RU2509399C1 - Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи - Google Patents
Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи Download PDFInfo
- Publication number
- RU2509399C1 RU2509399C1 RU2012127866/08A RU2012127866A RU2509399C1 RU 2509399 C1 RU2509399 C1 RU 2509399C1 RU 2012127866/08 A RU2012127866/08 A RU 2012127866/08A RU 2012127866 A RU2012127866 A RU 2012127866A RU 2509399 C1 RU2509399 C1 RU 2509399C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna array
- emitters
- maximum
- map
- irradiator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - уменьшение амплитудно-фазовых ошибок поля в раскрыве многолучевой антенной решетки. Для этого многолучевая антенная система состоит из N многолучевых крупноапертурных излучателей (КАИ), каждый из которых обеспечивает максимальный КУ в коническом секторе обзора 8,7° для глобальной космической связи. Используемый М-лучевой КАИ в многолучевой решетке из N таких излучателей при цифровой схеме формирования N лучей позволяет минимизировать общее число излучателей при заданном КУ в секторе обзора и обеспечить формирование MN лучей в секторе обзора. Изобретение позволяет по сравнению с аналогами уменьшить амплитудно-фазовые ошибки поля в раскрыве многолучевой антенной решетки (MAP), состоящей из параболического осесимметричного зеркала и облучателя из 7-и открытых концов круглых волноводов, уменьшить искажения в многолучевой ДН КАИ и увеличить КУ КАИ и MAP в секторе обзора 8,7°. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для минимизации количества излучателей в многолучевой антенной решетке (MAP) бортовой системы спутниковой связи. Основным требованием, предъявляемым к таким MAP, являются минимальные габариты и минимальное количество излучателей N для обеспечения требуемого коэффициента усиления (ХУ) G в заданном секторе обзора. Известны бортовые многолучевые двухзеркальные антенны, используемые в системах спутниковой связи [1, 2, 3]. Однако такие антенны не обеспечивают требуемый для глобальной космической связи сектор обзора земной поверхности (конус с углом при вершине ψобз=8,7° фиг.1) со спутника, находящегося на геостационарной орбите (ГСО). Кроме того, эти антенны имеют повышенные габариты и невысокую эффективность g=Gλ2/4πS (далее по отношению к апертуре S только основного зеркала), не превышающую 0,3 на краю сектора обзора.
Известны также многолучевые антенные решетки с аналоговым и цифровым методом формирования лучей [4, 5]. Такие MAP позволяют обеспечить заданный сектор обзора. Однако при большом количестве излучателей в АР диаграммообразующая схема (ДОС) в аналоговой MAP оказывается чрезвычайно громоздкой и сложной, а в цифровых MAP с большим количеством излучателей М=104-105 пока не хватает вычислительных возможностей процессора, используемого для формирования лучей. Так специализированный модуль цифровой ДОС в проекте TSUNAMI рассчитан на обработку комплексных выходов 128 каналов с временем синтезированиия ДН цифровой антенной решетки (ЦАР) 250 нс [6].
Возможным решением поставленной задачи является разработка многолучевой антенной решетки, состоящей из многолучевых крупноапертурных излучателей (КАИ), обеспечивающих максимальный КУ в рассматриваемом секторе обзора. Наиболее близким к заявленному изобретению является MAP, описанная в [7]. Излучатель этой системы состоит из облучателя в виде 16-элементной антенной решетки с квадратной апертурой и отражающего зеркала. Однако так как периферийные излучатели значительно вынесены из фокуса зеркала, то это приводит к амплитудно-фазовым ошибкам поля в раскрыве зеркала и соответственно к значительным искажениям диаграммы направленности излучателя и снижению его коэффициента усиления, особенно на краю сектора обзора.
Целью изобретения является разработка многолучевой антенной системы, состоящей из N многолучевых КАИ, каждый из которых обеспечивает максимальный КУ в коническом секторе обзора 8,7°. Используемый М-лучевой КАИ в многолучевой решетке из N таких излучателей при цифровой схеме формирования N лучей позволяет минимизировать общее число излучателей при заданном КУ в секторе обзора и обеспечить формирование MN лучей в секторе обзора.
