ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА
TELEMETRIC ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, в частности к двухзеркальным антеннам с воронкообразной диаграммой направленности, и может быть использовано в технике связи, особенно на борту космического объекта для связи с Землей с целью картографирования поверхности Земли.
Известны двухзеркальные антенны, содержащие рассеивающее зеркало со смещенной осью, облучатель в виде рупора [1]. Однако эти антенны имеют большие габариты и не обеспечивают получение воронкообразной диаграммы направленности, близкой к идеальной.
Наиболее близкой к предложенной антенне является антенна, описанная в [2]. Эта антенна содержит рассеивающее зеркало, облучаемое скрещенными симметричными вибраторами, помещенными в ступенчатый цилиндрический рупор (облучатель). Однако эта антенна имеет большие габариты, не обеспечивая идеальную воронкообразную диаграмму направленности, то есть равномерную величину электромагнитного излучения в возможном диапазоне приема этого сигнала на наземных измерительных пунктах (НИП).
Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов конструкции при обеспечении воронкообразной формы равномерной диаграммы направленности в возможном диапазоне приема НИП.
Поставленная задача решается тем, что рассеивающее зеркало имеет форму конуса, облучатель выполнен в виде открытого конца круглого волновода диаметром 1,3λ с волной Н11 эллиптической поляризации и шириной диаграммы направленности по уровню 0,5, равной 2λ, соосно с которым установлен диэлектрический полый стакан, жестко закрепленный одним торцом на рабочей стороне рассеивающего зеркала, а на другом торце указанного стакана установлен контррефлектор, поверхность которого, обращенная к волноводу, представляет собой поверхность вращения дуги окружности относительно центральной оси рассеивающего зеркала, при этом длина стягивающей хорды упомянутой дуги равна половине ширины диаграммы направленности облучателя по уровню 0,5 и равна λ, причем на поверхности диэлектрического полого стакана выполнены сквозные отверстия диаметром λ/4, а контррефлектор по периметру имеет чередующиеся зубцы и пазы одинаковой ширины [3], равной λ/4, при этом диаметр контррефлектора равен ширине диаграммы направленности облучателя по уровню 0,5 и составляет 2λ, а диаметр окружности торца указанного стакана равен λ, кроме того, на рабочей поверхности контррефлектора, по окружности радиусом λ/2 выполнены с одинаковым шагом, равным λ/2, сквозные гантелеобразные щели, при этом половина периметра каждой из них равна λ/2.
С целью обеспечения механических свойств, уменьшения диэлектрических потерь и влияния диэлектрика на электромагнитное поле антенны стакан выполнен полым со сквозными отверстиями.
Заявляемая антенна отличается от прототипа тем, что:
- рассеивающее зеркало имеет форму конуса;
- в роли элемента связующего звена между двумя зеркалами применяется диэлектрический полый стакан со сквозными отверстиями;
- контррефлектор выполнен в виде зеркала с чередующимися зубцами и пазами и сквозными гантелеобразными щелями внутри зеркала;
- облучение контррефлектора обеспечивается открытым концом круглого волновода с волной H11 эллиптической поляризации;
- получение эллиптической поляризации обеспечивается поляризатором, выполненным в виде металлических штырей, помещенных в полость круглого волновода на расстоянии λ/4 друг от друга.
Таким образом, заявляемая антенна соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемой антенны, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».
На фиг.1 представлено сечение антенны, на фиг.2 представлен вид сверху контррефлектора, на фиг.3 представлена диаграмма направленности облучателя 9.
Антенна содержит рассеивающее зеркало 1, круглый волновод 2, диэлектрический полый стакан со сквозными отверстиями 3, контррефлектор 4, поляризатор 5, чередующиеся зубцы 6 и пазы 7, сквозные гантелеобразные щели 8.
Антенна работает следующим образом. Электромагнитная волна Н11 эллиптической поляризации, полученная с помощью проляризатора 5, установленного на входе антенны через открытый конец круглого волновода 2, который является облучателем с диаграммой направленности 9, изображенной на фиг.3 [4], облучает контррефлектор 4. Отраженная от контррефлектора волна попадает на рассеивающее зеркало 1, которое в свою очередь вторично отражает волну в пространство, тем самым формируя воронкообразную диаграмму направленности. Чередующиеся зубцы 6, пазы 7, гантелеобразные щели 8 формируют необходимый уровень коэффициента усиления в центральной части диаграммы направленности.
Диаметр облучателя выбран равным 1,3λ, для существования волны Н11 [5] и получения необходимой диаграммы направленности шириной по уровню 0,5 равной 2λ [4], для оптимального облучения контррефлектора, диаметр которого также равен 2λ (фиг.3).
