зеркальное антенное устройство

Формула изобретения

Зеркальное антенное устройство, содержащее главное и вторичное зеркала центрированной двухзеркальной оптической системы, плоское наклонное зеркало с возможностью вращения вокруг главной оптической оси, а также облучатели, установленные в фокусах оптической системы, соответствующих фиксированным разворотам плоского наклонного зеркала, и связанные с радиопередатчиками в соответствующих радиочастотных диапазонах, отличающееся тем, что в фокусах оптической системы, образуемых дополнительными фиксированными разворотами плоского наклонного зеркала, установлены антенно-фидерные устройства, связанные с радиоприемниками в соответствующих радиочастотных диапазонах, приемники концентрированного солнечного, лазерного излучений, связанные с системой аккумулирования и преобразования электрической и тепловой энергии, приемники концентрированного солнечного, лазерного излучений с рабочим телом, связанные с солнечной тепловой ракетной двигательной установкой, лазерные передатчики, связанные с системой формирования лазерного луча, приемники электромагнитной энергии, связанные с системой преобразования и обработки сигналов с приемников в соответствующих оптических диапазонах длин волн, при этом механизм привода плоского наклонного зеркала, а также радиопередатчики, радиоприемники, солнечная тепловая ракетная двигательная установка, система аккумулирования и преобразования электрической и тепловой энергии, система формирования лазерного луча и система преобразования и обработки сигналов с приемников связаны с системой управления зеркальным антенным устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области устройств приема, передачи электромагнитной энергии на основе двухзеркальных оптических систем с использованием зеркальных отражателей параболической, гиперболической или сферической формы и может использоваться в отраслях, связанных с приемом-передачей электромагнитной энергии по беспроводным линиям связи в целях информационного обеспечения, энергообеспечения, научных исследований в радио- и оптическом диапазонах, а также решения задач движения.

Двухзеркальные оптические системы применяются при создании различных приборов и устройств, в частности: остронаправленных антенн, астрономических телескопов, высокопотенциальных концентраторов солнечной энергии, в лазерных передатчиках. Широкое распространение получила двухзеркальная система Кассегрена, главное зеркало которой - параболическое, малое - гиперболическое, в фокусе которой устанавливается обычно приемник или излучатель концентрированной электромагнитной энергии. При построении приемопередающих устройств требуется установка двух антенных устройств рассматриваемого типа, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик радиокомплекса. В двухзеркальной антенне Кассегрена (свидетельство на полезную модель 0013725, приоритет от 15.07.99, МПК Н 01 Q 19/18) предлагается устранить указанный недостаток путем построения приемопередающего устройства на основе единой двухзеркальной системы, в фокусе которой устанавливается приемное устройство, а в конструкцию контрефлектора (вторичного зеркала) добавляются вибраторы антенного излучателя.

На основе двухзеркальной системы строится, принятое за прототип, антенное устройство по патенту JP 2885169 В 29246877 А (приоритет от 14.03.96, МПК Н 01 Q 19/17). На оси отражения сигнала главным зеркалом установлено дополнительное плоское зеркало, вращающееся с помощью механизма привода вокруг оси зеркала. Достоинство данного изобретения заключается в использовании единого антенного устройства для излучения радиоволн различного диапазона радиочастот, который может легко расширяться. Это достигается использованием нескольких первичных излучателей, соответствующих различным диапазонам частот, фазовые центры которых находятся на подвижной линии реального фокуса, обусловленной поворотом плоского зеркала.

Недостаток рассмотренных выше антенных устройств заключается в их узкоцелевом назначении, а именно использовании двухзеркальной системы только для построения остронаправленных радиоантенн.

В настоящее время на основе рассматриваемых двухзеркальных систем строятся устройства приема - передачи электромагнитной энергии оптического диапазона длин волн (инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый диапазоны). К ним относятся высокопотенциальные концентраторы солнечной и лазерной энергии в составах энергоустановок и солнечных тепловых ракетных двигательных установок, лазерные передатчики, телескопические приборы наблюдений (В.А.Грилихеэс, П. П.Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. - М.: Наука, 1984; Г.М.Чернявский. А.А.Чернов. Лазерные системы в космосе. - Изд. Радио и связь, 1995; Лазерная космическая связь. / Под. ред. М.Кацмана. - Изд. Радио и связь, 1993). Конструктивно данные устройства на основе двухзеркальных оптических систем строятся раздельно. Размещение и использование в составе подвижного объекта, например космического аппарата, нескольких устройств различного типа на основе двухзеркальных оптических систем приводит к значительному ухудшению габаритных характеристик объекта.

Указанные выше недостатки могут быть устранены путем создания единой двухзеркальной оптической системы, в которой за счет установки в дополнительных фокусах двухзеркальной оптической системы, соответствующих фиксированным поворотам потока электромагнитной энергии вращающимся плоским наклонным зеркалом, приемников электромагнитной энергии радио- и оптических диапазонов частот, концентрированного солнечного и лазерного излучений, лазерных передатчиков, связанных с соответствующими системами преобразования электрической и тепловой энергии, обработки сигналов и управления режимами функционирования зеркального антенного устройства, обеспечивается возможность решения дополнительных функциональных задач: радиосвязи, энергообеспечения, научных исследований в радио- и оптическом диапазоне, а также задач движения.