Поставленная задача решается тем, что в многолучевой антенной решетке системы спутниковой связи, состоящей из излучателей, каждый из которых содержит зеркальную параболическую осесимметричную антенну и облучатель, выполненный в виде системы открытых концов круглых волноводов. Согласно заявленному изобретению радиус апертуры зеркальной параболической осесимметричной антенны составляет R0=5,125λ, где λ - длина волны, и ее фокусное расстояние f0=3,813λ выбрано из условия перекрытия 7-лучевой диаграммой направленности (ДН) антенны сектора обзора ψ0=8,7°, с сектором обзора ψ0=8,7° и с максимальным коэффициентом усиления (КУ). В облучателе КАИ f0=3,813λ выбрано из условия перекрытия 7-лучевой диаграммой направленности (ДН) антенны сектора обзора ψ0=8,7°, из семи плотно расположенных круглых волноводов с диэлектрическим заполнением ε=1,6 и радиусом каждого волновода а=0,3λ. В предлагаемой многолучевой антенной решетке системы спутниковой связи ко входам облучателя КАИ подсоединяются диаграммообразующие схемы, обеспечивающие для каждого m-го луча коэффициент передачи Sm,l с каждого l-го на каждый m-ный вход по закону:
m=1,…,n,
l=1,…,n.
где с - произвольная константа,
n - количество волноводов в облучателе КАИ,
* - обозначает знак комплексного сопряжения.
В предложенной многолучевой антенной решетке системы спутниковой связи излучатели образуют либо шестигранную плоскую антенную решетку, либо плоскую антенную решетку в виде параллелограмма с минимальным количеством излучателей N, определяемым в зависимости по соотношению
где GМАР - требуемый КУ MAP в секторе обзора,
А ] [ - обозначают взятие целой части, соседние излучатели повернуты в плоскости MAP относительно друг друга на ±30°.
Изобретение поясняется фигурами и таблицей: фиг.1 - к вопросу определения минимального количества отдельных волноводов в облучателе θ0, фиг.2a - крупноапертурный зеркальный излучатель, фиг.2б - система волноводных облучателей и используемая система координат, фиг.3а, б - к определению минимального количества волноводов в облучателе, фиг.4а, б - ДН зеркального излучателя с облучателем, изображенным на фиг.2б (интервал углов 0≤θ≤180° соответствует плоскости φ=0, а интервал углов -180°≤θ<0 соответствует плоскости φ=180°), фиг.5 - возможные схемы построения MAP, фиг.6а, б - зависимость максимального КУ зеркального излучателя с облучателем, изображенным на фиг.5б в секторе обзора, фиг.7а, б - возможные конфигурации апертуры MAP, Таблица 1 - зависимость коэффициента усиления MAP от количества элементов в ней.
Поставленная цель достигается тем, что КИА выполняется в виде 7-лучевой антенной решетки (М=7), состоящей из зеркальной параболической осесиметричной антенны с оптимальным радиусом R0=5,125λ и фокусным расстоянием f0=3,813λ и облучателя, состоящего из 7-и близко расположенных круглых волноводов радиуса а=0,3λ и толщиной t=0,036λ, заполненных диэлектриком (ε=1,6) в используемой системе координат (фиг.2б). Радиус и фокусное расстояние были определенны итерационным методом из условия оптимального перекрытия сектора обзора 8,7° 7-лучевой ДН, а диэлектрическая проницаемость ε была выбрана из условия того, что уровень пересечения лучей должен быть равен примерно -4,6 дБ. Если уровень пересечения ниже -4,6 дБ, то в его направлении будет формироваться значительный провал и КУ КАИ, если же уровень пересечения больше -4,6 дБ, то возрастает взаимная связь между лучами ДН КАИ, что также приводит к падению КУ.
При независимом возбуждении каждого из n=1…7 волноводов формируется многолучевая ДН, состоящая из 7-и лучей, обеспечивающих обзор конического сектора пространства с углом при вершине 8,7° (фиг.1).
Количество волноводов в облучателе выбирается из условия равенства или превышения суммарного телесного угла, занимаемого n лучами, заданного телесного угла обзора:
где Kq - коэффициент пропорциональности,
выражение (1) примет вид:
где nmin - минимальное количество волноводов в облучателе. На фиг.3 представлены расчетные зависимости коэффициента Кq и nmin от уровня пересечения q соседних лучей. Таким образом, при уровне пересечения лучей -12÷-13 дБ минимальное количество волноводов в облучателе nmin=3. При уровне пересечения -4,6 дБ÷-5 дБ nmin=7. Для больших уровней пересечения nmin увеличивается, и, в частности, при q=-3÷-3,5 дБ nmin=13. Однако при использовании 13-элементного облучателя существенно возрастает затенение зеркала облучателем. В связи с этим целесообразно применять 7-элементный облучатель, изображенный на фиг 2б.
