КОМПАКТНАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
COMPACT MULTIBEAM MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в качестве антенны спутникового телевидения.
Параболические зеркальные антенны получили широкое распространение в качестве антенн для спутникового телевидения в силу ряда факторов, к которым относятся:
- низкая стоимость;
- широкая полоса рабочих частот;
- простота работы с волнами разных поляризаций;
- относительно высокий коэффициент использования поверхности (КИП) (обычно 60-65 процентов).
Параболическая антенна состоит из главного зеркала, поверхность которого представляет собой результат движения параболы по пространственной траектории. Наиболее распространенный тип таких зеркал - это результат вращения параболической образующей вокруг оси, проходящей через вершину параболы и ее фокус. Облучатель параболической антенны находится в фокусе параболы. При этом формируется диаграмма направленности с одним главным максимумом (лучом) в направлении оси параболы. Недостатками параболических антенн такого типа являются однолучевость и большие размеры.
Большие размеры антенн являются недостатком в связи со следующими обстоятельствами:
- при большом количестве таких антенн они начинают искажать архитектурный облик зданий. В частности, в некоторых странах Европейского союза приняты законодательные меры, ограничивающие установку параболических антенн на стенах и крышах домов,
- параболические антенны практически невозможно или очень трудно использовать на мобильных носителях, в особенности, если требуется обеспечить прием сигнала во время движения автомобиля, поезда, корабля и т.д.;
- при закреплении на балконах или вблизи окон антенны вызывают сильное затенение света.
В силу перечисленных обстоятельств актуальной проблемой является разработка для приема сигнала спутникового ТВ плоских и компактных многолучевых антенн, которые имеют существенно меньшие габариты и обеспечивают одновременный прием сигналов от разных спутников.
Большей компактностью по сравнению с параболическими зеркальными антеннами обладают двухзеркальные рефлекторные антенны. В отличие от однозеркальных параболических антенн, содержащих одно большое зеркало, преобразующее близкий к сферическому фронт волны облучателя в плоский фронт волны, идущей от большого зеркала, двухзеркальные рефлекторные антенны содержат два зеркала - большое (главное) и малое (вспомогательное, или субрефлектор). Двухзеркальные антенны решают ту же задачу - преобразуют близкий к сферическому фронт облучателя в плоский фронт главного зеркала. Однако наличие дополнительной степени свободы - субрефлектора придает этому преобразованию больше гибкости и позволяет решать более сложные задачи по достижению лучших электрических и габаритных характеристик антенны. Существуют различные виды двухзеркальных рефлекторных антенн: антенны типа Кассегрена, Грегори и т.д. Они отличаются картиной распространения лучей, идущих от облучателя к субрефлектору и затем - к главному зеркалу. В антеннах типа Кассегрена лучи, идущие из центральной части волнового фронта облучателя, попадают в центральную часть главного зеркала, а лучи, идущие из боковой части волнового фронта облучателя, попадают в боковую часть главного зеркала.
Известна так называемая антенна АДЭ (ADE, Axially Displaced Ellipse) (Патент Великобритании №973583, опубл. 1964). Эта антенна включает главное зеркало, субрефлектор и облучатель. Главное зеркало и субрефлектор выполнены в виде тел вращения с общей осью вращения. Осью вращения является ось Oz. Образующая главного зеркала - парабола. Существенно, что фокус параболы не находится на оси вращения. Образующая субрефлектора может иметь произвольную форму. В качестве частного случая можно предложить субрефлектор с эллиптической образующей, как это сделано в патенте Великобритании №973583. В этом техническом решении выбрано следующее расположение фокусов эллипса и параболы: один фокус эллипса совпадает с фокусом параболы, а другой фокус эллипса расположен на оси вращения.
