МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ АНТЕННА
MULTIBEAM SCANNING MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в приемных и радиолокационных системах, строящихся на базе последних научно-технических достижений. Так появление реверсивных материалов обеспечило возможность создания антенных систем нового поколения ([1] - Патент Украины №85503, заявка №а200608440 от 27.07.2006 г., «Многолучевая зеркальная сканирующая антенна», опубликовано 26.01.2009 г., бюл. №2, [2] - Патент Украины №94991, заявка №а200909356 от 11.09.2009 г. «Многолучевая зеркальная сканирующая антенна», опубликовано 25.06.2011, бюл. №12, [3] - Патент Украины №99012, заявка №а201012993 от 01.11.2010 г. «Зеркальная сканирующая антенна», опубликовано 10.07.2012, бюл. №13, [4] - Патент Украины №85504, заявка №а200608581 от 31.07.2006 г. «Многолучевая зеркальная антенна», опубликовано 26.01.2009 г., бюл. № 2).
В частности, в [1] приведена антенна (фиг.1), содержащая основное (1) и дополнительное (2) параболические зеркала, выполненные из радиопрозрачного материала, при этом внутренняя поверхность основного параболического зеркала и наружная поверхность дополнительного параболического зеркала покрыты реверсивным материалом, два источника управляющих сигналов (4), первый из которых расположен в раскрыве основного параболического зеркала, а второй - на обратной стороне дополнительного параболического зеркала, облучатели (3), расположенные на фокальном кольце с возможностью перемещения в плоскости фокального кольца, причем фокус основного параболического зеркала совпадает с фокусом дополнительного параболического зеркала.
Сигналы (6) источников управляющих сигналов (4) создают на соответствующих поверхностях основного и дополнительного параболических зеркал (покрытых реверсивным материалом) отражающие поверхности (5), за счет чего, в свою очередь, формируются основные лучи диаграммы направленности антенны (7). Таким образом, в соответствии с заданным сектором сканирования, шириной лучей диаграммы направленности и усилением антенны выбирается зеркало, которое будет находиться в режиме отражения электромагнитных волн, а также источник управляющих сигналов, который будет воздействовать сигналами управления на выбранное зеркало. При этом другое зеркало, на которое не воздействуют сигналы управления, находится в режиме пропускания электромагнитных волн. Сканирование осуществляется за счет использования группы подвижных облучателей.
Недостатками такой антенны являются: 1) наличие высокоскоростных механически подвижных деталей - облучателей, перемещение которых осуществляется в плоскости фокального кольца; 2) ограниченность угловых размеров сектора сканирования из-за формы зеркал и их стационарного положения.
Известна также многолучевая зеркальная сканирующая антенна [2], отличительным признаком которой, от рассмотренной выше, является форма вспомогательного зеркала: вертикальный профиль в форме дуги круга в верхней части и в форме части параболы - в нижней части, а горизонтальный профиль - парабола.
Недостатками такой антенны являются: 1) наличие высокоскоростных механически подвижных деталей - облучателей, перемещение которых осуществляется в плоскости фокального кольца; 2) ограниченность угловых размеров сектора сканирования из-за формы зеркал и их стационарного положения.
Известна также зеркальная сканирующая антенна [3], отличительным признаком которой, от рассмотренных выше, является форма зеркала - в виде цилиндра. Антенна (фиг.2) содержит зеркало (1), выполненное из радиопрозрачного материала и покрытое реверсивным материалом, облучатель (2) и источник управляющих сигналов (4), расположенный с обратной стороны зеркала. Облучатель расположен с внутренней стороны цилиндра на расстоянии r от его оси, равном 0,4…0,6 от радиуса основания цилиндра. Облучатель и источник управляющих сигналов установлены с возможностью синхронного вращения вокруг зеркала, при этом источник управляющих сигналов световыми сигналами (6) формирует на внешней поверхности цилиндра отражающие поверхности (5), а (2) облучает внутреннюю поверхность цилиндра той же формы (3).
Недостатками такой антенны являются: 1) отсутствие многолучевого режима работы; 2) наличие высокоскоростных механически подвижных деталей - облучателя и источника управляющих сигналов, перемещение которых осуществляется относительно оси цилиндра; 3) ограниченность угловых размеров сектора сканирования в плоскостях, перпендикулярных основанию цилиндрического зеркала, из-за формы зеркала и его стационарного положения в указанных плоскостях.
Известна также многолучевая зеркальная антенна [4], взятая за прототип и содержащая (фиг.3) зеркало (1), выполненное в форме радиопрозрачной сферы, внутренняя поверхность которой покрыта реверсивным материалом, облучатели (2), имеющие возможность перемещения по фокальной области (3), а также источник управляющих сигналов (4). При этом источник управляющих сигналов управляющими сигналами (6) формирует на внутренней поверхности сферы отражающие поверхности (5), которые совместно с облучателями формируют многолучевую (7) диаграмму направленности антенны.
