Введение к работе
Введение. Среди различных типов антенных систем (АС) повышенной эффективности можно выделить класс многолучевых антенн - антенн с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя пространственная диаграмма направленности (ДН), которую принято называть лучом АС. Очевидным преимуществом многолучевых антенн перед антеннами, работающими по одному лучу, является использование одной излучающей апертуры для формирования нескольких лучей, что позволяет одной антенне заменить несколько «обычных» однолучевых антенн. Классифицируя многолучевые антенны по способу реализации излучающей части, можно выделить апертурные (зеркальные и линзовые) антенны и антенные решетки, а также их сочетания - гибридные антенны. В целом, каждый из этих классов многолучевых антенн имеет свои особенности, достоинства и недостатки.
На практике значительный интерес представляют многолучевые зеркальные антенны (МЗА), имеющие простейшую диаграммообразующую схему облучающей решетки - каждый луч АС формируется отдельным облучателем. Вследствие этого основная проблематика разработки МЗА связана непосредственно с проектированием самой системы зеркал. Достоинствами МЗА являются потенциальная широкополосность и большая энергетическая эффективность. Развитие теории МЗА началось с построения апланатического зеркального оптического телескопа Шварцшильдом (K. Schwarzchild). Существенный вклад в развитие теории и техники МЗА внесли работы таких специалистов, как Б.Е. Кинбер и его ученики, Л.Д. Бахрах, В.А. Калошин, Б.Л. Коган; Раппапорт (C.M. Rappaport), Драгоне (C. Dragone), Альбертсен (N.C. Albertsen), Бёрд (T.S. Bird), Хэй (S.G. Hay), и других.
Проблема проектирования МЗА обычно представляет собой задачу оптимизации электрических характеристик АС при ограничениях на допустимые габариты всей АС и отдельных ее элементов - главного зеркала, вспомогательных зеркал, облучателей. Сегодня разработка МЗА актуальна как для наземных, так и для бортовых радиотехнических систем. При этом, в зависимости от решаемых
задач, такие АС могут иметь одномерный или двухмерный сектор обзора. Например,
АС земных станций спутниковой связи могут иметь веер лучей, направленных на спутники, размещенные на дуге геостационарной орбиты, причем каждый луч АС может наводиться на свой спутник независимо от других лучей. Бортовые спутниковые МЗА, обозревающие всю видимую поверхность Земли или ее часть, могут иметь двухмерный сектор обзора с произвольной формой внешней границы.
Большой практический интерес представляют конструкции офсетных двухзеркальных МЗА, в частности, АС, построенные на основе бифокальных зеркальных антенн (БЗА), имеющих два точных фокуса, а также АС с нестандартной оптической схемой с классическими профилями зеркал в виде конических поверхностей второго порядка - антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами. Проведенные исследования литературных источников показывают, что возможности этих двух классов антенн еще недостаточно полно исследованы, что не позволяет эффективно решать многие практические задачи. Такие МЗА и выступают объектом исследования данной диссертации. Оптимизация характеристик данных МЗА (с практическими ограничениями) служит предметом исследования работы. Улучшение характеристик МЗА позволит проектировать более эффективные радиотехнические системы, что делает соответствующие исследования перспективными.
Цели работы. Можно выделить две основные цели диссертационной работы. Первой целью является улучшение электрических характеристик БЗА, что позволит использовать данный класс АС для построения МЗА со средними (габариты апертуры более 50 длин волн) и большими (габариты апертуры более 150 длин волн) электрическими габаритами с широкими однокоординатными секторами обзора более 20. Другая цель работы состоит в сопоставлении характеристик МЗА с двухмерным сектором обзора, построенных на основе офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами, с различными вариантами построения АС. В качестве основных электрических характеристик МЗА рассматриваются величины коэффициента использования поверхности (КИП), также оцениваются уровни бокового и кроссполяризационного излучения.
Для достижения поставленных в диссертационной работе целей решаются следующие основные задачи:
-
Синтез и анализ многолучевых БЗА с широким сектором обзора, в том числе:
-
Совершенствование процедуры синтеза профилей рефлекторов БЗА (упрощение процедуры, повышение КИП главного зеркала, расширение сектора обзора).
-
Выделение возможных топологически различных вариантов построения антенных систем БЗА.
-
Проектирование многолучевой БЗА с сектором обзора 50 при коэффициенте направленного действия (КНД) более 52 дБ с ограничениями на габаритные размеры.
Исследование электрических характеристик многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами с двумя возможными вариантами реализации решетки облучателей - в виде «плоской решетки» (когда фазовые центры облучателей расположены в одной плоскости, а их оси параллельны) или когда положение фазового центра и направление оси каждого облучателя оптимизировано по КНД, в том числе:
-
Сопоставление характеристик (электрических и геометрических) двух возможных оптических схем АС в широком секторе обзора.
-
Оценка влияния размеров контррефлектора и ширины ДН облучателя на электрические характеристики АС, работающей в режиме МЗА.
-
Исследование возможности сближения соседних лучей АС с различными типами облучателей.
Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики, программирования, асимптотический метод прикладной электродинамики, трехмерное электромагнитное моделирование в современных программных комплексах (Ticra GRASP, ICARA и др.).