Наряду с антеннами системами, использующими в качестве образующих параболу и эллипс (как, например, система АДЭ), существуют и другие антенные системы с инверсией хода лучей, например типа Грегори. Поле облучателя зеркальных антенн можно представить в виде совокупности лучей, расходящихся из точки (фазового центра облучателя) в ограниченном секторе пространства. В системах с инверсией хода лучей поле облучателя, идущее из центральной части сектора облучения, отражается субрефлектором на периферийную часть главного зеркала, а поле, идущее из периферийной части сектора облучения, отражается субрефлектором в центральную часть главного зеркала. При этом сохраняется основное свойство зеркальных антенн: поле излучателя преобразуется в локально плоскую волну, исходящую из апертуры главного зеркала. Способы конструктивного синтеза образующих системы с инверсией хода лучей хорошо известны. Такой синтез можно осуществить, задав диаграмму направленности облучателя, пространственные координаты фазового центра облучателя и начальные точки поверхностей зеркал (например, для центрального луча). Далее, отступая по углу от центрального направления, из условия равенства длины хода лучей можно получить форму поверхностей системы с инверсией хода лучей. Пары образующих таких систем могут быть использованы вместо пары «парабола - эллипс» в системах, подобных системам АДЭ.
Известна антенна, содержащая главное зеркало с параболической образующей и субрефлектор с эллиптической образующей, с образованием круга и вершины, обращенной к зеркалу и расположенной между кругом и зеркалом (Патент РФ №2296397, опубл. 2006). Облучатель расположен на продольной оси симметрии в основании зеркала между параболической поверхностью и субрефлектором. Эта антенна представляет собой традиционную АДЭ антенну, оптимизированную с точки зрения получения максимального коэффициента усиления при минимальной толщине антенны. Минимальную толщину антенны (были достигнуты отношения H/D порядка 0.2-0.25, где Н - толщина антенны, D - диаметр главного зеркала) обеспечивают специальные соотношения между параметрами зеркал, которые установлены в указанном патенте РФ.
Ограничением описанных выше однозеркальных и двухзеркальных антенн с одним облучателем для работы в системах спутникового телевидения является их однолучевость. Антенна имеет один вход, выполненный, например, в виде волновода круглой или иной формы, и она имеет диаграмму направленности с узким главным лепестком, ориентированным вдоль оси вращения антенны. Антенна принимает (передает) сигналы преимущественно в секторе углов, соответствующих главному лепестку диаграммы направленности. В то же время, во многих задачах требуется одновременно (параллельно) принимать или передавать сигналы с разных направлений без поворота или изменения конфигурации антенны. Такая ситуация возникает, например, при приеме сигнала спутникового телевидения. Типичной является ситуация, когда одновременно работают несколько спутников, расположенных под разными азимутальными углами (углы места у всех спутниковых, расположенных на геостационарных орбитах, равны). Поэтому антенна, способная принимать сигналы от нескольких спутников без изменения конфигурации или механического поворота, существенно расширяет возможности системы приема спутникового телевидения, в частности увеличивает количество или информационную емкость принимаемых на одну антенну каналов.
Дополнительные возможности по сравнению с однолучевыми параболическими антеннами имеют многолучевые параболические антенны. В многолучевых антеннах используются несколько облучателей, как правило, расположенных вблизи от фокуса. При этом в разных направлениях образуется несколько диаграмм направленности (лучей), каждая из которых связана со своим облучателем. К преимуществам таких антенн относится их многолучевость, т.е. возможность одновременно передавать и принимать сигнал с разных направлений на одно главное зеркало, а также формировать составленную из множества лучей диаграмму направленности сложной формы. Последнее свойство, в частности, широко применяется в передающих антеннах спутникового базирования.
Известна многолучевая антенна (Патент РФ №2173496, опубл. 2001), которая, в частности, использовалась в системах спутникового телевидения. Эта антенна построена по двухзеркальной схеме. Образующей главного зеркала этой антенны является парабола, образующей субрефлектора - эллипс, а поверхности зеркал образуются в результате пространственного вращения образующих вокруг осей, перпендикулярных направлению главного луча. Источники облучения располагаются на пространственной фокальной кривой.
Недостатком указанной антенны являются большие размеры. Это связано с тем, что она имеет достаточно высокую эффективность только в случае длиннофокусных зеркал. Длиннофокусность оптической системы обычно определяется отношением фокусного расстояния параболического главного зеркала F к его диаметру D или другому характерному размеру.
