МНОГОЛУЧЕВАЯ ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА СО СМЕЩЕННОЙ ФОКАЛЬНОЙ ОСЬЮ
MULTIBEAM DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA WITH SHIFTED FOCAL AXIS

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств для телевидения, радиовещания и радиосвязи через искусственные спутники Земли (ИСЗ), находящиеся на геостационарной орбите (ГСО), в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.
Известны [1, 4] многолучевые двухзеркальные тороидально-параболические антенны, состоящие из основного зеркала-рефлектора в виде части параболического тора, вспомогательного зеркала-контррефлектора и системы облучателей, расположенных на дуге окружности. Данные антенны позволяют формировать веерную диаграмму направленности (ДН) для одновременной радиосвязи с несколькими ИСЗ на ГСО. К недостаткам такой антенны относится пониженная ее эффективность, вызванная потерями электромагнитной энергии, отраженной основным зеркалом, вследствие затенения его контррефлектором.
Для устранения затенения контррефлектором поля, отраженного от рефлектора, а также реакции поля, отраженного контррефлектором на облучатель, тороидально-параболические антенны выполняются, как правило, по несимметричной схеме с вынесенным облучателем (типа «офсет»). Недостатком такой реализации является повышенный уровень кроссполяризации.
Известны [2, 3] двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, в которых фокальная ось параболы является образующей основного зеркала и не совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. Профили основного и вспомогательного зеркал в антеннах со смещенной фокальной осью получены путем вращения соответственно несимметричных вырезок параболы и эллипса, расположенных по разные стороны от фокальной оси параболы относительно оси аксиальной симметрии так, что фокус параболы совмещен с первым фокусом эллипса, а второй фокус эллипса лежит на фокальной оси параболы. Недостатком данной антенны является однолучевой режим формирования диаграммы направленности.
Целью изобретения является повышение эффективности антенны при снижении уровня кроссполяризации и создание веерной диаграммы направленности.
Для этого предлагается многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью. Она состоит из системы облучателей, расположенных на дуге окружности, основного зеркала-рефлектора и вспомогательного зеркала-контррефлектора. Сечения основного и вспомогательного зеркал в плоскости дуги облучателей представляют собой окружности, концентричные дуге размещения 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 рефлектора, каждая его половина имеет форму монотонной части параболы со смещением фокальной оси относительно плоскости симметрии. Каждая половина контррефлектора в этой же плоскости имеет форму части эллипса, вогнутой в сторону рефлектора и расположенной так, что первый фокус эллипса находится на дуге решетки облучателей, а второй совпадает с фокусом параболы, образующей основное зеркало.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг. 1 - сечение многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскостью, проходящей через дугу облучателей;
- фиг. 2 - сечение многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскостью, перпендикулярной плоскости симметрии антенны.
Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью (фиг. 1) содержит систему облучателей 1, расположенных на дуге окружности 2, основного большого зеркала-рефлектора 3 и вспомогательного малого зеркала-контррефлектора 10. 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 решетки облучателей.
В плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии (фиг.2), каждая половина рефлектора 3 представляет собой поверхность, образованную монотонной частью параболы, фокальная ось 5-5′ которой смещена относительно плоскости симметрии 6 путем параллельного переноса. Каждая половина контррефлектора 10 в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии, имеет форму части эллипса 7, вогнутой в сторону рефлектора 3. При этом первый фокус 8 эллипса 7 находится на дуге размещения облучателей 2, а второй фокус 9 находится на фокальной оси 5-5′ и совпадает с фокусом параболы соответствующей части основного зеркала 3. Окружность 4 представляет собой геометрическое место точек размещения фокусов параболы, совмещенных со вторыми фокусами 9 эллипсов 7. Окружность 2 представляет собой геометрическое место точек размещения первых фокусов 8 эллипсов 7 и облучателей 1.
Многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью работает следующим образом. Любой из облучателей 1, расположенных на дуге 2, будучи подключенным к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний (на чертежах не показан) является источником первичных электромагнитных волн. Эти волны поочередно отражаются сначала от контррефлектора 10, затем от рефлектора 3.
В приближении геометрической оптики лучи, исходящие от облучателя (на фиг. 2 показаны линиями со стрелками), после последовательных отражений от контррефлектора 4 и рефлектора 3 в силу их взаимного расположения, а также свойств кривых второго порядка (эллипса и параболы) окажутся параллельны друг другу. При этом длины этих лучей от дуги облучателей 2 до плоскости раскрыва антенны 11 окажутся равны. Если при этом фазовый центр облучателя находится на дуге облучателей 2, то в раскрыве антенны 11 будет иметь место синфазное распределение поля, формирующее ДН с главным максимумом, лежащим в плоскости симметрии антенны.
В силу геометрических свойств эллипса лучи, соответствующие максимуму главного лепестка ДН облучателя и имеющие наибольшую интенсивность, отражаясь от центральной части 6 контррефлектора 10, попадают на край рефлектора 3. Лучи, попадающие на периферию контррефлектора 10 и имеющую меньшую интенсивность, облучают среднюю часть рефлектора 3. Длина пути от облучателя 1 до края рефлектора 3 больше, чем до его средней части. Поэтому амплитудное распределение поля вдоль радиуса раскрыва антенны в сравнении с обычными двухзеркальными антеннами окажется более равномерным, что приведет к повышению коэффициента использования площади раскрыва антенны.
Поскольку половины рефлектора 3 смещены относительно плоскости симметрии, отраженное от них поле не попадает на контррефлектор 10. Следовательно, в предложенной антенне устранено затенение контррефлектором поля, отраженного от рефлектора, что дает повышение эффективности антенны.
Так как отраженные от контррефлектора 10 волны направлены только в сторону соответствующих половин рефлектора 3, то обратно в облучатель они не попадают. Следовательно, в антенне отсутствует реакция поля, отраженного контррефлектором 10 на облучатель 1.
В антеннах с несимметричным рефлектором наводимые на нем токи имеют паразитные ортогональные основной поляризации и приводящие к возникновению кросс-поляризованного излучения ортогонального основному. В предложенной антенне рефлектор 3 и контррефлектор 10 состоят из симметричных половин. Паразитные компоненты токов, наводимых на этих половинах, взаимно противонаправлены и создадут компенсирующие друг друга поля излучения. В результате многолучевая антенна со смещенной фокальной осью будет иметь пониженный уровень кроссполяризации.
При перемещении одного из системы облучателя 1 на другую позицию вдоль дуги 2 (фиг.1) главный лепесток ДН отклоняется в плоскости этой дуги. Если на дуге 2 разместить несколько облучателей, будет формироваться веерная ДН с независимыми парциальными диаграммами (лучами) по числу облучателей
Таким образом, предложенная многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью обладает веерной ДН при повышенной общей эффективности и пониженным уровнем кроссполяризации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сомов A.M. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 456 с.: ил.
2. Improvements in or relating to Microwave Aerials: Патент GB 973583: МПК H01Q 17/00; H01Q 19/10; H01Q 19/19. / I.L. Lee; Заявка GB 19620014057 от 11.04.1962 г.; Опубл. 28.10.1964 г.
3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. / Под ред. Г.З. Айзенберга: В 2-х ч. Ч. 2. - М., Связь, 1977. - 288 с.: ил.
4. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 496 с.: ил.