Зеркальная антенна

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к зеркальным антеннам, и может быть использовано в системах связи и спутникового телевидения. Технический результат изобретения состоит в расширении угла обзора антенны. Полифокальная зеркальная антенна содержит вогнутое главное зеркало в виде части поверхности вращения, облучающее устройство и, по меньшей мере, одно вспомогательное зеркало в виде части криволинейной поверхности, установленные так, что главное зеркало и облучающее устройство размещены по одну сторону от вспомогательного зеркала, форма поверхности вспомогательного зеркала, положение облучателей облучающего устройства и направление их осей определены в результате оптимизации из требования максимального коэффициента использования поверхности по меньшей мере двух направлений луча диаграммы направленности заданного вида. Форма поверхности главного зеркала является тороидальной, при этом поверхность по меньшей мере одного вспомогательного зеркала определяется из условия f(z) = Р_m(x, 0) - уравнение образующей вспомогательного зеркала; х, у, z - декартовы координаты. 10 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к зеркальным антеннам и может быть использовано в системах связи и спутникового телевидения.

Широко известно, что использование многозеркальных, в частности, двухзеркальных многолучевых и сканирующих антенн позволяет обеспечить более высокие характеристики, чем у однозеркальных. Для сканирования или формирования многолучевой диаграммы направленности в одной плоскости используются многозеркальные антенны на основе тороидального зеркала. Так, известна многолучевая антенна, в которой фазовые аберрации главного тороидального зеркала для каждого луча компенсируются с помощью отдельного вспомогательного зеркала [1,2] . Вспомогательные зеркала имеют одинаковую форму и расположены, как и облучатели, симметрично относительно оси главного зеркала. Эта антенна имеет два недостатка. Первый - низкий коэффициент использования поверхности (КИП) из-за того, что каждый из облучателей облучает лишь часть главного зеркала. Второй недостаток - невозможность реализации близко расположенных лучей из-за того, что вспомогательные зеркала в этом случае накладываются друг на друга. Последний недостаток преодолен в двухзеркальной антенне, содержащей два конфокальных тороидальных зеркала [3, 4]. Облучатели в этой антенне также расположены симметрично относительно общей оси тороидальных зеркал, при этом их оси направлены на ось тороидальных зеркал и каждый из них облучает только часть главного зеркала. В связи с этим, а также с неполной компенсацией фазовых аберраций такая антенна не позволяет получить высокий КИП.

Известна многолучевая антенна, у которой формы главного и вспомогательного зеркал синтезируются из условия получения минимальных фазовых аберраций для заданного количества лучей [5]. Недостатком этой антенны является сложная форма главного зеркала (с переменной кривизной в двух плоскостях).

Известна двухзеркальная бифокальная антенна с главным зеркалом в виде параболоида вращения [6] . Форма вспомогательного зеркала подбирается из условия отсутствия фазовых аберраций для двух симметрично расположенных лучей. Облучатели при этом находятся в симметрично расположенных фокусах, а их оси направлены так, чтобы максимумы их диаграмм направленности после отражения от вспомогательного зеркала попадали в центральную часть главного зеркала. При этом зеркало освещается полностью и антенна имеет высокий КИП, когда облучатели находятся точно в фокусах. Недостатком этой антенны является малое количество лучей и небольшой угол обзора. При увеличении разноса фокусов и при расположении облучателей в этих фокусах происходит увеличение углового разноса лучей, однако, из-за неравномерного распределения амплитуды поля (амплитудных аберраций) в апертуре главного зеркала происходит падение КИПа. При расположении же облучателей между фокусами падение КИПа происходит из-за амплитудных фазовых аберраций.

Наиболее близким аналогом изобретения является зеркальная антенна, описанная в [7] . Антенна содержит главное зеркало, являющееся частью параболоида вращения, вспомогательные зеркала и один облучатель с возможностью перемещения или несколько фиксированных облучателей. Форма поверхности вспомогательного зеркала выбрана из условия формирования плоского фронта для двух фиксированных направлений луча. Контуры зеркал и положение облучающего устройства выбираются таким образом, чтобы не было взаимного затенения, то есть используется офсетная схема построения антенны. Свободные параметры вспомогательного зеркала выбраны из требования максимума КИПа для этих направлений. Недостатком этой антенны является небольшой угол обзора.

