высокоэффективная экономичная антенна для использования в интерактивных спутниковых терминалах

Формула изобретения

1. Антенная система интерактивного спутникового терминала, содержащая антенну, с которой связан рупорный облучатель, отличающаяся тем, что она содержит эллиптический параболический главный рефлектор (1) и гофрированный рупорный облучатель (2), имеющий внешнюю эллиптическую апертуру, и внутренний цилиндрический волновод с внутренней секцией (7) и ступенчатой секцией (8), причем в ступенчатой секции (8) добавлены резонаторные элементы (10) для компенсации составляющих на кросс-поляризации.

2. Антенная система интерактивного спутникового терминала по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые резонаторные элементы образованы по меньшей мере одной продольной щелью (10), проходящей во внутреннюю секцию (7) цилиндрического волновода и открытой в ступенчатую секцию (8) на оси у или оси х.

3. Антенная система интерактивного спутникового терминала по п.2, отличающаяся тем, что скомпенсированный рупорный облучатель (2) содержит в своей внутренней секции (7) цилиндрического волновода три щели (10), одна из которых расположена на оси у или на оси х, а две другие щели выполнены под углами +/-45° к упомянутой центральной щели.

4. Антенная система интерактивного спутникового терминала по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что для настройки плоскости поляризации антенны вся антенная система выполнена с возможностью поворота относительно ее механической или электрической оси как единое целое.

5. Антенная система интерактивного спутникового терминала по п.4, отличающаяся тем, что поворот всей антенной системы как единого целого выполняется с помощью поворотного основания (4), посредством которого антенная система имеет возможность настройки для достижения точного совмещения азимутальной плоскости с орбитальной дугой.

6. Антенная система интерактивного спутникового терминала по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она может содержать второй облучатель (5), установленный в поперечном направлении относительно скомпенсированного облучателя (2) для осуществления приема от другого соседнего спутника.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к антенне, с которой связан рупорный облучатель, оптимизированной для использования в интерактивных спутниковых терминалах.

Для успешного развертывания больших интерактивных сетей, связанных с десятками тысяч индивидуальных интерактивных пользовательских терминалов, каждый из которых содержит аппаратуру, размещаемую внутри помещения, и связанную с ней внешнюю аппаратуру (т.е. антенну и приемопередающие электронные схемы), существенным фактором является коммерческая доступность экономичных и эффективных приемопередающих спутниковых антенн. Хорошо известно, что антенна образует один из принципиально важных компонентов таких терминалов. В настоящее время общепризнанным является мнение, что высокоэффективные передающие антенны не могут быть созданы с приемлемо низкими затратами.

Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной антенной системы, которая должна удовлетворять действующим нормам и рабочим характеристикам и при этом иметь возможность изготовления с приемлемо низкими затратами.

Для достижения этого результата антенна спутникового интерактивного терминала, соответствующая настоящему изобретению, характеризуется тем, что содержит эллиптическую антенну и гофрированный рупорный облучатель, имеющий внешнюю эллиптическую апертуру и внутреннюю секцию цилиндрического волновода со ступенькой на нем (ступенчатую секцию), при этом в ступенчатую секцию дополнительно введены резонаторные элементы для компенсации составляющей поля на кросс-поляризации. Кроме того, необходимо реализовать некоторые существенные признаки конструктивного характера для повышения эффективности оптимизации.

Изобретение, а также его задачи, признаки, детальные особенности и преимущества поясняются более подробно в последующем детальном описании со ссылками на чертежи, которые иллюстрируют изобретение и на которых показано следующее:

Фиг.1-3 - виды сбоку, спереди и сзади антенного устройства с эллиптическим скомпенсированным облучателем, выполненного согласно изобретению;

Фиг.4 - схематичное представление эллиптического рупорного облучателя, соответствующего изобретению, в трех видах, обозначенных как А, В и С;

Фиг.5 и 6 - схематичное представление предпочтительного варианта осуществления рупорного облучателя, соответствующего изобретению, включающего в себя резонаторные элементы, предусматриваемые согласно изобретению;

Фиг.7 - карта с контурами углов поворота, используемая для настройки плоскости поляризации антенны.

