МНОГОДИАПАЗОННАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
MULTIBAND MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для создания многодиапазонных антенн, например, наземного сегмента спутниковых систем связи.
В качестве антенн наземных станций спутниковой связи обычно применяют двухзеркальные антенны, выполненные по схемам Кассегрена или Грегори [1 - Фролов О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 2000. - 376 с]. Для получения высокого коэффициента усиления приходится иметь дело с зеркалами, диаметр которых может превышать 10 м. Возрастающие объемы передаваемой информации приводят к необходимости создания многодиапазонных зеркальных антенн [2 - Демченко В.И., Косогор Α.Α., Раздоркин Д.Я. Методология разработки многодиапазонных зеркальных антенн / Антенны, 2012, №9, с. 4-13].
Многодиапазонность чаще всего обеспечивается путем использования совмещенных антенно-волноводных устройств (АВУ) с общим для всех диапазонов рупорным облучателем [3 - Коровкин А.Е., Раздоркин Д.Я., Шипулин А.В. Много диапазонные облучатели зеркальных антенн на основе конических гофрированных рупоров / Антенны, 2012, №9, с. 19-23]. В работах [2], [3] приведены примеры конструкций АВУ на основе единого рупорного облучателя в четырех совмещенных диапазонах частот C/X/Ku/Ka (сантиметровых диапазонов длин волн) с соотношением частот 1:2:3:5. Однако дальнейшее наращивание более высокочастотных диапазонов, например E/W (миллиметровых диапазонов длин волн), известным путем [2], [3] представляется проблематичным ввиду диапазонных электромагнитных ограничений рупоров и волноводов.
Другой известный путь наращивания рабочих диапазонов связан с увеличением числа облучателей двухзеркальной антенны. Добавление второго облучателя в состав антенны Грегори известно из патента США [4 - Патент US 3710341. Attilio F. Sciambi. Gregorian antenna with ring focus. Jan. 9, 1973]. В данном случае в двухзеркальной антенне Грегори [4], помимо первого облучателя, размещенного вблизи вершины параболического зеркала, введен второй облучатель в виде отрезка круглого волновода, проходящего через вершину эллиптического зеркала до общего фокуса двух зеркал. При этом второй облучатель работает по однозеркальной схеме. Однако второй облучатель сильно влияет на работу первого, оказавшись на пути всех лучей, отраженных от эллиптического зеркала, что является его недостатком.
Известна двухдиапазонная антенна с кольцевым фокусом [5 - Патент US 6911953. Griffin K. Gothard, Timothy Ε. Durham, Jay A. Kralovec, Sean С. Ortiz. Multi-band ring focus antenna system with co-located main reflectors. Jun. 28, 2005]. Описанная двухдиапазонная антенна [5] содержит два основных вложенных зеркала, одно из которых (внутреннее) прозрачно для волн второго частотного диапазона и отражает волны первого частотного диапазона. Возбуждение основных зеркал каждого диапазона осуществляется по двухзеркальной схеме своими рупорными облучателями, расположенными соосно так, что фидер второго диапазона проходит внутри фидера первого диапазона. Недостатком антенны [5] является то, что реальное внутреннее зеркало, во-первых, не может быть идеально прозрачным для волн второго частотного диапазона, и во-вторых, не может быть идеально отражающим для волн первого частотного диапазона, что увеличивает ассоциированные потери и в итоге снижает шумовую добротность антенны в обоих диапазонах.
Известно также совмещение в одном устройстве антенн, сочетающих работу в радиочастотном диапазоне (сантиметровых или миллиметровых длин волн) и оптическом диапазоне (ближнем инфракрасном или видимом) [6 - Патент US 8094081. Jonathan R. Bruzzi, Bradley G. Boone. Dual band radio frequency (RF) and optical communications antenna and terminal design methodology and implementation. Jan. 10, 2012]. В радиочастотном диапазоне использована обычная однозеркальная схема с прямым возбуждением, а в оптическом диапазоне использована двухзеркальная схема Кассегрена. Недостатком антенного устройства [6] является ограниченная возможность традиционного пути наращивания радиочастотных рабочих диапазонов ввиду использования однозеркальной схемы.
