АНТЕННА С ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам для космических аппаратов (КА), функционирующих на орбите высотой от 400 км до 1000 км. Диаграмма направленности (ДН) таких антенн должна иметь максимум в направлениях ±(60°÷70°) и коэффициент эллиптичности (КЭ) не менее 0.4 в секторе углов от -70° до 70° от оси антенны.

Известны спиральные антенны фирмы RUAG (Aerospace Defence Teclmology) (http://wvm.raag.comyde/Space/Products/Satellite_Corrmiuniennas/xband_helix_antenna2) [1], имеющие максимум ДН в направлении ±60° с коэффициентом усиления в этом направлении не более 5 дБ и 3÷4 дБ в направлении ±70°, коэффициентом эллиптичности не менее 0.4. Графики угловой зависимости представлены на сайте Фимы RUAG по ссылке [1].

Недостатком таких антенн является недостаточный коэффициент усиления (КУ).

Известны волноводные рупорные антенны излучающие электромагнитные волны с эллиптической поляризацией, максимально излучающие по нормали, см., например, «Антенны УКВ». Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч., 4.1. М., ″Связь″, 1977, с. 269-274 [2].

КУ этой антенны в направлениях ±(60°÷70°) от ее оси составляет менее 0 дБ, что неприемлемо для антенн КА.

Известны также антенны с излучателем в виде открытого конца цилиндрического волновода, установленного в коническом отражателе, снабженные вспомогательным параболическим зеркалом. Диаметр зеркала равен диаметру основания конуса отражателя. Угол при вершине конуса, определяет направление максимума ДН, см. «Распространение радиоволн», IВЦ «Видавництво «Полiтехнiка»», 2003. - Т. 1, «Антенные и частотно-избирательные устройства», с. 242, рис 2.109 [3].

Указанная антенна является наиболее близким аналогом и выбрана в качестве прототипа предложенного изобретения.

Недостатком [3] является невозможность реализации необходимого КУ излучения в направлениях до ±(60°÷70°) из-за существенного затенения указанной области вспомогательным зеркалом.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является создание антенны (для КА) с эллиптической поляризацией с максимумами излучения в направлениях ±(60°÷70°) и КЭ не менее 0.4 в секторе углов от -70° до 70° от оси антенны.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в антенне космического аппарата, содержащей отражатель, вспомогательное зеркало и расположенный соосно с ними излучатель в виде открытого конца круглого волновода диаметром d_B, согласно изобретению отражатель выполнен из нескольких соосных и примыкающих к друг другу металлических поверхностей усеченных конусов, при этом большее основание каждого предыдущего конуса является меньшим основанием каждого последующего конуса, а меньшее основание первого конуса образовано открытым концом круглого волновода, над которым на высоте h≤2.5d_B закреплено вспомогательное зеркало, выполненное в виде металлического диска диаметром d_З≤1.2d_B. При выполнении отражателя в виде трех соосных поверхностей усеченных конусов угол при основании первого конуса составляет 0°≤β≤15°, угол при основании второго конуса составляет 20°≤γ≤75°, а угол при основании третьего конуса составляет 1°≤α≤20°. При β=0°, в когда отражатель состоит из 2-х конусов, углы при основании конусов находятся в следующих диапазонах 1°≤α≤5° и 40°≤γ≤50°.

Техническим результатом настоящего изобретения является то, что за счет предложенной многоконусной формы поверхности отражателя, а также размещения и формы вспомогательного зеркала обеспечивается расширение ДН антенны с максимальным излучением в направлении ±(60°÷70°) и КЭ более 0.4 в секторе углов от -70° до 70° относительно оси антенны.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:

на фиг. 1 показан общий вид антенны (с продольным разрезом); на фиг. 2 и 3 представлены угловые зависимости усиления и коэффициента эллиптичности предлагаемой антенны.

Позиции, показанные на фиг. 1, означают следующее:

антенна: 1 - излучатель; 2 - цилиндрический волновод; 3 - конический отражатель; 4 - вспомогательное зеркало; 5 - тонкостенная диэлектрическая трубка, которая является стойкой вспомогательного зеркала.

Предложенная антенна состоит из излучателя 1, выполненного в виде открытого конца цилиндрического волновода 2, диаметром - d_B. Цилиндрический волновод 2 установлен в металлическом коническом отражателе 3, над которым расположено вспомогательное плоское зеркало 4, закрепленное посредством стойки в виде тонкостенной диэлектрической трубки 5. Зеркало 4 расположено симметрично и перпендикулярно относительно оси конического отражателя 3, который может быть выполнен в виде конической поверхности, образованной двумя усеченными конусами, или в виде конической поверхности, образованной тремя усеченными конусами (в первом случае β=0°, см. ниже). Вспомогательное зеркало 4 выполнено в виде металлического диска (с диаметром d₃), расположенного симметрично на высоте h над излучателем 1 волновода 2.

В соответствии с настоящим изобретением, при наличии трех усеченных конусов величина h=d_B÷2.5d_B, а углы α₁=α, α₂=γ, α₃=β, для которых необходимо выполнение условий 1°≤α≤20°, 20°≤γ≤75°, 0°≤β≤15°. При β=0° (2 усеченных конуса), 1°≤α≤5° и 40°≤γ≤50°.

