Низкопрофильная составная спутниковая антенна Российский патент 2023 года по МПК H01Q19/18 H04B7/00 

Изобретение относится к области антенных средств и может быть использовано для приема/передачи сигнала спутниковых частот с круговой поляризаций как на неподвижных, так и подвижных объектах, например, на самолетах, наземном и водном транспорте, на поездах и др.

Потребности в услугах подвижной спутниковой связи SOTM (Satcom-On-The-Move) постоянно растут, и для их удовлетворения необходима организация высокоскоростных каналов с улучшенными электродинамическими характеристиками и малыми габаритами оборудования.

Благодаря усовершенствованию приемо-передающего оборудования, используемого на спутниках связи, таких как HTS (High Throughput Satellites), на землю передаются более мощные лучи, что позволяет использовать антенны с электромеханическим управлением диаграммой направленности и с жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам. В свою очередь, это способствует созданию низкопрофильных антенных систем для оснащения спутниковой связью транспортных средств различного типа.

Одним из направлений решения задачи создания низкопрофильных антенных систем является применение в их составе усеченных параболических рефлекторов, которые просты в изготовлении и имеют небольшие габариты.

Известна [1 - Патент RU №2799107 "Низкопрофильная фазированная спутниковая антенна", опубл. 04.07.2023, Бюл. №19], содержащая n пассивных микрополосковых структур, состоящих из диэлектрических пластин, на поверхности которых располагаются металлические пассивные элементы, и пластины скреплены между собой, причем пассивные элементы, начиная с первой пластины снизу, сдвинуты в одном направлении, металлическую заземляющую пластину, на верхней поверхности которой закреплен диэлектрик с активными микрополосковыми элементами, который образует активную упорядоченную структуру, а на нижнюю поверхность выведены питающие зонды, которые имеют электрическую связь с активными элементами, сигналы с зондов поступают в первый многоканальный групповой волновод с элементами возмущения, при этом каждый волноводный канал в нижней части имеет по одному переходному отверстию для выхода сигнала, отличающаяся тем, что в нее введены второй и третий многоканальные групповые волноводы, устройство для регулирования физической длины линий задержки и групповые сумматоры сигналов левой и правой поляризации. Недостатками данной антенны являются сложность изготовления и низкий коэффициент усиления сигнала.

Известна [2 - Патент US №9,318,810 В2 "Ring focus antenna "с приоритетом 2.04.2015 г.] антенна для использования в мобильных и портативных спутниковых антенных системах, которая способна принимать/передавать сигналы с круговой и линейной поляризацией. Антенна включает в себя вогнутый основной рефлектор параболической формы, имеющий фокальный круг вокруг оси. Круглый волноводный рупор отходит от основного рефлектора концентрично этой оси. За дистальным концом рупора волновода установлен субрефлектор, при этом между субрефлектором и дистальным концом круглого рупора волновода остается кольцевой зазор. Недостатком данной антенны являются низкий коэффициент усиления сигнала и большая высота профиля.

Известна [3 - Антенная система SOTM 0,6 м Ku-диапазона ТИШЖ..468331.220 низкопрофильная парабола круговой поляризации. URL: http://www.rc-tech.ru/%D0%A2%D0%98%D0%A8%D0%96.468331.220%20%D0%A0%D0%AD%20%D0%90%D0%A1%20SOTM%200,6%20%D0%BC%20Ku-%D0%B4%20%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82.pdf], содержащая блок управления антенной, антенну 0,55 м Ku-диапазона, рефлектор, контррефлектор, облучатель с устройством подстройки поляризации, шаговые двигатели, опорно поворотное устройство, радиопрозрачный купол, контроллер управления антенной, делите ль/сумматор, малошумящий блок Ku-диапазона (LNB), гироскоп, приемник ГЛОНАСС/GPS, блок питания и предназначенная для обеспечения высокоскоростных каналов связи в движении. Недостатками данной антенной системы являются низкий коэффициент усиления сигнала и большие габариты по высоте.

