Аналіз та оптимізація всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен

16

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 621.396.67

Аналіз та оптимізація всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен

05.12.07 - «Антени та пристрої мікрохвильової техніки»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кім Олексій Семенович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Захист відбудеться « 22 » березня 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 214.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий « 18 » лютого 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Уривський Л.О.

провідність дводзеркальний антена

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток супутникових інформаційних систем в останні десятиліття призвів до необхідності зменшення кутового рознесення між супутниками на геостаціонарній орбіті, що обумовило прийняття Міжнародним консультативним комітетом по радіо (МККР) більш жорстких вимог до обвідної бічних пелюсток діаграм випромінювання передавальних антен земних станцій таких систем. Новий стандарт МККР вимагає зниження на 3 дБ обвідної бічних пелюсток по відношенню до попереднього стандарту. Це, в свою чергу, вимагає розроблення нових математичних моделей та методик оптимізації найбільш поширеного типу антен земних станцій гостроспрямованих дводзеркальних антен, які б дозволяли, з одного боку, досягати необхідних характеристик випромінювання, і, з іншого боку, в максимальний мірі зберегти вже налагоджені виробництва таких антен. Відомо, що виготовлення головного дзеркала є найбільш трудомістким та технологічно складним процесом, що потребує спеціального дорогого устаткування та спеціальних технологій механічної та теплової обробки металу. Отже, практика висуває в число першочергових задач розроблення методики синтезу нових опромінюючих систем для дводзеркальних антен із заданими профілями головних дзеркал. Це найбільш раціональний метод проектування нових дводзеркальних антен, що дозволяє не тільки зберегти технологічний процес виготовлення головного дзеркала під час виробництва нової антени, але і привести у відповідність із новими вимогами антени, що знаходяться в експлуатації.

Поряд із супутниковими інформаційними системами в останні роки стрімко розвиваються наземні багатоканальні радіосистеми передачі інформації, в яких антенами базових станцій є всеспрямовані в азимутальній площині дзеркальні антени. Принцип роботи таких антен аналогічний принципу роботи звичайних дзеркальних антен за винятком того, що у всеспрямованій антені сферичний фронт хвилі опромінювача трансформується за допомогою рефлекторів не в плоский, а в циліндричний фронт. Особливо ефективними всеспрямовані дводзеркальні антени є в сантиметровому та міліметровому діапазонах довжин хвиль, де при порівняно невеликих розмірах дозволяють реалізовувати відносно високі коефіцієнти підсилення (16 дБ та вище) та формувати необхідну форму діаграми випромінювання в площині кута місця. При проектуванні всеспрямованих дводзеркальних антен важливою є якість узгодження з фідером. На характеристики випромінювання й узгодження антени можуть суттєво впливати діелектричні вставки, які в міліметровому діапазоні довжин хвиль виконують одночасно функції підтримки контррефлектора й обтічника. Отже, актуальною є розроблення такої математичної моделі всеспрямованої дводзеркальної антени, яка дозволяла б розраховувати і діаграму випромінювання, і коефіцієнт стоячої хвилі з урахуванням циліндричних діелектричних вставок.

Метою роботи є розроблення математичних моделей та оптимізація характеристик всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен для наземних та супутникових інформаційних систем.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язані такі основні задачі:

Методом часткових областей з використанням методу інтегральних рівнянь, узагальнених матриць провідностей та узагальнених матриць розсіювання в наближенні ідеальної провідності металевих поверхонь та відсутності втрат у магніто-діелектричних середовищах одержаний розв'язок внутрішньої крайової задачі електродинаміки для всеспрямованої дводзеркальної антени з довільною формою утворюючих рефлекторів без обмеження на робочі типи хвиль.

Методом Кірхгофа-Гюйгенса одержані в замкнутому вигляді вирази для складових поля випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени в далекій зоні.

Розроблені алгоритми та комплекс програм на мові С++ для ПЭОМ, що реалізують побудовану математичну модель всеспрямованої дводзеркальної антени. Порівнянням чисельних результатів з експериментальними та літературними даними підтверджена точність та адекватність моделі в розрахунках характеристик відбиття та випромінювання.

