МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области антенной техники и направлена на увеличение коэффициента усиления многолучевой зеркальной антенны за счет снижения размеров области затенения раскрыва системой возбуждения, может быть использована в качестве сканирующей антенны радиолокационных станций.
Уровень техники
Известна многозеркальная телевизионная приемная антенна [1], состоящая из основного полусферического зеркала 1 (фиг.1), на которое установлена усеченная полусфера 2, диска 3 с установленными на него двумя или более рупорными излучателями 4. Основное полусферическое зеркало 1 радиусом R выполнено из диэлектрика и до высоты Я покрыто металлическим слоем, а остальная ее часть покрыта металлизированным слоем, полупрозрачным для электромагнитных волн. Усеченная полусфера 2 имеет высоту h, выполнена из диэлектрика и покрыта металлизированным слоем, полупрозрачным для электромагнитных волн. Диск 3 имеет радиус R/2, так, что установленные на его поверхности излучатели 4 расположены в зоне параксиального фокуса антенны, причем диск имеет возможность поворота в вертикальной и горизонтальной плоскости. Число рупорных излучателей 4 на поверхности диска 3 определяет число одновременно формируемых лучей антенной системы.
Основной недостаток данной антенны - неэффективное использование поверхности раскрыва антенны, ограниченное областью однократно отраженных лучей от зеркал 1, 2, что приводит к снижению коэффициента усиления антенны.
Известна сканирующая зеркальная антенна [2], состоящая из основного сферического зеркала 5 (фиг.2) и фазированной решетки 6, установленной на оси основного зеркала. С целью увеличения числа лучей при сохранении коэффициента усиления между основным зеркалом и фазированной антенной решетки располагается волноводная линза 7.
Основным недостатком данной антенны является наличие области затенения раскрыва волноводной линзой, ограничивающей предельно достижимый коэффициент усиления антенны.
Известна многолучевая сферическая зеркальная антенна, выбранная в качестве ближайшего аналога [3], используемая для приема теле- и радиопередач с геостационарных спутников. Антенна состоит из основного зеркала 8 (фиг.3) в виде вырезки из полусферы и нескольких облучателей 9, установленных на направляющей 10, концентричной сферическому зеркалу 8. Выходы облучателей присоединены к СВЧ-коллектору 11. Количество облучателей 9 равно количеству геостационарных спутников, сигналы с которых принимает антенна.
Основным недостатком данной антенны является наличие области затенения раскрыва системой возбуждения, уменьшающей коэффициент усиления антенны.
Сущность полезной модели
Основной задачей полезной модели является уменьшение области затенения раскрыва антенны системой возбуждения, и как следствие - увеличение коэффициента усиления многолучевой зеркальной антенны.
Для решения поставленной задачи в сферической зеркальной антенне осуществляется полная коррекция сферической аберрации путем дефрагментации круглого раскрыва полусферического отражателя на конечное число кольцевых раскрывов с индивидуальным возбуждением источниками «вытекающих» волн. На основе дифракционных свойств полусферического отражателя строится сферическая дифракционная антенная решетка (СДАР). СДАР состоит из N - соосных полусферических
зеркал 13 (фиг.4) с общим раскрывом, 4·(N-1) дискретных излучателей 14 «вытекающих» волн, попарно размещенных вблизи оси антенной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также основного облучателя 15, возбуждающего центральную область раскрыва зеркала 16 наименьшего размера (3...5)Л. С точки зрения электродинамических свойств СДАР состоит из (N-7) дифракционных элементов. Дифракционный элемент образован двумя соседними полусферическими отражателями, возбуждаемыми 4-мя изолированными излучателями «вытекающих» волн. Дифракционный элемент имеет парциальную диаграмму направленности (ДН). Поэтому СДАР 2·N-1 имеет 2*N-1 ДН в вертикальной плоскости и 2·N-12*N-1 ДН в горизонтальной плоскости. Сигналы от излучателей 14 «вытекающих» волн каждого дифракционного элемента поступают на СВЧ-коллектор 11, с выхода которого поступают на вход многоканального приемника 12.
Принцип работы дифракционной антенной решетки на основе сферических зеркал заключается в том, что активные элементы излучают между корректирующими зеркалами «вытекающие» электромагнитные волны, которые распространяются вдоль отражающих поверхностей и возбуждают весь раскрыв антенны. Изменяя амплитудно-фазовые соотношения между излучателями, регулируется амплитуда и фаза поля на всем раскрыве антенны.
-1
0
Сферическая дифракционная антенная решетка с минимальным числом дифракционных элементов строится с учетом точек пересечения каустик (огибающих частных фокусов лучей) с плоскостью раскрыва. Рассмотрим идеально проводящий полусферический отражатель с бесконечно тонкими стенками и электрическим радиусом ka=31(k=2π/λ=2(см) - волновое число, а=15,5 см - радиус наибольшего зеркала). Источник в виде токового кольца находится в вершине зеркала (θ=0;kr=ka) и ширина ДН источника ограничена лучом, вышедшим из точки излучения под углом θ=34°. Тогда максимальная фазовая ошибка лучей на раскрыве зеркала не превышает
0
0
min
min
величины π/10, каустика 18 (фиг.5) касается на раскрыве точки 19 с радиальной координатой r=13,42 см. Во внутренней области между соседними зеркалами при θ=34° излучаемая энергия сконцентрирована в области между вогнутым зеркалом и каустикой однократно отраженного луча, вышедшего из вершины зеркала под углом θ=34°. Таким образом, путем построения каустик лучей, вышедших из вершин 20, 21, 22, 23, осуществляется дефрагментация круглого раскрыва полусферического отражателя на конечное число кольцевых раскрывов, где находятся фазовые центры излучателей «вытекающих» волн 17. Основной облучатель 15 в виде открытого конца прямоугольного волновода или рупора возбуждает центральную часть полусферического зеркала 16 наименьшего диаметра 2a=(3...5)λ. Фазовый центр основного облучателя располагается в точке параксиального фокуса f=а/2 и возбуждает центральную область зеркала в пределах лучей однократного отражения [4].
