МНОГОЛУЧЕВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА
MULTIBEAM MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к зеркальным антеннам, и предназначено для использования в составе бортовых антенн искусственных спутников Земли для обеспечения многолучевой зоны покрытия Земной поверхности в СВЧ диапазоне.
Известно изобретение по патенту RU №2336615, которое относится к области радиотехники, а именно к антенным устройствам, обеспечивающим формирование многолучевого пучка диаграмм направленности. Техническим результатом изобретения является повышение стабилизации ширины диаграмм направленности и уровня пересечения соседних диаграмм направленности в многолучевом пучке в широкой полосе частот. Многолучевая зеркальная антенна содержит параболический отражатель, выполненный в виде параллельных проводящих пластин, и вынесенные из фокуса облучатели. Кромки пластин образуют отражающую поверхность. Расстояние между пластинами меняется по линейному закону от величины меньше или равной λк/2 до величины, равной λдл/2, где λк и λдл соответственно минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона частот. Облучатели выполнены с линейной зависимостью ширины диаграммы направленности от длины волны и с шириной диаграммы направленности на нижней частоте рабочего диапазона, соответствующей размеру их раскрыва не менее λдл.
Недостатком данной антенны является низкий коэффициент использования поверхности антенны. Также данная антенна имеет частотные ограничения, связанные с тем, что в своём составе имеет пластины, расстояние между которыми обусловлено частотной зависимостью антенны, что приводит к ограничению диапазона используемых частот.
Известно изобретение по патенту RU №2623652, которое относится к телекоммуникационным многолучевым антенным системам с фокальным устройством, состоящим из двумерного массива облучателей, в котором одновременно генерируется множество лучей посредством задания амплитудно-временных параметров сигналов для каждого облучателя. Многолучевая антенна содержит фокусирующую систему, состоящую из вогнутого зеркала, облучающее устройство, предназначенное для облучения вогнутого зеркала, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенного на расстоянии от вогнутого зеркала и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей. При этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении. При этом для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры передаваемого сигнала для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт, эквидистантный через вогнутое зеркало плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов.
К недостаткам данной антенны можно отнести низкий коэффициент усиления антенны, а также меньшую зону обслуживания (ЗО).
-1
В качестве ближайшего аналога выбран патент RU № 2524839 «Бортовая гибридная зеркальная антенна», который принят за прототип заявленного изобретения. Задачей указанного известного решения является создание бортовой гибридной зеркальной антенны, обеспечивающей покрытие многолучевой зоны обслуживания с пересечением локальных зон по равным уровням коэффициента направленного действия в продольной и поперечной плоскостях. Данная антенна содержит фокусирующую систему - рефлектор (отражатель) в форме вырезки из параболоида вращения и облучающую антенную решетку, нормаль плоскости раскрыва которой в плоскости симметрии антенны наклонена на угол β в направлении рефлектора относительно фокальной оси параболоида. Антенна также состоит из массива облучателей, расположенных по офсетной схеме, равных по количеству числу парциальных диаграмм направленности, где центры облучателей расположены на одинаковых расстояниях относительно друг друга. При этом облучатели, в плоскости раскрыва облучающей антенной решетки, разнесены в плоскости симметрии антенны на большее расстояние между центрами облучателей в (cosβ) раз.
К недостаткам прототипа относится меньшая площадь рефлектора, что приводит к низкому коэффициенту усиления (КУ) антенны.
Для заявленного устройства выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: Многолучевая зеркальная антенна состоит из массива облучателей, расположенного по офсетной схеме, фокусирующей системы.
Технической проблемой изобретения является малая площадь рефлектора.
Техническая проблема решается применением многолучевой зеркальной антенны, состоящей из массива облучателей, расположенного по офсетной схеме, фокусирующей системы. Фокусирующая система выполнена в виде трипода, в состав которого входит, по меньшей мере, три параболических отражателя, а массив облучателей содержит, по меньшей мере, три подмассива, соответствующих своему параболическому отражателю.
Суть изобретения поясняется чертежами (фиг.1 – фиг.6), где:
- на фиг. 1 представлена диаграмма направленности антенны;
- на фиг. 2 представлена схема изобретения;
- на фиг. 3 представлена зона обслуживания, обеспечиваемая антенной;
- на фиг. 4 представлен массив облучателей 4;
- на фиг. 5 представлен массив облучателей 5;
- на фиг. 6 представлен массив облучателей 6.