За допомогою метода Кірхгофа-Гюйгенса одержані вирази для складових поля випромінювання гостроспрямованої вісесиметричної дводзеркальної антени в далекій зоні з урахуванням скінченності радіальної складової електромагнітного поля, що падає на головне дзеркало.

Розроблена ефективна методика синтезу опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен при заданому профілі головного дзеркала.

Розроблені алгоритми та комплекс програм на мові С++ для ПЭОМ, що реалізують побудовану математичну модель гостроспрямованої вісесиметричної дводзеркальної антени та методику її синтезу. Адекватність математичної моделі й ефективність запропонованої методики синтезу підтверджені експериментальними результатами для вісесиметричних дводзеркальних антен із діаметрами головних дзеркал 3,66 та 7,0 м.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Вперше одержаний розв'язок задачі про поширення електромагнітних хвиль уздовж радіально-нерегулярної структури у вигляді узагальненої матриці розсіювання без обмеження на робочі типи хвиль. Одержані вирази для коефіцієнтів зв'язку власних хвиль та елементів узагальнених матриць розсіювання стиків двох радіальних хвилеводів.

Вперше одержаний розв'язок внутрішньої крайової задачі електродинаміки для співвісного стику круглого та радіального хвилеводів у вигляді узагальненої матриці провідностей без обмеження на робочі типи хвиль.

Вперше в замкнутому вигляді одержані вирази для складових поля випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени в далекій зоні.

Одержані нові вирази для складових поля випромінювання гостроспрямованої вісесиметричної дводзеркальної антени в далекій зоні з урахуванням скінченності радіальної складової електромагнітного поля, що падає на головне дзеркало.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

Розроблений комплекс програм електродинамічного аналізу та синтезу всеспрямованих дводзеркальних антен із довільною формою утворюючих рефлекторів. Програма орієнтована на використання персональних комп'ютерів, сумісних із IBM PC/AT.

Розроблений та виготовлений експериментальний зразок всеспрямованої дводзеркальної антени для базових станцій наземних систем розподілу інформації, що використовують поляризаційне ущільнення каналів.

Розроблена методика синтезу нових опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен, що дозволяє з малими витратами, зберігаючи незмінним головне дзеркало, модернізувати антени, виробництво яких налагоджено та які знаходяться в експлуатації.

Розроблений пакет програм, призначений для синтезу гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен відповідно до сучасних вимог до антен земних станцій супутникових інформаційних систем.

Синтезовані нові опромінюючі системи для модернізації існуючих вісесиметричних дводзеркальних антен із діаметрами головних дзеркал 3,66 та 7,0 м.

Особистий внесок здобувача. Автор захищає:

Математичну модель всеспрямованої дводзеркальної антени з опромінювачем у вигляді рупора з круглою апертурою, побудовану на основі узагальнених матриць розсіювання.

Розв'язок задачі дифракції хвиль на стику двох радіальних хвилеводів, одержаний за допомогою методу інтегральних рівнянь без обмеження на робочі типи хвиль.

Розв'язок внутрішньої крайової задачі електродинаміки для співвісного стику круглого та радіального хвилеводів, одержаний у вигляді узагальненої матриці провідностей без обмеження на робочі типи хвиль.

Результати чисельних та експериментальних досліджень всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен для наземних та супутникових інформаційних систем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній конференції з антенної техніки ITG (Німеччина, м. Мюнхен, 2124 квітня 1998 р.), Генеральній Асамблеї URSI (Канада, м. Торонто, 1321 серпня 1999 р.) , Міжнародній конференції з теорії і техніки антен (Україна, м. Севастопіль, 812 вересня 1999 р.) .

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 друкованих робіт, у тому числі 3 статті. Результати роботи відображені в 1 звіті по НДДКР.

Впровадження результатів роботи. Розроблені в рамках дисертаційної роботи нові опромінюючі системи для існуючих вісесиметричних дводзеркальних антен із діаметрами головних дзеркал 7,0 м та 3,66 м впроваджені у виробництво, відповідно, на заводі “Сатурн” (м. Тернопіль) та державному КБ “Промінь” (м. Тернопіль).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота містить 137 сторінок, у тому числі 56 рисунків та 1 таблицю. Список використаних джерел містить 119 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначаються актуальні невирішені питання, що стосуються аналізу всеспрямованих дводзеркальних антен, а також проектування нових гостроспрямованих дводзеркальних антен, сформульовані мета і задачі дисертації, наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність й апробацію результатів дисертації, публікацію матеріалів дисертації в пресі та впровадження результатів роботи.

