Осесимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна
AXISYMMETRIC MULTIBAND MULTIMIRROR ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
В настоящее время для радиосвязи и цифрового радиовещания широко используются искусственные спутники Земли (ИСЗ) - ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите (ГСО) и использующие одновременно диапазоны частот С, Ku и Ka. В перспективе планируется использование частотных диапазонов 40 ГГц и более [1].
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на ГСО, для работы одновременно в трех диапазонах частот.
Уровень техники
Известны [2] многодиапазонные двухзеркальные антенны, состоящие из основного параболического зеркала-рефлектора, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида или гиперболоида, соосного рефлектору, и облучателя в фокусе контррефлектора. Такие антенны позволяют организовывать радиосвязь через ИСЗ на ГСО одновременно в нескольких частотных диапазонах с использованием устройств разделения диапазонов частот [2, 3]. К недостаткам такой антенной системы относится пониженная ее эффективность при одновременном приеме нескольких диапазонов на один облучатель из-за потерь электромагнитной энергии в устройстве разделения диапазонов частот.
Известны двухзеркальные антенны типа Грегори с двумя облучателями, один из которых расположен в фокусе основного параболического рефлектора, а второй в фокусе эллиптического контррефлектора, удаленном от вершины параболического рефлектора [4]. Каждый из этих облучателей принимает свой диапазон частот с одного и того же направления. Такие антенны раздельно принимают одновременно два разных диапазона без применения устройства разделения диапазонов частот.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности антенны при одновременном приеме трех диапазонов частот за счет исключения устройства разделения частот, вносящего дополнительные потери в тракт приема. Для этого предлагается осесимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна, состоящая из трех облучателей, основного зеркала-рефлектора с образующей в виде параболы, симметричного относительно ее фокальной оси, и вспомогательного зеркала-контррефлектора, соосного параболе. При этом контррефлектор имеет форму параболы, вогнутой в сторону от рефлектора. Фокальная ось этой параболы является осью аксиальной симметрии антенны и одновременно осью симметрии контррефлектора, а в ее фокусе установлен облучатель первого диапазона частот. На фокальной оси рефлектора соосно ему установлены осесимметричные вторичный рефлектор с сечением, подобным сечению рефлектора, и диаметром, равным диаметру контррефлектора, а также вторичный контррефлектор с сечением в виде эллипса, фокальная ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. В фокусе эллипса, дальнем от вершины вторичного рефлектора и совпадающем с его фокусом, установлен облучатель второго диапазона частот, а в фокусе эллипса, ближнем к вершине вторичного рефлектора, установлен облучатель третьего диапазона частот.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором обозначено:
1 - основное зеркало (рефлектор);
2 - контррефлектор;
3 - облучатель первого диапазона частот;
4 - вторичный рефлектор;
5 - вторичный контррефлектор;
6 - облучатель второго диапазона частот;
7 - облучатель третьего диапазона частот;
8 - ось аксиальной симметрии антенны;
9 - направление лучей облучателя 3 на края рефлектора 1;
10 - направление излучения антенны, формируемое облучателями 3, 6 и 7;
11 - направление лучей облучателя 6 на края вторичного рефлектора 4;
12 - направление лучей от вторичного рефлектора 4 к контррефлектору 2;
13 - направление лучей облучателей 6 и 7 на края рефлектора 1;
14 - направление лучей облучателя 7 от вторичного контррефлектора 5 к вторичному рефлектору 4.
Осуществление изобретения
Осесимметричная многодиапазонная многозеркальная антенна (фиг. 1) состоит из основного зеркала-рефлектора 1 и контррефлектора 2 в виде параболоидов вращения с совпадающими фокальными осями и фокусами образующих парабол, но обращенными в разные стороны вершинами. В общем фокусе парабол 1 и 2 размещается облучатель 3.
При подключении к облучателю 3 высокочастотного генератора первого диапазона частот облучатель 3 излучает поле первого диапазона частот в сторону рефлектора 1. Так как рефлектор обычно находится в дальней зоне излучения относительно облучателя, указанную волну можно рассматривать в виде лучей 9. Поскольку поверхность рефлектора 1 представляет собой параболоид, а облучатель находится в его фокусе, эти лучи после отражения формируют в раскрыве рефлектора синфазное электромагнитное поле, которое соответствует диаграмме направленности с максимумом излучения и, соответственно, приема с направления фокальной оси, совпадающей с направлением оси аксиальной симметрии антенны 8.
