ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Головін Владислав Вікторович

УДК 621.396.677

МЕТОДИ ПОБУДОВИ

Широкосмугових опромінюючих систем

для гібридно-дзеркальних антен

05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

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, м. Севастополь.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович,

Харківський національний університет ім.
В.Н. Каразіна, завідувач кафедрою прикладної електродинаміки, м. Харків

кандидат фізико-математичних наук, доцент Должиков Володимир Васильович,

Харківський національних університет радіоелектроніки, професор кафедри основи радіотехніки, м. Харків.

Ведуча організація: ВАТ "Науково-виробниче об’єднання "Сатурн", м. Київ.

Захист відбудеться “ _22_” _червня_ 2004 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 при Харківському національному університеті радіоелектроніки, за адресою: 61726, Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки.

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

У сучасних системах супутникового зв'язку (INTELSAT, EUTELSAT, TELECOM, KOPERNICUS і др.) зростає потреба в антенах, що формують діаграми спрямованості (ДС) з контурним променем, багатопроменеві, з скануванням у широкому секторі кутів одним чи декількома променями, як з круговою, так і лінійною поляризацією поля випромінювання, з високим коефіцієнтом підсилення. Цим вимогам найбільшою мірою задовольняють гібридно-дзеркальні антени (ГДА).

Одна з найбільш складних задач при проектуванні ГДА пов'язана з побудовою її опромінюючої системи. При цьому найчастіше використовуються друковані або рупорні випромінювачі. В обох випадках забезпечити необхідні характеристики випромінювання антени вдається за рахунок створення богатоелементних антенних решіток і складних громіздких діаграмоутворюючих схем (ДУС), що включають багато фазообертачів, атенюаторів, дільників потужності, пристроїв стабілізації робочих характеристик керуючих елементів, які компенсують дестабілізуючі фактори навколишнього середовища. Внаслідок цього ДУС вносять найбільші втрати в антенну систему, вимагають поділу каналів прийому і передачі, істотно погіршують частотні властивості ГДА і ускладнюють її конструкцію.

Тому актуальною є задача побудови опромінювача ГДА з використанням мінімального числа випромінювачів і елементів системи живлення. Це дозволяє спростити конструкцію антени, підвищити надійність антенної системи в складних умовах експлуатації, поліпшити енергетичні характеристики ГДА, її частотні властивості.

Одне з рішень зазначеної проблеми пов'язано з побудовою решітки, що опромінює, із спіральних випромінювачів різного типу - плоских чи об'ємних, які створюються на різних поверхнях. Спіральні антени при малих поперечних і поздовжніх розмірах дозволяють сформувати діаграму спрямованості з шириною головної пелюстки за рівнем -10 дБ від 400 до 1500 і більше. Вони забезпечують необхідну поляризаційну структуру поля випромінювання, кругову або лінійну. При побудові антенної решітки зі спіралей шляхом підбору просторової орієнтації точок живлення випромінювачів один відносно одного можна здійснювати регулювання фазової структури поля випромінювання АР – при синфазному живленні спіралей. Також підбором кутів повороту спіралей можна компенсувати фазові похибки, що виникають внаслідок неточності установки опромінювача великого дзеркала. Крім того, спіральні антени забезпечують високі характеристики направленості та узгодження у широкому діапазоні частот. Слід відмітити також, що їх узгодження на вході можна поліпшити підбором конструктивних параметрів спіралей.

Добре вивчені спіральні антени дотепер практично не розглядалися з позиції застосування їх як елементів опромінювача ГДА. Це пов'язано з труднощами математичного опису поля кругової поляризації поблизу поверхні великого дзеркала, сформованого решіткою спіралей з заданою геометрією. Існуючі числові алгоритми, що засновані на точних методах, лімітують у даному випадку можливості дослідження через їхню математичну складність. Застосування методик, заснованих на використанні різних моделей представлення випромінювачів, дає лише наближені результати, що у випадку розробки решітки спіралей, що опромінює, не дозволяють врахувати особливості сформованого ними поля кругової поляризації поблизу дзеркала.

Тому задача розробки математичної моделі ГДА з опромінювачем у вигляді решітки спіралей, що можуть бути як плоскими, так і об'ємними структурами, є актуальною. Рішення цієї задачі дозволить розробити ефективний підхід до побудови опромінюючої системи ГДА, поліпшити її характеристики.

Для однодзеркальної антени варіант рішення цієї задачі базується на використанні схеми антени Кассегрена як вихідної моделі ГДА. Особливість цього підходу полягає у тому, що мале дзеркало і рупор заміняються решіткою випромінювачів, розміщених зокрема на поверхні з гіперболічним профілем і далі визначається структура первинного поля спіральних випромінювачів поблизу великого дзеркала. Це дозволяє провести порівняння кінцевих результатів з характеристиками антени Кассегрена і оцінити ефективність розробленої антени.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Представлені наукові результати були використані при виконанні науково-дослідних робіт: “Розробка статистичної моделі каналу зв'язку і макетів нових частотно-незалежних антен дециметрового і сантиметрового діапазонів” , 2000 р.; “Розробка математичної моделі гібридно-дзеркальної антени з застосуванням малоелементних антенних решіток”, 2001 р.; “Теоретичне та експериментальне дослідження гібридно-дзеркальної антени з зміщеною фокальною віссю”, 2002 р.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є побудова ГДА з опромінюючою системою у вигляді малоелементної решітки спіральних випромінювачів, що формує первинне поле з заданою поляризаційною структурою, та забезпечує поліпшені характеристики спрямованості у широкому діапазоні частот.

