МНОГОЛУЧЕВАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
MULTIBEAM COMBINED MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве земных антенн спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ диапазонов на геостационарной орбите для одновременной работы с несколькими искусственными спутниками Земли (ИСЗ).
Из-за особенностей организации связи между континентами ИСЗ на геостационарной орбите расположены с интервалом в несколько градусов в Атлантическом, Тихоокеанском и Индийском районах. Каждый из таких спутников работает в диапазонах частот С, Кu и Ка.
Техническим результатом является создание многолучевой комбинированной зеркальной антенны повышенной эффективности. Антенна состоит из рефлектора в виде параболоида, контррефлектора в виде соосного эллипсоида и облучателей по числу парциальных диаграмм направленности (лучей), при этом установлены один и более облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси, проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора.
Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических комплексов с использованием спутников связи, расположенных на геостационарной орбите. Может быть использовано для передачи и приема телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонах.
Известны двухзеркальные осесимметричные антенны с рефлектором в виде параболоида, контррефлектора в виде части соосного эллипсоида, один из фокусов которого совпадает с фокусом параболоида, а во втором размещается облучатель (схема Грегори) [1]. К недостаткам такой антенны является формирование одиночной диаграммы направленности, а при одновременном приеме двух диапазонов частот необходимость применение устройства разделения частот [5], вызывающее дополнительные потери и снижающее эффективность антенны.
Известны [2] многолучевые двухзеркальные тороидально-параболические антенны, состоящие из рефлектора в виде параболического тора, контррефлектора и системы облучателей, расположенных на дуге окружности. Данные антенны позволяют формировать веерную диаграмму направленности (ДН) для одновременной радиосвязи с несколькими ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО). К недостаткам такой антенны относится пониженная ее эффективность, вызванная фазовыми искажениями поля в одной из плоскостей раскрыва основного зеркала, близкими к квадратичным, из-за отличия формы рефлектора в этой плоскости от параболической.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности антенны при сохранении веерных диаграмм направленности в двух или более диапазонах частот.
Для этого предлагается многолучевая комбинированная зеркальная антенна, состоящая из осесимметричного основного зеркала (рефлектора), имеющего форму параболоида, и вспомогательного зеркала (контррефлектора) в виде соосного эллипсоида, вогнутого в сторону рефлектора, и облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, приближенный к рефлектору, отличающаяся тем, что в плоскости, ортогональной фокальной оси, проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора, размещены дополнительные облучатели.
Дополнительные вторичные облучатели 4, каждый из которых может иметь пару с первичными облучателями 3, направлены на один и тот же многодиапазонный спутник связи, и каждая пара облучателей может принимать на пару 3 и 4 различных диапазонов частот без применения устройства разделения частот [5], применяемого в известных антеннах и создающего дополнительные потери сигнала. Это позволяет увеличить коэффициент усиления и снизить шумовую температуру предлагаемой антенны и повысить ее эффективность.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг. 1 - многолучевая комбинированная зеркальная антенна, вид сбоку;
- фиг. 2 - многолучевая комбинированная зеркальная антенна, вид со стороны рефлектора;
- рефлектор 1;
- контррефлектор 2;
- первичные облучатели 3;
- дополнительные вторичные облучатели 4;
- линия направления луча парциальной диаграммы направленности 5;
- ломаная линия отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6.
Количество первичных облучателей 3 антенны - не менее одного.
Количество дополнительных вторичных облучателей 4 антенны - не менее одного.
Многолучевая комбинированная зеркальная антенна по схеме Грегори с контррефлектором 2 в виде вырезки из эллипсоида вращения (фиг. 1) содержит первичные облучатели 3 и им подобные в первом фокусе эллипсоида, наиболее близком к вершине рефлектора 1 по числу парциальных диаграмм направленности первого кластера диапазона частот.
Первичные облучатели 3 расположены в точках на ломаной линии отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующей ломаной линии, соединяющей точки стояния ИСЗ первого кластера диапазона частот на геостационарной орбите.
Первичные облучатели 3 и ему подобные за счет смещения ортогонального фокальной оси и линейных фазовых распределений поля в раскрыве однозеркальной антенны формируют веер парциальных диаграмм направленности по числу обслуживаемых ИСЗ первого кластера диапазонов.
