Составная многолучевая двухзеркальная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q19/19 

Область техники, к которой относится изобретение

В настоящее время широкое применение находят спутниковые системы связи, в особенности использующие искусственные спутники Земли (ИСЗ), расположенные на геостационарной орбите (ГСО). Видимый участок такой орбиты содержит десятки ИСЗ.

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 одновременной работы с несколькими ИСЗ связи.

Уровень техники

Известны двухзеркальные антенны [1], состоящие из основного зеркала (рефлектора) в виде проводящей поверхности, представляющей собой вырезку из параболоида вращения, вспомогательного (малого) зеркала (контррефлектора) в виде проводящей поверхности, представляющей собой вырезку из эллипсоида или гиперболоида вращения, соосных рефлектору, и облучателя, обращенного к контррефлектору и расположенного в одном из его фокусов. При этом второй фокус контррефлектора совмещен с фокусом параболоида.

Известны многолучевые двухзеркальные тороидально-параболические антенны [2], которые состоят из рефлектора и контррефлектора в виде проводящих поверхностей, а также системы обращенных к контррефлектору облучателей, расположенных на дуге окружности. При этом поверхность рефлектора образована вращением участка параболы, фокус которой лежит в плоскости расположения облучателей, вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси данной параболы и проходящей через центр окружности дуги облучателей. Поверхность контррефлектора образована вращением участка кривой второго порядка (эллипса или гиперболы) вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси данной кривой и совпадающей с осью вращения параболы. Первый фокус кривой второго порядка, образующих контррефлектор, совпадает с фокусом параболы, а второй фокус кривой второго порядка, образующей контррефлектора, лежит на дуге расположения облучателей.

Недостатком многолучевых тороидально-параболических антенн является уменьшение эффективности парциального луча диаграммы направленности (ДН) по мере приближения облучателя к краю дуги облучателей. Причиной снижения эффективности является увеличение перелива мощности, излучаемой облучателем, за края контррефлектора, и соответствующее снижение обобщенного коэффициента использования площади антенны, а также увеличение шумов, принимаемых антенной [3].

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности крайних парциальных лучей многолучевой двухзеркальной тороидально-параболической антенны. Для этого предлагается составная многолучевая двухзеркальная антенна, состоящая из основного (рефлектора) и вспомогательного (контррефлектора) зеркал в виде проводящих поверхностей, а также системы обращенных к контррефлектору облучателей, расположенных на дуге окружности. При этом рефлектор и контррефлектор каждый состоят из трех соответствующих друг другу частей: центральной части и двух примыкающих к ней дополнительных частей. Форма поверхности центральной части рефлектора образована вращением симметричного участка параболы, фокус которой лежит в плоскости расположения облучателей, вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси параболы и проходящей через центр окружности дуги облучателей. Форма поверхности центральной части контррефлектора образована вращением симметричного (относительно фокальной оси) участка кривой второго порядка (эллипса или гиперболы) вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси данной кривой и совпадающей с осью вращения параболы центральной части рефлектора. Поверхности дополнительных частей рефлектора представляют собой симметричные половины параболоида, полученного вращением участка параболы, идентичного участку, образующему центральную часть рефлектора, вокруг фокальной оси данной параболы. Поверхности дополнительных частей контррефлектора представляют собой симметричные половины поверхности второго порядка, полученной вращением участка кривой второго порядка, идентичной участку, образующему центральную часть контррефлектора, вокруг фокальной оси данной кривой. Фокальные оси дополнительных и центральных частей лежат в одной плоскости. Первые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, совпадают с фокусами парабол, образующих соответственно центральную и дополнительную части рефлектора, а вторые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, лежат на дуге расположения облучателей.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом фиг. 1, на котором обозначено:

1 - рефлектор;

2 - контррефлектор;

3 - дуга облучателей;

4 - ось вращения кривых, образующих центральные части рефлектора и контррефлектора;

5 - парабола, образующая центральную часть рефлектора;

6, 6', 6'' - фокальные оси кривых, образующих рефлектор и контррефлектор;

7 - кривая второго порядка (эллипс), образующая контррефлектор;

8 - дуга окружности, на которой лежат фокусы парабол, образующих рефлектор, и первые фокусы кривых второго порядка, образующих контррефлектор;

9, 9' - дополнительные части рефлектора;

10, 10' - дополнительные части контррефлектора;

11, 12, 13 - облучатели.