Системные требования к многодиапазонным антеннам, как правило, определяют сонаправленность основных лучей в разных частотных диапазонах. В некоторых случаях требуется также формирование близкой ширины основного луча в нескольких рабочих диапазонах частот.
Оригинальное решение, позволяющее в осесимметричной двухзеркальной антенне применить одновременно три облучателя разных диапазонов, обеспечивающих сонаправленность формируемых ими лучей, приведено в [7 - Авт. св-во 1256115 (СССР). Двухзеркальная многодиапазонная антенна / Бондарь Л.В., Ильинов М.Д., Хилевич СВ., Ломан В.И. - Опубл. в Б.И. №33, 1986]. Как показано на фиг. 3 (не в масштабе), антенна [7] содержит основное параболическое зеркало 1 с фокусом F2, вспомогательный отражатель в виде эллиптического зеркала 2 с фокусами F1 и F2, облучатели 3, 4 и 5 первого, второго и третьего диапазонов соответственно, а также возбуждающие элементы 6. В первом (среднечастотном) диапазоне облучатель 3 излучает электромагнитные волны, которые зеркалом 2 переотражаются на зеркало 1, формирующее в раскрыве плоский фазовый фронт. Работа в первом диапазоне осуществляется по двухзеркальной схеме. Во втором (высокочастотном) диапазоне используются зеркало 1 и облучатель 4, выполненный в виде рупора, горловина которого образована отрезком волновода, а боковые стенки - поверхностью зеркала 2. Работа во втором диапазоне осуществляется по однозеркальной схеме. В третьем (низкочастотном) диапазоне функцию облучателя 5 выполняет кольцевой раскрыв, образованный поверхностью зеркала 2 и введенной софокусной ей эллиптической поверхностью 7, которые соединены гальванически отрезком волновода. При этом электромагнитное поле в кольцевом раскрыве возбуждается с помощью возбуждающих элементов 6 (штырей), расположение которых определяется условиями возбуждения требуемых типов волн в радиальном эллиптическом волноводе. Работа в третьем диапазоне осуществляется также как и во втором диапазоне - по однозеркальной схеме с зеркалом 1.
Антенна [7] является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства. Количество рабочих диапазонов частот антенны прототипа ограничено количеством облучателей - тремя, а дальнейшее увеличение количества рабочих диапазонов не формулируется, что является основным недостатком. Благодаря осесимметричной структуре антенна прототип обеспечивает сонаправленность основных лучей в указанных трех диапазонах. Однако, ввиду использования основного зеркала 1, общего для всех трех рабочих диапазонов частот и, соответственно, для различных рабочих длин волн, ширина основного луча значительно уменьшается в более высокочастотных диапазонах, особенно в диапазонах миллиметровых длин волн. Другими словами, ширина основного луча в низкочастотном диапазоне частот (преимущественно сантиметровых длин волн) становится больше, чем в высокочастотных диапазонах (преимущественно миллиметровых длин волн), что является недостатком антенны прототипа для некоторых систем. Расширенная поверхность 7 облучателя 5 приводит к увеличению затенения основного зеркала 1, что также является недостатком антенны прототипа, поскольку это приводит к ухудшению шумовой добротности во всех трех рабочих диапазонах. Недостатком антенны прототипа является и взаимное влияние облучателей разных диапазонов, поскольку облучатель 3 расположен встречно-направленно облучателям 4 и 5, а близлежащие облучатели 4 и 5 имеют практически соприкасающиеся раскрывы.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение количества рабочих диапазонов частот зеркальной антенны, обеспечивающей сонаправленность основных лучей во всех и каждом рабочем диапазоне частот с возможностью формирования близкой ширины основного луча в нескольких рабочих диапазонах частот, при ограничении затенения основного зеркала и устранении паразитного взаимовлияния облучателей.
