Способ стабилизации лучей спутниковой многолучевой гибридной зеркальной антенны по сигналам от смещенных наземных маяков Российский патент 2020 года по МПК H01Q25/00 

Предлагаемый способ стабилизации лучей спутниковой многолучевой гибридной зеркальной антенны (МГЗА) по сигналам от смещенных наземных маяков относится к антенной технике, а именно к спутниковым МГЗА, покрывающих рабочую область серией лучей. В условиях эксплуатационных нагрузок (главным образом из-за неравномерного нагрева рефлектора) форма рефлектора МГЗА отклоняется от номинальной, что нарушает ориентацию лучей и снижает минимальный уровень сигнала в зоне обслуживания. Перспективную альтернативу механическим системам поддержания формы рефлектора составляют электронные системы стабилизации параметров МГЗА за счет управления весовыми коэффициентами кластеров элементов антенной решетки (АР), которые формируют лучи.

Известен способ формирования кластерных зон [пат. РФ № 2578289 H01Q 25/00] МГЗА, состоящий в преобразовании географических координат центров лучей в угловые координаты относительно оси МГЗА, вычислении фокальных пятен на АР и формирования кластерных зон по условию превышения некоторого уровня. Недостаток этого способа состоит в необходимости с высокой точностью поддерживать форму рефлектора.

Прототипом заявляемого способа формирования лучей спутниковой МГЗА является патент [пат. США № 4586051 H01Q 19/10], состоящий в приеме элементами кластеров АР сигналов от соответствующих этим кластерам наземных маяков, выделении комплексных амплитуд несущих этих сигналов и формировании весовых коэффициентов возбуждения, формирующих луч кластера, в соответствии с комплексно сопряжёнными значениями сигналов, принятых элементами этого кластера. Это обеспечивает ориентацию максимумов лучей на соответствующие маяки при текущем состояние рефлектора. Недостаток прототипа заключается в необходимости размещения маяков в центрах обслуживаемых лучами зон, что может вызывать трудности или оказаться невозможным в силу природно-географических особенностей соответствующей точки дислокации.

Технической задачей предлагаемого способа является увеличение минимального уровня сигнала в зоне обслуживания при формировании диаграммы направленности МГЗА по сигналам смещенного маяка.

Технический результат достигается тем, что на основании выделенных комплексных амплитуд несущих сигналов маяков на элементах соответствующих кластеров ( − номер кластера, − номер элемента кластера) вычисляются коэффициенты разложения комплексных амплитуд по К базисным функциям , где – координаты n-го элемента кластера, после чего векторы весовых коэффициентов определяются как , где и есть смещение m-го фокального пятна в плоскости полотна антенной решетки, вызванное смещением m-го маяка из центра области обслуживания на угловые координаты и , , , где угловые координаты и обозначают направление на маяк а и обозначают направление на центр m-ой области обслуживания.

Поясним сущность предлагаемого способа. Для номинальной геометрии МГЗА предварительно определяют (в оптическом приближении по принципу зеркального отражения или путем электродинамического моделирования) как координаты максимума фокального пятна в плоскости АР зависят от направления облучения рефлектора: , . Здесь является глобальной системой координат, центр которой располагается в фокусе рефлектора и ось которой направлена в сторону центра рефлектора, и − углы глобальной сферической системы координат, и - углы (ориентированы как показано на Фиг.1) локальной системы координат, в которой строится рефлектор, а направление центрального луча рефлектора совпадает с . Выделяют принятые элементами кластера комплексные амплитуды несущих сигнала маяка, который облучает рефлектор с направления , где индекс m обозначает направление на смещенный маяк, а индекс n − номер элемента АР. По комплексным амплитудам вычисляют аппроксимирующую фокальное пятно функцию в виде разложения , где является базисом функций, которые хорошо аппроксимируют фокальное пятно в окрестности его максимума. Вычисление коэффициентов , минимизирующих среднеквадратичное отклонение, сводится, как известно, к решения СЛАУ следующего вида:

;

Ввиду того, что изменение направления облучения рефлектора в некоторой окрестности существенным образом сказывается лишь на позиции максимума фокального пятна, но не на его форме, то из пятна получают пятно , соответствующее направлению центра области обслуживания, , , путем коррекции положения исходного пятна в плоскости решетки на соответствующие поправки Δx и Δy: , где , . ВВК кластера получают по правилу как комплексно сопряженные значения (обозначено *) отсчетов функции в точках расположения элементов кластера.

