НЕНАКЛОННАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ ДИАПАЗОННАЯ ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
NON-INCLINED MULTIPLE MULTI-BEAM BAND DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехнике и предназначено для использования в качестве земных антенн спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ диапазонов, расположенными на краю видимого сектора геостационарной орбиты (ГСО) при одновременной работе с несколькими искусственными спутниками Земли (ИСЗ), каждый из которых работает в нескольких диапазонах частот.
Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических комплексов земных станций спутниковой связи для ИСЗ связи на геостационарной орбите. Может быть использовано для передачи и приема телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонах Известны ненаклонные к горизонту многолучевые двухзеркальные антенны [1], состоящие из системы облучателей, расположенных на дуге окружности, основного зеркала-рефлектора, имеющего форму параболы в плоскости, ортогональной дуге окружности расположения облучателей и наклоненной относительно горизонта, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде соосного параболе эллипса, вогнутого в сторону рефлектора, в той же наклоненной плоскости, сечения которых в плоскости дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге облучателей и имеющие по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно. Дуга окружностей облучателей проходит через фокус эллипса, приближенного к рефлектору. Такие антенны позволяют формировать веерную диаграмму направленности (ДН), плоскость веера которой соответствует наклону рабочего участка геостационарной орбиты при горизонтальном положении рефлектора для одновременной радиосвязи с несколькими ИСЗ, расположенными на краю видимого сектора ГСО. К недостаткам такой антенны относится пониженная ее эффективность при одновременной работе на нескольких диапазонах частот на каждый облучатель, вызванная потерями электромагнитной энергии в устройстве совмещения диапазонов частот.
Предлагается ненаклонная многолучевая диапазонная двухзеркальная антенна повышенной эффективности, состоящая из системы облучателей, расположенных на дуге окружности, основного зеркала-рефлектора, имеющего форму параболы в плоскости, ортогональной дуге окружности расположения облучателей и наклоненной относительно горизонта, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде соосного параболе эллипса, вогнутого в сторону рефлектора, сечения которых плоскостью дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге облучателей и имеют по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно, дуга окружностей облучателей проходит через фокус эллипса, приближенного к рефлектору. При этом на дуге облучателей, проходящей через фокус эллипса, удаленный от рефлектора, размещен дополнительный облучатель.
Известны двухзеркальные осесимметричные антенны с рефлектором в виде параболоида, контррефлектора в виде части эллипсоида, один из фокусов которого совпадает с фокусом параболоида, а во втором размещается облучатель (схема Грегори) [2]. Недостатком такой антенны является режим формирования одиночной диаграммы направленности.
Известны так же ненаклонные многолучевые двухзеркальные антенны [3] тороидально-параболические антенны для работы с ИСЗ на наклонной части ГСО, состоящие из рефлектора в виде вырезки из наклоненного параболического тора, контррефлектора и системы облучателей, расположенных на дуге окружности. Такие антенны позволяют формировать веерную (многолучевую) диаграмму направленности для одновременной работы с несколькими ИСЗ на наклонной части геостационарной орбиты. Недостатком такой антенны является невозможность одновременной работы каждого из облучателей в двух диапазонах частот без использования устройства совмещения диапазонов частот, снижающего эффективность антенны.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности двухзеркальной антенны при сохранении веерной диаграмм направленности и одновременной работе в двух диапазонах частот
Для этого предлагается ненаклонная многолучевая диапазонная двухзеркальная антенна, состоящая из системы облучателей, расположенных на дуге окружности, основного зеркала-рефлектора, имеющего форму параболы в плоскости, ортогональной дуге окружности расположения облучателей и наклоненной относительно горизонта, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде соосного параболе эллипса, вогнутого в сторону рефлектора, сечения которых в плоскости дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге облучателей и имеющие по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно, дуга окружностей облучателей проходит через фокус эллипса, приближенного к рефлектору, при этом на дуге облучателей, проходящей через фокус эллипса, удаленный от рефлектора установлен дополнительный облучатель
