Патент на изобретение №2296397

(54) АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО И АНТЕННА, ВХОДЯЩАЯ В СОСТАВ ЭТОГО УСТРОЙСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в спутниковом телевидении. Технический результат заключается в уменьшении продольных размеров при сохранении высокого КИП и широкополосности. Сущность изобретения состоит в том, что в антенно-фидерном устройстве, содержащем четыре параболические антенны, расположенные в одной плоскости, согласующее устройство выполнено на базе делителей. Вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены посредством отрезков двухмодовой линии передачи. Вход подсоединен к четырем выходам посредством отрезков одномодовой линии передачи. Делители расположены в одной плоскости. Два боковых плеча каждого из делителей подсоединены к соседним выходам, а центральные плечи с четырех сторон – к входу согласующего устройства. Введены фазосдвигатели, обеспечивающие сдвиг фаз на 180 градусов для двух выходов, расположенных противоположно с двух сторон относительно входа. Делители мощности могут быть выполнены в виде Т-образных сочленений. Указаны различные варианты выполнения фазовращателей. Антенна характеризуется тем, что фокус ее параболического рефлектора расположен вне оси, субрефлектор выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом от 0,65 до 0,69, первый его фокус расположен на оси. Край субрефлектора расположен в области плоскости окружности края зеркала, образованного параболической поверхностью. Приведены условия для выбора радиуса края субрефлектора, отношения радиусов фокальных колец второго фокуса эллиптической поверхности субрефлектора и фокуса параболической поверхности зеркала, отношения радиуса рупора к длине волны в свободном пространстве и полного угла раскрыва конического рупора облучателя. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в качестве антенны спутникового телевидения.

Параболические зеркальные антенны получили широкое распространение в качестве антенн для спутникового телевидения в силу ряда факторов, к которым относятся:

– низкая стоимость;

– широкая полоса рабочих частот;

– простота работы с волнами разных поляризаций;

– относительно высокий коэффициент использования поверхности (КИП) (обычно 60-65 процентов).

Известна осесимметричная двухзеркальная антенна с вынесенным с оси симметрии фокусом главного зеркала (Патент Великобритании №973583, Н 01 D, опубл. 1962). В этом техническом решении использована параболическая форма главного зеркала и произвольная форма субрефлектора. В качестве частного случая предлагается субрефлектор эллиптической формы. Расположение фокусов субрефлектора, главного зеркала и фазового центра облучателя традиционно, то есть первый фокус эллипса совпадает с фазовым центром, а его второй фокус – с фокусом параболы.

Известна антенна, в которой фокусы параболического зеркала и субрефлектора смещены относительно друг друга, причем вершина субрефлектора и указанные выше фокусы лежат на одной прямой, а отношение фокальных диаметров субрефлектора и главного зеркала выбрано в диапазоне 1,03-1,07 (Авторское свидетельство СССР №588863, Н 01 Q 15/00, опубл. 1972).

В этом техническом решении решается задача увеличения коэффициента усиления антенны, а сама антенна имеет большие поперечные и особенно большие продольные габариты.

В другом известном патенте (Авторское свидетельство СССР №1804673, H 01 Q 19/18, опубл. 1993) отмечается, что рупор излучает не идеальную сферическую волну, а волну с размытым фазовым центром. Обусловленную этим фазовую ошибку корректирует форма субрефлектора, который имеет один фокус, совпадающий с фокусом параболы.

Ограничением известных параболических зеркальных антенн является большой объем, занимаемый антенной. Дело в том, что все достоинства параболических антенн проявляются при достаточно большом отношении фокусного расстояния F к диаметру антенны D. Так как облучатель параболы должен располагаться в фокусе зеркала, то это неизбежно приводит к увеличению размеров системы.

Большие размеры приводят к следующим недостаткам.

– При большом количестве таких антенн они начинают искажать архитектурный облик зданий. В частности, в некоторых странах Европейского союза приняты законодательные меры, ограничивающие установку параболических антенн на стенах и крышах домов.

– Параболические антенны практически невозможно или очень трудно использовать на мобильных носителях, в особенности, если требуется обеспечить прием сигнала во время движения автомобиля, поезда, корабля и т.д.

В силу перечисленных обстоятельств актуальной проблемой является разработка плоских антенн для спутникового ТВ, которые имеют существенно меньший объем.

Особенностью двухзеркальных антенн с минимальной толщиной является то, что в них и рупор и субрефлектор формируют поле, отличное от геометрооптического. Поэтому выбор параметров антенны, защищаемых в указанных выше известных патентах, не является оптимальным. Подтверждением этому утверждению является техническое решение по патенту США №6603437, в котором защищается алгоритм выбора формы основного зеркала и субрефлектора, который дает оптимальные решения только для субрефлекторов с диаметром, не меньшим пяти длин волн в свободном пространстве.