Технический результат изобретения состоит в расширении угла обзора антенны.

Технический результат достигается тем, что полифокальная зеркальная антенна содержит вогнутое главное зеркало в виде части поверхности вращения, облучающее устройство и по меньшей мере одно вспомогательное зеркало в виде части криволинейной поверхности, установленные так, что главное зеркало и облучающее устройство размещены по одну сторону от вспомогательного зеркала, форма поверхности вспомогательного зеркала, положение облучателей облучающего устройства и направление их осей определены в результате оптимизации из требования максимального коэффициента использования поверхности по меньшей мере для двух направлений луча диаграммы направленности заданного вида. Форма поверхности главного зеркала является тороидальной, при этом форма поверхности по меньшей мере одного вспомогательного зеркала определяется из условия f(z) = P_m(x,y), где P_m (x,y) - двухмерный полином степени m; f(z) = P_m (x,0) - уравнение сечения вспомогательного зеркала; x, y, z - декартовы координаты.

Антенна может характеризоваться тем, что главное зеркало, вспомогательные зеркала и облучающее устройство расположены по офсетной схеме.

Антенна может характеризоваться тем, что форма поверхности главного зеркала образована вращением параболы, а сечение по меньшей мере одного вспомогательного зеркала в плоскости симметрии главного зеркала является эллипсом.

Антенна может характеризоваться тем, что форма поверхности по меньшей мере одного вспомогательного зеркала является тороидальной поверхностью, а оси облучателей пересекают плоскость симметрии антенны в точках, расположенных между поверхностью вспомогательного зеркала и его осью.

Антенна может характеризоваться тем, что вспомогательное зеркало имеет вогнуто- выпуклую форму, а также тем, что главное зеркало имеет кромку в виде плоской кривой.

Кроме того, антенна может характеризоваться тем, что облучающее устройство снабжено средством для механического перемещения облучателя, а также тем, что облучающее устройство выполнено в виде решетки неподвижных облучателей.

Антенна может также характеризоваться тем, что дополнительно содержит компенсатор аберраций, выполненный в виде по меньшей мере одной линзы и/или зеркала, а также тем, что форма поверхности другого вспомогательного зеркала определяется из требования формирования плоского волнового фронта.

Антенна может характеризоваться тем, что форма поверхности другого вспомогательного зеркала определяется из требования формирования цилиндрического волнового фронта.

Изобретение раскрывается в приведенном ниже детальном описании и рисунках, где: на фиг. 1 представлен общий вид антенны согласно изобретению; на фиг. 2 - общий вид антенны с плоской кромкой главного зеркала; на фиг. 3 - вид в плоскости ZX для примера реализации антенны, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4 - то же, что на фиг. 3, в плоскости XY; на фиг. 5 - зависимость КИПа от угла сканирования для ближайшего аналога и примера реализации антенны, изображенной на фиг. 3 - 4; на фиг. 6 - антенна с корректирующей линзой; на фиг. 7 - антенна с двумя отдельными вспомогательными зеркалами;
на фиг. 8 - антенна с соединенными вместе тремя вспомогательными зеркалами;
на фиг. 9 - антенна с двумя отдельными вспомогательными зеркалами, синтезированными для одного и группы лучей.

Изобретение основано на следующих предпосылках и соображениях.

