Способ построения зеркальных антенн и устройство зеркальная антенна

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления. Сущность изобретения состоит в том, что отражатель зеркальной антенны выполнен в виде конической поверхности вращения или ее сектора, а облучатель - в виде антенны прямой или обратной вытекающей волны с питанием соответственно со стороны дальнего или ближнего конца по отношению к вершине конической поверхности вращения, облучатель ориентирован вдоль оси конической поверхности вращения и излучает в направлении отражателя конический фронт волны. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области антенной техники.

Известен способ построения зеркальных антенн и известно устройство зеркальная антенна, описанные в литературе [1]. Способ состоит в использовании отражателя в форме параболоида вращения и точечного облучателя, размещенного в его фокусе и создающего сферический фронт волны, а устройство представляет собой такой отражатель, объединенный с точечным облучателем.

Недостатком этих способа и устройства является необходимость изготовления отражающей поверхности двойной кривизны. Технологические проблемы становятся особенно существенны в случае изготовления больших зеркал с высокой точностью (например, антенн радиотелескопов).

Целью изобретения является повышение технологичности изготовления.

С этой целью заявляемый способ построения состоит в использовании отражателя в форме конической поверхности вращения и линейного облучателя, ориентированного вдоль оси отражателя и излучающего в направлении его внутренней поверхности конический фронт волны с образующей, наклоненной к оси системы под определенным углом, таким, что отраженный фронт волны в раскрыве отражателя преобразуется в плоский. Угол при вершине конуса отражателя может быть как больше, так и меньше 90°. В случае равенства этого угла 90° фронт волны облучателя является цилиндрическим.

Заявляемое устройство содержит отражатель, выполненный в форме конической поверхности вращения, и линейный облучатель, ориентированный вдоль оси конуса и излучающий в направлении его внутренней поверхности конический (в случае угла при вершине, равного 90° - цилиндрический) фронт волны.

Цель достигается тем, что коническая поверхность вращения, в отличие от параболической, развертывается на плоскость и более технологична. Технологические проблемы изготовления отражателя переносятся, таким образом, на проблемы изготовления линейного облучателя, существенно более простые.

Дополнительное отличие от прототипа (способа и устройства) обусловлено применением линейного облучателя и состоит в том, что отражатель расположен не в дальней зоне точечного, а в ближней зоне линейного облучателя, и, в соответствии с принципом Гюйгенса, следует говорить о фазовом фронте, формируемом облучателем, а не о его диаграмме направленности. Соответственно, амплитудное распределение в раскрыве зеркала определяется амплитудным распределением вдоль облучателя, а не его диаграммой направленности, как в случае прототипа.

Способ построения показан на Фиг.1, а соответствующее устройство - на Фиг.3. На фиг.2 показан принцип качания луча. На чертежах обозначены: 1 - отражатель, 2 - облучатель, 3 - фронт волны облучателя, 4 - вход антенны, 5 - излучающие щели, 6 - согласованная нагрузка. Буквенные обозначения: 2α - угол при вершине конуса отражателя, l - длина образующей, R - радиус раскрыва, L - длина облучателя, ϕ - угол отклонения облучателя и луча антенны, Е - вектор электрического поля. Направление излучения линейного облучателя образует угол θ относительно нормали к нему, определяемый из условия формирования плоского фронта в раскрыве:

θ=2α-90°.

Положительное направление θ показано на фиг.1а. В зависимости от угла при вершине конуса 2α>90°, 2α=90° или 2α<90° угол θ>0, θ=0 или θ<0 соответственно (фиг.1a, б, в). Длина облучателя, из условия полного использования раскрыва, равна:

L=R/Sin2α.

Наиболее перспективна конфигурация на фиг.1а (2α>90°) как имеющая больший диаметр раскрыва и меньшую габаритную глубину конуса при равной боковой поверхности отражателя. В то же время при 2α>90° длина облучателя растет с увеличением α (см. Табл.1), поэтому необходим компромисс между требованием максимизации раскрыва и ограничением на длину облучателя. Компромиссный выбор угловых размеров целесообразен в интервале, примерно, 2α=100...140°.