Известно [4 - Патент RU №2296397 С2 "Антенно-фидерное устройство и антенна, входящая в состав этого устройства." опубл.27.03.2009 г., Бюл. №9.], содержащее четыре параболические антенны, расположенные в одной плоскости, согласующее устройство выполнено на базе делителей. Вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены посредством отрезков двухмодовой линии передачи. Вход подсоединен к четырем выходам посредством отрезков одномодовой линии передачи. Делители расположены в одной плоскости. Два боковых плеча каждого из делителей подсоединены к соседним выходам, а центральные плечи с четырех сторон - к входу согласующего устройства. Фазовращатели. Делители мощности выполнены в виде Т-образных сочленений. Недостатком данной антенны являются большие габариты, а именно большая высота бокового профиля.

Целью изобретения является уменьшение габаритов антенны по высоте профиля и увеличение коэффициента усиления принимаемого/передаваемого сигнала. Это достигается тем, что антенна содержит два и более независимых параболических рефлектора (зеркала) усеченных (с уменьшенными размерами), конструкцию облучателей с субрефлекторами и сумматоры принимаемых сигналов с каждого рефлектора.

Заявляемая совокупность элементов, форм исполнения и связей позволяет достичь поставленной цели за счет оригинального сочетания используемых в телекоммуникационных сетях приборов и устройств как в их прямом, так и в нестандартном применении.

Изобретение иллюстрируется графически (для упрощения описания приводится антенна, состоящая из двух рефлекторов):

На Фиг. 1. изображен общий вид антенны спереди.

На Фиг. 2. - Волноводная сборка с сумматорами/делителями (вид сзади).

В состав низкопрофильной составной спутниковой антенны входит первый 1 и второй 2 рефлекторы (зеркала), первый 3 и второй 4 субрефлекторы, первый 5 и второй 6 облучатели, ребра жесткости 7, стойки 8, ось вращения 9 рефлекторов по углу места, шаговый двигатель 10 для азимутального вращения, зубчатая передача 11, зубчатое колесо 12, шаговый двигатель 13, шестерня 14, привод 15, контроллер 16, пластина 17, платформа 18, основание 19, купол 20, волноводы 21, первый 22 и второй 23 сумматоры/делители, волноводные каналы L - 24 и 25, волноводные каналы R - 26 и 27, первый 28 и второй 29 поляризаторы (деполяризаторы), вставки (фазосдвигатели) 30, вход/выход L - 31 и вход/выход R - 32.

Рефлекторы 1 и 2 усечены со всех сторон с целью уменьшения габаритных размеров антенны, первый 3 и второй 4 субрефлекторы изготовлены ассиметричной формы и оснащены увеличенными верхними и нижними периферийными ушками (удлинителями) в соответствии с известными принципами геометрической оптики и учетом геометрии заливаемой поверхности рефлекторов. Первый 5 и второй 6 облучатели имеют по два волноводных канала для левой L - 24, 25 и правой R - 26, 27 поляризаций соответственно. Зеркала в зависимости от материала имеют два и более ребра жесткости 7. Стойки 8 расположены с двух сторон антенны и основанием прикреплены к платформе 18, вращающейся по азимуту с помощью шагового двигателя 10, зубчатой передачи 11 и зубчатого колеса 12, которое, в свою очередь, прикреплено к неподвижному основанию 19 антенны. Рефлекторы вращаются относительно оси 9 по углу места с помощью шагового двигателя 13, шестерни 14 и привода 15 в виде, например, зубчатого ремня. Причем шаговые двигатели 10 и 13 закреплены на пластине 17. На подвижной платформе 18 расположен контроллер 16 для управления антенной. Первый 5 и второй 6 облучатели имеют поляризаторы 28 и 29, например, в виде пластин ступенчатой формы, которые преобразуют сигнал круговой поляризации в сигналы левой L и правой R продольной волны соответственно. Причем сигналы L через верхние волноводы 21 поступают на боковые входы первого волноводного сумматора/делителя Т-образной формы 22, а сигналы R через нижние волноводы 21 поступают на боковые входы второго волноводного сумматора/делителя Т-образной формы 23. Между боковыми входами первого 22 и второго 23 сумматоров/делителей и волноводами 21 расположены вставки 30, которые предназначены для изменения геометрических размеров волноводов 21 с целю точного регулирования фазы сигналов. Суммарные сигналы L и R поступают на входы/выходы L 31 и R 32 сумматоров/делителей 22 и 23 соответственно, которые также являются входами/выходами антенны.

Одним из примеров изготовления облучателя с поляризатором может служить «Двухзеркальная антенна» патент RU №2474936. Опубл. 10.02.2013 г., Бюл. №14".