Рис. 1

У першому розділі проведений огляд сучасного стану досліджень в області аналізу всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен.

Обгрунтований вибір методів розв'язання задач дисертаційної роботи. Запропонований новий підхід до аналізу всеспрямованих дводзеркальних антен (Рис. 1), у рамках якого всеспрямована дводзеркальна антена розглядається як рупорна антена. Відповідно до цієї фізичної моделі електромагнітна хвиля, яка збуджується опромінювачем із круглою апертурою, поширюється у радіально-нерегулярній структурі і випромінюється з її циліндричної апертури. Отже, аналіз антени доцільно проводити у два етапи:

1) розв'язання внутрішньої крайової задачі електродинаміки методом узагальнених матриць розсіювання, в результаті чого знаходиться розподіл електромагнітного поля на циліндричній апертурі антени;

2) знаходження поля випромінювання антени в далекій зоні методом Кірхгофа-Гюйгенса.

Для знаходження узагальненої матриці розсіювання всеспрямованої дводзеркальної антени обраний метод часткових областей із використанням методу інтегральних рівнянь.

Для аналізу характеристик випромінювання гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен використовується метод фізичної оптики разом із методом розкладання на сферичні хвилі.

Другий розділ присвячений побудові математичної моделі всеспрямованої дводзеркальної антени з циліндричною апертурою. Відповідно до методу часткових областей гладкі поверхні рефлекторів апроксимуються секціями регулярних радіальних хвилеводів різної висоти та довжиною набагато меншої довжини хвилі у вільному просторі.

У наближенні ідеальної провідності металевих поверхонь та відсутності втрат в ізотропних однорідних діелектричних середовищах, що заповнюють часткові області, розв'язана задача дифракції електромагнітних хвиль на стику двох радіальних хвилеводів (Рис. 2) у вигляді узагальненої матриці розсіювання.

Поперечні (щодо напрямку поширення вісь r) складові електричного та магнітного полів у радіальному хвилеводі подані в наступному вигляді (тут і далі азимутальний індекс m опущений для стислості):

Рис. 2

(1)

(2)

де верхні індекси Е і Н означають, відповідно, хвилі типу Е і Н; амплітуда n-ої хвилі, що поширюється в позитивному напрямку осі r; амплітуда n-ої хвилі, що поширюється в негативному напрямку осі r; , , , функції Ганкеля порядку m першого та другого роду від аргументу x та їх перші похідні по аргументу; ; хвильове число вільного простору; ; і власні функції радіального хвилеводу :

; (3)

; (4)

і провідності власних хвиль радіального хвилеводу. У випадку азимутально-однорідних хвиль ( ):

; (5)

. (6)

Одержане інтегральне рівняння відносно тангенціального електричного поля в отворі зв'язку. Це інтегральне рівняння розв'язане методом Гальоркіна. Невідоме поле подане розкладанням по полях власних хвиль радіального хвилеводу з невідомими амплітудними коефіцієнтами. У результаті одержана система лінійних алгебраїчних рівнянь щодо невідомих коефіцієнтів розкладання поля . Вирази для амплітуд власних хвиль радіальних хвилеводів, що утворюють стик, записані через амплітудні коефіцієнти, що одержуються в результаті розв'язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь, та коефіцієнти зв'язку власних функцій радіальних хвилеводів. Коефіцієнти зв'язку одержані в замкнутому вигляді. Узагальнена матриця розсіювання всієї ступінчастої радіально-нерегулярної структури знайдена шляхом послідовного об'єднання узагальнених матриць розсіювання усіх стиків.



