Сферична дзеркальна антена зі спіральними опромінювачами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦіОНАЛЬНиЙ ТЕХНіЧнИЙ УНіВЕРСИТЕТ УКРАїНи

"КИїВСьКИЙ ПОЛИТЕХНіЧнИЙ іНСТИТУТ"

УДК 621.396.677.83

СФЕРИЧнА дЗЕРКАЛЬНА АНТЕНА ЗІ спіральними опромінювачами

05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Троїцький Олександр Вікторович

Київ 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лобкова Любов Михайлівна, Севастопольський національний технічний університет, професор кафедри радіотехніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри прикладної електродинаміки

доктор технічних наук, професор Мачуський Євген Андрійович, Національний технічний університет України “КПІ”, декан факультету інформаційної безпеки фізико-технічного інституту

Провідна організація: ВАТ “Науково-виробниче підприємство “Сатурн”, м. Київ.

Захист відбудеться “14” червня 2007 р. о 15:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 в Національному Технічному Університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп.№1, ауд. 163

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці НТУУ “КПІ”(03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37).

Автореферат розісланий “ 11 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.О. Уривський

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дослідження. Основою всіх супутникових телекомунікаційних систем (СТС) є космічні станції, розміщені на штучних супутниках Землі. З моменту появи перших СТС і до теперішнього часу обсяг інформації, що передається, збільшується з наростаючою швидкістю. Для забезпечення необхідної пропускної спроможності всі сучасні СТС будуються за багатоканальною схемою. Найбільш повно її переваги можуть бути реалізовано при використанні багатопроменевих антен (БПА).

По ряду найважливіших характеристик, зокрема, кількості інформаційних каналів і пропускній спроможності, а також необхідній для глобального покриття кількості супутників і земних станцій контролю і супроводу, оптимальними є СТС, які використовують супутники на середньовисотних кругових орбітах, для яких кутовий розмір всієї зони покриття, що обслуговується антеною, складає близько 70^о, а однієї соти -- близько 3^о.

Існуючі БПА створені, головним чином, на основі фазованих антенних решіток (ФАР) і гібридно-дзеркальних антен (ГДА). Головним утрудненням при створенні ФАР з великою апертурою є розробка діаграмостворюючей схеми (ДСС), яка виходить складною, дорогою та працює у вузькій смузі частот. Перехід від складної ФАР до ГДА з простими опромінюючими решітками дозволяє у декілька разів скоротити втрати у високочастотному тракті і на порядок зменшити вартість антени. Проте ГДА ретрансляторів сучасних СТС створюються, в основному, на базі параболічних дзеркал, що обмежує можливий сектор рознесення променів. В результаті, смуга робочих частот ФАР не перевишує 3-5%, коєфіціент корисної дії не перевищує 50%, а в ГДА припустимий кут відхилення променя складає менше 15^о.

Ефективним рішенням в цій ситуації є заміна параболічного дзеркала сферичним, що дозволяє істотно збільшити сектор рознесення променів. Аналіз публікацій з цього питання показує, що задовільні характеристики спрямованості в широкому секторі кутів досягаються в сферичній дзеркальній антені з розмитим фокусом і опромінювачем з хвилею, що біжить, якій не має фазового центру, зокрема -- циліндричним спіральним випромінювачем.

До теперішнього часу дзеркальні антени (ДА) з опромінювачами у вигляді антен хвилі, що біжить, практично не досліджені, оскільки в параболічних ДА, що набули найбільше поширення, максимальна ефективність досягається при використанні опромінювачів з фазовим центром, який повинен співпадати з фокусом дзеркала. Таким чином, дослідження багатопроменевої сферичної ДА з диаграмостворюючей схемою на основі спіральних випромінювачів хвилі, що біжить, є актуальною задачею, що має важливе значення для подальшого розвитку СТС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені наукові результати є складовою частиною науково-дослідних робіт, виконаних на кафедрі радіотехніки Севастопольського Національного технічного університету. Результати дисертаційної роботи наведені у звіті: “Теоретические и экспериментальные исследования многолучевых гибридно-зеркальных антенн с управляемой поляризацией излучения”, 2004-2006 г., № ГР 0198U002842, Iнв. № 0201U003399.

Мета й завдання дослідження. Метою цієї роботи є розробка й дослідження багатопроменевої сферичної дзеркальної антени із системою, що опромінює, на основі сфероциліндричних спіральних випромінювачів.

Відповідно до наміченої мети в роботі ставляться наступні завдання наукових досліджень:

1. Розробка математичної моделі багатопроменевої сферичної дзеркальної антени зі спіральними випромінювачами різної конфігурації, що враховує: розташування дзеркала в ближній зоні випромінювача; геометричні параметри випромінювача та їого положення щодо дзеркала.

2. Теоретичні дослідження характеристик випромінювання і вхідного опіру спіральних випромінюючих структур, що включають розробку математичної моделі спіральних антен і розрахунок основних характеристик.

3. Визначення геометричних параметрів сфероциліндричного спірального випромінювача, при яких характеристики спрямованості сферичної дзеркальної антени задовільняють міжнародним вимогам до антен СТС.

4. Експериментальне дослідження в діапазоні частот характеристик випромінювання, вхідного опіру розроблених варіантів системи, що опромінює, як окремо, так і у складі БПА.

Об'єктом дослідження є випромінювання/розсіювання електромагнітного поля в багатопроменевої дзеркальної антені.

Предметом дослідження є побудована зі спіральних випромінювачів система, що опромінює, багатопроменевої дзеркальної антени.

