АНТЕННАЯ КОНСТРУКЦИЯ С ПОДВИЖНЫМ ПУЧКОМ
ANTENNA STRUCTURE WITH MOVABLE BEAM

Область техники
Настоящее изобретение относится с области антенных конструкций с подвижным пучком, в частности антенн, устанавливаемых на спутниках связи.
Предшествующий уровень техники
Спутники связи несут антенны, которые могут генерировать подвижные пучки для передач мультимедийных служб. Эти службы требуют, чтобы коммуникационные сети могли покрывать широкие географические зоны и поддерживать достаточно высокое качество сигнала по всей покрываемой зоне. Для этого существуют антенны с подвижными пучками, способные изменять направление наведения пучка для обеспечения нужд телекоммуникационных служб.
Спутники связи принимают от наземных станций данные, затем они передают эти данные на Землю с помощью антенн, ориентированных в сторону Земли. Предпочтительно используются пассивные антенны с двойным рефлектором, так как последние представляют наилучший компромисс между ограничениями по массе, габаритным размерам, рабочими характеристиками и стоимостью. Действительно, такие антенны с двойными рефлекторами, при заданном эквивалентном фокусном расстоянии, позволяют уменьшить габаритные размеры антенны по сравнению с антенной с простым рефлектором. Это дает весьма ощутимое преимущество для уменьшения габаритных размеров спутника в ракете-носителе.
Известные конструкции антенн для перемещения пучка радиочастотных сигналов по земной поверхности представляют собой антенны, содержащие средства, обеспечивающие перемещение либо всей антенной конструкции, либо только рефлектора путем изменения ориентации отражающей поверхности. Известные решения пассивной антенной конструкции содержат источник излучения и/или приема РЧ-сигналов, один или несколько рефлекторов и несущее основание для удержания сборки радиочастотных компонентов антенны.
Существует несколько типов конструкций и можно назвать в качестве примера конструкции типа Кассегрена, типа антенны Грегори.
О состоянии известного уровня техники известно также из патентного документа ЕР0139482. В этом документе предложена антенна с подвижным пучком, в которой перемещаются только рефлекторы. Речь идет о конструкции с неподвижным источником, в котором фокальная точка первичного рефлектора удерживается в фокусе вторичного рефлектора.
В случае приведения в движение всей антенной конструкции, то есть размещенной на несущем основании сборки,образованной одним или несколькими рефлекторами и источником излучения и/или приема, разработка концепции связи между источником и полезной нагрузкой спутника становится проблематичной. Действительно, необходимо использовать деформируемые волноводы или поворотные уплотнения, которые имеют следующие недостатки: потери радиочастотного сигнала, ограничение частотного диапазона, ограничения по мощности, механические ограничения и по числу актуализаций, а также ограничение числа портов интерфейса СВЧ антенны. Кроме того, деформируемые волноводы имеют обычно жесткость, которая может быть значительной и привести к дополнительным нагрузкам на кинематические средства антенной конструкции. Расчет размеров последних должен быть таким, чтобы иметь возможность деформировать эти механические детали.
Такие многочисленные недостатки, связанные с подвижностью источника, могут быть устранены с помощью альтернативного выполнения антенной конструкции, в котором изменяется только ориентация рефлектора. Однако в случае параболического рефлектора, когда изменяется его ориентация, фокус параболы также смещается от фазового центра источника. Это смещение вызывает искажение радиочастотной геометрии, приводящее к искажению характеристик вследствие аберраций фокусировки.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей изобретения является решение упомянутых проблем путем предложения антенной конструкции, позволяющей передавать и/или принимать подвижный пучок, содержащей упрощенную кинематическую механику и имеющей лучшие радиочастотные характеристики.
Точнее, в изобретении предложена антенная конструкция с подвижным пучком, содержащая несущее основание, первичный параболический рефлектор, имеющий один фокус, и вторичный рефлектор эллипсоидного типа, имеющий два фокуса, источник излучения и/или приема РЧ-сигналов, образующий пучок и расположенный в конструкции неподвижно относительно несущего основания, подвижный суппорт, несущий первичный рефлектор и вторичный рефлектор, при этом оба рефлектора неподвижны один относительно другого, а подвижный суппорт установлен на несущем основании и снабжен соединительными средствами для перемещения рефлекторов вокруг по меньшей мере одной неподвижной оси перемещения, проходящей через фазовый центр источника.
