Широкополосная многолучевая зеркальная антенна

Широкополосная многолучевая зеркальная антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области антенн, и может быть использовано в спутниковой связи, обнаружении и пеленгации объектов.

Известна радиолокационная антенна (патент Норвегии № 113550 от 1973.06.25, H01Q 46/02), обеспечивающая циклическое сканирование лучей диаграмм направленности.

Антенна содержит параболоцилиндрический отражатель и группу облучателей, размещенных на фокальной линии. Уровень пересечения парциальных диаграмм направленности может быть реализован в антенне за счет используемых в ней фазовращателей для циклического изменения фазы облучателей. Однако использование фазовращателей приводит к усложнению системы питания облучателей, увеличению потерь коэффициента направленного действия (КНД) и не обеспечивает работу в широкой полосе частот.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент России №2080711 от 1997.05.27, H01Q 19/10), обеспечивающая повышение уровня пересечения формируемых диаграмм направленности.

Антенна содержит параболический отражатель и несколько вынесенных из фокуса облучателей. Облучатели выполнены в виде диэлектрических стержней, запитываемых коническими рупорами и круглыми волноводами. Повышение уровня пересечения в антенне обеспечено за счет возможности сближения облучателей из-за уменьшения их поперечного размера. Однако использование диэлектрических стержневых облучателей приводит к потерям КНД из-за непостоянства положения фазового центра, отражений от конца стержней, потерям энергии в узле питания, а также значительному уровню боковых лепестков и радиальному излучению, что приводит к взаимному влиянию близко размещенных облучателей.

Антенна обладает недостаточной широкополосностью, ограниченной рабочей полосой круглого волновода. В антенне ограничена возможность формирования строк диаграмм направленности и улучшения согласования облучателей в их узле питания при работе, например, в передающем режиме.

Известна многолучевая зеркальная антенна (патент России № 2234774 от 2004.08.20, H01Q 15/14), обеспечивающая формирования столбца или строки из нескольких диаграмм направленности со стабильным уровнем пересечения в широкой полосе частот.

Антенна содержит несимметричный параболический отражатель и четыре вынесенных из фокуса облучателя. Стабилизация уровня пересечения обеспечена за счет того, что отражатель выполнен из параллельных проводящих пластин, кромки которых формируют локальные параболические отражающие поверхности. Поверхность отражателя составляют пластины, расстояние между которыми меняется по закону от λ_к/2 до λ_д/2, где λ_к и λ_д минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона. Стабилизация уровня пересечения обеспечена за счет постоянства ширины результирующей диаграммы направленности антенны, которая обеспечивается локальными поверхностями отражателя, площадь которых изменяется обратно пропорционально частоте.

Антенна имеет низкий КНД, так как энергия облучателей при облучении отражателя используется не оптимально, особенно в высокочастотной части диапазона, из-за просачивания ее между пластинами с увеличенным между ними расстоянием.

Проявляют себя также дифракционные явления, что приводит к потерям за счет высокого уровня боковых лепестков (минус 7 дБ). Для снижения дифракционных эффектов между пластинами установлен поглощающий материал, что также приводит к потерям КНД. Кроме того, для сохранения параметров антенны необходима защита пластинчатого отражателя от механических и климатических воздействий при эксплуатации в реальных условиях. Для защиты необходим обтекатель, работающий в широком диапазоне частот (более чем в 2-кратной полосе частот).

Реализация такого обтекателя в СВЧ-диапазоне приводит к технологическим проблемам и требует материальных затрат как при разработке обтекателя, так и серийном изготовлении.

Известна многолучевая зеркальная антенна адаптивного спутникового ретранслятора, описанная в журнале «Радиотехника СВЧ», экспресс-информация № 21, М., 1998, с.17-23, которая, как наиболее близкая по технической сущности заявляемому объекту, принята за прототип.

Антенна состоит из одиночного отражателя, облучаемого активной несфокусированной решеткой, и пяти первичных рупорных облучателей. Отражатель выполнен в виде несимметричного параболоида вращения, решетка содержит девять элементов, а рупорные облучатели расположены вплотную друг к другу по периметру центрального рупора. Все рупоры направлены в центр решетки, элементы которой расположены на одинаковом расстоянии от фокуса отражателя.

Антенна формирует две строки с центральным наиболее сфокусированным лучом диаграмм направленности.

