Зеркальная сферическая антенна
Владельцы патента RU 2753995:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к зеркальным антеннам для связи между объектами на земле и в космосе. Техническим результатом является повышение эффективности излучения зеркальной сферической антенны. Технический результат достигается тем, что зеркальная сферическая антенна, содержащая зеркало, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, питаемый коаксиальным фидером, причем излучатель расположен в фокусе зеркала, в отличие от прототипа выполнена так, что зеркало является сферическим и дополнительно введено второе сферическое зеркало, направленное в противоположную сторону от первого зеркала, при этом излучатель в виде диполя Герца разделен на две части, первая половина излучателя в виде шара радиусом, равным одной восьмой длины волны, расположена в фокусе первого сферического зеркала, а вторая половина излучателя в виде шара радиусом одна восьмая длины волны расположена в фокусе второго сферического зеркала, а размер фокуса сферических зеркал равен четверти длины волны излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к зеркальным антеннам для связи между объектами на земле и в космосе.
Обеспечить большую мощность излучения передатчика спутника трудно. Увеличение мощности системы питания ограничено массой и габаритами устанавливаемой на спутниках аппаратуры, потребляемой электроэнергии. Возможности ракет-носителей ограничены. Компенсировать эти ограничения, видимо, можно лишь за счет резкого увеличения эффективности излучения антенны на космической станции.
Из уровня техники известна антенна, которая представляет собой диполь Герца. Антенна диполь Герца состоит из двух шаров расположенных на расстоянии длины излучаемой электромагнитной волны (И.Е. Тамм Основы теории электричества /Тамм И. Е. Изд. 11, допол- ФИЗМАТЛИТ. М.: 2003-С.462).
Главный недостаток антенны диполь Герца - низкая эффективность излучения.
Наиболее близким решением является зеркальная антенна с излучателем и контррефлектором, питаемым от коаксиального фидера. В этой антенне излучатель изготавливается в виде четверти диполя Герца и контррефлектора в виде металлического диска. Питание к излучателю подается с помощью коаксиального фидера. При этом фокус зеркала располагается между излучателем и контррефлектором (Воскресенский Д.И., Гостюхин И.Л. и др. Устройства СВЧ и антенны./Под ред. Воскресенского Д.И. Изд. 2-е, доп. и перераб. - Радиотехника, 2006. - С.250-252).
Среди недостатков известной конструкции следует отметить низкую эффективность излучения. Это связано с тем, что в основе излучателя антенны лежит диполь, поле которого создается разноименными зарядами плеч диполя. В любой момент времени работы антенны, результирующее поле антенна является суммой полей разноименных зарядов, которое всегда меньше поля каждого заряда в отдельности за исключением одной точки, где 
, 
,
. E1>>E. Объемная плотность мощности излучения половинки диполя будет больше чем объемная плотность мощности излучения целого диполя. Следовательно, если излучать будет только половина диполя, объемная плотность мощности излучения антенны увеличится.
Технический результат заключается в повышение эффективности излучения зеркальной сферической антенны за счет введения второго сферического зеркала и разделения излучателя в виде диполя Герца на две части.
Сущность изобретения заключается в том, что зеркальная сферическая антенна содержит сферическое зеркало, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, питаемый коаксиальным фидером. Излучатель расположен в фокусе сферического зеркала. Дополнительно введено второе сферическое зеркало, направленное в противоположную сторону от первого сферического зеркала. Излучатель в виде диполя Герца разделен на две части, первая половина излучателя в виде шара радиусом равным одной восьмой длины волны расположен в фокусе первого сферического зеркала, а вторая половина излучателя в виде шара с радиусом одной восьмой длины волны расположен в фокусе второго сферического зеркала. Размер фокуса сферических зеркал равен четверти длины волны излучения диполя Герца. Второе сферическое зеркало может быть закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом.
На фиг.1 изображена схема зеркальной сферической антенны; на фиг.2 - результирующее поле простейшего излучателя (диполя Герца) состоящего из двух шаров.
Зеркальная сферическая антенна (фиг.1) содержит первое сферическое зеркало 1 с фокусным расстоянием равным четверти длины волны, первую половину излучателя 2 в виде шара радиуса равного одной восьмой длины волны, причем излучатель 2 расположен в фокусе сферического зеркала 1. Дополнительно введено второе сферическое зеркало 3 радиусом равным четверти длины волны, направленное в противоположную сторону от первого сферического зеркала 1, причем вторая половина излучателя 4 в виде шара размером одной восьмой длины волны расположен в фокусе второго сферического зеркала 3. Излучатели 2 и 4 запитываются коаксиальным фидером 5. Размер фокуса сферических зеркал 1 и 3 равен четверти длины волны излучения диполя Герца. Второе сферическое зеркало 3 может быть закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом.
Зеркальная сферическая антенна работает следующим образом. Например, пусть в первый полупериод первое сферическое зеркало 1 будет отражать поле отрицательно заряженного шара 2, а второе сферическое зеркало 3 отражает поле положительно шара 4. Так как разноименные поля разделены в пространстве, то ослабление полей не происходит. Поэтому энергия излучения каждой зеркальной сферической антенны будет значительно больше, чем зеркальной антенны с полным диполем Герца (фиг.2), где E1 - поле первой половины диполя, E2 - поле второй половины диполя, E-результирующее поле диполя, E<<E1,E2. Следует отметить, что отражение от сферических зеркал 1 и 3 происходит в той же фазе, что и излучение.