Методи дослідження. Для дослідження характеристик випромінювання спіральних випромінювачів використаний метод векторного потенціалу. Розподіл струму в спіральному провіднику обчислювалося з використанням узагальненого методу наведених ЕРС. Магнітне поле поблизу поверхні дзеркала визначено на основі векторних формул, що визначають поле випромінювання спіральних структур. Теоретичне дослідження характеристик випромінювання БПА проведено методом поверхневих струмів. антена багатопроменевий дзеркальний випромінювач

Експериментальні дослідження розробленої системи, що опромінює, як окремо, так і у складі БПА, включають вимірювання характеристик випромінювання в умовах відкритого полігона з використанням автоматизованого вимірювального стенда. Дослідження вхідного опіру випромінювача виконано рефлектометричним методом з використанням вимірювального комплексу.

Наукова новизна. Під час виконання дисертаційної роботи отримані наукові результати:

1. Отримани основни співвідношення для розрахунку й аналізу характеристик випромінювання багатопроменевих дзеркальних антен із системою, що опромінює, яка складається зі спіральних випромінювачів і малоелементних решіток на їхній основі. Отримано формули для розподілу щільності струму на поверхні сферичного дзеркала багатопроменевої антени при відхиленні випромінювачів від фокальної вісі в заданих напрямках.

2. Розглянуто варіанти спіральних випромінювачів, виконаних на різних поверхнях обертання: циліндрі, напівсфері, сфероциліндрі. Отримано параметричні рівняння, що дозволяють виконати плавне сполучення спіралей на границі сферичної й циліндричної поверхонь.

3. На підставі аналізу амплітудно-фазового розподілу струму уздовж спірального провідника виявлено зв'язок між геометричною формою випромінювача, характером розподілу струму та його характеристиками випромінювання, а також частотнімі властивостями вхідного опіру й коефіцієнта еліптичності.

4. У результаті теоретичного дослідження встановлені загальні закономірності й особливості формування поля випромінювання сферичної дзеркальної антени при різних випадках розташування випромінювачів.

Практична цінність отриманих результатів.

1. Розроблено, виготовлено і експериментально досліджено конструкції опромінювачів БПА з круговою поляризацією у вигляді одно- і двозахідного сфероциліндричних спіральних випромінювачів. Розроблені конструкції мають підвищений коефіцієнт еліптичності (більше 0,92) і активний вхідний опір (50 Ом) в 40% смузі робочих частот.

2. Приведено рекомендації по вибору геометричних параметрів спірального опромінювача, при яких характеристики спрямованості сферичної дзеркальної антени задовільняють міжнародним вимогам до антен СТС.

3. Створено програма для розрахунку, аналізу й моделювання характеристик БПА зі спіральними опромінювачами.

4. Розроблено, виготовлено й експериментально досліджено сферична дзеркальна антена зі спіральними опромінювачами.

5. Для сферичної дзеркальної антени з радіусом кривизни 28? з опромінюючою системою зі сфероциліндричних випромінювачів визначені максимальний кут рознесення променів -- 110^о і оптимальний кут розкрива дзеркала -- 150^о. В цьому секторі кутів ширина парціальних діаграм спрямованості (ДС) за рівнем -3 дБ складає 3^о.

6. Результати теоретичних та експериментальних досліджень та розробки багатопроменевих ДА впроваджено в Севастопольському національному технічному університети, ЦКБ“Корал” (м. Севастополь), ТОВ “САИТ” (м. Москва).

Особистий внесок здобувача. Із загальних публікацій використані тільки ті матеріали, у яких є вагомий внесок автора, включаючи: обґрунтування й постановку завдань теоретичних й експериментальних досліджень [8]; розробку математичних моделей й обчислювальних алгоритмів [3, 4,]; проведення чисельного моделювання та обробку результатів досліджень [1, 2, 5, 9, 7], їхню фізичну інтерпретацію й узагальнення; формулювання висновків і практичних рекомендацій [8].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 264 сторінок, з них 168 сторінок машинописного тексту з ілюстраціями на 28 сторінках, список використаних джерел з 127 найменувань на 13 сторінках, та 5 додатків на 81 сторінці.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: ІV-th, V-th Іnternatіonal Conferences on Antennas Theory and Technіques (Sevastopоl, 2003, 2005); 12-16-й міжнародних конференціях "СВЧ-техника и телекомуникационные технологии" (Севастополь, 2002-2006); 3-rd Іnternatіonal Conference on Ultrawіdeband and Ultrashort Іmpulse Sіgnals (Sevastopоl, 2006); 7-10-м міжнародних молодіжних форумах "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке" (Харків, 2003-2006); Міжнародній молодіжній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і вчених "Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций "РТ-2006" (Севастополь, 2006); наукових семінарах кафедри радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.

Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опубліковано 21 робота, в тому числі 8 статей у науково-технічних журналах [1 -- 8], отримано 2 патенти України [9, 10].

Основний зміст роботи

У введенні обґрунтовано актуальність теми досліджень, показано зв'язок роботи з програмами й планами науково-дослідних робіт, сформульовано мету й основні завдання досліджень. Визначено наукову новизну й практичну значимість отриманих результатів, наведено відомості про реалізацію й впровадження основних результатів роботи. Визначено особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, представлено відомості по апробації й публікації результатів, структурі дисертації.

У першому розділі проведено аналіз сучасних бортових антен ретрансляторів супутникових систем зв'язку, сформульовано й проаналізовано основні вимоги до них, визначено завдання по розробці багатопроменевих антен із ширококутовим рознесенням променів.