Таким образом, предлагаемая СДАР позволяет: обеспечить высокий коэффициент усиления за счет того, что активные элементы, излучая энергию в направлении раскрыва антенны, не затеняют основное и корректирующие зеркала; реализовать простую систему возбуждения облучателей, сравнимую с системой возбуждения обычной линейной антенной решетки.
Экспериментальные измерения проведены на установке с антенной, состоящей из двух дифракционных элементов, ограниченных полусферическими отражателями диаметрами 50 см, 40 см и 33,2 см (фиг.6). Облучатель представляет собой две пары микрополосковых антенн, попарно размещенных в каждом сферическом волноводе вблизи вогнутой стенки зеркал. В ходе экспериментов раскрыв антенны облучался вертикально поляризованным полем от генератора СВЧ из дальней зоны на длине волны λ=3,2 см. Максимумы основных лепестков парциальных диаграмм
направленности 26, 27, формируемых облучателями 24, 25, разнесены на угол 17°. Фото экспериментальной установки представлено на фиг.7.
Описание конструкции
Предлагаемая многолучевая зеркальная антенна состоит из N -соосных полусферических зеркал 13 с общей плоскостью раскрыва, 4-(N-1) дискретных излучателей 14 «вытекающих» волн, попарно размещенных внутри дифракционных элементов вблизи оси антенной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, основного облучателя 15, возбуждающего центральную область раскрыва зеркала 16 наименьшего размера, СВЧ-коллектора 11 и многоканального приемника 12.
amin
Многолучевая зеркальная антенна работает следующим образом. Электромагнитные волны, падающие на раскрыв сферической дифракционной антенной решетки, фокусируются на оси решетки внутри дифракционных элементов, принимаются источниками «вытекающих» волн 14. Электромагнитные волны, отраженные от центральной области зеркала 16 наименьшего диаметра 2=(3...5)λ, принимаются основным облучателем 15. Далее сигналы от источников 14 и 15 поступают в СВЧ-коллектор 11 и в многоканальный приемник 12, где производится первичная обработка измерительной информации. За счет использования вспомогательных зеркал 13 путем дефрагментации раскрыва антенны на конечное число дискретных кольцевых раскрывов и использования свойств «вытекающих» волн, обеспечивается коэффициент использования поверхности раскрыва зеркала 0,9 при полной коррекции сферической аберрации по сравнению с ближайшим аналогом.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена многозеркальная телевизионная приемная антенна (аналог [1]);
На фиг.2 представлена сканирующая зеркальная антенна (аналог [2]);
На фиг.3 представлена сферическая многолучевая антенна (ближайший
аналог [3]);
На фиг.4 представлена сферическая дифракционная антенная решетка;
На фиг.3 представлены геометрические характеристики сферической
дифракционной антенной решетки;
На фиг.6 представлена схема экспериментальной установки
многолучевой зеркальной антенны и полученные диаграммы
направленности;
На фиг.7 представлена фотография экспериментальной установки. На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - основное полусферическое зеркало;
2 - усеченный полусферический отражатель;
3 - диск;
4 - рупорные излучатели;
5 - сферическое зеркало;
6 - фазированная антенная решетка;
7 - волноводная линза;
8 - сферическое зеркало;
9 - облучатели;
10 - направляющая;
11 - СВЧ-коллектор;
12 - многоканальный приемник;
13 - соосные полусферические зеркала с общей плоскостью раскрыва;
14 - дискретные излучатели;
15 - основной облучатель;
16 - полусферическое зеркало наименьшего диаметра;
17 - фазовые центры излучателей вытекающих волн;
18 - каустика лучей однократного отражения;
19 - точка касания каустики на раскрыве;
20, 21, 22, 23 - точки выхода лучей в дифракционных элементах;
24, 25 - микрополосковые излучатели;
26, 27 - парциальные диаграммы направленности дифракционных элементов сферической дифракционной антенной решетки.
Источники информации
1. Цивинский А.В., Цивинский С. В. Телевизионная приемная зеркальная антенна. - Авт.свид. на изобретение №2063655, МКИ H01Q 15/16, заявл. 01.06.1992, опубл. 10.07.1996. Бюл. №19.
2. Шалякин А.И. Сканирующая зеркальная антенна. - Авт.свид. на изобретение №1647708, МКИ H01Q 3/26, заявл. 16.11.1988, опубл. 07.05.1991. Бюл №17.
3. Геруни С.П. Антенная система. - Авт.свид. на изобретение №2065236, МКИ H01Q 19/17, заявл. 30.08.1993, опубл 30.08.1996. Бюл. №22.
4. Пономарев О.П. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат с использованием группы вращении. Приложение для сферических зеркальных антенн // Радиотехника, 2006, №4, с.77-78.