Осуществление изобретения

При подключении к облучателям 11, 12, 13 и им подобным, расположенным на дуге окружности 3, генератора высокочастотных колебаний указанные облучатели излучают в сторону контррефлектора 2 сферическую волну.

Данная волна при отражении от центральной части контррефлектора 2, форма поверхности которой образована вращением симметричного (относительно фокальной оси 6) участка кривой второго порядка (эллипса или гиперболы) 7, второй фокус которой лежит на дуге 3, вокруг оси 4, перпендикулярной фокальной оси 6,трансформируется волну, которая в силу оптических свойств кривых и поверхностей второго порядка [4] в плоскости, содержащей ось вращения 6, кажется исходящей из первого фокуса кривой 7. Поскольку указанный фокус совмещен с фокусом параболы (дуга 8), то в силу оптических свойств последней, волна, идущая от контррефлектора к рефлектору после отражения от него трансформируется в квазиплоскую волну, формирующую остронаправленное излучение парциального луча антенны с максимумом, лежащим в плоскости дуги облучателей 3, и направленным вдоль фокальной оси, проходящей через фазовый центр соответствующего облучателя и ось вращения 4. При этом в плоскости дуги облучателей после отражения волны от центральной части контррефлектора 2 и затем рефлектора 1 имеют место квадратичные фазовые ошибки [2], ухудшающие характеристики парциального луча ДН, в частности, снижающие апертурный коэффициент использования площади (КИП) раскрыва.

Сферические волны крайних облучателей 12 и 13 попадают на крайние области центральной части контррефлектора 2, а также на соответствующие этим облучателями примыкающие к контррефлектору 2 дополнительные части 10 и 10', поверхности которых представляют собой симметричные половины поверхности второго порядка, полученной вращением участка кривой второго порядка, идентичной участку 7, образующему центральную часть контррефлектора, вокруг фокальной оси данной кривой. Фокальные оси 6' и 6'' дополнительных частей 10 и 10' лежат в одной плоскости с фокальными осями центральной части контррефлектора 2. Сферические волны, отразившись от дополнительных частей 10 и 10', трансформируются в сферические волны, исходящие из первого фокуса поверхности второго порядка в сторону дополнительных частей 9 и 9' рефлектора 1.

С учетом того, что фокальные оси параболоида, образующего дополнительные части 9 и 9' рефлектора 1, лежат в одной плоскости с фокальными осями дополнительных частей 10 и 10' контррефлектора 2, а фокус параболоида для каждой из дополнительных частей 9 и 9' рефлектора 1 совпадает с первым фокусом соответствующих ему дополнительных частей 10 и 10' контррефлектора 2, волны, отразившись от дополнительных частей 9 и 9' рефлектора 1, трансформируются в плоские волны без фазовых ошибок, формирующие остронаправленное излучение парциальных лучей антенны с максимумами, направленными вдоль осей 6' и 6''.

Таким образом, излучение крайних облучателей 12 и 13, которое в обычной двухзеркальной тороидально-параболической антенны частично проходит мимо контррефлектора 2, теперь отражается его дополнительными частями 10 и 10' и далее дополнительными частями 9 и 9' рефлектора 1. Благодаря этому достигается повышение коэффициента передачи энергии от облучателя к контррефлектору антенны для соответствующих лучей. За счет отсутствия фазовых ошибок после отражения волн от дополнительных частей 10 и 10', 9 и 9' достигается повышение апертурного КИП раскрыва. Поскольку обобщенный КИП (эффективность) парциального луча двухзеркальной антенны пропорциональна произведению апертурного КИП раскрыва и коэффициенту передачи энергии от облучателя к контррефлектору [2, 4], то для крайних облучателей 12 и 13 достигается заявленный технический результат, то есть повышение эффективности парциальных лучей по сравнению с обычной двухзеркальной тороидально-параболической антенной.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Сомов A.M., Кабетов Р.В. Проектирование антенно-фидерных устройств: Учебное пособие для вузов. / Под ред. профессора A.M. Сомова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 500 с.: ил.