Дотепер таке завдання вирішується в основному за рахунок розробки ФАР і ГДА. Головним ускладненням при створенні ФАР з великою апертурою є розробка розподільної системи збудження ФАР по кожному промені. Перехід від складної ФАР до дзеркальної антени з простими решітками, що опромінюють, дозволяє у кілька разів скоротити втрати у високочастотному тракті й на порядок зменшити вартість антени. Існуючі багатопроменеві ГДА ретрансляторів сучасних супутникових систем зв'язку будуються, головним чином, на основі параболічних дзеркал, а елементами антеною решітки, що опромінює, як у ФАР, так й у ГДА найчастіше є рупорні й друковані випромінювачі. При цьому вимоги до характеристик ДС антени забезпечуються за рахунок складної, громіздкої й дорогої ДСС й інших допоміжних технічних засобів. У результаті, смуга робочих частот таких антен не перевишує 3--5%, коєфіциент корисної дії не перевищує 50%, кут відхилення променя в ГДА -- не більше 15^о.

Пропоноване рішення завдання ширококутового рознесення променів складається в переході до антен зі сферичним профілем дзеркала. Завдяки симетрії щодо центра, сферичні дзеркала дозволяють здійснювати рознесення променів у широкому секторі кутів без спотворення діаграми спрямованості простим зсувом випромінювача по концентричній фокальній поверхні.

Розглянуті також основні методи розрахунку характеристик дротових і дзеркальних антен, виявлені їхні достоїнства й обмеження. Наведено обґрунтування методів, використаних для дослідження спіральних структур і багатопроменевих сферичних дзеркальних антен з ширококутовим рознесенням променів.

Другий розділ присвячено розробці математичної моделі сферичної БПА й аналізу її основних характеристик випромінювання, які обумовлені спрямуючими й частотними властивостями використованих випромінювачів. Система, що випромінює, була створена на спіральних структурах, що розташовано на циліндрічній та сферичній поверхнях. Як базова структура була прийнята циліндрична спіраль зі сталим кроком, яка містить n_c витків з радіусом циліндра a і кутом намотування в_с, параметр спіралі б=0 у точці живлення та б=2рn_с -- наприкінці спірали (див. рис. 1а). Також були розглянуті варіанти сфероциліндричного випромінювача, схематично представленого на рис.1б.

Згідно з рис.1б, сферичну поверхню сполучено із циліндричною й обмежено окружніст'ю d_mіn, що отримано перетином півсфери площиною, яка проходить через кінець спірали паралельно площіні XOY. На тій частині півсфери, що використовується, розміщено n_s витків, при цьому кут у точці з'єднання дорівнює в_s1, а наприкінці спірали -- в_s2.У роботі визначено закон намотування в(?), а також отримано параметричні рівняння для елемента спірали dl у декартовій і сферичній системах координат. Для визначення спрямовуючих і частотних властивостей випромінювачів розроблена математична модель амплітудно-фазового розподілу струму й вхідного опіру спірального випромінювача з використанням методу наведених ЕРС.

Для цього отримано співвідношення для визначення взаємних опірів випромінювання довільних криволінійних сегментів, а також розроблено алгоритм обчислення функції розподілу струму й вхідного опіру спірального випромінювача. Далі було проведено аналіз поля випромінювання вісесиметричного спірального випромінювача поблизу поверхні сферичного дзеркала (див. рис.2).

Напруженість магнітного поля поблизу поверхні дзеркала в точці М() визначається співвідношеннями:

;, (1)

де -- амплітудно-фазовий розподіл струму по довжині провідника l, r' -- відстань від елемента спіралі dl до точки M(x',y',z') на поверхні дзеркала; ; -- магнітна константа.

Здійснюючи перехід до прямокутового базису с ортамі , на підставі (1) можемо записати:

(2)

Де

; ; . (3)

На підставі (2), складові магнітного поля визначаються згідно з формулами:

; ; , (4)

де K₁, K₂, K₃ -- коефіцієнти, обумовлені по формулах

;;

Згідно з рис. 2 радіус-вектор r' можна записати у вигляді , де та показані на рис.2. Тоді

(5)

На підставі формул (2) з урахуванням геометричних параметрів спірального опромінювача були розраховані складові магнітного поля з урахуванням ближньої зони випромінювача. Аналогічний підхід було застосовано і для асиметричного положення спірального випромінювача, що дозволило дослідити особливості формування діаграмних характеристик сферичної антени.

При аналізі розподілу щільності струму на поверхні сферичного дзеркала при наявності двох опромінювачів (див. рис. 2), необхідно з'ясувати границі робочіх зон, які створюються кожним опромінювачем, ступінь їхнього перекриття, поляризаційну структуру поля. Відповідно до наближення Кирхгофа можемо записати співвідношення для щільності струму :

, (6)

де -- внутрішня нормаль до поверхні дзеркала в точці М().

При наявності двох випромінювачів , де проекції векторів та треба визначати в системі координат XYZ (див. рис. 2).

З огляду на те, що проекції у системі координат XYZ визначаються співвідношеннями:

; ;

;,

на підставі (6) після підстановки співвідношень (4) одержуємо:

; ;, (7)

де W₁, W₂, W₃ -- коефіцієнти, обумовлені на підставі формул (4) для першого() й другого () випромінювача наступним чином:

; ;

. (8)

Здійснюючи підстановку (4) в (8), після перетворень отримаємо:

(9)

(10)

(11)

де r₁' визначається формулою (5), r₂' -- аналогічною формулою для другого випромінювача.