Для решения указанной задачи предлагается многодиапазонная зеркальная антенна, содержащая ориентированные соосно основное параболическое зеркало, вспомогательный отражатель и первый облучатель, расположенный вблизи вершины основного параболического зеркала.
Согласно изобретению, вспомогательный отражатель выполнен в виде выпукло-вогнутого тела вращения, ограниченного гиперболическим зеркалом с выпуклой в направлении первого облучателя стороны, а с противоположной вогнутой стороны - малым параболическим зеркалом, в фокусе которого установлен второй облучатель, образуя совместно с малым параболическим зеркалом однозеркальную схему с прямым возбуждением, тогда как первый облучатель совместно с основным параболическим зеркалом и гиперболическим зеркалом вспомогательного отражателя образует схему Кассегрена так, что фазовый центр первого облучателя совмещен с первым фокусом гиперболического зеркала, расположенным вблизи вершины основного параболического зеркала, фокус которого совмещен со вторым фокусом гиперболического зеркала.
Техническим результатом изобретения является увеличение количества рабочих диапазонов частот зеркальной антенны, обеспечивающей сонаправленность основных лучей во всех и каждом рабочем диапазоне частот с возможностью формирования близкой ширины основного луча в нескольких рабочих диапазонах частот, при ограничении затенения основного зеркала и устранении паразитного взаимовлияния облучателей.
Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого устройства соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Изобретение поясняется на фигурах 1-3.
На фиг. 1 показано схематичное представление заявляемого устройства многодиапазонной зеркальной антенны с одним вспомогательным отражателем согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг. 2 показано схематичное представление обобщенного заявляемого устройства многодиапазонной зеркальной антенны с несколькими вспомогательными отражателями согласно осуществлению настоящего изобретения.
На фиг. 3 показано схематичное представление устройства антенны прототипа [7], полезное для понимания настоящего изобретения.
Пример заявляемого устройства многодиапазонной зеркальной антенны, показанный на фиг. 1 (не в масштабе), содержит ориентированные соосно основное параболическое зеркало 10, вспомогательный отражатель 20 и первый облучатель 30, расположенный вблизи вершины основного параболического зеркала 10, а также второй облучатель 40. Рассмотрим функционирование заявляемой многодиапазонной зеркальной антенны в режиме приема. Основное параболическое зеркало 10, с помощью вспомогательного отражателя 20 фокусирует падающие на него электромагнитные волны в точке фокуса F10 вспомогательного отражателя 20, с которой совмещен фазовый центр первого облучателя 30, предпочтительно выполненного в виде конического гофрированного рупора, позволяющего принимать несколько диапазонов частот (преимущественно сантиметровых длин волн). В этих диапазонах антенна работает в соответствии с двухзеркальной схемой Кассегрена, в связи с чем выпуклая поверхность вспомогательного отражателя 20 формируется в виде гиперболического зеркала 21, первым фокусом которого является точка F10. Второй фокус F20 гиперболического зеркала 21 совмещен с фокусом основного параболического зеркала 10. Для наращивания количества рабочих диапазонов частот антенны в сторону высоких частот (преимущественно миллиметровых длин волн) вторая поверхность вспомогательного отражателя 20 выполнена в виде малого параболического зеркала 22, в фокусе F30 которого установлен второй облучатель 40, который также может быть выполнен в виде конического гофрированного рупора, позволяющего принимать несколько диапазонов частот. Заметим, что фокус F30 малого параболического зеркала 22 может находиться как дальше, так и ближе фокуса F20 (случай, изображенный на фиг. 1), а в частном случае фокусы F20 и F30 могут совпадать. Размер вспомогательного отражателя 20 много меньше размеров основного параболического зеркала 10, поэтому затенение основного параболического зеркала 10 не превышает обычных для двухзеркальных антенн значений.