На фиг.2 представлено схематическое изображение КИА (фиг.2а), а на фиг.2б - схема облучателя, состоящего из 7-и круглых волноводов. На фиг.4 представлены амплитудные ДН КАИ в масштабе КУ при независимом возбуждении каждого из n=1…7 входов облучателя и рельеф КУ в секторе обзора соответственно в плоскостях XOY (рис.4а) и ХОZ. (рис.4б). Соответствующая зависимость максимального КУ в секторе обзора при независимом возбуждении только одного из волноводов в облучателе показана пунктирной линией на фиг.6.
Для обеспечения максимально возможного КУ в секторе обзора необходимо использовать одновременное возбуждение всех волноводов, что достигается за счет введения ДОС 1 (фиг.5). ДОС 1 обеспечивает оптимальное возбуждение каждого из 7-и круглых волноводов по закону:
где
- нормированные амплитуды падающей волны Н11 в m-ном волноводе, с - произвольная константа,
- нормированная по максимуму векторная комплексная ДН
, через
обозначен единичный вектор в направлении (θ,φ), * - обозначает знак комплексного сопряжения,
- КУ КАИ относительно w-го входа в направлении
максимума ДН,
Максимальная величина КУ 7-лучевой антенной решетки Gmax(θ,φ) в произвольном направлении (θ,φ) при оптимальном возбуждении (3), определяется соотношением:
ДОС 1 может быть как аналоговой, так и цифровой.
Для формирования остронаправленных многолучевых ДН в MAP из крупноапертурных 7-лучевых излучателей используется ДОС 2 (фиг.5).
Возможные конфигурации MAP из минимального количества КАИ, обеспечивающие заданный КУ MAP, представляют собой либо плоскую шестигранную антенную решетку (фиг.7а), либо антенную решетку в виде параллелограмма (фиг.7б).
Для N одинаковых и одинаково расположенных в антенной решетке 7-лучевых КАИ коэффициент усиления MAP GМАР(θ,φ) в произвольном направлении (θ,φ) определяется соотношением:
Соответственно минимальное количество излучателей Nmin выбирают исходя из требуемого КУ MAP GМАР в секторе обзора
Для одинаково расположенных одинаковых КАИ в соответствии с фиг.6 и соотношением (5) в плоскости XOZ происходит более значительное снижение КУ на краю сектора обзора. Для выравнивания рельефа КУ MAP на краю сектора обзора выбирают такую азимутальную ориентацию соседних излучателей, при которой в двух соседних излучателях плоскости с большим снижением КУ и с меньшим совмещаются (фиг.7б).
Таким образом, по сравнению с аналогом, описанном в [7], удалось уменьшить амплитудно-фазовые ошибки поля в раскрыве MAP, состоящей из параболического осесимметричного зеркала и облучателя из 7-и открытых концов круглых волноводов, за счет соответствующего выбора конфигурации и размеров параболического зеркала и облучателя и тем самым уменьшить искажения в многолучевой ДН КАИ и увеличить КУ КАИ и MAP в секторе обзора 8,7°. Повышение КУ также обеспечивается применением оптимальной схемы возбуждения облучателя в КАИ с помощью ДОС 1. В результате предложена многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи, состоящая из минимально возможного количества излучателей Nmin и позволяющая достичь требуемого КУ в заданном секторе обзора в требуемом частотном диапазоне.
Список литературы.
1. Бортовая многолучевая антенна космического ретранслятора / Н.А.Бей, В.А.Вечтомов, Е.Н.Гуркин и др. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. «Приборостроение», 2009.
2. В.А.Калошин, Е.В.Фролова. Моделирование офсетной двухзеркальной апланатической антенны типа Грегори. - Журнал радиоэлектроники, 2007, №6.
3. В.А.Калошин, Е.В.Фролова. Моделирование офсетной двухзеркальной апланатической антенны типа Кассегрена. - Журнал радиоэлектроники, 2007 №7.
4. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д.Бахраха, Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1989. - 368 с. (142 с.)