В случае антенн с минимальной толщиной (и максимальным КИП) последнее условие не выполняется, по крайней мере, для антенн с диаметром главного зеркала вплоть до двадцати длин волн. Очевидно, что использование субрефлекторов с большими электрическими размерами приведет к снижению КИП антенны из-за затенения субрефлектором главного зеркала. Поэтому максимальные значения КИП достигаются при диаметрах субрефлекторов 2-3 длины волны. Отметим, что толщина антенны при изменении диаметра главного зеркала от пяти до восемнадцати длин волн меняется от одной до трех с половиной длин волн. При таких характерных размерах рупора облучателя и субрефлектора их фокусы размыты и формирование волнового пучка, падающего на главное зеркало, не может быть правильно описано в терминах геометрической оптики.

Известно техническое решение, в котором предлагается соединение двухполяризационных антенн с помощью двухмодовых волноводов, например, круглого или квадратного (Патент США №5243357). Недостатком такого технического решения является то, что в отличие от одномодовых линий, двухмодовый волновод имеет ограничения по поперечным размерам, которые не могут быть меньше половины длины волны в свободном пространстве. Реально же поперечные размеры двухмодовых волноводов составляют обычно 0,7 длины волны. Поэтому соединение элементарных антенн в антенную решетку на основе двухмодовых волноводов не может иметь толщину, меньшую указанных выше 0.7 длины волны. К этому следует добавить толщину поворотов, которые неизбежно возникают в соединении. Поэтому реальная его толщина будет не менее 1.5 длины волны. Кроме того, волноводные узлы на двухмодовых линиях передачи предъявляют жесткие требования к точности изготовления элементов, поскольку технологические погрешности могут приводить к связи волн с разной поляризацией, что может ухудшить параметры устройства.

Наиболее близким антенно-фидерным устройством является устройство, содержащее четыре зеркальные антенны, расположенные в одной плоскости, зеркало каждой из которых выполнено вращением параболической образующей вокруг оси вращения, причем фокус параболической образующей расположен вне оси вращения, а субрефлектор выполнен вращением эллиптической образующей вокруг той же оси вращения, вершина субрефлектора обращена к зеркалу, причем один из фокусов эллиптической образующей расположен на оси вращения, а облучатель для каждой антенны расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, согласующее устройство, выполненное на базе делителей, причем каждый из делителей выполнен в виде соединения одномодовых линий передачи и каждый из делителей выполнен синфазным с делением мощности пополам, вход согласующего устройства предназначен для подсоединения к приемному и/или передающему устройству, а четыре выхода согласующего устройства соответственно подключены к облучателям антенн (Патент Японии №61245605, Н 01 Q 21/06, опубл. 31.10.1986).

Данное устройство не решает задачи функционирования четырех антенн на двух ортогональных поляризациях, и обеспечивается возможность работы устройства только с одной поляризацией волны. Ограничением этого технического решения также являются большие продольные и поперечные размеры.

Наиболее близкой антенной является антенна, содержащая зеркало, выполненное с параболической образующей, фокус которой расположен вне оси вращения, субрефлектор, выполненный с эллиптической образующей, первый фокус которой расположен на упомянутой оси вращения, причем вершина субрефлектора обращена к зеркалу, а облучатель расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором (Авторское свидетельство СССР №588863, H 01 Q 15/00, опубл. 1972).

Ограничением этого технического решения являются большие продольные габариты.

Решаемая изобретением задача – создание антенно-фидерного устройства и антенны, входящей в ее состав, имеющих минимально возможные габариты.

Технический результат, который может быть получен при выполнении антенно-фидерного устройства, – уменьшение его габаритов и толщины, обеспечение возможности приема/передачи сигналов двух ортогональных поляризаций с высокой развязкой каналов – не менее 20 дБ, широкополосность антенны с обеспечением полного диапазона спутникового телевидения 10,7-12,75 ГГц.

Технический результат, который может быть получен при выполнении антенны, – уменьшение продольных размеров при сохранении высокого КИП и широкополосности.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном антенно-фидерном устройство, содержащем четыре зеркальные антенны, расположенные в одной плоскости, зеркало каждой из которых выполнено вращением параболической образующей вокруг оси вращения, причем фокус параболической образующей расположен вне оси вращения, а субрефлектор выполнен вращением эллиптической образующей вокруг той же оси вращения, вершина субрефлектора обращена к зеркалу, причем один из фокусов эллиптической образующей расположен на оси вращения, а облучатель для каждой антенны расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, согласующее устройство, выполненное на базе делителей, причем каждый из делителей выполнен в виде соединения одномодовых линий передачи и каждый из делителей выполнен синфазным с делением мощности пополам, вход согласующего устройства предназначен для подсоединения к приемному и/или передающему устройству, а четыре выхода согласующего устройства соответственно подключены к облучателям антенн, согласно изобретению для каждой из антенн субрефлектор выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом от 0,65 до 0,69, край субрефлектора расположен в области плоскости окружности края зеркала, вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены в виде отрезков двухмодовых линий передачи, вход подсоединен к четырем выходам посредством четырех делителей, расположенных в одной плоскости, два боковых плеча каждого из делителей подсоединены к соседним выходам, а центральные плечи делителей подсоединены с четырех сторон к входу согласующего устройства, при этом введены четыре фазосдвигателя, обеспечивающие сдвиг фаз на 180 градусов на двух из выходов, причем фазосдвигатели введены в боковые плечи делителей, соединенные с двумя выходами, расположенными противоположно с двух сторон относительно входа.