Рис. 3

Розв'язок внутрішньої крайової задачі електродинаміки для співвісного стику круглого та радіального хвилеводів (Рис. 3) знайдений у вигляді узагальненої матриці провідностей. Шляхом завдання межової умови на поверхні II та збуджуючого поля на поверхні I, поданого у вигляді розкладання по власних функціях круглого хвилеводу, одержані вирази для тангенціальних магнітних полів на обох поверхнях. З використанням умови безперервності тангенціальних магнітних полів на поверхнях II та I записані векторні рівняння, що зв'язують амплітуди розкладання тангенціального електричного поля з амплітудами розкладань тангенціальних магнітних полів на обох поверхнях. Векторні рівняння за допомогою методу Гальоркіна зведені до системи лінійних алгебраїчних рівнянь, коефіцієнтами якої є елементи узагальненої матриці провідностей та :

; (7)

між хвилею Еi круглого хвилеводу на стику I та хвилею Еn радіального хвилеводу на стику II (Еi Еn):

Размещено на http://www.allbest.ru/

; (8)

(Нi Еn): ; (9)

(Еi Нn): ; (10)

(Нi Нn): , (11)

де критичне хвильове число для власних хвиль круглого хвилеводу;

постійна поширення;

.

Аналогічно, шляхом завдання граничної умови на поверхні I та збуджуючого поля на поверхні II, поданого у вигляді розкладання по власних хвилях радіального хвилеводу, одержані вирази для елементів та узагальненої матриці провідностей:

між хвилею Еn радіального хвилеводу на стику II та хвилею Еi круглого хвилеводу на стику I

(Еn Еi): ; (12)

(Нn Еi): ; (13)

(Еn Нi): ; (14)

(Нn Нi): ; (15)

між хвилями Е радіального хвилеводу типу на стику II:

; (16)

між хвилями Н радіального хвилеводу типу на стику II:

. (17)

Від знайденої узагальненої матриці провідностей за відомими формулами зроблений перехід до узагальненої матриці розсіювання.

Два варіанти декомпозиції вузла збудження всеспрямованої дводзеркальної антени на часткові області (радіальний та поперечний) подані на прикладі рупора з аксіальними щілинами (Рис. 4 а і б, відповідно). Очевидно, що радіальне ділення вузла збудження на часткові області краще, оскільки забезпечує точнішу, у порівнянні з поперечною декомпозицією, апроксимацію геометрії верхнього рефлектора.



Рис. 4

Шляхом послідовного об'єднання узагальнених матриць розсіювання збуджуючого рупора, стику круглого і радіального хвилеводів та радіально-нерегулярної структури знаходимо узагальнену матрицю розсіювання всеспрямованої дводзеркальної антени. Задаючи на вході рупора довільну хвилю зі спектра власних хвиль круглого хвилеводу, знаходимо амплітуду відбитої хвилі на вході структури й амплітуди хвиль, що формують тангенціальні електричні і магнітні поля на циліндричній апертурі антени. Вирази для складових поля випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени в далекій зоні знайдені методом Кірхгофа-Гюйгенса в замкнутому вигляді:

, (18)

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

; радіус циліндричної апертури; висота апертури; координата нижнього краю апертури по осі z.

На основі методів геометричної оптики одержана система нелінійних диференціальних рівнянь для синтезу геометрії всеспрямованої дводзеркальної антени за заданою діаграмою випромінювання опромінювача та амплітудно-фазовим розподілом поля на апертурі антени.

На основі розробленої математичної моделі створені алгоритм та комплекс програм для аналізу та синтезу всеспрямованих дводзеркальних антен.

У третьому розділі подані чисельні й експериментальні результати, що підтверджують адекватність розробленої математичної моделі всеспрямованої дводзеркальної антени. На прикладі збудження циліндричного резонатора співвісним із ним круглим хвилеводом досліджена збіжність чисельних результатів.

Чисельно досліджений вплив циліндричних діелектричних вставок (Рис. 5) на характеристики узгодження та випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени, що складається з параболічного контррефлектора (1) та конічного головного дзеркала (2). Антена збуджується азимутально-однорідною хвилею круглого хвилеводу Е01 для роботи на вертикальній поляризації. Показано, що суцільне діелектричне заповнення (Рис. 5а) не може забезпечити задовільних характеристик як за узгодженням, так і за коефіцієнтом спрямованої дії у порівнянні з антеною без заповнення. Аналіз залежностей коефіцієнту стоячої хвилі (КСХН) та коефіцієнту спрямованої дії (КСД) від радіуса внутрішнього заповнення r1 (Рис. 5б) у смузі частот також не дав задовільних результатів. Аналогічне дослідження для зовнішнього заповнення (Рис. 5в) дозволило виділити два радіуси, що забезпечують необхідні значення КСХН та КСД у робочій смузі частот. Таким чином, при використанні циліндричних діелектричних вставок для підтримки контррефлектора можливо не тільки збереження робочої смуги частот, але і її розширення.