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Представлена процедура синтеза профилей зеркал трехмерных БЗА, позволяющая проектировать многолучевые или сканирующие зеркальные
антенны с широким сектором обзора. Данную процедуру можно считать частным случаем методики синтеза БЗА, предложенной в работах Кинбера и соавторов, однако в публикациях этих авторов исследования были проведены недостаточно детально. Предложена методика оценки и оптимизации геометрии зеркал многолучевых БЗА по критерию КИП. Впервые спроектированы многолучевые БЗА, имеющие сектор обзора существенно шире 20 и КНД более 50 дБ.
-
-
-
Впервые выделено несколько различных возможных вариантов построения антенной системы БЗА, отличающихся взаимным положением рефлекторов и облучателя и картиной хода геометрооптических (ГО) лучей, в двух ортогональных плоскостях - плоскости сканирования и плоскости симметрии.
-
Исследованы и сопоставлены между собой характеристики нескольких возможных вариантов построения многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами.
-
Исследована возможность использования цилиндрических диэлектрических антенн бегущей волны модифицированного профиля в качестве облучателей многолучевой офсетной антенны Кассегрена с вогнутым гиперболическим контррефлектором, позволяющих сблизить соседние лучи АС.
Практическое значение работы.
-
-
-
-
Описанная в работе методика синтеза и оптимизации БЗА и ее программная реализация позволяют разрабатывать многолучевые или сканирующие зеркальные антенны с широким одномерным сектором обзора. В результате удается существенно улучшить качество таких антенн по сравнению с вариантами БЗА, предложенными в работах Раппапорта и соавторов.
-
Спроектированная многолучевая БЗА с сектором обзора 50 и КНД более 52 дБ, по сравнению с известным МЗА-аналогом, разработанным в лаборатории CSIRO, при сопоставимых габаритах главного зеркала и более широком (на 30%) секторе обзора обладает большей эффективностью по критерию КИП всего раскрыва главного зеркала, меньшими продольными габаритами АС, меньшим угловым разносом соседних лучей АС и позволяет использовать облучатели меньших электрических габаритов.
-
Синтезированные БЗА могут быть использованы в качестве эффективного начального приближения геометрии АС в процедуре численной оптимизации профилей рефлекторов с целью стабилизации формы ДН АС во всем секторе обзора.
-
Представленные результаты анализа характеристик офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами позволяют определить область наилучшего применения таких антенн на практике.
-
Использование в качестве облучателей офсетной антенны Кассегрена с вогнутым гиперболическим контррефлектором с достаточно высоким уровнем пересечения соседних лучей АС цилиндрических диэлектрических антенн бегущей волны модифицированного профиля вместо рупорных антенн потенциально позволяет получить лучшие электрические характеристики МЗА.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием апробированного апертурного метода расчета ДН зеркальных антенн и широко известных и апробированных программных пакетов электродинамического моделирования и сопоставлением результатов, полученных различными методами.
Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании перспективных многолучевых зеркальных антенн для предприятий ОАО «ОКБ МЭИ» и ЗАО «КИА системы», а также в курсе лекций «Техника зеркальных антенн» кафедры АУиРРВ НИУ «МЭИ», читаемых студентам по направлению «Радиотехника», что подтверждается актами о внедрении.
Автор диссертации удостоен награды Doctoral Research Award международного конкурса работ аспирантов, проводимого Международным обществом IEEE Antennas and Propagation Society, за осенний цикл 2012 года.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждались на шести научно-технических конференциях: 17-я, 18-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва (2011-2012 гг.); 5-я, 6-я Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва (2011-2012 гг.); Международная конференция «Progress in Electromagnetics Research Symposium»,
Москва (2012 г.); 7-я Международная конференция «European Conference on Antennas and Propagation», Ґетеборг, Швеция (2013 г.). Основное содержание диссертации было также представлено на Московском электродинамическом семинаре в ИРЭ им. Котельникова РАН 5 марта 2013 г.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
-
-
-
-
Получили дальнейшее развитие известный алгоритм синтеза рефлекторов и методика оптимизации эффективности многолучевых бифокальных зеркальных антенн, позволившие спроектировать варианты таких антенн с наилучшими на данный момент характеристиками. Особенности данного метода проектирования БЗА:
-
в процедуре синтеза главного и вспомогательного зеркал используется минимально возможное количество шагов;
-
при сканировании луча в секторе обзора засвечиваемое пятно на главном зеркале практически не меняет своего положения, что приводит к экономии размеров этого зеркала;
-
оптимизируется КИП во всем секторе обзора за счёт выбора положения и ориентации элементов решётки облучателей.
Приведена классификация бифокальных зеркальных антенн по вариантам взаимного положения рефлекторов и облучателей и картинам хода ГО лучей в двух ортогональных плоскостях - плоскости сканирования и плоскости симметрии, позволяющая учесть при синтезе практические особенности размещения антенн.
Проведен сравнительный анализ характеристик многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами, на основе которого определена область наилучшего применения таких антенн на практике.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и 1 учебное пособие.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, включая литературный обзор, и заключения. Она изложена на 186 страницах машинописного текста, иллюстрирована 63 рисунками и включает 11 таблиц. Список цитированной литературы содержит 122 наименования.
Похожие диссертации на Проектирование многолучевых офсетных двухзеркальных антенн с однокоординатным и двухкоординатным сканированием
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
