БОРТОВАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА СО СМЕЩЕННОЙ ФОКАЛЬНОЙ ОСЬЮ Российский патент 2016 года по МПК H01Q19/19 

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств, находящихся на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), расположенного на геостационарной орбите (ГСО), для телевидения, радиовещания и радиосвязи в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

Известны [1, 3] двухзеркальные антенны, состоящие из основного большого зеркала-рефлектора в виде параболоида вращения, вспомогательного малого зеркала-контррефлектора в виде гиперболоида вращения, а также облучателя, расположенного в одном из фокусов контррефлектора и излучающего в его сторону. Второй фокус контррефлектора в двухзеркальной антенне совмещен с фокусом рефлектора. Недостатком указанных антенн является попадание поля, отраженного контррефлектором, в облучатель.

Известны [2, 3] двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, в которых фокальная ось параболы, являющаяся образующей основного зеркала, не совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. Профили основного и вспомогательного зеркал в антеннах со смещенной фокальной осью представляют собой тело вращения на основе соответственно несимметричных вырезок параболы и гиперболы, расположенных по разные стороны от фокальной оси параболы так, что фокус параболы совмещен с первым фокусом гиперболы. При этом ось вращения проходит через второй фокус гиперболы и ее край, максимально удаленный от основного зеркала. Недостатком данной антенны является однолучевой режим формирования многолучевой диаграммы направленности.

Для формирования множества парциальных лучей диаграммы направленности (ДН), обслуживающих локальные участки Земли, на ИСЗ, расположенных на ГСО, в качестве бортовых применяются известные гибридные зеркальные антенны [4]. Они состоят из основного зеркала в виде несимметричной (относительно фокальной оси) вырезки из параболоида вращения и кластера облучателей, образующих наклоненную в сторону рефлектора плоскую облучающую решетку, центр которой совмещен с фокусом параболоида. Смещение облучателя относительно фокуса параболоида приводит к изменению угла наклона парциального луча, формируемого каждым из облучателей облучающей решетки. Недостатком таких многолучевых антенн является малый угловой сектор, в котором возможно сформировать парциальные лучи. Кроме этого использование рефлектора неосесимметричной формы приводит к повышенному уровню кроссполяризационного излучения [1].

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является расширение сектора формирования парциальных лучей ДН антенны при одновременном увеличении эффективности антенны и снижении уровня кроссполяризации. Для этого предлагается бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью. Она состоит из основного зеркала-рефлектора с профилем, образованным вращением монотонного участка параболы вокруг оси, параллельной фокальной оси параболы, вспомогательного зеркала-контррефлектора с профилем, образованным вращением вокруг оси аксиальной симметрии рефлектора выпуклого в его сторону участка гиперболы, первый фокус которой находится на указанной оси, а второй совпадает с фокусом параболы, образующей рефлектор. При этом напротив контррефлектора между внутренними краями рефлектора установлена решетка облучателей так, что их фазовые центры расположены в плоскости, перпендикулярной оси аксиальной симметрии рефлектора, причем центральный облучатель решетки расположен в первом фокусе гиперболы с выпуклой ее стороны, образующей поверхность контррефлектора.

Изобретение поясняется чертежом:

- фиг. 1 - сечение бортовой многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскости, проходящей через ось аксиальной симметрии антенны.

Бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью и гиперболической образующей контррефлектора (фиг. 1) содержит основное зеркало-рефлектор 1, вспомогательное зеркало-контррефлектор 2 и решетку облучателей 3. Рефлектор 1 имеет профиль, образованный вращением монотонного участка параболы с фокальной осью 7 вокруг оси аксиальной симметрии 4-4′, параллельной фокальной оси 7 параболы. Контррефлектор 2 имеет профиль, образованный вращением вокруг оси аксиальной симметрии 4-4′ рефлектора 1 выпуклого в его сторону участка гиперболы 8. При этом первый фокус 5 гиперболы 8 находится на оси аксиальной симметрии рефлектора, тождественно совпадающей с осью вращения образующей его параболы 4-4′. Второй фокус 6 гиперболы 8 совпадает с фокусом параболы, образующей рефлектор 1. Решетка облучателей 3 располагается напротив контррефлектора 2 между внутренними краями рефлектора 1. При этом облучатели находятся в плоскости, перпендикулярной оси аксиальной симметрии рефлектора 4-4′, а центральный облучатель расположен в первом фокусе 5 гиперболы 8. Бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью работает следующим образом. Генератор высокочастотных колебаний посредством схемы питания (на чертежах не показаны) возбуждает облучатели облучающей решетки. Решетка облучателей, таким образом, является источником первичной волны. При этом воздействие на систему контррефлектор-рефлектор решеткой облучателей складывается из парциальных воздействий каждого облучателя в отдельности. Результирующее поле антенны в этом случае является результатом воздействия поля каждого из облучателей решетки на систему контррефлектор-рефлектор.

Поле центрального облучателя решетки облучателей возбуждает контррефлектор. Благодаря совмещению фокусов рефлектора и контррефлектора в одной точке, а также в силу геометрических свойств образующих их кривых второго порядка (параболы и гиперболы) длины пути волн центрального облучателя, излучаемых под разными углами (на фиг. 1 показаны линиями со стрелками), от центрального облучателя до раскрыва антенны будут равны. В результате поле в раскрыве синфазно, что приводит к формированию узкой диаграммы направленности с главным максимумом в направлении оси аксиальной симметрии антенны.