Уровень пересечения диаграмм направленности обеспечивается за счет выноса рупорных облучателей из фокуса параболоида вращения в обеих плоскостях. Максимальный уровень пересечения достигается использованием в качестве облучателей открытых концов волноводов.

В антенне повышенный уровень пересечения достигается за счет потерь КНД до 4,5 дБ при использовании облучателей в виде открытых концов волноводов, диаграмма направленности которых имеет ширину 120÷140°, что приводит к значительному переоблучению решетки и отражателя. Эти потери компенсируются активной решеткой, которая не может быть с активными элементами сфазирована в широком диапазоне частот и поэтому антенна узкополосна. Кроме того, при формировании строк с различной структурой и контуром по периметру необходимо изменить конструкцию антенны. Использование в качестве отражателя параболоида вращения не позволяет увеличить рабочий сектор строки более чем на 3 ширины диаграммы направленности (Р.Кюн. Антенны СВЧ. Судостроение, Ленинград, 1967, с.363-365), ширина которых при использовании параболического отражателя невелика, так как определяется размером его раскрыва.

Задача изобретения - повышение уровня пересечения парциальных диаграмм направленности в широкой полосе частот при формировании различной структуры нескольких строк и снижение потерь КНД при этом.

Решение этой задачи достигается тем, что в широкополосной многолучевой зеркальной антенне, содержащей несимметричный отражатель с вынесенными из апертуры идентичными рупорными облучателями с Н-волноводными входами и клиньями на стенках рупоров, отражатель выполнен параболоцилиндрическим, а облучатели, размещенные вдоль фокальной линии, расфазированы в фокальной плоскости в верхней части частотного диапазона от 0,75π до π, причем центральный или центральные облучатели расположены нормально к образующей цилиндра, а остальные - крайние, установленные по обе стороны, имеют возможность поворота к ним, при этом все облучатели обеспечены поперечным смещением относительно фокальной плоскости на величину

Y=±ftg (0,5÷1)Θ^н _0,5,

где F - фокусное расстояние;

Θ^н _0,5 - ширина диаграммы направленности антенны,

кроме этого на широких стенках раскрывов крайних рупоров могут быть установлены треугольные пластины, у которых наклонные к раскрыву кромки совмещены с направлением фокальной линии отражателя, а между входами рупоров и Н-волноводными входами введены радиальные секции с изгибом в Е-плоскости радиусом (4-5)λ боковых стенок и продолжающихся гребней волновода, переходящих в стенки и клинья рупора.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображен общий вид антенны;

на фиг.2 изображен один из облучателей;

на фиг.3 изображен шарнирный кронштейн с облучателем;

на фиг.4 изображены четыре из возможных вариантов строк структуры диаграмм направленности;

на фиг.5 изображены экспериментальные уровни пересечения диаграмм направленности средней строки (вариант I и III, фиг.4);

на фиг.6 изображены ДН повернутого на ширину ДН крайнего облучателя.

Широкополосная многолучевая зеркальная антенна (фиг.1) состоит из параболоцилиндрического отражателя 1, облучающего устройства 2 с семью одинаковыми облучателями 3, закрепленными на раме - основании 4.

Отражатель 1 выполнен с отношением фокусного расстояния к размеру апертуры в плоскости параболы, равным 1,0. Размер отражателя по образующей выбран таким, чтобы уровень облучения крайних диаграмм был не выше минус 12 дБ. Параболический профиль выполнен с допуском λ_к/32. По периметру отражателя установлена бленда 5 из поглощающего материала В2(Ф3) ТУ38-105.468-79.

Облучающее устройство 2 (фиг.1) состоит из рупорных облучателей 3, размещенных вдоль фокальной линии на шарнирных кронштейнах. Шарнирные кронштейны позволяют установить облучатели под углом к фокальной плоскости в направлении центра отражателя, поворачивать облучатели в их фазовых центрах в фокальной плоскости, а также смещать их продольно и поперечно.

Облучатель (фиг.2) выполнен в виде пирамидального рупора, близкого к Е-секториальному, с размером раскрыва (6×3,5)λ_к. В Е-плоскости рупор расфазирован и его длина определена по формуле (Г.З.Айзенберг и др. Антенны УКВ. Т.1. Связь, М., 1977, с.283):

где

R_E - длина рупора;

А_р - размер раскрыва в Е-плоскости;

ψ - расфазирование рупора на λ_к.