Предпочтительно фокус первичного рефлектора удерживается в фиксированном положении в первом фокусе вторичного рефлектора, а второй фокус вторичного рефлектора удерживается в фиксированном положении на фазовом центре источника в любом положении подвижного суппорта.
Таким образом, в соответствии с основным отличительным признаком подвижный суппорт, первичный рефлектор и вторичный рефлектор образуют относительно несущего основания подвижную сборку.
В соответствии с одним из вариантов соединительные средства способны привести в движение упомянутую подвижную сборку вокруг двух осей вращения, сходящихся в фазовом центре источника.
В соответствии с одним из вариантов поверхность по меньшей мере одного рефлектора, по существу, превышает поверхность пучка, отраженного на поверхность упомянутого рефлектора.
Антенная конструкция по изобретению решает проблемы связи между РЧ-источником и полезной нагрузкой спутника. Кроме того, неподвижность источника в установке не требует использования гибких волноводов и сложных кинематических средств для деформации этого типа волновода. Отсюда следуют также лучшие радиочастотные характеристики.
Кроме того, перемещение комплекса, образованного подвижным суппортом и рефлекторами, неподвижными один относительно другого, вокруг источника позволяет поддерживать геометрию распространения РЧ-сигналов наиболее оптимально и уменьшить и даже исключить аберрации фокуса антенной конструкции. Кроме того, конструкция позволяет обеспечить перемещение пучка по Земле без его деформации.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает принципиальную схему антенной конструкции по изобретению, представляя источник, первичный рефлектор и вторичный рефлектор.
Фиг. 2 изображает упрощенную схему антенной конструкции на виде спереди.
Фиг. 3 изображает упрощенную схему антенной конструкции на виде сбоку.
Фиг. 4 изображает схему рефлектора в двух положениях, а также отраженный пучок для каждого положения.
Фиг. 5а представляет радиочастотные модели передачи подвижных пучков, распространяемых по земной поверхности с помощью антенной конструкции, содержащей единственный подвижный рефлектор.
Фиг. 5b представляет радиочастотные модели передачи подвижных пучков, распространяемых по земной поверхности с помощью антенной конструкции по изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Антенная конструкция по изобретению предназначена, в частности, для использования в спутниковой связи. Спутники связи имеют обычно параллелепипедную форму, содержат земную сторону, постоянно обращенную к Земле. Система передачи РЧ-сигналов установлена на этой земной стороне для осуществления спутниковых задач, например, осуществления телефонной связи, передачи данных и видео. Для обеспечения выполнения этих задач известно использование подвижных антенн, которые обеспечивают перемещение пучка РЧ-сигналов по земной поверхности.
Обычно эти антенны содержат параболический рефлектор, основанный на геометрических свойствах кривой, называемой параболой, и поверхности, называемой параболоидом вращения. Параболический рефлектор предназначен для концентрации волн, получаемых или излучаемых к антенне - источнику, в общем, называемой источником, который расположен в фокусе параболы. В рамках изобретения могут быть использованы несколько типов антенных конструкций с параболическим рефлектором. Можно назвать антенные конструкции, содержащие единственный рефлектор, и конструкции с несколькими рефлекторами, в общем, называемые конструкцией типа антенны Кассегрена или конструкцией типа антенны Грегори.
В дальнейшем изобретение будет представлено на основе примера антенной конструкции, специально адаптированной для космического использования. Речь идет о конструкции типа антенны Грегори. Во всяком случае сущность изобретения не ограничивается этим типом антенной конструкции. Специалист может адаптировать изобретение к другим типам антенной конструкции, содержащей вторичный эллипсоидный рефлектор.
Фиг. 1 изображает упрощенную схему функциональных элементов, выполняющих функцию передачи и/или приема конструкции типа антенны Грегори. Антенна содержит первичный рефлектор 2 и вторичный рефлектор 1. Первичный рефлектор 2 имеет параболическую форму, концентрирующую РЧ-сигналы в фокус 21 параболы. Вторичный рефлектор 1 имеет эллипсоидную форму. В конструкции антенны Грегори источник отстоит от центральной оси вторичного рефлектора 1. Этот тип конструкции, содержащий отстоящий от центра источник, является конструкцией, называемой офсетной, и имеет то преимущество, что источник не расположен в поле радиочастотного пучка, что исключает, таким образом, потерю кпд. Использование вторичного рефлектора 1 эллипсоидной формы, позволяющее сместить источник, имеет два фокуса, первичный фокус 32 и вторичный фокус 31. В соответствии с основной характеристикой изобретения для конструкции типа антенны Грегори первичный рефлектор и вторичный рефлектор установлены вместе таким образом, что вторичный фокус 31 вторичного рефлектора совпадает с фокусом 21 первичного рефлектора 2 независимо от ориентации пучка 10.