На підставі формул (4--11) виконано чисельні розрахунки поверхневої щільності струму для двох випромінювачів з різним кутовим відстанням між ними (див. рис. 2), що дозволяє досліджувати особливості багатопроменевого режиму сферичної антени.

На підставі виведених формул для можна визначити характеристики випромінювання сферичної антени.

Для визначення поля випромінювання антени в точці N(x,y,z) (див. рис.2) скористаємося векторною формулою для напруженості електричного поля :

, (12)

де (x,y,z) -- координати точки спостереження N; (x',y',z') -- координати точки інтегрування M (рис. 2), r₀ -- одиничний радіус-вектор точки М, проведений у видалену на відстань r точку N, що може бути представлений у декартовій системі координат як

; (13)

S -- внутрішня поверхня сферичного дзеркала, елемент якої описується співвідношенням .

Розкриваючи векторний добуток у підинтегральному виразі формули (12), після підстановки (13) і перетворень можемо записати:

,

Де

;

;

.

Отримані формули дозволяють досліджувати припустимі кутови відстані між сформованими ДС по кожному промені, кількість променів, ширину парціальних ДС, їх поляризаційну структуру та взаємний вплив.

У третьому розділі наведені результати чисельних розрахунків, отримані за допомогою приведених формул. Було розглянуто три типи спіральних випромінювачів, які зображени на рис. 3: а -- циліндрична спіраль (ЦСВ); б -- ЦСВ з напівсферичним закінченням з боку вільного кінця спірали (ЦСВ-1); в -- ЦСВ з напівсферичними закінченнями з обох кінців (ЦСВ-2).

При аналізі характеристик випромінювання й вхідного опіру спіральних структур найчастіше передбачається режим хвилі струму, що біжить, без урахування її вповільнення й відбиття від кінця спірали. Однак для випромінювачів багатопроменевих антен зазначени наближення не є можливими, тому було проведене дослідження розподілу амплітуди й фази струму в провіднику спірали методом наведених ЕРС з урахуванням її геометричних параметрів і доповнення напівсферичними закінченнями (рис. 3).

Чисельні розрахунки проводилися для випадків периметру витка с кутом нахилу . У результаті було встановлено, що в ЦСВ (див. рис. 3а) у режимі осьового випромінювання крім області С, у який існує хвиля струму, що біжить, виникає також ряд інших областей з характерним для них розподілом струму.

Область A (див. рис.4) розташовується поблизу точкі збудження, амплітуда струму в ній швидко спадає з видаленням від точкі збуджування. Фазова швидкість хвилі струму в цій області близька до швидкості світла.

Найбільш складну структуру має область C -- поблизу кінця спірали. Амплітуда струму в її середній частині постійна, фазова швидкість менше за швидкості світла. У результаті відбиття від кінця спірали амплітудний розподіл на останніх витках здобуває характер хвилі, що стоїть. Встановлено взаємозв'язок між характером розподілу струму й геометричними параметрами спіралі.

Характеристики випромінювання ЦСА формуються зазначеними областями спільно. Область із уповільненням струму формує ДС в області головного пелюстка, поляризація випромінювання, створюваного цією областю, залежить від співвідношення амплітуд рівномірної й коливальної складових і для в>12,5° може бути практично круговою (K_є>0,9). Рівень бокових пелюстків (РБП) для ДС, формованою цією областю, становить у середньому -12…

-18 дБ. Області без уповільняння струму формують в основному неспрямоване випромінювання з поляризацією, близькою до кругової. Зі збільшенням в випромінювання, яке створюється цими областями, підсилюється, і для в>12,5° РБП становить менш -10 дБ. Аналогічні розподіли струму спостерігалися й для сфероциліндричних спіральних випромінювачів, однак амплітуда відбитої хвилі на кінці спірали для них значно менше. На основі отриманих розподілів струму були досліджені характеристики випромінювання для основної й кросполярізаційної складової поля ЦСВ й СЦСВ-1 у смузі частот 2...6 ГГц при і кількості витків n_c=2…10. Також було визначено ширина ДС за рівнем -3 дБ и -10 дБ і коефіцієнт еліптичності залежно від частоти і .

На рис. 5 зображені встановлені залежності для K_є (маркерами наведено результати експерименту), аналіз яких показав, що при n_c=2…3 поляризація поля випромінювання СЦСВ-1 стає круговою, із зростанням n_c K_є не зменшується нижче 0,92, на відміну від ЦСВ.

Також були досліджені частотні властивості спіральних випромінювачів. Зокрема встановлено, що для узгодження ЦСВ з коаксіальним кабелем доцільно застосовувати напівсферичний спіральний перехід.

На рис. 6 зображені залежності досліджених спіральних випромінювачів. Як витікає з рис. 6, для СЦСВ-2 с спостерігається висока якість узгодження в 40% смузі частот, при Ом. Таким чином, перспективно надалі використовувати сфероциліндричні випромінювачі як елементи ДСС сферичної БПА.

При розробці сферичної БПА необхідно визначити припустимий кут рознесення суміжних і крайніх променів, рівень розв'язки між променями, максимально можливу кількість променів та їхні характеристики (коєфіціент підсілювання (КП), РБП, ширину ДС , K_є). При цьому вказани параметри й характеристики БПА в значній мірі будуть визначатися розподілом поверхневого струму, якій створюється кожним випромінювачем на сферичному дзеркалі.