Рефлекторы 1 и 2 выполнены вращением параболической образующей вокруг оси вращения, причем фокус параболической образующей расположен вне оси вращения, а субрефлекторы 3 и 4 выполнены вращением эллиптической образующей вокруг той же оси вращения, вершины субрефлекторов обращены к зеркалу, причем один из фокусов эллиптической образующей расположен на оси вращения, а облучатель для каждой антенны расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором.

Вставки 30 представляют собой металлические пластины с прямоугольным вырезом по центру, в соответствии с размером волновода 21 и толщиной, например, 0,2 мм. Подбор длины бокового плеча путем изменения количества вставок выполняет функцию регулирования фаз. Причем вставки переносятся из одного плеча в другое с целью сохранения общей геометрии конструкции. Фазосдвигатели также могут быть выполнены, например, посредством изменения размеров прямоугольных волноводов в боковых плечах Т-образных сочленений, с помощью диэлектрических пластин, установленных в боковых плечах Т-образных сочленений или другими известными способами

Зеркала, волноводная сборка с облучателями и ребра жесткости закреплены на пластине 17, изготовленной, например, из алюминиевого сплава. При этом крепление и соединения элементов конструкции производится любым известным способом. Вся конструкция антенны сверху закрыта радиопрозрачным куполом 20, который крепится к основанию 19 антенны.

Для обеспечения поиска и сопровождения спутника в состав антенны дополнительно могут входить электронные устройства, такие как малошумящий блок (LNB), гироскоп, навигационный приемник, блок питания и другие.

Антенна работает следующим образом.

Для упрощения описания рассмотрим составную антенну содержащую, например, два - первый и второй рефлектора (зеркала).

Антенна при поиске спутника совершает движение по азимуту и углу места по определенному алгоритму. После настройки антенны на спутник сигнал с последнего поступает на первый и второй основные рефлекторы, откуда попадает на первый и второй субрефлекторы соответственно, и через первый и второй облучатели поступает в волноводную сборку (структуру), причем с помощью поляризаторов, расположенных в облучателях, на выходах последних получаем сигналы левой L и правой R поляризаций в виде продольной волны. Сигналы левой поляризации L поступают на боковые входы первого волноводного Т-образного сумматора/делителя, с входа/выхода которого получаем суммарный сигнал левой поляризаций L от двух зеркал. Аналогично с входа/выхода второго волноводного Т-образного сумматора/делителя получаем суммарный сигнал правой поляризаций R, от двух зеркал. Причем для точного согласования фаз, между боковыми входами первого и второго сумматоров/делителей и волноводами расположены, например, вставки необходимой толщины, которые изменяют геометрический размер волноводной сборки.

Аналогично работе приемного тракта может осуществляться передача сигнала на спутник, при этом сигнал от внешнего источника подается на входы/выходы первого и второго волноводных Т-образных сумматоров.

Так как первый и второй рефлекторы усечены, то это приводит к тому, что диаграмма направленности антенны неравномерна в радиальном направлении относительно центральной оси. Для учета данного эффекта, используя известные приемы геометрической оптики, первый и второй субрефлекторы выполнены ассиметричной формы и оснащены увеличенными периферийными ушками или удлинителями, что учитывает отсутствие усеченных частей рефлекторов и позволяет снизить уровни диссипативных потерь в режиме передачи и паразитных шумов в режиме приема.

Для дополнительного увеличения коэффициента усиления сигнала увеличивают габариты (в основном высоту) рефлекторов, и если имеется ограничение, то увеличивают количество рефлекторов. Например, если добавляются еще один или несколько рефлекторов, то соответственно, дополнительно вводятся облучатели с поляризаторами и субрефлекторами и сумматоры/делители Т-образной формы с соответствующими волноводами и вкладками.

Боковой профиль подвижной части антенны при вращении по углу места имеет диаметр ометания, не превышающий заданные габариты по высоте. При этом конструкция антенны с рефлекторами и облучателями, смонтированная на удерживающей пластине, будет вписываться в цилиндр, высота и длина которого определяют общий объем ометания антенны.

Таким образом, использование двух и более усеченных параболических рефлекторов позволяет изготовить низкопрофильную спутниковую антенну с заданным коэффициентом усиления. Например, антенна из двух рефлекторов с коэффициентом усиления эквивалентным симметричной параболе диаметром 50 см имеет высоту около 21 см и диаметр ометания около 100 см.

