ЧЕТЫРЕХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК H01Q3/08 H01Q19/18 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам с неподвижным облучателем и системой переотражающих зеркал, построенной по перископическому принципу, и может быть использовано в устройствах с СВЧ-излучением большой мощности для изменения ориентации и формы диаграммы направленности.

Известна антенная система (Галимов Г.К. Зеркальные антенны. Т. 1. М.: Адвансед Солюшнз, 2010, с. 196), выполненная в виде перископического зеркала, облучаемого основной антенной, к которой может оперативно подключаться аппаратура радиолокационной системы. Перископическое зеркало осуществляет круговое или секторное сканирование вокруг вертикальной оси и установлено на опорной мачте, представляющей собой трубу решетчатой конструкции, которая играет роль лучевода. Свойства лучевода позволяют подключать дополнительную аппаратуру с другой частотой и/или поляризацией с помощью частотно- или поляризационно-селективного рефлектора.

Однако недостатком такого построения антенной системы является отсутствие возможности механического сканирования по углу места, а также усложнение конструкции из-за применения частотно- или поляризационно-селективного рефлектора. Кроме того, электродинамический расчет антенной системы с учетом решетчатой конструкции лучевода проблематичен, что обусловлено требованиями к вычислительным ресурсам.

Также известна антенна с неподвижным первичным облучателем, вспомогательной перископической системой, состоящей из трех плоских зеркал и вырезки из параболоида вращения, и основной зеркальной антенны, построенной по схеме Кассегрена с двумя конфокальными параболическими образующими (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 2. М.: Связь, 1977, с. 33). Первичный облучатель выполнен в виде рупора, установленного на жесткой опоре. Рупор излучает сферическую волну, которая падает на первое плоское зеркало и преобразуется им снова в сферическую волну, облучающую вырезку из параболоида, преобразующую ее в плоскую волну. Затем плоская волна облучает второе плоское зеркало, а после отражения от него - третье плоское зеркало. При этом третье плоское зеркало направляет плоскую волну на малое параболическое зеркало основной антенны, которая далее работает в своем обычном режиме. Азимутальная ось вращения перископической системы зеркал совпадает с осью симметрии антенны. При вращении системы зеркал вокруг азимутальной оси три плоских зеркала и вырезка из параболоида вращения поворачиваются как единое целое, не меняя своего относительного расположения. Угломестная ось вращения перпендикулярна азимутальной оси и проходит через середину третьего плоского зеркала.

Недостатками данной конструкции являются ее громоздкость и сложность юстировки вследствие применения избыточного количества зеркал, образующих вспомогательную перископическую систему, для уменьшения механической нагрузки на узел поворота антенны по азимуту. Такое построение также усложняет конструкцию опорно-поворотного устройства из-за необходимости использования дополнительного механического редуктора, поскольку при вращении антенной системы вокруг угломестной оси третье плоское зеркало должно поворачиваться вдвое медленнее, чем антенна, чтобы условия работы остальных зеркал вспомогательной перископической системы оставались неизменными.

Наиболее близким аналогом, выделенным в качестве прототипа заявляемого устройства, является двухзеркальная антенна с механическим нацеливанием (патент № 2665495 C1 (RU), опубл. 30.08.2018, бюл. № 25), содержащая систему поворотных зеркал, где зеркало контррефлектора расположено под углом к оси вращения в горизонтальной плоскости, а зеркало рефлектора расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен с входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора. При этом относительно оси поляризатора с помощью электродвигателя вращается в горизонтальной плоскости первый кронштейн с жестко установленным на нем контррефлектором, что обеспечивает нацеливание луча антенны в горизонтальной плоскости, на первом кронштейне установлен второй кронштейн, позволяющий обеспечить вынос установленного на нем рефлектора, вращающегося с помощью электродвигателя, и обеспечить нацеливание луча антенны в вертикальной плоскости.

Недостатками прототипа являются ограничение излучаемой мощности электрической прочностью одноканального волноводного тракта облучателя и невозможность изменения формы диаграммы направленности (ДН) антенны, что необходимо для ряда применений с СВЧ-излучением большой мощности. Кроме того, для уменьшения механической нагрузки на привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости необходима балансировка конструкции антенны, что обусловлено выносом рефлектора, установленного на втором кронштейне.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение заключается в увеличении излучаемой мощности и возможности изменения формы ДН антенны, в частности, обеспечении работы антенны в режимах формирования узкого, либо широкого луча.