У роботі проведено аналіз складових токів , , для напівсферичного дзеркала з діаметром , що урівнював 2,1м на частоті ГГц, при цьому . Як випромінювач застосовувалася сфероциліндрична спіраль СЦСВ-2 (см. рис. 3) с ; для циліндричної частини випромінювача були обрані ; n_c;=4…8, . На підставі отриманих амплітудно-фазових розподілів щільності струму були визначені розміри першої зони Френеля, що формує головний пелюсток ДС антени, а також встановлено взаємозв'язок розподілу з геометричними параметрами випромінювача СЦСВ-2. На підставі проведеного дослідження розподілу обрано конструктивні параметри випромінювача: ; ; .

Аналіз характеристик БПА було проведено для двох випромінювачів з різним кутовим рознесенням. Розрахунки були проведені на частоті ГГц у лінійному й круговому базисах для двох площин XOZ та YOZ по складових поля , ; , , також досліджувався K_є у межах ширини головного пелюстка . Отримані результати порівнялись з еталонній кривій коефіцієнта підсилення антени відповідно до Рекомендації МСЕ-Р для антен СТС.

На рис. 7 наведені ДС сферичної антени для однопроменевого режиму випромінювання, при зсуві випромінювача від фокальної вісі () на кут . Згідно з рис. 7, вимоги Рекомендації МСЕ-Р задоволені у всьому секторі кутів.

Результати дослідження ДС для двох випромінювачів наведені на рис. 8 з урахуванням фазування струмів у кожному випромінювачі. При синфазному порушенні () і рознесенні променів на кут , провал між головними пелюстками (див. рис. 8а) становить 18 дБ, а при протифазному порушенні випромінювачів () ця провалина становить більш ніж 40 дБ.

Аналогічна картина спостерігається при . Отриманий результат дозволяє оптимізувати характеристики випромінювання багатопроменевої сферичної дзеркальної антени з урахуванням вимог до антен СТС, які виконуються в межах усього сектора кутів. З урахуванням мінімального кута розносу суміжних променів, що близький до , можливо сформувати на даному сферичному дзеркалі більше 100 променів.

У четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження характеристик випромінювання й вхідного опіру елементів решітки та характеристик спрямованості сферичної дзеркальної антени.

Для експериментального дослідження СДА було розроблено вимірювальний комплекс із наступними характеристиками: динамічний діапазон вхідного сигналу -- 45 дБ, точність відліку кутів -- 3', погрішність виміру амплітудних ДС -- менш 0,3 дБ у зазначеному динамічному діапазоні.

Проведено експериментальне дослідження вхідних і поляризаційних характеристик виготовлених макетів спіральних випромінювачів та їхнє зіставлення з результатами теоретичного аналізу. Показано, що доповнення циліндричної спіралі напівсферичними закінченнями забезпечує K_є>0,92 і вхідний опір біля 50 Ом в 40% смузі робочих частот. Для геометричних параметрів спіральних випромінювачів сферичної дзеркальної антени можна рекомендувати наступні значення: кут нахилу витків циліндричної спірали ?=8^о...10^о, кількість витків n_c=4...6. У цьому випадку ДС випромінювача має осьову симетрію в ортогональних площинах і стійку поляризаційну структуру поля випромінювання.

Відповідно до програми експериментальних досліджень розроблена конструкція багатопроменевої сферичної дзеркальної антени. Проведено вимірювання й аналіз характеристик спрямованості сферичної дзеркальної антени зі сфероциліндричнимі спіральнимі випромінювачамі, виходячи з яких показано, що при відхиленні випромінювача від вісі антени на кут до 45^о ширина головного пелюстка ДС залишається сталою й становить 3^о, у той час як рівень бічних пелюстків збільшується з -40 дБ до -30 дБ. Відхилення випромінювача від вісі антени призводить також до помітної асиметрії бічних пелюстків щодо максимуму головного пелюстка, що може бути зменшено при використовуванні усіченого дзеркала.

При рознесенні випромінювачів на відстань більше /2 розв'язка між суміжними випромінювачами становить не менш 30 дБ, що задовільняє вимогам МСЕ-Р.

Висновок

Дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, у якому вирішується актуальне наукове питання формирования багатопроменевої діаграми спрямованости з рознесенням променів у широкому секторі кутів без спотворення характеристик спрямованності. Мета й завдання дослідження досягаються завдяки поеднанню сферичної форми дзеркала та опромінюючой системи, яка складається зі спіральних випромінювачів і малоелементних решіток на їхній основі. Це дае можливість рознести промені в секторе 110^о з характеристиками, задовільняючими Рекомендаціям МСЕ-Р. У дисертаційній роботі отримані наступні основні результати:

1. У процесі теоретичного дослідження характеристик випромінювання багатопроменевої сферичної дзеркальної антени були розглянуті варіанти спіральних випромінювачів, виконаних на різних поверхнях: круговому циліндрі, півсфері, сфероциліндрі.

2. Отримано параметричні рівняння для сфероциліндричного спірального випромінювача, що дозволяють виконати плавне сполучення спіралей на границі сферичної й циліндричної поверхонь.

3. Отримано формули для розрахунку амплітудно-фазового розподілу струму на спіральному випромінювачі заданої геометричної форми, які дозволяють уточнити границі режиму хвилі, що біжить, у спіральному провіднику й визначити частотні властивості вхідного опіру випромінювача.

4. Розроблено математичну модель сферичної багатопроменевої антени зі спіральними опромінювачами довільної конфігурації, що дозволяє досліджувати поляризаційну структуру поля випромінювання по кожному промені; визначити можливу кількість променів, які можна створити при даному радіусі сферичної поверхні; оцінити граничне значення КСД по кожному промені, а також коефіцієнт еліптичності як в осьовому напрямку, так й у межах ширини головного пелюстка ДС.