Изобретение соответствует критерию "изобретательский шаг", так как включает совокупность существенных признаков с соответствующими связями, а именно усеченные рефлекторы, облучатели с поляризаторами, субрефлекторы вытянутой седловидной формы, учитывающие геометрию усеченных рефлекторов, сумматоры/делители с набором вставок, контроллер, шаговые двигатели по азимуту и углу места.

Техническое решение является новым, так как указанная совокупность существенных признаков позволяет изготовить спутниковую антенну с низким профилем и с высоким коэффициентом усиления, что, в свою очередь, позволяет устанавливать антенну на подвижных объектах с жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам.

Заявляемая низкопрофильная составная спутниковая антенна может быть реализована с использованием существующей аппаратуры и оборудования, средств электротехники и связи, телекоммуникационных средств, вычислительной техники и является "промышленно применимым".

Источники информации

1. Патент RU №2799107 "Низкопрофильная фазированная спутниковая антенна", опубл. 04.07.2023, Бюл. №19.

2. Патент US №9,318,810 В2 "RING FOCUS ANTENNA "с приоритетом 2.04.2015 г.

3. Антенная система SOTM 0,6 м Ku-диапазона ТИШЖ..468331.220 низкопрофильная парабола круговой поляризации. URL: http://www.rc-tech.ru/%D0%A2%D0%98%D0%A8%D0%96.468331.220%20%D0%A0%D0%AD%20%D0%90%D0%A1%20SOTM%200,6%20%D0%BC%20Ku-%D0%B4%20%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82.pdf.

4. Патент RU №2296397 C2 "Антенно-фидерное устройство и антенна, входящая в состав этого устройства", опубл.27.03.2009 г., Бюл. №9. (прототип).

Изобретение относится к антенным устройствам и служит для приема и передачи сигнала спутниковых частот с круговой поляризаций на неподвижных и подвижных объектах. Технический результат - уменьшение габаритов антенны и увеличение коэффициента усиления принимаемого/передаваемого сигнала. Результат достигается тем, что предложена приемная/передающая низкопрофильная составная спутниковая антенна круговой поляризации, содержащая контроллер, шаговые двигатели по азимуту и углу места, два и более параболических усеченных рефлектора, облучатели по количеству рефлекторов, каждый из которых содержит поляризатор и субрефлектор, имеет два входа/выхода для сигналов левой L и правой R поляризаций соответственно, причем сигналы с облучателей через одномодовые волноводы прямоугольного сечения поступают на боковые входы сумматоров/делителей Т-образной формы, причем между волноводами и боковыми входами сумматоров/делителей расположены вставки, выполняющие роль фазосдвигателей для точного согласования фаз сигналов, при этом на центральных выводах сумматоров/делителей формируются сигналы L и R, которые одновременно являются входами/выходами антенны. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Низкопрофильная составная спутниковая антенна, содержащая, два и более рефлектора, каждый из которых выполнен вращением параболической образующей вокруг оси вращения, причем фокус параболической образующей расположен вне оси вращения, а субрефлектор выполнен вращением эллиптической образующей вокруг той же оси вращения, вершина субрефлектора обращена к зеркалу, причем один из фокусов эллиптической образующей расположен на оси вращения, а облучатель для каждой антенны расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, сумматоры/делители Т-образной формы, каждый из которых выполнен в виде соединения симметричных одномодовых волноводов, отличающаяся тем, что в нее введены контроллер, шаговые двигатели по азимуту и углу места, причем рефлекторы имеют усеченную форму, а в облучатели введены поляризаторы, которые имеют два входа/выхода для сигналов левой L и правой R поляризаций соответственно, при этом сигналы от облучателей через одномодовые волноводы прямоугольного сечения поступают на боковые входы сумматоров/делителей Т-образной формы, где и происходит синфазное суммирование упомянутых сигналов от рефлекторов, а центральные выводы сумматоров/делителей Т-образной формы являются входами/выходами антенны.

2. Низкопрофильная составная спутниковая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что субрефлекторы имеют асимметричную, вытянутую седловидную форму, учитывающую геометрию усеченных рефлекторов.

3. Низкопрофильная составная спутниковая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что между боковыми входами сумматоров/делителей Т-образной формы и волноводами введены вставки определенной толщины, перенос которых из одного плеча в другое позволяет точно настроить фазы сигналов сложения.