Осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q5/30 H01Q15/23 

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 одновременной работы с несколькими ИСЗ связи, каждый из которых работает одновременно в трех диапазонах частот.

Уровень техники

Известны [2] многодиапазонные двухзеркальные антенны, состоящие из основного параболического зеркала-рефлектора, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида или гиперболоида, 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 потерь электромагнитной энергии в устройстве разделения диапазонов частот.

Известны двухзеркальные антенны типа Грегори с двумя облучателями, один из которых расположен в фокусе основного параболического рефлектора, а второй в фокусе эллиптического контррефлектора, удаленном от вершины параболического рефлектора [4]. Каждый из этих облучателей принимает свой диапазон частот с одного и того же направления. Такие антенны раздельно принимают одновременно два разных диапазона без применения устройства разделения диапазонов частот.

Известна также осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна [5], принимающая с нескольких направлений одновременно три диапазона частот. Она состоит из основного зеркала-рефлектора с образующей в виде параболы, вспомогательного зеркала-контррефлектора, соосного параболе, и облучателей. При этом контррефлектор имеет форму параболы, вогнутой в сторону от рефлектора. На фокальной оси рефлектора соосно ему установлены осесимметричные вторичный рефлектор с сечением, подобным сечению рефлектора, и вторичный контррефлектор с сечением в виде эллипса, фокальная ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии антенны.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности антенны при одновременном приеме трех диапазонов частот за счет исключения устройства разделения частот, вносящего дополнительные потери в тракт приема. Для этого предлагается осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна, состоящая из трех кластеров облучателей разных диапазонов частот, рефлектора - основного зеркала в виде осесимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого является осью аксиальной симметрии антенны, и контррефлектора - вспомогательного зеркала в виде выпуклой в сторону рефлектора осесимметричной вырезки из гиперболоида вращения, фокальная ось и дальний относительно рефлектора фокус которого совпадают соответственно с фокальной осью и фокусом рефлектора. На фокальной оси рефлектора соосно ему установлены осесимметричные вторичный рефлектор и вторичный контррефлектор с сечениями в виде эллипсов, фокальные оси которых совпадают с осью аксиальной симметрии антенны, причем дальний фокус вторичного рефлектора совпадает с ближним к рефлектору фокусом контррефлектора, а ближний фокус вторичного рефлектора совпадает с ближним фокусом вторичного контррефлектора. Кластеры облучателей установлены в плоскостях, ортогональных оси аксиальной симметрии антенны: в плоскости, проходящей через фокус контррефлектора, ближний к рефлектору, - кластер облучателей первого диапазона частот, обращенный к контррефлектору, в плоскости, проходящей через ближний фокус вторичного контррефлектора, - кластер облучателей второго диапазона частот, обращенный ко вторичному рефлектору, в плоскости, проходящей через дальний фокус вторичного контррефлектора, - кластер облучателей третьего диапазона частот.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

- фиг. 1 - продольное сечение осесимметричной многодиапазонной многолучевой многозеркальной антенны;

- фиг. 2 - проекция элементов осесимметричной много диапазонной многолучевой многозеркальной антенны на плоскость ее раскрыва.

На чертежах обозначено:

1 - основное зеркало-рефлектор;

2 - контррефлектор;

3 - кластер облучателей первого диапазона частот;

4 - вторичный рефлектор;

5 - вторичный контррефлектор;

6 - кластер облучателей второго диапазона частот;

7 - кластер облучателей третьего диапазона частот;

8 - ось аксиальной симметрии антенны;

9 - направление лучей кластера облучателей 3 на края рефлектора 1;

10 - направление излучения антенны от кластеров облучателей 3, 6, и 7;

11 - направление лучей кластера облучателей 6 на края вторичного рефлектора 4;

12 - направление лучей от вторичного рефлектора 4 к контррефлектору 2;

13 - направление лучей кластеров облучателей 6 и 7 на края рефлектора 1;

14 - направление лучей кластера облучателей 7 на края вторичного контррефлектора 5;

15 - линия, подобная кривой ГСО от кластеров облучателей диапазонов в направлении на ИСЗ.