В соответствии с настоящим изобретением работа антенны осуществляется следующим образом.

Электромагнитные волны с эллиптической поляризацией, излучаемые открытым концом круглого волновода, рассеиваются вспомогательным зеркалом главным образом в направлении отражателя, который переизлучает падающую на него волну таким образом, что в дальней зоне формируется широкоугольная круговая ДН с максимумами излучения в направлениях ±(60°÷70°) от оси устройства.

Угловые зависимости коэффициента усиления (КУ) и коэффициента эллиптичности антенны, представленные на фиг. 2 и 3, показаны для рабочей частоты 8.2 ГГц для отражающей поверхности из 3-х конусов и следующих конструктивных параметров: D_k=320 мм, диаметр основания 2-го конуса равен 102 мм, d_З≤1.2d_B. Из этих зависимостей следует, что КУ предложенной антенны с эллиптической поляризацией КАДЗЗ в направлениях ±(60°÷66°) равен 5.8-6.3 дБ, а в направлениях ±(67°÷70°) - 5.6-5 дБ, т.е. на (1.7÷1.5) дБ больше, чем у аналога, а коэффициент эллиптичности при этом не менее 0.4 в секторе углов от -70° до 70° относительно оси антенны.

Таким образом, многоконусная форма поверхности отражателя и размещение плоского вспомогательного зеркала над отражателем обеспечивают оптимальную ДН антенны с требуемым коэффициентом эллиптичности (более 0.4) и с максимальным излучением в секторе углов ±(60°÷70°), что позволяет использовать эту антенну на КА.

Литература

1. http://www.ruag.com/de/Space/Products/Satellite_Communication_Equipment/Antennas/xband_helix_antenna2.

2. «Антенны УКВ». Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч., 4.1. М., ″Связь″, 1977, 384 с. с ил.

3. Микроволновые устройства телекоммуникационных систем/ М.З. Згуровский, М.Е. Ильченко, С.А. Кравчук и др.: В 2 т. - К.: IВЦ «Видавництво», «Полiтехнiка», 2003. - Т. 1: Распространение радиоволн. Антенные и частотно избирательные устройства. - 456 с.: ил.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам для космических аппаратов (КА), функционирующих на орбите высотой от 400 км до 1000 км. Диаграмма направленности (ДН) таких антенн должна иметь максимум в направлениях ±(60°÷70°) и коэффициент эллиптичности (КЭ) не менее 0.4 в секторе углов от -70° до 70° от оси антенны. Техническим результатом является создание антенны (для КА) с возможностью максимального излучения электромагнитных волн с эллиптической поляризацией под углами ±(60°÷70°) от оси антенны. Антенна космического аппарата содержит отражатель, вспомогательное зеркало и расположенный соосно с ними излучатель в виде открытого конца круглого волновода диаметром d_B. Отражатель выполнен из нескольких соосных и примыкающих к друг другу металлических поверхностей усеченных конусов, при этом большее основание каждого предыдущего конуса является меньшим основанием каждого последующего конуса, а меньшее основание первого конуса образовано открытым концом круглого волновода, над которым на высоте h=d_B÷2.5d_B закреплено вспомогательное зеркало, выполненное в виде металлического диска диаметром d_З≤1.2d_B. При выполнении отражателя в виде трех соосных поверхностей усеченных конусов угол при основании первого конуса составляет 0°<β<15°, угол при основании второго конуса составляет 20°≤γ≤75°, а угол при основании третьего конуса составляет 1°≤α≤20°. При β=0°, когда отражатель состоит из 2-х конусов, углы при основании конусов находятся в следующих диапазонах 1°≤α≤5° и 40°≤γ≤50°. За счет предложенной многоконусной формы поверхности отражателя, а также размещения плоского вспомогательного зеркала над отражателем обеспечивается оптимальная ДН антенны с требуемым коэффициентом эллиптичности более 0.4 и с максимальным излучением в секторе углов ±(60°÷70°), что позволяет использовать эту антенну на космическом аппарате. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенна космического аппарата, содержащая отражатель, вспомогательное зеркало и расположенный соосно с ними излучатель в виде открытого конца круглого волновода диаметром d_В, отличающаяся тем, что отражатель выполнен из нескольких соосных и примыкающих к друг другу металлических поверхностей усеченных конусов, так что большее основание каждого предыдущего конуса является меньшим основанием каждого последующего конуса, а меньшее основание первого конуса образовано открытым концом круглого волновода, над которым на высоте h=d_В÷2.5d_В закреплено вспомогательное зеркало, выполненное в виде металлического диска диаметром d_З≤1.2d_В.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что при выполнении отражателя в виде трех соосных поверхностей усеченных конусов, угол при основании первого конуса составляет 0°<β≤15°, угол при основании второго конуса составляет 20°≤γ≤75°, а угол при основании третьего конуса составляет 1°≤α≤20°.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что при двухконусном выполнении отражателя β=0°, углы α и γ при основании этих конусов составляют 1°≤α≤5° и 40°≤γ≤50°.