5. На підставі аналізу результатів теоретичного дослідження багатопроменевої сферичної дзеркальної антени встановлено, що в циліндричної спіралі із сталим кроком в режимі осьового випромінювання існує область із хвилею струму такою, що біжить, у той же час крім неї існує ряд інших областей з характерним для них амплітудно-фазовим розподілом струму. Характеристики випромінювання ЦСА формуються зазначеними областями спільно. Область із уповільненням струму формує ДС в області головного пелюстка, поляризація випромінювання, створюваного цією областю, залежить від співвідношення амплітуд рівномірної й коливальної складових і для в>12,5° може бути практично круговою (K_є>0,9). РБП для ДС, формованою цією областю, становить у середньому -12…-18 дБ. Області без уповільнення струму формують в основному неспрямоване випромінювання з поляризацією, близькою до кругової. Зі збільшенням в випромінювання, яке створюється цими областями, підсилюється, і для в>12,5° РБП становить менш -10 дБ.

6. Для геометричних параметрів спіральних випромінювачів сферичної дзеркальної антени можна рекомендувати наступні значення: кут нахилу витків спірали ?=8^о...14^о, кількість витків n_c=4...8. У цьому випадку ДС випромінювача має високу осьову симетрію в ортогональних площинах, та низький рівень бічного випромінювання.

7. Доповнення циліндричної спіралі напівсферичними закінченнями забезпечує K_є>0,92 і вхідний опір біля 50 Ом в 40% смузі робочих частот.

8. Проведено вимірювання й аналіз характеристик спрямованості сферичної дзеркальної антени зі сфероциліндричним спіральним випромінювачем, на підставі яких показано, що при відхиленні випромінювача від вісі антени на кут до 45^о ширина головного пелюстка ДС залишається сталою й становить 3^о, у той час як рівень бічних пелюстків збільшується с -40 дБ до -30 дБ. Відхилення випромінювача від вісі антени призводить також до помітної асиметрії бічних пелюстків щодо максимуму головного пелюстка, що може бути зменшено при використовуванні усіченого дзеркала.

9. При рознесенні випромінювачів на відстань більше /2 розв'язка між суміжними випромінювачами становить не менш 30 дБ, що задовільняє вимогам МСЕ-Р. Обертання одного з випромінювачів навколо вісі призводить до зміни фазових співвідношень між полями випромінювачів, і, як наслідок, форми групової діаграми спрямованості, що може бути використано при настроюванні диаграмостворюючої схеми для компенсації різниці електричних довжин її каналів й одержання максимальної розв'язки між суміжними променями.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Бахтияров В.В., Исаенко А.Ю., Троицкий А.В. Оценка коэфициента направленного действия двухэлементной антенной решетки из полусферических излучателей // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2003. Вып. 47. С. 121--126.

Автором проведене чисельне моделювання характеристик випромінювання решіткі з півсферичих випромінювачів в широкому діапазоні зміни як геометричних параметрів, так і умов его збудження.

2. Проценко М.Б., Троицкий А. В, Нестерук С.В. Влияние фазового распределения поля в апертуре зеркальной антенны на ее характеристики излучения // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2004. Вып. 60. С. 118--123.

Автором проведено чисельне моделювання.

3. Лобкова Л.М., Редин М.И., Троицкий А.В. Моделирование поля излучения в ближней зоне конформной антенной решетки // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2004. Вып. 60. С.100--105.

Автором запропонована методика дослідження і отримані підсумкови вирази для розрахунку поля випромінювання решітки спіралей.

4. Лобкова Л.М., Редин М.И., Троицкий А.В. Анализ характеристик излучения двухлучевой сферической зеркальной антенны // Электроника и связь. Киев: Изд-во НТУ “КПИ”. 2005. №27. С.84--89.

Автором розроблено математичну модель, отримано підсумкові вирази і програму для розрахування поля випромінювання сферичної ДА і проведено аналіз отриманих результатів.

5. Головин В.В., Лобкова Л.М., Троицкий А.В. Особенности амплитудно-фазового распределения тока на поверхности сферического зеркала // Электроника и связь. Киев: Изд-во НТУ “КПИ”. 2005. №29. С. 70--75.

Автором отримано формули для розрахунку складових щільності струму на поверхні сферичного дзеркала, розроблено алгоритми та програмування, а також розрахунки на ПК і їх аналіз.

6. Лобкова Л.М., Троицкий А.В., Тыщюк Ю.Н. Методы расчета квази-параболических зеркальных антенн // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2005. Вып. 68. С. 196--203. Автором проведено порівнювальний аналіз методів розрахунку дзеркальних антен.

7. Лобкова Л.М., Головин В.В., Троицкий А.В. Характеристики излучения сферической антенны с управляемой диаграммой направленности // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2006. Т.49. №4. С. 46--53.

Автором проведено розробку алгоритму, програмування та чисельні розрахунки і аналіз діаграм спрямованості дзеркальної антени.

8. Троицкий А.В. Оптимизация геометрических параметров спирального облучателя сферической зеркальной антенны // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2006. Вып. 74. С. 134--138.

9. Патент України 17158 МПК H01Q 21/00. Багатопроменева сферична дзеркальна антена. Лобкова Л.М., Головін В.В, Тіщук Ю.М., Троїцький О.В., Редін М.І. Заявл.20.03.2006. Опубл 15.09.2006. Бюл. №9, 2006 р. Автором запропоновано використовувати спіральні опромінювачі в ДСС сферичної дзеркальної антени.