При подключении высокочастотного генератора второго диапазона частот к облучателю 6, расположенному в фокусе вторичного рефлектора 4, в его раскрыве также формируется синфазное поле, которое в дальней зоне образует плоскую волну. Эта волна распространяется вдоль фокальной оси и попадает на внутреннюю поверхность контррефлектора 2, после отражения от которого, проходя через фокус рефлектора 1, совпадающий с положением фокуса контррефлектора 2, возбуждает рефлектор 1 на частоте генератора второго диапазона частот. В раскрыве рефлектора 1 формируется синфазное поле второго диапазона частот с максимумом излучения и, соответственно, приема с того же направления аксиальной оси симметрии 8.
При подключении к облучателю 7, расположенному в фокусе, удаленном от вторичного контррефлектора 5, высокочастотного генератора третьего диапазона частот сферическая волна этого диапазона попадает на внутреннюю поверхность 5. После отражения от нее, в том числе и в виде лучей 14, после пересечения в фокусе вторичного контррефлектора 5, совпадающего по положению с фокусом вторичного рефлектора 4, поле третьего диапазона частот попадает на внутреннюю поверхность вторичного рефлектора. Согласно свойствам антенны Грегори, образуемой облучателем 7 и поверхностями вторичного контррефлектора 5 и вторичного рефлектора 4, в его раскрыве формируется плоская волна третьего диапазона частот. Эта волна распространяется в направлении аксиальной оси симметрии антенны и попадает на внутреннюю поверхность контррефлектора 2. После отражения от него, проходя через фокус рефлектора 1, совпадающий с положением фокуса контррефлектора 2, указанная волны возбуждает рефлектор 1 на частоте генератора третьего диапазона частот. За счет этого в раскрыве рефлектора 1 формируется синфазное поле третьего диапазона частот с максимумом излучения, а соответственно и приема, с того же направления аксиальной оси симметрии антенны 8.
Облучатели 3, 6 и 7 оказывают затеняющее воздействие на излучение друг друга. Вместе с тем, согласно геометрическим построениям хода лучей затеняющее действие облучателя 7, которое он оказывает на излучение облучателя 6, не превышает затенения от вторичного контррефлектора 5. Затеняющее воздействие облучателей 3 и 6 может быть минимизировано при соответствующем распределении диапазонов частот по облучателям. Если первый диапазон соответствует самым высоким частотам (например, Ka диапазон), второй диапазон - средним частотам (Ku диапазон), третий диапазон - низким частотам (С диапазон), то размеры облучателя 3 будут много меньше длин волн относительно второго и третьего диапазонов, а размеры облучателя 6 - много меньше длины волны третьего диапазона. В этом случае воздействие облучателей 3 и 6 на проходящие мимо них электромагнитные волны будет мало.
Для одновременной работы в нескольких диапазонах частот в известных антеннах используются облучатели, общие для нескольких диапазонов частот в совокупности с устройствами разделения диапазонов, вносящими дополнительные высокочастотные потери, снижающие коэффициент использования и повышающие шумовую температуру антенны. В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется методом пространственного разделения приема на несколько облучателей 3, 6 и 7, что повышает эффективность антенны.
Источники информации
1. Сподобаев М.Ю. Ключевые вызовы и основные тенденции развития отрасли спутниковой связи в среднесрочной перспективе / SATCOMRUS 2017, 1 ноября 2017 г.
2. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 496 с.: ил.
3. Каскад приемного устройства СВЧ с разделением частот ортогональных поляризаций двух диапазонов частот: Патент RU 2136088: МПК Н01Р 1/161, Н04В 1/00 / A.M. Сомов, А.В. Пугачев. Заявка RU 98105930 от 17.03.1998 г. Опубл. 27.08.1999 г.
4. Многолучевая комбинированная зеркальная антенна. Патент RU 2627284: МПК H01Q 5/00 / A.M. Сомов. Заявка RU 2016127926 от 12.07.2016 г. Опубл. 04.08.2017 г.