Способ снижения шумовой температуры многолучевых двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью
METHOD FOR REDUCING THE NOISE TEMPERATURE OF MULTIBEAM TWO-MIRROR ANTENNAS WITH A SHIFTED FOCAL AXIS

Область техники, к которой относится изобретение
В настоящее время широкое применение находят спутниковые системы связи, в особенности, использующие искусственные спутники Земли (ИСЗ), расположенные на геостационарной орбите. Такие системы связи характеризуются высоким (197-215 дБ и более) затуханием радиоволны на трассе ИС3-Земля [1], при котором волны, приходящие от ИСЗ в точку приема, ненамного превосходят по амплитуде естественные шумы.
Потенциальное качество приема определяется отношением мощности сигнала к мощности шума на выходе приемной системы, которое прямо пропорционально шумовой добротности - выраженному в децибелах отношению коэффициента усиления антенны к шумовой температуре приемной системы [1].
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и предназначено для снижения шумовой температуры многолучевых двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью, используемых в составе земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на геостационарной орбите.
Уровень техники
Известны многолучевые двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью [2, 3], которые состоят системы облучателей, расположенных на дуге окружности, основного (большого) зеркала (рефлектора) и вспомогательного (малого) зеркала (контррефлектора).
Сечения основного и вспомогательного зеркал в плоскости дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге облучателей и имеющие по сравнению с ней больший и меньший радиус соответственно. При этом каждое из зеркал состоит из двух половин, симметричных относительно плоскости дуги облучателей. В плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии, каждая половина рефлектора имеет форму монотонной части параболы со смещением фокальной оси относительно плоскости симметрии. Каждая половина контррефлектора в этой же плоскости имеет форму части эллипса или гиперболы, расположенных так, что первый фокус находится на дуге облучателей, а второй совпадает с фокусом параболы соответствующей части основного зеркала.
Недостатком многолучевых двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью является наличие дифракционного поля, образующегося на внутренних кромках половин рефлектора и изломе контррефлектора. Данное поле сосредоточено в области (зазоре) между половинами рефлектора и при расположении антенны над земной поверхностью в режиме приема (в силу принципа взаимности) является источником дополнительных тепловых шумов, поступающих на выход антенны. В результате этого шумовая температура антенны увеличивается на 20÷30°К, приводя к соответствующему уменьшению шумовой добротности.
Известны способы уменьшения шумовой температуры зеркальных антенн [4-8], заключающиеся в установке проводящих экранов (бленд). Данные экраны устанавливаются на внешние кромки рефлектора, контррефлектора или облучателя и не позволяют устранить имеющийся недостаток многолучевых двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении шумовой добротности приемной системы земной станции спутниковой связи за счет снижения шумовой температуры приемной антенны. Для этого предлагается способ снижения шумовой температуры многолучевых двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью, заключающийся в установке на указанную антенну, рефлектор которой состоит из двух отдельных половин, симметричных друг другу относительно плоскости дуги облучателей и образованных вращением вокруг общей оси соответствующих монотонных частей парабол со смещением фокальных осей, проводящего экрана в виде вырезки из кругового цилиндра. При этом ось симметрии цилиндра совпадает с осью вращения половин рефлектора, радиус цилиндра равен радиусу внутренних кромок половин рефлектора, угловой раскрыв вырезки в плоскости дуги облучателей совпадает с угловым раскрывом половин рефлектора в этой же плоскости, высота вырезки равна расстоянию между внутренними кромками половин рефлектора, а сам экран устанавливается в область (зазор) между половинами рефлектора так, что кромки экрана оказываются совмещены с внутренними кромками половин рефлектора.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг. 1 - многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью и дополнительным экраном (сечение плоскостью, проходящей через дугу облучателей);
- фиг. 2 - многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью и дополнительным экраном (сечение плоскостью, перпендикулярной плоскости дуги облучателей).
На чертежах обозначено:
1 - рефлектор;
2, 2' - верхняя и нижняя половины рефлектора соответственно;
3 - контррефлектор;
4 - дуга облучателей;
5 - плоскость дуги облучателей;
6 - облучатель;
7 - ось вращения;
8, 8' - фокальная ось параболы, образующей половину рефлектора 2;
9 - дополнительный цилиндрический экран.
Осуществление изобретения
При подключении к облучателю 6 и ему подобным генератора высокочастотных колебаний указанный облучатель излучает сферическую волну в сторону контррефлектора 3 сферическую волну, которая, отразившись от контррефлектора, направляется в сторону верхней 2 и нижней 2' половин рефлектора 1, симметричных друг другу относительно плоскости дуги облучателей 5 и образованных вращением вокруг общей оси 7 соответствующих монотонных частей парабол со смещением фокальных осей 8-8'. После отражения от контррефлектора 3 и далее от рефлектора 1 исходный сферический фронт волны трансформируется в плоский, формирующий остронаправленное излучение антенны с максимумом, лежащим в плоскости дуги облучателей 5.