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - многолучевая ненаклонная диапазонная двухзеркальная антенна, вид со стороны контррефлектора, где
- рефлектор - 1;
- контррефлектор - 2;
- облучатель - 3. Этих облучателей может быть несколько;
- дополнительный облучатель - 4. Этих дополнительных облучателей может быть несколько;
- горизонтальная плоскость - 5;
- вертикальная плоскость - 6;
- ось - 7. Это наклонная ось, ортогональная направлению на наклонный участок обслуживаемой ГСО касательная к вершине параболы, образующей поверхность 1 в центре рефлектора;
- наклонная ось - 8. Наклонная ось - 8 ортогональная оси - 7;
- наклонная ось - 9. Наклонная ось - 9, касательная параболе в ее вершине, параллельная оси - 7, расположенная по оси - 8, правее оси - 7;
- наклонная ось - 10; Наклонная ось - 10, касательная параболе в ее вершине, параллельная оси - 7, расположенная по оси - 8, левее оси - 7;
Фиг. 2 - сечение антенны плоскостью, проходящей через ось - 7 и центр окружности дуги облучателей 3, обозначения те же;
Фиг. 3 - сечение антенны плоскостью, проходящей через ось - 10 и центр окружности дуги облучателей 3, обозначения те же;
Фиг. 4 - сечение антенны плоскостью, проходящей через ось - 9, и центр окружности дуги облучателей 3, обозначения те же;
Фиг. 5 - многолучевая ненаклонная диапазонная двухзеркальная антенна, вид сечения плоскостью, ортогональной оси - 7, проходящей через ось - 8, точку на фокальной оси параболоида, удаленную от вершины параболы на расстоянии двух ее фокусных расстояний, где
- дуга окружности расположения облучателей - 11;
- дуга размещения дополнительных облучателей 4 - 12;
- веер парциальных диаграмм направленности - 13;
Многолучевая ненаклонная диапазонная двухзеркальная антенна с рефлектором 1 в виде тора, образованного вращением параболы относительно оси, параллельной оси-7, радиусом вдвое превышающим фокусное расстояние параболы, с контррефлектором 2 в виде эллиптического тора, соосного параболе, образованного вращением вокруг упомянутой оси (фиг. 1) содержит облучатель 3 и ему подобные в фокусах эллипса, наиболее близких к вершине рефлектора 1.
При подключении к облучателю 3 и ему подобным, размещаемым на дуге окружности расположения облучателей 11 (фиг. 5) высокочастотного генератора, облучатель 3 излучает электромагнитное поле в сторону контррефлектора 2 и его верхнего и нижнего краев, которые в геметрооптическом смысле рассматриваются в виде лучей. Эти и все другие лучи, отраженные от контррефлектора 2, пересекаются в фокусе эллипса, удаленного от рефлектора 1 и совпадающим с фокусом параболы. Картина отражения лучей от рефлектора в плоскости, проходящей через ось-7 и центр окружности дуги облучателя 3, представлена на фиг. 2.
Благодаря геометрическим свойствам сечения контррефлектора 2 в виде эллипса расстояния от фокуса размещения облучателя 3 до любой точки на поверхности эллипса и далее после отражения от контррефлектора 2 и пересечения этих лучей во втором фокусе эллипса, удаленном от рефлектора, и совпадающим с положением фокуса рефлектора, и после отражения от него формируется плоская волна в направлении фокальной оси антенны (фиг. 2). Плоская волна формирует в дальней зоне антенны направленное излучение.
Картина отражения лучей от рефлектора 2 в плоскости, проходящей через ось - 10 и центр окружности дуги одного из облучателей 3, представлена на фиг 3. Геометрические свойства параболы и эллипса в этом сечении формируют сферическую волну в направлении фокальной оси параболы для этого сечения. Поскольку положение образующих рефлектор 1 и контррефлектор 2 параболы и эллипса в этом сечении антенны относительно фокальной оси изменяется (фиг 3), для сохранения эффективности формируемого луча для этого направления облучатель 3 может быть наклонен относительно положения фокальной оси этого направления.
Картина отражения лучей от рефлектора 2 в плоскости, проходящей через ось - 9 и центр окружности дуги одного из облучателей 3, представлена на фиг 4. Геометрические свойства параболы и эллипса в этом сечении формируют сферическую волну в направлении фокальной оси параболы и эллипса этого сечения. Поскольку положение образующих рефлектор 1 и контррефлектор 2 параболы и эллипса в этом сечении антенны относительно фокальной оси изменяется (фиг 4), для сохранения эффективности формируемого луча для этого направления облучатель 3 так же наклонен относительно положения фокальной оси этого направления.