В патентуемой конструкции антенны в качестве главного зеркала используется тороидальное зеркало - признак, как показано выше, достаточно хорошо известный в технике зеркальных антенн [1 - 4]. Однако в известных многолучевых и сканирующих антеннах сканирование луча осуществляется путем поворота облучателя или облучающей системы (облучатель с вспомогательным зеркалом) вокруг оси тора. При этом оси облучателей направлены на ось вращения и с учетом осевой симметрии тора изменения усиления антенны при сканировании не происходит. При этом облучатель в каждом конкретном положении освещает только часть поверхности главного зеркала и КИП таких систем оказывается невысоким. В данном изобретении предлагается использовать тороидальное зеркало как главное зеркало полифокальной, в частности бифокальной системы. Это, при рекомендованном ниже выборе формы вспомогательного зеркала, позволяет расширить сектор сканирования полифокальных систем с главным зеркалом в виде параболоида вращения, сохранив высокий КИП. Форма вспомогательного зеркала при этом выбирается из условия минимальных фазовых и амплитудных аберраций, то есть минимального отличия амплитудно-фазового распределения в апертуре главного зеркала от необходимого для реализации максимума КИПа при двух или более положениях облучателя для заданной формы диаграммы направленности. То есть, в процессе оптимизации могут быть введены ограничения на уровень бокового излучения, отличие формы веера от заданной в вертикальной плоскости (плоскости, ортогональной плоскости сканирования) веерной диаграммы направленности и т.п. Образующая главного зеркала, описываемая формулой х = F(z), и образующая вспомогательного зеркала, описываемая формулой P_m (х,0) = f(z), где P_m (х, у) - двухмерный полином степени m, могут быть выбраны различным образом, например, из технологических соображений, из требования реализации определенной функции отображения (соответствия) лучевых фронтов на входе и выходе антенны в вертикальной плоскости (у = 0), которая определяет для синфазной антенны, в частности, амплитудное распределение в апертуре и соответственно боковое излучение антенны, а также сканирующие свойства в вертикальной плоскости.

В случае формирования игольчатой формы диаграммы направленности требуется сформировать плоский фронт (синфазную апертуру). Образующая вспомогательного зеркала при заданной форме образующей главного зеркала определяется из условия формирования плоского фронта [8]. В случае, когда требуется реализовать в вертикальной плоскости заданную функцию соответствия, образующие обоих зеркал находятся одновременно путем решения соответствующей двухмерной задачи [9] . Возможен выбор образующих главного и вспомогательного зеркал с целью обеспечения хороших сканирующих свойств антенны в вертикальной плоскости. Для этого либо функция соответствия в этой плоскости должна удовлетворять условию апланатизма, то есть условию синусов Аббе [11], либо образующие главного и вспомогательного зеркал должны выбираться из условия формирования полифокальной системы в этой плоскости [8].

В случае формирования веерной диаграммы направленности в вертикальной плоскости волновой фронт не плоский, а цилиндрический (искривлен в вертикальной плоскости). Начальное приближение для процесса оптимизации с целью определения формы вспомогательного зеркала при этом может быть найдено путем решения интегродифференциального уравнения [9]. При заданной форме образующей главного зеркала можно реализовать различные формы веерной диаграммы направленности в вертикальной плоскости путем соответствующего выбора формы вспомогательного зеркала. Выбирая форму образующей главного зеркала, можно при этом реализовать заданное амплитудное распределение в апертуре главного зеркала (в вертикальной плоскости) и соответственно заданный уровень отклонения формы веера от формы синтезируемой диаграммы направленности и уровень бокового излучения. В случае диаграммы направленности веерного типа для этого можно использовать известную итерационную процедуру [10]. Процесс оптимизации при формировании веерной диаграммы дня получения максимального значения КИП ведется при условии требуемого отклонения формы диаграммы направленности в вертикальной плоскости от заданной.

Таким образом, сначала определяют искомую форму образующей главного и вспомогательного зеркал, то есть функции F(z) и f(z), и затем в результате процесса оптимизации находят параметры главного зеркала (радиус кривизны в горизонтальной плоскости, форму апертуры), а также форму вспомогательного зеркала. При этом, в общем случае, проводится оптимизация положения облучателей (фокальная линия), а также направлений их осей. Возможно проведение процесса оптимизации без предварительного определения образующих зеркал. При этом функции F(z) и f(z) определяются одновременно с вычислением коэффициентов полинома P_m (x,y).