На рассматриваемом образце ψ=0,75π.

В состав облучателя (фиг.2) входят рупор 6, Н-волноводный вход с фланцем 7, секция 8, гребни 9, клинья 10, пластины 11.

Раскрыв рупора А_р близок к линейному, так как его размер в плоскости Н примерно в два раза меньше раскрыва в Е-плоскости.

Размер раскрыва В_р в плоскости Н определяется углом раскрыва отражателя 1, который в предлагаемой антенне 50°. Н-волноводный вход 7 облучателя - стандартный, сечением 17,55×8,15 мм.

Секция 8 выполнена с радиальными боковыми стенками радиусом в Е-плоскости r=5λ_д, в секторе α≈20° (фиг.2).

Боковые стенки изогнуты вместе с гребнями 9 Н-волновода и далее плавно переходят в боковые стенки рупора 6 и его клинья 10.

При линейных раскрывах крайних облучателей А_р>10λ или угле поворота более ширины ДН на их раскрывах А_р должны быть прикреплены с обеих сторон треугольные пластины 11, при этом угол между наклонной кромкой пластины и раскрывом А_р должен быть равен углу поворота облучателя. Пластины 11, так же, как и секция 8, могут быть изготовлены как единое целое с рупором 6 и волноводным входом 7.

Шарнирный кронштейн (фиг.3) унифицирован для всех облучателей и состоит из обоймы 12, кронштейна 13 и основания 14.

Обойма 12 служит для крепления облучателя, продольного его перемещения с помощью шпилек 15 и фиксации в любом смещенном положении.

Кронштейн 13 служит для установки облучателя на основании 14, перемещения его в вертикальной плоскости с помощью шпилек 16.

Основание 14 служит для крепления кронштейна 13 с облучателем на раме облучающего устройства и обеспечивает поворот облучателя относительно фазового центра F по радиусам r' и R' за счет прорезей 17 соответствующего радиуса и фиксации положения облучателя после поворота винтами 18.

Центральный облучатель «Г» (фиг.1) направлен нормально к образующей цилиндра под углом 26° к фокальной плоскости, а его раскрыв совмещен с фокальной линией отражателя.

Облучатели «В» и «Д» повернуты к облучателю «Г» на 15° и продольно смещены до совпадения скоса пластин с фокальной линией.

Облучатели «А» и «Ж», «Б» и «Е» повернуты на 7,5° к облучателю «Г», и продольным перемещением скосы их пластин совмещены с фокальной линией. Кроме того, с помощью шпилек 16 облучатели «А» и «Ж», «Б» и «Е» смещены поперечно фокальной плоскости на

Y₁=±ftg 0,5 Θ^н _0,5 соответственно.

На фиг.4 приведены структуры строк вышеописанного положения облучателей (вариант 1) и возможных других структур.

Вариант II может быть реализован смещением облучателей «Д» и «В» вертикально на Y₁=±ftg 0,5Θ^н _0,5.

Вариант III может быть реализован смещением облучателей вертикально в варианте I «Б» и «Е», «А» и «Ж» на Y₂˜±ftgΘ^н _0,5.

Вариант IV может быть реализован смещением облучателей «Б», «Е», «Ж» и «А» на Y₂=±ftgΘ^н _0,5, а облучатель «Г» и добавленный «З» - на Y₂=±ftg0,5Θ^н _0,5.

Антенна работает следующим образом.

При подаче электромагнитной энергии на входы облучателей они вместе с параболоцилиндрическим отражателем формируют структуру строк парциальных диаграмм направленности в соответствии с вариантом их смещения (Р.Кюн. Антенны СВЧ. Судостроение, Ленинград, 1967, с.363-365) с повышенным уровнем пересечения. Поскольку облучатели в фокальной плоскости (плоскости Е) выполнены расфазированными, то ширина их диаграмм направленности слабо зависит от частоты и уровень пересечения зависит в основном от угла наклона облучателей к образующей цилиндра. Однако при повороте облучателей их линейные раскрывы не совпадают с фокальной линией и тем самым нарушается условие Аббе (Л.Д.Бахрах, Г.К.Галимов. Зеркальные сканирующие антенны. Наука, М., 1981, с.106, 124-127), в результате могут возникнуть фазовые искажения, приводящие к деформации диаграмм направленности и снижению КНД. Совмещение линейных раскрывов с фокальной линией обеспечивают пластины, установленные на кромках раскрывов облучателей, наклонные кромки которых совмещены с фокальной линией. Таким образом, пластины выполняют роль компенсаторов фазовых искажений, вызванных поворотом раскрыва облучателей (A.З.Фрадин. Антенны СВЧ. Советское радио, М., 1957, с.257) и образуют рупорные раскрывы облучателей в ортогональной плоскости (плоскости параболы).