Сущность изобретения поясняется схемой построения предложенного зеркального антенного устройства, представленной на чертеже. Зеркальное антенное устройство состоит из двухзеркальной оптической системы, включающей главное 1 и вторичное зеркала 2, вращающегося наклонного плоского зеркала 3 с механизмом привода 4, а также из установленных в фокусах оптической системы, соответствующих фиксированным разворотам плоского наклонного зеркала, облучателей 5, связанных с радиопередатчиками 6 в соответствующих радиочастотных диапазонах, антенно-фидерных устройств 7, связанных с радиоприемниками 8 в соответствующих радиочастотных диапазонах, приемников 9 концентрированного солнечного, лазерного излучений, связанных с системой 10 аккумулирования и преобразования электрической и тепловой энергии, приемников 11 концентрированного солнечного, лазерного излучений с рабочим телом, связанных с солнечной тепловой ракетной двигательной установкой 12, лазерных передатчиков 13, связанных с системой формирования лазерного луча 14, приемников электромагнитной энергии 15, связанных с системой преобразования и обработки сигналов 16 с приемников в соответствующих оптических диапазонах длин волн. При этом механизм привода 4 плоского наклонного зеркала 3, а также радиопередатчики 6, радиоприемники 8, солнечная тепловая ракетная двигательная установка 12, системы 10, 14 и 16 связаны с системой управления функционированием зеркального антенного устройства 17. Антенное устройство может быть установлено внутри несущей цилиндрической конструкции 18, а его угловая ориентация может быть реализована, например, приводным механизмом 19.

Функционирование рассматриваемого антенного устройства заключается в следующем. Система управления 17 ориентирует зеркальное антенное устройство в направление на выбранный объект. Внешнее электромагнитное излучение, поступающее на главное зеркало 1 от объекта, фокусируется на вторичное зеркало 2, отражающее поток электромагнитной энергии на наклонное плоское зеркало 3, которое по командам системы управления 17 предварительно повернуто приводным механизмом 4 относительно главной оптической оси двухзеркальной системы Кассегрена в фиксированное положение, обеспечивающее поступление отраженного от наклонного плоского зеркала 3 потока энергии на один из выбранных приемников электромагнитного излучения 7, 9, 11 или 15, которые располагаются в фокусах оптической системы. Вращением наклонного плоского зеркала 3, управляемого системой 17, достигается изменение положения фокуса оптической системы в плоскости ортогональной главной оптической оси и соответственно выбор антенно-фидерных устройств 7, приемников 9, 11, 15, или облучателей электромагнитной энергии 5, лазерных передатчиков 13. Сигналы, электрическая и тепловая энергия с выбранного антенно-фидерного устройства 7 или приемника 9, 11, 15 поступают соответственно в радиоприемники 8, в систему 10, в солнечную тепловую ракетную двигательную установку 12 или в систему 16. Ход лучей от выбранного облучателя 5 или лазерного передатчика 13, связанных соответственно со своим радиопередатчиком 6 или со своей системой формирования лазерного луча 14, происходит в противоположном направлении аналогично ходу лучей, поступающих на выбранный приемник излучения.

В качестве антенно-фидерных устройств, приемников, облучателей и лазерных передатчиков возможно использование:

- волноводов и облучателей, например, рупоров или вибраторов, возбуждаемых волноводом, при реализации предлагаемым устройством функции остронаправленной радиоантенны;

- лазерных передатчиков, например твердотельных, с реализацией двухзеркальной оптической системой функции телескопа для формирования оптического луча с малой расходимостью;

- фотоэлектронных, термоэмиссионных или термоэлектронных преобразователей концентрированного солнечного излучения в электрическую для реализации предлагаемым антенным устройством функции солнечной энергоустановки с использованием двухзеркальной оптической системы в качестве высокопотенциального концентратора солнечной энергии;

- фотоприемников, т.ч. многоэлементных, инфракрасного, оптического и ультрафиолетового диапазонов для реализации предлагаемым устройством функции телескопического устройства при решении задач наблюдений, астрофизических исследований, оптических локационных исследований; приемников концентрированного солнечного, лазерного излучений для высокотемпературного нагрева рабочего тела при реализации зеркальным антенным устройством функции солнечной тепловой ракетной двигательной установки.

Состав функциональных задач, решаемых устройством, определяется составом приемников и излучателей, формируемым на стадии изготовления устройства.

Конструкция зеркального антенного устройства, геометрические параметры оптической системы и точность их реализации, включая уровни погрешностей отражающей поверхности зеркал при различных рабочих температурных режимах, определяются исходя из наиболее жестких требований, предъявляемых при реализации отдельных режимов функционирования. В частности, неровности поверхности главного зеркала должны быть менее 10^-4 мм при реализации режимов телескопических наблюдений.

Использование единой зеркальной оптической системы и набора в фокальном узле облучателей, передатчиков, антенно-фидерных устройств и приемников электромагнитной энергии в различных радио- и оптических диапазонах частот позволяет расширить функциональные возможности и одновременно улучшить габаритные и компоновочные характеристики антенной системы, реализующей задачи радиообеспечения, энергоснабжения, научных исследований радио- и оптическими методами и задач движения. Так построение подобной зеркальной системы с апертурой ~2 м позволит по оценкам в 2-3 раза улучшить габаритные и компоновочные характеристики по сравнению с раздельным построением и компоновкой остронаправленной антенны радиосвязи, солнечной батареи концентраторного типа, телескопа и лазерного передатчика с близкими геометрическими параметрами зеркальных систем. Использование многофункциональных зеркальных антенных устройств целесообразно, например, на космических аппаратах, предназначенных, в частности, для проведения исследований в дальнем космосе.