Для улучшения характеристик антенн, таких как коэффициент направленного действия (КНД), уровень боковых лепестков и др., можно антенную систему выполнить по офсетной схеме, а в качестве облучателей главного зеркала использовать систему «рупор - малое зеркало», как в двухзеркальной системе Кассегрена. Наиболее близким к предлагаемой антенне техническим решением является офсетная система передачи спутниковых сигналов (JP 4068803), в которой главное зеркало, представляющее собой вырезку из параболоида вращения, облучается множеством рупоров с соответственным образованием множества парциальных диаграмм направленности (ДН) в разных направлениях. Для улучшения свойств парциальных диаграмм направленности к каждому рупору придается один или два дополнительных субрефлектора.
К ограничениям этой антенны следует отнести большие габариты вследствие большого отношения фокального расстояния к диаметру F/D, малое угловое расстояние между главными лучами парциальных ДН, относительно невысокий КИП, взаимное затенение систем «рупор-малое зеркало».
Решаемая изобретением задача - создание компактной (с минимальным отношением толщины антенны Н к диаметру D) многолучевой рефлекторной антенны с минимальной толщиной.
Технический результат, который может быть получен при использовании антенны, - придание многолучевой антенне свойства компактности с сохранением высокого коэффициента использования поверхности (КИП) антенны в диапазоне частот 10.7-12.75 ГГц.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, содержащей главное зеркало, по меньшей мере, два облучателя и, по меньшей мере, два субрефлектора, каждый из которых предназначен для переотражения волны от своего соответствующего облучателя на главное зеркало и преобразования фронта волны облучателя в плоский фронт волны, отраженной от главного зеркала, согласно изобретению каждый субрефлектор выполнен с формой внешней поверхности, обеспечивающей отражение центрального луча диаграммы направленности облучателя на край главного зеркала, а бокового луча - в центральную область главного зеркала, при этом смежные поверхности субрефлекторов усечены.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- была введена общая крышка, установленная в плоскости окружности края главного зеркала, а субрефлекторы закреплены на крышке;
- облучатели были выполнены в виде рупоров;
- смежные стенки рупоров были сопряжены;
- продольные оси облучателей и соответствующих им субрефлекторов были наклонены относительно продольной оси главного зеркала;
- продольные оси облучателей были наклонены к продольной оси главного зеркала под большим углом, чем продольные оси соответствующих им субрефлекторов;
- смежные поверхности субрефлекторов были усечены биссекторными плоскостями - преимущественно плоскостями, наклоненными к продольной главного зеркала оси под углом, вдвое меньшим, чем угол наклона субрефлектора;
- смежные поверхности субрефлекторов были сопряжены и выполнены в виде единого элемента;
- смежные поверхности субрефлекторов имели зазор;
- главное зеркало было выполнено в виде тела вращения;
- форма образующей главного зеркала была выполнена параболической;
- субрефлектор был выполнен в виде тела вращения;
- форма образующей субрефлектора была выполнена эллиптической;
- отношение I=d/D максимального диаметра d субрефлектора к диаметру D раскрыва главного зеркала было выполнено в пределах 0,1<I<0,2.
Таким образом, в заявленном техническом решении предлагается в многолучевой офсетной системе передачи спутниковых сигналов каждый субрефлектор выполнить с формой внешней поверхности, обеспечивающей отражение центрального луча диаграммы направленности облучателя на боковую часть главного зеркала, а бокового луча - в центральную область главного зеркала. При этом для заданных значений коэффициента усиления и положений главных лучей парциальных диаграмм направленности (ДН) геометрия главного зеркала, субрефлектора и его положение относительно главного зеркала выбираются из условия максимально высокого КИП для лучей, отклоненных от центрального положения.
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фигура 1 схематично изображает заявленную антенну;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, другой вариант;
Фиг.3 - то же, что фиг.1, третий вариант;
Фиг.4 - изображен ход лучей в системе АДЭ при использовании одного облучателя и субрефлектора;
Фиг.5 - схему построения двухзеркальной антенной системы с заданным амплитудным распределением для плоской и осесимметричной задачи;
Фиг.6 - схематично, диаграмма сопряжения рупоров облучателей и субрефлекторов;
Фиг.7 - схематично, диаграмма усечения субрефлекторов;
Фиг.8 - диаграмма усечения субрефлекторов, соответствующая фиг.1;
Фиг.9 - диаграмма усечения субрефлекторов, соответствующая фиг.2;
Фиг.10 - план антенны для фиг.2 и 9, вид сверху;
Фиг.11 - то же, что фиг.10, вид сбоку;
Фиг.12 - схематично, построение образующих главного зеркала и субрефлектора многолучевой антенной системы;
Фиг.13 - координаты характерных точек центральной пары «рупор-субрефлектор»;
Фиг.14 - координаты характерных точек боковой пары «рупор-субрефлектор»;
Фиг.15 - парциальные ДН для многолучевой антенны, изображенной на фиг.2, 10, 11.
