Дзеркальна антена з круговою діаграмою спрямованості

Дзеркальна антена з круговою діаграмою спрямованості, що має головне дзеркало як тіло обертання з параболічною твірною поверхні, допоміжне дзеркало та опромінювальний вузол, яка відрізняється тим, що фокус параболічної твірної головного дзеркала зміщений відносно осі симетрії антени, а допоміжне дзеркало має еліптичну твірну поверхню з фокальною довжиною Винахід відноситься до радіотехніки, зокрема до антенної техніки надвисокочастотного діапазону і може бути використаний в системі радіо та телебачення, а також в інших радіотехнічних комплексах. На сьогодні в різних радіотехнічних системах широко використовується антенне обладнання з неспрямованим (круговим) випромінюванням в азимутальній площині. Таким зразком можуть бути передавальні телевізійні антени метрового і дециметрового діапазонів довжин хвиль, виконаних на турнікетних випромінювачах різних модифікацій, випромінювачі навігаційних радіосистем, антени радіомаяків та ін. На високих частотах кругове випромінювання в азимутальній площині досягається за рахунок використання хвилеподібно-щілинних або біконічних антен. Основним недоліком перелічених типів антенного обладнання з круговим випромінюванням є низький коефіцієнт підсилення. Задача підвищення властивостей спрямування антен з кру говою діаграмою спрямованості може бути вирішена на основі використання дзеркальних антен (див.: Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. - М.: Связь, 1977). Створення кругової в горизонтальній площині та вузької у вертикальній площині діаграми спрямованості можливе також шляхом встановлення декількох антен по колу з загальною запиткою опромінювачів, тобто є достатньо складним, громіздким з конструктивної точки зору (див. заявку Японії № 63-209303). Найбільш близькою за технічною суттю до запропонованої є антена, що відома за заявкою Японії № 63-209304, яку доцільно взяти за прототип. Антена-прототип має головне дзеркало у вигляді тіла обертання з параболічною твірною поверхні; допоміжне дзеркало та опромінювальний вузол. Один із фокусів допоміжного дзеркала, виконаного у вигляді гіперболоїда обертання, збігається з фазовим центром опромінення, другий фокус (головного дзеркала) збігається з фокусом fe = φ φ L × tgφe (ctg 0 - tg e ) 2 2 2 та ексцентриситетом e= L φ L + 2 f e × tg e × cos φe 2 де j - кут нахилу великої осі еліпса до фокальe ної осі параболічної твірної головного дзеркала; j - кут поміж фокальною віссю та відрізком пря (19) UA (11) 36051 (13) C2 0 мої з фокуса на край головного дзеркала; L- відстань, на яку зміщено фокус параболічної твірної головного дзеркала відносно осі симетрії антени, причому один фокус еліпса суміщений з фазовим центром опромінювального вузла, а другий його фокус – з фокусом параболічної твірної. 3 параболічної кривої, причому обидва фокуси гіперболоїда лежать на осі симетрії антени, а профілі вказаних дзеркал отримані обертанням гіперболічної та параболічної твірних відносно цієї осі. Недоліком зазначеного технічного рішення є великі розміри антени, які значно перевищують опромінювальний розкрив і, як наслідок, наявні велика маса, велика витрата матеріалу, необхідного для її виготовлення, та ускладнення технології виготовлення при умові збереження заданого коефіцієнту підсилення. Задачею, поставленою в основу даного винаходу, є зменшення габаритів антени та її маси, а також спрощення технології її виготовлення при збереженні заданого коефіцієнту підсилення. Поставлена задача вирішується тим, що у дзеркальній антені з круговою діаграмою спрямованості, яка має головне дзеркало у вигляді тіла обертання з параболічною твірною поверхні, допоміжне дзеркало та опромінювальний вузол, згідно з винаходом, фокус параболічної твірної головного дзеркала зміщено відносно осі симетрії антени, а допоміжне дзеркало має еліптичну твірну поверхню з фокальною довжиною: fe = φ φ L × tgφe ( ctg 0 - tg e ) 2 2 2 та ексцентриситетом: e= L φ L + 2 f e × tg e × cos φe 2 причому один фокус еліпса суміщений з фазовим центром опромінювального пристрою, а другий його фокус - з фокусом параболічної твірної, де: je - кут нахилу великої осі еліпса до фокальної осі параболічної твірної головного дзеркала; j0 - кут між фокальною віссю та відрізком прямої з фокуса на край головного дзеркала; L - відстань, на яку зміщено фокус параболічної твірної головного дзеркала відносно осі симетрії антени. На фіг. 1 зображений загальний вигляд запропонованої дзеркальної антени з круговою діаграмою спрямованості; на фіг. 2 зображена схема побудови антени; на фіг. 3 та 4 наведена експериментальна діаграма спрямованості антени згідно з даним винаходом у горизонтальній та вертикальній площинах. Дзеркальна антена з круговою діаграмою спрямованості зображена на фіг. 1. Вона має головне дзеркало у вигляді тіла обертання з параболічною твірною поверхні 1, допоміжне дзеркало з еліптичною твірною 2, опромінювальний пристрій 3, живильний хвилевід 4, тяги 5 та стояк кріплення антени 6. Схема побудови антени зображена на фіг. 2. Параболічна твірна 7 головного дзеркала 1 має вершину в точці 