Многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна
MULTI-BEAM COMBINED NON-AXISYMMETRIC MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве земных антенн спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ диапазонов на геостационарной орбите для одновременной работы с несколькими ИСЗ.
Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических комплексов с использованием спутников связи, расположенных на геостационарной орбите, и может быть использовано для передачи и приема телевидения, радиовещания и радиосвязи в ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонах.
Особенности организации межконтинентальной связи через ИСЗ на геостационарной орбите состоят в расположении кластеров спутников-ретрансляторов над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами с интервалом в несколько градусов. Каждый из таких спутников работает в диапазонах частот С, Кu и Ка. При этом целесообразно для одновременного приема и передачи информации от кластера ИСЗ связи в нескольких диапазонах частот использовать одну и ту же земную антенну. Такая антенна называется многолучевой.
Предлагается многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенны повышенной эффективности.
Антенна состоит из основного зеркала (рефлектора), имеющего форму неосесимметричной вырезки из параболоида, и вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде неосесимметричной вырезки из соосного эллипсоида, вогнутого в сторону рефлектора и облучателей, наклоненных к фокальной оси, размещенных в плоскости, ортогональной этой оси, проходящей через фокус контррефлектора, приближенный к рефлектору, при этом в плоскости, ортогональной фокальной оси и проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора, установлен дополнительный облучателель.
Известны двухзеркальные осесимметричные антенны с рефлектором в виде параболоида, контррефлетора в виде части соосного эллипсоида, один из фокусов которого совпадает с фокусом параболоида, а во втором размещается облучатель (схема Грегори) [1]. Недостатками такой антенны являются формирование одиночной диаграммы направленности, а при одновременном приеме двух диапазонов частот необходимость применения устройства разделения частот [6], вызывающего дополнительные потери и снижающего эффективность антенны.
Известны многолучевые двухзеркальные антенны, состоящие из рефлектора в виде параболоида, контррефлектора в виде эллипсоида и системы облучателей, расположенных вблизи фокуса эллипсоида, приближенного к рефлектору. Данные антенны позволяют формировать веерную диаграмму направленности (ДН) для одновременной радиосвязи с несколькими ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО) в одном из рабочих диапазонов частот или одновременно нескольких диапазонах с применением устройства разделения частот. К недостаткам такой антенны относится пониженный коэффициент использования площади раскрыва рефлектора из-за его затенения контррефлектором и необходимость применения устройства разделения частот для одновременного приема на один облучатель нескольких диапазонов. Известны также многолучевые гибридные зеркальные антенны [6], состоящие из основного зеркала (рефлектора), имеющего форму неосесимметричной вырезки из параболоида и решетки облучателей, наклоненных к фокальной оси, размещенных в плоскости, ортогональной этой оси, проходящей через фокус рефлектора.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности антенны при сохранении веерных диаграмм направленности в двух или более диапазонах частот.
Для этого предлагается многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна, состоящая из основного зеркала (рефлектора), имеющего форму неосесимметричной вырезки из параболоида, и вспомогательного зеркала (контррефлектора) в виде неосесимметричной вырезки из соосного эллипсоида, вогнутого в сторону рефлектора и облучателей, наклоненных к фокальной оси и размещенных в плоскости, ортогональной этой оси, проходящей через фокус контррефлектора, приближенный к рефлектору, при этом в плоскости, ортогональной фокальной оси, проходящей через фокус контррефлектора, удаленный от рефлектора, установлен дополнительный облучатель.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна, вид сбоку;
Фиг. 2 - многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна, вид со стороны рефлектора;
- рефлектор - 1;
- контррефлектор - 2;
- облучатель - 3;
- дополнительный облучатель – 4, дополнительных облучателей - один и более;
- направление луча парциальной диаграммы направленности - 5;
- отрезки ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ - 6.
- фокальная ось - 7.
Количество облучателей антенны - один и более.
Количество дополнительных излучателей антенны и ему подобных - один и более.
Многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна по схеме Грегори с рефлектором 1 в виде вырезки из параболоида вращения и контррефлектором 2 в виде вырезки из эллипсоида вращения (фиг. 1) содержит облучатель 3 и ему подобные в первом фокусе эллипсоида, наиболее близком к вершине рефлектора 1 по числу парциальных диаграмм направленности первого диапазона частот. Облучатели 3 расположены на линии, состоящей из отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующих направлениям парциальных диаграмм от многолучевой антенны на точки стояния ИСЗ геостационарной орбиты первого диапазона частот.
Облучатели 3 и ему подобные за счет смещения, ортогонального фокальной оси и связанных с этим смещением линейных фазовых распределений поля, в раскрыве антенны формируют веер парциальных диаграмм направленности по числу обслуживаемых ИСЗ первого диапазона частот.
Сечение рефлектора 1 (Фиг. 1) представляет собой неосесимметричную часть параболоида вращения с фокальной осью 7, а сечение контррефлектора 2 - неосесимметричную часть поверхности соосного ему эллипсоида, один из фокусов которого совпадает с местоположением фокуса параболоида рефлектора 1. В области общего фокуса рефлектора и контррефлектора в плоскости, ортогональной фокальной оси параболоида в точках для заданного формой ГСО угла отклонения парциальных диаграмм, расположен дополнительный облучатель 4 (Фиг. 2) по числу дополнительных парциальных диаграмм направленности (лучей) других диапазонов частот. Облучатели расположены на линии, состоящей из отрезков ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующей ломаной линии обслуживаемых отрезков геостационарной орбиты, соединяющей точки стояния тех же или других ИСЗ второго диапазона частот.