На фиг. 1 представлен общий вид антенны согласно изобретению с прямоугольной апертурой и кромкой главного зеркала в виде неплоской кривой; на фиг. 2 - с кромкой главного зеркала в виде гладкой плоской кривой, полученной пересечением поверхности тора с плоскостью.

Антенна содержит главное зеркало 10, выполненное в виде части тороидальной поверхности, вспомогательное зеркало 20 и облучающее устройство 30. Элементы устройства 10 и 20 жестко связаны между собой с помощью одной или нескольких штанг 15, при этом, в зависимости от типа антенны, обзор пространства осуществляется либо за счет механического перемещения облучателя 32 в облучающем устройстве 30 (сканирующий режим работы антенны), либо облучающее устройство 30 выполняется в виде решетки неподвижных облучателей 32, например рупорного типа (многолучевой режим работы антенны). Конструктивное выполнение облучающего устройства 30 в данной заявке не рассматривается, поскольку не затрагивает существа изобретения.

Форма поверхности вспомогательного зеркала определяется из уравнения
f(z) = P_m(x,y),
где P_m (x,y) - двухмерный полином степени m. Степень и коэффициенты полинома являются свободными параметрами для оптимизации антенны по максимальному значению КИПа в двух или более точках расположения облучателя, координаты которого и направление оси также находятся в результате процесса оптимизации. Другой способ нахождения формы единого вспомогательного зеркала - задание его поверхности в определенном классе функций и нахождение оптимальных значений свободных параметров при использовании, как и в предыдущем случае, одного из известных методов многомерной оптимизации [12]. В этом случае степень m и часть коэффициентов полинома P_m, (x,у) задаются до начала процесса оптимизации. Также предварительно могут быть заданы параметры главного зеркала или положение облучателей.

На фиг. 3, 4 показан пример реализации антенны с плоской кромкой главного зеркала соответственно в вертикальной (ZX) и горизонтальной (ТХ) плоскостях. Главное зеркало 10 представляет собой неосесимметричную вырезку из параболического тора, ось 34 которого показана на фиг. 3 штрихпунктирной линией. Нижняя точка 102 зеркала 10 лежит на оси X (оси параболы).

Образующая главного зеркала задается уравнением
x = А - z²/В,
где: А, В - свободные геометрические параметры главного зеркала.

Из требования формирования плоского фронта образующая вспомогательного зеркала в плоскости ZX выбрана в форме эллипса с одним фокусом, совпадающим с фокусом параболы, а другой фокус выбран в точке, совпадающей с нижней точкой 102 главного зеркала. Уравнение сечения вспомогательного зеркала имеет вид
x = a - b(1-(z/c)²)^1/2
а, b, с - свободные геометрические параметры вспомогательного зеркала.

Свободные геометрические параметры главного и вспомогательного зеркал, а также положение и направления осей облучателей вычислялись в результате процесса оптимизации по максимуму КИПа для двух лучей, разнесенных на угол 10^o градусов. После этого, в результате оптимизации определялась форма фокальной кривой 40 (для других положений облучателей), которая показана на фиг. 4 звездочками. При этом оптимизация формы вспомогательного зеркала проводилась в классе тороидальных поверхностей. В этом случае
P_m(x,y) = x² + y².

Свободные геометрические параметры вспомогательного зеркала были найдены в процессе оптимизации и составили (здесь и далее все величины даны в миллиметрах):
а = 5043, b = 1411, с = 1152.

В результате вспомогательное зеркало 20 имеет выпукло-вогнутую поверхность и является несимметричной в плоскости ZX вырезкой, образованной из эллиптического тора с осью 36, совпадающей с осью Z (см. фиг. 3, 4).

Одновременно были найдены свободные геометрические параметры главного зеркала антенны, имеющего форму параболического тора: А = 6652, В = 6519.

В результате уравнение поверхности главного зеркала имеет вид
(x + Δ )² + y² = (6652 - z²/6519)²,
где Δ = 794 - расстояние между осями главного и вспомогательного зеркал.