Основні задачі дослідження включали наступне:

1. Розробка математичної моделі ГДА з урахуванням поляризаційної структури поля, що сформовано решіткою спіралей поблизу головного дзеркала, типу спіральних випромінювачів (плоскі чи об'ємні спіральні випромінювачі, які навиті на еліпсоїді, циліндрі, конусі з круговими чи еліптичними перетинами), з урахуванням їх розміщення в решітці.

2. Теоретичне дослідження амплітудно-фазового розподілу складових щільності струму на поверхні великого дзеркала: визначення кількості і геометричних параметрів спіралей, при яких формується амплітудний розподіл складових щільності струму, круто спадаючий до країв, що має спад у центрі, найбільш рівномірний і симетричний; визначення розташування точок живлення спіралей в решітці, при якому забезпечується необхідна фазова структура струму на дзеркалі.

3. Теоретичне дослідження характеристик випромінювання ГДА: ширини ДС, рівня бічного випромінювання, коефіцієнта спрямованої дії (КСД), коефіцієнта еліптичності (КЕ) в межах ширини головного пелюстка ДС – у залежності від геометричних параметрів спіральних випромінювачів, їх кількості і розміщення в опромінювачі. Розробка опромінюючої системи, що забезпечує високі характеристики спрямованості у широкій смузі частот.

4. Експериментальне дослідження характеристик випромінювання ГДА в діапазоні частот та порівняння їх з характеристиками антени Кассегрена.

Об'єкт і предмет дослідження.

Об'єктом дослідження було розсіювання і випромінювання поля кругової поляризації в ГДА. Предметом дослідження була розробка системи, що опромінює, з застосуванням спіральних випромінювачів.

Метод дослідження. Для аналізу характеристик випромінювання спіральних антен використовувався метод векторного потенціалу при завданні струму в провіднику у виді хвилі, що біжить. За допомогою методу геометрооптичного наближення визначалося магнітне поле поблизу поверхні великого дзеркала на підставі виразів, отриманих для поля випромінювання циліндричних спіралей на кінцевій відстані – з урахуванням квадратичних членів розкладання. Струм на дзеркалі розраховувався як векторний добуток нормалі до внутрішньої поверхні великого дзеркала на магнітну складову поля. Для обчислення поля випромінювання дзеркальної антени використовувався метод наведених струмів.

Наукова новизна.

При виконанні дисертаційної роботи отримані наступні нові результати:

1. Розроблена математична модель гібридно-дзеркальної антени, що побудована за схемою антени Кассегрена, опромінююча система якої являє собою решітку спіральних випромінювачів, розташованих на гіперболічній поверхні. В опромінювачі можуть бути використані плоскі або об'ємні спіралі (півсферичні, конічні, циліндричні - із круговим чи еліптичним перетином, комбіновані структури).

2. Визначено залежності між кількістю, геометрією циліндричних спіралей і сформованим ними амплітудним розподілом складових щільності струму на дзеркалі, що дозволяють одержати наступні розподіли:

- плавно спадаючий від центра до країв;

- що має нульовий спад у центрі дзеркала;

- найбільш рівномірний, що круто убуває до країв і що має неглибокий спад в осьовому напрямку.

3. Визначено залежності між кутами повороту точок живлення спіралей у решітці, їх зсувом відносно точки фокусу великого дзеркала і створеним ними амплітудно-фазовим розподілом складових струму, що дозволяє оптимізувати характеристики випромінювання гібридно-дзеркальної антени.

4. Встановлені залежності для ширини головної пелюстки, рівня бічного випромінювання, коефіцієнта еліптичності і частотних характеристик гібридно-дзеркальної антени від геометричних параметрів опромінюючої системи. Показана ефективність застосування малоелементної решітки спіралей для одержання високих характеристик направленості ГДА в широкій смузі частот.

Практична цінність результатів роботи:

1. Розроблена математична модель ГДА, в опромінюючій системі якої можуть використовуватись плоскі чи об'ємні спіралі, їх можна розміщати довільним чином на гіперболічній поверхні, задавати всі необхідні геометричні параметри, режим живлення, розподіл струму уздовж провідника спіралей. Подібна узагальненість представлення розширює можливості побудови опромінюючій системи ГДА, що пов’язані з реалізацією потрібної поляризаційної структури поля випромінювання, із забезпеченням високих характеристик направленості у широкому діапазоні частот і т.д.

2. Визначено діапазон значень параметрів малоелементної решітки спіралей, яки відповідають умові найбільшої ефективності використання великого дзеркала з , і , при мінімальних втратах на перевипромінювання і при мінімальному бічному випромінюванні.

3. Дані рекомендації щодо побудови опромінюючої системи ГДА з застосуванням кругових циліндричних спіральних випромінювачів – на основі проведеної оптимізації характеристик випромінювання ГДА, за критеріями одержання максимального КСД, близької до кругової поляризації випромінювання в межах ширини головного пелюстка ДС, за умови забезпечення осьового випромінювання у широкій смузі частот.

