Плоская антенна для спутникового телевидения

 

Использование: в системах непосредственного приема телевизионных сигналов со спутников. Сущность изобретения: антенна содержит плоскую замедляющую структуру, над которой размещены излучатели в виде параллельных эквидистантных линейных проводников, и возбудитель в виде облучателя (Е - плоскостного рупора) с параболоцилиндрическим зеркалом, установленный в торце плоской замедляющей структуры, рефлектор установлен с возможностью вращения вокруг фокальной оси, а концы линейных проводников закреплены с возможностью перемещения. Обеспечивается возможность перенацеливания антенны на различные спутники без изменения ее пространственного положения. Достигается К приблизительно 44,2 дБ при КПД приблизительно 58%. 8 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для приема телевизионных сигналов непосредственно со спутников.

Известна антенна для спутникового телевидения, представляющая собой рефлектор в виде параболоида вращения, в фокусе которого расположен облучатель. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, с. 371-372). Недостатком такой антенны является то, что при перенацеливании антенны с одного спутника на другой возникает необходимость вращения всей антенны как единого целого. Для обеспечения такого вращения необходимо соответствующее опорно-поворотное устройство, что делает конструкцию антенны сложной, увеличивает массу и габариты антенны. Недостатком такой антенны является также необходимость дополнительного усиления конструкции для обеспечения противодействия ветровым нагрузкам, а также ее незащищенность от снежных заносов. Кроме того, установка такой антенны на зданиях значительно нарушает их архитектурный облик.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является плоская антенна для спутникового телевидения (см. H.Sasazawa. Slot Coupling ina radial line slotantenna for 12 6Hz band Satellite TV reception. IEEE Trans. , on AP, v. 36, N 9, sept. 1988, p. 1221-1226), которая содержит узел возбуждения в виде перехода коаксиального тракта в радиальный волновод, замедляющую структуру в виде плоского слоя диэлектрика, расположенного на металлической подложке, а также группу облучателей в виде совокупности щелей, прорезанных определенным образом в металлической пластине, расположенной над замедляющей структурой. Эта антенна является плоской и по сравнению с зеркальной имеет уменьшенные габаритные размеры. Однако при перенацеливании с одного спутника на другой требуется поворот всей антенны как единого целого, что влечет за собой необходимость наличия в конструкции антенны поворотного устройства. Это делает практически невозможным размещение такой плоской антенны на стенах зданий или на ограждениях балконов и лоджий без сложных опорно-поворотных устройств. Необходимость противодействия ветровым нагрузкам дополнительно усложняет конструкцию антенны, которая должна быть усиленной.

Целью изобретения является обеспечение возможности перенацеливания плоской антенны для спутникового теле- видения на различные спутники без изменения ее пространственного положения при размещении на стенах зданий или на ограждениях балконов и лоджий, и также увеличение скрытности и возможности установки на зданиях без нарушения их архитектурного облика.

Это достигается тем, что предлагаемая антенна выполнена в виде плоской замедляющей структуры, в торце которой расположен узел возбуждения, а группа излучателей, параллельных плоской замедляющей структуре, выполнена в виде совокупности взаимно параллельных и эквидистантных линейных проводников, находящихся на расстоянии (0,1-0,5) λ от плоскости плоской замедляющей структуры, где λ - длина волны в свободном пространстве. Концы линейных проводников размещены с возможностью перемещения, а расстояние между ними d находится в пределах λ_з≅d≅λ , где λ_з - длина волны над замедляющей структурой. Узел возбуждения выполнен в виде двухплоскостного металлического волновода, в котором размещена зеркальная антенна с облучателем в виде Е-плоскостного рупора и рефлектором в виде цилиндра с параболической направляющей, образующая которого перпендикулярна плоскостям двухплоскостного металлического волновода, причем рефлектор размещен с возможностью вращения между плоскостями двухплоскостного металлического волновода вокруг фокальной линии.

На фиг. 1 изображен возможный вариант реализации предлагаемой плоской антенны для спутникового телевидения; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Эта антенна содержит узел возбуждения в виде двухплоскостного металлического волновода, образованного металлическими плоскостями 1 и 2, рефлектора 3 и Е-плоскостного рупора 4, плоскую замедляющую структуру в виде листа диэлектрика 5 толщиной (0,1-0,3) λ, расположенного над металлической плоскостью на расстоянии (0,1-0,3) λ от нее, группу линейных излучателей 6, два периодозадающих узла 7, узел перемещения рефлектора 8, синхронизатор периодозадающих узлов 9 и два привода 10. В качестве узла привода могут быть использованы, например, маховик с ручкой, электродвигатель с редуктором, шаговый двигатель. Плоская замедляющая структура может быть выполнена любым известным способом, например с использованием сплошного слоя диэлектрика на металлической плоскости, с использованием нескольких диэлектрических слоев, с использованием искусственного диэлектрика, с использованием металлической ребристой поверхности. Узел перемещения рефлектора 8 выполнен в виде жесткого угольника, соединяющего две точки А и Б рефлектора 3 с осью, совпадающей с фокальной линией F, и привода 10, с помощью которого осуществляется поворот жесткого угольника, а вместе с ним и рефлектора вокруг фокальной оси F.