Дополнительный облучатель 4 и ему подобные, каждый из которых может иметь пару с облучателями 3, направлены на один и тот же многодиапазонный спутник связи, и каждая пара облучателей 3 и дополнительного облучателя 4 может принимать различные диапазоны рабочих частот без применения устройства разделения частот [6], применяемого в известных антеннах и создающего дополнительные потери сигнала. Отсутствие необходимости использования устройства разделения частот позволяет увеличить коэффициент усиления и снизить шумовую температуру предлагаемой антенны и повысить ее эффективность.
Многолучевая комбинированная неосесимметричная зеркальная антенна работает следующим образом.
Любой из облучателей 3 и им подобных, расположенных в плоскости, ортогональной фокальной оси в фокусе контррефлектора 2, более близком к рефлектору 1 на отрезках линии, аналогичной отрезкам ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, будучи подключенным к генератору высокочастотных электромагнитных колебаний (не показан), также является источником первичных электромагнитных волн. Эти волны поочередно отражаются сначала от контррефлектора 2, затем от рефлектора 1. В приближении геометрической оптики лучи от облучателей 3 после последовательных отражений от контррефлектора 2 и рефлектора 1 в силу их взаимного расположения, а также свойств кривых второго порядка (эллипса и параболы) и смещения облучателей с фокальной оси антенны, формируют веер парциальных диаграмм направленности антенны, аналогичный вееру диаграмм от дополнительного облучателя 4 и ему подобных.
Так облучатель 3, расположенный в фокусе параболоида, формирует диаграмму направленности антенны, совпадающую по направлению с осью симметрии антенны. Несколько облучателей 3, смещенных с фокальной оси рефлектора в плоскости, ортогональной фокальной оси, формируют свои парциальные диаграммы направленности, отклоненные от направления фокальной оси 7 тем более, чем более они смещены от этой фокальной оси 7. Смещение облучателей с фокальной оси 7 в ортогональной плоскости приводит к линейным фазовым распределениям поля в раскрыве зеркальной антенны и отклонению ее диаграммы направленности от фокальной оси 7. Отклонение ДН соответствует угловому смещению линии, соединяющей вершину параболоида с точкой размещения облучателя. Так для облучателей 3 смещение относительно фокальной оси вверх и вправо приведет к смещению парциальной ДН антенны вниз и влево относительно этой оси. Смещение облучателей 3 определяется угловым смещением точки размещения обслуживаемого ИСЗ на ГСО относительно точки размещения виртуального ИСЗ на ГСО в направлении оси парциальной ДН, формируемой облучателем 3, расположенным в фокусе параболоида.
Дополнительный облучатель 4 и ему подобные при подключении к высокочастотному генератору электромагнитных колебаний (не представлен), являются также источником электромагнитных волн. Эти источники электромагнитных волн в виде расходящихся лучей от дополнительных облучателей 4 попадают непосредственно на рефлектор 1, а поскольку эти дополнительные облучатели 4 находятся в фокальной области рефлектора 1, то при отражении от него каждый дополнительный облучатель 4 формируют свою парциальную направленную диаграмму направленности.
Поскольку дополнительный облучатель 4 и ему подобные смещены относительно фокуса параболы рефлектора 1, расположены на отрезках ГСО, соединяющих точки стояния ИСЗ 6, соответствующих направлениям парциальных диаграмм ИСЗ, что и формируемые облучателями 3, рефлектором 1 и дополнительными облучателями 4, формируется веер парциальных диаграмм направленности дополнительного диапазона частот, подобный вееру парциальных диаграмм первого диапазона частот.
Это расширяет функциональные возможности антенны. Обычно для одновременной работы в двух или нескольких диапазонах частот одного ИСЗ в известных антеннах используют общий облучатель с устройством разделения диапазонов, вносящим дополнительные высокочастотные потери и снижающим коэффициент усиления и шумовую температуру антенны [6].
В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется методом пространственного разделения путем размещения облучателей в области двух фокусов контррефлектора. Смещение облучателей в плоскости, ортогональной фокальной оси параболы, их угол наклона к фокальной оси при обслуживании сравнительно небольшого сектора углов геостационарной орбиты и отсутствие устройства разделения частот позволяют реализовать высокий коэффициент усиления при сохранении веерных диаграмм направленности в двух или более диапазонах частот. При этом вынос облучателей 3 и контррефлектора 2 из зоны наиболее интенсивного поля, отраженного рефлектором 1, приводит к ослаблению затенения и уменьшает реакцию многократных отражений поля между отражателем 1 и облучателями на их согласование. Кроме этого, положительный угол наклона дополнительного облучателя 4 к горизонту при неосесимметричной форме рефлектора 1 [7] приводит к снижению шумовой температуры антенны при малых углах ее наклона к горизонту, которые имеют место при расположении антенны в средних широтах, характерных для нашей страны.
Эти факторы приводят к повышению эффективности предлагаемой антенны при сохранении веерных диаграмм направленности в двух или более диапазонах частот.
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. Сомов A.M. Метод фрагментации для расчета шумовой температуры антенн. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009 г., с. 168-170.
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.
5. Сомов A.M. Многолучевая гибридная зеркальная антенна. Патент РФ №255646 от 16.06 2015 г.
6. Каскад приемного устройства с разделением ортогональных поляризаций двух диапазонов частот. Патент РФ №2149484, 2000, авторы Сомов A.M., Тихонюк А.И.
7. A.M. Сомов, Р.В. Кабетов. Проектирование антенно-фидерных устройств. -М.: Горячая линия-Телеком, 2015 г.