При реализации патентуемой антенны с подвижным облучателем 32 его перемещение осуществляется по фокальной кривой 40, которая близка к окружности с радиусом 3930. При использовании нескольких облучателей 32, последние также располагают на кривой 40. Оси облучателей направлены на ось, расположенную в плоскости XZ параллельно оси вспомогательного зеркала и смещенную от нее в сторону зеркала на расстояние 2560. При этом облучатели формируют лучи, разнесенные в широком угловом секторе в плоскости XY.

Главное и вспомогательное зеркала имеют общую плоскость симметрии ZX. Апертура главного зеркала равна площади круга диаметром 3000. Площадь вспомогательного зеркала 20 составляет ≈ 0,33 от площади главного зеркала 10. Ширина диаграммы направленности облучателей по уровню 10 дБ составляет 30^o, при этом величина радиуса в плоскости XY главного зеркала составляет 6652, вспомогательного зеркала - 3632, а величина разнесения их осей равна 794. Граница главного зеркала 10 является плоской и образована пересечением плоскости, определяемой уравнением 2557 (x+Δ+ z = 17009, с поверхностью параболического тора. Граница вспомогательного зеркала 20 выбирается из условия перехвата лучей, отраженных от главного зеркала 10 при попадании на него плоской волны под различными углами в заданном угловом секторе (в описанном примере равном 20^o). Зеркала располагаются по офсетной схеме и не затеняют друг друга.

На фиг. 5 показана рассчитанная методом физической оптики зависимость КИПа от угла сканирования для бифокальной антенны [7] - сплошная линия (кривая 1) и пунктиром (кривая 2) для описанного выше примера реализации заявленной антенны. Видно, что полный сектор обзора бифокальной антенны [7] по уровню КИП = 0.6 равен примерно 9^o (±4,5 ), а у патентуемой антенны - более 20^o (±10 ).

Для дальнейшего увеличения сектора обзора можно использовать зеркальную антенну с компенсатором 60 аберрации, компенсирующим аберрации, не скомпенсированные вспомогательным зеркалом 20 (фиг. 6). Таких компенсаторов 60 в виде линз и/или зеркал может быть несколько, установленных перед каждым из облучателей 32. Формы поверхностей таких линз или зеркал можно найти, используя методику работы [8].

Если необходимо сформировать несколько широко разнесенных групп лучей, или группы лучей и отдельных лучей, может быть использована антенна с несколькими отдельными 202, 204 (фиг. 7) или 204, 206 (фиг. 8) или соединенными в виде единого элемента вспомогательными зеркалами 208, 210, 212 (фиг. 9) с соответствующими облучающими элементами.

В случае формирования группы лучей (нескольких плотно расположенных лучей) или непрерывного сканирования лучом в соответствующем угловом секторе, необходимо использовать вспомогательное зеркало 206 (фиг. 8), синтезированное как в описанном выше примере. Для формирования отдельного луча форма соответствующего зеркала может быть найдена из условия формирования плоского фронта (для игольчатой диаграммы направленности) или цилиндрического фронта (линейного в горизонтальной плоскости) для веерной диаграммы направленности при заданном направлении луча по известным формулам [8].

Работа антенного устройства в многолучевом передающем режиме осуществляется следующим образом. Излучение от одного из облучателей 32 попадает на вспомогательное зеркало 20 (фиг. 1), отражается от него и попадает на главное зеркало 10. Отраженное от главного зеркала 10 электромагнитное поле с практически линейным в горизонтальной плоскости фронтом излучается в пространство, формируя диаграмму направленности антенны. Излучение от другого облучателя 32 падает на вспомогательное зеркало 20 под другим в горизонтальной плоскости углом и формирует свою диаграмму направленности, максимум которой в горизонтальной плоскости отклонен от соответствующего максимума предыдущей диаграммы на угол, зависящий от взаимного положения облучателей в облучающем устройстве. При этом оси облучателей устанавливают таким образом, чтобы после отражения от вспомогательного зеркала максимум диаграммы направленности попадал в центральную часть главного зеркала. При такой ориентации облучателей главное зеркало освещается полностью и при условии компенсации фазовых искажений за счет соответствующей формы вспомогательного зеркала обеспечивается высокий КИП. В режиме приема антенна работает таким же образом, но в обратном порядке в соответствии с принципом взаимности.

