Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием Российский патент 2018 года по МПК H01Q3/08 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам космических аппаратов (КА). Характерным для Ka-диапазона является то, что сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал может распространяться при относительно низких потерях только по волноводу. Кабели для СВЧ-сигнала Ka-диапазона практически не применяются из-за высоких потерь. Исходя из этого СВЧ-тракт должен быть волноводным. При узкой диаграмме направленности и необходимости нацеливания антенны по двум углам антенна должна иметь:

- либо технологически сложное волноводное вращающееся сочленение,

- либо вращающиеся зеркала.

Известны различные конструкции двухзеркальных антенн с механическим сканированием, в которых отсутствуют волноводные вращающиеся сочленения [Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Под редакцией Айзенберга Г.З. В 2 ч., Часть 2. М.: Связь, 1977, 288 с., стр. 32-34]. В этой антенне неподвижный облучающий рупор, установленный на жесткой опоре, и поворачивающиеся перископические зеркала - многозеркальная антенна с вращающимся зеркалами. Вспомогательная перископическая система состоит из трех плоских зеркал и вырезки из параболоида вращения. Основная зеркальная антенна построена по схеме Кассегрена с двумя конфокальными параболическими образующими. Рупор излучает сферическую волну, которая попадает на плоский отражатель и преобразуется им снова в сферическую волну. Параболоид вращения построен таким образом, что волна, направленная отражателем на вырезку параболоида, преобразуется ею в плоскую волну, облучающую последовательно два плоских зеркала. Последнее зеркало перископической системы направляет плоскую волну на малое параболическое зеркало антенны, которая далее работает в своем обычном режиме. Азимутальная ось вращения перископической системы зеркал совпадает с осью симметрии антенны. Угломестная ось перпендикулярна азимутальной и проходит через середину последнего плоского зеркала. Для получения максимально возможного коэффициента усиления диаграмма направленности рупора должна быть осесимметричной.

Недостатком аналога (многозеркальной антенны с вращающимися зеркалами) является сложная конструкция с большим количеством зеркал, требующая надлежащего выбора зеркал и тщательной точной регулировки (юстировки) зеркал на опорно-поворотном устройстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (его прототипом) является двухзеркальная антенна с механическим сканированием (патент на полезную модель №103677, МПК H01Q 3/08), содержащая систему перископических плоских поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен с входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора, а на поляризаторе жестко установлены первый кронштейн, на котором закреплен первый электродвигатель, и второй кронштейн, на котором закреплен второй электродвигатель, причем первое зубчатое колесо расположено на валу первого электродвигателя и в зацеплении со вторым зубчатым колесом, жестко связанным с поворотной рамой, а ось второго зубчатого колеса совпадает с осью поляризатора, третье зубчатое колесо расположено на валу второго электродвигателя и в зацеплении с четвертым зубчатым колесом, жестко связанным с пятым зубчатым колесом, причем оси четвертого и пятого зубчатых колес совпадают с осью поляризатора, а пятое зубчатое колесо расположено в зацеплении с шестым зубчатым колесом, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса, причем шестое зубчатое колесо жестко связано и соосно с валом, который консольно установлен на поворотной раме с возможностью свободного вращения, причем на валу жестко закреплено второе зеркало, а на поворотной раме жестко закреплено первое зеркало так, что через его центр проходят ось облучателя и ось вала, причем поперечный размер первого зеркала D₁ и поперечный размер второго зеркала D₂ связаны с расстоянием от центра раскрыва облучателя до центра первого зеркала L₁, расстоянием от центра первого зеркала до центра второго зеркала L₂, размером раскрыва облучателя D_p и шириной главного лепестка 2θ 0,5р диаграммы направленности облучателя по уровню половинной мощности рядом соотношений.

Недостатком прототипа является сложная конструкция. Антенна фактически находится внутри механического редуктора, который может заклинить при тепловых изменениях размеров антенны, что снижает вероятность безотказной работы. Конструкция прототипа обеспечивает сканирование луча антенны в вертикальной плоскости лишь в пределах сектора не более ±90°, что для ряда применений недостаточно.

Задачей настоящего изобретения является создание более простого технического решения, обеспечивающего сектор углов нацеливания антенны по углу места не менее ±105°.

Техническим результатам настоящего изобретения является двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием, в опорно-поворотном устройстве которой электродвигатели расположены в непосредственной близости от вращаемых ими валов. При этом конструкция редукторов значительно упрощается, вероятность безотказной работы привода увеличивается. Антенна с механическим нацеливанием в радиотехническом плане представляет собой двухзеркальную антенну с профилированным рефлектором, плоским контррефлектором, облучающим рупором и поляризатором.

Общий вид двухзеркальной антенны с механическим нацеливанием с редукторными электроприводами представлен на фигуре 1. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием представляет собой конструкцию с двумя электроприводами, осуществляющими поворот: по углу азимута α и по углу места β. Поворот по углу азимута α осуществляется вокруг оси О₁, совпадающей с осью облучателя 1. Азимутальный электропривод состоит из электродвигателя 2 и ведущей шестерни 3, которая вращает зубчатое колесо 4, жестко связанное с опорой контррефлектора 5 и кронштейном рефлектора 6. Угол установки контррефлектора 5 точно регулируется с помощью установочных винтов 7. Поворот по углу α осуществляется в секторе ±180°. Возможно многооборотное вращение. Число оборотов определяется длиной питающего электродвигатель 2 провода и конструкцией кабельного барабана. На кронштейне 6 закреплен электродвигатель 8, осуществляющий поворот рефлектора 9 посредством шестерни 10 и секторного зубчатого колеса 11. Электродвигатель 8 осуществляет поворот рефлектора 9 вокруг оси О₂ по углу места β. Поворот по углу β осуществляется в пределах сектора не менее ±105°. Угол установки рефлектора 9 точно регулируется с помощью установочных винтов 12 и кронштейна 13. На фигуре 1 электродвигатели 2 и 8 снабжены цилиндрическими редукторами, представленными в виде шестерни 3 и зубчатого колеса 4, а также шестерни 10 и секторного зубчатого колеса 11. Редукторы могут быть также червячными.

