассмотренных антенн с механическим приводом является их низкая скорость сканирования. В этих антеннах, тем не менее, обеспечивается широкая зона облучения. В ГЗСА с электронным сканированием при расширении сектора сканирования увеличиваются размеры активной фазированной антенной решетки (АФАР), количество приемопередающих модулей, а следовательно, и масса АФАР, которая прямо пропорциональна числу ППМ.

Техническим результатом, который достигается с помощью заявляемого изобретения, является повышение скорости сканирования при обеспечении широкой зоны обзора без значительного увеличения размеров АФАР.

Для достижения заявляемого технического результата предлагается в известной ГЗСА использовать линейку АФАР-облучателей, поворотный отражатель (ПО) с цилиндрической поверхностью переменного профиля, двигатель поворотного отражателя (ДПО) и управляющее устройство двигателя (УУД).

Поверхность поворотного отражателя, например, предлагается выполнить из металлического сетеполотна на форменной конструкции из углепласта, что дает выигрыш в суммарной массе линейного АФАР облучателя и ПО по сравнению с плоским АФАР-облучателем прототипа. Повышение скорости сканирования достигается за счет замены движения по спирали массивного АФАР-облучателя вращательным движением более легкого и менее инерционного ПО.

Ниже приведены блок-схемы ГЗСА с электронным сканированием в одной плоскости (фиг.1) и управлением формы луча в перпендикулярной плоскости (фиг.2). ГЗСА включает в себя рефлектор (Р) 1 в виде несимметричной вырезки цилиндром из эллиптического параболоида, облучатель в виде линейки АФАР-облучателей 2, поворотный отражатель (ПО) 3 с цилиндрической поверхностью переменного профиля, двигатель поворотного отражателя (ДПО) 4 и управляющее устройство двигателя (УУД) 5.

На фиг.3 приведена блок-схема облучателя. Линейка АФАР-облучателей включает в себя приемопередающие модули (ППМ₁-ППМ_n) 3 горизонтальной и вертикальной поляризации с фазовращателями и аттенюаторами в каналах передачи и приема, СВЧ-распределительную систему (PC) 2, которая получает СВЧ-энергию от возбудителя (В) 1, источник питания, модулей (ИП) 4, процессор АФАР (ПА) 5, задающий амплитудное и фазовое распределение в ППМ₁-ППМ_n по кластеру излучения АФАР

Предложенная конструкция ГЗСА работает следующим образом. Электронное сканирование по углу места обеспечивает обзор в пределах заданного числа ширин диаграмм направленности (ШДН) и осуществляется коммутационным способом с изменением амплитуды и фазы. Суть этого способа состоит в следующем. Каждое положение луча ГЗСА соответствует включению определенного набора ППМ АФАР (кластера излучения) с соответствующими значениями амплитуды и фазы, устанавливаемыми аттенюаторами и фазовращателями. Перемещение луча обеспечивается изменением положения кластера и установкой новых значений амплитуды и фазы в ППМ. Управление коммутацией, амплитудой и фазой ППМ производится по кодам процессора. Изменение ширины луча в азимутальной плоскости достигается использованием различных поверхностей поворотного отражателя. ПО имеет отражающие поверхности в виде набора гиперболических цилиндров различной кривизны, которые поворачиваются к облучателю и рефлектору в зависимости от требуемой ширины луча. ДПО для этого осуществляет поворот ПО по командам УУД на заданный угол. Выпуклая поверхность соответствует полной засветке зеркала или наиболее узкому лучу, вогнутая - частичной засветке зеркала или наиболее широкому лучу. Сечения рефлектора азимутальной и угломестной плоскостями имеют несовпадающие фокусы Fx и Fy. Для обеспечения сканирования в угломестной плоскости с помощью кластера требуется, чтобы АФАР была вынесена из фокуса Fy как в патенте [1]. Для обеспечения работы с разными ширинами лучей требуется, чтобы фокус Fx совпадал с фокусом гиперболы (сечение гиперболического цилиндра плоскостью, перпендикулярной образующей).

На фиг.4 приведены диаграммы направленности в азимутальной (1) и в угломестной (2) плоскостях, полученные путем математического моделирования с плоской (частный случай семейства гиперболических цилиндров) поверхностью ПО. На фиг.5 приведена диаграмма направленности для суженного луча, полученная путем расчета с выпуклой гиперболической поверхностью ПО.

Список литературы

1. Б.Е.Кинберг, Г.Г.Бубнов, Л.И.Алимова, В.И.Классен, А.В.Шишлов. Зеркальная антенна. Пат. 898926, H01Q 18/80.

2. Sherwood William J., Rodeffer Charles E., Rodeffer Mark A. Развертываемая антенна для космических кораблей. Deployable satellite antenna for use on vehicles. Пат. 5528250 США, Н01Q 1/32.

3. Э.А.Дудковский. Устройство для облучения больших параболических антенн. Авт. св. СССР, №146365, МКИ H01Q 15/16, заявл. 12.04.61, опубл. 1962 г.

4 Keyvan Badahory, Yahya Rahmat-Samii. An Array-Compensated Spherical Reflector Antenna for a Very Large Number of Scanned Beams. IEEE Trans. on AES, vol 53, No 11, November 2005, pp.3547-3555.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно для многорежимных космических поляриметрических радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны, и может быть использовано в многорежимных космических поляриметрических радиолокаторах с синтезированной апертурой антенны (РСА). Техническим результатом является повышение скорости сканирования при обеспечении широкой зоны обзора без значительного увеличения размеров активной фазированной антенной решетки (АФАР). Электронное сканирование в гибридной зеркальной сканирующей антенне (ГЗСА) осуществляется коммутационным способом с изменением амплитуды и фазы. Механическое вращение поворотного отражателя позволяет уменьшить размеры АФАР, массу ГЗСА и в сочетании с электронным сканированием дает возможность изменения формы луча по азимуту и сканирования по углу места, которое осуществляется путем изменения амплитудно-фазового распределения по линейке АФАР - облучателей. С помощью электронного сканирования возможно также изменение формы луча по углу места. 5 ил.

Гибридная зеркальная сканирующая антенна (ГЗСА) для многорежимного космического радиолокатора с синтезированной апертурой, содержащая рефлектор, облучающую систему в виде линейки облучателей активной фазированной антенной решетки (АФАР-облучателей) с приемопередающими модулями (ППМ) горизонтальной и вертикальной поляризаций, включающими фазовращатели и аттенюаторы, распределительную систему, возбудитель, процессор АФАР и источник питания, отличающаяся тем, что в облучающую систему дополнительно введены поворотный отражатель (ПО) с цилиндрической поверхностью переменного профиля, двигатель поворотного отражателя (ДПО) и управляющее устройство двигателя (У УД), причем ширина луча в горизонтальной плоскости изменяется путем поворота ПО на угол, соответствующий требуемой для заданной ширины луча кривизне профиля ПО, а сканирование и изменение формы луча по углу места осуществляется путем изменения амплитудно-фазового распределения по линейке АФАР - облучателей с помощью аттенюаторов и фазовращателей, входящих в состав ППМ.