Осесимметричная двухдиапазонная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q5/30 

Область техники, к которой относится изобретение

В настоящее время для радиосвязи и цифрового радиовещания широко используются искусственные спутники Земли (ИСЗ) - ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите (ГСО) и использующие одновременно диапазоны частот С, Ku и Ka. В перспективе планируется использование частотных диапазонов 40 ГГц и более [1].

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на ГСО, для работы одновременно в нескольких диапазонах частот.

Уровень техники

Известны [2] двухзеркальные антенны, состоящие из основного параболического зеркала-рефлектора, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида (схема Грегори) или гиперболоида (схема Кассегрена), соосного рефлектору, и облучателя в фокусе контррефлектора. Такие антенны позволяют организовывать радиосвязь через ИСЗ на ГСО одновременно в нескольких частотных диапазонах с использованием устройств разделения диапазонов частот [2, 3]. К недостаткам такой антенной системы относится пониженная ее эффективность при одновременном приеме нескольких диапазонов на один облучатель из-за активных потерь электромагнитной энергии в устройстве разделения диапазонов частот.

Известна также многолучевая комбинированная двухзеркальная антенна [4], состоящая из осесимметричного основного зеркала-рефлектора, имеющего форму параболоида, и вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида, соосного с параболоидом и вогнутого в сторону от рефлектора. Облучатели первого диапазона частот расположены в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, приближенный к рефлектору. Облучатели второго диапазона установлены в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора. Такая антенна может принимать одновременно от ИСЗ с каждого направления два различных диапазона частот.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности антенны при одновременном приеме нескольких диапазонов частот за счет исключения устройства разделения частот, вносящего дополнительные потери в тракт приема. Для этого предлагается осесимметричная двухдиапазонная гибридная антенна Кассегрена-Грегори, состоящая из основного зеркала (рефлектора) с образующей в виде параболы и вспомогательного зеркала (контррефлектора) с образующей в виде гиперболы, выпуклой в сторону параболы и соосной ей. Один из фокусов гиперболы совпадает с фокусом параболы, а другой - с положением облучателя. В центре рефлектора соосно ему установлен вторичный рефлектор с образующей в форме эллипса, вогнутого в сторону от контррефлектора. При этом один из фокусов эллипса совпадает с положением облучателя, а в другом установлен дополнительный облучатель другого диапазона частот, направленный в сторону вторичного рефлектора.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом, на котором фиг. 1 - сечение осесимметричной двухдиапазонной гибридной антенны Кассегрена-Грегори плоскостью, содержащей ось аксиальной симметрии.

На чертеже обозначено:

1 - рефлектор;

2 - контррефлектор;

3 - облучатель;

4 - вторичный рефлектор;

5 - дополнительный облучатель;

6 - лучи облучателя и вторичного рефлектора;

7 - лучи контррефлектора и вторичного рефлектора;

8 - ось аксиальной симметрии;

9 - направление плоской волны первого и второго диапазонов. Осуществление изобретения

Осесимметричная двухдиапазонная гибридная антенна Кассегрена-Грегори с рефлектором 1 в виде части параболоида и контррефлектором 2 в виде части гиперболоида, выпуклого в сторону рефлектора, с совпадающими фокальными осями 8 (фиг. 1) образующих рефлектор 1 и контррефлектор 2 параболы и гиперболы соответственно содержит облучатель 3 в фокусе гиперболоида 2, наиболее близком к вершине рефлектора 1. Второй фокус гиперболоида 2, удаленный от рефлектора 1, совпадает с положением фокуса рефлектора.

При подключении к облучателю 3, размещенному на оси аксиальной симметрии 8, высокочастотного генератора первого диапазона частот, облучатель 3 излучает электромагнитное поле, в том числе в сторону верхнего и нижнего краев контррефлектора 2, которые в приближении геометрической оптики можно рассматривать в виде лучей 6. Отразившись от верхнего и нижнего краев контррефлектора лучи 6, как и все другие 7, попадают на рефлектор 1. После отражения от рефлектора данные лучи 9 благодаря известным свойствам параболоида оказываются параллельны аксиальной оси 8 антенны, в результате чего в раскрыве антенны формируется синфазное распределение электромагнитного поля и соответствующая диаграмма направленности (ДН) первого диапазона частот с максимумом в направлении оси 8.

Диаметр контррефлектора 2, чтобы он работал в качестве зеркала, должен составлять с одной стороны 6÷10 длин электромагнитной волны, возбуждаемой генератором облучателя 3, а с другой стороны должен быть, по крайней мере, в 10 раз меньше диаметра рефлектора 1, чтобы его практически не затенять.