8 то же время на краях рефлектора и контррефлектора, а также на изломе в середине контррефлектора образуются так называемые краевые токи [9], амплитуда которых зависит от уровня облучения указанных краев и излома, а также от угла излома. Краевые токи, в свою очередь, формируют дифракционное излучение, максимумы которого ориентированы симметрично относительно плоскости, касательной к краю рефлектора (контррефлектора), под некоторым углом к ней. Дифракционное излучение внутренних (ближайших друг к другу) кромок верхней 2 и нижней 2' половин рефлектора 1, а также излома контррефлектора 3 оказывается направлено преимущественно в свободный зазор между половинами рефлектора 2 и 2'.
Для обеспечения радиосвязи через ИСЗ многолучевые зеркальные антенны располагаются под наклоном относительно земной поверхности так, чтобы максимумы диаграмм направленности облучателей, расположенных на дуге 4, были направлены в сторону соответствующих ИСЗ. При этом зазор между половинами рефлектора 2 и 2' и возникающее в нем дифракционное излучение оказывается направленным в сторону земной поверхности. В силу принципа взаимности за счет указанного дифракционного излучения в облучатель 6 и ему подобные попадают шумы земной поверхности, величина которых существенно превышает шумы атмосферы, попадающие в облучатель через главный лепесток диаграммы направленности антенны [10]. За счет этого возрастает шумовая температура антенны и, соответственно, снижается шумовая добротность.
При установке в зазор между половинами рефлектора 2 и 2' проводящего экрана 9 в виде вырезки из кругового цилиндра, ось симметрии которого совпадает с осью вращения половин рефлектора 7, радиус равен радиусу внутренних кромок половин 2, 2' рефлектора 1, угловой раскрыв вырезки в плоскости дуги облучателей 5 совпадает с угловым раскрывом половин рефлектора 2, 2' в этой же плоскости, а высота вырезки равна расстоянию между внутренними кромками половин рефлектора 2, 2', и совмещении кромок экрана 9 с внутренними кромками половин рефлектора 2, 2' в местах смыкания экрана 9 и половин рефлектора 2, 2' вместо края (ребра) образуется непрерывная отражающая поверхность с углом излома, близким к 180°. Как известно [9], при таком угле излома краевые токи и соответствующее дифракционное излучение будут минимальны. Кроме этого, указанное излучение будет направлено в сторону контррефлектора 3, то есть в сторону атмосферы. Дифракционное излучение излома самого контррефлектора 3 при установке экрана 9 будет отражаться от указанного экрана также в сторону атмосферы. Таким образом, дополнительный экран 9 будет частично устранять дифракционное излучение и перенаправлять его в сторону атмосферы, создающей меньшие по величине шумы, чем земная поверхность. С учетом этого будет достигаться снижение шумовой температуры антенны и, следовательно, всей приемной системы, а также повышение ее шумовой добротности.
В таблице 1 приведены результаты расчетов характеристик варианта многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью и гиперболической образующей контррефлектора при наличии и при отсутствии дополнительного экрана. При этом все геометрические параметры антенны, а также параметры ее расположения относительно земной поверхности, как и параметры земной поверхности и атмосферы оставались неизменными. Высота контррефлектора составляла 2,5 метра, угол места главного лепестка диаграммы направленности - 9,6 градусов. Расчет проводился для Ku диапазона методом физической оптики, уточненным методом краевых волн.
Как видно из представленных данных, установка цилиндрического экрана 9 позволяет достичь заявленный технический результат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Энергетические характеристики космических радиолиний. / Под ред. О.А. Зенкевича. - М.: Сов. радио, 1972. - 436 с.
2. Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью: Патент RU 2598399: МПК H01Q 19/19. / Р.В. Кабетов, A.M. Сомов; Заявка 2015115130/28 от 22.04.2015; Опубл. 27.09.2016.
3. Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью: Патент RU 2598401: МПК H01Q5/00. / Р.В. Кабетов, A.M. Сомов; Заявка 2015115131/28 от 22.04.2015; Опубл. 27.09.2016.
4. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. / Под ред. Г.З. Айзенберга: В 2-х ч. Ч. 1. - М., Связь, 1977. - 384 с: ил.
5. AC SU 1022247 A1: МПК H01Q 19/18. / B.M. Авдеенко, И.Ф. Олексенко, B.B. Сахошко, Н.П. Токовенко, Ю.А. Ерухимович, В.Г. Ямпольский; Опубл. 07.06.1983.
6. Осесимметричная зеркальная антенна: Патент RU 2420840: МПК H01Q15/14. / A.M. Сомов, П.А. Титовец; Заявка 2009118272/07 от 15.05.2009; Опубл. 10.06.2011.
7. Осесимметричная двухзеркальная антенна: Патент RU 2420841: МПК H01Q19/18. / A.M. Сомов, П.А. Титовец; Заявка 2010111549/07 от 26.03.2010; Опубл. 10.06.2011.
8. Осесимметричная зеркальная антенна (варианты): Патент RU 2426203: МПК H01Q 19/00. / A.M. Сомов, П.А. Титовец; Заявка 2010108978/07 от 12.03.2010; Опубл. 10.08.2011.
9. Уфимцев П.Я. Теория дифракционных краевых волн в электродинамике. Введение в физическую теорию дифракции. / Пер. с англ. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 372 с: ил.
10. Сомов A.M. Метод фрагментации для расчета шумовой температуры антенн. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 208 с: ил.