На фиг.3-5 показаны три варианта возможной реализации периодозадающего узла 7. На фиг.3 показан периодозадающий узел, у которого в качестве периодозадающего элемента использована пружина 11, растягиваемая с помощью винта 12. Концы линейных излучателей 6 через амортизирующие пружины 13 крепятся к виткам пружины 11. Изменение расстояния между линейными излучателями 6 достигается изменением степени растяжения пружины 11 путем поворота винта 12.

На фиг. 4 периодозадающим элементом является "гармошка" из шарнирно скрепленных планок 14. В остальном принцип его действия такой же, как и у варианта, представленного на фиг.3а.

На фиг. 4 представлен периодозадающий узел 7, периодозадающий элемент которого выполнен на резьбовых соединениях. Он содержит шток 15, вдоль которого могут свободно скользить нанизанные на него 2N втулок 16 и 17, где N - число линейных излучателей 6. Втулки 16 и 17 попарно соединены между собой сочленением, допускающим их свободное вращение относительно друг друга и исключающим их линейное смещение относительно друг друга. Пары втулок на штоке соединяются с помощью резьбового соединения. При этом N втулок 16 лишены возможности вращения относительно штока 15 за счет штифтов 18, которые входят в продольный паз, профрезерованный на штоке 15, а N втулок 17 лишены возможности вращения относительно цилиндрического корпуса 19 за счет штифтов 20, которые входят в продольный разрез корпуса 19 и к которым через амортизирующие пружины 13 крепятся линейные излучатели 6. Изменение расстояния между излучателями 6 достигается вращением штока 15, так как такое вращение приводит к ввинчиванию втулок 16 во втулки 17 или вывинчиванию втулок 16 из втулок 17.

На фиг. 6 представлен вариант реализации плоской антенны для спутникового телевидения. Для уменьшения площади, занимаемой предложенной антенной, двухплоскостный металлический волновод узла возбуждения выполнен изогнутым.

Плоская антенна для спутникового телевидения работает следующим образом.

Принцип ее действия будем объяснять, пренебрегая взаимным влиянием линейных излучателей 6 и фазовым сдвигом между возбуждающими полями и реальными токами в проводниках. Как показали экспериментальные исследования, такое допущение вполне приемлемо для проведения приближенных расчетов, однако для конструирования реальных антенн требуется введение экспериментальных поправочных коэффициентов либо проведение более строгих расчетов.

На фиг.7 показан принцип формирования диаграммы направленности плоской антенны для спутникового телевидения для случая, когда линейные излучатели параллельны фазовому фронту замедленной волны, т.е. угол между ними γ = 0, а расстояния между линейными излучателями d кратны длине волны над плоской замедляющей структурой λ_з . Система координат принята такой же, как и на фиг. 1, то есть ось Y параллельна линейным излучателям, а ось Х перпендикулярна им и пересекает их посередине. Рассматриваемая система излучателей представляет собой эквидистантную антенную решетку, излучатели которой расположены вдоль оси Х. Диаграмма направленности такой решетки находится из теоремы перемножения. Она может быть определена перемножением векторной диаграммы направленности одного излучателя на скалярный множитель решетки, представляющий собой диаграмму направленности решетки точечных изотропных излучателей, каждый из которых находится на оси Х в места ее пересечения с линейными излучателями. Сечение диаграммы направленности линейного излучателя плоскостями XZ и YZ показано на фиг.7а. Вид множителя решетки в тех же плоскостях показан на фиг.7б, а результат перемножения на фиг.7в. Как видно из фиг.7в, результирующая диаграмма направленности получилась с лучом игольчатого типа, направленным перпендикулярно плоскости расположения линейных излучателей.

В случае поворота рефлектора вокруг фокальной оси на угол γ≠ 0 главный максимум диаграммы направленности каждого линейного излучателя сместится в плоскости YZ на угол γ , где ϕ₁ - угол между направлением излучения и осью Z, так как линейный излучатель в этом случае будет возбуждаться несинфазно. Диаграмма направленности линейного излучателя при γ≠ 0 показана на фиг. 8а. Если при этом расстояние между линейными излучателями не изменились, то множитель решетки останется таким же, как и на фиг.7б, а результирующая диаграмма направленности будет иметь главный максимум, смещенный на угол ϕ₁ только в плоскости YZ. Изменение расстояния между линейными излучателями приводит к отклонению главного макси- мума множителя решетки (см. фиг.8б) на угол arcsin1-M, где М - положитель- ное целое число большее нуля, так как множитель решетки представляет собой диаграмму направленности линейной решетки точечных изотропных излучателей, запитываемых несинфазно, а со сдвигом фаз между излучателями, равным ΔΨ d-2ΠM.