Возможны дополнительные варианты выполнения антенно-фидерного устройства, в которых целесообразно, чтобы:

– была введена общая крышка, установленная в плоскости окружностей краев зеркал, а субрефлектор закреплен на крышке;

– вход и четыре выхода согласующего устройства были выполнены из отрезков круглого волновода;

– вход и четыре выхода согласующего устройства были выполнены из отрезков квадратного волновода;

– вход был подсоединен к четырем выходам посредством четырех Т-образных сочленений, выполненных из отрезков прямоугольных волноводов.

Для последнего дополнительного варианта фазосдвигатели могут быть выполнены посредством уменьшения ширины прямоугольных волноводов в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу, или посредством диэлектрических пластин, установленных в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу, или посредством удлинения боковых плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

Кроме того, вход может быть подсоединен к четырем выходам посредством отрезков коаксиальных линий, выполненных в виде четырех Т-образных сочленений.

Для этого дополнительно варианта фазосдвигатели могут быть выполнены посредством удлинения боковых плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

Кроме того, вход может быть подсоединен к четырем выходам посредством отрезков полосковых линий.

Для последнего дополнительного варианта возможны варианты, в которых целесообразно, чтобы:

– вход был подсоединен к четырем выходам посредством отрезков симметричных полосковых линий;

– фазосдвигатели были выполнены в виде петель;

– боковые плечи делителя были выполнены из полосковых линий, а центральное плечо делителя было выполнено в виде зонда, при этом зонд был введен внутрь входа-отрезка двухмодовой линии передачи, а боковые плечи делителя были введены внутрь соответствующих выходов-отрезков двухмодовой линии передачи также посредством зондов.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, содержащей зеркало, выполненное с параболической образующей, фокус которой расположен вне оси вращения, субрефлектор, выполненный с эллиптической образующей, первый фокус которой расположен на упомянутой оси вращения, причем вершина субрефлектора обращена к зеркалу, а облучатель расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, согласно изобретению субрефлектор выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом Ехс от 0,65 до 0,69, и край субрефлектора расположен в области плоскости окружности края зеркала.

Возможны дополнительные варианты выполнения антенны, в которых целесообразно, чтобы:

– была введена крышка, установленная в плоскости окружностей краев зеркал, а субрефлектор закреплен на крышке;

– радиус E_r края субрефлектора был выбран удовлетворяющим условию

где – длина волны в свободном пространстве;

D – диаметр окружности края зеркала;

– отношение радиусов фокальных колец второго фокуса эллиптической поверхности субрефлектора и фокуса параболической поверхности зеркала было выбрано удовлетворяющим условию

1,04Fe2_r/F_r<1,35, где

Fe2_r – радиус фокального кольца второго фокуса субрефлектора,

F_r – радиус фокального кольца фокуса параболической поверхности зеркала.

– облучатель был выполнен в виде конического рупора.

Для последнего дополнительного варианта отношение радиуса рупора Н_r к длине волны в свободном пространстве целесообразно выбирать удовлетворяющим условию

а полный угол раскрыва конического рупора целесообразно выбирать удовлетворяющим условию

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на фигуры.

Фигура 1 схематично изображает антенно-фидерное устройство (АФУ), вид сверху и вид сбоку;

Фиг.2 – одна из параболических зеркальных антенн, входящих в состав АФУ, схематично;

Фиг.3 – согласующее устройство, функциональная схема;

Фиг.4 – то же, что фиг.3, при реализации на волноводах;

Фиг.5 – то же, что фиг.4, когда фазосдвигатели выполнены посредством удлинения длин плеч Т-образных сочленений;

Фиг.6 – то же, что фиг.3 при реализации делителей с помощью полосковых линий;

Фиг.7 – геометрия антенны, ее половина, правая часть.

Фиг.8 – зависимость КИП антенны, нормированного к максимальному КИП, от эксцентриситета эллиптического субрефлектора для разных диаметров зеркала антенны.

Антенно-фидерное устройство (фиг.1) содержит четыре антенны, расположенные в одной плоскости. Зеркало 1 каждой из антенн выполнено с параболической образующей, а субрефлектор 2 – с эллиптической (фиг.1, 2).

Субрефлектор 2 имеет круг А и вершину В. Вершина В обращена к зеркалу 1 и расположена между кругом А и зеркалом 1. Облучатель 3 для каждой антенны расположен на оси вращения (продольной оси симметрии Z) в основании зеркала 1 между его параболической поверхностью и субрефлектором 2. Согласующее устройство 4 (фиг.1) предназначено для подсоединения входом 5 к приемному и/или передающему устройству. Четыре выхода 6 согласующего устройства 4 соответственно подключены к облучателям 3 антенн. Согласующее устройство выполнено на базе делителей, причем каждый из делителей выполнен в виде соединения одномодовых линий передачи и каждый из делителей выполнен синфазным с делением мощности пополам.