4. Розроблено за результатами експериментальних досліджень конструкцію двохзахідної суміщеної спіральної антени, яка дозволяє здійснювати керування положенням площини лінійно-поляризованого поля випромінювання. Представлено геометричні параметри одно- і двохелементного компактного опромінювача, які дозволяють забезпечити високі характеристики направленості дзеркальної антени в широкій для систем супутникового зв'язку смузі частот.

5. Розроблено прикладне програмне забезпечення (MathCAD 7,0), яке дозволяє здійснювати розрахунки і моделювання характеристик випромінювання ГДА.

Апробація результатів роботи: Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на:

1. 9-й Международной научно-технической Крымской конференции: “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 1999.

2. Международной конференции по теории и технике антенн ІCATT'99, Севастополь, 1999.

3. 10-й Международной научно-технической крымской конференции: “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 2000.

4. 11-й Международной научно-технической Крымской конференции: “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 2001.

5. 12-й Международной научно-технической Крымской конференции: “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 2002.

6. Международной конференции по теории и технике антенн ІCATT'03, Севастополь, 2003.

7. 13-й Международной научно-технической Крымской конференции: “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”, Севастополь, 2003.

8. 7-м Международном молодежном форуме "Радиоэлектроника и молодежь в XXІ веке", Харьков, 2003.

9. Семінарах, проведених на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету з 2000 по 2003 р.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 15 робіт: з них 6 - наукових статей, 8 – матеріалів і тез доповідей на науково-технічних конференціях; отриманий 1 патент України.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на _122_ сторінках машинописного тексту з ілюстраціями на _59_ сторінках, списку використаних джерел з _104_ найменувань на _14_ сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність розробки методів побудови і розрахунку ГДА з опромінювачем із спіральних випромінювачів, визначена необхідність побудови математичної моделі цього типу антен, представлена коротка анотація основних розділів дослідження.

У розділі 1 проведено огляд застосовуваних на цей час гібридно-дзеркальних антен, визначені вимоги до них, принципи їх побудови і конструктивні особливості.

Одна з найбільш складних задач при проектуванні ГДА пов'язана з побудовою її системи, що опромінює. При цьому найчастіше використовуються або друковані, або рупорні випромінювачі. Діаграмоутворююча система первинного опромінювача виявляється найбільш складною частиною ГДА, що погіршує характеристики антенної системи в цілому. Тому актуальною є задача побудови опромінювача ГДА з використанням мінімального числа випромінювачів і елементів системи живлення. Одне з рішень даної задачі пов'язано з побудовою решіток, що опромінюють, з спіральних випромінювачів. Чисельні алгоритми, що існують і що засновані на точних методах, обмежують у даному випадку можливість дослідження через їхню математичну складність. Показано, що задача розробки математичної моделі ГДА з опромінювачем у вигляді решітки спіралей, що можуть бути як плоскими, так і об'ємними структурами, також є актуальною.

Розділ 2 присвячено розробці математичної моделі ГДА.

При побудові ГДА з опромінювачем у вигляді решітки спіралей, що розташовуються на поверхні з гіперболічним профілем, скористалися системою опису схеми антени Кассегрена, у якій замінили систему, що опромінює, у виді малого дзеркала з рупором на решітку випромінювачів (див. рис.1). Орієнтація осі спіралі була обрана уздовж вектора чи паралельно фокальній осі головного дзеркала.

Рис.1 Розміщення спіралі в опромінювачі ГДА

Позначення, що використовуються, показані на рис.1. Відстань між точками N і M визначено у виді:

, (1)

де

,

, , ;

, ,

де F – фокусна відстань головного дзеркала; e, fr – ексцентриситет і фокусна відстань гіперболічної поверхні.

Подальше дослідження проводилося для випадку кругової циліндричної спіралі.

Для визначення магнітної складової поля поблизу поверхні великого дзеркала використовується співвідношення

, (2)

де векторний потенціал представлений співвідношенням:

, (3)

при цьому використалось завдання струм у вигляді:, , , характеризує уповільнення хвилі в спіральній структурі; - довжина спіралі; - радіус циліндра, на який намотується спіраль; - кут нахилу витків спіралі; відраховується від осі (див. рис.1, збігається з віссю ) і в межах одного витка спіралі змінюється від 0 до , а для спіралі з витками буде змінюватися від 0 до .

На підставі (2) і (3) після перетворення отримані вирази для складових магнітного поля:

, (4)

; (5)

, (6)

де

; ;

; ;

;;

;

;

; ;

- функції Бесселя першого роду.

Для решітки випромінювачів будемо мати:

; ; , . (7)

Для визначення поверхневої щільності струму скористалися співвідношенням , після перетворень якого складові щільності струму можна записати у вигляді:

; (8)

; (9)

, (10)

де - кут падіння хвилі на дзеркало.

Для дослідження поляризаційної структури поля антени в далекій зоні використано співвідношення , де складові векторного потенціалу і у сферичній системі координат можуть бути представлені через , , :

, .

Таким чином, надалі досліджувалися складові поля і , які з точністю до постійних коефіцієнтів рівні , .

У результаті проведених перетворень отримані формули для розрахунку компонентів векторного потенціалу:

; (11)

; (12)

. (13)

де

- радіус апертури великого дзеркала;

- функція Гріна;

;

;

.

