Разработка и исследование двухзаходных конических логоспиральных антенн радиотехнических систем космических аппаратов Филиппов Сергей Борисович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Построение математической модели конической логоспиральной антенны на основе интегральных представлений электромагнитного поля 14

1.1. Интегральные пред став ления электромагнитного поля 14

1.2 Построение геометрии модели 24

1.3 Результаты численного моделирования 31

1.4 Выводы по главе 36

ГЛАВА 2. Алгоритм и комплекс программ расчета характеристик двухзаходной конической логоспиральной антенны, согласованной с ртс последовательным трансформатором 37

2.1 Алгоритм расчета двухзаходной конической логоспиральной антенны 37

2.2 Описание алгоритма проектирования и создания конструкции двухзаходной конической логоспиральной антенны 42

2.3 Метод согласования двухзаходной конической логоспиральной антенны последовательным трансформатором 44

2.4 Система компьютерной математики «Maxima» 60

2.5 Выводы по главе 62

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования электрических характеристик двухзаходных конических логоспиральных антенн для различных частотных диапазонов РТС 63

3.1 Цель и методы экспериментальных исследований электрических характеристик ДКЛСА 63

3.2 Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА 68

3.3 Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА в L – диапазоне 83

3.4 Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА в S – диапазоне 96

3.5 Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА в C – диапазоне 109

3.6 Выводы по главе 122

Заключение 124

Список условных сокращений и обозначений 125

Список используемых источников

• Результаты численного моделирования
• Метод согласования двухзаходной конической логоспиральной антенны последовательным трансформатором
• Система компьютерной математики «Maxima»
• Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА в L – диапазоне

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из важных задач при разработке радиотехнических систем космических аппаратов (РТС КА) является построение надежных каналов связи, обеспечивающих устойчивый прием (передачу) информации с борта изделия на наземные станции. Устойчивость связи зависит как от надежности работы аппаратуры с учетом всех условий сопутствующих полету, так и от диаграмм направленности (ДН) антенных устройств, установленных на КА. Характер ДН определяется программой полета и особенностью конструкций КА. В современных спутниковых системах наблюдения, системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), связи и навигации широко применяются двухзаходные конические логоспиральные антенны (ДКЛСА). Преимуществом ДКЛСА является большая стабильность всех их параметров и характеристик по частотным диапазонам. Основными параметрами таких антенн являются ДН и входное сопротивление. ДН ДКЛСА зависят от величины угла при вершине конуса, угла намотки спирали и других параметров и могут быть рассчитаны, если известно распределение токов на спиральных элементах. При этом, изменяя геометрию антенны в сторону меньших или больших размеров, можно добится практически любой формы ДН.

Как правило, разработка ДКЛСА, которая обеспечивала бы
необходимые электродинамические характеристики, начинается с расчетов
по классическим инженерным формулам, согласно которым такие антенны
рассматриваются в различных приближениях, основанных на физике
происходящих в антенне процессов [1-2]. Однако использование ДКЛСА,
устанавливаемых на КА, определенных частотных диапазонов часто встреча
ет затруднения, связанные с различными ограничениями, такими как размеры
и конфигурации самого аппарата, зонами полезного груза, компоновкой
научной и целевой аппаратуры, невозможностью применения раскрываю
щихся устройств и т.д. Большинство инженерных расчетов ДКЛСА выполня
ется, как правило, на основе решения внешней электродинамической задачи
при заданном из каких-либо физических соображений распределении токов.
Основным недостатком такого подхода очень часто является достаточно
низкая степень соответстия результатов реальных измерений проделанным
расчетам. Поэтому возникает необходимость построения строгой

математической модели ДКЛСА, использующей в своей основе интегральные представления электромагнитного поля, переходящих при решении внутренней электродинамической задачи в интегральные уравнения (ИУ), либо систему уравнений относительно неизвестных токов.

Степень разработанности темы. Среди работ, в которых электродинамический анализ осуществляется с помощью ИУ, можно выделить [3], но в основном применение ИУ характерно для зарубежных работ. Так, в [4] приведено ИУ произвольной тонкопроволочной структуры и результаты расчета тока в плоской равноугольной спиральной антенне. Интересными также представляются статьи [5-7]. Из российских работ можно выделить [8].

Математическая модель ДКЛСА должна быть универсальной, т.е. с изменяемой геометрией, в рамках которой можно изменять число витков спирали, диаметры вершины и основания конуса, ширину заходов спирали, густоту сетки рефлектора, а также тип возбуждения антенны для получения необходимой формы ДН.

