«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

КІМ Олексій Семенович

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

К и ї в 2000

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Дубровка Федір Федорович,

провідний науковий співробітник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Гряник Михайло Васильович,

викладач Київського військового інституту управління та зв’язку, м. Київ

кандидат технічних наук

Паніц Віктор Анатолійович,

заступник головного конструктора Науково-дослідного інституту “Буран“, м. Київ

Провідна установа Науково-виробниче підприємство “Сатурн” Міністерства промислової політики України, м. Київ

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.

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:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1.

1.

1.

1.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1.

1.

1.

1.

1.

Особистий внесок здобувача. Автор захищає:

1.

1.

1.

1.

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.

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): ; (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.

а б

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)

де ;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

; 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. ) 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.

а б в

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:

·

· 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

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

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.

1.

1.

1.

1.

1.

Кім О.С. Аналіз та оптимізація всеспрямованих та гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен. 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, 1999.

Розроблена нова математична модель всеспрямованої в азимутальній площині дводзеркальної антени на основі узагальнених матриць розсіювання. Вперше розв'язані задачі дифракції електромагнітних хвиль на стику двох радіальних хвилеводів та співвісному стику круглого та радіального хвилеводів. Вперше одержані в замкнутому вигляді вирази для складових поля випромінювання всеспрямованої дводзеркальної антени в далекій зоні. Проведені чисельні та експериментальні дослідження електродинамічних характеристик всеспрямованих дводзеркальних антен.

Розроблена методика синтезу опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних дводзеркальних антен при заданому профілі головного дзеркала. Розроблена нові опромінюючі системи для існуючих вісесиметричних дводзеркальних антен 3,66 та 7,0 м.

Ключові слова: дводзеркальна антена, всеспрямована антена, радіальний хвилевід, аналіз, синтез, оптимізація.

Kim O.S. Analysis and optimisation of omnidirectional and pencil-beam axisymmetrical dual-reflector antennas. Manuscript.

Ph.D. thesis by speciality 05.12.07 antennas and microwave devices National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnic Institute», Kyiv, 1999.

A new mathematical model of an omnidirectional in the azimuth plane dual-reflector antenna has been built using generalised scattering matrices. For the first time the diffraction problems for a junction of two radial waveguides and an axisymmetrical junction of cylindrical and radial waveguides have been solved. For the first time expressions for the components of radiation fields in far field region for an omnidirectional dual-reflector antenna have been obtained in a closed form. Numerical and experimental investigations of electromagnetic characteristics of the omnidirectional dual-reflector antennas have been carried out.

Synthesis techniques for new feed systems of pencil-beam axisymmetrical dual-reflector antennas with defined main reflector profile have been elaborated. New feed systems for existing axisymmetrical dual-reflector antennas 3.66 and 7.0 m have been synthesised.

Key words: dual-reflector antenna, omnidirectional antenna, radial waveguide, analysis, synthesis, optimisation.

Ким А.С. Анализ и оптимизация всенаправленных и остронаправленных осесимметричных двухзеркальных антенн. 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, 1999.

Диссертация посвящена разработке математических моделей и оптимизации характеристик всенаправленных и остронаправленных осесимметричных двухзеркальных антенн для наземных и спутниковых информационных систем. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы разработана новая математическая модель всенаправленной в азимутальной плоскости двухзеркальной антенны, позволяющая наряду с характеристиками излучения рассчитывать характеристики согласования антенны с питающим фидером. Основой разработанной математической модели является обобщенная матрица рассеяния дескриптор антенны. Для ее нахождения впервые решены задачи дифракции электромагнитных волн на стыке двух радиальных волноводов и соосном стыке круглого и радиального волноводов. Обобщенная матрица рассеяния всей антенны получена путем последовательного объединения обобщенных матриц рассеяния возбуждающего рупора, стыка круглого и радиального волноводов, а также всех стыков радиальных волноводов, которые аппроксимируют гладкие поверхности рефлекторов.

Впервые получены в замкнутом виде выражения для составляющих поля излучения всенаправленной двухзеркальной антенны в дальней зоне. На основе методов геометрической оптики получена система нелинейных дифференциальных уравнений для синтеза геометрии всенаправленной двухзеркальной антенны по заданным диаграмме направленности облучателя и амплитудно-фазовому распределению на апертуре антенны.

С помощью разработанной математической модели и реализующих ее алгоритмов и программного обеспечения на языке высокого уровня С++ для IBM PC совместимых ПЭВМ синтезирована всенаправленная двухзеркальная антенна для базовых станций наземной системы распределения информации, работающей в диапазоне 11,7… 13,5 ГГц и использующей поляризационное уплотнение каналов. В качестве рабочей волны использована основная волна круглого волновода Н11. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетов. Разработанная антенна имеет следующие характеристики в рабочей полосе частот: коэффициент направленного действия – не менее 9 дБ с неравномерностью по азимуту не более 1,2 дБ; коэффициент стоячей волны – не более 1,3.

Проведены численные исследования влияния положения и относительной диэлектрической проницаемости цилиндрических диэлектрических вставок на характеристики излучения и согласования всенаправленной двухзеркальной антенны, возбуждаемой азимутально-однородной волной круглого волновода Е01. Показана возможность выбора такого положения диэлектрической вставки, которое обеспечивает сохранение рабочей полосы частот как по коэффициенту стоячей волны, так и по коэффициенту направленного действия по сравнению с антенной без диэлектрического заполнения. Это имеет большое практическое значение при проектировании всенаправленных двухзеркальных антенн, предназначенных для работы в миллиметровом диапазоне длин волн, где диэлектрические вставки используются для поддержки контррефлектора, а также в качестве обтекателя.

Разработана эффективная методика синтеза облучающих систем для остронаправленных осесимметричных двухзеркальных антенн при заданном профиле главного зеркала, основанная на математической модели таких антенн, учитывающей эффекты ближней зоны облучателя и контррефлектора. Применение разработанной методики синтеза облучающих систем для остронаправленных осесимметричных двухзеркальных антенн позволяет сохранить имеющуюся технологию изготовления главного зеркала при синтезе новой антенны соответствующего диаметра, а также модернизировать существующие двухзеркальные антенны в соответствии с современными требованиями к антеннам земных станций спутниковых информационных систем без замены главного зеркала.

С помощью разработанной методики синтезированы новые облучающие системы для существующих остронаправленных осесимметричных двухзеркальных антенн с диаметрами главных зеркал 3,66 и 7,0 м, позволившие провести модернизацию и снизить огибающие боковых лепестков диаграмм направленности антенн до уровня, требуемого международным стандартом МККР для антенн земных станций спутниковых информационных систем.

Разработанные новые облучающие системы для модернизированных осесимметричных двухзеркальных антенн с диаметрами главных зеркал 7,0 м и 3,66 м внедрены в производство, соответственно, на заводе “Сатурн” (г. Тернополь) и ГКБ “Проминь” (г. Тернополь).

Ключевые слова: двухзеркальная антенна, всенаправленная антенна, радиальный волновод, анализ, синтез, оптимизация.