Поставленная задача решена за счет того, что четырехзеркальная антенна с механическим сканированием содержит систему поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с первым электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости со вторым электродвигателем, неподвижный облучатель, ось которого совпадает с осью вращения в горизонтальной плоскости, причем относительно оси облучателя с помощью первого электродвигателя вращается первый кронштейн с установленным на нем первым зеркалом, что обеспечивает сканирование антенны в горизонтальной плоскости, на первом кронштейне установлен второй кронштейн, который вращается с помощью второго электродвигателя и позволяет обеспечить вынос установленного на нем второго зеркала и сканирование антенны в вертикальной плоскости. При этом на втором кронштейне установлены третье зеркало и четвертое зеркало, что позволяет сформировать узкий луч при их последовательном облучении полем, отраженным от второго зеркала, а второе зеркало позволяет сформировать широкий луч при выводе третьего зеркала из рабочего положения. Облучатель выполнен в виде многоэлементной волноводной антенной решетки, к каждому из элементов которой с помощью отдельного волноводного тракта подводится СВЧ-мощность от передающего устройства.

Сущность изобретения поясняется при помощи графического материала, где:

- на фиг. 1а показан общий вид четырехзеркальной антенны с механическим сканированием при формировании узкого луча;

- на фиг. 1б показан общий вид четырехзеркальной антенны с механическим сканированием при формировании широкого луча;

- на фиг. 2 показан общий вид облучателя четырехзеркальной антенны с механическим сканированием;

- на фиг. 3 показан разнесенный вид конструкции основного отражателя четырехзеркальной антенны с механическим сканированием;

- на фиг. 4 приведены расчетные сечения ДН узкого луча при различных углах сканирования антенны;

- на фиг. 5 приведены расчетные сечения ДН широкого луча при различных углах сканирования антенны.

Согласно фиг. 1а четырехзеркальная антенна с механическим сканированием представляет собой конструкцию с двумя электроприводами, с помощью которых осуществляется вращение по азимуту α и углу места β. Вращение по азимуту α осуществляется вокруг оси Z, по углу места β - вокруг оси X. Ось Y совпадает с направлением α = 0°, β = 0°. Антенна содержит неподвижный облучатель (1), ось которого совпадает с осью Z, систему поворотных зеркал, включающую первое зеркало (2), второе зеркало (3), третье зеркало (4) и четвертое зеркало (5), привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с первым безредукторным электродвигателем (6), привод вращения зеркал в вертикальной плоскости со вторым электродвигателем (7) и редуктором (8), первый кронштейн (9), второй кронштейн (10) со складным кронштейном (11) третьего зеркала и секторным зубчатым колесом (12) редуктора (8), юстировочные элементы системы поворотных зеркал (13-15). Плоскость симметрии третьего и четвертого зеркал обозначена позицией (16). Угол γ соответствует наклону плоскости симметрии относительно плоскости YZ.

На фиг. 1б показан общий вид четырехзеркальной антенны с механическим сканированием при формировании широкого луча, когда третье зеркало (4) с помощью складного кронштейна (11) выводится из рабочего положения.

Облучатель (1) согласно фиг. 2 выполнен в виде многоэлементной волноводной антенной решетки (17), защищенной от внешних воздействий с помощью радиопрозрачного укрытия (18), входы облучателя (1) обозначены позицией (19), юстировочные элементы - позициями (20-22).

Четырехзеркальная антенна с механическим сканированием работает следующим образом. СВЧ-мощность от передающего устройства с помощью волноводных трактов подводится к неподвижному многоэлементному облучателю (1). Облучатель (1) формирует сферическую волну, которая падает на первое гиперболическое зеркало (2) и затем отражается от него также в виде сферической волны. Отраженная сферическая волна облучает второе параболическое зеркало (3), преобразующее ее в плоскую волну. Далее плоская волна падает на третье выпуклое параболическое зеркало (4) и преобразуется им снова в сферическую волну, которая облучает четвертое параболическое зеркало (5). После отражения от четвертого зеркала (5) плоская волна излучается в свободное пространство, формируя в дальней зоне узкий луч. Для формирования широкого луча третье зеркало (4) с помощью складного кронштейна (11) выводится из рабочего положения, как показано на фиг. 1б. При этом плоская волна, отраженная от второго зеркала (3), излучается в свободное пространство, а максимум широкого луча формируется в направлении фокальной оси четвертого зеркала (5), т.е. в том же направлении, что и максимум узкого луча. Направления максимумов формируемых лучей определяются положением системы зеркал (2-5), вращаемой приводами. При сканировании антенны по азимуту зеркала (2-5) поворачиваются вокруг оси Z как единое целое, не меняя своего относительного расположения, при сканировании по углу места первое зеркало (2) остается неподвижным, остальные зеркала, также сохраняя свое относительное расположение, поворачиваются вокруг оси X. Взаимное расположение зеркал (2-5) и облучателя (1) регулируется с помощью юстировочных элементов (13-15) и (20-22). Механическое сканирование луча обеспечивается в пределах полусферы.

