Патент на изобретение №2292098

(54) МНОГОЧАСТОТНАЯ ОБЛУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПОЛЯРИЗАЦИЙ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в системах дальней космической, радиорелейной и спутниковой связи СВЧ-диапазона, а также в антенно-фидерных устройствах радиотелескопов. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности, упрощении конструкции и уменьшении размеров облучающего устройства многочастотной зеркальной антенны. Сущность изобретения состоит в том, что облучающая система содержит рупорный облучатель и устройства возбуждения рупорного облучателя. Одно – высокочастотное, соединено с рупорным облучателем с торца, а другие – низкочастотные, связаны с рупорным облучателем через щели связи в его боковой поверхности в сечениях, диаметр которых близок к критическому диаметру основной волны, на которой работает соответствующее низкочастотное устройство возбуждения. Каждое низкочастотное устройство возбуждения содержит по два щелевых возбудителя, содержащие по две продольные щели связи. Щели связи расположены ортогонально друг к другу, симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя. Щелевые возбудители соединены волноводами, присоединенными к элементам согласования и фильтрации щелей связи. Один из щелевых возбудителей каждого низкочастотного устройства возбуждения соединен с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций, которое обеспечивает передачу на два выходных волновода сигналов определенных ортогональных поляризаций. Щелевые возбудители могут быть расположены соосно или с взаимным смещением осей так, что оси щелевых возбудителей параллельны друг другу; могут быть соединены прямоугольными волноводами, которые содержат средства поворота плоскости поляризации, выполненные, например, в виде скрутки, или коаксиальными волноводами. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах дальней космической, радиорелейной и спутниковой связи СВЧ-диапазона, а также в антенно-фидерных устройствах радиотелескопов.

Известны многочастотные облучающие системы зеркальных антенн с разделением ортогональных поляризаций (авторское свидетельство SU №1707660; патент Германии №3634772; Европейский патент ЕР 0805511); а также каскад приемного устройства СВЧ с разделением ортогональных поляризаций двух диапазонов частот (патенты РФ №№2136088, 2149484), встроенный в облучающую систему зеркальной антенны.

Известные устройства облучающих систем, различаясь своей конечной аппаратной реализацией, имеют конструктивные и эксплуатационные недостатки, которые ограничивают сферу их эффективного применения.

Так, сигналы двух ортогональных линейных поляризаций устройства совмещения двух диапазонов частот, описанного в авт. свидетельстве SU №1707660, подходят к двум Н-тройникам с нарушением симметрии, что может быть причиной нарушения фазовых соотношений, и в конечном счете, может привести к увеличению кроссполяризационной погрешности в режиме приема двух ортогональных круговых поляризаций. Кроме этого, описанное устройство содержит ступенчатые переходы в тракте круглого волновода, в который поступают сигналы от антенны. Наличие ступенчатых переходов существенно ограничивает возможности функционирования устройства при изменении номинальных значений частот рабочих диапазонов и увеличении их числа.

В устройстве аналогичного назначения, приведенном в патенте Германии №3634772, принципиально исключена возможность работы по каким-либо другим ортогональным поляризациям, кроме линейных. В облучателе, описанном в Европейском патенте ЕР 0805511, волноводное турникетное устройство, соединенное с 4 боковыми щелями связи в рупорном облучателе, имеет сложную изогнутую конструкцию, отличающуюся для каналов двух ортогональных линейных поляризаций, содержащую девять Н- и шесть Е-уголков, а также три волноводных гибридных устройства. В таком сложном устройстве с нарушенной симметрией уменьшается возможность существенного снижения уровня паразитной связи ортогональных поляризаций.

Каскады приемных устройств, включенные в облучающую систему антенны с разделением ортогональных поляризаций (патенты РФ №№2136088, 2149484), содержат 4 малошумящих усилителя с идентичными амплитудно-фазовыми характеристиками. Следствием возможного в условиях эксплуатации нарушения взаимной идентичности характеристик усилителей является увеличение уровня паразитной связи каналов ортогональных поляризаций, а при выходе из строя одного из 4 усилителей требуется замена всех четырех, что существенно удорожает устройство и ограничивает сферу его применения.

