ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к устройствам приема, передачи электромагнитной энергии и может найти применение в качестве антенн радиолокационных станций и антенн спутниковой связи.
Известна сферическая антенна для приема сигналов геостационарных спутников (патент РФ № 2065236, МПК H01Q 19/17, опубл. 30.08.1993), состоящая из сферического зеркала и облучателей по числу геостационарных спутников, установленных на концентричной сферическому зеркалу направляющей. Облучатели состоят из отрезков круглых волноводов, выполненных с возможностью телескопического изменения их длины, и отрезков гибких волноводов.
Основным недостатком данной антенной системы является возбуждение только центральной части зеркала, в пределах которой лучи испытывают однократное отражение от зеркала, вследствие чего коэффициент усиления антенны остается низким.
Известна сферическая зеркальная антенна (А.С.Schell. The Diffraction Theory of Large-Aperture Spherical Reflector Antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation, July 1963, p.p.428-432), состоящая из полусферического зеркала диаметром 609,6 см и комбинированного облучателя. Комбинированный облучатель состоит из прямоугольного рупора, расположенного в окрестности параксиального фокуса на расстоянии от раскрыва 0,513·а (а - радиус зеркала), первой антенной решетки, фазовый центр которой находится в точке 0,542·а, и второй антенной решетки, фазовый центр которой находится в точке 0,575·а. Возбуждаемая комбинированным облучателем область раскрыва имеет диаметр 304,8 см. На длине волны 3,2 см эффективность использования апертуры полусферического зеркала составляет 54% при уровне боковых лепестков антенны в H-плоскости не более -25 дБ. Для регулирования фазовых соотношений между рупорным облучателем и антенными решетками используются два фазовращателя.
Основной недостаток антенны - высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, следовательно, низкая помехозащищенность радиолокационной станции.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является сферическая зеркальная антенна (патент РФ № 68786, МПК H01Q 19/17, опубл. 27.11.2007), состоящая из полусферического зеркала, рупорного облучателя, расположенного в окрестности параксиального фокуса зеркала, дополнительного облучателя в виде двух прямоугольных волноводов с открытыми концами, изогнутых в противоположные стороны в плоскости вектора , широкие стенки волноводов находятся в постоянном контакте с вогнутой поверхностью зеркала. Выходы волноводов через фазовращатели и аттенюаторы соединены на Е-тройнике, а выход рупорного облучателя через фазовращатель и аттенюатор соединен с выходом Е-тройника на волноводном Н-тройнике.
К недостаткам вышеописанной антенны можно отнести недостаточно высокий коэффициент усиления антенны из-за возбуждения центральной области раскрыва полусферического зеркала рупорным источником, возбуждения краевых областей раскрыва только в одной плоскости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение коэффициента усиления антенны и помехозащищенности радиолокационной станции.
Техническим результатом изобретения является увеличение размера области возбуждения раскрыва антенны и снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности.
Для получения необходимого технического результата в известной сферической зеркальной антенне, включающей полусферический зеркальный отражатель, основной облучатель с фазовым центром, расположенным в параксиальном фокусе, дополнительный облучатель в виде одиночных излучателей, ориентированных так, что их излучение направлено вдоль поверхности отражателя в противоположные стороны, аттенюаторы, фазовращатели, делители мощности, основной облучатель выполнен в виде линейных антенных решеток, соединенных попарно на симметричных делителях мощности первого порядка и расположенных вдоль продольной оси полусферического зеркального отражателя в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, выходы делителей мощности каждой пары антенных решеток через фазовращатель и аттенюатор соединены с входами симметричного делителя мощности второго порядка основного облучателя, выход которого соединен с первым входом несимметричного делителя мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7. Дополнительный облучатель оснащен второй парой одиночных излучателей, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположена первая пара излучателей, причем апертуры второй пары излучателей удалены от зеркального отражателя на расстояние λ/2 (где λ - длина волны в свободном пространстве), выходы излучателей через фазовращатели и аттенюаторы соединены с входами симметричных делителей мощности первого порядка дополнительного облучателя, выходы которых соединены с входами симметричного делителя мощности второго порядка дополнительного облучателя, выход которого подсоединен ко второму входу несимметричного делителя мощности.
