УСИЛИТЕЛЬНАЯ ЛИНЗА ДВУХЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
AMPLIFYING LENS FOR DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антеннам большого диаметра, крупногабаритным параболическим рефлекторам, применяемым на космических аппаратах, снабженных радиотелескопами, и может быть использовано в тех областях, где требуется значительно повысить чувствительность антенны для наблюдения источников малых размеров (далее по тексту - «точечных источников») без существенного увеличения массы антенны.
Из существующего уровня техники известны двухзеркальные антенны. Среди двухзеркальных антенн широкое распространение получили антенны, выполненные по схеме Кассегрена [Чикинъ А.А. Отражательные телескопы. - Петроградъ: Русское Общество Любителей Мiровъдънiя, 1915, стр. 32-37, рис.15.], включающие в себя облучатель, основное параболическое зеркало и гиперболическое вспомогательное зеркало, и антенны типа АДЭ (антенна двухзеркальная с эллиптической образующей вспомогательного зеркала), содержащие основное зеркало, облучатель и вспомогательное зеркало [SU 1022247 А1, МПК5 H01Q 19/18]. Недостатками указанных антенн является то, что для увеличения чувствительности антенны, например в 2 раза, размер основного параболического зеркала необходимо увеличить не менее чем в 1,5 раза, что приведет к возрастанию общей массы конструкции более чем в 5-6 раз. При этом многократно возрастает сложность изготовления, вывода на орбиту, разворачивания и юстировки в космосе основного параболического зеркала такого размера, вплоть до невозможности его создания и вывода в космическое пространство при современном уровне развития техники и систем запуска аппаратов на космическую орбиту.
Так же известен радиотелескоп Академии наук РАТАН-600 [Хайкин С.Э., Кайдановский Н.Л, Парийский Ю.Н., Есепкина Н.А., 1972, "Радиотелескоп РАТАН-600", Известия ГАО, №188, с.3.] РАТАН-600 представляет собой составленный из отдельных щитов высотой около 7 м круг диаметром около 600 м, в каждом из четырех секторов которого щиты могут быть выставлены по параболе с заданным в некоторых пределах фокусным расстоянием, образуя отражающую и фокусирующую полосу антенны. Такой тип антенн получил название антенн переменного профиля (АПП). В фокусе такой полосы располагается специальный облучатель. Наклоном щитов, образующих рефлектор, осуществляется наведение антенны на объект исследования. Радиотелескоп работает на "прохождение", т.е. регистрирует космический радиоисточник при его проходе через диаграмму направленности за счет суточного вращения небесной сферы. Предусмотрена возможность сопровождения радиоисточника в некоторых пределах с помощью перемещения облучателя в фокусе антенны по рельсовому пути. При этом, размер параболического зеркала, которое собирает падающее на него излучение, жестко связан по размерам с высотой щитов, образующих отражающую поверхность. Кроме того, теоретически рассчитан и реализован вариант использования всего кольца в режиме кругового отражателя с коническим облучателем, совмещенным с двухзеркальной параболической антенной, расположенной в центре радиотелескопа. Такая схема позволяет получить большую рабочую отражающую поверхность, что приводит к значительному коэффициенту усиления антенны. Основным недостатком этой антенны является малое поле зрения радиотелескопа, в результате чего, получается инструмент, который наиболее эффективно может наблюдать только точечные источники радиосигнала.
Независимое использование этих антенн приводит к ограничениям по возможностям получения той или иной информации - либо по яркости либо по полю зрения.
Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, заключаются в том, чтобы:
1. Обеспечить широкое поле зрения, характерное для двухзеркальных параболических антенн;
2. Повысить чувствительность антенны в центре диаграммы направленности при наблюдении точечных источников по сравнению с чувствительностью стандартной двухзеркальной антенны;
3. Избежать существенного увеличение размеров и веса основного параболического зеркала;
4. Обеспечить принципиальную возможность развертывания всей конструкции в космосе.
Данные задачи решаются за счет совмещения двухзеркальной антенны с дополнительной усилительной линзой с контррефлектором.