Формули (8)-(10), що виведені для розрахунку амплітудно-фазового розподілу щільності струму на поверхні великого дзеркала, який створюється решіткою спіральних випромінювачів, і формули (11)-(13) для обчислення поляризаційної структури поля випромінювання ГДА дозволили здійснити оптимізацію параметрів опромінюючої системи ГДА.

У розділі 3 представлені результати оптимізації геометричних параметрів опромінюючої системи ГДА.

Розрахунки були проведені для дзеркала з , і . Спочатку були визначені геометричні параметри спіральних випромінювачів, при яких з урахуванням геометрії великого дзеркала і розміщення спіралей на гіперболічній поверхні ширина головного пелюстка ДС спіральної антени повинна складати 1100...1200. При цьому край дзеркала опромінюється полем з відносною амплітудою -10 дБ. Розрахунки проводилися на центральній частоті f0=11,36ГГц та в діапазоні f=10,8...11,8 ГГц (). У цій смузі частот працюють штучні супутники (ШС) Міжнародної організації супутникового зв'язку ІNTELSAT, Європейської організації для супутникового зв'язку EUTELSAT, а також штучні супутники, що належать організаціям TELECOM (Франція), KOPERNІKUS (Німеччина), ASTRA (Люксембург). Антенні системи ШС працюють у смузі частот . Розробка широкосмугового групового опромінювача, що забезпечує високі напрямлені властивості ГДА в смузі частот 10,7...11,7 ГГц, дозволить ефективно використати антену для прийому всіх зазначених ШС.

Для центральної частоти радіус циліндра спіралі вибирався рівним мм як умова формування осьового випромінювання з поляризацією, близькою до кругової.
У цьому випадку узагальнений параметр ka=1,36...1,48, для центральної частоти ka=1,42. Були проведені розрахунки ДС циліндричних спіральних антен при зміні їх геометричних параметрів у межах: кількість витків ; кут нахилу витків спіралі .

На підставі проведеного дослідження характеристик циліндричних спіральних випромінювачів визначили, що ширина головної пелюстки ДС приймає значення:

а) , коли кут нахилу витків спіралі =170...220 і кількості витків n=8...19 (більшому відповідає більше n);

б) ; - при =150…220 і n=4…13;

в) - при =110…220 і n=2…4; ця область значень геометричних параметрів спіральних випромінювачів дозволяє використовувати їх як елементи опромінювача дзеркала з заданою геометрією.

Було проведено аналіз амплітудно-фазових розподілів струму на поверхні великого дзеркала.

Розрахунки проведені для дзеркала з опромінювачем, що містить одну спіраль, а також решітку з двох і чотирьох випромінювачів, розташованих симетрично щодо фокальної осі головного дзеркала. Аналіз проводився по складовим струму і у площинах XOZ і YOZ. При проведенні аналізу фазової структури струму на поверхні великого дзеркала використовувався принцип визначення зон Френеля. На поверхні великого дзеркала опромінювач створює від 8 до 17 Френелевських зон (синфазні і протифазні щодо центральної зони області, що чергуються). Визначалося при яких умовах межі першої Френелевської зони будуть максимальні. Враховувалось, що межі корекції зміни фази струму на поверхні великого дзеркала обмежені умовою формування плоскої хвилі в розкриві дзеркала з постійною у всій апертурі антени фазою.

Аналіз розподілів струму, що створюється на дзеркалі одиночним спіральним випромінювачем, показав, що при використанні структур з геометричними параметрами мм, , , при ka=1,42, можна домогтися на дзеркалі найбільш симетричного щодо фокальної осі розподілу складових струму, що спадає як до центра, так і до країв дзеркала. Однак, головний недолік отриманих результатів – неприпустимо великий діапазон зміни фази струму на дзеркалі =11…15. Тому необхідно здійснити корекцію розподілу фази струму уздовж поверхні великого дзеркала. У випадку одноелементного опромінювача для цього досить змістити спіраль по гіперболічній поверхні на кут ; кут нахилу осі випромінювача варто задавати рівним , тоді спіраль спрямована паралельно фокальній осі дзеркала. У цьому випадку зменшується діапазон зміни фази складових струму на поверхні дзеркала. Однак, як видно з рис. 2 розподіл струму на дзеркалі, що створюється випромінювачем з геометричними параметрами мм, , , при , стає менш симетричним щодо осьового напрямку в площині зсуву випромінювача (YOZ). Крім того, залишаються нульові спади амплітуди поля в площині YOZ - по всіма трьома компонентами струму, наслідком чого є стрибок фази струму () на 1800 у цих точках – по всім трьох компонентам струму (див. рис. 2).