3. Сомов A.M. Метод фрагментации для расчета шумовой температуры антенн. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 208 с.: ил.

4. 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.

Использование: изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи со спутниками-ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на геостационарной орбите, для одновременной работы с несколькими ретрансляторами. Технический результат: повышение эффективности крайних парциальных лучей многолучевой двухзеркальной тороидально-параболической антенны. Сущность: предлагается составная многолучевая двухзеркальная антенна, состоящая из основного (рефлектора) и вспомогательного (контррефлектора) зеркал в виде проводящих поверхностей, а также системы обращенных к контррефлектору облучателей, расположенных на дуге окружности. При этом рефлектор и контррефлектор, каждый, состоят из трех соответствующих друг другу частей: центральной части и двух примыкающих к ней дополнительных частей. Форма поверхности центральной части рефлектора образована вращением симметричного участка параболы, фокус которой лежит в плоскости расположения облучателей, вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси параболы и проходящей через центр окружности дуги облучателей. Форма поверхности центральной части контррефлектора образована вращением симметричного (относительно фокальной оси) участка кривой второго порядка (эллипса или гиперболы) вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси данной кривой и совпадающей с осью вращения параболы центральной части рефлектора. Поверхности дополнительных частей рефлектора представляют собой симметричные половины параболоида, полученного вращением участка параболы, идентичного участку, образующему центральную часть рефлектора, вокруг фокальной оси данной параболы. Поверхности дополнительных частей контррефлектора представляют собой симметричные половины поверхности второго порядка, полученной вращением участка кривой второго порядка, идентичной участку, образующему центральную часть контррефлектора, вокруг фокальной оси данной кривой. Фокальные оси дополнительных и центральных частей лежат в одной плоскости. Первые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, совпадают с фокусами парабол, образующих соответственно центральную и дополнительную части рефлектора, а вторые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, лежат на дуге расположения облучателей. 1 ил.

Составная многолучевая двухзеркальная антенна, состоящая из рефлектора - основного зеркала - и контррефлектора - вспомогательного зеркала - в виде проводящих поверхностей, а также системы обращенных к контррефлектору облучателей, расположенных на дуге окружности, отличающаяся тем, что рефлектор и контррефлектор, каждый, состоят из трех соответствующих друг другу частей: центральной части и двух примыкающих к ней дополнительных частей, причем форма поверхности центральной части рефлектора образована вращением симметричного участка параболы, фокус которой лежит в плоскости расположения облучателей, вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси параболы и проходящей через центр окружности дуги облучателей, форма поверхности центральной части контррефлектора образована вращением симметричного относительно фокальной оси участка кривой второго порядка вокруг оси, перпендикулярной фокальной оси данной кривой и совпадающей с осью вращения параболы центральной части рефлектора, поверхности дополнительных частей рефлектора представляют собой симметричные половины параболоида, полученного вращением участка параболы, идентичного участку, образующему центральную часть рефлектора, вокруг фокальной оси данной параболы, поверхности дополнительных частей контррефлектора представляют собой симметричные половины поверхности второго порядка, полученной вращением участка кривой второго порядка, идентичной участку, образующему центральную часть контррефлектора, вокруг фокальной оси данной кривой, фокальные оси дополнительных и центральных частей лежат в одной плоскости, первые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, совпадают с фокусами парабол, образующих соответственно центральную и дополнительную части рефлектора, а вторые фокусы кривых второго порядка, образующих центральную и дополнительную части контррефлектора, лежат на дуге расположения облучателей.