Двухзеркальная осесимметричная антенна Советский патент 1993 года по МПК H01Q19/18 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве приемной антенны в системах спутникового телевизионного вещания в диапазоне СВЧ.

Целью изобретения является снижение уровня первых боковых лепестков без заметных потерь в коэффициенте усиления антенны.

На чертеже приведена схема предложенной антенны и ход лучей в антенне, где 1 - рупор (совпадает с прототипом); 2 - вспомогательное зеркало; 3 - основное зеркало (совпадает с прототипом); F - фокус параболической образующей, совмещенный с одним фокусом всех локальных эллипсов, огибающая которых формирует образующую вспомогательного зеркала; Oi, Ог, Оз - вторые (текущие) фокусы локальных эллипсов. Пунктиром показан участок произвольного локального эллипса вблизи точки . отражения на малом зеркале.

Изобретение иллюстрируется на примере антенны типа АДЭ для спутникового телевизионного вещания, однако оно применимо и к другим известным схемам осесимметричных двухзеркальных антенн: типа Кассегрена, Грегори и т.д.

Предложенная двухзеркальная осесим- метричная антенна состоит из основного зеркала Зс параболическим профилем кривой, образующей отражательную поверхность, вспомогательного зеркала 2, образующая которого представляет собой огибающую локальных эллипсов, один фокус которых F совмещен с фокусом образующей параболы, а также рупорного излучателя 1, второй фокус каждого локального эллипса совмещен с положением локального фазового центра рупорного излучателя (Oi. Оа, Оз и т.д.), параметр каждого локального эллипса 2а /Oi+p2 выбран из условия его равенства пути 2аНач от фокуса начального эллипса (т.О), формирующего луч, отраженный от точки острия

00

о

4 О J GO

GO

вспомогательного зеркала (точка Е), до первого фокуса F вспомогательного зеркала 2, т.е. 2анач ОЕ + EF. Таким образом, 2а равно пути от точки О до любого локального фазового центра, например 02 и т.д. и далее от Оа до точки отражения на вспомогательном зеркале Р и от нее до второго фокуЬа F, т.е. 2анач 002 + 02Р + PF.

Далее внутри основного зеркала лучи распространяются как в прототипе.

Вследствие осевой симметрии антенны такая же картина имеет место в любом другом ее центральном сечении.

Для пояснения принципа и сущности работы предложенного устройства рассмотрим .вначале ситуацию, реально имеющую место в аналоге и прототипе. В обоих случаях принято, что рупор излучает идеальную сферическую волну с точечным фазовым центром. Тогда в аналоге профилем поверхности вспомогательного зеркала 2 является эллипс.

В изобретение поле рупора может быть заменено полем излучения точечного источника с диаграммой данного рупора, в рас- крыве антенны после двух отражений от зеркал образуется синфазный волновой фронт.

В действительности ситуация оказывается более сложной. Рупор излучает волну, фазовые фронты которой не имеют точечного центра. Кроме того, вспомогательное зеркало располагается в ближней зоне поля рупора, что приводит к дополнительным его искажениям.

Отклонения фаз для различных значений расстояний до точки наблюдения и различных углов становятся весьма значительными. По фазовой диаграмме можно определить положение локальных фазовых центров для каждого луча, расположенных на оси антенны в силу ее осевой симметрии. Следовательно, каждый луч можно считать исходящим из своего локаль- кого фазового центра. Волновой фронт излученного локальным фазовым центром поля оказывается синфазным на окружности с радиусом 1ф + IR и с центром в точке данного фазового центра (1ф - расстояние от локального фазового центра On, ,2..., a IR - ОпР). Т.к. реально все лучи исходят не из точечного центра О, после отражения от по-, верхностей зеркал в раскрыве антенны образуется несинфазное поле. Вблизи центра апертуры фазовый фронт искажается сильнее, чем на периферии (для схемы Кассегре- на, как несложно убедиться, положение оказывается обратным). Чем больше разнос локальных фазовых центров между собой, тем большие значения имеют фазовые

ошибки в ра.скрыве антенны. Анализ пока- зывает, что при существующем для реальных рупоров большом разносе фазовых центров поле в центре апертуры антенны может стать даже противофазным основному полю, а это означает, что в антенне возникает дополнительное затенение с

диаметром теневого пятна d3 4Ftg Ј- + d.