При этом:
- Форма дополнительной усилительной линзы - прямой (с углом при вершине 90 градусов) усеченный круговой конус;
- форма контррефлектора дополнительной усилительной линзы - прямой круговой конус, расположенный в центре, соосно с дополнительной усилительной линзой;
- дополнительная усилительная линза с коническим контррефлектором и двухзеркальная антенна располагаются соосно.
- Под коническим контррефлектором соосно с ним располагается двухзеркальная параболическая антенна;
- Диаметр D дополнительной усилительной линзы должен быть существенно больше, чем диаметр d основного параболического зеркала, например в 10-12 раз (при d~8-10 м, диаметр дополнительной усилительной линзы примерно D~100 м.);
- высота h дополнительной усилительной линзы и контр рефлектора дополнительной усилительной линзы примерно меньше диаметра основного параболического зеркала, например в 3 раза (h~3 м, при d~10 м).
Принципиально новым решением является выбор диаметра d′ конического контррефлектора дополнительной усилительной линзы (d′=2h), который меньше диаметра d параболического зеркала антенны. При этом та часть параболического зеркала, которая не затенена коническим контррефлектором, строит изображение во вторичной фокальной плоскости с полем зрения соответствующим диаметру d всего параболического зеркала, но с уменьшенной освещенностью, т.к. эффективная площадь антенны будет равна площади не затененной части параболического зеркала.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение чувствительности антенны в режиме наблюдения точечного источника и увеличению информативности получаемых при наблюдении данных.
Коэффициент усиления k усилительной линзы диаметром D, высотой h по сравнению с параболоидом диаметром d в этом режиме есть:
1/2
Для того, чтобы добиться такой же чувствительности антенны без применения дополнительной усилительной линзы, диаметр основного параболического зеркала, необходимо увеличить в k раз. При приведенных параметрах системы d=10 м, D=100 м, h=3 м, величина коэффициент усиления k=12. Соответствующее значение эффективной площади только за счет параболоида может быть достигнуто при его диаметре примерно 35 метров.
Сущность изобретения поясняется чертежами, которые являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая применения усилительной линзы двухзеркальной антенны, на которых изображено:
На фиг.1 - Оптическая схема работы дополнительной усилительной линзы.
На фиг.2 - Схематическое распределение освещенности во вторичной фокальной плоскости.
Согласно фиг.1, предлагаемая антенна включает:
1 - основное параболическое зеркало
2 - вспомогательное зеркало
3 - конический контррефлектор дополнительной усилительной линзы
4 - дополнительная усилительная линза.
Оптическая схема работы дополнительной усилительной линзы (4) и конического контррефлектора дополнительной усилительной линзы (3) двухзеркальной антенны (1, 2) представлена на фиг.1, где диаметр d основного параболического зеркала антенны (1) существенно меньше диаметра усилительной линзы D (4), например в 10-12 раз, а высота дополнительной усилительной линзы h меньше диаметра основного параболического зеркала антенны d, например в 3 раза. Лучи (6), приходящие на дополнительную усилительную линзу (4) с помощью конического контррефлектора (3) направляются на основное параболическое зеркало (1). Затем эти лучи, как и лучи (5), приходящие непосредственно на основное параболическое зеркало (1) с помощью вспомогательного зеркала (2) направляются на вторичную фокальную плоскость.
Схематическое распределение освещенности во вторичной фокальной плоскости, представлена на фиг.2 где область (6) соответствует изображению во вторичной фокальной плоскости, получаемому от дополнительной усилительной линзы, а область (5) получаемой от незатененной части основного параболического зеркала.
В качестве примера работы изобретения, можно рассмотреть вариант приема сигналов от космических радиоисточников, первоначально собираемых основным параболическим зеркалом, установленным на космическом аппарате. Затем, для более тщательного изучения отдельного точечного источника, представляющего особый интерес, космический аппарат с помощью системы позиционирования осуществляет наведение всей системы на данный объект, с целью увеличения информативности, получаемых при наблюдении данных, достигаемой за счет повышения чувствительности антенны.
Заявляемое изобретение так же может быть использовано, в системе орбитальных спутников для дистанционного зондирования Земли и в системах мобильного развертывания антенн наземного базирования.