Вход 5 и четыре выхода 6 согласующего устройства 4 (фиг.3) выполнены посредством отрезков двухмодовой линии передачи. Вход 5 через делители подсоединен к четырем выходам 6 посредством отрезков одномодовой линии передачи. Делители расположены в одной плоскости. Два боковых плеча каждого из делителей соответственно подсоединены к соседним выходам 6, а центральные плечи четырех делителей подсоединены с четырех сторон к входу 5 согласующего устройства 4. Введены фазосдвигатели 7, выполненные обеспечивающими сдвиг фаз на 180 градусов для двух выходов 6, расположенных противоположно с двух сторон относительно входа 5. Для каждой из антенн субрефлектор 2 выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом Ехс от 0,65 до 0,69. Круг А субрефлектора 2 (его периферия) расположен в плоскости, в области плоскости окружности С края зеркала 1, образованного параболической поверхностью (фиг.1, 2).

В антенно-фидерное устройство (АФУ) может быть введена общая крышка 8 (фиг.1), установленная в плоскости окружности С края зеркала 1 для каждой из антенн. Круг А субрефлектора 2 закреплен на крышке 8.

Для обеспечения двухмодового режима передачи вход 5 и четыре выхода 6 согласующего устройства 4 могут быть выполнены посредством отрезков круглого волновода (фиг.3-5), или вход 5 и четыре выхода 6 согласующего устройства 4 могут быть выполнены посредством отрезков квадратного волновода (на фиг. не показан).

Вход 5 может быть подсоединен к четырем выходам 6 посредством отрезков прямоугольных волноводов (фиг.4, 5). В этом случае делители выполнены в виде Т-образных сочленений.

Фазосдвигатели 7 могут быть выполнены посредством уменьшения ширины прямоугольных волноводов в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу (фиг.4), или фазосдвигатели 7 могут быть выполнены посредством диэлектрических пластин, установленных в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу. Фазосдвигатели 7 могут быть выполнены посредством удлинения длин боковых плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу (фиг.5).

Вход 5 может быть подсоединен к четырем выходам 6 посредством отрезков коаксиальных линий (фиг.3). Делители в этом случае также могут быть выполнены в виде коаксиальных Т-образных сочленений. Фазосдвигатели 7 могут быть выполнены посредством удлинения длин плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу (аналогично фиг.5).

Вход 5 (фиг.3, 6) может быть подсоединен к четырем выходам 6 посредством отрезков полосковых линий. Полосковые линии могут быть выполнены симметричными. Фазосдвигатели 7 могут быть выполнены в виде петель.

В частном случае для простоты конструкции боковые плечи делителя выполнены из полосковых линий, а центральное плечо делителя выполнено в виде зонда 9 (фиг.6). Один конец зонда 9 подсоединен к соответствующему концу полосковой линии, а другой конец зонда 9 введен внутрь входа 5 – отрезка двухмодовой линии передачи. Боковые плечи делителя введены внутрь соответствующих выходов 6 – отрезков двухмодовой линии передачи посредством зондов 10.

Антенна (фиг.2, 7) содержит зеркало 1, выполненное с параболической образующей, и субрефлектор 2, выполненный с эллиптической образующей. Субрефектор 2 имеет круг А и вершину В. Вершина В обращена к зеркалу 1 и расположена между кругом А и зеркалом 1. Облучатель 3 расположен на продольной оси Z симметрии в основании зеркала 1 между параболической поверхностью и субрефлектором 2.

Субрефлектор 2 выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом Ехс от 0,65 до 0,69. Круг А субрефлектора 2 (фиг.2, 7) расположен в плоскости, в области плоскости окружности С края зеркала 1.

В устройство может быть введена крышка 8, установленная в плоскости окружности С края зеркала 1, а круг А субрефлектора 2 закреплен на крышке 8.

Радиус E_r круга субрефлектора 2 (фиг.7) может быть выбран удовлетворяющим условию

где – длина волны в свободном пространстве,

D – диаметр окружности края зеркала.

Отношение радиусов фокальных колец второго фокуса эллиптической поверхности субрефлектора 2 и фокуса параболической поверхности зеркала 1 (фиг.7) выбрано удовлетворяющим условию

1,04Fе2_r/F_r1,35, где

Fe2_r – радиус фокального кольца второго фокуса субрефлектора 2,

F_r – радиус фокального кольца фокуса параболической поверхности зеркала 1.

Облучатель 3 (фиг.2, 7) может быть выполнен в виде конического рупора. Отношение радиуса Н, рупора облучателя 3 к длине волны в свободном пространстве может быть выбрано удовлетворяющим условию

а полный угол раскрыва конического рупора а выбран удовлетворяющим условию

Работает АФУ (фиг.1) следующим образом.