Дифракция на вогнутых телах вращения дает ряд эффектов, которые до настоящего времени не нашли широкого применения для улучшения электрических характеристик сферических зеркальных антенн. Такими физическими явлениями являются многократные отражения, эффект «шепчущей галереи», которые проявляются при расположении источника поля вблизи вогнутой стенки зеркала с направлением излучения вдоль нее. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат методом Фурье с использованием группы вращений (Пономарев О.П. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат с использованием группы вращений. Приложение для сферических зеркальных антенн // Радиотехника, 2006, № 4, с.77-78) позволяет получить амплитудно-фазовое распределение электрического поля вдоль оси идеально-проводящего полусферического отражателя произвольного электрического радиуса для заданного амплитудно-фазового распределения поля на раскрыве. При этом на оси отражателя имеется два максимума фокусировки энергии. Первый основной максимум находится в окрестности параксиального фокуса f=а/2 (а - радиус зеркала), обусловлен фокусировкой лучей однократного отражения от центральной области зеркала и имеет протяженный вид. Фокусировка поля в этой области достаточно хорошо изучена и используется для коррекции сферической аберрации. Второй интерференционный максимум имеет меньшую протяженность и характеризует фокусирующие свойства краевых областей раскрыва полусферического зеркала, где лучи испытывают многократные отражения и распространяются поверхностные электромагнитные волны типа «шепчущей галереи».
Поэтому для достижения технического результата в зеркальной антенне необходимо использовать два облучателя: основной, возбуждающий центральную область раскрыва антенны, и дополнительный, возбуждающий его краевые области. Для этого основной облучатель в виде линейных антенных решеток устанавливается в окрестности параксиального фокуса f=а/2 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а дополнительный - в виде двух пар одиночных излучателей устанавливается во взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствующих плоскостям расположения антенных решеток основного облучателя, причем первая пара устанавливается непосредственно перед зеркальным отражателем, а вторая пара удалена от него на расстояние λ/2.
Применение в качестве основного облучателя антенных решеток вместо рупорного облучателя позволяет повысить коэффициент усиления антенны и увеличить область синфазного возбуждения раскрыва с минимальными фазовыми искажениями поля. Применение в составе дополнительного облучателя второй пары одиночных излучателей приводит к дополнительному возбуждению краевых областей раскрыва антенны в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения первой пары одиночных излучателей. Применение несимметричного делителя мощности между основным и дополнительным облучателями приводит к рациональному распределению мощности между областью однократного отражения лучей (70%) и областью многократного отражения (30%). За счет выбора амплитудно-фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями с помощью аттенюаторов и фазовращателей, а также их расположения во внутренней области зеркала обеспечивается повышение коэффициента усиления зеркальной антенны, т.е. дальности действия радиолокационной станции, и снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, т.е. повышение помехозащищенности радиолокационной станции.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображены:
на фиг.1 - предлагаемая зеркальная антенна;
на фиг.2 - амплитудное и фазовое распределение радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля вдоль оси полусферического зеркала радиуса а=22,5 см на длине волны λ=3,14 см;
на фиг.3 - эскиз системы возбуждения сферической зеркальной антенны;
на фиг.4 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1-4 - линейные антенные решетки основного облучателя;
5 - полусферический отражатель;
6-9 - одиночные излучатели дополнительного облучателя;
10, 11 - симметричные делители мощности первого порядка основного облучателя;
12, 13 - фазовращатели основного облучателя;
14, 15 - аттенюаторы основного облучателя;
16 - симметричный делитель мощности второго порядка основного облучателя;
17-20 - фазовращатели дополнительного облучателя;
21-24 - аттенюаторы дополнительного облучателя;
25, 26 - симметричные делители мощности первого порядка дополнительного облучателя;
27 - симметричный делитель мощности второго порядка дополнительного облучателя;
28 - несимметричный делитель мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7;
29 - основной максимум фокусировки поля;
30 - дополнительный максимум фокусировки поля;
31 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным и дополнительным облучателями;
32 - нормированная диаграмма направленности предлагаемой сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным облучателем.