Рис. 5

Наведені результати чисельних та експериментальних досліджень розробленого зразка всеспрямованої дводзеркальної антени для базових станцій наземної системи розподілу інформації, що працює в діапазоні частот 11,7…13,5 ГГц та використовує поляризаційне ущільнення каналів. Опромінювачем антени є відкритий кінець круглого хвилеводу з робочою хвилею Н11. На апертурі опромінювача розташована аксіальна щілина, що одночасно симетрує його діаграму випромінювання та запобігає затіканню струмів на його зовнішню поверхню. Геометрія антени була синтезована методом геометричної оптики шляхом розв'язання системи нелінійних диференціальних рівнянь із використанням розрахованої діаграми випромінювання опромінювача при рівномірному амплітудно-фазовому розподілі поля на апертурі антени. Аналіз електродинамічних характеристик синтезованої антени проведений за допомогою запропонованої математичної моделі та розробленого на його основі програмного забезпечення. Одержане хороше узгодження між чисельними й експериментальними результатами як по діаграмі випромінювання, так і по коефіцієнту відбиття на вході антени. Розроблена антена має такі характеристики в робочій смузі частот: коефіцієнт спрямованої дії не менше 9 дБ із нерівномірністю по азимуту не більше 1,2 дБ; коефіцієнт стоячої хвилі не більше 1,3. При цьому антена аналогічних розмірів, яка побудована за класичною схемою (параболічний контррефлектор та конічне головне дзеркало), має максимальне значення КСХН у робочій смузі частот 1,5.

Четвертий розділ присвячений оптимізації характеристик випромінювання гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен при заданому профілі головного дзеркала відповідно до сучасних вимог, які пред'являються до антен земних станцій супутникових інформаційних систем.

Подана методика аналізу характеристик випромінювання гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен. Методика включає:

Аналіз рупорного опромінювача методом узагальнених матриць розсіювання.

Визначення коефіцієнтів розкладання на сферичні хвилі електромагнітного поля на апертурі рупорного опромінювача.

Знаходження методом фізичної оптики струмів, наведених на поверхні контррефлектора полем опромінювача.

Визначення коефіцієнтів розкладання на сферичні хвилі електромагнітного поля випромінювання струмів на поверхні контррефлектора.

Знаходження методом фізичної оптики струмів, які наведені на поверхні головного дзеркала відбитим від контррефлектора полем.

Знаходження поля випромінювання струмів на поверхні головного дзеркала методом Кірхгофа-Гюйгенса для далекої зони.

Визначення повного поля випромінювання вісесиметричної дводзеркальної антени шляхом підсумовування полів випромінювання рупорного опромінювача, контррефлектора та головного дзеркала в далекій зоні.

Завдяки використанню методу розкладання на сферичні хвилі враховуються ефекти ближнього поля опромінювача та контррефлектора. Вирази для складових поля випромінювання головного дзеркала вісесиметричної дводзеркальної антени в далекій зоні отримані методом Кірхгофа-Гюйгенса з урахуванням скінченності радіальної складової електромагнітного поля, що падає на головне дзеркало.

Для зменшення рівня бічних пелюсток існуючої гостроспрямованої вісесиметричної дводзеркальної антени запропоновано змінити відстані опромінювач-контррефлектор і контррефлектор-головне дзеркало з метою збільшення крутизни спадання амплітуди поля та зменшення його рівня на краю апертури. Виникаючі при цьому зміни фазового розподілу компенсуються шляхом дифракційної оптимізації профілю контррефлектора. Оптимізація заснована на максимізації кореляційного інтегралу по поверхні контррефлектора між полем опромінювача в режимі передавання та полем, відбитим від головного дзеркала в режимі приймання. Ефективність цього підходу показана на прикладі оптимізації антени з діаметром головного дзеркала 7,0 м, що була розроблена за допомогою методу геометричної оптики для одержання максимальної ефективності в Ku-діапазоні. Антена не відповідала вимогам МККР до обвідної бічних пелюсток діаграм випромінювання антен. Для зміни амплітудного розподілу на апертурі головного дзеркала: 1) зменшена відстань контррефлектор-опромінювач для зниження рівня енергії опромінювача, що переливається за мале дзеркало. Це, у свою чергу, призвело до зменшення бічних пелюсток в області великих кутів; 2) зменшена відстань контррефлектор-головне дзеркало з метою збільшення крутизни спадання амплітуди поля та зниження його рівня на краю апертури; 3) проведена дифракційна оптимізація профілю контррефлектора. Оптимізована антена повністю відповідає вимогам МККР до антен земних станцій супутникових інформаційних систем (Рис. 6).