Выполняемой согласующим устройством 4 функцией является равноамплитудное и синфазное возбуждение выходов 6 отрезков двухмодовой линии передачи с ориентацией вектора электрического поля Е такой же, как на входе 5 отрезка двухмодовой линии передачи (фиг.3, 4). Пусть вход 5 возбуждается волной с вектором электрического поля, расположенным вдоль одной из диагоналей квадрата, вершины которого совпадают с осями выходных двухмодовых волноводов (выходы 6), как показано на фиг.4. Этот вектор электрического поля можно разложить на два вектора: вертикальный и горизонтальный. Тогда вертикальная компонента входа 5 возбудит верхнее и нижнее плечо Т-образного сочленения делителя, а горизонтальная компонента – правое и левое плечо Т-образного сочленения. Причем волны в левом и нижнем плече имеют условную нулевую фазу, а волны – в верхнем и правом плече Т-образного сочленения условную фазу 180 градусов при условии, что вертикальная и горизонтальная компоненты имеют нулевые фазы. Волна с нулевой фазой отображена на фиг.4 символом плюс, а противофазная волна со сдвигом в 180 градусов символом минус.

Волны, возбужденные входом 5, делятся делителями пополам и поступают через боковые плечи на выходы 6 отрезков двухмодовых линии передачи. В силу того, что пути, которые проходят волны от входа 5 до выходов 6, одинаковы, то при отсутствии фазосдвигателей 7 они поступили бы на выходы 6 с той же разностью фаз, что была обеспечена при их возбуждении. Однако за счет фазосдвигателей 7 на 180° фазы волн, возбуждающих выходы 6 будут распределены так, как это показано на фиг.4.

Отметим, что вертикальные прямоугольные волноводы возбуждают в круглых волноводах вертикальную компоненту вектора Е, а горизонтальные прямоугольные волноводы – горизонтальную компоненту. Фаза возбуждаемой компоненты определяется фазой волны в прямоугольном волноводе, подходящем к выходу 6 – круглому или квадратному волноводу 2, и ориентацией возбуждающего прямоугольного волновода относительно выхода 6 выходного волновода. Вертикальная компонента возбуждается с нулевой фазой, если возбуждающая волна имеет нулевую фазу, а прямоугольный волновод подходит к выходному волноводу снизу. Аналогично, если он подходит сверху, то вертикальная компонента поля имеет нулевую фазу в случае фазы возбуждающей волны, равной 180 градусов. Точно также горизонтальная компонента имеет нулевую фазу при возбуждении ее слева волной с нулевой фазой или справа волной сдвинутой на 180 градусов. Из фиг.4 видно, что во всех выходах 6 вертикальная и горизонтальная компоненты возбуждаются с нулевой фазой и, следовательно, суммарный вектор электрического поля ориентирован так же, как на входе 5. Аналогично описывается работа согласующего устройства 4 при возбуждении его волной с ортогонально ориентированным вектором Е.

В качестве входного и выходного волноводов используются круглые волноводы или квадратные, способные поддерживать распространение двух основных ортогонально поляризованных волн (мод). Т-образные сочленения делителей образованы прямоугольными волноводами, соединенными в Н-плоскости. Конкретная конфигурация сочленения может содержать дополнительные элементы, обеспечивающие согласование сочленения по центральному плечу. К числу таких элементов относятся штыри, согласующие клинья и т.д. Точно также соединение прямоугольного волновода с круглыми может дополнительно содержать элементы, обеспечивающие его нормальное функционирование. Выбор структуры и параметров дополнительных элементов является задачей инженерного проектирования, решаемой известными средствами, например, с помощью системы электродинамического моделирования High Frequency Structure Simulator (HFSS), позволяющей с высокой точностью прогнозировать параметры СВЧ волноводных устройств. Специалистам понятно, что выбор структуры и параметров дополнительных элементов не является предметом настоящего изобретения, и в него могут быть введены различные технические усовершенствования, известные из уровня техники.

В соединении, показанном на фиг.4, фазосдвигатели 7 выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода с измененной шириной. Известно, что постоянная распространения основной волны в прямоугольном волноводе зависит от его ширины следующим образом:

где k – волновое число свободного пространства. Из вышеприведенной формулы следует, что изменяя ширину волновода, можно менять его постоянную распространения и, следовательно, набег фазы в отрезке волноводы, который равен произведению постоянной распространения на длину отрезка.

Также фазосдвигатель 7 может быть реализован введением в волновод диэлектрических пластин, которые меняют постоянную распространения.

На фиг.5 показано волноводное соединение, в котором сдвиг фазы достигается за счет смещения точки сочленения волноводов. Такое же соединение может быть использовано для коаксиальных линий передачи.

Смещение срединной точки Т-образного сочленения относительно середины отрезка волновода, соединяющего соседние выходные круглые волноводы, составляет четверть длины волны в волноводе. При этом разность фаз волн в боковых плечах Т-образного сочленения делителя составляет необходимые 180 градусов.

Наряду с волноводами в схеме соединения могут применяться полосковые линии. Наиболее удобной в данном случае является симметричная полосковая линия, которая образуется путем размещения полосковых проводников между двумя металлическими экранами. При этом роль одного из экранов может играть основание антенны. Полосковые проводники выполняются на тонкой диэлектрической пленке методами технологии печатных схем. Собственно пленка, играющая роль несущего элемента печатной схемы, размещается между двумя пенопластовыми пластинами, которые, в свою очередь, размещаются между вышеуказанными металлическими экранами. Таким образом, образуется симметричная полосковая линия передачи с диэлектрическим заполнением, близким по параметрам к воздуху, так как диэлектрические свойства пенопласта мало отличаются от воздуха. На высоких частотах это является существенным обстоятельством, позволяющим исключить диэлектрические потери, присущие диэлектрикам с более высокой проницаемостью.