Расчётным путём установлено, что для того, чтобы обеспечить покрытие всей площади России с геостационарной орбиты, необходимо 28 узконаправленных лучей с шириной диаграммы направленности (ДН) 0,54 х 0,54° (фиг.1). Её получение, путем размещения соответствующего количества облучателей на одной параболической антенне, приведет к сильному перекрытию смежных лучей, низкому КУ, за счет меньшей площади антенны и неэффективному её использованию, что в совокупности не позволяет сформировать лучи с требуемой шириной ДН для покрытия территории РФ. Данные лучи формируются кластером, по меньшей мере, из трёх подмассивов облучателей (фиг.2), два из которых содержат, например, по девять облучателей, и один массив содержит, например, десять облучателей. Расположение облучателей и их количество обусловлено типом построения ЗО, чтобы обеспечить максимальное покрытие зоны обслуживания с использованием минимального количества частот. Минимальным количеством частот для схемы построения ЗО по гексаэдральной топологии, которая применяется в данном патенте и количество частот равно семи. Подробное представление данной ЗО представлено на фиг.3, где f1-f7 соответствующие частоты.
В настоящем изобретении предложена многолучевая зеркальная антенна (МЗА), состоящая из фокусирующей системы, выполненной в виде трипода, включающего в себя, как минимум, три параболических отражателя 1-3 (фиг.2) и массива облучателей (облучательной системы), состоящего из, как минимум, трех подмассивов 4-6, включающего в себя, например, 28 облучателей, равных по количеству парциальных диаграмм в ЗО. Расположение облучателей относительно параболических отражателей выполнено по офсетной схеме. Каждый подмассив соответствует своему параболическому отражателю. Расстояние между центрами облучателей одинаково относительно друг друга в каждом подмассиве. Данное разбиение предусмотрено для того, чтобы сформировать для каждого из трёх параболических отражателей 1-3 ДН и впоследствии сформировать суммарную ДН, указанную на фиг.1. Подмассив 5 из, например, десяти облучателей облучает параболический отражатель 2 (фиг.6), подмассив 4 из, например, девяти облучателей облучает параболический отражатель 1, а подмассив 6 из, например, девяти облучателей облучает параболический отражатель 3. Расположение каждого облучателя в подмассиве с привязкой по частоте представлено на фиг. 4, 5, 6.
Данная модель многолучевой антенны позволяет уплотнить массив облучателей относительно фокальной оси антенны, что помогает установить большую часть облучателей в фокусе антенны, что положительно сказывается на характеристиках антенны, а именно увеличение КУ антенн и коэффициент использования поверхности.
Каждый из трёх массивов облучателей направлен на свой параболический отражатель, за счёт чего каждый из массивов находится в фокусе параболического отражателя, что способствует увеличению КУ антенны, а также уменьшению пересечения смежных лучей общей диаграммы направленности.
Минимизация углового разноса лучей от фокальной оси параболического отражателя производится путем разнесения массивов облучателей.
МЗА работает следующим образом.
Параболические отражатели 1, 2, 3 сформированы трёхмерным образом и представлены в форме вогнутостей и выпуклостей, выполненных таким образом, чтобы обеспечить отражение пучков излучения 1А, 2А, 3А, которые выдаются каждым подмассивом 4, 5, 6. Их энергия рассредоточивается так, чтобы покрывать связанную с ними площадь параболического отражателя 1, 2, 3, чтобы главный лепесток ДН излучения, связанный с упомянутыми подмассивами 4, 5, 6, определял так называемое первичное покрытие интегральным образом, охватывающее всю площадь активного покрытия данной МЗА выбранной формы и размеров. Также, чтобы главный лепесток ДН, связанный с каждым нецентральным облучателем подмассивов облучателей 4, 5 ,6, покрывал, по меньшей мере, частично площадь параболического отражателя. Подмассивы облучателей 4, 5, 6 выполненные с возможностью применения своего закона изменения амплитуды и фазы таким образом, чтобы сочетание пучков излучения 1А, 2А, 3А, выдаваемых упомянутыми подмассивами облучателей 4, 5, 6, определяло каждую из упомянутых зон активного покрытия представленной на фиг.3. Подмассивы облучателей 4, 5, 6 выполнены и позиционированы таким образом, чтобы передавать пучки излучения волн 1А, 2А, 3А в выбранных направлениях.
Таким образом, техническим результатом изобретения является увеличение площади поверхности антенны за счёт применения трёх параболических отражателей, что в свою очередь повышает коэффициент усиления антенны, снижает уровень пересечения смежных лучей, повышает эффективность использования поверхности фокусирующей системы, минимизирует угловой разнос лучей от фокальной оси параболического отражателя.