Двухзеркальная антенна с механическим сканированием

Авторы патента:

Полезная модель относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов, в частности - к конструкциям двухзеркальных антенн с механическим широкоугольным сканированием луча, и может быть использовано в системах связи. Двухзеркальная антенна с механическим сканированием содержит систему перископических плоских поворотных зеркал. В волноводный тракт облучателя, выполненного в виде конического рупора, введен поляризатор, на котором установлены первый кронштейн с первым электродвигателем и второй кронштейн со вторым электродвигателем. На валу первого электродвигателя расположено первое зубчатое колесо, находящееся в зацеплении со вторым зубчатым колесом, жестко связанным с поворотной рамой. На валу второго электродвигателя расположено третье зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с четвертым зубчатым колесом, жестко связанным с пятым зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с шестым зубчатым колесом, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса. Шестое зубчатое колесо связано и соосно с валом, на котором закреплено второе зеркало, а первое зеркало закреплено на поворотной раме. Размеры зеркал и расстояние между ними выбраны минимальными с учетом перехвата энергии главного лепестка диаграммы направленности облучателя и отсутствия затенения, а именно поперечный размер первого зеркала D₁ и поперечный размер второго зеркала D₂ связаны с расстоянием от центра раскрыва облучателя до центра первого зеркала L₁, расстоянием от центра первого зеркала до центра второго зеркала L₂ и шириной главного лепестка 2_0,5р диаграммы направленности облучателя по уровню половинной мощности соотношениями

при этом

В раскрыве облучателя может быть установлена диэлектрическая линза. В антенне второе зеркало может быть установлено в пазу шестого зубчатого колеса. Техническим результатом является создание малогабаритной, легкой, простой в изготовлении и сборке конструкции, обеспечивающей механическое сканирования луча в пределах полусферы и работу на волнах с круговой поляризацией поля. 2 з.п. ф-лы, 4 фиг.

Известны различные конструкции антенн с механическим сканированием луча, содержащих одно или два зеркала. В частности, известна антенна с коническим сканированием диаграммы направленности (Патент RU 2236727 С1, МПК 7 H01Q 3/10, H01Q 3/18, H01Q 15/23. опубл. 20.09.2004 г.), содержащая параболическое зеркало, облучатель в виде рупора и фазосдвигающее устройство из радиопрозрачного диэлектрического материала, установленное между облучателем и параболическим зеркалом и выполненное в виде обращенной вогнутой стороной к облучателю полусферы, которая состоит, по крайней мере, из пяти рабочих секций разной толщины и двух нерабочих секций, образующих основание полусферы и скрепленных с цилиндрическим опорным элементом, который вместе с полусферой приводится во вращательное движение вокруг оси облучателя с помощью мотора с редуктором. Секции соединены между собой боковыми гранями, образованными рассечением полусферы меридиональными плоскостями, проходящими под заданными углами к оси облучателя, а их толщины определяются расчетным путем по прилагаемой формуле. Во втором варианте изобретения рабочая диэлектрическая секция с наименьшей толщиной заменена тонкой радиопрозрачной влаго- и пылезащитной пленкой.

Такая антенна обладает рядом недостатков.

1) Конструкция не позволяет обеспечить сканирование луча в пределах полусферы.

2) Наличие затенения параболического зеркала облучателем и фазосдвигающим устройством приводит к снижению коэффициента усиления антенны и повышению уровня боковых лепестков ее диаграммы направленности.

Известно антенное устройство с линейной поляризацией (Патент RU 2282287 С1, МПК H01Q 3/20, опубл. 20.08.2006.), содержащее двухосный карданов подвес, внутренняя и наружная рамки которого механически с помощью жестких тяг и шарниров соединены с параболическим зеркалом, имеющим возможность вращения относительно центра излучения неподвижного многоканального облучателя, жестко закрепленного на основании антенного устройства, два электродвигателя вращения соответствующих рамок карданова подвеса, малое гиперболическое решетчатое зеркало, установленное с помощью котировочных механизмов и неподвижных волноводов на основании антенного устройства. Дальний по отношению к параболическому зеркалу фокус малого гиперболического решетчатого зеркала совпадает с фокусом параболического зеркала, а в другом его фокусе размещен центр излучения неподвижного многоканального облучателя прямого облучения основного диапазона с линейной поляризацией. Такое антенное устройство также обладает рядом недостатков.

1) Сложность конструкции, обусловленная применением зеркал сложной формы. Высокие требования к взаимному расположению зеркал и облучателя.

2) Конструкция не обеспечивает сканирование луча в пределах полусферы.

3) Антенное устройство обеспечивает работу на волнах только с линейной поляризацией поля.

4) Наличие затенения параболического зеркала малым гиперболическим зеркалом приводит к снижению коэффициента усиления антенного устройства и повышению уровня боковых лепестков его диаграммы направленности.