Известна многочастотная облучающая система зеркальной антенны с разделением ортогональных поляризаций (патент США №4847574, Н 01 Р 1/161) наиболее близкая по технической сущности к патентуемому изобретению и выбранная в качестве прототипа.

Многочастотная облучающая система, описанная в патенте США №4847574, предназначена для работы зеркальной антенны в системах спутниковой связи в нескольких диапазонах частот одновременно, содержит рупорный облучатель и, по меньшей мере, два устройства возбуждения рупорного облучателя, одно из которых, высокочастотное, соединено с рупорным облучателем с торца, а другие, низкочастотные, называемые в патенте разветвителями и связанные с рупорным облучателем через щели связи в его боковой поверхности, расположены в сечениях рупорного облучателя, поперечные размеры которых пропорциональны рабочей длине волны соответствующего низкочастотного устройства возбуждения. Каждое низкочастотное устройство возбуждения содержит по два одинаковых щелевых возбудителя, называемых в патенте «ортомодовыми соединениями», с четырьмя продольными щелями связи каждый, расположенными в поперечном сечении четырехугольного пирамидального щелевого возбудителя под углом 90° друг к другу. Усеченная пирамида одного из возбудителей является частью боковой поверхности рупорного облучателя, а другого соединена с первыми волноводами, возбуждаемыми на концах щелями связи, и с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций. Волноводы, соединяющие щелевые возбудители, содержат секции фильтрации, согласования и дополнительные устройства связи между волноводами, которыми могут быть синфазные или противофазные сумматоры или гибридные мостовые соединения.

Существенным конструктивным и эксплуатационным недостатком устройства, описанного в патенте США №4847574, является сложность конструкции ортомодовых соединений и подключенных к ним волноводных элементов, приводящая к повышению уровня энергетических потерь антенно-фидерного устройства и увеличению размеров, что обуславливает ухудшение радиотехнических характеристик всей зеркальной антенны и усложнение обслуживания элементов антенно-фидерного устройства.

Настоящее изобретение решает задачу повышения энергетической эффективности, упрощения конструкции и уменьшения размеров облучающего устройства многочастотной зеркальной антенны.

Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.

Многочастотная облучающая система зеркальной антенны с разделением ортогональных поляризаций, подобно устройству, описанному в патенте США №4847574, содержит рупорный облучатель и несколько устройств возбуждения рупорного облучателя, одно из которых, высокочастотное, соединено с рупорным облучателем с торца, а другие – низкочастотные, связаны с рупорным облучателем через щели связи в его боковой поверхности в сечениях рупорного облучателя, поперечные размеры которых пропорциональны длине рабочей волны соответствующего устройства возбуждения рупорного облучателя. Каждое низкочастотное устройство возбуждения рупорного облучателя содержит по два одинаковых щелевых возбудителя со щелями связи, расположенными в одном поперечном сечении щелевого возбудителя под углом 90° друг к другу. Один щелевой возбудитель является частью боковой поверхности рупорного облучателя, а другой соединен с первыми волноводами, подключенными к щелям связи, и с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций, при этом в области стыковки волноводов со щелями связи возбудителей установлены элементы согласования и фильтрации.

Согласно настоящему изобретению, в отличие от устройства, описанного в патенте США №4847574, каждый щелевой возбудитель низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя содержит только две щели связи, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя, а щелевые возбудители соединены друг с другом только двумя (по числу щелей) волноводами.

Уменьшение числа щелей и соединяющих их волноводов позволяет упростить компоновку всего облучающего устройства, методику обеспечения необходимых фазовых соотношений и уровня согласования фидерных элементов. Полностью отпадает необходимость включения в состав соединяющих волноводов суммирующих и мостовых соединений, существенно усложняющих конструкцию.

Существенным достоинством настоящего изобретения является многовариантность его конечной аппаратно-компоновочной конфигурации. Возбудители могут иметь форму не только четырехугольной пирамиды, но могут быть также частью конуса или цилиндра. Соединяющие волноводы могут быть не только прямоугольными, но и коаксиальными. Это позволяет выбирать оптимальный вариант схемотехнической и конструктивной реализации устройства в зависимости от эксплуатационных задач и области его применения.