В этом случае излучение каждой половины диполя в виде шара представляет собой излучение знакопеременного заряда. Поле положительного заряда не складывается с полем отрицательного заряда т.к. в первой и второй зеркальных сферических антеннах поля разделены в пространстве. Например, от зеркального сферического зеркала 1 за волной положительного заряда следует волна отрицательного заряда и, соответственно, в это время от зеркального сферического зеркала 3 за волной отрицательного заряда следует волна положительного заряда. Если необходимо исключить излучение зеркального сферического зеркала 3, то излучение зеркального сферического зеркала 3 может быть закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом.
Каждую половину излучателя в виде шара можно рассматривать как знакопеременный заряд, т.к. заряды, входящие в шар, распределяются на нем за время Максвелловской релаксации - τ. Если период (Т) приложенного напряжения, Т>>τ то в расчетах каждый шар можно рассматривать как знакопеременный заряд, который изменяется в соответствии с приложенным напряжением. Расчеты поля такого знакопеременного заряда в известной нам литературе отсутствуют. Использовать уравнения Максвелла в данном приближении нельзя. Поэтому мы приводим собственный расчет данного излучателя. При расчете поля считаем, что заряд шара изменяется по закону приложенного напряжения 
.
(1)
В дальнейшем заряд шара будем называть знакопеременным, и обозначать q. Т.к. заряд источника поля является изменяющимся, следовательно, и поле заряда будет изменяться со временем. Пусть знакопеременный заряд изменяется по гармоническому закону:
, (2)
где 
- амплитуда изменения заряда, 
- круговая частота. Определим потенциал на расстоянии r с учетом запаздывания поля уединенного знакопеременного заряда:
, (3)
где с - скорость света, 
- время запаздывания. В этом случае согласно (3) электрическое поле будет функции величины заряда в запаздывающий момент времени, расстояния и времени. Следовательно, приращение потенциала запишем как:
. (4)
Знак перед вторым слагаемым в соотношении (4) определяется знаком производной. Напряженность электрического поля на расстоянии r от заряда с учетом (3) равно:
, (5)
где 
- скорость распространения поля. Используя (3,4) напряженность электрического поля на расстоянии r от заряда запишется в виде:
(6)
Поле знакопеременного заряда складывается из двух полей, кулоновского поля - EK и поля излучения - ЕИЗ, которые равны соответственно:
(7)
(8)
Следует отметить, что кулоновское поле не излучается зарядом, так как для этого поля в случае излучения не выполняется закон сохранения энергии. Докажем это утверждение. Излученная за период энергия содержится в шаровом слое толщиной λ и сохраняется при распространении согласно закона сохранения энергии, при отсутствия поглощающих центров в пространстве. Определим поток энергии через поверхность сферы радиусом r (Тамм И.Е. Основы теории электричества: /И.Е. Тамм. М.: - Изд-во «Наука», 1976. - С.472). В системе СИ это выражение запишется как:
(9)
где 
- объемная плотность электрической энергии. Для того чтобы поток электрической энергии за период через поверхность сферы радиуса r не зависел от расстояния, а следовательно энергия в слое толщиной λ сохранялась, объемная плотность энергии должна зависеть от расстояния как:
. (10)
Следовательно, напряженность излученного поля заряда должна иметь вид: 
. В случае другой зависимости 
, излученная энергия в слое толщиной λ будет изменяться с расстоянием и при отсутствии в пространстве поглощающих центров. Следовательно, излученное поле описывается выражением (8).
Определим энергию электрического поля излучения знакопеременного заряда q. Поток энергии излучения через сферу радиуса r за период равен энергии излучения источника за период, в случае если в пространстве нет поглощающих центров. Излученная зарядом волна является шаровой, т.к. фаза волны в каждой точке зависит только от расстояния от центра излучения. Поток электрической энергии, пересекающий поверхность сферы радиуса r в единицу времени равен:
(11)
Учитывая соотношение (8) получим:
(12)
Выражение (12) описывает поток электрической энергии через сферу радиуса r окружающую заряд, излученной полем знакопеременным зарядом в единицу времени. В соответствии с законом сохранения энергии, эта величина не зависит от расстояния от источника. Определим электрическую энергию излученного поля за период:
(13)
При неизменной амплитуде заряда 
выражение (13) запишется как:
(14)
Покажем, что энергия излучения половинки диполя значительно больше излучения целого диполя. Запишем энергию излучения классического диполя Герца. ( И.Е. Тамм Основы теорияя электричества. Издание 11 - ФИЗМАТЛИТ, 2003. - С.472). В системе СИ это выражение имеет вид:
(15)
Выражение (15) запишем как:
(16)
Найдем отношение энергии излучения знакопеременного заряда (половины диполя) к энергии излучения диполя.
(17)
Следовательно, энергия излучения половины диполя больше в 2.5 энергии излучения полного поля.
По сравнению с известным решением данное изобретение позволяет повысить эффективность излучения зеркальной сферической антенны за счет введения второго сферического зеркала и разделения излучателя в виде диполя Герца на две части.
1. Зеркальная сферическая антенна, содержащая зеркало, излучатель в виде диполя Герца, состоящего из двух шаров, питаемый коаксиальным фидером, причем излучатель расположен в фокусе зеркала, отличающаяся тем, что зеркало является сферическим и дополнительно введено второе сферическое зеркало, направленное в противоположную сторону от первого сферического зеркала, при этом излучатель в виде диполя Герца разделен на две части, первая половина излучателя в виде шара радиусом, равным одной восьмой длины волны, расположена в фокусе первого сферического зеркала, а вторая половина излучателя в виде шара радиусом одна восьмая длины волны расположена в фокусе второго сферического зеркала, а размер фокуса сферических зеркал равен четверти длины волны излучения.
2. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что второе сферическое зеркало закрыто поглощающим материалом, либо отражающим плоским зеркалом.