Антенна (фиг.1-3) содержит главное зеркало 1, по меньшей мере, два облучателя 2 и, по меньшей мере, два субрефлектора 3. Каждый из субрефлекторов 3 предназначен для переотражения волны от своего соответствующего облучателя 2 на главное зеркало 2 и преобразования фронта волны облучателя 2 в плоский фронт волны (фиг.4), отраженной от главного зеркала 1. Главное зеркало 1 выполнено в виде тела вращения преимущественно с параболической образующей.
Каждый субрефлектор 3 выполнен с формой внешней поверхности, обеспечивающей отражение центрального луча диаграммы направленности облучателя 2 на край главного зеркала 1, а бокового луча - в центральную область главного зеркала 1. Смежные поверхности субрефлекторов 3 усечены.
В устройство может быть введена общая крышка 4, установленная в плоскости окружности края главного зеркала 1, а субрефлекторы 3 закреплены на крышке 4 (фиг.1).
Облучатели 2 могут быть выполнены, в частности, в виде рупоров (фиг.1-3).
Смежные стенки рупоров могут быть сопряжены (фиг.3), при этом может потребоваться уменьшение толщины стенок рупоров в направлении сопряженных стенок.
Продольные оси облучателей 2 и соответствующих им субрефлекторов 3 могут быть наклонены относительно продольной оси главного зеркала 1 (фиг.2).
Продольные оси облучателей 2 наклонены к продольной оси главного зеркала 1 под большим углом α, чем продольные оси соответствующих им субрефлекторов 3, которые наклонены под углом β (фиг.2).
Целесообразно, чтобы смежные поверхности субрефлекторов 3 были усечены биссекторными плоскостями, т.е. плоскостями, наклоненными к продольной главного зеркала оси 2 под углом γ, вдвое меньшим, чем угол β наклона субрефлектора 3 (фиг.2).
Могут быть сопряжены смежные поверхности субрефлекторов 3 (фиг.1, 2).
Смежные поверхности субрефлекторов 3 могут иметь зазор 5 между ними (фиг.3).
Главное зеркало 1 и субрефлекторы 3 могут быть выполнены в виде тел вращения (фиг.1-3).
Форма образующей главного зеркала 1 может быть параболическая.
Форма образующей субрефлектора 3 может быть эллиптическая или гиперболическая.
Отношение I=d/D максимального диаметра d субрефлектора 3 к диаметру D раскрыва главного зеркала 1 выбрано в пределах 0,1<I<0,2 (фиг.1).
Работает компактная многолучевая зеркальная антенна (фиг.1-3) следующим образом.
Одной из особенностей заявленной антенны является та, что в ней каждый субрефлектор 3 выполнен с формой внешней поверхности, обеспечивающей отражение центрального луча диаграммы направленности облучателя 2 на край главного зеркала, а бокового луча - в центральную область главного зеркала 1 (фиг.4). Эта особенность также используется в системе АДЭ (Патент Великобритании №973583, опубл. 1964) (Патент РФ №2296397, опубл. 2006), но только при использовании одного облучателя и субрефлектора 3.
Такая структура антенны является оптимальной для построения многолучевой антенной системы в связи со следующими причинами:
1. В центре антенны находятся облучатели 2 (фиг.1-3), создающие затенение апертуры главного зеркала 1. В системе АДЭ основная часть мощности, испускаемой облучателем 2, переходит на край главного зеркала 1 и тем самым уменьшает влияние затенения.
2. В системах с осевой симметрией разнесенный фокус субрефлектора 3 превращается в кольцевой фокус. Он улучшает сканирующие свойства многолучевой антенной системы, поскольку при смещении пары «рупор - субрефлектор» в направлении, перпендикулярном оси z, главный луч ДН, отклоняясь от центрального положения, не так быстро теряет в коэффициенте усиления, как это происходит для антенн с сосредоточенным фокусом типа антенны Касегрена.