Согласно патентуемому изобретению щелевые возбудители низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя могут быть расположены как соосно, так и с взаимным поперечным смещением осей щелевых возбудителей. В варианте смещенных щелевых возбудителей, соединенных прямоугольными волноводами, волноводные линии содержат по одному элементу поворота плоскости поляризации, каждый из которых выполнен в виде 90-градусной скрутки с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации.

Согласно другой компоновочной реализации щелевые возбудители низкочастотного устройства возбуждения расположены соосно и соединены прямоугольными волноводами, при этом один из волноводов содержит элемент поворота плоскости поляризации на 180°, выполненный в виде 180-градусной скрутки, а другой – фазовый эквивалент скрутки без поворота плоскости поляризации.

Изобретение предусматривает также и третий эффективный вариант реализации, при котором щелевые возбудители низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя расположены со взаимным поперечным смещением осей, как в первом варианте, но соединены двумя коаксиальными волноводами, каждый из которых на концах содержит элементы связи со щелями. При этом для обеспечения необходимого поворота плоскости поляризации на одном щелевом возбудителе элементы связи коаксиального волновода расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя, а на другом установлены с поворотной симметрией относительно друг друга. Такое соединение особенно эффективно применять для устройств возбуждения, работающих в приемном режиме.

В случае применения прямоугольных волноводов элемент поворота плоскости поляризации на 90 градусов выполнен в виде плавной или ступенчатой скрутки. При этом 90-градусные скрутки имеют одинаковое направление поворота плоскости поляризации – либо обе правые, либо обе левые, и обеспечивают равный фазовый сдвиг в рабочей полосе частот. В варианте, когда прямоугольные волноводы соединяют соосные щелевые возбудители, в один волновод включается 180-градусная скрутка, которая выполнена в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации, а в другой волновод включается фазовый эквивалент 180-градусной скрутки, выполненный в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток, поворот плоскости поляризации в которых осуществляется в разные стороны (правую и левую скрутки).

В устройствах низкочастотного возбуждения, работающих в приемном режиме, каскад малошумящих усилителей, по аналогии с описанием в патентах РФ №№2136088, 2149484, может быть включен в непосредственной близости от рупорного облучателя, что позволяет уменьшить вносимые шумовые искажения принимаемого сигнала, но в отличие от известных устройств, описанных в этих патентах, в устройство низкочастотного возбуждения рупорного облучателя каждого диапазона в соответствии с настоящим изобретением требуется включить только два малошумящих усилителя с идентичными амплитудно-фазовыми характеристиками – то есть вдвое меньше. Дальнейшее уменьшение числа усилителей невозможно при решении задачи раздельного одновременного приема сигналов двух ортогональных поляризаций.

Технический результат патентуемого изобретения заключается в упрощении конструкции многочастотной облучающей системы зеркальной антенны за счет более рациональной компоновки ее элементов, относящихся к устройствам возбуждения рупорного облучателя, работающим в разных частотных диапазонах. Из-за этого достигается уменьшение числа элементов, входящих в состав соединительных волноводов, а также их длин, что приводит к уменьшению диссипации электромагнитной энергии и, как следствие, увеличению эффективности всей зеркальной антенны. Упрощение конструкции приводит также к уменьшению влияния разбаланса параметров элементов с идентичными характеристиками за счет уменьшения числа этих элементов.

Сущность настоящего изобретения поясняется примерами конкретной реализации многочастотной облучающей системы с разделением ортогональных поляризаций и графическими иллюстрациями, на которых представлены:

фиг.1 – блок-схема многочастотной облучающей системы;

фиг.2 – блок-схема низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя;

фиг.3 – вариант реализации низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя с поперечным смещением осей возбудителей и с прямоугольными соединяющими волноводами;

фиг.4 – вариант реализации низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя с соосным расположением возбудителей и с прямоугольными соединяющими волноводами;

фиг.5 – варианты реализации волноводных скруток;

фиг.6 – вариант реализации низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя с поперечным смещением осей возбудителей и с коаксиальными соединяющими волноводами;

фиг.7 – блок-схема варианта реализации низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя с малошумящими усилителями.