Общий вид двухзеркальной антенны с механическим нацеливанием с прямыми электроприводами представлен на фигуре 2. В этом случае конструкция двухзеркальной антенны с механическим нацеливанием упрощается, вероятность ее безотказной работы увеличивается. Азимутальный электропривод состоит из электродвигателя 2, который вращает опору контррефлектора 5 и кронштейн рефлектора 6 вокруг оси O₁ облучателя 1. Угол установки контррефлектора 5 точно регулируется с помощью установочных винтов 7. Поворот по углу α осуществляется в секторе ±180°. Возможно многооборотное вращение. Число оборотов определяется длиной питающего электродвигатель 2 провода и конструкцией кабельного барабана. На кронштейне 6 закреплен электродвигатель 8, осуществляющий поворот рефлектора 9. Электродвигатель 8 осуществляет поворот рефлектора 9 вокруг оси О₂ по углу места β. Поворот по углу β осуществляется в пределах сектора не менее ±105°. Угол установки рефлектора 9 точно регулируется с помощью установочных винтов 12 и кронштейна 13. Электродвигатели 2 и 8 - моментные (низкооборотные), а электроприводы - прямые (безредукторные).

Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием работает следующим образом (см. фигуры 1 и 2). Волна с линейной поляризацией поступает на вход антенны 14 и через прямоугольный волновод на вход поляризатора 15, где происходит преобразование волны с линейной поляризацией поля в волну с круговой поляризацией поля. С выхода поляризатора волна с круговой поляризацией поля подается на вход облучателя 1 и далее излучается раскрывом облучателя 1. Излученная облучателем 1 волна падает на зеркало 5 контррефлектора, отражается им в сторону зеркала 9 рефлектора и после отражения от зеркала 9 рефлектора излучается в свободное пространство. Направление максимума излучения электромагнитных волн определяется положением рефлектора и конттрефлектора, вращаемых электроприводами, как было описано выше.

Предложенная конструкция двухзеркальной антенны с механическим нацеливанием может применяться при изготовлении антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. В частности, такая конструкция может быть применена в качестве антенны радиолинии для передачи информации космического аппарата. Изготовленный образец двухзеркальной антенны с механическим нацеливанием Ka-диапазона имеет следующие электрические характеристики: полоса рабочих частот - 25.5-27.0 ГГц, коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот во всех рабочих секторах углов - не менее 33 дБ, коэффициент эллиптичности во всех рабочих секторах углов - не менее 0.96. На фигуре 3 представлены сечения диаграмм направленности в угломестной плоскости при 5 положениях рефлектора (при β=0, -30, -60, - 90, -105 градусов), построенные в одних осях координат.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам космических аппаратов. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием содержит систему поворотных зеркал, где зеркало контррефлектора расположено под углом 45° к оси вращения в горизонтальной плоскости, а зеркало рефлектора расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен с входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора. При этом относительно оси поляризатора с помощью электродвигателя вращается в горизонтальной плоскости первый кронштейн с жестко установленным на нем контррефлектором, что обеспечивает нацеливание луча антенны в горизонтальной плоскости в пределах сектора ±180°, на первом кронштейне установлен второй кронштейн, позволяющий обеспечить вынос установленного на нем рефлектора, вращающегося с помощью электродвигателя, и обеспечить нацеливание луча антенны в вертикальной плоскости в пределах сектора не менее ±105°. Технический результат заключается в возможности обеспечения секторов углов нацеливания антенны по углу места не менее ±105°. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием, содержащая систему поворотных зеркал, где зеркало контррефлектора расположено под углом 45° к оси вращения в горизонтальной плоскости, а зеркало рефлектора расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен с входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора, отличающаяся тем, что относительно оси поляризатора с помощью электродвигателя вращается в горизонтальной плоскости первый кронштейн с жестко установленным на нем контррефлектором, что обеспечивает нацеливание луча антенны в горизонтальной плоскости в пределах сектора ±180°, на первом кронштейне установлен второй кронштейн, позволяющий обеспечить вынос установленного на нем рефлектора, вращающегося с помощью электродвигателя, и обеспечить нацеливание луча антенны в вертикальной плоскости в пределах сектора не менее ±105°.

2. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием по п. 1, отличающаяся тем, что угол установки рефлектора и контррефлектора точно регулируется с помощью установочных винтов.

3. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием по п. 1, отличающаяся тем, что электродвигатели - моментные, а электроприводы - прямые.

4. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием по п. 1, отличающаяся тем, что электродвигатели - высокоскоростные, электроприводы снабжены механическими редукторами.

5. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием по п. 4, отличающаяся тем, что механические редукторы - цилиндрические.

6. Двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием по п. 4, отличающаяся тем, что механические редукторы - червячные.