Рабочая поверхность первого зеркала (2) представляет собой вырезку из гиперболоида вращения с фокусом в фазовом центре облучателя (1) и плоскостью симметрии XZ. В геометрооптическом (ГО) приближении лучевая структура поля облучателя (1) ограничена боковой поверхностью кругового конуса с вершиной в фазовом центре и осевой линией, совпадающей с осью Z. Эллиптическая кромка первого зеркала (2), является плоской кривой (лежит в одной плоскости), образованной пересечением боковой поверхности конуса с поверхностью гиперболоида. При вращении антенны по азимуту конус излучения всегда перекрывается первым зеркалом (2) независимо от угла поворота. Сферическая волна, отраженная от первого зеркала (2), представляет собой расходящийся пучок с лучевой структурой поля, ограниченной конической поверхностью, осевая линия которой совпадает с осью X. Второе зеркало (3) выполнено в виде офсетного параболического отражателя, имеющего плоскость симметрии XY и плоскую эллиптическую кромку, которая образована пересечением конической поверхности с поверхностью параболоида. Поэтому при вращении антенны по азимуту и углу места конус излучения первого зеркала (2) также всегда перекрывается вторым зеркалом (3) независимо от углов поворота. Плоская волна, отраженная от второго зеркала (3), в ГО приближении является параллельным пучком с лучевой структурой поля, ограниченной боковой поверхностью кругового цилиндра. Третье зеркало (4) представляет собой сектор с плоской эллиптической кромкой, вырезанный из параболоида вращения круговым цилиндром. Выпуклая рабочая поверхность третьего зеркала (4) направлена в сторону четвертого зеркала (5). Последнее выполнено в виде офсетного параболического отражателя с плоской эллиптической кромкой, являющейся пересечением параболоида вращения, образующего рабочую поверхность отражателя, с боковой поверхностью кругового конуса, вершина которого находится в совпадающем фокусе третьего и четвертого зеркал. Система, включающая третье и четвертое зеркала, построена по схеме двухзеркальной офсетной антенны типа Кассегрена, где четвертое зеркало является основным отражателем, а третье зеркало выполняет роль контррефлектора. Преимуществами такого построения являются уменьшение механической нагрузки на привод вращения в вертикальной плоскости и отсутствие затенения апертуры основного отражателя контррефлектором, что обеспечивает низкий уровень бокового излучения. Для наиболее сбалансированной компоновки антенны и уменьшения механической нагрузки на привод вращения в горизонтальной плоскости общая плоскость симметрии третьего и четвертого зеркал параллельна оси Y и наклонена относительно плоскости YZ на угол γ, как показано на фиг. 1а, вид А.

Многоэлементная волноводная антенная решетка (17) облучателя (1) согласно фиг. 2 выполнена в виде восьми пирамидальных рупоров, расположенных в два ряда. При этом облучатель (1) формирует линейно поляризованное поле, а наклон вектора линейной поляризации отраженного поля изменяется в зависимости от углов поворота α и β системы зеркал (2-5). Так, при вращении антенны вокруг оси Z плоскость поляризации поворачивается на угол, равный углу поворота по азимуту. Аналогично, при вращении вокруг оси X плоскость поляризации поворачивается на такой же угол, насколько была повернута антенна по углу места. При механическом сканировании и по азимуту, и по углу места, повороты плоскости поляризации суммируются. Однако для решения поставленной задачи это не существенно. Следует отметить, что устранение зависимости поляризации отраженного поля от углов поворота системы зеркал возможно при использовании облучателя с круговой поляризацией поля, что обеспечивается, например, установкой поляризационного фильтра в раскрыве антенной решетки (17), либо поляризаторов на ее входах при соответствующей доработке излучающих элементов.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является, увеличение излучаемой мощности и возможность изменения формы диаграммы направленности антенны.