Все ж, недоліком цього підходу є різке обмеження можливих варіантів амплітудних розподілів, що можна реалізувати всі вони лежать в околиці вхідного амплітудного розподілу. В основі іншого підходу лежить вибір необхідного амплітудного розподілу без урахування вхідного. Далі процедура синтезу нової геометрії опромінюючої системи така: 1) вибір такої відстані між рупорним опромінювачем та контррефлектором, яка зводить до необхідного рівня потужність, що переливається за край контррефлектора; 2) синтез у наближенні геометричної оптики такої антени, що забезпечує необхідний амплітудний та фазовий розподіли при мінімальному відхиленні профілю головного дзеркала від заданого. Це реалізується за допомогою ітераційної процедури підбору відстані між головним дзеркалом та контррефлектором у процесі геометрооптичного синтезу; 3) дифракційна оптимізація профілю контррефлектора з використанням заданого профілю головного дзеркала. Ефективність запропонованої методики проілюстрована на прикладі оптимізації характеристик випромінювання антени з діаметром головного дзеркала 3,66 м. Ця модифікована антена Кассегрена була розроблена за допомогою методу геометричної оптики для одержання максимальної ефективності в приймальній частини Ku-діапазону (10,7…12,7 ГГц). Для забезпечення роботи у всьому Ku-диапазоні частот (10,7…14,5 ГГц) штатний рупорний опромінювач антени був замінений на новий приймально-передавальний гофрований рупор. Кут опромінення краю контррефлектора з фазового центру рупора обраний рівним 25. Знайдений необхідний амплітудний розподіл (Рис. 7), при рівномірному фазовому розподілі, забезпечує необхідний рівень обвідної бічних пелюсток. В результаті оптимізації був одержаний новий профіль контррефлектора. Порівняння необхідної й одержаної діаграм випромінювання антени в області ближніх бічних пелюсток показує, що запропонований підхід до оптимізації великих дводзеркальних антен при заданому профілі головного дзеркала дозволяє надійно вирішити поставлену задачу (Рис. 8).

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи та зроблені висновки про можливі області їхнього застосування.

Рис. 6



Рис. 7

Рис. 8

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Розроблена нова математична модель всеспрямованої дводзеркальної антени, що дозволяє поряд із характеристиками випромінювання розраховувати характеристики узгодження антени з фідером. Основою розробленої математичної моделі є узагальнена матриця розсіювання дескриптор антени. Вона одержана в результаті розв'язання, без обмеження на робочі типи хвиль, внутрішніх крайових задач електродинаміки для стику двох радіальних хвилеводів та для співвісного стику круглого та радіального хвилеводів. Вирази для складових поля випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени в далекій зоні одержані методом Кірхгофа-Гюйгенса в замкнутому вигляді.

За допомогою розробленої математичної моделі та реалізуючих її алгоритмів та програмного забезпечення на мові високого рівня С++ для IBM PC сумісних ПЭОМ синтезована всеспрямована дводзеркальна антена для базових станцій наземної системи розподілу інформації, що працює в діапазоні 11,7…13,5 ГГц та використовує поляризаційне ущільнення каналів. Робочою хвилею є основна хвиля круглого хвилеводу Н11. Розроблена антена має такі характеристики в робочій смузі частот: коефіцієнт спрямованої дії не менше 9 дБ із нерівномірністю по азимуту не більше 1,2 дБ; коефіцієнт стоячої хвилі не більше 1,3.