Табл.1
2α°	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150	180
L/R	1,155	1,064	1,015	1,0	1,015	1,064	1,155	1,305	1,556	2,0

Из табл.1 видно, что минимальная длина облучателя достигается при 2α=90°. Однако площадь раскрыва остается при этом существенно меньше боковой поверхности отражателя, а габаритная глубина конуса велика. Кроме того, в силу того, что облучатель в этом случае излучает по нормали к оси, необходимы меры по уменьшению в нем отражений, обусловленных «эффектом нормали». Поэтому данная конфигурация не может считаться оптимальной. Предпочтительнее другой критерий оптимума: максимум отношения площади раскрыва к длине облучателя (имеющий размерность длины) достигается, как нетрудно получить, при значении , 2α≈109,5°.

Облучатель при данном способе построения может питаться как со стороны вершины конуса, так и с противоположной. Выбор того или иного направления определяется, помимо конструктивных предпочтений, возможностью обеспечения требуемой величины угла θ с заданной точностью в заданной полосе частот.

На фиг.3а показан пример исполнения устройства с облучателем на основе волноводно-щелевой антенны, при его питании с ближнего конца (от вершины конуса). Раскрыв антенны круговой. На фиг.3б показан облучатель. Он имеет продольные щели на широких стенках, попеременно отнесенные от оси по разные стороны. Для обеспечения синфазности верхней и нижней половин раскрыва соответственные щели на верхней и нижней стенках отнесены от оси в противоположные стороны, а для обеспечения минимальной фазовой ошибки размер узкой стенки выбран возможно меньшим. Остаточная мощность поглощается в оконечной нагрузке 6. Угол θ определяется из соотношения:

,

где d - шаг между соседними излучателями, λ - длина волны, а - размер широкой стенки волновода. Расчетные величины d/λ приведены в Табл.2 для трех значений угла при вершине конуса и различных значений λ/2а.

Табл.2
	2α=110° (θ=20°)	2α=120° (θ=30°)	2α=130° (θ=40°)
λ/2a=0,52	d/λ=0,418	d/λ=0,369	d/λ=0,334
λ/2a=0,6	d/λ=0,438	d/λ=0,385	d/λ=0,346

На фиг.3в, г, д показаны примеры исполнения устройства при питании облучателя с дальнего конца. Раскрыв антенны полукруговой (использована одна половина конуса). На фиг.3в показана схема питания. Со входа 4 питание подается по регулярному волноводу. После его изгиба на 180° в нем возбуждаются щели, прорезанные в стенке, продольная ось которой совмещена с осью конуса. Остаточная мощность поглощается в нагрузке 6. На фиг.3г показано устройство с облучателем на основе волноводно-щелевой антенны с наклонными щелями по узкой стенке, на фиг.3д - устройство с облучателем на основе волноводной антенны «вытекающей волны». Приведенные примеры не исчерпывают возможных типов облучателя. Он может быть выполнен на основе диэлектрических, полосковых, щелевых и других типов линий и замедляющих структур, с использованием активных элементов, его поляризация может быть также эллиптической и круговой.

При качании облучателя в небольшом секторе телесных углов возможно качание луча антенны в том же секторе, как показано на фиг.2. При этом луч отклоняется в диаметрально противоположную сторону от облучателя на ту же величину угла.

Источники информации

1. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов, М., 1975.

Зеркальная антенна, содержащая отражатель в виде конической поверхности вращения или ее сектора и облучатель в виде линейной антенны, ориентированной вдоль оси конической поверхности вращения и излучающей в направлении отражателя конический фронт волны, отличающаяся тем, что облучатель выполнен в виде антенны прямой или обратной вытекающей волны с питанием соответственно со стороны дальнего или ближнего конца по отношению к вершине конической поверхности вращения.