БОРТОВАЯ МНОГОЛУЧЕВАЯ ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА СО СМЕЩЕННОЙ ФОКАЛЬНОЙ ОСЬЮ
ONBOARD MULTIBEAM DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA WITH SHIFTED FOCAL AXIS

Изобретение предназначено для использования в составе радиотехнических устройств, находящихся на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), расположенного на геостационарной орбите (ГСО), для телевидения, радиовещания и радиосвязи в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.
Известны [1, 3] двухзеркальные антенны, состоящие из основного зеркала-рефлектора в виде параболоида вращения, вспомогательного зеркала - контррефлектора в виде эллипсоида вращения, а также облучателя, расположенного в одном из фокусов контррефлектора и излучающего в его сторону. Второй фокус контррефлектора в двухзеркальной антенне совмещен с фокусом рефлектора. Недостатком указанных антенн является попадание поля отраженного контррефлектором в облучатель.
Известны [2, 3] двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, в которых фокальная ось параболы, являющаяся образующей основного зеркала, не совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. Профили основного и вспомогательного зеркал в антеннах со смещенной фокальной осью получаются путем вращения соответственно несимметричных вырезок параболы и эллипса, расположенных по разные стороны от фокальной оси параболы так, что фокус параболы совмещен с первым фокусом эллипса. При этом ось вращения проходит через второй фокус эллипса и его край, максимально удаленный от основного зеркала. Недостатком данной антенны является отсутствие режима формирования многолучевой диаграммы направленности.
Для формирования множества парциальных лучей диаграммы направленности (ДН), обслуживающих локальные участники Земли, на ИСЗ, расположенных на ГСО, в качестве бортовых известны гибридные зеркальные антенны [4]. Они состоят из основного зеркала в виде несимметричной, относительно фокальной оси, вырезки из параболоида вращения в виде решетки облучателей, образующих наклоненную в сторону рефлектора плоскую облучающую решетку, центр которой совмещен с фокусом параболоида. Смещение решетки облучателей относительно фокуса параболоида приводит к изменению угла наклона парциального луча, формируемого этой решеткой облучателей. Недостатком является то, что отсутствует возможность формирования парциальных лучей из-за ограниченности соотношения размеров основного зеркала и размеров решетки облучателей. Кроме этого, использование рефлектора неосесимметричной формы приводит к повышенному уровню кроссполяризации [1].
Техническим результатом изобретения является расширение сектора формирования парциальных лучей ДН антенны при одновременном увеличении результирующей эффективности антенны и снижении уровня кроссполяризационного излучения.
Для этого предлагается бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью. Она состоит из основного зеркала-рефлектора с профилем, образованным вращением монотонного участка параболы вокруг оси, параллельной фокальной оси параболы, вспомогательного зеркала-контррефлектора с профилем, образованным вращением вокруг оси симметрии рефлектора, вогнутого в его сторону участка эллипса, первый фокус которого находится на указанной оси, а второй совпадает с фокусом параболы, образующей рефлектор, При этом, напротив контррефлектора между внутренними краями рефлектора в его центре установлена решетка облучателей так, что центры облучателей расположены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии рефлектора, причем центральный облучатель решетки расположен в первом фокусе эллипса, образующего контррефлектор.
Изобретение поясняется чертежом:
- фиг. 1 - сечение бортовой многолучевой двухзеркальной антенны со смещенной фокальной осью плоскостью, проходящей через ось аксиальной симметрии антенны.
Бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью и эллиптической образующей контррефлектора (фиг. 1) содержит основное зеркало-рефлектор 1, вспомогательное зеркало - контррефлектор 2 и решетку облучателей 3. Рефлектор 1 имеет профиль, образованный вращением монотонного участка параболы с фокальной осью 7 вокруг оси аксиальной симметрии 4-4′, параллельной фокальной оси 7 параболы. Контррефлектор 2 имеет профиль, образованный вращением вокруг оси аксиальной симметрии рефлектора 1 участка эллипса 8, вогнутого в сторону рефлектора 1. При этом первый фокус 5 эллипса 8 находится на оси аксиальной симметрии рефлектора 1, совпадающей с осью вращения образующей его параболы 4-4′. Второй фокус 6 эллипса 8 совпадает с фокусом параболы. Решетка облучателей 3 располагается напротив контррефлектора 2 между внутренними краями рефлектора 1. При этом все фразовые центры облучателей находятся в плоскости, перпендикулярной оси аксиальной симметрии рефлектора 4-4′, а фазовый центр центрального облучателя совпадает с первым фокусом 5 эллипса 8.
Бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью работает следующим образом. Генератор высокочастотных колебаний посредством схемы питания (на чертежах не показаны) возбуждает облучатели. Решетка облучателей, таким образом, является источником первичной волны. При этом воздействие на систему контррефлектор-рефлектор решеткой облучателей складывается из парциальных воздействий каждого облучателя в отдельности. Результирующее поле антенны в этом случае является результатом воздействия поля каждого из облучателей решетки на систему контррефлектор-рефлектор.
Поле центрального облучателя решетки облучателей симметрично возбуждает контррефлектор. Благодаря взаимному совмещению фокусов рефлектора и контррефлектора, а также в силу геометрических свойств образующих их кривых второго порядка (параболы и эллипса) длины пути волн центрального облучателя, излучаемых под разными углами (на фиг. 1 показаны линиями со стрелками), от фазового центра центрального облучателя до раскрыва антенны будут равны. В результате поле в раскрыве будет синфазно, что приведет к формированию узкой диаграммы направленности с главным максимумом в направлении оси симметрии антенны.
Для других облучателей решетки облучателей, смещенных относительно центрального облучателя, его лучи уже не будут сходиться в фокусе параболы рефлектора. В приближении геометрической оптики область фокусировки поля сместится в ту же сторону, что и облучатель. В силу геометрических свойств параболоида это приведет к отклонению главного лепестка парциальной ДН в противоположную сторону. Таким образом формируется многолучевая диаграмма направленности антенны в которой число парциальных диаграмм (лучей), соответствует числу облучателей в решетке облучателей.
В силу геометрических свойств эллипса лучи, соответствующие направлению максимума главного лепестка ДН облучателя и имеющие наибольшую интенсивность, после отражения от центральной части контррефлектора 2, попадают на край рефлектора 1. Лучи, от облучателя имеющие меньшую интенсивность, наоборот, будут облучать центральную часть рефлектора 1. Длина пути до края рефлектора 1 больше, чем до его центральной части. Поэтому амплитудное распределение поля в раскрыве предлагаемой антенны в сравнении с обычными двухзеркальными антеннами окажется более равномерным, что приведет к повышению коэффициента использования площади раскрыва антенны.
Бортовую многолучевую двухзеркальную антенну со смещенной фокальной осью можно условно разделить на сектора. Каждый такой сектор представляет собой гибридную зеркальную антенну, построенную по двухзеркальной схеме с несимметричным рефлектором. В такой антенне особенно для крайних облучателей решетки облучения имеет место перелив поля облучателя за края рефлектора. В предлагаемой многолучевой антенне мощность, не попавшая на основной сектор, попадает на соседний сектор. Это приводит к увеличению коэффициента передачи мощности от облучателя к зеркалу и, как следствие, результирующей эффективности антенны.
В силу криволинейной поверхности рефлектора на нем возникают токи, имеющие как основные, так и паразитные ортогональные основным составляющие. Паразитные ортогональные основным составляющие токов на рефлекторе приводят к возникновению кроссполяризованного излучения, ухудшающего поляризационную развязку лучей. В антенне с осесимметричным рефлектором, в отличие от антенны с рефлектором неосесимметричной, формы паразитные компоненты токов на разных частях зеркала частично или полностью компенсирую друг друга [1]. В результате уровень кроссполяризованного поля снижается.
Поскольку в предлагаемой многолучевой двухзеркальной антенне имеет место пониженный уровень кроссполяризации, а основное зеркало перехватывает большую долю мощности облучателей, то оказывается возможным установить решетку облучателей, содержащую большее число облучателей и имеющую больший размер. Так как отклонение крайнего облучателя от середины решетки облучателей определяет максимальный угол отклонения формируемого этим облучателем луча ДН, то в предлагаемой антенне формируются парциальные лучи ДН в более широком секторе углов.
Таким образом, предложенная бортовая многолучевая двухзеркальная антенна со смещенной фокальной осью обладает повышенной результирующей эффективностью, низким уровнем кроссполяризации и позволяет формировать парциальные лучи ДН в широком секторе углов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 496 с: ил.
2. Improvements in or relating to Microwave Aerials: Патент GB 973583: МПК H01Q 17/00; H01Q 19/10; H01Q 19/19. / I.L. Lee; Заявка GB 19620014057 от 11.04.1962 г.; Опубл. 28.10.1964 г.
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. Галимов Г.К. Антенны и спутниковая связь. Том 5. Земля и борт. - М.: «Адвансед Солюшнз», 2013. - 504 с.