Отличительной особенностью конструкции четырехзеркальной антенны с механическим сканированием, обеспечивающей указанный технический результат, является то, что СВЧ-мощность от передающего устройства подводится к каждому из элементов антенной решетки облучателя с помощью отдельного волноводного тракта, причем сложение мощности осуществляется не в общем фидере, а в пространстве, что позволяет увеличить излучаемую мощность пропорционально количеству элементов решетки. При этом для формирования узкого луча задействованы все четыре зеркала. Для формирования широкого луча задействованы только первое и второе зеркала, а третье зеркало с помощью складного кронштейна выводится из рабочего положения. Возможность оперативного изменения формы ДН в процессе работы обеспечивается, например, оснащением складного кронштейна дополнительным электроприводом.

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация четырехзеркальной антенны с механическим сканированием и изготовлен ее опытный образец, работающий в S-диапазоне. Габариты конструкции антенны (В´Ш´Г) составляют 7000´5200´3600 мм. В целях минимизации массы и момента инерции конструкции основной отражатель и контррефлектор выполнены на основе композитных материалов. Отражательная способность композитных зеркал обеспечивается армированием их рабочих поверхностей металлической сеткой. Для возможности транспортирования антенны конструкция основного зеркала выполнена разборной в виде трех секций - центральной (24) и боковых (23) и (25), как показано на фиг. 3. В нижней части ребер жесткости (26) центральной секции (24) установлены опорные элементы (27) основного зеркала. Сборка секций производится с помощью стандартного крепежа. Электрический контакт в местах соединения секций обеспечивается применением дроссельных канавок глубиной около четверти рабочей длины волны, выполненных из армирующей металлической сетки.

На фиг. 4 приведены расчетные сечения ДН узкого луча в горизонтальной плоскости (XY) при углах сканирования антенны α = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, β = 0° и вертикальной плоскости (YZ) при α = 0°, β = 0°, 30°, 60°, 90°. На фиг. 5 приведены аналогичные сечения ДН широкого луча. Расчеты выполнены с применением методов конечных элементов в частотной области и физической оптики. Характеристики ДН сохраняются при сканировании антенны в пределах полусферы: α = 0°…360°, β = 0°…90°.

Результаты экспериментальной проверки опытного образца четырехзеркальной антенны с механическим сканированием хорошо согласуются с расчетными данными, что подтверждает возможность практической реализации предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам с неподвижным облучателем и системой переотражающих зеркал, построенной по перископическому принципу. Технический результат - увеличение излучаемой мощности и возможность изменения формы ДН антенны, в частности формирование узкого либо широкого луча. Результат достигается тем, что предложена четырехзеркальная антенна с механическим сканированием, содержащая систему поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, приводы вращения зеркал в горизонтальной плоскости и вертикальной плоскости, неподвижный облучатель, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде многоэлементной волноводной антенной решетки, к каждому из элементов которой с помощью отдельного волноводного тракта подведена СВЧ-мощность от передающего устройства, на втором кронштейне установлены третье зеркало и четвертое зеркало с возможностью формирования узкого луча при их последовательном облучении полем, отраженным от второго зеркала, а второе зеркало выполнено с возможностью формирования широкого луча при выводе третьего зеркала из рабочего положения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Четырехзеркальная антенна с механическим сканированием, содержащая систему поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с первым электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости со вторым электродвигателем, неподвижный облучатель, ось которого совпадает с осью вращения в горизонтальной плоскости, причем относительно оси облучателя с помощью первого электродвигателя вращается первый кронштейн с установленным на нем первым зеркалом, что обеспечивает сканирование антенны в горизонтальной плоскости, на первом кронштейне установлен второй кронштейн, который вращается с помощью второго электродвигателя и позволяет обеспечить вынос установленного на нем второго зеркала и сканирование антенны в вертикальной плоскости, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде многоэлементной волноводной антенной решетки, к каждому из элементов которой с помощью отдельного волноводного тракта подведена СВЧ-мощность от передающего устройства, на втором кронштейне установлены третье зеркало и четвертое зеркало с возможностью формирования узкого луча при их последовательном облучении полем, отраженным от второго зеркала, а второе зеркало выполнено с возможностью формирования широкого луча при выводе третьего зеркала из рабочего положения.

2. Четырехзеркальная антенна с механическим сканированием по п. 1, отличающаяся тем, что система, включающая третье и четвертое зеркала, построена по схеме офсетной антенны типа Кассегрена, при этом плоскость симметрии третьего и четвертого зеркал наклонена относительно вертикали.

3. Четырехзеркальная антенна с механическим сканированием по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что четвертое зеркало выполнено разборным.