Для других облучателей решетки облучателей, смещенных относительно центрального облучателя, их лучи уже не будут сходиться в фокусе параболы рефлектора. В приближении геометрической оптики область фокусировки поля сместится в ту же сторону, что и облучатель. В силу геометрических свойств параболоида это приведет к отклонению главного лепестка ДН в противоположную сторону от направления смещения облучателя относительно оси аксиальной симметрии. Таким образом облучающая решетка формирует многолучевую диаграмму направленности с числом парциальных лучей, равных числу облучателей в облучающей решетке.

В силу геометрических свойств гиперболы лучи, соответствующие направлению максимума главного лепестка ДН облучателя и имеющие наибольшую интенсивность, после отражения от поверхности контррефлектора 2, попадут на центральную часть поверхности рефлектора 1. Лучи от облучателя, имеющие меньшую интенсивность, будут попадать на края поверхности рефлектора 1. Так как длины пути лучей, попадающих в центр рефлектора 1, меньше, чем у лучей, попадающих на его края, то из-за различия пространственных затуханий, то в раскрыве антенны, будет формироваться амплитудное распределение поля с дополнительным спаданием его амплитуды к краям рефлектора. Благодаря этому антенна будет иметь пониженный уровень поля боковых лепестков и, как следствие, повышенную развязку между соседними парциальными лучами ДН. Бортовую многолучевую двухзеркальную антенну со смещенной фокальной осью можно условно разделить на секторы. Каждый такой сектор представляет собой гибридную зеркальную антенну, построенную по двухзеркалыюй схеме с несимметричным рефлектором. В такой антенне особенно для крайних облучателей решетки облучателей имеет место перелив поля облучателя за края рефлектора. В предлагаемой многолучевой антенне мощность, не попавшая на основной сектор, попадает на соседний сектор. Это приводит к увеличению коэффициента передачи мощности от облучателя к зеркалу и, как следствие, повышению результирующей эффективности антенны.

В силу криволинейной формы поверхности рефлектора на нем возникают токи, имеющие как основные, так и паразитные ортогональные основным составляющие. Паразитные ортогональные основным составляющие токов на рефлекторе приводят к возникновению кроссполяризованного излучения, ухудшающего поляризационную развязку лучей. В антенне с осесимметричным рефлектором в отличие от антенны с рефлектором неосесимметричной формы паразитные ортогональные основным составляющие токов на разных частях зеркала частично или полностью компенсируют друг друга [1]. В результате понижается уровень кроссполяризованного поля излучения антенны.

Поскольку в предлагаемой многолучевой двухзеркальной антенне имеет место пониженный уровень кроссполяризации, а основное зеркало перехватывает большую долю мощности облучателей, то оказывается возможным установить решетку облучателей, содержащую большее число облучателей и имеющую больший размер. Так как отклонение крайнего облучателя от центра решетки облучателей определяет максимальный угол отклонения формируемого этим облучателем луча ДН, то в предлагаемой антенне допустимо формирование парциальных лучей ДН в более широком секторе углов.

Таким образом, предложенная бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью обладает повышенной эффективностью, низким уровнем кроссполяризации и позволяет формировать парциальные лучи ДН в широком секторе углов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2008. - 496 с.: ил.

2. Improvements in or relating to Microwave Aerials: Патент GB 973583: ΜПК H01Q 17/00; H01Q 19/10; H01Q 19/19. / I.L. Lee; заявка GB 19620014057 от 11.04.1962 г.; опубл. 28.10.1964 г.

3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. / Под ред. Г.З. Айзенберга: В 2-х ч. Ч. 2. - М., Связь, 1977. - 288 с.: ил.

4. Галимов Г.К. Антенны и спутниковая связь. Том 5. Земля и борт. - М.: «Адвансед Солюшнз», 2013. - 504 с.

Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью состоит из основного зеркала-рефлектора с параболическим профилем, вспомогательного зеркала-контррефлектора с гиперболическим профилем. Контррефлектор выгнут в сторону основного рефлектора. Первый фокус гиперболического профиля находится на оси антенны, а второй совпадает с фокусом параболы, образующей рефлектор, и решетки облучателей. При этом решетка облучателей устанавливается напротив контррефлектора между внутренними краями рефлектора так, что все облучатели расположены в плоскости, перпендикулярной оси аксиальной симметрии рефлектора, причем средний облучатель расположен в первом фокусе гиперболы, образующей контррефлектор. Технический результат изобретения - расширение сектора формирования парциальных лучей диаграммы направленности антенны при одновременном увеличении результирующей эффективности антенны и снижении уровня кроссполяризации. 1 ил.

Бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью, состоящая из основного зеркала-рефлектора с профилем, образованным вращением монотонного участка параболы вокруг оси, параллельной фокальной оси параболы, вспомогательного зеркала-контррефлектора с профилем, образованным вращением вокруг оси аксиальной симметрии рефлектора выпуклого в его сторону участка гиперболы, первый фокус которой находится на указанной оси, а второй совпадает с фокусом параболы, образующей рефлектор, отличающаяся тем, что напротив контррефлектора между внутренними краями рефлектора установлена система облучателей так, что центры облучателей расположены в плоскости, перпендикулярной оси аксиальной симметрии рефлектора, причем центральный облучатель решетки расположен в первом фокусе гиперболы с выпуклой ее стороны, образующей поверхность контррефлектора.