10. Патент України 21820 МПК H01Q 11/00. Однозахідна спіральна антена. Лобкова Л.М., Троїцький О.В., Головін В.В, Білий А.Л, Виголов С.О. Заявл.08.08.2006. Опубл 10.04.2007. Бюл. №4, 2007 р. Автором виявлено поліпшення узгодження антени з коаксіальним кабелем та підвищення чистоти полярізації випромінювання за рахунок доповнення циліндрічної спіралі півсферичними скінченнями.

11. Protsenko M.B., Lukyanchikov A.V., Troitskiy A.V., Komarov P.A. Modeling of the Multiple-arm Conical Spiral Antennas for various Applications // Proc. of IV-th International Conference on antenna Theory and Techniques, 9--12 Sept. Sevastopol, Ukraine. 2003. P. 491--492. Автором проведені розрахунки характеристик випромінювання багатозаходних конічних спіральних антен.

12. Проценко М.Б., Бахтияров В.В., Троицкий А. В., Комаров П.А. Исследование поляризационных характеристик спиральных антенн // Мат. 13-й Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-2003), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 8--12 сентября 2003 г.: Материалы конф.в 2 т. Севастополь: “Вебер”. 2003. С. 432--433.

Автором проведено розробку алгоритму, програмування та чисельні розрахунки.

13. Бахтияров В.В., Троицкий А.В., Исаенко А.Ю. Синтез антенны с квазиизотропной ДС на основе сфероцилиндрического излучателя // Мат. 7-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 22--24 апреля 2003. Харьков, Украина. 2003. С. 38.

Автором проведене чисельне моделювання характеристик випромінювання напівсферичного випромінювача в широкому діапазоні зміни як геометричних параметрів, так і умов его збудження.

14. Лобкова Л.М., Троицкий А.В. Поляризационные характеристики зеркальной антенны при использовании облучателя с вращающейся поляризацией // 14-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. (КрыМиКо 2004). Севастополь, 13--17 сентября 2004 г.: Материалы конф.в 2 т. Севастополь: “Вебер”. 2004. C. 370--371. Автором отримано підсумкови вирази для розрахунку поля випромінювання сферичної дзеркальної антени. Проведено теоретичний розрахунок і аналіз отриманих даних.

15. Lobkova L.M., Redin M.I., Troitsky A.V. Particularity of designing of multibeam antennas based on spheroidal reflector // Proc. of V-th International Conference on antenna Theory and Techniques, 24--27 May, 2005. Kyiv, Ukraine.2005. P. 551--553. Автором розроблена конструкція антени, проведені теоретичні та експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів.

16. Лобкова Л.М, Редин М.И., Троицкий А.В., Шаповалов К.В. Поляризационная структура поля излучения многолучевой сферической зеркальной антенны // 15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. (КрыМиКо 2005). Севастополь, 12--16 сентября 2005 г.: Материалы конф.в 2 т. Севастополь: “Вебер”. 2005. C. 402--403.

Автором проведено розробку алгоритму, програмування та чисельні розрахунки і аналіз діаграм спрямованості дзеркальної антени

17. Троицкий А.В., Редин М.И. Исследование поляризационной структуры поля излучения многолучевой антенны // Мат. 9-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 19--21 апреля 2005. Харьков, Украина. 2005. C. 27.

Автором отримано підсумкови вирази для розрахунку поля випромінювання сферичної дзеркальної антені. Проведено теоретичний розрахунок і аналіз отриманих даних.

18. Лобкова Л.М., Троицкий А.В., Выголов С.А., Белый А.Л. Бифилярный цилиндрический спиральный облучатель для сферической зеркальной антенны // 16-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. (КрыМиКо 2006). Севастополь, 11--15 сентября 2006 г.: Материалы конф.в 2 т. Севастополь: “Вебер”. 2006. C. 481--482.

Автором розроблена конструкція випромінювача, проведені теоретичні та експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів.

19. Lobkova L.M., Golovin V.V., Troitsky A.V., Tyschuk U.N. Spherical reflector antenna gain optimization // 2006 International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 18--22 September. Sevastopol, Ukraine. 2006. P. 165--166.

Автором проведено теоретичне дослідження, виконано анализ отриманих результатів.

20. Белый А.Л., ТроицкийА.В., Шевчук С.А. Влияние распределения тока на поверхности сферического зеркала на характеристики антенны // Мат. 7-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 10--12 апреля 2006. Харьков, Украина. 2006. С. 18.

Автором отримані підсумкови вирази для розрахунку поля випромінювання сферичної дзеркальної антені, проведено розробку алгоритму, програмування та чисельні розрахунки і аналіз діаграм спрямованості дзеркальної антени.

21. Белый А.Л., Выголов С.А., Троицкий А.В. Спиральный облучатель круговой поляризации для сферической зеркальной антенны // Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций “РТ-2006”: Материалы междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и ученых, 17--21 апреля 2006г. Севастополь: Изд-во СевНТУ. 2006. С. 68.

Автором проведено чисельні розрахунки характеристик випромінювання досліджуваних спіральних антен, розроблені їх макети і проведені експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів.

Анотація

Троїцький О.В. Сферична дзеркальна антена зі спіральними опромінювачами. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 -- Антени та пристрої мікрохвильової техніки. -- Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2007.