Недостатком прототипа является наличие в нем высокоскоростных механически подвижных облучателей, имеющих высокую скорость движения в режиме сканирования больших угловых секторов за ограниченное время.
Целью изобретения является создание антенной системы с минимальным количеством подвижных элементов и расширение функциональных возможностей.
Для достижения указанной цели предлагается многолучевая зеркальная сканирующая антенна, содержащая зеркало, выполненное в форме радиопрозрачной сферы, внутренняя поверхность которой покрыта реверсивным материалом, облучатели, расположенные в фокальной сфере, а также источник управляющих сигналов.
Согласно изобретению два облучателя выполнены в форме окружностей, расположенных вертикально в фокальной сфере под углом 90° относительно друг другу, а сканирование в вертикальной области осуществляется от устройства управления, которое может быть реализовано на базе ПЭВМ через источник управляющих сигналов с привязкой по времени, при этом привязка по времени обеспечивает определение направления излучения по каждой точке сканирования в вертикальной плоскости.
При таком построении многолучевой зеркальной сканирующей антенны скорость вращения облучателей сокращается в четыре раза по сравнению с прототипом при применении в нем линейки облучателей, расположенных по линии - половине окружности в фокальной сфере, или существенно сокращается число подвижных облучателей при применении в прототипе четырех линеек облучателей, расположенных по линиям - половинам окружности в фокальной сфере. Полученный эффект достигается одновременно применением облучателей в форме окружностей и формированием УУ согласованных по времени сигналов управления.
На фиг.1 приведена схема антенны [1] 1-го аналога, на фиг.2 приведена схема антенны [3] 2-го аналога, на фиг.3 приведена схема антенны [4] прототипа.
На фиг.4 изображено конструктивное построение антенны, а на фиг.5 - примерная схема сканирования для одного из облучателей.
1
2
Антенна (фиг.4) содержит сферическое радиопрозрачное зеркало (1), внутренняя поверхность которого покрыта реверсивным материалом (2). В фокальной области размещены два облучателя (3, 3), расположенных вертикально под углом 90° относительно друг друга.
1
2
Управление сканированием в вертикальной области осуществляется УУ (4) через распределенный источник управляющих сигналов (5). Применение распределенного источника позволяет обеспечить отсутствие затенения реверсивного материала элементами конструкции антенны. На фиг.4 показано примерное положение элементов распределенного источника управляющих сигналов (5). Последовательность, направленность и продолжительность сигналов управления задается УУ (4) и согласуется им со скоростью вращения облучателей (3, 3).
Антенна работает следующим образом.
1
2
1
2
УУ (4) воздействует на источник управляющих сигналов (5), который формирует два управляющих сигнала (например, лучи света определенной формы), воздействующих на реверсивный материал (2) в согласованных с положением облучателей (3, 3) областях зеркала (1). Таким образом, при фиксированном положении облучателей (3, 3) одновременно осуществляется сканирование в двух вертикальных плоскостях, расположенных под углом 90° относительно друг друга, т.е. осуществляется сканирование по углу места в четырех азимутальных направлениях. Примерная схема сканирования для одного из облучателей показана на фиг.5. На фиг.5 обозначено: 1 - сферическое радиопрозрачное зеркало, 2 - реверсивный материал, 3 - облучатель, 4.1-4.n - положение отражающей поверхности, сформированной сигналами управления, в разные моменты времени.
Развязка по двум направлениям сканирования обусловлена конструктивными особенностями сферических антенн - относительным положением фокальной сферы и размерами отражающих поверхностей сферического зеркала, задействованных для формирования диаграммы направленности антенны в направлениях, определяемых двумя вертикальными плоскостями, расположенными под углом 90° относительно друг друга.
1
2
1
2
1
2
Сканирование в горизонтальной плоскости (по азимуту) осуществляется путем вращения облучателей (3, 3), при этом вращение облучателей (3, 3) осуществляется со скоростью в четыре раза меньше, чем при использовании одного точечного облучателя при фиксированном угле места или линейки облучателей, расположенных по линии - половине окружности в фокальной сфере, поскольку сканирование в вертикальной области (по углу места) осуществляется при одном положении облучателей (3, 3) одновременно по четырем направлениям (по азимуту).
Наличие УУ (4) обеспечивает возможность задания различных режимов работы антенны, определяемых порядком и скоростью сканирования элементов пространства.
В результате использования изобретения получен следующий технический эффект:
- сокращена скорость вращения облучателей при их малом числе;
- расширены функциональные возможности антенны за счет программного задания различных режимов работы.