Схематичное представление антенны интерактивного многоспутникового терминала, соответствующей изобретению, представлено на фиг.1, 2 и 3. Терминал содержит со существу эллиптический основной входной рефлектор 1, скомпенсированный рупорный облучатель 2, установленный на кронштейне 3 облучателя, прикрепленном к нижней периферийной части рефлектора 1, поворотное основание 4, на котором закреплен основной рефлектор 1, а также, в качестве дополнительной возможности, второй облучатель 5, закрепленный на кронштейне 3 облучателя рядом со скомпенсированным облучателем 2, для осуществления приема от другого соседнего спутника. Эллиптический рефлектор 1 может представлять собой коммерчески доступный рефлектор.

При выборе эллиптической конфигурации будет обеспечиваться высокая степень развязки между спутниками, а также облегчается реализация многоспутникового режима работы. Однако геометрия входного рефлектора, ввиду его короткого фокусного расстояния, имеет тот недостаток, что диаграмма направленности на кросс-поляризации проявляет довольно большие лепестки, которые могут превысить 20 дБ и находятся близко к основному направлению визирования антенны. Это означает, что даже при довольно высокой точности визирования невозможно реализовать хорошие характеристики селекции по кросс-поляризации.

Эта проблема решается посредством скомпенсированной системы облучателя 2, который электронным образом противодействует деполяризации, вызванной основным рефлектором, в частности путем создания особой микроволновой моды, имеющей ту же амплитуду, что и амплитуда составляющей деполяризации, обусловленной основным рефлектором, и фазу, противоположную фазе составляющей деполяризации.

Фиг.4-6 иллюстрируют вариант осуществления конструкции рупорного облучателя, который предназначен для компенсации вышеупомянутой составляющей деполяризации. Эта конструкция скомпенсированного облучателя разработана для применения с эллиптическими антеннами, для повышения эффективности селекции передач на кросс-поляризации, обеспечения возможности массового производства и исключения необходимости каких-либо настроек. Как показано на фиг.4, используемый рупорный облучатель имеет общепринятую конфигурацию гофрированного рупора, имеющего эллиптическую апертуру Ар с большим диаметром Dw апертуры и с меньшим диаметром Dn апертуры, как показано схематично на фиг.4 В и 4С, а также внутреннюю секцию 7 цилиндрического волновода с диаметром Dg волновода, за которым следует ступенчатая секция 8 с диаметром Ds.

Именно в конструкции данной секции горловины рупорного облучателя состоит основное отличие заявленного рупорного облучателя от обычного гофрированного облучателя.

Было найдено, что упомянутая компенсация может быть получена путем возбуждения TE₂₁-моды в секции цилиндрического волновода путем создания в нем асимметрии. На самом деле, ТЕ₂₁-мода является асимметричной модой и поэтому требует асимметрии в конструкции облучателя. Наилучшим найденным способом для введения требуемой асимметрии является использование продольных щелей 10 в волноводе, как показано на фиг.5 и 6. Эти щели сформированы в области нарушения непрерывности волновода, где диаметр возрастает от внутренней секции 7 к ступенчатой секции 8. Такие щели выполняются параллельно оси волновода во внутренней секции 7 и продолжаются от ступеньки 11, которая выполнена в некоторой степени профилированной. За счет изменения размеров щелей можно управлять амплитудой моды.

На фиг.5 и 6 показан гофрированный рупорный облучатель с тремя щелями 10. Одна щель выполнена на оси у, так что она генерирует требуемое поле на кросс-поляризации для горизонтальной поляризации. Две другие щели выполнены под углами +/-45° к этой щели.

Размеры щелей критичны для определения уровня генерируемой моды. Длина S щели и ширина W щели играют важную роль в установлении уровня генерируемой моды вместе с размером ступеньки в волноводе. Чем больше длина S щели, тем выше уровень генерируемой ТЕ ₂₁-моды. Глубина D щели в основном составляет половину разности между диаметром Dg волновода и диаметром Ds ступеньки. Глубина должна быть несколько меньше этой величины, чтобы обеспечить то, что внешняя кромка щели всегда находится в пределах диаметра ступеньки. Это необходимо, чтобы обеспечить условие, при котором ступенька может изготавливаться литьевым формованием. Конусность Т в секции со ступенькой не является обязательной для работы рупора, однако используется для облегчения изготовления рупора литьевым формованием. При использовании перпендикулярной секции в данной точке может иметь место залипание оснастки, в результате чего ее будет трудно удалить.