Облучающее устройство второго диапазона частот осесимметричной двухдиапазонной гибридной антенны Кассегрена-Грегори состоит из вторичного рефлектора 4 в виде части эллипсоида, соосного рефлектору 1 и контррефлектору 2, и дополнительного облучателя 5 другого диапазона частот, направленного в сторону вторичного рефлектора 4. Вторичный рефлектор имеет два фокуса, один из которых совпадает с фазовым центром облучателя 3, а второй с фазовым центром дополнительного облучателя 5.

При подключении к дополнительному облучателю 5, расположенному в ближнем фокусе вторичного рефлектора 4, генератора второго диапазона частот сферическая волна этого облучателя преобразуется согласно законам геометрической оптики в сферическую волну, исходящую из второго фокуса вторичного рефлектора. Поскольку этот фокус совпадает с фокусом контррефлектора 2 и одновременно с положением облучателя 3, сферический фронт волны дополнительного облучателя 5 в виде лучей, аналогичных 6, преобразуется контррефлектором 2 в сферическую волну, исходящую из фокуса контррефлектора 2, являющегося одновременно фокусом параболоида 1. После отражения от рефлектора излучение дополнительного облучателя в виде плоской волны формирует в раскрыве диаграмму направленности в направлении 9, совпадающем с направлением максимума ДН первого диапазона частот.Таким образом, ДН обоих диапазонов частот оказываются направлены в сторону одного ИСЗ.

Облучатель 3 оказывает затеняющее воздействие на излучение дополнительного облучателя 5. Это воздействие может быть минимизировано при соответствующем распределении диапазонов частот по облучателям. Так, если облучатель 3 работает на больших частотах (например, в Ka диапазоне), а дополнительный облучатель 5 - на меньших частотах (в Ku или С диапазоне), то размеры облучателя 3 будут много меньше длин волн излучения дополнительного облучателя 5. В этом случае воздействие облучателя 3 на проходящие мимо него электромагнитные волны дополнительного облучателя 5 будет мало.

Для одновременной работы в нескольких диапазонах частот в известных антеннах используются облучатели, общие для нескольких диапазонов частот в совокупности с устройствами разделения диапазонов, вносящими дополнительные высокочастотные потери, снижающие коэффициент использования и повышающие шумовую температуру антенны. В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется методом пространственного разделения приема на два облучателя 3 и 5, что повышает эффективность антенны. Кроме того, входы облучателей 3 и 5 в предлагаемой антенне расположены навстречу друг другу, что позволяет разместить между ними миниатюрную приемно-передающую аппаратуру и за счет этого сократить длину волноводных линий, тем самым дополнительно повысив эффективность антенны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сподобаев М.Ю. Ключевые вызовы и основные тенденции развития отрасли спутниковой связи в среднесрочной перспективе. / SATCOMRUS 2017, 1 ноября 2017 г.

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

3. Каскад приемного устройства СВЧ с разделением частот ортогональных поляризаций двух диапазонов частот: Патент RU 2136088: МПК Н01Р 1/161, Н04 В1/00. / A.M. Сомов, А.В. Пугачев; Заявка RU 98105930 от 17.03.1998 г.; Опубл. 27.08.1999 г.

4. Многолучевая комбинированная зеркальная антенна: Патент RU 2627284: МПК H01Q5/00. / A.M. Сомов; Заявка RU 2016127926 от 12.07.2016 г.; Опубл. 04.08.2017 г.

Использование: изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на геостационарной орбите, для работы одновременно в нескольких диапазонах частот. Технический результат: повышение эффективности антенны при одновременном приеме радиоволн нескольких диапазонов частот. Сущность: предлагается осесимметричная двухдиапазонная антенна, состоящая из основного зеркала (рефлектора) с образующей в виде параболы и вспомогательного зеркала (контррефлектора) с образующей в виде гиперболы, выпуклой в сторону параболы и соосной ей. Один из фокусов гиперболы совпадает с фокусом параболы, а другой - с положением облучателя. В центре рефлектора соосно ему установлен вторичный рефлектор с образующей в форме эллипса, вогнутого в сторону от контррефлектора. При этом один из фокусов эллипса совпадает с положением облучателя, а в другом установлен дополнительный облучатель другого диапазона частот, направленный в сторону вторичного рефлектора. 1 ил.

Осесимметричная двухдиапазонная антенна, состоящая из рефлектора - основного зеркала с образующей в виде параболы, контррефлектора - вспомогательного зеркала с образующей в виде гиперболы, выпуклой в сторону параболы и соосной ей, один из фокусов которой совпадает с фокусом параболы, а другой - с положением облучателя, отличающаяся тем, что в центре рефлектора соосно ему установлен вторичный рефлектор с образующей в форме эллипса, вогнутого в сторону от контррефлектора, при этом один из фокусов эллипса совпадает с положением облучателя, а в другом установлен дополнительный облучатель другого диапазона частот, направленный в сторону вторичного рефлектора.