Розроблена ефективна методика синтезу опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен із заданим профілем головного дзеркала, яка заснована на математичній моделі таких антен, що враховує ефекти ближньої зони опромінювача та контррефлектора. Застосування розробленої методики синтезу опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен дозволяє зберегти наявну технологію виготовлення головного дзеркала при синтезі нової антени відповідного діаметра, а також модернізувати існуючі дводзеркальні антени відповідно до сучасних вимог до антен земних станцій супутникових інформаційних систем без заміни головного дзеркала.

За допомогою розробленої методики синтезовані нові опромінюючі системи для існуючих гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен з діаметрами головних дзеркал 3,66 та 7,0 м, що дозволили провести модернізацію та знизити обвідні бічних пелюсток діаграм випромінювання антен до рівня, що задовольняє міжнародному стандарту МККР для антен земних станцій супутникових інформаційних систем.

Розроблені нові опромінюючі системи для модернізованих вісесиметричних дводзеркальних антен з діаметрами головних дзеркал 7,0 та 3,66 м впроваджені у виробництво, відповідно, на заводі “Сатурн” (м. Тернопіль) та державному КБ “Промінь” (м. Тернопіль).

Встановлено, що суцільне та внутрішнє часткове діелектричне заповнення всеспрямованої дводзеркальної антени не може забезпечити задовільні узгодження та коефіцієнт спрямованої дії в порівнянні з антеною без діелектричного заповнення. Для зовнішнього часткового діелектричного заповнення існує можливість вибору такого його положення, яке забезпечує збереження робочої смуги частот як по коефіцієнту стоячої хвилі, так і по коефіцієнту спрямованої дії в порівнянні з антеною без діелектричного заповнення. Це має велике практичне значення при проектуванні всеспрямованих дводзеркальних антен, призначених для роботи в міліметровому діапазоні довжин хвиль, де діелектричні вставки використовуються як обтічники та опори для підтримки контррефлектора.

Показано, що синтез всеспрямованої дводзеркальної антени методом геометричної оптики за заданими розподілами амплітуди й фази на апертурі забезпечує не тільки додаткові ступені свободи під час синтезу й оптимізації (у порівнянні з класичною схемою параболічний контррефлектор та профільований основний рефлектор), але і дозволяє поліпшити узгодження антени з фідером. Це особливо важливо при використанні азимутально-неоднорідних типів хвиль.

Результати дисертаційної роботи використані в НДДКР 7.93.18 “Розроблення новітніх супутникових систем зв'язку і радіотехнічних систем різного призначення на основі поєднання спектральної та поляризаційної обробки радіосигналів”, виконаної за Державним замовленням в Лабораторії антенних систем і телекомунікацій кафедри теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України "КПІ".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубровка Ф. Ф., Дубровка Р. Ф., Ким А. С. Высокоэффективный итерационный метод дифракционного синтеза осесимметричных двухзеркальных антенн спутниковых информационных систем. Часть 1. Теория //Радиоэлектроника. 1998. №7. С.921. (Изв. высших учебн. заведений)

2. Дубровка Ф. Ф., Дубровка Р. Ф., Ким А. С. Высокоэффективный итерационный метод дифракционного синтеза осесимметричных двухзеркальных антенн спутниковых информационных систем. Часть 2. Результаты //Радиоэлектроника. 1998. №8. С.311. (Изв. высших учебн. заведений)

3. Дубровка Ф. Ф., Ким А. С. Новая математическая модель всенаправленных двухзеркальных антенн // Радиоэлектроника. 1999. №6. С.316. (Изв. высших учебн. заведений)

4. Dubrovka F.F., Dubrovka R.F., Kim А.S. Improvement of performance characteristics of existing large dual-reflector antennas to meet INTELSAT/EUTELSAT earth station requirements // Vortage der ITG Fachtagung. Munchen (Germany). 1998. P. 23-27.

5. Kim О.S., Dubrovka F.F. A New Field Theory Approach to Analysis of Dual-Reflector Omnidirectional Antennas // Proc. of the XXVIth GA of URSI. Toronto (Canada). 1999. P. 48.

6. Kim О.S. Dual-Reflector Omnidirectional Antenna for MMDS Base Stations // Proc. Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques ICATT`99. Sevastopil (Ukraine). 1999. P. 184186.

Размещено на Allbest.ru

...