Известны различные конструкции антенн, обеспечивающих работу на волнах с круговой поляризацией поля. В частности, известен двухдиапазонный облучатель с круговой поляризацией поля (Патент RU 2310955 С2, МПК H01Q 13/02, опубл. 20.11.2007), содержащий последовательно соединенные рупор, первую секцию круглого волновода низкочастотного диапазона с поляризатором, прямоугольный волновод, размещенный перпендикулярно к оси первой секции круглого волновода и связанный с его внутренней областью посредством продольной щели, вторую секцию круглого волновода высокочастотного диапазона с поляризатором и питающим прямоугольным волноводом, причем первая и вторая секции круглого волновода соединены последовательно посредством плавного перехода, а питающий прямоугольный волновод соединен соосно со второй секцией круглого волновода посредством плавного перехода.

Недостатком двухдиапазонного облучателя с круговой поляризацией поля является то, что он не обеспечивает сканирование луча в пределах полусферы.

Наиболее близким к настоящей полезной модели является устройство для ориентации антенны по азимуту и углу места (Патент RU 2020666 С1, МПК H01Q 3/08, опубл. 30.09.1994) содержащее платформу, установленную с возможностью поворота вокруг угломестной оси на азимутальном валу, привод вращения азимутального вала с электродвигателем, устанавливаемым на неподвижном основании, коммуникационную трубу с системой перископических поворотных зеркал на торце, каретку, установленную на коммуникационной трубе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанную реечно-зубчатыми передачами с электродвигателем привода наведения по углу места, устанавливаемым на неподвижном основании, и платформой.

Такое устройство для ориентации антенны обладает рядом недостатков.

1) Сложность конструкции, обусловленная применением двух независимых приводов вращения по двум координатам, реечно-зубчатой передачи, каретки.

2) Большие габариты и масса устройства, связанные с применением сложной механической системы с большим количеством зубчатых колес, реечно-зубчатой передачи и неоптимальным выбором размеров зеркал и расстояний между ними.

3) Отсутствие элементов, позволяющих обеспечить работу на волнах с круговой поляризацией поля.

Технической задачей при разработке настоящей полезной модели является создание простой в изготовлении и сборке конструкции с малыми габаритами и массой при обеспечении механического сканирования луча в пределах полусферы и работы на волнах с круговой поляризацией поля.

Технический результат достигается применением в конструкции двух плоских зеркал, вращение которых обеспечивает сканирование в пределах полусферы, а размеры зеркал и расстояние между зеркалами выбраны минимальными с учетом полного перехвата энергии главного лепестка диаграммы направленности облучателя и отсутствия затенения, а также введением поляризатора и выполнением облучателя в виде конического рупора, что обеспечивает работу на волнах с круговой поляризацией поля.

Поставленная задача достигается тем, что в двухзеркальной антенне с механическим сканированием, содержащей систему перископических плоских поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, согласно полезной модели с целью минимизация массы и габаритов устройства при обеспечении механического сканирования луча в пределах полусферы и работы на волнах с круговой поляризацией поля для преобразования в режиме передачи электромагнитной волны с линейной поляризацией поля в волну с круговой поляризацией поля в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен со входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора, а на поляризаторе жестко установлены первый кронштейн, на котором закреплен первый электродвигатель, и второй кронштейн, на котором закреплен второй электродвигатель, причем первое зубчатое колесо расположено на валу первого электродвигателя и в зацеплении со вторым зубчатым колесом, жестко связанным с поворотной рамой, а ось второго зубчатого колеса совпадает с осью поляризатора, третье зубчатое колесо расположено на валу второго электродвигателя и в зацеплении с четвертым зубчатым колесом, жестко связанным с пятым зубчатым колесом, причем оси четвертого и пятого зубчатых колес совпадают с осью поляризатора, а пятое зубчатое колесо расположено в зацеплении с шестым зубчатым колесом, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса, причем шестое зубчатое колесо жестко связано и соосно с валом, который консольно установлен на поворотной раме с возможностью свободного вращения, причем на валу жестко закреплено второе зеркало, а на поворотной раме жестко закреплено первое зеркало так, что через его центр проходят ось облучателя и ось вала, причем поперечный размер первого зеркала D₁ и поперечный размер второго зеркала D₂ связаны с расстоянием от центра раскрыва облучателя до центра первого зеркала L₁, расстоянием от центра первого зеркала до центра второго зеркала L₂, размером раскрыва облучателя D_p и шириной главного лепестка 2_0,5р диаграммы направленности облучателя по уровню половинной мощности соотношениями

при этом

В частном случае в раскрыве облучателя может быть установлена диэлектрическая линза.

