МНОГОЛУЧЕВАЯ ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА СО СМЕЩЕННОЙ ФОКАЛЬНОЙ ОСЬЮ
MULTIBEAM DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA WITH SHIFTED FOCAL AXIS

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи через искусственные спутники Земли (ИСЗ), находящиеся на геостационарной орбите (ГСО), в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.
Известны [1, 4] многолучевые двухзеркальные тороидально-параболические антенны, состоящие из основного зеркала-рефлектора в виде части параболического тора, вспомогательного зеркала-контррефлектора и системы облучателей, расположенных на дуге окружности. Данные антенны позволяют формировать веерную диаграмму направленности (ДН) для одновременной радиосвязи с несколькими ИСЗ на ГСО. К недостаткам такой антенны относится ее пониженная эффективность, вызванная потерями электромагнитной энергии, отраженной основным зеркалом, вследствие ее попадания на контррефлектор, а также затенением части раскрыва рефлектора.
Известны [2, 3] двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, в которых фокальная ось параболы является образующей основного зеркала и не совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. Профили основного и вспомогательного зеркал в антеннах со смещенной фокальной осью получены путем вращения соответственно несимметричных вырезок параболы и гиперболы, относительно оси аксиальной симметрии так, что фокус параболы совмещен с первым фокусом гиперболы, а во втором фокусе гиперболы размещается облучатель. Недостатком данной антенны является однолучевой режим формирования диаграммы направленности. Целью изобретения является повышение эффективности антенны при снижении уровня кросс-поляризации и создание веерной диаграммы направленности.
Для этого предлагается многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью. Она состоит из решетки облучателей, расположенных на дуге окружности, основного зеркала-рефлектора и вспомогательного зеркала-контррефлектора. Сечения основного и вспомогательного зеркал в плоскости дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге размещения облучателей и имеющие по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно. При этом каждое из зеркал состоит из двух половин, симметричных относительно плоскости дуги облучателей. В плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии рефлектора, каждая из его половин имеет форму монотонной части параболы со смещением фокальной оси относительно плоскости симметрии рефлектора и контррефлектора. Каждая половина контррефлектора в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии рефлектора, имеет форму части гиперболы, выпуклой в сторону рефлектора.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 - сечение многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскостью, проходящей через дугу размещения облучателей (плоскость симметрии);
фиг. 2 - сечение многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскостью, перпендикулярной плоскости симметрии антенны.
Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью (фиг. 1) содержит решетку облучателей 1, расположенных на дуге окружности 2, основного большого зеркала-рефлектора 3 и вспомогательного малого зеркала-контррефлектора 10. Сечения основного 3 и вспомогательного 10 зеркал в плоскости дуги облучателей 2 представляют собой окружности, концентричные дуге размещения облучателей 2 и имеющие по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно. При этом каждое из зеркал состоит из двух половин, симметричных относительно плоскости дуги размещения облучателей.
Рассматривается ситуация для центрального облучателя решетки облучателей 1 на дуге 2.
В плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии (фиг. 2), каждая половина рефлектора 3 представляет собой поверхность, образованную монотонной частью параболы, фокальная ось 5-5′ которой смещена относительно плоскости симметрии 6 путем параллельного переноса. Каждая половина контррефлектора 10 в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии контрефлектора, имеет форму части гиперболы 7, выпуклой в сторону рефлектора 3. При этом первый фокус 8 гиперболы 7 находится на дуге размещения облучателей 2, а второй фокус 9 находится на оси, равноудаленной от плоскости симметрии 6, аналогичной оси 5-5′, и совпадает с фокусом параболы 3 части (верхней на чертеже) сечения основного зеркала 3.
Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью работает следующим образом. Любой из решетки облучателей 1, расположенных на дуге 2, будучи подключенным к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний (на чертежах не показан), является источником первичных электромагнитных волн. Эти волны поочередно отражаются сначала от контррефлектора 4, затем от рефлектора 3. В приближении геометрической оптики лучи, исходящие от облучателя 1 (на фиг. 2 показаны линиями со стрелками), после последовательных отражений от контррефлектора 10 и рефлектора 3 в силу их взаимного расположения, а также свойств кривых второго порядка (гиперболы и параболы) окажутся параллельны друг другу. При этом длины этих лучей от дуги облучателей 2 до плоскости раскрыва антенны 11 окажутся равны. Если при этом фазовый центр облучателя находится на дуге облучателей 2, то в раскрыве антенны 11 будет иметь место синфазное распределение поля, формирующее ДН с главным максимумом, лежащим в плоскости симметрии антенны. Благодаря геометрическим свойствам гиперболы 7 лучи главного лепестка ДН облучателя наибольшей интенсивности, после отражения от контррефлектора 10 попадают на центральную часть рефлектора 3, лучи же меньшей интенсивности попадут на края рефлектора 3. Так как длины пути лучей, попадающих в центр рефлектора 3, меньше, чем у лучей, попадающих на его края, то в раскрыве антенны будет формироваться амплитудное распределение поля, интенсивно спадающее к краям. Благодаря этому антенна будет иметь пониженный уровень боковых лепестков ДН и, как следствие, повышенную развязку между соседними лучами.
Поскольку половины рефлектора 3 смещены относительно плоскости симметрии, отраженное от них поле не будет попадать на контррефлектор 10. Следовательно, в предложенной антенне устранено затенение контррефлектором поля, отраженного от рефлектора, что дает повышение эффективности антенны.
Так как отраженные от симметричных половин контррефлектора 10 лучи направлены только в сторону соответствующих половин рефлектора 3, то после отражения от него на контррефлектор и тем более в облучатель они не попадают. Следовательно, в антенне отсутствует реакция отраженного от рефлектора поля на облучатель.
В антеннах с несимметричным рефлектором наводимые на нем токи имеют паразитные составляющие поля, ортогональные основной поляризации и приводящие к возникновению кросс-поляризованного излучения, ортогонального по поляризации основному. В предложенной антенне рефлектор 3 и контррефлектор 10 состоят из симметричных половин. Паразитные, ортогональные основным составляющие токов, наводимых на этих половинах, противонаправлены, будут компенсировать друг друга и соответствующее им поле излучения. В результате многолучевая антенна со смещенной фокальной осью будет иметь пониженный уровень кросс-поляризации.
При размещении одного облучателя из решетки облучателей 1 в другой позиции на дуге 2 (фиг. 1) сформируется ДН с главным лепестком, отклоненным в плоскости этой дуги. При размещении на дуге 2 нескольких облучателей сформируется веерная ДН с независимыми парциальными диаграммами, т.е. (лучами) по числу облучателей.
Таким образом, предложенная многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью обладает веерной ДН при повышенной общей эффективности и пониженном уровне кросс-поляризации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сомов A.M. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 456 с.: ил.
2. Improvements in or relating to Microwave Aerials: Патент GB 973583: МПК H01Q 17/00; H01Q 19/10; H01Q 19/19. / I.L. Lee; Заявка GB 19620014057 от 11.04.1962 г.; Опубл. 28.10.1964 г.
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.: ил.