Сечение рефлектора 1 представляет собой параболоид вращения, а сечение контррефлектора 2 - часть поверхности соосного ему эллипсоида, второй из фокусов которого совпадает с местоположением фокуса параболоида рефлектора 1. В области общего фокуса рефлектора и контррефлектора в плоскости, ортогональной фокальной оси параболоида, в точках для заданного угла отклонения парциальных диаграмм расположены дополнительные вторичные облучатели 4 (фиг. 2) по числу дополнительных парциальных диаграмм направленности (лучей) другого кластера диапазонов частот. Облучатели расположены на ломаной линии отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующей ломаной линии обслуживаемых отрезков геостационарной орбиты, соединяющей точки стояния тех же или других ИСЗ второго кластера диапазона частот.
Многолучевая комбинированная зеркальная антенна работает следующим образом.
Дополнительные вторичные облучатели 4 антенны при подключении к высокочастотному генератору электромагнитных колебаний (на чертежах не показан), являются источником электромагнитных волн. Эти волны в виде веера парциальных диаграмм от дополнительных вторичных облучателей 4, расположенных в точках на ломаной линии отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующих направлениям парциальных диаграмм на те же ИСЗ, что и от первичных облучателей 3, отражаются от рефлектора 1 и формируют веер парциальных диаграмм направленности антенны, подобный вееру от первичных облучателей 3, второго кластера диапазона частот по числу ИСЗ на геостационарной орбите.
Любой из первичных облучателей 3 и им подобных, расположенные в плоскости ортогональной фокальной оси в фокусе контррефлектора 2, более близком к рефлектору 1 на отрезках линии, аналогичной ломаной линии отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, будучи подключенным к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний (на чертежах не показан), также является источником первичных электромагнитных волн. Эти волны поочередно отражаются сначала от контррефлектора 2, затем от рефлектора 1. В приближении геометрической оптики лучи, исходящие от первичных облучателей 3 после последовательных отражений от контррефлектора 2 и рефлектора 1, в силу их взаимного расположения, а также свойств кривых второго порядка (эллипса и параболы) и смещения облучателей с фокальной оси антенны формируют веер парциальных диаграмм направленности антенны, аналогичный вееру диаграмм от дополнительных вторичных облучателей 4 первого кластера диапазона частот.
Так первичный облучатель из набора 3, расположенный в фокусе параболоида, формирует диаграмму направленности антенны, совпадающую по направлению с осью симметрии антенны. Другие первичные облучатели 3, смещенные с фокальной оси рефлектора в плоскости, ортогональной фокальной оси, формируют свои парциальные диаграммы направленности, отклоненные от направления фокальной оси тем более, чем более они удалены от первичного облучателя 3 от этой оси. Смещение облучателей с фокальной оси в ортогональной плоскости приводит в определенных пределах к линейным фазовым распределениям поля в раскрыве зеркальной антенны и отклонению ее диаграммы направленности от оси симметрии. Отклонение ДН соответствует угловому смещению линии, соединяющей вершину параболоида с точкой размещения облучателя. Так для первичных облучателей 3 смещение относительно фокальной оси вверх и вправо приведет к смещению парциальной ДН антенны вниз и влево относительно этой оси. 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.
Дополнительные вторичные облучатели 4 приводят к некоторому затенению контррефлектора, однако поскольку диаметр контррефлектора превышает 10 длин рабочей волны электромагнитного излучения, затенение при этом 13% несущественно.
Обычно для одновременной работы в двух или нескольких диапазонах частот в известных антеннах используют общий облучатель с устройством разделения диапазонов, вносящим дополнительные высокочастотные потери и снижающим коэффициент усиления и шумовую температуру антенны [5].
В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется методом пространственного разделения путем размещения облучателей в области двух фокусов контррефлектора. Кроме того, в плоскости веерных диаграмм сечение зеркал антенны представляет известную классическую двухзеркальную схему Грегори, а смещение облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси параболы, для обслуживания небольшого сектора углов геостационарной орбиты и отсутствие необходимости применения устройства разделения частот позволяет реализовать высокий коэффициент усиления при малой шумовой температуре. Этим достигается повышение эффективности антенны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сомов А.М. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2015. - 456 с.: ил.
2. Сомов А.М. Метод фрагментации для расчета шумовой температуры антенн. - М., Горячая линия - Телеком, 2009 г., с. 168-170.
3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. / Под ред. Г.З. Айзенберга: В 2-х ч. Ч. 2. - М.: Связь, 1977. - 288 с.: ил..
4. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 496 с.
5. Каскад приемного устройства с разделением ортогональных поляризаций двух диапазонов частот. Патент РФ №2149484, 2000, авторы Сомов А.М., Тихонюк А.И.