В частном случае второе зеркало может быть установлено в пазу шестого зубчатого колеса.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена предлагаемая двухзеркальная антенна с механическим сканированием; на фиг.2 показана схема взаимного расположения облучателя и зеркал; на фиг.3 представлена экспериментальная диаграмма направленности изготовленного образца двухзеркальной антенны с механическим сканированием, измеренная в вертикальной плоскости при неотклоненном луче; на фиг.4 представлена экспериментальная диаграмма направленности изготовленного образца двухзеркальной антенны с механическим сканированием, измеренная в вертикальной плоскости при отклоненном на 90° луче.

На фиг.1 и фиг.2 обозначено: 1 - поворотная рама; 2 - первое зубчатое колесо; 3 - второе зубчатое колесо; 4 - первый электродвигатель; 5 - первый кронштейн; 6 - вход антенны; 7 - прямоугольный волновод; 8 - поляризатор; 9 - второй кронштейн; 10 - второй электродвигатель; 11 - третье зубчатое колесо; 12 - четвертое зубчатое колесо; 13 - пятое зубчатое колесо; 14 - облучатель; 15 - шестое зубчатое колесо; 16 - вал; 17 - первое зеркало; 18 - второе зеркало; 19 - диэлектрическая линза; 20 - ось облучателя, 21 - паз шестого зубчатого колеса.

Прямоугольный волновод 7 со входом антенны 6 жестко соединен со входом поляризатора 8. Выход поляризатора 8 жестко соединен со входом облучателя 14, ось 20 которого совпадает с осью поляризатора 8. На поляризаторе 8 жестко установлены первый кронштейн 5, на котором закреплен первый электродвигатель 4, и второй кронштейн 9, на котором закреплен второй электродвигатель 10. Первое зубчатое колесо 2 расположено на валу первого электродвигателя 4 и в зацеплении со вторым зубчатым колесом 3, жестко связанным с поворотной рамой 1. Ось второго зубчатого колеса 3 совпадает с осью поляризатора 8. Третье зубчатое колесо 11 расположено на валу второго электродвигателя 10 и в зацеплении с четвертым зубчатым колесом 12, жестко связанным с пятым зубчатым колесом 13. Оси четвертого 12 и пятого 13 зубчатых колес совпадают с осью поляризатора 8. Пятое зубчатое колесо 13 расположено в зацеплении с шестым зубчатым колесом 15, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса 13. Шестое зубчатое колесо 15 жестко связано и соосно с валом 16, который консольно установлен на поворотной раме 1 с возможностью свободного вращения. На валу 16 жестко закреплено второе зеркало 18 под углом 45° к продольной оси вала 16. На поворотной раме 1 жестко закреплено первое зеркало 17 так, что через его центр проходят ось 20 облучателя и ось вала 16, а плоскость первого зеркала 17 составляет угол 45° с осью 20 облучателя и с осью вала 16.

Первое зеркало 17 и второе зеркало 18 выполнены плоскими, что позволяет снизить требования к точности их взаимного расположения и положения облучателя 14.

Облучатель 14 выполнен в виде конического рупора, что позволяет обеспечить работу на волнах с круговой поляризацией поля. В частном случае в раскрыве облучателя 14 может быть установлена диэлектрическая линза 19, обеспечивающая устранение фазовых погрешностей в раскрыве облучателя 14, что позволяет повысить коэффициент усиления двухзеркальной антенны с механическим сканированием.

Поперечный размер первого зеркала 17 D₁ выбран из условия полного перехвата энергии главного лепестка диаграммы направленности облучателя 14 первым зеркалом 17

где L₁ - расстояние от центра раскрыва облучателя 14 до центра первого зеркала 17, 2_0,5р - ширина главного лепестка диаграммы направленности облучателя 14 по уровню половинной мощности, D_p - размер раскрыва облучателя 14.

Поперечный размер второго зеркала 18 D₂ с целью обеспечения полного перехвата энергии главного лепестка диаграммы направленности облучателя 14, отраженного первым зеркалом 17, выбирается из условия

где L₂ - расстояние от центра первого зеркала 17 до центра второго зеркала 18, выбираемое из условия отсутствие затенения второго зеркала 18 первым зеркалом 17

С целью уменьшения габаритных размеров двухзеркальной антенны с механическим сканированием может быть минимизирована длина вала 16, для чего второе зеркало 18 может быть установлено в пазу 21 шестого зубчатого колеса 15.

Устройство работает следующим образом.

Волна с линейной поляризацией поля типа Н₁₀ поступает на вход антенны 6 и через прямоугольный волновод 7 на вход поляризатора 8, где происходит преобразование волны с линейной поляризацией поля в волну с круговой поляризацией поля. С выхода поляризатора 8 волна с круговой поляризацией поля подается на вход облучателя 14 и далее излучается раскрывом облучателя 14. Излученная облучателем 14 волна падает на первое зеркало 17, отражается им в сторону второго зеркала 18 и после отражения от второго зеркала 18 излучается в свободное пространство.