В дисертації розроблена математична модель багатопроменевої сферичної дзеркальної антени зі спіральними опромінювачами різної конфігурації. Розглянуті варіанти спіральних випромінювачів, виконаних на різних поверхнях обертання: циліндрі, напівсфері, сфероциліндрі.

Розроблено, виготовлено й експериментально досліджено конструкції випромінювачів із круговою поляризацією випромінювання для багатопроменевих ЗА у вигляді одно- і двозахідного сфероциліндричних спіральних випромінювачів. Розроблені конструкції мають підвищений коефіцієнт еліптичності (більше 0,92) і активний вхідний опір (50 Ом) в 40% смузі робочих частот.

Наведено рекомендації з вибору геометричних параметрів спірального випромінювача, при яких характеристики спрямованості сферичної дзеркальної антени задовольняють міжнародним вимогам до антен СТС.

Для сферичної дзеркальної антени з радіусом кривизни 28? с системою, що опромінює, зі сфероциліндричних випромінювачів визначено максимальний кут рознесення променів -- 110^о і оптимальний кут розкриву дзеркала -- 150^о. У цьому секторі кутів ширина парціальних ДС за рівнем -3 дБ становить 3^о при коефіцієнті еліптичності більше 0,92 і рівні бічного випромінювання менш -30 дБ.

Ключові слова: багатопроменева антена, спіральні випромінювачі, ширококутне рознесення промінів, математична модель поля випромінювання, амплитудно-фазовий розподіл струму.

Аннотация

Троицкий А.В. -Сферическая зеркальная антенна со спиральными облучателями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2007.

В диссертации разработана математическая модель многолучевой сферической зеркальной антенны со спиральными облучателями различной конфигурации, учитывающая: расположение зеркала в ближней зоне излучателя; геометрические параметры излучателя: количество витков на цилиндрической и полусферической поверхностях; угол намотки спирали и поворот точки возбуждения вокруг оси симметрии и смещение вдоль оси. Выведены формулы для распределения плотности тока на поверхности сферического зеркала и поля излучения зеркальной антенны при отклонении облучателей от фокальной оси в заданных направлениях.

Рассмотрены варианты спиральных излучателей, выполненных на различных поверхностях вращения: цилиндре, полусфере, сфероцилиндре. Выведены параметрические уравнения, позволяющие выполнить плавное сопряжение спиралей на границе сферической и цилиндрической поверхностей.

В результате анализа амплитудно-фазового распределения тока на спиральном излучателе уточнены границы режима бегущей волны в спиральном проводнике. Исследованы частотные свойства входного сопротивления и коэффициента эллиптичности в зависимости от геометрической формы излучателя.

Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы конструкции облучателей с круговой поляризацией излучения для многолучевых ЗА в виде одно- и двухзаходных сфероцилиндрических спиральных излучателей. Разработанные конструкции обладают повышенным коэффициентом эллиптичности (более 0,92) и активным входным сопротивлением (50 Ом) в 40% полосе рабочих частот.

Приведены рекомендации по выбору геометрических параметров спирального облучателя, при которых характеристики направленности сферической зеркальной антенны удовлетворяют международным требованиям к антеннам СТС.

Создана программа для расчета, анализа и моделирования характеристик многолучевых зеркальных антенн со спиральными облучателями.

Разработана, изготовлена и экспериментально исследована многолучевая сферическая зеркальная антенна.

Для сферической зеркальной антенны с радиусом кривизны 28? с облучающей системой из сфероцилиндрических излучателей определены максимальный угол разнесения лучей -- 110^о и оптимальный угол раскрыва зеркала -- 150^о. В этом секторе углов ширина парциальных ДН по уровню -3 дБ составляет 3^о при коэффициенте эллиптичности более 0,92 и уровне бокового излучения менее -30 дБ.

Проведены измерение и анализ характеристик направленности сферической зеркальной антенны со сфероцилиндрическим спиральным облучателем, на основании которых показано, что при отклонении облучателя от оси антенны на угол до 45^о ширина главного лепестка ДН остается постоянной и составляет 3^о, в то время как уровень боковых лепестков увеличивается с -40 дБ до -30 дБ. Отклонение облучателя от оси антенны приводит также к заметной асимметрии боковых лепестков относительно максимума главного лепестка, которая может быть уменьшена при усечении зеркала.

При разнесении облучателей на расстояние более 15^о развязка между смежными облучателями составляет более 30 дБ, что удовлетворяет требованиям МСЭ-Р.

Ключевые слова: многолучевая антенна, спиральные излучатели, широкоугольное разнесение лучей, математическая модель поля излучения, амплитудно-фазовое распределение тока.

Abstract

Troitsky A.V. -Spherical reflector antenna with helical feeders

Ph. D. thesis on speciality 05.12.07 - Antennas and devices of microwave engineering. - National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2007.

The mathematical model of multibeam spherical reflector antenna with helical feeders of a different configuration is presented. The variants of the helical feeders executed on different surfaces of rotation (cylinder, hemisfere, sferocylinder) are considered. Formulas for current distribution on the surface of spherical mirror and field of radiation of reflector antenna versus deviation of feeders from a focal axis are shown out.

As a result of theoretical research general conformities to the law and features of spherical reflector antenna radiation field forming for different cases of feeders location are set.

The constructions of one- and two-arm sferocylinder helix feeders are designed and investigated. These feeders have improved axial ratio (appr. 1.08) and active input impedance (50 Ohm) in 40% frequency band.

Key words: multibeam aerial, helical feeders, wide-angle diversity of beams, mathematical model of the radiation field, amplitude-phase current distribution.

Размещено на Allbest.ru

...