На всех графических иллюстрациях для наглядности показаны только высокочастотные соединения и не показаны соединения по цепям управления или питания, что не затрагивает сущность патентуемого изобретения. Для специалиста, работающего в области антенной техники и обладающего профессиональными практическими навыками, соответствующими уровню развития техники, конкретная техническая реализация соединений по цепям питания и управления не является сложной задачей.

На фиг.1 показана блок-схема многочастотной (в данном случае трехчастотной) облучающей системы зеркальной антенны с разделением ортогональных поляризаций, которая содержит рупорный облучатель 1, и несколько устройств возбуждения рупорного облучателя 1, одно из которых, высокочастотное 2, соединено с рупорным облучателем 1 с торца, а другие, низкочастотные 3 и 4, связаны с рупорным облучателем 1 через щели связи в его боковой поверхности.

Рупорный облучатель 1 обеспечивает создание необходимой диаграммы направленности для облучения рефлектора или субрефлектора зеркальной антенны и может быть выполнен в виде усеченного конуса или пирамиды или их комбинации. Диаметр излучающей апертуры и угол конусности выбираются из условия сохранения одной и той же формы диаграммы направленности во всех рабочих диапазонах частот. Форма диаграммы направленности рупорного облучателя сохраняется, если сферическая неравномерность волнового фронта в апертуре рупора превышает четверть длины волны (условие расфазированности рупора). Предусмотрено, что диаметр сечения боковой поверхности рупорного облучателя 1, где расположены щели связи, пропорционален длине волны, на которой работает соответствующее низкочастотное устройство возбуждения рупорного облучателя 3 или 4. Щель связи (7, 8, фиг.3) располагается в таком поперечном сечении рупора 1, диаметр которого близок к критическому диаметру основной волны для данного диапазона частот.

Каждое низкочастотное устройство возбуждения рупорного облучателя 3 и 4 предназначено для обеспечения связи рупорного облучателя 1 с приемным, передающим или приемо-передающим устройством соответствующего диапазона радиочастот и содержит (фиг.1, 2) по два одинаковых щелевых возбудителя (5 и 6, 27 и 28).

Низкочастотное устройство возбуждения рупорного облучателя 3 включает (фиг.1, 3) два щелевых возбудителя 5 и 6, содержащие по две продольные щели связи 7 и 8, 9 и 10, каждая пара которых расположена в одном поперечном сечении соответствующего щелевого возбудителя под углом 90° друг к другу. Щелевой возбудитель 5 является частью боковой поверхности рупорного облучателя 1, а щелевой возбудитель 6 соединен со щелевым возбудителем 5 волноводами 11 и 12, присоединенными к элементам согласования и фильтрации 14 щелей связи 7, 8, 9 и 10.

Щелевой возбудитель 6 соединен с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций 13, которое обеспечивает передачу на два выходных волновода 37, 38 сигналов определенных ортогональных поляризаций, принимаемых зеркальной антенной, при работе зеркальной антенны в диапазоне частот рассматриваемого устройства возбуждения в приемном режиме, либо же формирование в диаграмме излучения зеркальной антенны радиоволны определенной поляризации из сигналов, передаваемых в устройство возбуждения по одному из волноводов 37, 38, при работе зеркальной антенны в рассматриваемом диапазоне частот в передающем режиме. Устройство преобразования и разделения ортогональных поляризаций 13 может быть выполнено в виде универсального преобразователя поляризаций, схемное выполнение и принцип действия которого описаны в патенте США №4847574, соединенного с селектором поляризаций (см. там же). Преобразователь поляризаций может быть управляемым или неуправляемым.

Волноводы 11 и 12 обеспечивают прохождение сигналов рассматриваемой частоты из одного возбудителя в другой. В зависимости от выбранной компоновки щелевых возбудителей 3 и 4 низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя 1 волноводы 11, 12 могут быть выполнены в виде прямоугольных (фиг.3, 4), или коаксиальных волноводов (фиг.6).