3. Кольцевой фокус увеличивает диаметр главного зеркала 1 антенны и тем самым улучшает ее компактность (а именно - коэффициент H/D) в направлении оси z.
При исследовании свойств заявленной компактной антенны в процессе работы над данным патентом были (по-видимому, впервые) обнаружены сканирующие свойства такой антенны. Показано, что при смещении пары «облучатель 2 - субрефлектор 3» в направлении, перпендикулярном оси симметрии антенны АДЭ, направление максимума ДН отклоняется от первоначального положения. Несмотря на то, что при таком смещении положение кольцевого фокуса субрефлектора 3 существенно сдвигается относительно кольцевого фокуса параболы главного зеркала 1, до определенных значений величин смещения это происходит без серьезных потерь КИП. Многолучевость антенной системы достигается при помощи размещения перед главным зеркалом 1 двух или более пар «облучатель 2 - субрефлектор 3», каждая из которых совместно с главным зеркалом 1 обеспечивает свою парциальную ДН в заданном направлении.
Пусть точка Q(θ; 0) - местонахождение облучателя 2 первичной волны (фиг.5), падающей на субрефлектор 3, А(θ;r(θ)) - точка отражения луча первичной волны в субрефлекторе 3, В - точка отражения луча в главном зеркале 1. Лучевой фронт источника Q(θ;0) при помощи двухзеркальной системы преобразуется в лучевой фронт плоской волны с заранее заданным законом отображения х(θ) (т.е. законом соответствия между лучами первичной и конечной волны).
Будем искать координаты точки В отражения луча в главном зеркале 1 в параметрической форме: х=х(θ) и z=z(θ), где обозначения х, θ и z показаны на фиг.5. Длина оптического пути: S=QA+AB+BC, где OA, АВ и ВС - расстояния между соответствующими точками.
Решение для субрефлектора 3, содержащее однократный интеграл от х(θ), описывается уравнением:
=d/D
0
0
0
0
где r=r(θ), V(θ,τ)=exp (θ)= c(S,r,θ)=
0
0
В формуле (1) r(θ) - радиус - вектор поверхности субрефлектора 3, r и θ - заранее заданные начальные значения радиус - вектора и угла, остальные обозначения - это вспомогательные переменные и выражения, присутствующие в формулах.
Уравнение для главного зеркала 1 описывается:
Выражения (1) и (2) известны из статьи [Бодулинский В.К., Кинбер Б.Е., Романова В.И. «Образующие двухзеркальных антенн», Радиотехника и электроника, 1985, №10, стр.1914-1918].
Для частного случая преобразования сферической волны в плоскую для закона отображения:
где h - параметр, характеризующий размер вертикальной апертуры главного зеркала, форма субрефлектора 3 получается гиперболической или эллиптической и характеризуется комбинацией описанных выше параметров:  - эксцентриситетом гиперболы или эллипса. Например, при ех>1 субрефлектор гиперболический, а при ех<1 - эллиптический. Случай ех>1 соответствует системе Кассегрена, а ех<1 - системе Грегори. Главное зеркало 1 всегда параболическое.
Если закон отображения х(θ) отличается от (3), то форма образующих двухзеркальной антенной системы, которая получается при помощи формул (1) - (2), отличается от вышеприведенных, при этом главное зеркало 1 уже не будет параболическим, а субрефлектор 3 не будет ни гиперболическим, ни эллиптическим. Специалистам понятно, что закон х(θ) определяется, исходя из требуемых характеристик ДН антенны (например, максимального коэффициента усиления, минимального уровня боковых лепестков, максимального коэффициента усиления, требуемой формы ДН антенны и т.п. или оптимального сочетания ряда параметров).