При этом в случае противофазное™, затененный раскрыв действует почти с вдвое большей интенсивностью.

Указанным обстоятельством, по-види- ( мому, и объясняется повышенный уровень

первых боковых лепестков и меньшее, чем теоретически предсказанное, значение КИП в антеннах АДЭ, а также в других двухзер- кальных схемах. На этот механизм ухудшения параметров двухзеркальных антенн до

сих пор внимания .не обращалось.

В предложенной антенне вредное воздействие неточечного фазового центра рупора скомпенсировано соответствующим построением профиля малого зеркала.

Как известно, поле в раскрыве остронаправленной антенны должно быть синфазным и иметь амплитудное распределение, обеспечивающее максимальный КИП при заданном уровне первых

боковых лепестков. Синфазность поля в. раскрыве предложенной антенны обеспечивается условием р 1 Л-р 2 + (|фнач - ф) + 2F

const, что обеспечивается соответствующим построением профиля вспомогательного зеркала. Амплитудное распределение и раскрыве, обеспечивающее максимум КИП при заданном уровне первых боковых лепестков выбирается по известной и описанной методике путем перебора законов

распределений амплитуд поля в раскрыве при различных значениях угла облучения рупором вспомогательного зеркала. Такой подход вполне достаточен и для предложенной антенны, т.к. расчеты показывают, что

оптимизированный профиль вспомогательного зеркала отстоит от исходного для антенны АДЭ эллиптического профиля на расстояние порядка или меньше, чем

Ж То что не может существенно повлиять на характер амплитудного распределения в раскрыве антенны.

Таким образом, благодаря измененной геометрии предложенной антенны в ее раскрыве можно сформировать оптимальные фазовое и амплитудное распределения с точки зрения разумного компромисса между УПБЛ и КИП.

Экспериментальная проверка подтвердила наличие ожидаемых эффектов.

Для получения устойчивого выигрыша по КИП следует применять рупора с высокой степенью осевой симметрии по плоскостям поля по фазовым распределениям, например, рупора с четверть-волновыми канавками на стенках.

Техническая эффективность предлагаемой, двухзеркальной осесимметричной антенны определена путем сравнения ее диаграммы направленности с диаграммой направленности прототипа. Получен выигрыш по уровню первых боковых лепестков до 6 ДБ, без потерь в коэффициенте усиления, что и было целью проектирования данной антенны. Конструкция устройства обладает необходимой простотой и технологичностью.

Формула изобретения

Двухзеркальная осесимметричная антенна, содержащая основное параболическое зеркало, вспомогательное зеркало в виде тела вращения с образующей кривой второго порядка, первый фокус которой совмещен с фокусом параболической образующей основного параболического зеркала, а второй фокус - с фазовым центром рупорного облучателя, отличающаяся тем,

что, с целью снижения уровня первых боковых лепестков при сохранении коэффициента усиления, образующая тела вращения, формирующая поверхность вспомогательного зеркала, является огибающей семейства кривых второго порядка, второй фокус каждой из которых совмещен с локальным фазовым центром рупорного облучателя, лежащим на его оси и соответствующим точке отражения на поверхности вспомогательного зеркала, при этом постоянная 2а каждой кривой второго порядка равна сумме расстояний от соответствующего локального фазового центра до-точки отражения на поверхности вспомогательного зеркала и от

точки отражения до первого фокуса минус расстояние от начального до текущего локального фазового центра рупорного облучателя.

Использование: приемные антенны для спутникового .телевизионного вещания. Сущность изобретения: в двухзеркальной . осесимметричной антенне типа АДЭ с разными фокальными диаметрами основного и вспомогательного зеркал, профиль вспомогательного зеркала выбран так, что обеспечивается компенсация фазовых ошибок, связанных с размытостью фазового центра рупорного облучателя. При этом образующая профиля вспомогательного зеркала оказывается огибающей семейства кривых второго порядка, один фокус которых совмещен с фокусом параболической образующей основного зеркала, а второй фокус каждой кривой совмещен с локальным фазовым центром соответствующего луча, причем постоянная 2а каждой кривой .определяется специальным образом и для всех кривых одинакова. 1 ил.