Из выражения для ϕ₂ определяется диапазон возможных изменений расстояний между линейными излучателями. Так как |sin ϕ₂|≅ 1, то Mλ₃≅ d≅ . Учитывая, что при d > λ неизбежно появление дифракционных максимумов, конструктивно диапазон изменения d может быть ограничен в пределах λ₃≅d≅λ .

Если в рассматриваемой ситуации γ = 0, то смещение максимума результирующей диаграммы направленности произойдет на угол ϕ₂ в плоскости XZ (результат перемножения диаграммы направленности на фиг.8б с диаграммой направленности на фиг.7а) и при γ≠0 и d≠Mλ₃ результирующая диаграмма направленности на фиг.8в, получается перемножением диаграммы направленности на фиг. 8а с диаграммой направленности на фиг.8б. Как видно из фиг.8в, в этом случае происходит отклонение главного максимума диаграммы направленности от оси Z в плоскости XZ на угол ϕ₂ и в плоскости YZ на угол ϕ₁ . Таким образом, изменение расстояния между линейными излучателями и поворотом рефлектора можно управлять диаграммой направленности плоской антенны для спутникового телевидения независимо по двум угловым координатам.

Вместо поворота рефлектора можно использовать линейное смещение вдоль оси Х периодозадающих узлов, приводящее к перекосу линейных излучателей относительно апертуры рефлектора. Однако такой перекос приводит к увеличению поляризационных потерь, так как линейный излучатель при этом перестает быть параллельным вектору Е принимаемой волны. Поэтому такой способ управления лучом в плоскости YZ лучше использовать в комбинации с поворотом рефлектора для увеличения диапазона сканированиия при некоторых возможных конструктивных упрощениях в пределах изменения перекоса, диапазон которых определяется допустимыми поляризационными потерями, пропорциональными cos² α, где α - угол между линейными излучателями и вектором Е принимаемой волны.

Предложенная плоская антенна для спутникового телевидения позволяет осуществлять перенацеливание на различные спутники без изменения ее пространственного расположения. Размещаемая на стенах зданий, на ограждениях балконов и лоджий такая антенна не нарушает архитектурный облик зданий, а также обладает повышенной скрытностью.

По схеме, изображенной на фиг.1, был изготовлен макет плоской антенны для спутникового телевидения. Замедляющая структура была выполнена в виде листа полистирола толщиной 0,25 λ, расположенного над плоским листом алюминия. Рефлектор был выполнен путем фрезерования цельного листа алюминия, причем направляющая профиля рефлектора представляла собой параболу с фокусным расстоянием 12 λ. В фокусе цилиндрического параболоида располагался Е-плоскостной рупор, питаемый стандартным волноводом прямоугольного сечения. Излучатели были изготовлены из проволоки типа ПЭВ толщиной 0,1 λ. Размеры поверхности, занятой излучателями, равны 60 х 60 λ. Измерения показали, что в диапазоне изменения углов направления максимального излучения, равного 30 х 30^о, без существенного ухудшения основного параметра антенны - коэффициента усиления, получен коэффициент усиления 44,2 дБ.

Экономический эффект от внедрения изобретения является следствием повышения потребительских качеств плоской антенны для спутникового телевидения по сравнению с традиционной зеркальной или традиционной плоской антенной для спутникового телевидения.

Формула изобретения

ПЛОСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ, содержащая возбудитель, соединенный с плоской замедляющей структурой, и излучатели, размещенные над плоской замедляющей структурой в плоскости, параллельной плоскости замедляющей структуры, установленной над проводящим экраном, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и обеспечения возможности перенацеливания антенны на различные спутники без изменения ее пространственного положения, возбудитель выполнен в виде волновода, образованного двумя плоскопараллельными проводящими пластинами, одна из которых совмещена с плоскостью проводящего экрана, замкнутыми с одной стороны параболоцилиндрическим рефлектором, образующая которого перпендикулярна к плоскопараллельным проводящим пластинам, и Е-плоскостного рупора, установленного у торца плоской замедляющей структуры на фокальной оси параболического рефлектора, причем параболоцилиндрический рефлектор установлен с возможностью вращения между плоскопараллельными проводящими пластинами вокруг его фокальной оси, а излучатели выполнены в виде линейных проводников, расположенных параллельно один другому эквидистантно на расстоянии λ₃ ≅ d ≅ λ₁ , где λ - длина волны в свободном пространстве, λ₃ - длина волны в плоской замедляющей структуре, причем их концы закреплены с возможностью перемещения, при этом расстояние D между плоскостями расположения линейных проводников и плоской замедляющей структуры равно D = (0,1-0,5) λ .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8