Антенна содержит источник 3, излучение которого направлено к вторичному рефлектору 1. В соответствии с основным отличительным признаком изобретения в конструкции типа антенны Грегори источник установлен таким образом, что первичный фокус 32 вторичного рефлектора 1 будет совпадать с центром фазы источника 3 независимо от ориентации пучка. В соответствии с основным отличием изобретения источник 3 установлен неподвижно в конструкции антенны. Источник 3 предпочтительно закреплен на несущем основании 6. Таким образом, конструкция антенны с неподвижным источником позволяет исключить использование деформируемых волноводов или поворотных уплотнений.
Перемещение антенного пучка осуществляется, таким образом, путем выполнения первичного рефлектора 2 и вторичного рефлектора 1 подвижными относительно источника 3. Фиг. 2 и 3 представляют упрощенную схему антенной конструкции типа антенны Грегори на виде спереди и на виде сбоку. Для более ясного прочтения чертежей источник не изображен. Фазовый центр источника обозначен позицией 41. Конструкция антенны содержит несущее основание 6 и подвижный суппорт 7.
Несущее основание расположено на позиции 8 неподвижно относительно этой позиции. Эта позиция 8 изображает, например, обращенную к Земле поверхность спутника связи. Источник 3 установлен в конструкции антенны таким образом, что он также неподвижен относительно позиции 8. Предпочтительно источник 3 закреплен на несущей поверхности 6. Например, несущее основание 6 содержит нижнюю часть 61, покрывающую достаточную площадь для стабилизации сборки конструкции на спутнике. Две удлиненные боковые части 62 и 63, закрепленные с первой стороны на стабилизирующей поверхности 61, проходят от спутника, по существу, перпендикулярно стабилизирующей поверхности 61 симметрично относительно этой поверхности. Две боковые части 62 и 63 соединены вместе на их вторых концах продольной частью 64, служащей также для крепления соединительных средств 9 между несущим основанием 6 и подвижным суппортом 7.
Подвижный суппорт 7 установлен шарнирно на несущем основании 6 соединительными средствами 9, придающими подвижному суппорту 7 возможность перемещаться относительно источника 3 и, следовательно, относительно позиции 8, при этом источник 3 является действительно неподвижным относительно позиции 8. Подвижный суппорт 7 удерживает первичный рефлектор 1, как и вторичный рефлектор 2. Оба рефлектора являются неподвижными один относительно другого на подвижном суппорте 7, при этом средства крепления позволяют удерживать оба рефлектора на подвижном суппорте.
В соответствии с основным отличием изобретения соединительные средства 9 позволяют перемещать подвижный суппорт 7 вокруг по меньшей мере одной оси вращения 4, проходящей через фазовый центр 41 источника 3, и предпочтительно вокруг двух осей вращения 4 и 5, сходящихся в фазовом центре 41 источника 3. Две оси вращения 4 и 5 являются перпендикулярными одна относительно другой и позволяют перемещать рефлекторы вокруг источника 3 в нескольких различных положениях в конструкции в соответствии с необходимыми степенями свободы в зависимости от перемещения пучка.
Геометрия распространения РЧ-сигналов, передаваемых источником 3 в сборке, образованной первичным рефлектором 2 и вторичным рефлектором 1, сформирована таким образом, что основной фокус 32 вторичного рефлектора 1 локализован на фазовом центре источника 3, а вторичный фокус 31 вторичного рефлектора 1 совпадает с фокусом 32 основного рефлектора 2. Таким образом, каким бы ни было положение подвижного суппорта 7, оба рефлектора являются неподвижными один относительно другого и основной фокус 32 вторичного рефлектора постоянно удерживается локализованным на фазовом центре 41 источника 3. Геометрические свойства эллипсоидной формы вторичного рефлектора 1 удерживают также вторичный фокус 31 в одинаковом положении независимо от положения вторичного рефлектора вокруг одной или обеих осей вращения 4 и 5, сходящихся в фазовом центре 41 источника. Благодаря геометрии фокус основного рефлектора 2 также удерживается на уровне вторичного фокуса.