Элементы фильтрации и согласования 14 (фиг.1-4; 6, 7), установленные на стыке волноводов 11, 12 с щелевыми возбудителями, обеспечивают эффективность прохождения сигналов рассматриваемой частоты из возбудителя в волноводы и, наоборот, подавление возможности прохождения по этому пути сигналов более высоких частот, а также предназначены для подавления возможности возникновения высших типов волн высокочастотных диапазонов в рупорном облучателе. Щели возбудителей 5, 6 и элементы фильтрации и согласования 14 могут быть реализованы и соединены с волноводами по известной схеме, приведенной на фиг.2 (патент США №4847574, Н 01 Р 1/161). Геометрически элементы согласования и фильтрации могут располагаться внутри щелей и волноводов, или элементов связи коаксиальных волноводов со щелями, как показано на фиг.6 (на фиг.1, 2, 7 элементы фильтрации и согласования для наглядности условно изображены вблизи концов волноводов 11, 12).

Диапазон частот работы низкочастотного устройства возбуждения 4 (фиг.1) более высокий по отношению к диапазону частот устройства возбуждения 3. Состав и конструкции этих устройств возбуждения рупорного облучателя, а также назначение их элементов аналогичны. Низкочастотное устройство возбуждения 4 содержит два одинаковых щелевых возбудителя 27 и 28, содержащие щели связи (не показаны), расположенные в одном поперечном сечении щелевого возбудителя под углом 90° друг к другу. Щелевой возбудитель 27 является частью боковой поверхности рупорного облучателя 1, а щелевой возбудитель 28 соединен с щелевым возбудителем 27 волноводами 29 и 30, возбуждаемыми на концах соответствующими щелями связи.

Щелевой возбудитель 28 соединен с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций 32.

Волноводы 29 и 30, соединяющие щелевые возбудители 27 и 28, содержат секции фильтрации и согласования 31.

Щелевые возбудители 27 и 28, волноводы 29 и 30, элементы фильтрации и согласования 31 и устройство преобразования и разделения ортогональных поляризаций 32 выполнены по той же схеме, что и аналогичные элементы низкочастотного устройства возбуждения 3 рупорного облучателя 1.

Высокочастотное устройство возбуждения 2 рупорного облучателя 1 обеспечивает передачу сигналов высокочастотного диапазона зеркальной антенны между торцевой секцией 25 облучателя 1 и высокочастотным устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций 26. Назначение и состав устройства 26 аналогичен назначению и составу низкочастотных устройств 13, 32 преобразования и разделения ортогональных поляризаций.

Разработанная многочастотная облучающая система может иметь различную конечную конструктивную реализацию, выбор которой определяется конкретными эксплуатационными задачами и областью применения устройства, как то возможностью размещения элементов системы в контейнере облучателя, режимами работы зеркальной антенны в рассматриваемых диапазонах частот.

Например, при использовании настоящего устройства в облучающей системе крупного радиотелескопа (с диаметром главного рефлектора от 30 до 100 м), работающего исключительно в приемном режиме и, как правило, одновременно в нескольких, подчас далеко разнесенных диапазонах частот, щелевые возбудители рационально располагать по схеме фиг.7 с двумя малошумящими усилителями 23, 24, имеющими идентичные амплитудно-фазовые характеристики, и подключенными непосредственно к щелям связи 7, 8 на коническом возбудителе, являющемся частью рупорного облучателя 1. Выходные волноводы усилителей в длинноволновой части сантиметрового и более низкочастотных диапазонах волн рационально выполнять в этом случае коаксиальной конструкции, как на схеме фиг.6. В этом варианте элементы фильтрации 14 (фиг.2) должны обеспечивать короткозамкнутый режим работы щелей связи 7, 8 со стороны внутренней поверхности рупорного облучателя 1 в более высокочастотных диапазонах волн.

Схемы расположения возбудителей, изображенные на фиг.3 и 4, целесообразно применять при работе рассматриваемого в качестве примера низкочастотного устройства возбуждения 3 рупорного облучателя 1 в приемопередающем или передающем режиме. Использование прямоугольных волноводов, имеющих меньшие вносимые энергетические потери, чем коаксиальные, способствует повышению коэффициента усиления зеркальной антенны. Выбор компоновок (фиг.3 или фиг.4), с поперечным смещением осей возбудителей (фиг.3) или без смещения (фиг.4), определяется размерами и формой контейнера, в котором располагается облучающая система. В варианте фиг.3 щелевые возбудители 5 и 6 соединены прямоугольными волноводами 11 и 12, и каждый волновод 11 и 12 содержит по одному элементу поворота плоскости поляризации, который выполнен в виде 90-градусной скрутки 15 и 16 с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации.