Работоспособность предлагаемого способа стабилизации лучей МГЗА по сигналам смещенных наземных маяков и соответствующий технический эффект подтверждают приведенные ниже результаты электродинамического моделирования. Рефлектором МГЗА типичной геометрии является вырезка радиуса из параболоида , , с клиренсом . Элементы антенной решетки расположены в узлах гексагональной сетки со стороной в . Каждый кластер состоит из 7-ми элементов (Фиг.2). Диаграмма направленности антенного элемента , длина волны . Точки глобальной и локальной систем координат связаны таким образом, что , где

,

, . В качестве базисных функций для аппроксимации фокальных пятен взяты ,, , ,, . Для данной геометрии МГЗА на частоте порядка 2ГГц ширина диаграммы направленности по уровню -3дБ для центрального луча составляет . Таким образом, смещение маяка на половину радиуса зоны обслуживания составляет угловое смещение на . На Фиг. 3 приведены лучи, формируемые для четырех зон по угломестной плоскости в трех ситуациях: синими линиями показаны диаграммы направленности, полученные в ходе фокусировки на маяки, расположенные в центрах соответствующих областей обслуживания, красными показаны диаграммы, полученные в ходе фокусировки на смещенные маяки, зелеными показаны диаграммы направленности скорректированных ВВК. Во всех ситуациях смещение маяка составляло = 0.2º.

При фокусировке на несмещенный маяк края зоны обслуживания освещаются на относительном уровне –3дБ. Смещение луча приводит к неравномерному освещению краев зоны, и минимальный уровень характеризует качество покрытия требуемой зоны. Для четырех ситуаций эти минимумы составили –6.6дБ, –6.2дБ, –4.5дБ, –3.1дБ до коррекции ВВК и –3.0дБ, –3.1дБ, –3.1дБ, –3.1дБ после коррекции ВВК.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к спутниковым многолучевым гибридным зеркальным антеннам, излучающая система которых выполнена по схеме «один кластер – один луч», и может быть использовано для формирования вектора весовых коэффициентов кластера антенной решетки, соответствующего диаграмме направленности с максимальным коэффициентом направленного действия и максимумом, ориентированным в центр соответствующей зоны обслуживания, путем приема и обработки сигналов маяка, смещенного из центра этой зоны обслуживания. Технический результат – увеличение минимального уровня сигнала в зоне обслуживания при формировании диаграммы направленности спутниковой многолучевой гибридной зеркальной антенны по сигналам смещенного маяка. Способ заключается в выделении элементами кластера антенной решетки комплексных амплитуд несущих сигнала наземного маяка, аппроксимации по этим комплексным амплитудам непрерывной функции фокального пятна, коррекции положения полученного фокального пятна и формировании весовых коэффициентов кластера в соответствии с комплексно сопряженными значениями скорректированного фокального пятна в точках расположения элементов кластера. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ стабилизации лучей спутниковой многолучевой гибридной зеркальной антенны по сигналам от смещенных наземных маяков, состоящий в периодическом приеме сигналов от M наземных маяков и формировании вектора весовых коэффициентов кластера антенной решетки как комплексно сопряженных значений выделенных элементами этого кластера комплексных амплитуд несущих сигнала маяка, отличающийся тем, что на основании выделенных комплексных амплитуд несущих сигналов маяков на элементах соответствующих кластеров ( − номер кластера, − номер элемента кластера) вычисляются коэффициенты разложения комплексных амплитуд по К базисным функциям , где – координаты n-го элемента кластера, после чего векторы весовых коэффициентов определяются как , где и есть смещение m-го фокального пятна в плоскости полотна антенной решетки, вызванное смещением m-го маяка из центра области обслуживания на угловые координаты и , , , где угловые координаты и обозначают направление на маяк а и обозначают направление на центр m-ой области обслуживания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве базисных функций используют плоские волны

где − волновое число на несущей частоте m-го луча, − направление распространения k-той плоской волны, и − углы глобальной сферической системы координат, полярной осью которой служит нормаль к плоскости полотна антенной решетки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности рефлектора выбирают K точек и за базисные функции принимают сферические волны от этих точек

где − волновое число на несущей частоте m-го луча, (, , ) есть координаты выбранной точки рефлектора в системе координат антенной решетки.