На фиг.6 схематично показана топология полосковых проводников, обеспечивающая функционирование согласующего устройства 4. Связь полосковой линии с круглыми волноводами осуществляется с помощью зондов 9, 10, вводимых внутрь волноводов. Конструктивно эти зонды 9, 10 являются продолжением полосковых проводников. Фазосдвигатели 7 представляют собой дополнительные отрезки полосковых линий передачи, выполненные в виде петель. Длина петли выбрана обеспечивающей разность фаз в петле и в прямой линии передачи 180 градусов.

В результате (фиг.3-6) с четырех выходов 6, поддерживающих распространение двух волн с ортогональными поляризациями, волны поступают на облучатели 3 для каждой из четырех антенн (фиг.1). Облучатель 3 (фиг.2) может быть выполнен в виде конического рупора, пирамидального рупора с квадратным сечением, конического или пирамидального рупора с гофрированной поверхностью и т.п.

Субрефлектор 2 (фиг.2) выполнен в виде тела вращения, ось которого совпадает с осью вращения (продольной осью Z симметрии) антенны (фиг.7), полученного вращением эллипса. На фиг.7 показаны Fe1 – первый фокус эллипса субрефлектора 2, Fe2 – второй фокус субрефлектора 2, F – фокус параболы зеркала 1, Н – край рупора облучателя 3, Е – край субрефлектора 2.

Зеркало 1 выполнено в виде тела вращения, полученного вращением параболы вокруг продольной оси Z симметрии антенны. Причем вершина параболы не лежит на оси Z вращения. При вращении эллипса один из его фокусов Fe1 (первый фокус) находится на оси Z вращения, а второй фокус Fe2 вынесен за пределы этой оси Z и при вращении эллипса создает фокальное кольцо диаметром De (с радиусом Fe2_r). Аналогично при вращении параболы ее фокус создает фокальное кольцо с диаметром Dp (с радиусом Fr).

В силу взаимности АФУ функционирование антенны можно рассматривать как в режиме приема, так и в режиме передачи. Рассмотрим для определенности ее функционирование в режиме передачи волн. На вход рупора облучателя 3 поступает одна из двух волн с ортогональными поляризациями. Эта волна возбуждает в рупоре облучателя 3 сферическую волну, фазовый центр которой совпадает с вершиной конической или пирамидальной поверхности рупора облучателя 3. Сферическая волна, распространяется вдоль рупора облучателя 3, вплоть до его верхней кромки Н (фиг.7), где она преобразуется в сферическую волну свободного пространства с диаграммой направленности, определяемой длиной и углом раскрыва рупора облучателя 3.

Сферическая волна свободного пространства облучает субрефлектор 2. Для уменьшения потерь мощности в антенне и повышения КИП диаграмма направленности рупора облучателя 3 выбирается обеспечивающей, с одной стороны, не перетекание энергии за пределы субрефлектора 2, а, с другой стороны, обеспечивающей, чтобы поверхность субрефлектора 3 «освещалась» достаточно равномерно. Поверхность субрефлектора 2, выполненная из металла, отражает волны, падающие на нее в направлении зеркала 1. В свою очередь зеркало 1 переизлучает падающее на него поле в свободное пространство.

Решение такой задачи аппаратом геометрической оптики приводит к тому, что первый фокус Fe1 эллиптической поверхности совмещен с фазовым центром облучателя 3 (с открытым концом волновода), а его второй фокус Fe2 совпадает с фокусом параболы F. Таким образом, фокальные кольца, получающиеся в результате вращения параболы и эллипса, совпадают. Такая геометрия типична для проектирования антенн больших электрических размеров, т.е. когда размеры значительно больше длины волны в свободном пространстве. При таком расположении фокальных точек в раскрыве зеркала 1 обеспечивается синфазное распределение поля, что эквивалентно формированию пучка параллельных лучей, которые в дальней зоне создают излучение с узкой диаграммой направленности. После прохождения прифокальной области пучок расширяется и «освещает» поверхность зеркала 1, которое, отражая падающие на него волны, формирует поле излучения антенны.

Особенностью антенны с минимальной толщиной является то, что толщина такой антенны и размеры субрефлектора 2 могут быть сравнимы с длиной волны в свободном пространстве. Типичной является ситуация, когда диаметр круга А (фиг.2) края субрефлектора 2 или радиус E_r для точки Е (фиг.7) составляет величину порядка 1,5-2 длин волн. При таких размерах зеркал 1 и субрефлектора 2 часто используемый аппарат геометрической оптики не дает адекватного описания процессов, происходящих при возбуждении антенны, и не может служить основой для правильного выбора параметров зеркала 1 и субрефлектора 2.