При размещении патентуемого устройства в длинном узком контейнере предпочтительна иная конечная реализация облучающей системы, при которой щелевые возбудители 5 и 6 (27 и 28) низкочастотного устройства возбуждения 3 (4) расположены соосно (фиг.4) и соединены прямоугольными волноводами 11 и 12 (29 и 30). При этом волновод 11 (29) содержит элемент поворота плоскости поляризации 17 на 180°, выполненный в виде 180-градусной скрутки, а волновод 12 (30) – эквивалент скрутки 18 без поворота плоскости поляризации.

При использовании настоящего устройства в дециметровом или длинноволновой части сантиметрового диапазона волн щелевые возбудители 5 и 6 (27 и 28) низкочастотного устройства возбуждения 3 (4) рупорного облучателя 1 располагаются со смещением относительно друг друга, так что оси щелевых возбудителей 5 и 6 (27 и 28) не совпадают и параллельны друг другу. Щелевые возбудители 5 и 6 (27 и 28) соединены (фиг.6) двумя коаксиальными волноводами 11 и 12 и каждый содержит по два элемента связи 19 и 20 и 21 и 22 коаксиальных волноводов 11 и 12 со щелями 7 и 8 и 9 и 10. При этом на щелевом возбудителе 6 элементы связи 21 и 22 коаксиального волновода 11 и 12 со щелями связи расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя 6, а на щелевом возбудителе 5 установлены с поворотной симметрией относительно друг друга. Такое соединение особенно эффективно применять для устройств возбуждения, работающих в приемном режиме. Элементы связи 19, 20, 21, 22 на фиг.6 содержат элементы согласования и фильтрации 14.

Элементы связи 19, 20, 21 и 22 выполняют функцию устройств согласования щелей связи 7, 8, 9, 10 с коаксиальными волноводами 11, 12, и конструктивно аналогичны известным коаксиально-волноводным трансформаторам, например, таким, как описаны в «Устройства СВЧ», Д.М.Сазонов, А.Н.Гридин, Б.А.Мишустин, Москва, «Высшая школа», 1981 г., с.295.

Элементы поворота плоскости поляризации (15, 16, 17 и 18) могут иметь различное конструктивное выполнение (фиг.5). Элемент поворота плоскости поляризации 17 на 180° выполнен в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток 15 с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации, а эквивалент скрутки 18 выполнен в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток, поворот плоскости поляризации в которых осуществляется в разные стороны (см. «Справочник по элементам радиоэлектронных устройств», под ред. В.Н.Дулина и М.С.Жука. – Москва, «Энергия», 1978 г.).

Для работы патентуемого устройства в приемном режиме низкочастотные устройства возбуждения 3 и 4 рупорного облучателя 1 содержат по два малошумящих усилителя. Например, для низкочастотного устройства возбуждения 3 это усилители 23 и 24 (фиг.7) с одинаковыми амплитудно-фазовыми частотными характеристиками. Вход малошумящих усилителей 23 и 24 соединен с щелевым возбудителем 5, являющимся частью рупорного облучателя зеркальной антенны, а выход – с волноводами 11 и 12, соединяющими щелевые возбудители 5 и 6. Усилители 23 и 24 обеспечивают повышение шумовой добротности антенны за счет уменьшения вносимых волноводами и устройствами преобразования поляризации шумовых искажений принимаемого сигнала и могут быть реализованы, например, по схеме с малошумящими транзисторами («Микроволновые устройства телекоммуникационных систем, т.2. – Устройства приемного и передающего трактов. Проектирование устройств и реализация систем. М.З.Згуровский, М.Е.Ильченко, С.А.Кравчук, Т.Н.Нарытник, Ю.И.Якименко, Киев, «Полiтeхнiка», 2003 г.). В низкочастотном устройстве возбуждения 4 используют аналогичное конструктивно-компоновочное размещение двух малошумящих усилителей (не показано).

Работа патентуемой многочастотной облучающей системы с разделением ортогональных поляризаций поясняется на примере трехчастотной облучающей системы зеркальной антенны, работающей для определенности на всех частотах в приемном режиме.

Сигналы, принимаемые зеркальной антенной, собираются в рупорном облучателе (1 на фиг.1), фазовый центр которого должен совпадать с фокусом зеркальной системы. Чтобы рупорный облучатель 1 нормально функционировал в многочастотном режиме работы, в рабочем диапазоне частот не должны меняться положение его фазового центра и диаграмма направленности в секторе углов в пределах облучения зеркала (или субрефлектора для двухзеркальных антенн). Для обеспечения этого условия рупор должен работать в «расфазированном» режиме, при котором сферическая составляющая фазовой ошибки в его раскрыве должна превышать ˜90° на всех рабочих частотах. Это условие выполняется при соответствующем выборе диаметра излучающей апертуры и конусности рупора. С торца секции 25 рупора 1, при работе его в режиме разделения ортогональных поляризаций, к рупору присоединяется устройство преобразования и разделения ортогональных поляризаций 26, работающее на самой высокой частоте из рабочего диапазона частот. В зависимости от требований к антенне это устройство может быть специализированным для приема только одного вида ортогональных поляризаций (например, двух линейных или двух круговых), либо может быть универсальным, способным подстраиваться под прием любой пары ортогональных поляризаций. С выхода устройства преобразования и разделения ортогональных поляризаций 26 сигналы по волноводам 35, 36 поступают в приемник с двумя независимыми входами для приема ортогональных поляризаций (на фиг.1 не показан).

Через горло рупорного облучателя 1 в торце меньшего диаметра секции 25 проходят только сигналы самого высокочастотного диапазона. Это определяется выбором поперечного размера выходного отверстия рупорного облучателя 1, обеспечивающего нормальную работу устройства разделения ортогональных поляризаций 26 в согласованном одномодовом режиме. Сигналы низкочастотных диапазонов не доходят до горла рупорного облучателя 1, а через щели в боковой поверхности рупорного облучателя соответствующего низкочастотного устройства возбуждения 3 или 4 (фиг.1) и последующие его элементы поступают в устройство преобразования и разделения ортогональных поляризаций 13 или 32, и далее с выхода этого устройства через волноводы 37, 38 или 39, 40 в соответствующее приемное устройство (на фиг.1 не показано).

Предусмотрено, что диаметр сечения боковой поверхности рупорного облучателя 1, где расположены щели связи, пропорционален длине волны, на которой работает соответствующее низкочастотное устройство возбуждения рупорного облучателя 3 или 4. Щель связи (7, 8, фиг.3) располагается в таком поперечном сечении рупора 1, диаметр которого близок к критическому диаметру основной волны для данного диапазона частот.

Конструктивное соединение волноводов, показанное на фиг.3, 4, 6, в согласованном режиме работы устройств возбуждения 3, 4 обеспечивает независимость амплитудного и фазового коэффициента передачи устройства возбуждения от состояния поляризации приходящего сигнала. Это достигается тем, что при описанном варианте соединения электромагнитная волна в щелевом возбудителе 5, поляризованная в плоскости симметрии после прохождения через щели 7, 8 волноводов 11, 12, а затем через щели 9, 10 оказывается в щелевом возбудителе 6 поляризованной перпендикулярно плоскости симметрии щелей. И наоборот, волна, поляризованная в щелевом возбудителе 5 перпендикулярно плоскости симметрии, в щелевом возбудителе 6 оказывается поляризованной в плоскости симметрии. Следует также отметить, что в патентуемом устройстве поступающая в рупорный облучатель 1 волна правой круговой поляризации на входе низкочастотных устройств преобразования и разделения ортогональных поляризаций 13, 32 оказывается левой круговой поляризации и наоборот. В высокочастотном устройстве возбуждения 2, подсоединенном к рупору с торца, такого преобразования поляризации не происходит.