Рис. 2 Розподіл амплітуди і фази струму на поверхні великого дзеркала

в площині YOZ

При побудові двохелементної решітки спіральних випромінювачів слід уточнити наступне: у випадку, коли і спіраль розташована у вершині гіперболічної поверхні; при спіраль повертається навколо своєї осі, а точка її живлення переміщається по дузі з радіусом циліндра, на який намотується спіраль. Якщо при значенні кут , то спіраль переміщається в площині YOZ по гіперболічній поверхні. Зміна в цьому випадку значення кута призводить до переміщення спіралі по дузі кола, що представляє собою перетин поверхні гіперболоїду, при цьому точка живлення так само, як і в описаному для і випадку, змінює своє положення щодо осі OX. При такій композиції випромінювачів, представленій на рис.3а, вони створюють кожний по окремості на дзеркалі розподіли амплітуди струму, що дзеркально повторюють один одного, при цьому розподіли фази струму відрізняються знаками. У двохелементній решітці це призводить до формування симетричного розподілу амплітуди струму на дзеркалі з нулем в осьовому напрямку дзеркала при будь-якій зміні геометричних параметрів однакових випромінювачів. Але при цьому діаграма направленості ГДА розпадається: випромінювання в осьовому напрямку відсутнє.

Інший варіант розміщення випромінювачів, який показано на рис.3б, відрізняється тим, що обидві спіралі відхиляються від осі дзеркала на кути
( - див. рис.1). У цьому випадку точки живлення спіралей мають однакові значення координати х. При такому розміщенні спіралей вони створюють амплітудно-фазовий розподіл струму на дзеркалі, що дозволяє сформувати односпрямоване випромінювання в далекій зоні ГДА. Тому розрахунки розподілів струму і ДС ГДА проводилися при вихідній конфігурації опромінювача, яка показана на рис.3б.

а) б)

Рис.3 Варіанти розміщення спіралей в опромінювачі

Для корекції амплітудно-фазового розподілу струму на дзеркалі варто розташовувати в опромінювачі випромінювачі паралельно фокальній осі дзеркала, а також скористатися особливістю структури випромінювача - зсувом його точки живлення від центра циліндра, на який намотана спіраль, до його периферії. Повертаючи спіралі навколо їх осей обертання, необхідно зорієнтувати певним чином точки живлення спіралей відносно один одної, тобто змістити їх на деякі кути і щодо вихідного положення, показаного на рис.3б. Одночасно з цим варто зміщати спіралі паралельно фокальній осі великого дзеркала на деякі відстані і з їх початкового положення на гіперболічній поверхні. У цьому випадку вдається створити на дзеркалі амплітудний розподіл струму, що аналогічний показаному на рис.4. У цьому разі параметри спіралей в опромінювачі задавалися рівними: мм; , ; ; ; , , , (zI,ІІ - координата точок живлення спіралей, індекси І, ІІ - див. рис.3). Значенням і , що мають знак мінус, відповідає напрямок обертання спіралей по годинниковій стрілці при спостереженні від початку випромінювачів.

За результатами проведених раніше досліджень була обрана гіперболічна поверхня з ексцентриситетом і фокусною відстанню . Були визначені припустимі геометричні параметри і просторове положення спіральних випромінювачів: , n=3; , , zI=-59…-58,5 мм, zII=-48,5…-46 мм;
у випадку варто задавати , , zI=-59…-60 мм, zII=-47 мм.

Рис.4 Розподіл амплітуди струму на дзеркалі

При використанні чотириелементної решітки спіральних випромінювачів, ідентичних розглянутим, коли кожна зі спіралей опромінює всю поверхню головного дзеркала, амплітудний розподіл струму в ортогональних площинах стає більш симетричним. Однак, при цьому максимуми струму зміщаються ближче до країв дзеркала, де амплітуда струму збільшується. Вона також має глибокий спад у напрямку фокальної осі дзеркала. Це служить причиною збільшення бічного випромінювання. Крім того фаза струму на поверхні дзеркала змінюється у більших межах, у порівнянні з результатами, отриманими при використанні двохелементного опромінювача.

Далі проводилося дослідження характеристик випромінювання дзеркальної антени з 1, 2 і 4-елементним опромінювачем: розраховувалися і аналізувалися парціальні ДС ( складових) в площинах XOZ і YOZ. КСД розраховувався по потужності повного поля.

При створеному за допомогою одноелементного опромінювача розподілу струму дзеркальна антена формує ДС з несиметричною головною пелюсткою (див. рис.5) з шириною 2,10...3,50.

Завдяки зсуву спіралі () знижується бічне випромінювання і зі зменшенням кута нахилу її витків =180...140 КСД дзеркальної антени приймає значення 35...38 дБ.

Однак, у межах головної пелюстки ДС коефіцієнт еліптичності зменшується від 0,92 до 0,45. Припустимі значення геометричних параметрів спірального випромінювача - ka=1,42, n=3, b=130...180.

Рис. 5 ДС дзеркальної антени в площині XOZ при b=170

При використанні в опромінювачі ГДА двох спіралей, що зміщені відносно одна одної в площині YOZ, помітно звужується ДС до 1,60...2,20, а в площині XOZ - до 2,30...30; знижується рівень бічного випромінювання складових поля до -20...-23,6 дБ.

На рис.6 показана ДС дзеркальної антени, що отримана при параметрах двох спіралей в опромінювачі: кількість витків спіралі , кут нахилу витків ; ; ; , , , , zI=-59 мм, zII=-47,5 мм.

Рис.6 Діаграми спрямованості ГДА з двохелементним опромінювачем
у пл. XOZ

При і бічне випромінювання істотно зростає, тому припустимі значення ; більшому значенню параметра відповідає більший рівень бічного випромінювання по складовим поля (до -17...-21 дБ). Кутова залежність коефіцієнта еліптичності помітно поліпшується - у площині YOZ КЕ=0,72...0,96 (при ) і 0,79...0,99 (при ), в ортогональній площині КЕ=0,59...0,95. У результаті корекції амплітудно-фазового розподілу струму на дзеркалі при отримано КСД = 41...42 дБ при заданні параметрів разміщення точок живлення спіралей у межах: , , zI= -59…-59,5 мм, zII= -46,5…-47,5 мм.