Соединительные средства 9 образованы, например, механической шарнирной деталью типа кардана. Кардан является механическим шарниром, служащим для передачи одного или двух движений вращения между сходящимися осями 4 и 5. Кардан предпочтительно размещен на уровне источника 3, закрепленного на части 64 удерживающего основания 6 таким образом, что оси вращения кардана сходятся в положении фазового центра 41 источника 3.
В рамках неограничивающего примера подвижный суппорт 7 может являться механической структурой, по существу, U-образной формы, содержащей центральную удлиненную часть 71 и две боковые удлиненные части 72 и 73 на уровне каждого из концов центральной части 71 и перпендикулярных центральной части. Одна боковая часть имеет, по существу, большую длину, чем вторая боковая часть. Кроме того, боковая часть 73, удерживающая первичный рефлектор 2, окружная длина которого больше вторичного рефлектора 1, выполнена длиной, большей длины боковой части 72, удерживающей вторичный рефлектор 2. Неизображенные средства крепления удерживают рефлекторы 2 и 1 на подвижном суппорте 7. Соединительные средства 9 связывают центральную часть 71 подвижного суппорта с несущим основанием 6. Несущее основание 6 является механической структурой, размеры которой обеспечивают подвижность сборки, образованной подвижной структурой 7 и рефлекторами 2 и 1. Источник 3, установленный на несущем основании 6, соединен, например, с электронным оборудованием полезной нагрузки спутника.
Для понимания сущности изобретения антенную конструкцию можно представить в виде люльки, в которой подвижный суппорт 7 балансирует между удлиненными боковыми частями 62 и 63 несущего основания 6, которое стабилизировано на позиции 8. Таким образом, рефлекторы 1 и 2 перемещаются вокруг источника 3.
Вследствие неподвижности источника 3 возникают многочисленные преимущества, среди которых антенная конструкция показывает улучшение радиочастотных характеристик и использование в полосе частот, для которых деформируемые волноводы не определены или не существуют. Антенная конструкция показывает также лучшую степень устойчивости по мощности и отсутствие функциональных ограничений, связанных с усталостной стойкостью деформируемых волноводов. Кроме того, могут быть использованы более простые механизмы, так как волноводы имеют меньшие моменты сопротивления.
Фиг. 4 более точно изображает рефлектор антенной конструкции, отражающий пучок в двух различных положениях. В первом положении 210 рефлектор отражает пучок 211 в направлении 212, а во втором положении 220 отражает пучок 221 в направлении 222. Отраженные пучки имеют заданный диаметр. В соответствии с особой характеристикой антенной конструкции рефлектор имеет диаметр, по существу, превышающий диаметр пучка, так что поверхность пучка будет постоянно покрыта рефлектором независимо от положения рефлектора. Действительно, так как источник является неподвижным, поверхность пучка расположена в той же локализации в конструкции. Ориентация пучка изменяется путем перемещения отражающей поверхности.
В рамках изобретения под рефлектором понимают любой тип поверхности, выполняющий функцию отражения РЧ-пучка, включая отражательные решетки, называемые «Reflect Array» (отражающая антенная решетка). Отражательная решетка является периодической отражающей поверхностью, образованной металлизированными ячейками, размещенными над плоскостью массы. Детальные электромагнитные исследования позволили определить оптимальный профиль этих ячеек, чтобы они могли отразить падающую волну с определенной электрической задержкой. Можно также получить то же излучение с отражающей антенной решеткой установленной поверхности, что и излучение сформированного рефлектора.
Фиг. 5а и 5b иллюстрируют моделирования передачи нескольких РЧ-пучков в несколько зон земной поверхности. Моделирование по фиг. 5а выполнено с использованием антенной конструкции из известного уровня техники, содержащей единственный подвижный рефлектор. Антенная конструкция нацеливает и перемещает пучок 102 в несколько зон земной поверхности. Круг 101 изображает кольцевую площадь, на которую падает пучок. Моделирования показывают деформацию пучка 102 в плоскости Восток/Запад и Север/Юг и «делокализацию» пучка 102 в плоскости пучков Север/Юг. Моделирования по фиг. 5b выполнены с антенной конструкцией, описанной формулой изобретения. Антенная конструкция нацеливает и перемещает пучок 103 в несколько зон земной поверхности. Круг 103 изображает кольцевую площадь, на которую падает пучок. Моделирования показывают отсутствие деформации и делокализации пучка 104.
Антенная конструкция используется в антенных установках для спутников со смещенным или несмещенным источником, содержащих, по меньшей мере, два рефлектора.