МНОГОЛУЧЕВАЯ ОДНОЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ СО СПУТНИКОВ, НАХОДЯЩИХСЯ НА КРАЮ ВИДИМОГО СЕКТОРА ГСО
MULTIBEAM SINGLE-REFLECTOR ANTENNA FOR RECEIVING SIGNALS FROM SATELLITES ON EDGE OF VISIBLE GEOSTATIONARY ORBIT SECTOR

Изобретение относится к антеннам и предназначено для использования в составе радиотехнических устройств спутниковой связи в ОВЧ и УВЧ диапазонах.
Известны конструкции многолучевых зеркальных антенн, позволяющие осуществить формирование нескольких отклоненных диаграмм в некотором секторе углов (пат. RU 2380802, Н01Q 19/19, 2336615, Н01Q 15/00, 2181519, Н01Q 19/18, 2342748, Н01Q 19/10, пат. США 4786910, Н01Q 25/100).
Из известных конструкций наиболее близкой по технической сущности является многолучевая антенна (МЛА), описанная в статье Сомова и Бабинцева «Многолучевая зеркальная антенна для спутниковых систем связи» (сборник научных статей «Труды НИИР», 2010 г., №1, стр.35-42), которая способна принимать сигналы одновременно от каждого из нескольких искусственных спутников Земли (ИСЗ), находящихся на геостационарной орбите (ГСО), через парциальную диаграмму (луч). Антенна содержит параболическое зеркало, имеющее прямоугольную форму раскрыва и формирующееся путем вырезки из рефлектора, образованного путем вращения параболы, и решетку облучателей, расположенных в фокусах зеркала.
К одному из недостатков такой конструкции МЛА относится неудобство приема сигналов со спутников, находящихся на «краях» видимого сектора ГСО, которое выражается в том, что антенну необходимо располагать под наклоном к земной поверхности.
Технический результат заключается в обеспечении высокого коэффициента усиления многолучевой однозеркальной антенны, специально предназначенной для приема сигналов с «краевых» спутников, которую не нужно устанавливать наклонно к земной поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается многолучевая антенна, содержащая зеркало, которое представляет собой вырезку части поверхности из поверхности, образованной вращением параболы вокруг оси, лежащей в плоскости параболы и перпендикулярной фокальной оси параболы, и линейку облучателей, расположенных на середине радиуса вращения и в фокусе параболы, причем вырезка осуществляется из поверхности, образованной вращением параболы относительно оси, наклоненной под углом, равным углу наклона обслуживаемого участка геостационарной орбиты к линии горизонта, к нормали к плоскости, проходящей через точку размещения антенны и две бесконечно близко расположенные к центру обслуживаемого участка геостационарной орбиты точки, так что верхняя и нижняя кромки зеркала расположены параллельно указанной плоскости, а линия размещения облучателей наклонена к указанной плоскости.
В декартовой системе координат поверхность зеркала МЛА описывается следующей формулой:
З
L
Т
где α - угол наклона к линии горизонта обслуживаемого видимого участка ГСО; R - радиус окружности зеркала антенны; D - размер раскрыва антенны в продольной плоскости; D - размер раскрыва антенны в поперечной плоскости; x, y, z - координаты. Начало координат - расположение «центрального» облучателя, принимающего сигнал со спутника, находящегося посередине обслуживаемого сектора ГСО.
Линия расположения фазовых центров облучателей антенны в той же декартовой системе координат описывается формулой:
При наводке облучателя на обслуживаемый спутник в силу нелинейности видимого участка ГСО фазовый центр облучателя будет немного отстоять от указанной выше линии, что приводит к незначительному понижению коэффициента усиления антенны.
Для пояснения устройства предлагаемой антенны используются фиг.1 - изображение антенны в декартовой системе координат в трех различных проекциях, фиг.2 - парабола и ось вращения, фиг.3 - видимый участок ГСО, фиг.4 - расположение диаграмм направленности, фиг.5 - ход лучей в геометрооптическом представлении.
Антенна содержит рефлектор 1 и линейку облучателей, фазовые центры которых расположены на линии 2 (фиг.1). На фиг.1 также изображена ось вращения 3.
Зеркало (рефлектор) 1, используемое для формирования поля отраженной волны с плоским фазовым фронтом в режиме передачи или квазисферической волны в режиме приема, выполнено в виде вырезки части поверхности из поверхности, образованной вращением параболы относительно оси, лежащей в плоскости параболы и перпендикулярной ее фокальной оси (фиг.2), наклоненной под углом α к нормали к плоскости, проходящей через точку размещения антенны и две бесконечно близко расположенные к центру обслуживаемого участка (фиг.3) геостационарной орбиты точки. Причем верхняя и нижняя кромки зеркала расположены параллельно указанной плоскости. Угол α равен углу наклона обслуживаемого участка ГСО (фиг.3) к линии горизонта.
З
Линейка облучателей, фазовые центры которых расположены на линии 2 (фиг.1), состоит из облучателей, в качестве которых могут быть использованы рупорные, спиральные, щелевые и др. одиночные или групповые (кластерные) излучатели, что не влияет на суть заявляемого решения, но обладающие фазовым или "частичным фазовым" центром. Линия 2 расположена в плоскости вращения фокальной оси параболы и является частью окружности с радиусом R/2 и с центром на оси вращения 3. Плоскость расположения линии 2 наклонена к плоскости, проходящей через точку размещения антенны и две бесконечно близко расположенные к центру обслуживаемого участка геостационарной орбиты точки, под углом α.
Предложенная антенна на передачу работает следующим образом (фиг.5). Каждый облучатель излучает электромагнитное поле со сферическим фазовым фронтом в пределах угла раскрыва рефлектора. Геометрооптические лучи этих полей отражаются в соответствующих точках зеркала и формируют отраженные волны с плоским фазовым фронтом. Места расположения и ориентации облучателей относительно зеркала определяются расположением обслуживаемых спутников на ГСО.
В режиме приема предложенная антенна работает следующим образом (фиг.5). Геометрооптические лучи парциальных диаграмм направленности, приходящие на зеркало в виде волн с плоским фазовым фронтом, отражаются от зеркала, концентрируясь в фокусе зеркала, где и устанавливается фазовый центр облучателя.
Предлагаемое изобретение позволяет сформировать набор парциальных диаграмм направленности, пример которых изображен на фиг.4. На рисунке по оси абсцисс отложены углы в радианах, по оси ординат - уровень диаграммы направленности в дБ.
Предлагаемое изобретение позволяет принимать сигналы со спутников, находящихся на краю видимого участка ГСО, без необходимости наклонять антенну к плоскости горизонта.
Возможны различные модификации предлагаемого изобретения, что не меняет суть рассматриваемой конструкции, т.е. заявленное в изобретении решение является общим для однозеркальных антенн, формирующих многолучевую диаграмму направленности.
Источники информации
1. Сомов A.M., Бабинцев А.В. Многолучевая зеркальная антенна для спутниковых систем связи // Труды НИИР. - 2010. - №1. - С.35-42.
2. Айзенберг Г.3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.1. - М.: Связь, 1977. - 382 с.
3. Айзенберг Г.3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.2. - М.: Связь, 1977. - 288 с.