Аналіз частотних властивостей ГДА показав, що побудований на основі двох спіралей опромінювач дозволяє перекрити діапазон частот , тобто . З ростом частоти (див. рис. 7) ширина головного пелюстка ДС по складовим поля зменшується в площині XOZ на 0,20...0,40, а в площині YOZ -
на 0,90...1,20; КСД убуває на крайніх частотах на 1,2 і 6,5 дБ, поляризаційна структура поля випромінювання від частоти практично не залежить.

Рис.7 Частотна залежність характеристик напрямленості ГДА

Діапазонні властивості дзеркальних антен, що використовуються у супутникових системах зв'язку, обмежуються смугою частот 0,5...3%. Розроблений малоелементний опромінювач забезпечує високі характеристики напрямленості ГДА, кругову поляризацію випромінювання (у межах ширини головного пелюстка ДС) у всьому відведеному для штучних супутників діапазоні 10,8...11,8 ГГц. Це дозволяє за допомогою тільки одного групового опромінювача здійснювати вибірковий прийом сигналу з кожного із супутників, знаходячись у межах їх зони покриття.

Застосування чотириелементного опромінювача дозволяє підвищити симетрію головної пелюстки ДС, однак внаслідок причин, що розглянуті при аналізі розподілу струму на головному дзеркалі, не дає переваг за рівнем бічного випромінювання, КСД, КЕ поля випромінювання ГДА. Чотириелементний опромінювач можна ефективно використовувати, якщо випромінювачі в ньому будуть працювати попарно, тобто аналогічно двохелементним решіткам, що розглянуті вище, причому кожна пара спіралей може працювати на своїй круговій поляризації випромінювання або в різних діапазонах частот.

Отримані результати показують, що застосування спіралей як елементів первинного опромінювача ГДА дозволяє створити на дзеркалі близький до рівномірного амплітудний розподіл струму, що круто спадає до країв дзеркала і має спад у його центрі, забезпечити високі енергетичні характеристики антени, кругову поляризацію випромінювання.

Отримані результати також дозволяють здійснити розробку системи, що опромінює, ГДА с дзеркалами, для яких .

У розділі 4 представлено результати експериментального дослідження характеристик випромінювання як елемента решітки, так і дзеркальної антени з спіральним опромінювачем. Виміри проводилися для одноелементного опромінювача, метою вимірів була перевірка справедливості запропонованої математичної моделі, відповідності їм чисельних результатів теоретичного аналізу, а також порівняння з результатами вимірів характеристик направленості антени Кассегрена з різними первинними опромінювачами.

Був виготовлений спіральний випромінювач з геометричними параметрами , , а=6 мм (ka=1,42).

Виміри проводилися в лінійному-поляризованому базисі. Експериментальні ДС спіральної антени представлені на рис.8. Ширина ДС складових поля випромінювання визначалася за рівнем -10 дБ. Отримані результати добре погоджуються з даними проведеного теоретичного дослідження. Ширина парціальних ДС в обох площинах на нижніх частотах змінюється у межах 1100...1200, при ka>1,42 вона приймає значення 1200...1300. При ka=1.35...1,5 рівень бічного випромінювання приймає значення -18...-10 дБ і збільшується на краях частотного діапазону. Випромінення спіральної антени має еліптичну поляризацію з коефіцієнтом еліптичності в напрямку максимуму діаграми спрямованості 0,7...0,9.

Рис.8 ДС спірального випромінювача при ka=1,42

При дослідженні характеристик випромінювання дзеркальної антени спіраль була зміщена з вершини гіперболічної поверхні, тобто від фокальної осі дзеркала на кут ().

Рис.9 ДС дзеркальної антени в площині XOZ

Проведене експериментальне дослідження характеристик випромінювання дзеркальної антени з розробленим спіральним опромінювачем показали, що антена при ka=1,41...1.54 формує ДС з шириною головної пелюстки 68...116, град
(див. рис. 9). При підвищенні частоти ДС розширюється в площині XOZ не більше ніж на 0,40 і 0,80 по і складовим відповідно, а в площині YOZ - на 1,10 - по , а по незначно звужується на 0,40.

З ростом частоти рівень бічного випромінювання зростає від -17...-20 дБ (ka=1,42) до -15...-19,5 дБ (ka=1,54). В усьому діапазоні частот поляризація випромінювання змінюється мало і характеризується коефіцієнтом еліптичності в напрямку максимуму діаграми спрямованості 0,77...0,84. Коефіцієнт спрямованої дії змінюється в межах КСД=1,88...3,75 (див. рис. 10).

Рис. 10 - Коефіцієнт спрямованої дії дзеркальної антени

Теоретичні результати, що отримані за допомогою розробленого чисельного методу побудови опромінюючої системи ГДА, добре узгоджуються з даними проведеного експериментального дослідження. Це підтверджує правильність розробленої математичної моделі ГДА.