Разработка таких математических моделей и алгоритмов расчета электрических характеристик позволит создавать принципиально новые конструкции и существенно снизить материально-временные затраты на опытное производство, экспериментальные исследования, конечную доводку и настройку ДКЛСА, разрабатываемых для различных частотных диапазонов РТС КА.

Целью работы является разработка математической модели и экспериментальные исследования ДКЛСА РТС КА, а также повышение эффективности функционирования РТС КА за счет совершенствования характеристик ДКЛСА.

Основные задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели решаются следующие научные задачи:

1. Построение математической модели и анализ характеристик ДКЛСА на основе интегральных представлений электромагнитного поля. Здесь и далее под характеристиками ДКЛСА подразумевается ее ДН и входное сопротивление.

2. Разработка алгоритма и комплекса программ расчета характеристик ДКЛСА с изменяемой геометрией, согласованной с РТС последовательным трансформатором, включенным непосредственно в конструкцию антенны.

3. Экспериментальные исследования и оценка характеристик ДКЛСА в различных частотных диапазонах и разработка предложений по их технической реализации для применения в РТС КА.

Научная новизна диссертационной работы

4. Получена строгая математическая модель ДКЛСА с тонкопроволочным рефлектором конечных размеров на основе интегрального представления электромагнитного поля, позволяющая получить строгое решение краевой задачи, и как следствие, обеспечить высокую точность расчетов ДН и входного сопротивления.

5. Разработан алгоритм расчета характеристик ДКЛСА с изменяемой геометрией конструкции антенны.

6. Выявлена возможность применения меньшего числа антенн для перекрытия кругового сектора углов.

Теоретическая значимость работы заключается в построении на базе интегральных представлений электромагнитных полей строгой математической модели ДКЛСА.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные в диссертационной работе результаты имеют большое значение применительно к вопросам, связанным с практическим применением ДКЛСА для излучения и приема радиосигналов РТС КА, а именно:

разработан комплекс программ, позволяющий рассчитывать электродинамические характеристики ДКЛСА с изменяемой геометрией конструкции антенны, который конкурентоспособен с дорогостоящими зарубежными программами электромагнитного моделирования;

созданы методики проектирования ДКЛСА;

разработан метод согласования ДКЛСА непосредственно в ее конструкции, позволяющий обеспечить минимальный КСВ и минимальные потери заданной полосе частот.

Научные и технические результаты диссертации использованы при создании конструкций антенно-фидерных устройств (АФУ) РТС различных КА и ретрансляционных АФУ мобильных башен обслуживания стартовых комплексов космодромов «Восточный» и «Гвианский космический центр» в АО «РКЦ «Прогресс». Результаты диссертационной работы в дальнейшем могут использоваться при разработке как АФУ РТС КА, так и антенных устройств других перспективных РТС.

Методология и методы исследований

Представленные в диссертационной работе результаты были получены с помощью математического аппарата электродинамики и метода ИУ. Численные результаты получены с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на ПЭВМ. Ряд результатов получен с помощью экспериментальных методов исследования.

Положения, выносимые на защиту:

7. Математическая модель ДКЛСА с тонкопроволочным рефлектором конечных размеров, полученная на основе интегрального представления электромагнитного поля, которая позволяет получить строгое решение краевой задачи, и как следствие, обеспечить высокую точность расчетов ДН и входного сопротивления.

8. Разработанный алгоритм обеспечивает быстрый и точный расчет характеристик ДКЛСА, позволяя тем самым добиться необходимой формы ДН.

9. Разработанный метод согласования ДКЛСА непосредственно в ее конструкции позволяет обеспечить минимальный КСВ и минимальные потери в заданной полосе частот.

10. Разработанные конструкции и экспериментальные образцы ДКЛСА для различных частотных диапазонов РТС КА обладают улучшенными характеристиками по сравнению с известными аналогами, в частности, достаточной всенаправленностью излучения, обеспечивающей необходимый коэффициент заполнения ДН в полном телесном угле при минимальном количестве антенн.

Степень достоверности результатов диссертации определяется:

использованием теоретически обоснованных математических методов;

наличием сходимости численных алгоритмов;

результатами экспериментальных проверок образцов ДКЛСА, созданных на основе предложенных методов проектирования;

. проверкой работоспособности спроектированных ДКЛСА на практике в различных РТС КА, разрабатываемых в АО «РКЦ «Прогресс». Диссертация соответствует п.п. 1,2 и 3 паспорта специальности 05.12.07.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:

. ХIX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 2013 г.;

. III Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», г. Самара, 2013 г.; . XI научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», г. Сочи, 2014 г.; . ХII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Нижний Новгород, 2014 г.; . IV Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («IV Козловские чтения»), г. Самара, 2015 г.;

. ХIII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» г. Казань, 2015 г.; . ХXIII Российская конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ, г. Самара, 2016 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 статей в журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 5 докладов и 3 тезиса докладов на различных научно-технических конференциях. Получен один патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Непосредственно идеи, разработки, реализации, проведение расчетов, изготовление опытных образцов, а также основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в диссертации, принадлежат автору. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором лично или при его решающем участии. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит часть, связанная с постановкой задачи, разработкой алгоритмов и проведением экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 52 наименований, приложения, и содержит 132 страницы текста, в том числе 83 рисунка и 4 таблиц.