Направление максимума излучения электромагнитных волн определяется положением первого 17 и второго 18 зеркал. С помощью первого электродвигателя 4 приводится во вращение первое зубчатое колесо 2, которое приводит в движение второе зубчатое колесо 3, жестко связанное с поворотной рамой 1. Вращение поворотной рамы 1 вызывает поворот первого 17 и второго 18 зеркал, что обеспечивает сканирование луча антенны в горизонтальной плоскости в пределах сектора 0360°.

С помощью второго электродвигателя 10 приводится во вращение третье зубчатое колесо 11, которое приводит в движение четвертое зубчатое колесо 12, жестко связанное с пятым зубчатым колесом 13. Пятое зубчатое колесо 13 приводит в движение шестое зубчатое колесо 15, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса 13. Вращение шестого зубчатого колеса 15 и жестко связанного с ним вала 16 приводит к повороту второго зеркала 18, жестко закрепленного на валу 16, что обеспечивает сканирование луча антенны в вертикальной плоскости в пределах сектора ±90°, где угол отсчитывается от оси 20 конического рупора 14.

При вращении поворотной рамы 1 в горизонтальной плоскости сохранение углового положения луча в вертикальной плоскости обеспечивается при синхронном вращении с поворотной рамой 1 пятого зубчатого колеса 13, за счет чего остаются неподвижными относительно поворотной рамы 1 шестое зубчатое колесо 15 и второе зеркало 18. Это достигается при синхронном вращении второго 3 и четвертого 12 зубчатых колес, что может быть обеспечено, например, при одинаковой угловой скорости вращения валов первого 4 и второго 10 электродвигателей и равенстве чисел зубьев первого 2 и третьего 11 зубчатых колес, а также второго 3 и четвертого 12 зубчатых колес соответственно.

Минимизация массы устройства обеспечивается изготовлением поворотной рамы 1, а также второго 3, четвертого 12, пятого 13 и шестого 15 зубчатых колес из легкого материала, например пенопласта.

Предложенная конструкция двухзеркальной антенны с механическим сканированием может применяться при изготовлении антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. В частности, такая конструкция может быть применена в качестве связной антенны беспилотного летательного аппарата. Изготовленный образец двухзеркальной антенны с механическим сканированием V-диапазона волн имеет следующие электрические характеристики: уровень боковых лепестков диаграммы направленности не превышает - 15 дБ при неотклоненном луче и - 10 дБ при отклоненном луче на 90° в вертикальной плоскости.

1. Двухзеркальная антенна с механическим сканированием, содержащая систему перископических плоских поворотных зеркал, где первое зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в горизонтальной плоскости, а второе зеркало расположено под углом 45° к оси вращения в вертикальной плоскости, привод вращения зеркал в горизонтальной плоскости с электродвигателем, привод вращения зеркал в вертикальной плоскости с электродвигателем, отличающаяся тем, что в волноводный тракт облучателя введен поляризатор, выход которого жестко соединен со входом облучателя, выполненного в виде конического рупора, ось которого совпадает с осью поляризатора, а на поляризаторе жестко установлены первый кронштейн, на котором закреплен первый электродвигатель, и второй кронштейн, на котором закреплен второй электродвигатель, причем первое зубчатое колесо расположено на валу первого электродвигателя и в зацеплении со вторым зубчатым колесом, жестко связанным с поворотной рамой, а ось второго зубчатого колеса совпадает с осью поляризатора, третье зубчатое колесо расположено на валу второго электродвигателя и в зацеплении с четвертым зубчатым колесом, жестко связанным с пятым зубчатым колесом, причем оси четвертого и пятого зубчатых колес совпадают с осью поляризатора, а пятое зубчатое колесо расположено в зацеплении с шестым зубчатым колесом, ось которого перпендикулярна оси пятого зубчатого колеса, причем шестое зубчатое колесо жестко связано и соосно с валом, который консольно установлен на поворотной раме с возможностью свободного вращения, причем на валу жестко закреплено второе зеркало, а на поворотной раме жестко закреплено первое зеркало так, что через его центр проходят ось облучателя и ось вала, причем поперечный размер первого зеркала D₁ и поперечный размер второго зеркала D₂ связаны с расстоянием от центра раскрыва облучателя до центра первого зеркала L₁, расстоянием от центра первого зеркала до центра второго зеркала L₂, размером раскрыва облучателя D_p и шириной главного лепестка 2_0,5р диаграммы направленности облучателя по уровню половинной мощности соотношениями

при этом

2. Двухзеркальная антенна с механическим сканированием по п.1, отличающаяся тем, что в раскрыве облучателя установлена диэлектрическая линза.

3. Двухзеркальная антенна с механическим сканированием по п.1 или 2, отличающаяся тем, что второе зеркало установлено в пазу шестого зубчатого колеса.