Було проведено порівняння характеристик випромінювання дослідженої однодзеркальної антени з даними вимірів характеристик антени Кассегрена, діаметр головного дзеркала якої був більше, ніж у досліджуваної антени,
в 1,6 разів. У якості первинного опромінювача використовувалися конічні рупори з
d = 0,12 м і 0,098м; зі зламом утворюючої; гофрований рупор з насадкою.

В результаті виявилось наступне:

1) головна пелюстка ДС по і складовим поля для антени Кассегрена вужчий (в ортогональних площинах 43,7...87,5, град) і в діапазоні частот ширина його змінюється в менших межах – від 0,60 до 0,10;

2) рівень бічного випромінювання антени Кассегрена на границях обраного частотного діапазону складає -5...-22 дБ, а для антени з спіральним опромінювачем -15...-20 дБ;

3) КСД дзеркальної антени з спіральнім опромінювачем складає 1,88...3,75, а для антени Кассегрена приймає значення 0,485...1,93.

Таким чином, однодзеркальна антена з спіральним опромінювачем за своїми енергетичними характеристиками не поступається антені Кассегрена, діаметр апертури великого дзеркала якої в 1,6 рази більший. Отже, у розробленій антені вище ефективність використання поверхні головного дзеркала, менше реакція опромінювача на перевипромінювання. Варто врахувати, що спіраль, яка використовувалася, має більш просту конструкцію і систему живлення, а маса і габаритні розміри рупорних випромінювачів істотно більші, ніж у спіральної антени.

Як показали теоретичні дослідження, у порівнянні з одноелементним спіральним опромінювачем решітка з двох спіралей дозволяє підвищити ефективність використання поверхні дзеркала, при цьому головний пелюсток ДС стає більш симетричним, збільшується КСД, вище коефіцієнт еліптичності в широкому секторі кутів. Таким чином, використання при побудові ГДА супутникової системи зв'язку (ССЗ) спіральних випромінювачів дозволяє розробити малогабаритну, просту у виготовленні та надійну систему, що опромінює, яка забезпечує високі характеристики напрямленості і необхідну поляризацію випромінювання в широкому для антен ССЗ діапазоні частот.

Основні результати роботи та заключення

1. Проведено теоретичне дослідження і оптимізація параметрів опромінюючої системи, що являє собою решітку кругових циліндричних спіралей, розташованих на гіперболічній поверхні. Розроблено математичну модель ГДА з використанням схеми антени Кассегрена, що дозволяє проектувати опромінюючу систему з застосуванням плоских і об'ємних спіральних структур (сферичні, конічні, циліндричні - із круговим чи еліптичним перетином, комбіновані структури).

2. Показано, що опромінююча двохелементна решітка циліндричних спіралей з заданими параметрами дозволяє сформувати діаграми спрямованості ГДА з шириною головного пелюстка 92...120,(град) у площині XOZ і 64...88,(град) - у площині YOZ, з коефіцієнтом еліптичності в межах головного пелюстка КЕ=0,72...0,99, =7,1...8,9.

3. Діапазон робочих частот ГДА з двохелементним опромінювачем цілком охоплює діапазон частот 10,8...11,8 ГГЦ, відведений для роботи супутникових систем зв'язку. Групові опромінювачі, що використовуються в дзеркальних антенах ССЗ, забезпечують необхідні характеристики випромінювання в діапазоні частот 0,5...3%.

4. Встановлено, що при синфазному і рівноамплітудному живленні циліндричних спіралей з , , ka=1,42, розміщених у двохелементній решітці, на дзеркалі з , і може бути реалізоване найбільш рівномірний амплітудний розподіл складових щільності струму, що круто спадає до країв дзеркала і що має неглибокий спад в осьовому напрямку.

5. Встановлено, що розподіли фаз складових струму на поверхні головного дзеркала залежать від положення точок збудження спіралей в опромінювачі, які визначаються кутами повороту , і зсувом
zI= -59...-59,5 мм, zII= -46,5...-47,5 мм. Отриманий розподіл струму відповідає найбільшій ефективності використання головного дзеркала при мінімальних втратах на перевипромінювання і при мінімальному бічному випромінюванні.

6. Розроблено конструкція двохзахідної суміщеної спіральної антени, що дозволяє керувати положенням площини лінійно-поляризованого випромінювання, а також розроблена конструкція одноелементного спірального опромінювача дзеркальної антени.

7. Проведено експериментальне дослідження дзеркальної антени з опромінювачем у вигляді одиночної спіралі. При цьому були отримані ДС із шириною головного пелюстка 1,70...2,90, коефіцієнтом еліптичності в напрямку максимуму діаграми спрямованості КЕ=0,77...0,84, КСД=35...38 дБ.

8. Було проведено порівняння отриманих експериментальних і теоретичних результатів, що підтвердили перевагу ГДА з опромінювачем у виді решітки спіралей у порівнянні з існуючими антенами, побудованими за схемою Кассегрена.

9. Представлено номограми, що характеризують залежність ширини головного пелюстка і рівня бічного випромінювання спіральної антени від її геометричних параметрів.

10. Математична модель ГДА, що запропонована, з опромінювачем, який являє собою решітку спіралей, дозволяє оптимізувати розподіл струму на дзеркалі, забезпечити широкі діапазонні властивості антени і високі енергетичні характеристики, що визначає перспективність застосування спіральних антен при побудові опромінюючих систем ГДА.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1) Лобкова Л.М., Головин В.В. Исследование направленных свойств эллиптических спиральных антенн// Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2001. - Вып. 31 - С. 63-67.

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

2) Головин В.В., Афонин Ф.И., Редин М.М. Особенности поляризационной структуры поля излучения многозаходных цилиндрических спиральных антенн// Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2002. – Вып. 39 – С. 57-62.

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

3) Мишарева Н.И., Головин В.В., Пеньков М.М. Влияние направленных свойств облучателя на характеристики параболической антенны// Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2002. – Вып. 39. – С. 73-78.

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

4) Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Головин В.В. Управление поляризацией излучения на основе совмещенной цилиндрической спиральной антенны// Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. – Киев. – 2002. – Т.45. – № 8. – С.41-48.

Автором розроблена конструкція антени з керованою поляризацією випромінювання, проведені експериментальні дослідження та доказана її працездатність.

5) Лобкова Л.М., Головин В.В., Тыщук Ю.Н. Метод анализа характеристик поля излучения однозеркальной гибридно-зеркальной антенны// Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2003. – Вып. 47. – С. 88-94.

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

6) Лобкова Л.М., Головин В.В., Боромекова М.А. Метод построения облучающей системы однозеркальной гибридно-зеркальной антенны// Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: Сб. научн. тр. – Севастополь, 2003. – Вып. 47. – С. 95–102.

Автором проведено теоретичне дослідження амплітудно-фазового розподілу струму на великому дзеркалі ГДА, проведено розрахунки та комп’ютерний аналіз фізичних закономірностей впливу опромінювача на напрямлені та діапазонні характеристики ГДА.

7) Патент України № 2000052775 от 15.05.2000 Еліптична спіральна антена Лобкова Л.М., Івашина М.В., Проценко М.Б., Молчанов В.В., Громоздін В.В., Головін В.В. Опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4.

Автором проведено експериментальне дослідження та аналіз поляризаційної структури поля випромінювання і вхідного опору еліптичної спіральної антени.

8) Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Ивашина М.В., Головин В.В. Оценка потенциальной погрешности измерения поляризационных характеристик поля излучения методом 3-х антенн //Мат. 9-ой Межд. конф. КрыМиКо-99, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 13-16 сентября 1999. – Севастополь, Украина. – 1999. – С.380-381.

Автором виконано вступна частина, проведено програмування та чисельні розрахунки.

9) Ivashina M.V., Golovin V.V. Peculiarities of application of the induced EMF method for determination of helical antennas input impedance // Proc. International Conf. “Antenna Theory and Technique”, 8 – 12 September. 1999. – Sevastopol, Ukraine, 1999. – pp.333-334 (eng).

Автором проведені розрахунки на ПК вхідного опору циліндричної спіральної антени і їх аналіз.

10) Проценко М.Б., Ивашина М.В., Головин В.В. Сравнительная оценка КНД для спиральных антенн с вращающейся поляризацией // Мат. 10-ой Межд. конф. КрыМиКо-2000, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 11-15 сентября 2000. – Севастополь, Украина. – 2000. – С. 316-317.

Автором проведено розрахунки коефіцієнта спрямованої дії у круговому та лінійному поляризаційних базисах та їх порівняння.

11) Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Головин В.В. Поляризационная структура поля двухэлементной решетки, состоящей из спиральных излучателей // Мат. 11-ой Межд. конф. КрыМиКо-2001, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 10-14 сентября 2001. – Севастополь, Украина. – 2001. – С. 403-404.

Автором розроблено конструкція антени і проведено експериментальні дослідження і аналіз отриманих результатів.

12) Лобкова Л.М., Головин В.В., Афонин Ф.И. Математическая модель поля излучения однозеркальной ГЗА// Мат. 12-ой Межд. конф. КрыМиКо-2002, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 9-12 сентября 2002. – Севастополь, Украина. – 2002. – С. 319-320.

Автором проведено дослідження амплітудно-фазового розподілу струму на головному дзеркалі для випадку одноелементного опромінювача.

13) Головин В.В., Афонин Ф.И., Пеньков М.М. Оптимизация направленных свойств гибридно-зеркальной антенны с облучателем в виде конформной решетки спиральных излучателей// Мат. 7-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXІ веке”, 22-24 апреля 2003 г., Харьков, 2003. – С. 39.

Автором запропонована методика дослідження поляризаційної структури поля випромінювання гібридно-дзеркальної антени з опромінювачем у вигляді решітки спіралей.

14) Lobkova L.M., Golovin V.V., Boromekova M.A., Tyschuk U.N. One-reflecting Hybrid Antenna// Proc. IV-th International Conference of Antenna Theory and Techniques, 9-12 September, 2003, Sevastopol, Ukraine. – pp. 474-476.

Автором теоретично досліджено амплітудно-фазовий розподіл щільності струму, створюваний решіткою спіральних випромінювачів, установлено залежності як від геометричних параметрів, так і від місця розташування на гіперболічній поверхні та орієнтації вісей спіралей.

15) Лобкова Л.М., Головин В.В., Боромекова М.A., Тыщук Ю.Н. Анализ поля излучения гибридно-зеркальной антенны Кассегрена. // Мат. 13-ой