Осуществление изобретения

При подключении к одному из облучателей кластера 3, предназначенному для приема заданного ИСЗ, высокочастотного генератора первого диапазона частот этот облучатель излучает электромагнитную волну в сторону контррефлектора 2 (фиг. 1). Поскольку этот контррефлектор находится в дальней зоне облучателя, то указанная волна является сферической, а система облучатель-контррефлектор-рефлектор работает как известная антенна Кассегрена [2]. При этом для облучателя, расположенного в первом фокусе гиперболоида, лучи 12, излучаемые в сторону краев контррефлектора 2, после отражения от него трансформируются в лучи 9, как будто исходящие их второго (мнимого) фокуса указанного гиперболоида. После отражения от рефлектора 1 в раскрыве антенны формируется синфазный фронт волны и направленное излучение 10 вдоль фокальной оси 8. Согласно принципу взаимности обратные процессы происходят и в режиме приема, обеспечивая связь с назначенным ИСЗ в первом диапазоне частот. Аналогичные процессы происходят и при подключении других облучателей из кластера 3 при небольших их смещениях от фокальной оси, обеспечивая обслуживание других ИСЗ в первом диапазоне частот.

На оси рефлектора 1 соосно ему установлены вторичный рефлектор 4 в виде эллипсоида вращения и вторичный контррефлектор 5 также в виде эллипсоида вращения. В дальнем относительно вершины вторичного рефлектора 4 фокусе вторичного контррефлектора 5 установлен кластер облучателей 6. При подключении генератора второго диапазона частот к облучателю из кластера 6 этот облучатель излучает электромагнитную волну в сторону вторичного рефлектора 4. С учетом размещения облучателя в дальней зоне эта волна является сферической. При этом лучи 11, излучаемые в сторону краев вторичного рефлектора 4 облучателем, расположенным на фокальной оси 8, то есть в фокусе эллипсоида, после отражения в виде лучей 13 будут проходить через второй фокус вторичного рефлектора 4, совпадающий с фокусом контррефлектора 2. Дальнейший ход лучей будет аналогичен ходу лучей для облучателя из кластера 3 для первого диапазона частот. Таким образом, для второго диапазона частот в раскрыве рефлектора 1 также формируется синфазный фронт волны и направленное излучение 10 вдоль фокальной оси 8. Аналогичные процессы происходят при небольшом смещении облучателя, обеспечивая обслуживание других ИСЗ во втором диапазоне частот.

При подключении к облучателю кластера 7, расположенному в фокусе, удаленном от вторичного рефлектора 5, высокочастотного генератора третьего диапазона частот сферическая волна попадает от него на внутреннюю поверхность 5. После отражения от нее, в том числе и в виде лучей 14, после пересечения в фокусе вторичного контррефлектора 5, совпадающего по положению с фокусом вторичного рефлектора 4, поле третьего диапазона частот попадает на внутреннюю поверхность вторичного рефлектора 4 в виде лучей, аналогичных лучам 11 второго диапазона частот. С учетом этого дальнейшее прохождение волны третьего диапазона частот аналогично волне второго диапазона частот. Таким образом, и для третьего диапазона частот в раскрыве рефлектора 1 формируется синфазный фронт волны и направленное излучение 10 вдоль фокальной оси 8.

Облучатели кластеров 3, 6 и 7 могут размещаться на кривой 15, подобной кривой, описывающей линию ГСО (фиг. 2). В приближении геометрической оптики лучи, исходящие от облучателей кластера 3, после последовательных отражений от рефлектора 1 в силу свойств кривой второго порядка типа параболы и смещения облучателей с фокальной оси антенны 8 формируют веер парциальных диаграмм направленности (ДН) антенны. Аналогичный веер ДН формируется от смещенных облучателей кластера 6 второго диапазона частот и от смещенных облучателей кластера 7 третьего диапазона частот. Смещение облучателей определяется угловым смещением точки размещения обслуживаемого ИСЗ на ГСО относительно точки размещения виртуального ИСЗ на ГСО в направлении оси парциальной ДН, формируемой облучателем, расположенным в фокусе параболоида.