Предлагаемая зеркальная антенна состоит из полусферического отражателя 5 (фиг.1), основного облучателя в виде двух пар линейных антенных решеток 1-4 и дополнительного облучателя в виде двух пар одиночных излучателей 6-9. Линейные антенные решетки основного облучателя соединены с входами симметричных делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя, выходы которых через фазовращатели 12, 13 и аттенюаторы 14, 15 подсоединены к входам симметричного делителя 16 мощности второго порядка основного облучателя, выход которого соединен с первым входом несимметричного делителя мощности 28. Выходы одиночных излучателей 7, 8 первой пары и второй пары (6, 9) через фазовращатели 17-20 и аттенюаторы 21-24 соединены с входами симметричных делителей 25, 26 мощности первого порядка дополнительного облучателя, выходы которых соединены с входами симметричного делителя 27 мощности второго порядка дополнительного облучателя, выход которого подсоединен ко второму входу несимметричного делителя мощности с коэффициентом деления 0,3/0,7.
r
φ
В сферической системе координат (r,θ,φ) радиальная (E) и тангенциальная (Е) компоненты электрического поля на раскрыве и во внутренней области полусферического зеркала описываются выражениями (Пономарев О.П. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат с использованием группы вращений. Приложение для сферических зеркальных антенн // Радиотехника, 2006, №4, с.77-78):
γ
m
n
где А - постоянные (весовые) коэффициенты;  - присоединенные функции Лежандра; γ(γ) - собственные числа задачи (постоянные распространения волн);  - весовые коэффициенты; k=2π/λ - волновое число.
r
φ
Анализ амплитудного и фазового распределений радиальной составляющей вектора напряженности электрического поля  вдоль оси идеально проводящего полусферического отражателя радиусом а=22,5 см, рассчитанных по формуле (1) и показанных на фиг.2, показывает возможность возбуждения раскрыва полусферического зеркала комбинированным облучателем, состоящим из основного, расположенного в максимуме поля 29 в окрестности параксиального фокуса f=а/2, и дополнительного, находящегося в интерференционном максимуме 30 и возбуждающего краевые области раскрыва. Амплитудное распределение компоненты  кроме основных максимумов фокусировки поля имеет другие интерференционные максимумы, на которых фазовое распределение получает дополнительный сдвиг фазы Ф на ±π. Расчеты по формуле (2) для тангенциальной составляющей Е вектора напряженности электрического поля показывают, что распределение поля аналогично распределению радиальной составляющей поля, за исключением того, что второй интерференционный максимум отстоит от вогнутой поверхности зеркала на расстояние λ/2 в широком диапазоне практических электрических радиусов зеркальных антенн 2π·а/λ=10…100.
1
1
2
В пределах интерференционного максимума 29 в точке r, а также при переходе от максимума 29 к интерференционному максимуму 30 скачок фазы составляет π. Интервал (r, r) определяет размер линейной антенной решетки, возбуждающей центральную область зеркала с диаметром 1,4·а.
1
2
Предлагаемая система возбуждения полусферического зеркального отражателя состоит из основного облучателя в виде четырех линейных антенных решеток 1-4 (фиг.3), расположенных симметрично продольной оси oz полусферического зеркала 5 (фиг.1) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в пределах интервала {r, r), и дополнительного облучателя в виде четырех одиночных излучателей 6-9 (фиг.3), попарно расположенных непосредственно вблизи вогнутой отражающей стенки зеркала (пара излучателей 7, 8, расположенных в заданной плоскости, например, вертикальной) и удаленных от нее на расстояние λ/2 (пара излучателей 6, 9, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости первой пары, например, горизонтальной).
Основной облучатель может иметь микрополосковую конструкцию и состоять из четырех эквидистантных линейных антенных решеток с печатными излучателями, представлять собой волноводно-щелевую решетку с прорезанными щелями в широких и узких стенках прямоугольного волновода или иметь иную конструкцию, обеспечивающую формирование заданного амплитудно-фазового распределения поля по раскрыву в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В первом варианте микрополосковые антенные решетки располагаются в виде «коробочки» симметрично продольной оси oz, причем для создания вертикальной поляризации поля антенны поляризация излучаемого (принимаемого) поля излучателей, расположенных на подложках в вертикальной плоскости 2, 3 (фиг.3), противофазна и вектор поляризации поля равен , а поляризация излучаемого (принимаемого) поля излучателей, расположенных на подложках в горизонтальной плоскости 1, 4, синфазна и вектор поляризации поля равен .