В случае антенн с минимальной толщиной (и максимально возможным КИП), вышеописанные условия расположения фокусов не выполняются, по крайней мере, для антенн с диаметром D зеркала 1, вплоть до восемнадцати длин волн. Очевидно, что использование субрефлекторов 2 с большими электрическими размерами приведет к снижению КИП антенны из-за затенения субрефлектором 2 зеркала 1. Поэтому максимальные значения КИП достигаются при диаметрах краев А субрефлекторов 2 в 2-3 длины волны. Отметим, что толщина антенны при изменении диаметра зеркала 1 от пяти до восемнадцати длин волн меняется от одной до трех с половиной длин волн. При таких характерных размерах рупора облучателя 3 и субрефлектора 2 их фокусы размыты и формирование волнового пучка, падающего на зеркало 1, не может быть правильно описано в терминах геометрической оптики.

Корректным подходом к синтезу параметров заявленной антенны является электродинамический подход, основанный на формулировке и решении граничной задачи для уравнений Максвелла, сочетающийся с применением алгоритмов параметрической оптимизации. В рамках такого подхода формируются целевые функции, в качестве которых могут выступать, например, КИП, толщина антенны, уровень боковых лепестков и т.д., а также формируется совокупность свободных параметров, к которым относятся координаты характерных точек, описывающих форму и размеры зеркал 1 и рупора облучателя 3. Ограничениями оптимизационной задачи может служить, например, зафиксированный диаметр D зеркала 1. Варьируя свободные параметры, находится совокупность параметров, обеспечивающих минимум (максимум) целевой функции (функций). Эта совокупность параметров является оптимальной.

Выбор оптимального расположения характерных точек зеркала 1, субрефлектора 2 и рупора облучателя 3 осуществлялся с учетом волнового характера электромагнитного поля и наличия дифракционных эффектов на кромках зеркал 1. Численные расчеты и оптимизация параметров антенн, проведенные с помощью программы решения граничных задач электродинамики, а также экспериментальные результаты показывают, что для всех антенн субрефлектор 2 должен быть выполнен по эллиптической поверхности с эксцентриситетом Ехс от 0,65 до 0,69. В этом случае удается обеспечить условие, чтобы круг А края субрефлектора 2 был расположен в плоскости, в области плоскости окружности С края зеркала 1, образованного параболической поверхностью. А это позволяет, в свою очередь, обеспечить минимизацию продольных размеров антенны, а также установить субрефектор 2 на крышке 8, поскольку верхние кромки субрефлектора 2 и зеркала 1 расположены на одном уровне. Закрепление субрефлектора на крышке 8 (фиг.1, 2) дает несомненные конструктивные преимущества, состоящие в том, что не нужно, как это обычно делается, устанавливать его на специальных диэлектрических опорах, которые прикрепляются к возбуждающему рупору облучателя 3.

Следует отметить, что наряду с требованием минимизации толщины антенны ставилось дополнительное требование, состоящее в том, чтобы иметь максимизацию КИП. Совокупность этих требований дает вышеуказанное условие для выполнения эксцентриситета эллиптической поверхности 0.65<Ехс<0.69. На фиг.8 показано уменьшение КИПа антенны при отклонении эксцентриситета от оптимального значения в пределах указанного выше диапазона его изменения. Из фиг.8 видно, что КИП существенно зависит от эксцентриситета для всех антенн, отличающихся разными диаметрами D зеркал.

Было установлено, что дополнительными условиями достижения максимума КИП являются следующие. Надо, чтобы:

– радиус E_r края субрефлектора был выбран удовлетворяющим условию

где – длина волны в свободном пространстве,

D – диаметр окружности края зеркала,

– отношение радиусов фокальных колец второго фокуса эллиптической поверхности субрефлектора и фокуса параболической поверхности зеркала было выбрано удовлетворяющим условию

1,04Fе2_r/F_r1,35, где

Fe2_r – радиус фокального кольца второго фокуса субрефлектора,

F_r – радиус фокального кольца фокуса параболической поверхности зеркала.

Первый фокус эллипса Fе1 и фазовый центр рупора облучателя 3 так же, как и в известных антеннах, лежат на оси Z симметрии антенны, совпадающей с осью вращения параболы и эллипса, однако для получения максимального КИП первый фокус Fe1 эллипса несколько смещен относительно фазового центра рупора в направлении от зеркала 1.

В силу осевой симметрии антенны ее возбуждение волнами двух ортогональных поляризаций происходит абсолютно аналогично, так как эти волны отличаются только поворотом поля относительно оси антенны на 90 градусов.

Также было установлено, что при использовании в качестве облучателя 3 конического рупора его параметры – радиус и полный угол раскрыва могут быть выбраны в следующих диапазонах:

где Н_r и – радиус и полный угол раскрыва конического рупора соответственно.

Результаты оптимизации параметров сведены в таблицу. Ниже приводятся координаты характерных точек в системе координат r, z для разных диаметров D зеркала 1. Все координаты характерных точек, показанных на фиг.7, нормированы к длине волны в свободном пространстве.

Наиболее успешно заявленные АФУ и антенна, входящая в его состав, могут быть промышленно применимы в качестве антенны спутникового телевидения.