Размещение в антенне нескольких пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» производится следующим образом. Вначале для заданного значения смещения ДН относительно направления оси вращения главного зеркала 1 рассчитывается смещение пары «облучатель 2 - субрефлектор 3» перпендикулярно оси вращения и при необходимости производится корректировка геометрических параметров субрефлектора 3 и пространственного положения облучателя 2 и субрефлектора 3 с целью получения максимальных значений КИП (фиг.6). Затем пары «облучатель 2 - субрефлектор 3» одновременно размещаются в апертуре главного зеркала 1. При этом для заданных технических условий может возникнуть пространственное перекрытие облучателей 2 и субрефлекторов 3. В этом случае для воплощения рассчитанной антенной системы в реальную конструкцию необходимо осуществить усечение поверхностей субрефлекторов 3 и облучателей 2 (рупоров). Это означает, что из перекрывающихся поверхностей двух расположенных рядом субрефлекторов 3 выбираются и включаются в реальную конструкцию те фрагменты, которые позволяют максимально сохранить параметры антенны по парциальным ДН. При этом не имеет значения, объединены ли субрефлекторы 3 физически в единое тело (фиг.1, 2) или разъединены (фиг.3), поскольку сопряжение поверхностей проводится путем усечения (фиг.1-3, 6, 7) боковых частей субрефлекторов 3 (и/или рупоров облучателей 2).
Усечение боковых частей субрефлекторов 3 может производиться, исходя из различных предпосылок и разным образом. В качестве исходных предпосылок можно, например, выбрать максимум КИП по парциальным ДН или равенство КИП по парциальным ДН. Для выполнения этих задач при синтезе поверхности субрефлекторов 3 проводятся пробные сечения плоскостями поверхностей расположенных рядом субрефлекторов 3 и расчет получающихся при этом заданных характеристик антенны. Специалистам понятно, что смежные поверхности субрефлекторов 3 не обязательно должны касаться друг друга, а могут иметь незначительный зазор между сечениями, что не повлияет на работу антенны (фиг.3).
При усечении субрефлекторов 3 плоскостями (фиг.7) объединенная поверхность субрефлекторов 3 в общем случае имеет скачкообразные неровности, которые могут негативно сказаться на характеристиках отраженного от субрефлекторов 3 поля. Для устранения этого эффекта усечение субрефлектора 3 можно провести, поставив задачу достижения максимальной гладкости объединенной поверхности субрефлекторов 3. При этом субрефлекторы 3 выбираются одинаковыми, их местоположение выбирается как результат переноса вращением вокруг точки, расположенной на оси z вращения главного зеркала 1, а обрезание краев боковых и центрального субрефлектора 3 производится плоскостями, проходящими через точку вращения и являющимися биссекторными для угла между нормалями субрефлекторов 3.
Кроме того, специалистам понятно, что для усечения боковых частей субрефлекторов 3 помимо плоскостей (фиг.7) могут применяться также и криволинейные поверхности (конус, цилиндр, поверхность произвольной формы), выбираемые из тех же (указанных выше) предпосылок.
Положение пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» (фиг.1, 8) для заранее заданного отклонения главных лучей парциальных ДН (например, ±9° от центрального положения) найдено путем перемещения пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» перпендикулярно оси z. В этой компоновке стандартные рупора невозможно расположить рядом, приходится стачивать их внешние стенки. Диаметр внутренних апертур рупоров остается без изменений.
Усечение рупоров также может производиться разными способами. Оно может затрагивать только внешнюю стенку рупора, не заходя в его внутреннюю полость, а может затрагивать и внутреннюю полость рупора. В этом случае рупора объединяются между собой и превращаются в комбинированный облучатель (фиг.1, 3).
Если продольные оси облучателей 2 и соответствующих им субрефлекторов 3 наклонены относительно продольной оси главного зеркала, то усечения рупоров не требуется (фиг.2, 9). Положение пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» для заранее заданного отклонения главных лучей парциальных ДН (например, ±9° от центрального положения) найдено путем перемещения пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» перпендикулярно оси z и последующего их поворота. В этой компоновке стандартные рупора можно расположить рядом, внешние стенки стачивать не нужно. В качестве облучателя используется стандартный рупорный облучатель с шириной ДН, равной 2Δϑ=65° по уровню ±10 дБ (здесь ϑ - полуширина ДН облучателя).
Коэффициенты усиления многолучевой антенны по парциальным ДН для этого случая увеличены по сравнению с вариантом компоновки (фиг.1, 8).
Геометрические параметры главного зеркала 1 и субрефлекторов 3, а также величина первоначального и дополнительного смещения и поворота определяется по заданным величинам коэффициента усиления, углу отклонения дополнительных лучей и параметрам облучателя 2.
Пример конкретной реализации изобретения.
