Многофокусная офсетная зеркальная антенна
MULTI-FOCUS OFFSET MIRROR ANTENNA

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств телевидения, радиовещания и радиосвязи через искусственные спутники Земли (ИСЗ) на геостационарной орбите (ГСО) в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.
Известны [1] зеркальные антенны, состоящие из зеркала (рефлектора) в виде проводящей поверхности, имеющей форму осесимметричной либо несимметричной вырезки из параболоида вращения, и облучателя в виде слабонаправленной антенны в фокусе параболоида вращения. Диапазонные свойства такой антенны определяются облучателем. Для приема/передачи радиоволн одновременно в нескольких диапазонах частот используются многодиапазонные облучатели с устройствами разделения диапазонов частот [2], обладающие большими размерами и невысоким коэффициентом полезного действия.
Известны гибридные зеркальные антенны [1], состоящие из рефлектора и системы (кластера) облучателей, и зеркальные антенны с дополнительными облучателями [3], в которых помимо основного облучателя, расположенного в фокусе зеркала, имеются дополнительные облучатели, смещенные относительно фокуса. Такое смещение облучателей, как известно [1], приводит к появлению фазовых ошибок в раскрыве антенны: искажению ее диаграммы направленности, увеличению уровня боковых лепестков, снижению коэффициента усиления.
Известны совмещенные конструкции зеркальных антенн [2], содержащие основное зеркало (рефлектор), два и более облучателей, работающих в различающихся диапазонах частот, и один и более вспомогательных зеркал (контррефлекторов) в виде частотно-селективных поверхностей, которые без потерь пропускают радиоволны на одних частотах и практически полностью отражают на других. На одной частоте такие антенны работают по схеме с одним рефлектором, на других частотах - по схеме с рефлектором и контррефлектором. Наличие контррефлекторов в таких антеннах существенно увеличивает их общий размер.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение потерь в антенне за счет исключения устройства разделения диапазонов частот при сохранении характеристик направленности.
Для этого предлагается многофокусная офсетная зеркальная антенна. Она состоит из системы облучателей, работающих в различающихся диапазонах частот, и зеркала (рефлектора). При этом сам рефлектор состоит из нескольких слоев в виде несимметричных вырезок из параболоидов вращения, вершины и фокальные оси которых совпадают, но фокусные расстояния параболоидов различны и в фокусе каждого слоя расположен фазовый центр одного из облучателей системы. Слой с наибольшим фокусным расстоянием является хорошо проводящей поверхностью, остальные слои являются частотно-селективными поверхностями, которые с минимальными потерями пропускают электромагнитные волны для слоев с большим фокусным расстоянием и отражают электромагнитные волны других диапазонов.
Изобретение поясняется чертежом фиг. 1, на котором изображено сечение многофокусной офсетной зеркальной антенны с тремя слоями плоскостью, содержащей фокальную ось параболоидов.
Многофокусная офсетная зеркальная антенна (фиг. 1) содержит систему облучателей 1, 2 и 3, расположенных на общей фокальной оси 4 параболоидов вращения с общей вершиной 5, а также рефлектор, состоящий из слоев 6, 7 и 8. Фазовые центры облучателей, работающих на различающихся частотах, совмещены с фокусами параболоидов, которые находятся на различных фокусных расстояниях относительно вершины 5. Поверхности слоев рефлектора 6, 7 и 8 являются несимметричными вырезками из соответствующих параболоидов вращения. При этом слой рефлектора 6, соответствующий параболоиду с наибольшим фокусным расстоянием, выполнен из проводящего материала. Слой рефлектора 7 выполнен из частотно-селективных материалов, которые с минимальными потерями пропускают электромагнитные волны с частотой облучателя 1, установленного в фокусе слоя 6, и практически полностью отражают электромагнитные волны остальных облучателей. Слой рефлектора 8, соответствующий параболоиду с наименьшим фокусным расстоянием, выполнен из частотно-селективного материала, который с минимальными потерями пропускает электромагнитные волны с частотой всех облучателей, кроме облучателя 3, установленного в фокусе слоя 8, и отражает электромагнитные волны облучателя 3.
Принцип работы многофокусной офсетной зеркальной антенны в приближении геометрической оптики иллюстрируется лучами 9, 10 и 11. В силу описанных выше свойств слоев рефлектора лучи 9, исходящие из облучателя 1, практически без затухания и искривления пройдут через слои 8, 7 и после этого отразятся от слоя 6. Поскольку фазовый центр облучателя 2 совмещен с фокусом параболоида, описывающего поверхность слоя 6, то после отражения луч 9 окажется параллелен фокальной оси 4. Лучи 10, исходящие из облучателя 2, фазовый центр которого совмещен с фокусом параболоида, описывающего поверхность слоя 7, практически без затухания и искривления пройдут через слой 8 и, отразившись от слоя 7, окажутся параллельным фокальной оси 4. Лучи 11, исходящие из облучателя 3, фазовый центр которого совмещен с фокусом параболоида, описывающего поверхность слоя 8, отразятся от этого слоя и также станут параллелен фокальной оси 4. Отраженные рефлекторами 6, 7, и 8 лучи формируют остронаправленное излучение антенны в каждом из диапазонов частот.
Таким образом, относительно каждого из облучателей (и, соответственно, каждой рабочей частоты) многофокусная зеркальная офсетная антенна работает аналогично известной офсетной зеркальной антенне. При этом, так как каждый облучатель расположен в фокусе соответствующего параболоида, фазовых ошибок в раскрыве зеркала и соответствующего им ухудшения направленных свойств антенны не возникнет.
Поскольку каждому диапазону частот в многофокусной офсетной зеркальной антенне соответствует отдельный облучатель, потребность в громоздком устройстве разделения диапазонов частот отпадает. Кроме того, появляется возможность использовать облучатели существенно различных, в том числе по питанию, типов.
Размеры многофокусной офсетной зеркальной антенны определяются параболоидом с наибольшим фокусным расстоянием и от числа слоев практически не зависят.
Таким образом, в предложенной многофокусной офсетной зеркальной антенне за счет исключения устройства разделения диапазонов частот потери в антенне снижаются, а характеристики направленности сохраняются прежними.
Источники информации
1. Сомов A.M., Кабетов Р.В. Проектирование антенно-фидерных устройств: Учебное пособие для вузов. / Под ред. профессора A.M. Сомова. - М.: Горячая линия-Телеком, 2015. - 500 с.: ил.
2. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 496 с.: ил.
3. Многолучевая гибридная зеркальная антенна: Патент RU 2556466: МПК H01Q 05/00. / Сомов A.M.; Заявка RU 2013141948 от 13.09.2013 г.; опубл. 10.07.2015 г.