Было найдено, что две щели, выполненные под 45°, генерируют значительные уровни ТЕ ₂₁-моды более высоких порядков. Уровень моды, генерируемой двумя щелями для вертикальной поляризации, был весьма сходным с тем, который генерировался одной щелью для горизонтальной поляризации. Было найдено, что компенсация кросс-поляризации достигалась на обеих поляризациях при установке одного и того же облучателя. Например, длина центральной щели была равна 7,5 мм при длине внешних щелей 6,5 мм. Ширина центральной щели была 3 мм, а ширина внешних щелей - 2 мм. Длина Ls ступеньки равнялась 19 мм. Длина входного волновода Lg равнялась 10 мм, а диаметры Ds и Dg были равны соответственно 24 мм и 18 мм. Эллипс апертуры имеет главную (большую ось), при этом щели ориентированы по малой оси рупора.

Следует отметить, что центральная щель из трех щелей 10 является щелью, которая управляет генерацией мод горизонтальной поляризации вдоль главной оси рупора. Две щели под углом +/-45° к малой оси рупора генерируют более высокие моды для вертикальной поляризации. Длина ступеньки настраивается для получения фазы лепестков на кросс-поляризации в фазе или в противофазе с диаграммой на кросс-поляризации.

Следует отметить, что поскольку компенсация не использует элементов с потерями, то отсутствует влияние на усиление при передаче и при приеме. Кроме того, следует отметить, что эффект компенсации является частотно-зависимым, но, как оказалось, действует в полосе, равной по меньшей мере 5%. Таким образом, на частоте 14 ГГц может быть перекрыта полоса 500 МГц, а на частоте 30 ГГц - полоса 1000 МГц. За счет этого существенно улучшается развязка антенны на кросс-поляризации на передачу, и лепестки диаграммы направленности на кросс-поляризации в значительной степени снижаются на 30 дБ и даже лучше.

Ниже представлено описание некоторых признаков и преимуществ изобретения со ссылками на фиг.1-3.

Поскольку скомпенсированный облучатель настроен на противодействие деполяризации, обусловленной основным рефлектором 1, то это препятствует применению поворота облучателя для настройки плоскости поляризации антенны. В изобретении с этой целью предложено поворачивать всю антенную систему. Этот поворот может быть осуществлен экономичным и эффективным способом с помощью поворотного основания 4, которое снабжено щелевыми полостями 12, проходящими в периферийном направлении и по градусной шкале 13. Установка угла поворота зависит от местоположения терминала и может быть обеспечена для пользователя, например, с помощью простой карты, показывающей контура углов поворота. Пример такой карты приведен на фиг.7.

Следует отметить, что, в принципе, можно выполнить такое смещение путем поворота либо относительно электрической, либо относительно механической оси антенны. Различие в требуемом угле поворота может быть принято во внимание при формировании графиков различных контуров углов поворота. В обоих случаях может быть достигнута корректная юстировка.

Выравнивание, описанное выше, эффективным образом означает, что главная ось эллиптического рефлектора 1 устанавливается параллельно геостационарной орбите, как она наблюдается с наземной станции, что обеспечивает два главных дополнительных преимущества.

Во-первых, это позволяет осуществлять прием от другого соседнего спутника просто путем установки второго облучателя, такого как облучатель 5, сбоку от основного скомпенсированного облучателя 2, без дополнительного вертикального смещения, за счет использования того факта, что антенна отъюстирована по отношению к орбите. Это облегчает многоспутниковый режим работы.

Во-вторых, следует отметить, что в соответствии с регулированием, принятым в промышленности, ослабление максимальной допустимой эквивалентной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) может быть получено для эллиптических антенн при условии, что главная антенная ось совмещена с геостационарной орбитой. В этом случае для определения указанного параметра ЭИИМ можно учитывать только более предпочтительную азимутальную диаграмму направленности, что приводит к более высоким допустимым уровням мощности. Очевидно, что предложенная конфигурация антенны удовлетворяет этому требованию, обеспечивая тем самым достижение высокого максимально разрешенного распределения ЭИИМ.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет использовать коммерчески доступные антенны с эталонными эллиптическими рефлекторами благодаря скомпенсированным рупорным облучателям, которые могут быть изготовлены с использованием стандартных методов массового производства без необходимости осуществления дополнительных настроек.