Для заранее заданного отклонения главных лучей парциальных ДН (±9° от центрального положения) осуществлено перемещение пар «облучатель 2 - субрефлектор 3» (фиг.2) перпендикулярно оси z и последующий их поворот. Стандартные рупора облучателей 2 располагаются рядом.
В результате получают антенну, изображенную на фиг.2, 10, 11, у которой продольные оси облучателей 2 наклонены к продольной оси главного зеркала под большим углом α, чем продольные оси соответствующих им субрефлекторов 3 под углом β (фиг.2), смежные поверхности субрефлекторов 3 усечены биссекторными плоскостями - преимущественно плоскостями, наклоненными к продольной главного зеркала 1 оси под углом γ, вдвое меньшим, чем угол θ наклона субрефлектора 3, при этом отношение I максимального диаметра d субрефлектора 3 к диаметру D раскрыва главного зеркала 1 выполнено в пределах 0,1<I<0,2 (так же, как показано на фиг.1).
Образующая главного зеркала 1 (фиг.12) представляет собой фрагмент параболы с центром в точке F1 и ограниченной сверху размером х=D/2, снизу - х=dx. Субрефлектор 3 представляет собой фрагмент эллиптической поверхности с фокусами в точках F1 и F2 и эксцентриситетом, равным 0,72. Эллиптическая поверхность ограничена сверху размером х=dx, а снизу - размером х=0.
D=700 мм; f=146 мм; dz=43,33 мм; dx=45,65 мм; ех=0,72.
Характерные значения размеров приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Н
ΔН
D/2
F1(x)
F1(z)
F2(x)
F2(z)
dx
dz
ex
f
170,3
11,3
350
146,0
45,65
0,0
102,67
45,65
43,33
0,7228
146,0
Осесимметричные поверхности главного зеркала 1 и субрефлекторов 3 образуются вращением указанных образующих вокруг оси z.
Характерные координаты точек центральной пары «облучатель 2 - субрефлектор 3» (фиг.13) при выполнении облучателя 2 в виде рупора приведены в таблице 2.
Таблица 2
q1
q2
q3
q4
q5
q6
q7
q8
q9
q10
q11
z, мм
24.67
78.67
0
158.98
146.00
159.88
144.05
102.67
98.17
114.67
161.40
r, мм
9.65
9.65
45.65
350.36
45.65
45.65
0
0
27.00
27.00
35.88
Координаты характерных точек для боковой пары «облучатель 2 - субрефлектор 3» (фиг.14) сведены в таблицу 3.
Таблица 3
p1
p2
p3
р4
p5
p6
p7
p8
р9
p10
z, мм
110.36
116.89
100.89
77.76
25.37
23.03
20.70
73.09
87.81
103.82
r, мм
55.41
81.61
85.61
73.49
86.57
77.21
67.84
54.77
33.21
29.22
p11
р12
р13
р14
р15
z, мм
169.87
170.29
147.14
155.7
158.4
r, мм
88.96
83.78
46.33
-1.22
21.33
Задание координат рупора (радиус 27,00 мм) и субрефлектора 3 (радиус R=45,65 мм) проведено упрощенным способом и сведено в таблицу 4.
Таблица 4
Координаты центра апертуры рупора
Угол наклона оси рупора (от оси Z)
Координаты края апертуры
Угол наклона оси зеркала (от оси Z)
Z=110,36 мм r=55,41 мм
0.24446 рад. (14,02°)
Z=169,87 мм r=88,96 мм
0.1559 рад. (8,93°)
Усечение субрефлекторов 3 производится в точке р15 (фиг.14) биссекторными плоскостями, т.е. наклоненными к оси под углом, вдвое меньшим, чем угол наклона субрефлектора 3 (а именно под углом 4,47°=8,9372).
Для такой антенны парциальные ДН расположены справа и слева от центральной парциальной ДН на 9° (фиг.15). Коэффициенты усиления многолучевой антенны (фиг.2) по парциальным ДН увеличены по сравнению с вариантом компоновки (фиг.1).
Специалистам понятно, что приведенный конкретный пример не охватывает всех возможных конструктивных реализаций предложенного технического решения, сущность которого охарактеризована независимым пунктом формулы изобретения.
Наиболее успешно заявленная компактная многолучевая зеркальная антенна промышленно применима в качестве антенны спутникового телевидения.