Осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна
AXISYMMETRIC MULTI-BAND MULTI-BEAM MULTI-REFLECTOR ANTENNA

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, Ku и Ka. 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 одновременной работы с несколькими ИСЗ связи, каждый из которых работает 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.
Известна также многолучевая комбинированная двухзеркальная антенна [4], состоящая из осесимметричного основного зеркала-рефлектора, имеющего форму параболоида, и вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида, соосного с параболоидом и вогнутого в сторону от рефлектора. Облучатели первого диапазона частот расположены в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, приближенный к рефлектору. Облучатели второго диапазона установлены в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора. Такая антенна может принимать одновременно от ИСЗ с каждого направления два различных диапазона частот.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности антенны при сохранении направления диаграмм направленности многолучевого режима и одновременном приеме трех диапазонов частот с каждого направления. Для этого предлагается осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна, состоящая из основного зеркала-рефлектора с образующей в виде параболы, симметричного относительно ее фокальной оси, вспомогательного зеркала-контррефлектора, соосного параболе, и облучателей. При этом контррефлектор имеет форму параболы, вогнутой в сторону от рефлектора. Фокальная ось этой параболы является осью аксиальной симметрии антенны и одновременно осью симметрии контррефлектора, а в плоскости, проходящей через фокус ортогонально фокальной оси, установлены облучатели первого диапазона частот. На фокальной оси рефлектора соосно ему установлены осесимметричные вторичный рефлектор с сечением, подобным сечению рефлектора, и вторичный контррефлектор с сечением в виде эллипса, фокальная ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. В плоскости, проходящей ортогонально указанной оси через фокус эллипса, дальний от вершины вторичного рефлектора и совпадающий с его фокусом, установлены облучатели второго диапазона частот, а в плоскости, проходящей ортогонально указанной оси через фокус эллипса, ближний к вершине вторичного рефлектора, установлены облучатели третьего диапазона частот.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг. 1 - сечение осесимметричной многодиапазонной многолучевой многозеркальной антенны плоскостью, содержащей ось аксиальной симметрии;
- фиг. 2 - осесимметричная многодиапазонная многолучевая многозеркальная антенна, вид со стороны контррефлектора.
На чертежах обозначено:
1 - рефлектор;
2 - контррефлектор;
3 - облучатели первого диапазона частот;
4 - вторичный рефлектор;
5 - вторичный контррефлектор;
6 - облучатели второго диапазона частот;
7 - облучатели третьего диапазона частот;
8 - фокальная ось парабол 1, 4 и эллипса 5;
9 - лучи от краев рефлектора 2 и облучателя 3 на края рефлектора 1;
10 - направление излучения антенны от центральных облучателей 3, 6 и 7;
11 - направление лучей от облучателей 7 и 6 из фокусов 4 и 5 на края 4;
12 - направление распространения плоской волны от вторичного рефлектора 4 для полей центральных облучателей 6 и 7;
13 - лучи от центральных облучателей 3, 6 и 7 на края рефлектора 1;
14 - линия, подобная отрезкам ГСО, соединяющим точки стояния ИСЗ.
Осуществление изобретения
Осесимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна (фиг. 1) с рефлектором 1 и контррефлектором 2 в виде параболоидов вращения с совпадающими фокальными осями и фокусами образующих парабол, но обращенными в разные стороны вершинами содержит облучатель 3 в общем фокусе парабол 1 и 2.
При подключении к облучателю 3 высокочастотного генератора первого диапазона частот облучатель излучает сферическую волну, в том числе в сторону верхнего и нижнего краев рефлектора 1. Так как рефлектор обычно находится в дальней зоне излучения относительно облучателя, указанную волну можно рассматривать в виде лучей 9. После отражения от рефлектора 1 эти лучи, поскольку они исходят из фокуса параболы, формируют в режиме передачи синфазное поле в раскрыве антенны и направленное излучение 10 вдоль фокальной оси 8. Согласно принципу взаимности такие же обратные процессы происходят и в режиме приема.