5. Антенны и устройства СВЧ, проектирование ФАР / Под редакцией Д.И.Воскресенского. - 2-е издание дополненное и переработанное. М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.
6. Слюсар В.И. Цифровое формирование луча в системах связи. - Электроника: НТБ, 2001, №1.
7. Слюсар В.И. Цифровые антенные решетки в системах мобильной спутниковой связи. - Первая миля, 2008, №5.
Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи.
Claims (4)
1. Многолучевая антенная решетка (MAP) системы спутниковой связи, состоящая из излучателей, каждый из которых содержит зеркальную параболическую осесимметричную антенну и облучатель, выполненный в виде системы открытых концов круглых волноводов, отличающаяся тем, что радиус апертуры зеркальной параболической осесимметричной антенны составляет R0=5,125λ, где λ - длина волны, ее фокусное расстояние f0=3,813λ выбрано из условия перекрытия 7-лучевой диаграммой направленности (ДН) антенны сектора обзора ψ0=8,7°, с максимальным коэффициентом усиления (КУ), облучатель состоит из семи плотно расположенных круглых волноводов с диэлектрическим заполнением ε=1,6 и радиусом каждого волновода а=0,3λ.
2. Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи по п.1, отличающаяся тем, что к входам облучателя подсоединяются диаграммообразующие схемы, обеспечивающие для каждого m-го луча коэффициент передачи Sm,l с каждого l-го на каждый m-ный вход по закону:
,
m=1,…,7,
l=1,…,7,
где с - произвольная константа, n - количество круглых волноводов в облучателе,
- КУ по m-му лучу в направлении максимума
,
- нормированная относительно максимума
комплексная ДН по m-му входу, определяемая для всех m в одной и той же системе координат,
- единичный вектор определяющий поляризацию поля в направлении
, по которой обеспечивается максимум КУ, * - обозначает знак комплексного сопряжения.
m=1,…,7,
l=1,…,7,
где с - произвольная константа, n - количество круглых волноводов в облучателе,
3. Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи по п.1, отличающаяся тем, что излучатели образуют шестигранную плоскую антенную решетку с минимальным количеством излучателей N, определяемым по соотношению
, где GМАР - требуемый КУ MAP в секторе обзора,
- минимальное значение максимального КУ 7-лучевого излучателя в секторе обзора, а ] [ - обозначают взятие целой части, соседние излучатели повернуты в плоскости MAP относительно друг друга на ±30°.
4. Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи по п.1, отличающаяся тем, что с излучатели образуют плоскую решетку в виде параллелограмма, а минимальное количество излучателей определяется по соотношению
, где ] [ - обозначают взятие целой части,
- минимальное значение максимального КУ 7-лучевой антенной решетки в секторе обзора, а соседние излучатели повернуты в плоскости MAP относительно друг друга на ±30°.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127866/08A RU2509399C1 (ru) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012127866/08A RU2509399C1 (ru) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012127866A RU2012127866A (ru) | 2014-01-10 |
RU2509399C1 true RU2509399C1 (ru) | 2014-03-10 |
Family
ID=49884185
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012127866/08A RU2509399C1 (ru) | 2012-07-05 | 2012-07-05 | Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2509399C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796248C2 (ru) * | 2019-02-12 | 2023-05-18 | Виасат, Инк. | Сверхдешевая высокоэффективная апертура спутника |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116683184B (zh) * | 2023-06-09 | 2024-01-26 | 武汉星伴通信设备有限责任公司 | 一种相对地面静止的相控阵卫星通信的波束指向设计方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1064358A1 (ru) * | 1982-06-25 | 1983-12-30 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Авиационный Институт Им.С.Орджоникидзе | Многолучева антенна решетка |
RU2099835C1 (ru) * | 1996-01-09 | 1997-12-20 | Войсковая часть 35533 | Фазосдвигающее устройство |
US6429816B1 (en) * | 2001-05-04 | 2002-08-06 | Harris Corporation | Spatially orthogonal signal distribution and support architecture for multi-beam phased array antenna |