Результаты численного моделирования

Высота модели ДКЛСА - Н + Ь, высота подъема основания спирали над рефлектором - Ъ , высота спирального элемента - Я . Заходы спирали располагаются на усеченном конусе вышиной h , радиус нижнего основания которого равен тах, а радиус верхнего - min. Конус сдвинут вдоль оси Oz на величину Ъ . Высота полного конуса равна И, высота отсеченной части равна Длина образующей конуса , длина образующей отсеченной части , длина образующей усеченного конуса - s. Линия 00 , совмещенная с осю Oz, является осью симметрии вращения, в - угол между образующей и осью симметрии. Структура обладает поворотной симметрией, поэтому рассмотрим только основную ее часть. Дополнительная часть получается поворотом основной на 180 градусов вдоль оси Oz . Геометрия модели ДКЛСА рассматривается в трех системах координат: системе {r, p,z} с началом координат в точке 0\ связанной с конусом (коническая система координат), цилиндрической системе координат и декартовой системе координат. Определим уравнение, описывающее один заход спирали. В качестве исходных данных для построения выберем радиусы верхнего и нижнего основания Ятп и Rmax, высоту усеченного конуса h, высоту подъема конуса Ъ над плоскостью xOz, число витков спирали N, и угловую ширину захода S .

Таким образом, выражение (1.16), дополненное (1.18), определяет уравнение поверхности одного захода равноугольной спирали ДКЛСА в натуральном параметре /. Уравнения, которые описывают образующую тонкопроволочных проводников Ls и L. (рисунок 1.5), имитирующих поверхность захода, получаются из (1.16), с учетом (1.18) следующим образом: г,(/) = г(К0,0); гД/) = г( (/), ),7=1,... ,NJ NJ2 + \, (1.19) здесь %j = -812 + {j - \)8INS. Отметим, что Ns должно быть четным. Возбуждающий элемент представляет собой симметричный вибратор, один конец которого соединяется с началом основного проводника спирали р , являющегося одновременно центром проводника - делителя тока Ld. Второй конец возбуждающего вибратора совмещается с аналогичным вибратором в симметричной части.

В центре вибратора имеется зазор длиной lg , в который помещается генератор сторонней ЭДС, создающий касательное поле El , равное нулю всюду, кроме области зазора, в которой El =U/lg , где U – напряжение между кромками зазора. Параметрическое уравнение возбуждающего вибратора имеет вид: г (/) = / + #, /є[0;Дтш]. (1.20) Рисунок 1.5 - Геометрия модели ДКЛСА: вид в плоскости xOy при вершине антенны Число сегментов делителя Ld кратно числу дополнительных спиральных проводников Ns . Он распределяет ток, возникающий на возбуждающем вибраторе под действием генератора ЭДС, по заходам спиральных элементов.

Тонкопроволочный рефлектор ДКЛСА (рисунок 1.6) образован прямолинейными X - и Y - проводниками, параллельными, соответственно, осям Ох и Оу . Таким образом параметрические уравнения можно записать в следующем виде: rf(l) = lx + Aiy, /e[0;L/2], i = 1,...,Nf; (1.21) rf(/) = A,i + /y, І є [-№;№], i = 2,...,Nr, r07(/) = /y, /e[-L/2;0], (1.22) здесь Nr - число проводников вдоль одной из осей, A. =-Z/2 + (/-1)A - константа, определяющая позицию проводника, А - расстояние между соседними X - или Y - проводниками.

Наиболее важным моментом является корректная сегментация X - и Y -проводников. Она должна осуществляться таким образом, чтобы узлы всех получающихся ломаных совпадали с точками пересечения X - и Y -проводников. В качестве дополнительного условия примем, что число Nr является нечетным. Тогда алгоритм получения ломаных будет выглядеть следующим образом:

На рисунке 1.7 показано распределение тока на одном из заходов спирали ДКЛСА при L/Л = 5/20. Нормированная диаграмма направленности для данного распределения приведена на рисунке 1.8. Распределение тока имеет вид стоячей волны, рефлектор слабо отражает электромагнитные волны, создаваемые заходами спирали, поэтому излучение в нижнюю полуплоскость на ДН соизмеримо с излучением в верхнюю полуплоскость.