На оси рефлектора 1, соосно ему, установлены вторичный рефлектор 4 в виде параболоида вращения и вторичный контррефлектор 5 в виде эллипсоида вращения. В дальнем относительно вершины 4 фокусе вторичного контррефлектора 5, который является общим фокусом как для вторичного параболоидального рефлектора 4, так и эллипсоидального вторичного контррефлектора 5, установлен облучатель 6. При подключении к облучателю 6 генератора второго диапазона частот в раскрыве 4 также образуется синфазное поле. Это синфазное поле второго диапазона частот в виде плоского фронта попадает в раскрыв контррефлектора 2 и, благодаря свойствам параболы, отражается контррефлектором 2 в его фокус, распространяется после его прохождения далее к раскрыву рефлектора 1. Благодаря свойствам параболы, образующей рефлектор 1, в раскрыве рефлектора 1 возникает синфазное поле второго диапазона частот, формирующее направленное излучение (и приема) этого диапазона частот, совпадающее с направлением излучения и приема первого диапазона частот.
При подключении генератора третьего диапазона частот к облучателю 7, расположенному в ближнем к вершине 4 фокусе вторичного контррефлектора 5, поле облучателя 7 попадает на верхний и нижний края и другие точки поверхности вторичного контррефлектора 5, отражается на нижний, верхний край и другие точки рабочей поверхности вторичного рефлектора 4, проходя через фокус вторичного контррефлектора 5, общий с фокусом вторичного рефлектора 4. Плоский фронт волны от облучателя 7, вторичных рефлектора 4 и контррефлектора 5, образующих известную систему Грегори, попадает на контррефлектор 2, после отражения которым и прохождения через его фокус и фокус рефлектора 1 попадает в раскрыв рефлектора 1. Благодаря свойствам параболы, образующей рефлектор 1, поле третьего диапазона частот после отражения рефлектором 1 формирует направленное излучение (и прием) вдоль фокальной оси рефлектора 1.
По соседству с облучателями на оси аксиальной симметрии антенны первого 3, второго 6 и третьего 7 диапазонов частот могут быть размещены в плоскостях, ортогональных фокальной оси рефлектора 1, тройки дополнительных облучателей тех же диапазонов частот. Эти тройки облучателей расположены в точках ломаной линии 14, соединяющей точки стояния ИСЗ кластера ГСО для приема соответствующих частот. Многолучевая диаграмма направленности (ДН) формируется тройками облучателей 3, 6 и 7 при подключении к ним генераторов соответствующих частот. Согласно теореме взаимности, аналогичная тройка ДН антенны формируется так же для трех диапазонов частот и в режиме приема антенны.
Любой из облучателей 3, смещенный в плоскости, ортогональной фокальной оси 8, из фокуса контррефлектора 2 вдоль линии 14, подобной кривой, описывающей линию ГСО, также является источником первичных электромагнитных волн. В приближении геометрической оптики лучи, исходящие от облучателей 3, после последовательных отражений от рефлектора 1 в силу свойств кривой второго порядка типа параболы и смещения облучателей с фокальной оси антенны 8 формируют веер парциальных ДН антенны. Аналогичный веер ДН формируется от смещенных облучателей 6 второго диапазона частот и от смещенных облучателей 7 третьего диапазона частот. 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.
Облучатели 3, 6 и 7 оказывают затеняющее воздействие на излучение друг друга. Вместе с тем, согласно геометрическим построениям хода лучей затеняющее действие облучателя 7, которое он оказывает на излучение облучателя 6, не превышает затенения от вторичного контррефлектора 5. Затеняющее воздействие облучателей 3 и 6 может быть минимизировано при соответствующем распределении диапазонов частот по облучателям. Если первый диапазон соответствует самым высоким частотам (например, Ka диапазон), второй диапазон - средним частотам (Ku 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. Смещение облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси параболы, целесообразно при обслуживании узкого сектора углов ГСО, а отсутствие устройства разделения частот позволяет реализовать высокий коэффициент усиления антенны при малой шумовой температуре. Этим достигается повышение эффективности антенны.
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 г.; Опубл. 27.08.1999 г.
4. Многолучевая комбинированная зеркальная антенна: Патент RU 2627284: МПК H01Q 5/00. / A.M. Сомов; Заявка RU 2016127926 от 12.07.2016 г.; Опубл. 04.08.2017 г.