Заявителем были проведены испытания опытных образцов разработанной многочастотной облучающей системы зеркальной антенны с разделением ортогональных поляризаций в различных вариантах конструктивной реализации. Испытания подтвердили высокую энергетическую эффективность и надежность работы патентуемого устройства, что достигается:

– за счет существенных конструкционно-компоновочных усовершенствований облучающего устройства многочастотной зеркальной антенны;

– за счет уменьшения числа щелей и соединяющих их волноводов, сокращения длин волноводов. Это позволяет исключить необходимость введения в состав соединяющих волноводов различных суммирующих и мостовых соединений, существенно усложняющих конструкцию устройств возбуждения рупорного облучателя, уменьшить диссипацию электромагнитной энергии и повысить эффективность работы всей зеркальной антенны.

Существенное упрощение конструкции устройств возбуждения рупорного облучателя и уменьшение габаритных размеров облучающей системы обеспечивают повышенную эффективность использования патентуемого устройства в системах дальней космической, радиорелейной и спутниковой связи СВЧ-диапазона и в антенно-фидерных устройствах радиотелескопов.

Формула изобретения

1. Многочастотная облучающая система зеркальной антенны с разделением ортогональных поляризаций, содержащая рупорный облучатель и устройства возбуждения рупорного облучателя, одно из которых высокочастотное и соединено с рупорным облучателем с торца, а другие низкочастотные, каждое низкочастотное устройство возбуждения включает два одинаковых щелевых возбудителя, содержащих щели связи, расположенные ортогонально друг к другу, причем один щелевой возбудитель каждого низкочастотного устройства возбуждения является частью рупорного облучателя и щели связи выполнены в его боковой поверхности в сечениях, диаметр которых близок к критическому диаметру основной волны, на которой работает соответствующее низкочастотное устройство возбуждения, а другой щелевой возбудитель соединен с устройством преобразования и разделения ортогональных поляризаций, отличающаяся тем, что каждый щелевой возбудитель низкочастотного устройства возбуждения содержит две щели связи, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя, при этом два щелевых возбудителя одного низкочастотного устройства возбуждения соединены друг с другом двумя волноводами, связанными со щелями связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щелевые возбудители низкочастного устройства возбуждения рупорного облучателя расположены с взаимным смещением осей, так что оси щелевых возбудителей параллельны друг другу, при этом щелевые возбудители соединены прямоугольными волноводами, которые содержат по одному элементу поворота плоскости поляризации, каждый из которых выполнен в виде 90-градусной скрутки, с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щелевые возбудители низкочастотного устройства возбуждения расположены соосно и соединены прямоугольными волноводами, при этом один из волноводов содержит элемент поворота плоскости поляризации на 180° выполненный в виде 180-градусной скрутки, а другой – эквивалент скрутки без поворота плоскости поляризации,

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щелевые возбудители низкочастного устройства возбуждения рупорного облучателя расположены со взаимным смещением осей, так что оси щелевых возбудителей параллельны друг другу, щелевые возбудители соединены двумя коаксиальными волноводами и каждый содержит по два элемента связи коаксиальных волноводов со щелями связи, при этом на одном щелевом возбудителе элементы связи коаксиальных волноводов со щелями связи распложены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось щелевого возбудителя, а на другом элементы связи расположены в соответствии с симметрией вращения на 90° вокруг оси вращения возбудителя.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что элемент поворота плоскости поляризации на 180° выполнен в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток с одинаковым направлением поворота плоскости поляризации, а эквивалент скрутки – в виде двух последовательно включенных 90-градусных скруток, поворот плоскости поляризации в которых осуществляется в разные стороны.

6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что низкочастотные устройства возбуждения рупорного облучателя для работы в приемном режиме содержат по два малошумящих усилителя с одинаковыми амплитудно-фазовыми частотными характеристиками, соединенных по входу с щелевым возбудителем, являющимся частью рупорного облучателя зеркальной антенны, а по выходу с волноводами, соединяющими щелевые возбудители.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щелевые возбудители низкочастотного устройства возбуждения рупорного облучателя имеют коническую или цилиндрическую форму.

РИСУНКИ