Облучатели кластеров 3, 6 и 7 оказывают затеняющее воздействие на излучение друг друга. Согласно геометрическим построениям хода лучей затеняющее действие облучателя кластера 7, которое он оказывает на излучение облучателя кластера 6, не превышает затенения от вторичного контррефлектора 5. Затеняющее воздействие облучателей кластеров 3 и 6 может быть минимизировано при соответствующем распределении диапазонов частот по облучателям. Если первый диапазон соответствует самым высоким частотам (например, Ka диапазон), второй диапазон - средним частотам (Ku диапазон), третий диапазон - низким частотам (С диапазон), то размеры облучателя кластера 3 будут много меньше длин волн относительно второго и третьего диапазонов, а размеры облучателя кластера 6 - много меньше длины волны третьего диапазона. В этом случае воздействие облучателей кластеров 3 и 6 на проходящие мимо них электромагнитные волны 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 несколько облучателей 3, 6 и 7.

Смещение облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси параболы, целесообразно при обслуживании узкого сектора углов ГСО, а отсутствие устройства разделения частот позволяет реализовать высокий коэффициент усиления антенны при малой шумовой температуре. Кроме того, антенна имеет возможность изменять соотношения конструктивных размеров вторичного рефлектора и контррефлектора, что имеет значение при ее размещении и эксплуатации в стесненных эксплуатационных условиях. Этим достигается повышение эффективности 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 Н01Р1/161, Н04 В1/00. / A.M. Сомов, А.В. Пугачев; Заявка RU 98105930 от 17.03.1998; Опубл. 27.08.1999.

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

5. Осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна: Патент RU 2776722: МПК H01Q3/30. / Заявитель и патентообладатель Академия ФСБ России; Заявка 2021119064 от 29.06.2022; Опубл. 26.07.2022.

Изобретение относится к области радиотехники и служит в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на геостационарной орбите, для одновременной работы с несколькими искусственными спутниками Земли, каждый из которых работает одновременно в трех диапазонах частот. Технический результат - повышение эффективности антенны при одновременном приеме радиоволн трех диапазонов частот. Результат достигается тем, что предложена осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна, состоящая из трех кластеров облучателей разных диапазонов частот, основного рефлектора в виде осесимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого является осью аксиальной симметрии антенны, и вспомогательного контррефлектора в виде выпуклой в сторону рефлектора осесимметричной вырезки из гиперболоида вращения, фокальная ось и дальний относительно рефлектора фокус которого совпадают соответственно с фокальной осью и фокусом рефлектора, а также установленных на фокальной оси рефлектора соосно ему осесимметричных вторичного рефлектора и вторичного контррефлектора с сечениями в виде эллипсов. 2 ил.

Осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна, состоящая из трех кластеров облучателей разных диапазонов частот, рефлектора - основного зеркала в виде осесимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого является осью аксиальной симметрии антенны, и контррефлектора - вспомогательного зеркала в виде выпуклой в сторону рефлектора осесимметричной вырезки из гиперболоида вращения, фокальная ось и дальний относительно рефлектора фокус которого совпадают соответственно с фокальной осью и фокусом рефлектора, отличающаяся тем, что на фокальной оси рефлектора соосно ему установлены осесимметричные вторичный рефлектор и вторичный контррефлектор с сечениями в виде эллипсов, фокальные оси которых совпадают с осью аксиальной симметрии антенны, причем дальний фокус вторичного рефлектора совпадает с ближним к рефлектору фокусом контррефлектора, а ближний фокус вторичного рефлектора совпадает с ближним фокусом вторичного контррефлектора, кластеры облучателей установлены в плоскостях, ортогональных оси аксиальной симметрии антенны: в плоскости, проходящей через фокус контррефлектора, ближний к рефлектору, - кластер облучателей первого диапазона частот, обращенный к контррефлектору, в плоскости, проходящей через ближний фокус вторичного контррефлектора, - кластер облучателей второго диапазона частот, обращенный ко вторичному рефлектору, в плоскости, проходящей через дальний фокус вторичного контррефлектора, - кластер облучателей третьего диапазона частот.