US6842157B2 (en) * | 2001-07-23 | 2005-01-11 | Harris Corporation | Antenna arrays formed of spiral sub-array lattices |
RU2336615C1 (ru) * | 2006-12-15 | 2008-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Многолучевая зеркальная антенна |
RU2356142C1 (ru) * | 2008-02-18 | 2009-05-20 | Союз участников рынка инфокоммуникационных услуг | Приемопередающее антенное устройство для многоканальной системы сотовой связи |
-
2012
- 2012-07-05 RU RU2012127866/08A patent/RU2509399C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1064358A1 (ru) * | 1982-06-25 | 1983-12-30 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Авиационный Институт Им.С.Орджоникидзе | Многолучева антенна решетка |
RU2099835C1 (ru) * | 1996-01-09 | 1997-12-20 | Войсковая часть 35533 | Фазосдвигающее устройство |
US6429816B1 (en) * | 2001-05-04 | 2002-08-06 | Harris Corporation | Spatially orthogonal signal distribution and support architecture for multi-beam phased array antenna |
US6842157B2 (en) * | 2001-07-23 | 2005-01-11 | Harris Corporation | Antenna arrays formed of spiral sub-array lattices |
RU2336615C1 (ru) * | 2006-12-15 | 2008-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Многолучевая зеркальная антенна |
RU2356142C1 (ru) * | 2008-02-18 | 2009-05-20 | Союз участников рынка инфокоммуникационных услуг | Приемопередающее антенное устройство для многоканальной системы сотовой связи |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
СЛЮСАР В.И. Цифровые антенные решетки в системах мобильной спутниковой связи. - Первая миля, 2008, No. 5, с.19-20. * |
СЛЮСАР В.И. Цифровые антенные решетки в системах мобильной спутниковой связи. - Первая миля, 2008, № 5, с.19-20. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796248C2 (ru) * | 2019-02-12 | 2023-05-18 | Виасат, Инк. | Сверхдешевая высокоэффективная апертура спутника |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012127866A (ru) | 2014-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
McGrath | Planar three-dimensional constrained lenses | |
Afzal et al. | Beam-scanning antenna based on near-electric field phase transformation and refraction of electromagnetic wave through dielectric structures | |
US3623114A (en) | Conical reflector antenna | |
EP2697865B1 (en) | Array antenna having a radiation pattern with a controlled envelope, and method of manufacturing it | |
ES2923897T3 (es) | Antena de matriz en fase 1D para radar y comunicaciones | |
Rahmat-Samii et al. | Advanced precipitation radar antenna: Array-fed offset membrane cylindrical reflector antenna | |
US20140225798A1 (en) | Reflector antenna for a synthetic aperture radar | |
JP2000216627A (ja) | 隣接した高利得アンテナ・ビ―ムを供給するコンパクト・オフセット・グレゴリオ型アンテナ装置 | |
RU2446524C1 (ru) | Многолучевая двухзеркальная антенна для приема сигналов со спутников, находящихся на краю видимого сектора гсо | |
EP1119072A2 (en) | Antenna cluster configuration for wide-angle coverage | |
Ellingson et al. | Sidelobe modification for reflector antennas by electronically reconfigurable rim scattering | |
JP2000216626A (ja) | 隣接した高利得アンテナ・ビ―ムを供給するコンパクト前方送り型二重反射器アンテナ装置 | |
JP2000216625A (ja) | 隣接した高利得アンテナ・ビ―ムを提供するコンパクト側方送り型二重反射器アンテナ装置 | |
US11502418B2 (en) | Network for forming multiple beams from a planar array | |
WO2019170541A1 (en) | Extreme scanning focal-plane arrays using a double-reflector concept with uniform array illumination | |
RU2509399C1 (ru) | Многолучевая антенная решетка системы спутниковой связи | |
JPH05129822A (ja) | 成形ローブを有する高利得アンテナ | |
GB2559009A (en) | A frequency scanned array antenna | |
US7151498B2 (en) | System and method for preferentially controlling grating lobes of direct radiating arrays | |
JP2000216624A (ja) | 隣接した高利得アンテナ・ビ―ムを提供するコンパクト折り畳み型光学アンテナ装置 | |
JPS603210A (ja) | 多周波帯域共用アンテナ | |
US6661384B2 (en) | Mirror surface accuracy measuring device and mirror surface control system of reflector antenna | |
Ivashina et al. | Efficiency analysis of focal plane arrays in deep dishes | |
RU2623652C1 (ru) | Многолучевая антенна (варианты) | |
Rogers et al. | Corrections for the effects of a radome on antenna surface measurements made by microwave holography |