В ортогональной плоскости облучатели сфазированы, а их фазовый центр находится в плоскости раскрыва облучателей и совмещен с фокусом параболы. В этой плоскости диаграмма направленности частотнозависима и уровень облучения отражателя обратнопропорционален частоте, что способствует некоторой стабилизации ширины результирующей диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Введенная радиальная секция 8 (фиг.2) на входе рупора обеспечивает плавный переход электромагнитной энергии от волновода к рупору и улучшение согласования в диапазоне частот (Г.З.Айзенберг и др. Антенны УКВ. Т.1. Связь, М., 1977, с.80).

При использовании параболоцилиндрического отражателя, по сравнению с прототипом, уровень пересечения парциальных диаграмм направленности обеспечивается при оптимальных раскрывах облучателей и потерь КНД за счет переоблучения отражателя не происходит. В параболическом отражателе прототипа уровень пересечения зависит от выноса облучателя из фокуса, что приводит к необходимости уменьшения раскрыва облучателя и переоблучению апертуры, следствием чего являются потери КНД до 4,5 дБ.

Были проведены экспериментальные исследования предлагаемой многолучевой зеркальной антенны в диапазоне частот с перекрытием 2,25.

Геометрические размеры антенны следующие:

- фокусное расстояние - 30 λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны диапазона;

- размер отражателя в горизонтальной плоскости - 55 λ_ср;

- размер апертуры отражателя в вертикальной плоскости - 30 λ_cp;

- угол раскрыва отражателя в плоскости параболы - 50°.

В рассмотренном экспериментально первом варианте установки облучателей (фиг.5) уровень пересечения парциальных диаграмм направленности в строке составил 1,5÷3,5 дБ в диапазоне частот. Ширина парциальной диаграммы направленности в Е-плоскости в пределах 12÷20°.

Ширина парциальной диаграммы направленности в Н-плоскости в пределах 2÷3°.

Ширина рабочего сектора на уровне 3 дБ средней строки 45±8°.

Ширина рабочего сектора на уровне 3 дБ столбца из 3-х диаграмм направленности 4÷6°.

Коэффициент усиления парциальной диаграммы направленности 26÷30 дБ.

Коэффициент стоячей волны не более 1,35 в диапазоне частот.

Экспериментально установлено, что за счет поворота крайних облучателей к центру образующей отражателя его горизонтальный размер сокращен примерно на 20%, а при раскрыве облучателей А_р<10λ без пластин 11 искажения ДН выражены в ее асимметрии на уровне ниже минус 10 дБ (фиг.6) внутрь строки.

1. Широкополосная многолучевая зеркальная антенна, содержащая несимметричный отражатель с вынесенными из апертуры идентичными рупорными облучателями с Н-волноводными входами и клиньями на стенках рупоров, отличающаяся тем, что отражатель выполнен параболоцилиндрическим, а облучатели, размещенные вдоль фокальной линии, расфазированы в фокальной плоскости в верхней части частотного диапазона от 0,75π до π, причем центральный или центральные облучатели расположены нормально к образующей цилиндра, а остальные - крайние, установленные по обе стороны, имеют возможность поворота к ним, при этом все облучатели обеспечены поперечным смещением относительно фокальной плоскости на величину

Y=±ftg(0,5÷1)Θ^н _0,5,

где f - фокусное расстояние;

Θ^н _0,5 - ширина диаграммы направленности антенны.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что на широких стенках раскрывов крайних рупоров могут быть установлены треугольные пластины, у которых наклонные к раскрыву кромки совмещены с направлением фокальной линии отражателя.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что между входами рупоров и Н-волноводными входами введены радиальные секции с изгибом в Е-плоскости радиусом (4-5)λ боковых стенок и продолжающихся гребней волновода, переходящих в стенки и клинья рупора.