Вспомогательный отражатель 20 выполнен в виде выпукло-вогнутого тела вращения, ограниченного с одной стороны гиперболическим зеркалом 21 (с выпуклой в направлении первого облучателя 30 стороны), а с другой стороны - малым параболическим зеркалом 22 (с вогнутой в направлении первого облучателя 30 стороны), в фокусе которого установлен второй облучатель 40, не увеличивающий затенения основного параболического зеркала 10. А благодаря размещению вспомогательного отражателя 20 между первым облучателем 30 и вторым облучателем 40 исключается прямое паразитное воздействие облучателей друг на друга. Поэтому наращивание более высокочастотного рабочего диапазона достигается без ухудшения характеристик антенны в менее высокочастотных диапазонах. Благодаря осесимметричной структуре заявляемая антенна обеспечивает сонаправленность основных лучей во всех и каждом рабочем диапазоне. И поскольку второй облучатель 40 формирует диаграмму направленности заявляемой антенны в добавленном рабочем диапазоне частот с помощью малого параболического зеркала 22, независимо от основного параболического зеркала 10, обеспечивается возможность формирования близкой ширины основного луча в разных рабочих диапазонах частот.
(1)
(N)
(1)
(N)
(1)…(N)
(N)
(N)
(N)
(1)
(N)
(N)
Для дальнейшего наращивания количества диапазонов рабочих частот возможно рекурсивное построение заявляемой антенны, при котором число вспомогательных отражателей больше одного, а количество облучателей больше двух, что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения. На фиг. 2 показано схематичное представление обобщенного заявляемого устройства многодиапазонной зеркальной антенны (не в масштабе) с несколькими вспомогательными отражателями согласно осуществлению настоящего изобретения. Дополнительные N вспомогательных отражателей 20…20 и N облучателей 30…30, обозначенные на фиг. 2 нумерацией с верхними индексами  размещены между первым облучателем 30 и вторым облучателем 40. Каждый из дополнительных вспомогательных отражателей 20 выполнен в виде выпукло-вогнутого тела вращения, ограниченного гиперболическим зеркалом 21 с выпуклой в направлении первого облучателя 30 стороны, а с противоположной вогнутой стороны - параболическим зеркалом 22. Все вспомогательные отражатели 20…20 размещаются вдоль оси многодиапазонной зеркальной антенны в порядке уменьшения их размеров по мере удаления от основного параболического зеркала 10. Каждый из дополнительных облучателей 30 совместно с параболическим зеркалом ближайшего вспомогательного отражателя и гиперболическим зеркалом следующего в порядке удаления вспомогательного отражателя образует схему Кассегрена так, что фазовый центр указанного облучателя совмещен с первым фокусом указанного гиперболического зеркала, расположенным вблизи вершины указанного параболического зеркала, фокус которого совмещен со вторым фокусом указанного гиперболического зеркала. Второй облучатель 40 образует совместно с малым параболическим зеркалом 22 наименьшего вспомогательного отражателя 20 однозеркальную схему с прямым возбуждением. Следует отметить, что каждый облучатель может быть выполнен в виде конического гофрированного рупора, позволяющего принимать несколько диапазонов частот.
Имея в виду что по мере удаления от основного параболического зеркала 10 размер каждого последующего вспомогательного отражателя много меньше размеров предыдущего, затенение последующим вспомогательным отражателем предыдущего зеркала не превышает обычных для двухзеркальных антенн значений. А благодаря тому, что между любыми соседними облучатели размещен один вспомогательный отражатель, исключается прямое паразитное воздействие облучателей друг на друга.
Таким образом достигается технический результат изобретения, а именно увеличивается количество рабочих диапазонов частот зеркальной антенны, обеспечивается сонаправленность основных лучей во всех и каждом рабочем диапазоне частот с возможностью формирования близкой ширины основного луча в нескольких рабочих диапазонах частот, ограничивается затенение основного зеркала, устраняется паразитное взаимовлияние облучателей.