Для получения воронкообразной диаграммы направленности в прототипе применяется рассеивающее зеркало, облучаемое скрещенными симметричными вибраторами, помещенными в цилиндрический ступенчатый рупор. Такое построение антенны не обеспечивает достаточно равномерное распределение электромагнитной энергии на поверхности рассеивающего зеркала, за счет применения неоднородностей в облучателе, таких как скрещенные симметричные вибраторы, коаксиальная запитывающая линия, находящаяся в центре рассеивающего зеркала.
В заявляемой антенне используется принцип действия двухзеркальных антенн. Он состоит в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой открытым концом круглого волновода, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: рассеивающего зеркала и контррефлектора с соответствующими профилями. Причем для получения требуемого уровня коэффициента усиления в центральной части диаграммы направленности открытый конец круглого волновода облучает контррефлектор необходимым оптимальным уровнем.
Для предотвращения нулевых провалов в диаграмме направленности, возникающих за счет интерференции двух электромагнитных волн, одна из которых отражается от рассеивающего зеркала, другая появляющаяся в результате переоблучения контррефлектора открытым концом круглого волновода применены чередующиеся зубцы и пазы, расположенные по периферии контррефлектора, и гантелеобразные щели, расположенные внутри контррефлектора.
Зубцы и пазы с шириной, равной λ/4, диэлектрический стакан с диаметром окружности торца, равным λ, материал стакана с диэлектрической проницаемостью ε. Сквозные гантелеобразные щели, представляющие из себя классические диполи (6) на рабочей поверхности контррефлектора и расположенные по окружности радиусом λ/2, выполненные с одинаковым шагом, равным λ/2, составляют сложную резонансную структуру, полученную экспериментальным путем, и создают необходимые условия для работы этой структуры. Такая резонансная структура позволяет оптимально направить и распределить необходимый уровень мощности электромагнитной волны в зону нулевых провалов.
Для оценки влияния зубцов, пазов и гантелеобразных щелей на диаграмму направленности антенны на фиг.4-фиг.7 представлены результаты измерений диаграмм направленности с различным количеством зубцов и щелей:
- на фиг.4 представлены диаграммы направленности:
1) идеальная диаграмма направленности 10;
2) оптимальная диаграмма направленности 11, полученная в результате заявленного технического решения;
- на фиг.5 представлены диаграммы направленности:
1) идеальная диаграмма направленности 10;
2) диаграмма направленности 12, полученная с контррефлектором диаметром 2λ, без зубцов, пазов и щелей;
- на фиг.6 представлены диаграммы направленности:
1) идеальная диаграмма направленности 10;
2) диаграмма направленности 13, полученная с контррефлектором диаметром 2λ, с 3-мя щелями по окружности радиусом λ/2 и с шагом λ/3, оптимальным количеством зубцов;
- на фиг.7 представлены диаграммы направленности:
1) идеальная диаграмма направленности 10;
2) диаграмма направленности 14, полученная с контррефлектором диаметром 2λ, с уменьшенным количеством зубцов в два раза и оптимальным количеством щелей.
В результате измерений было выявлено влияние зубцов, пазов и гантелеобразных щелей на зону от 10° до 40° по оси Θ (фиг.4) в виде подъема провалов в диаграмме направленности.
Таким образом, применяя рассеивающее зеркало в форме конуса и контррефлектор с оптимальным количеством зубцов, пазов и гантелеобразных щелей такое, как в заявленном техническом решении, мы добиваемся получения оптимальной диаграммы направленности, приближенной к идеальной (фиг.3).
Основными достоинствами такой антенны являются:
- повышение коэффициента использования поверхности раскрыва рассеивающего зеркала антенны, так как наличие контррефлектора облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности рассеивающего зеркала;
- возможность получения необходимого уровня коэффициента усиления в центральной части диаграммы направленности, меняя количество, периодичность, размеры зубьев и щелей;
- конструктивные удобства, в частности уменьшение габаритов антенны в 3,6 раза по сравнению с прототипом.
Технико-экономическая эффективность предложенной антенны обусловлена уменьшением габаритов в 3,6 раза.
Испытания промышленного образца предлагаемой антенны подтвердили соответствие технических характеристик поставленным целям.
Источники информации
1. Г.З.Айзенберг и др. «Антенны УКВ», том 2.
2. Экспресс-информация «Радиотехника сверхвысоких частот» №36, 1987 г., стр.5.
3. Г.Т.Марков «Антенны», 1960 г.
4. М.С.Жук, Ю.Б.Молочков «Проектирование антенно-фидерных устройств», 1960 г., стр.508.
5. А.Л.Фельдштейн, Л.Р.Явич, В.П.Смирнов «Справочник по элементам волноводной техники», 1967 г., стр.146.
6. Г.Б.Белоцерковский «Антенны», 1962 г., стр.340.