Облучатели 3 расположены в фокусе эллипса, поэтому пересекаясь в фокусе параболы после отражения от контррефлектора 2, формируют в наклонной плоскости дуги размещения облучателей направленное излучение параллельное фокальной оси этого сечения.
Таким образом, в наклонной плоскости дуги размещения облучателей 3, совпадающей с наклоном участка ГСО, формируется наклонный веер парциальных диаграмм направленности антенны вдоль радиусов дуги размещения облучателей, соответствующий наклону отрезка геостационарной орбиты.
При размещении одного из возможных дополнительных облучателей 4 на дуге размещения, проходящей через фокус эллипса контррефлектора 2, удаленный от рефлектора 1, этот облучатель находится одновременно и в фокусе параболы рефлектора 1. При этом поле в виде лучей от дополнительного облучателя 4, попадая из фокуса параболы, образующей поверхность рефлектора 1 на его поверхность, формируют излучение в направлении его фокальной оси.
Из-за размещения дополнительного облучателя 4 не только в фокусе наклоненной параболы, но и на дуге их размещения, проходящей через фокус эллипса контррефлектора 2, удаленный от рефлектора 1, с дополнительными облучателями 4 формируется так же наклонный веер парциальных диаграмм направленности антенны, как и от облучателей 3, и парциальная диаграмма, формируемая дополнительным облучателем 4 и ему подобными направлена на свой ИСЗ. При этом первичные облучатели 3 являются основными, дополнительные облучатели 4 могут лежать на радиусах, общих для окружностей размещения дополнительных облучателей 4 - 12 и окружности расположения облучателей - 11, поэтому лучи веера парциальных диаграмм антенны от облучателей 3 и дополнительно установленных облучателей 4 совпадают по направлению.
Дополнительно установленные облучатели 4 расположены на половине радиуса дуги окружности размещения, равного удвоенному фокусному расстоянию параболы рефлектора 1 и расположены в фокусе параболы. Это создает наклоненный веер парциальных диаграмм направленности 13 в плоскости дуги окружности размещения дополнительных облучателей 4, концентрической с дугой окружности размещения облучателей 3 и окружностями, образующими наклонные параболический и эллиптический торы. При размещении облучателей 3 и установленных дополнительных облучателей 4 на одном радиусе дуги окружности размещения дополнительных облучателей 4 и дуги окружности размещения облучателей 3 направления парциальных диаграмм от таких облучателей совпадают и направлены на один и тот же ИСЗ в составе ИСЗ на наклонной части ГСО. Это используется для одновременной передачи и приема от каждого из спутников двух различающихся диапазонов часто - один диапазон частот на облучатели 3, другие диапазоны частот от этого же ИСЗ на дополнительно установленные дополнительные облучатели - 4. Установленные дополнительные облучатели так же могут быть установлены наклонно к фокальной оси [4].
Для одновременной работы в двух диапазонах в известных ненаклонных антеннах используют один облучатель для каждого ИСЗ совместно с устройством разделения диапазонов частот [5], вносящим дополнительные потери и снижающим коэффициент усиления антенны и шумовую температуру антенны. Использование дополнительного облучателя 4 и ему подобных позволяет принимать дополнительную информацию в другом диапазоне частот, что существенно повышает ее эффективность.
В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется пространственной селекцией диапазонов путем приема одного из диапазонов на первичный облучатель 3, а другого диапазона от того же источника на дополнительный облучатель 4. Кроме этого ненаклонная антенна имеет и конструктивные преимущества перед наклонной, поскольку не нужно поднимать один край крупногабаритного рефлектора на значительную высоту над поверхностью почвы [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. A.M. Сомов, А.В. Бабинцев. Многолучевая двухзеркальная антенна для приема сигналов со спутников, находящихся на краю видимого сектора ГСО. Патент РФ №2446524.
2. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. (под редакцией Г.З. Айзенберга, в 2-х ч)., ч 2, - М., 1977. 288 с.; ил.
3. Сомов A.M. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи. - М., Горячая Линия - Телеком, 2015, 456 с.; ил.
4. Сомов A.M., Покрас A.M. К определению угла наклона облучателя в виде несимметричной параболической Вырезки. - М., Радиотехника, т. 26, №3.
5. Сомов А.М., Пугачев А.В. Каскад приемного устройства СВЧ с разделением ортогональных поляризаций двух диапазонов частот. Патент РФ №2136088, 1999 г.