Формула изобретения

1. Антенно-фидерное устройство, содержащее четыре зеркальные антенны, расположенные в одной плоскости, зеркало каждой из которых выполнено вращением параболической образующей вокруг оси вращения, причем фокус параболической образующей расположен вне оси вращения, а субрефлектор выполнен вращением эллиптической образующей вокруг той же оси вращения, вершина субрефлектора обращена к зеркалу, причем один из фокусов эллиптической образующей расположен на оси вращения, а облучатель для каждой антенны расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, согласующее устройство, выполненное на базе делителей, причем каждый из делителей выполнен в виде соединения одномодовых линий передачи и каждый из делителей выполнен синфазным с делением мощности пополам, вход согласующего устройства предназначен для подсоединения к приемному и/или передающему устройству, а четыре выхода согласующего устройства соответственно подключены к облучателям антенн, отличающееся тем, что для каждой из антенн субрефлектор выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом от 0,65 до 0,69, край субрефлектора расположен в области плоскости окружности края зеркала, вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены в виде отрезков двухмодовых линий передачи, вход подсоединен к четырем выходам посредством четырех делителей, расположенных в одной плоскости, два боковых плеча каждого из делителей подсоединены к соседним выходам, а центральные плечи делителей подсоединены с четырех сторон к входу согласующего устройства, при этом введены четыре фазосдвигателя, обеспечивающие сдвиг фаз на 180° на двух из выходов, причем фазосдвигатели введены в боковые плечи делителей, соединенные с двумя выходами, расположенными противоположно с двух сторон относительно входа.

2. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что введена общая крышка, установленная в плоскости окружностей краев зеркал, а субрефлектор закреплен на крышке.

3. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены из отрезков круглого волновода.

4. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что вход и четыре выхода согласующего устройства выполнены из отрезков квадратного волновода.

5. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что вход подсоединен к четырем выходам посредством четырех Т-образных сочленений, выполненных из отрезков прямоугольных волноводов.

6. Антенно-фидерное устройство по п.5, отличающееся тем, что фазосдвигатели выполнены посредством уменьшения ширины прямоугольных волноводов в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

7. Антенно-фидерное устройство по п.5, отличающееся тем, что фазосдвигатели выполнены посредством диэлектрических пластин, установленных в боковых плечах Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

8. Антенно-фидерное устройство по п.5, отличающееся тем, что фазосдвигатели выполнены посредством удлинения боковых плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

9. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что вход подсоединен к четырем выходам посредством отрезков коаксиальных линий, выполненных в виде четырех Т-образных сочленений.

10. Антенно-фидерное устройство по п.9, отличающееся тем, что фазосдвигатели выполнены посредством удлинения боковых плеч Т-образных сочленений, обращенных к соответствующему выходу.

11. Антенно-фидерное устройство по п.1, отличающееся тем, что вход подсоединен к четырем выходам посредством отрезков полосковых линий.

12. Антенно-фидерное устройство по п.11, отличающееся тем, что вход подсоединен к четырем выходам посредством отрезков симметричных полосковых линий.

13. Антенно-фидерное устройство по п.11, отличающееся тем, что фазосдвигатели выполнены в виде петель.

14. Антенно-фидерное устройство п.11, отличающееся тем, что боковые плечи делителя выполнены из полосковых линий, а центральное плечо делителя выполнено в виде зонда, при этом зонд введен внутрь входа-отрезка двухмодовой линии передачи, а боковые плечи делителя введены внутрь соответствующих выходов-отрезков двухмодовой линии передачи также посредством зондов.

15. Антенна, содержащая зеркало, выполненное с параболической образующей, фокус которой расположен вне оси вращения, субрефлектор, выполненный с эллиптической образующей, первый фокус которой расположен на упомянутой оси вращения, причем вершина субрефлектора обращена к зеркалу, а облучатель расположен на оси вращения между параболической поверхностью и субрефлектором, отличающаяся тем, что субрефлектор выполнен с эллиптической образующей с эксцентриситетом Ехс от 0,65 до 0,69 и край субрефлектора расположен в области плоскости окружности края зеркала.

16. Антенна по п.15, отличающаяся тем, что введена крышка, установленная в плоскости окружностей краев зеркал, а субрефлектор закреплен на крышке.

17. Антенна по п.15, отличающаяся тем, что радиус Е_r края субрефлектора выбран удовлетворяющим условию

где – длина волны в свободном пространстве,

D – диаметр окружности края зеркала.

18. Антенна по п.15, отличающаяся тем, что отношение радиусов фокальных колец второго фокуса эллиптической поверхности субрефлектора и фокуса параболической поверхности зеркала выбрано удовлетворяющим условию

1,04Fe2_r/F_r1,35,

где Fe2_r -радиус фокального кольца второго фокуса субрефлектора,

F_r – радиус фокального кольца фокуса параболической поверхности зеркала.

19. Антенна по п.15, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде конического рупора.

20. Антенна по п.19, отличающаяся тем, что отношение радиуса рупора Н_r к длине волны в свободном пространстве выбрано удовлетворяющим условию

а полный угол раскрыва конического рупора выбран удовлетворяющим условию

РИСУНКИ