В сканирующем режиме изменение положения луча антенны в пространстве осуществляется посредством перемещения облучателя (в режиме передачи) или приемного элемента (в режиме приема).

Промышленная применимость
Изобретение может быть реализовано с использованием современной элементной базы и различных средств обработки материалов, например, штамповки. В качестве материалов для выполнения главного и вспомогательного зеркал могут быть использованы алюминий или его сплавы, стали с антикоррозионным покрытием, металлизированные пластики и другие материалы.

Источники информации
1. US 3922682, 343/761, 25.11.1975.

2. JP 57-178402, H 01 Q 19/19, 02.11.1982.

3. US 3828352, 343/837, 06.08.1974.

4. JP 5-3762, H 01 Q 19/19, 16.03.1985
5. US 4603334, 343/779, 29.07.1986.

6. SU 1181020, H 01 Q 19/18, 30.03.1984.

7. Shishlov A.V., Shitikov A.M., Multibeam offset reflector antenna with wide field of view in one plane, Proc. 27 Sci. Conf. on Antenna Theory and Technology, Moscow, 1994, P. 227 -230.

8. Kaloshin V. A., Venetsky A.S., Synthesis of multibeam and multilobe antennas, Proc. 28 Moscow Int. Conf. on Antenna Theory and Technology, Moscow, 1998, P. 380-383.

9. Калошин B.A. Метод ключевых задач в асимптотической теории волноведущих и излучающих систем с кромками., дис. на соиск. уч. степ. док. физ-мат. наук, М., ИРЭ АН СССР, 1989.

10. Андрийчук М.М. и др. Синтез антенн по амплитудной диаграмме направленности, Киев, Наукова думка, 1993. 255 с.

11. Зелкин Е. Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны, М., Сов. Радио, 1974. 280 с.

12. Аоки М. Введение в методы оптимизации функционалов. М., Наука, 1976. 344 с.

Формула изобретения

1. Полифокальная зеркальная антенна, содержащая вогнутое главное зеркало в виде части поверхности вращения, облучающее устройство и, по меньшей мере, одно вспомогательное зеркало в виде части криволинейной поверхности, установленные так, что главное зеркало и облучающее устройство размещены по одну сторону от вспомогательного зеркала, отличающаяся тем, что форма поверхности главного зеркала является тороидальной, при этом форма поверхности, по меньшей мере, одного вспомогательного зеркала определяется из уравнения
f(z) = P_m(x, y),
где Р_m(х, у) - двухмерный полином степени m;
f(z) = Р_m(х, 0) - уравнение образующей вспомогательного зеркала;
х, у, z - декартовы координаты.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что главное зеркало, вспомогательные зеркала и облучающее устройство расположены по офсетной схеме.

3. Антенна по п.1 или 2, отличающаяся тем, что форма поверхности главного зеркала образована вращением параболы, а сечение, по меньшей мере, одного вспомогательного зеркала в плоскости симметрии главного зеркала является эллипсом.

4. Антенна по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что форма поверхности, по меньшей мере, одного вспомогательного зеркала является тороидальной поверхностью, а оси облучателей пересекают плоскость симметрии антенны в точках, расположенных между поверхностью вспомогательного зеркала и его осью.

5. Антенна по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно вспомогательное зеркало имеет вогнуто-выпуклую форму.

6. Антенна по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что главное зеркало имеет кромку в виде плоской кривой.

7. Антенна по любому из пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что облучающее устройство снабжено средством для механического перемещения облучателя.

8. Антенна по любому из пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что облучающее устройство выполнено в виде решетки неподвижных облучателей.

9. Антенна по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит компенсатор аберраций, выполненный в виде, по меньшей мере, одной линзы и/или зеркала.

10. Антенна по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что форма поверхности другого вспомогательного зеркала определяется из требования формирования плоского волнового фронта.

11. Антенна по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что форма поверхности другого вспомогательного зеркала определяется из требования формирования цилиндрического волнового фронта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9