Введение дополнительного облучателя в системе возбуждения сферической зеркальной антенны позволяет увеличить коэффициент усиления антенны на 8-10%, снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности до уровня -36 дБ, таким образом повысить помехозащищенность радиолокационной станции и дальность ее действия.
За счет регулирования амплитудно-фазовых соотношений между основным облучателем и излучателями дополнительного облучателя на длине волны λ=3 см при горизонтальной поляризации поля уровень боковых лепестков 31 (фиг.4) диаграммы направленности  (β - угол поворота антенны в горизонтальной плоскости) сферической зеркальной антенны с диаметром раскрыва 31 см не превышает -36 дБ в горизонтальной плоскости. По сравнению с шириной диаграммы направленности 32 сферической зеркальной антенны, возбуждаемой основным облучателем, при возбуждении раскрыва антенны основным и дополнительным облучателями, ширина диаграммы направленности уже на 1,0° и составляет 6,0°, коэффициент усиления антенны повышается на 8-10%.
Зеркальная антенна работает в режиме приема следующим образом, Электромагнитные волны, отраженные от центральной области зеркала 5, принимаются четырьмя линейными антенными решетками 1-4 основного облучателя, попарно расположенными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Электромагнитные волны, отраженные от краевых областей зеркала, принимаются одиночными излучателями 6-9 дополнительного облучателя, попарно расположенными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствующих плоскостям расположения антенных решеток основного облучателя. Сигналы с выходов линейных антенных решеток 1-4 поступают на входы симметричных делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя и с их выходов поступают на фазовращатели 12, 13 и аттенюаторы 14, 15, на которых регулируется фаза и амплитуда сигналов. С выходов аттенюаторов 14, 15 сигналы поступают на входы симметричного делителя 16 мощности второго порядка основного облучателя, с выхода которого поступают на первый вход несимметричного делителя мощности 28. Сигналы с выходов одиночных излучателей 6-9 дополнительного облучателя поступают на фазовращатели 17-20 и аттенюаторы 21-24, на которых регулируются амплитудно-фазовые соотношения сигналов дополнительного облучателя по отношению к сигналам основного облучателя. С выходов аттенюаторов 21-24 дополнительного облучателя сигналы суммируются на симметричных делителях 25, 26 мощности первого порядка дополнительного облучателя и затем суммируются на делителе 27 мощности второго порядка дополнительного облучателя. С выхода делителя мощности 27 сигналы поступают на второй вход несимметричного делителя мощности 28 с коэффициентом деления 0,3/0,7. Амплитуда сигналов на выходе одиночных излучателей 7, 8, расположенных в вертикальной плоскости, амплитуда сигналов на выходе одиночных излучателей 6, 9 дополнительного облучателя, расположенных в горизонтальной плоскости, и амплитуда сигналов на выходах делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя регулируются так, чтобы уровень основных лепестков диаграмм направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, возбуждаемой парами одиночных излучателей 7, 8 и 6, 9, был равен уровню первых боковых лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой основным облучателем в соответствующих плоскостях. Фаза сигналов на выходе одиночных излучателей 7, 8, расположенных в вертикальной плоскости, фаза сигналов на выходе одиночных излучателей 6, 9, расположенных в горизонтальной плоскости, и фаза сигналов на выходах делителей 10, 11 мощности первого порядка основного облучателя регулируются так, чтобы фаза основных лепестков диаграмм направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, возбуждаемой парами одиночных излучателей 7, 8 и 6, 9, была противоположной фазе первых боковых лепестков диаграммы направленности антенны, возбуждаемой основным облучателем в соответствующих плоскостях. Этим достигается уменьшение уровня бокового излучения сферической зеркальной антенны и повышение помехозащищенности радиолокационной станции.
В режиме излучения зеркальная антенна работает аналогично.
На экспериментальной установке за счет выбора амплитудных и фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями получена нормированная диаграмма направленности 31 сферической зеркальной антенны  (β - угол поворота антенны в горизонтальной плоскости) с уровнем боковых лепестков не выше -36 дБ. В экспериментальной установке диаметр раскрыва зеркала составлял 30 см. Раскрыв антенны облучался на длине волны λ=3 см из дальней зоны горизонтально поляризованным полем.