0, зміщеної відносно осі симетрії АА1 на відстань L. Рівняння для твірної 7 можна записати у вигляді: X2=4F Z (1) де: F - фокусна відстань (від точки F1 до точки 0), Х та Z - осі координат. Еліптична твірна 8 допоміжного дзеркала 2 розміщена з суміщенням одного її фокуса з фокусом 36051 4 F1, а другого її фокуса - з фазовим центром F2 опромінювального пристрою 3. Профіль еліптичної твірної 8 може бути обчислений за формулою: ρ= f e (1 + e ) 1 + cos( φ + φ e ) (2) де: r та j - полярні координати з центром у фокусі F1 параболи 7, кут j відраховується від її фокальної осі OZ, fe - фокальна довжина, що визначена конструкцією антени: fe = φ φ L × tgφe ( ctg 0 - tg e ) 2 2 2 (3) де: je - кут нахилу великої осі еліпса до фокальної осі OZ параболічної твірної головного дзеркала 1; j0 - кут між фокальною віссю OZ та відрізком прямої з фокуса F1 на край головного дзеркала 1; е эксцентриситет еліптичної твірної: e= L φ L + 2 f e × tg e × cos φe 2 (4) Поверхні обох дзеркал: головного 1 та допоміжного 2 створені обертанням параболічної 7 та еліптичної 8 твірних навколо осі АА1, яка проходить через фазовий центр F2 опромінювального пристрою 3 та перпендикулярної фокальної осі OZ. Запропонована антена працює таким чином. Пряма, що виходить з фазового центра (точка F2) опромінювального вузла 3, досягає поверхні допоміжного дзеркала 2, відбивається у точці С, проходить через суміщений фокус F1 параболічної 7 та еліптичної 8 твірних та відбивається від поверхні головного дзеркала 1 у точці К у напрямку площини ВВ1. Оскільки твірна головного дзеркала 1 є параболою, на яку падає пряма вихідна з точки фокуса F1, то відбита від неї пряма КЕ буде, у відповідності з основною властивістю параболи, паралельна фокальній осі OZ, а довжина шляху, яку проходить будь-яка пряма від точки F2 до площини розкриву ВВ1, є постійною, тобто для будь-якої прямої: F2C+CK+KE=const (5) Тому, на основі цієї властивості у площині ZOX буде сформована наступна діаграма спрямованості: вузька, як у звичайній параболічній антені, ширина якої буде залежати від розміру R еквівалентного розкриву. У площині, перпендикулярній осі АА1, яка проходить через фокальну вісь OZ, буде сформована кругова діаграма спрямованості, оскільки фокуси F1 головного дзеркала 1 лежать на колі радіусу: R0=F–L (6) де: F - величина фокусної відстані параболи, L величина зміщення її твірної, розташованої у фокальній площині головного дзеркала і яка є тілом обертання зі вказаною параболічною твірною. Таким чином, дана конструкція антени при використанні окремого опромінювального вузла дозволяє сформувати кругову діаграму у горизонтальній площині та високі спрямовані властивості у вертикальній площині. Як видно з формул (2), (3), (4), параметри еліптичної твірної допоміжного дзеркала залежать 5 тільки від величини зміщення L фокуса параболічної твірної та кута j0 при заданому діаметрі D головного дзеркала 1 та розмірі розкриву R. Тобто для будь-яких необхідних D та R можна так підібрати параметри L та j0, щоб реалізувати антену з вказаними вище діаграмами спрямованості, причому на відміну від прототипу обмежень на співвідношення D та R не накладається. Для перевірки застосовуваності запропонованого технічного рішення була виготовлена дзеркальна антена з круговою діаграмою спрямованості з наступними параметрами: D=946 мм, R=366 мм, F=108,6 мм, L=97,6 мм, jе=19,4°, j0=133°. Діаграми спрямованості цієї антени у горизонтальній та вертикальній площинах на частоті 11,7 ГГц наведені на фіг. 3 та 4. Як опромінювальний пристрій 3 був використаний рупоргіперболічний контррефлектор. Загальний вертикальний розмір антени Н=570 мм, а її об'єм: V = πD 2 × H = 4,0 × 10 8 мм 3 4 Якби антена з круговою діаграмою спрямованості будувалася у відповідності з прототипом, то на основі формул (7), (8), (9), що визначають геометричні розміри антени-прототипу, Фіг. 1 36051 6 H 2 = 4F ( F + D ) 2 (7) D H2 = -F 2 4F (8) R = H - 2F (9) де Н- вертикальний розмір антени; D – діаметр головного дзеркала; R - еквівалентний розкрив антени; F - величина фокусної відстані параболи, то при виборі аналогічної величини F=108,6 мм та Н=570 мм, її розміри дорівнювали б D=1495,9 мм та R=352 мм, а об'єм такої антени дорівнював би V=10x108 м3 (більш, ніж у два рази). Таким чином, технічне рішення згідно з винаходом дозволяє реалізувати при тих же розмірах розкриву значно менші габарити антени порівняно з прототипом. Наявність у конструкції запропонованої антени суттєвих ознак, відмінних від прототипу, тобто еліптичної твірної допоміжного дзеркала та зміщення фокуса параболічної твірної відносно осі симетрії антени на заданій відстані L, дозволяє, порівняно з прототипом, отримати новий позитивний ефект, а саме зменшення габаритів антени та її маси а також, як наслідок, спрощення та здешевлення технології її виготовлення при заданому коефіцієнті підсилення. Фіг. 2 7 36051 8 Фіг. 3 Фіг. 4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул. Сім’ї Хохлових, 15, м. Київ, 04119, Україна (044) 456 – 20 – 90 ТОВ “Міжнародний науковий комітет” вул. Артема, 77, м. Київ, 04050, Україна (044) 216 – 32 – 71