Нормированная диаграмма направленности для данного распределения приведена на рисунке 1.10. Распределение тока, показанное на рисунке 1.9, имеет характер смешанной волны, причем преобладает составляющая в виде бегущей волны. Из диаграммы направленности (рисунке 1.10) видно, что спираль работает в режиме осевого излучения, а рефлектор, несмотря на малые габариты, хорошо отражает электромагнитную волну, излучаемую заходами спирали. Практически такой же результат для данного случая был получен при уменьшении значения Nw с шести до четырех, т.е. при увеличении размера ячейки до значения Ае « 0. U. Рисунок 1.8 - Нормированная диаграмма направленности при Ш = 5/20

На рисунках 1.11 и 1.12 приведены распределения тока и нормированные диаграммы направленности для случая L/1 = 18/20. В спирали так же наблюдается режим бегущей волны тока, но диаграмма направленности приобретает воронкообразную форму. Увеличивается уровень излучения в нижней полуплоскости. Все рассчитанные диаграммы соответствуют представлениям, даваемым в рамках приближенной теории данного типа антенн.

Результаты численного моделирования показали, что, даже при малой густоте сетки, экран достаточно эффективно отражает излучение создаваемое заходами спирали ДКЛСА, при этом он эквивалентен сплошному металлическому рефлектору соответствующих габаритных размеров, рассмотренному в [35]. Рисунок 1.11 - Распределение тока на одном из заходов спирали при Ш = 18/20

Таким образом, в главе получена математическая модель двухзаходной конической логоспиральной антенны с тонкопроволочным рефлектором конечных размеров на основе решения интегральных уравнений, переходящих в систему линейных алгебраических уравнений, позволяющая получить строгое решение краевой задачи, и как следствие, обеспечить высокую точность расчетов ДН и входного сопротивления.

Решена задача построения геометрической модели ДКЛСА, в рамках которой получены параметрические уравнения поверхности одного захода равноугольной спирали, уравнения возбуждающего вибратора и способ построения тонкопроволочного рефлектора. Представлены результаты численного моделирования.

Метод согласования двухзаходной конической логоспиральной антенны последовательным трансформатором

Особенности эксплуатации РТС КА, и в частности АФУ, определяют объем их исследований в период разработки. Исследования можно разделить на теоретические и экспериментальные. Целью экспериментальных исследований служит подтверждение расчетных электрических характеристик, заданных в технических требованиях, и сохранение этих характеристик в условиях орбитального полета КА. Основными измеряемыми электрическими характеристиками ДКЛСА являются диаграмма направленности и входное сопротивление в рабочей полосе частот. Экспериментальные исследования характеристик направленности ДКЛСА производились путем замеров амплитуды мощности электромагнитного поля в меридиональной и азимутальной плоскостях в дальней зоне излучения антенны. Изготовление, настройка и тестирование экспериментальных образцов ДКЛСА проводились в лаборатории СВЧ на антенном полигоне. Блок-схема установки для измерения ДН приведена на рисунке 3.1. Экспериментальный образец ДКЛСА располагается на диэлектрической поворотной платформе, которая установлена на измерительной вышке. Платформа вращается в горизонтальной и угломестнойплоскостях, благодаря чему имеется возможность измерения характеристик излучения антенн в любой пространственной плоскости. Облучение экспериментального образца ДКЛСА производится с помощью вспомогательной измерительной передающей антенны, укреплённой на такой же высоте на диэлектрической передающей вышке. Для снятия ДН антенн используются измерительные антенны П6-33 (30 … 1000 МГц), П6-23А (1…10 ГГц), П6-126 (1…10 ГГц).

Расстояние между измерительной и исследуемой антеннами должно удовлетворять условиям дальней зоны. При выполнении этого условия фазовый Блок-схема установки для измерения ДН (G1 – генератор СВЧ; G2 анализатор цепей; А1 – ДКЛСА; A2 – измерительная антенна) фронт волны является практически плоским, это означает, что во всех точках исследуемой антенны напряженность приходящего поля имеет одинаковые амплитуды и фазы. Так же при снятии ДН на антенном полигоне необходимо устранить влияние излучения, отраженного от поверхности Земли. Высота подъёма антенн, т.е. высота измерительных вышек, должна быть такой, чтобы волны, отражённые от Земли не влияли на результаты измерений [53]. Такие требования, предъявляемые к измерениям, вполне имитируют условия реальной работы антенных устройств в космическом пространстве. