Несимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна Российский патент 2024 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, Кu и Ка. 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 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.

Известны также неосесимметричные двухзеркальные антенны, принимающие с одного направления одновременно два диапазона частот [5] и осесимметричные многодиапазонные многозеркальные антенны, принимающие одновременно с одного направления три различных диапазона частот [6]. К недостаткам таких антенн относится затенение центральной части раскрыва рефлектора, что приводит к снижению эффективности антенны.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности антенны при одновременном приеме трех диапазонов частот за счет выноса контррефлектора из области, где поле, излучаемое антенной при передаче и падающее на антенну при приеме, менее интенсивно, и исключения устройства разделения частот, вносящего дополнительные потери в тракт приема. Для этого предлагается несимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна, которая состоит из трех облучателей, рефлектора - основного зеркала в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения и контррефлектора -вспомогательного зеркала, который расположен относительно рефлектора по другую сторону от его фокальной оси, имеет форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, соосного рефлектору и обращенного своей вершиной в сторону от рефлектора. В фокусе контррефлектора, совпадающем с фокусом рефлектора, установлен облучатель первого диапазона частот.Облучатель второго диапазона частот установлен в фокусе вторичного рефлектора, имеющего форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого совпадает с фокальной осью рефлектора, а вершина обращена в сторону от контррефлектора, причем проекции контррефлектора и вторичного рефлектора на плоскость, перпендикулярную фокальной оси, совпадают.Облучатель третьего диапазона частот установлен в первом фокусе вторичного контррефлектора в виде несимметричной вырезки из эллипсоида вращения, второй фокус которого совпадает с фокусом вторичного рефлектора. Облучатели наклонены относительно фокальной оси рефлектора и своими максимумами излучения ориентированы: облучатель первого диапазона частот - в сторону рефлектора, второго диапазона - в сторону вторичного рефлектора, третьего диапазона - в сторону контррефлектора.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом фиг. 1, на котором обозначено:

1 - основное зеркало-рефлектор;

2 - контррефлектор;

3 - облучатель первого диапазона частот, направленный в середину рефлектора 1;

4 - вторичный рефлектор;

5 - вторичный контррефлектор;

6 - облучатель второго диапазона частот, направленный в середину вторичного рефлектора 4;

7 - облучатель третьего диапазона частот, направленный в середину вторичного контррефлектора 5;

8 - фокальная ось рефлектора, контррефлектора, вторичных рефлектора и контррефлектора;

9 - направление лучей облучателя 3, 6 и 7 на край рефлектора 1;

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

11 - направление лучей облучателя 6 и 7 на нижний край вторичного рефлектора 4;

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

13 - направление лучей облучателя 7 на верхний край вторичного контррефлектора 5.

Осуществление изобретения

Несимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна (фиг. 1) стоит из основного зеркала-рефлектора 1 и контррефлектора 2 в виде неосесимметричных вырезок из параболоидов вращения с совпадающими фокальными осями и фокусами образующих парабол, обращенных вершинами в разные стороны. В общем фокусе парабол 1 и 2 размещается облучатель 3, направленный под углом к фокальной оси в сторону центра рефлектора 1. При подключении к облучателю 3 высокочастотного генератора первого диапазона частот этот облучатель излучает в сторону рефлектора электромагнитное поле первого диапазона частот. Поскольку рефлектор 1 находится в дальней зоне облучателя 3, то его лучи 9 распространяются в сторону рефлектора и благодаря геометрическим свойствам параболы 1 после отражения от нее имеют вид плоской волны. В этом случае в раскрыве рефлектора 1 формируется синфазное поле, соответствующее диаграмме направленности (ДН) с максимумом излучения и приема в направлении 10, совпадающим с направлением фокальной оси 8.

При подключении высокочастотного генератора второго диапазона частот к облучателю 6, расположенному в фокусе вторичного рефлектора 4 в виде неосесимметричной вырезки из параболоида вращения с фокальной осью 8, падающие из облучателя 6 на вторичный рефлектор 4 центр лучи 11 и 8 отражаются в виде лучей 12 и 8, соответствующих плоской волне. Указанная волна попадает на поверхность контррефлектора 2 и после отражения от него проходит через фокус данного контррефлектора и, таким образом, образует лучи второго диапазона, которые исходят как бы из фокуса параболической поверхности рефлектора 1, формируют в его раскрыве синфазное поле, и аналогично первому диапазону частот формируют максимум ДН в направлении 10.

При подключении высокочастотного генератора третьего диапазона частот к облучателю 7, расположенному в первом, ближнем к рефлектору 1, фокусе вторичного контррефлектора 5 в виде вырезки из эллипса, лучи 13 и 8 этого облучателя после отражения от вторичного контррефлектора 5 пересекаются во втором фокусе эллипса, совпадающим с фокусом вторичного рефлектора 4, и, таким образом, далее следуют по пути лучей 11 и 8 облучателя 6. С учетом этого, лучи облучателя 7 после отражения от поверхностей 5, 4, 2 и 1 также возбуждают в раскрыве рефлектора 1 синфазное поле частот с максимумом ДН в направлении 10.

Облучатели 3, 6 и 7 оказывают затеняющее воздействие на излучение друг друга. Это воздействие может быть минимизировано при рациональном распределении диапазонов частот по облучателям. Если первый диапазон соответствует самым высоким частотам (например, Ка диапазон), второй диапазон - средним частотам (Кu диапазон), третий диапазон - низким частотам (С диапазон), то размеры облучателя 3 будут много меньше длин волн относительно второго и третьего диапазонов, а размеры облучателя 6 - много меньше длины волны третьего диапазона. В этом случае воздействие облучателей 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, что повышает эффективность антенны. Кроме этого, сами облучатели и дополнительные зеркала вынесены из области, в которой интенсивность отраженного рефлектором поля снижена, что дополнительно снижает эффект затенения раскрыва антенны и уменьшает реакцию отраженного от рефлектора поля на облучатель. Это повышает эффективность неосесимметричных антенн по сравнению с осесимметричными.

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, Н04В 1/00. / 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 H01Q 5/00. / A.M. Сомов; Заявка RU 2016127926 от 12.07.2016; Опубл. 04.08.2017.

5. Сомов A.M., Волгаткин К.М., Кожухов А.Б. Многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна. // Труды НИИР, №2-3-4, 2019. - с. 2.

6. Осесимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна: Патент RU 2776723: МПК H01Q 5/30. / Заявитель и патентообладатель Академия ФСБ России; Заявка 2021119061 от 29.06.2022; Опубл. 26.07.2022.

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 трех диапазонах частот. Для этого предлагается несимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна, которая состоит из трех облучателей, рефлектора - основного зеркала в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, и контррефлектора - вспомогательного зеркала, который расположен относительно рефлектора по другую сторону от его фокальной оси, имеет форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, соосного рефлектору и обращенного своей вершиной в сторону от рефлектора. В фокусе контррефлектора, совпадающем с фокусом рефлектора, установлен облучатель первого диапазона частот. Облучатель второго диапазона частот установлен в фокусе вторичного рефлектора, имеющего форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого совпадает с фокальной осью рефлектора, а вершина обращена в сторону от контррефлектора, причем проекции контррефлектора и вторичного рефлектора на плоскость, перпендикулярную фокальной оси, совпадают. Облучатель третьего диапазона частот установлен в первом фокусе вторичного контррефлектора в виде несимметричной вырезки из эллипсоида вращения, второй фокус которого совпадает с фокусом вторичного рефлектора. Облучатели наклонены относительно фокальной оси рефлектора и своими максимумами излучения ориентированы: облучатель первого диапазона частот - в сторону рефлектора, второго диапазона - в сторону вторичного рефлектора, третьего диапазона - в сторону контррефлектора. Техническим результатом при реализации изобретения является повышение эффективности антенны при одновременном приеме радиоволн трех диапазонов частот. 1 ил.

Несимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна, состоящая из трех облучателей, рефлектора - основного зеркала в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, и контррефлектора - вспомогательного зеркала, отличающаяся тем, что контррефлектор расположен относительно рефлектора по другую сторону от его фокальной оси, имеет форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, соосного рефлектору и обращенного своей вершиной в сторону от рефлектора, в фокусе контррефлектора, совпадающем с фокусом рефлектора, установлен облучатель первого диапазона частот, облучатель второго диапазона частот установлен в фокусе вторичного рефлектора, имеющего форму несимметричной вырезки из параболоида вращения, фокальная ось которого совпадает с фокальной осью рефлектора, а вершина обращена в сторону от контррефлектора, причем проекции контррефлектора и вторичного рефлектора на плоскость, перпендикулярную фокальной оси, совпадают, облучатель третьего диапазона частот установлен в первом фокусе вторичного контррефлектора в виде несимметричной вырезки из эллипсоида вращения, второй фокус которого совпадает с фокусом вторичного рефлектора, облучатели наклонены относительно фокальной оси рефлектора и своими максимумами излучения ориентированы: облучатель первого диапазона частот - в сторону рефлектора, второго диапазона - в сторону вторичного рефлектора, третьего диапазона - в сторону контррефлектора.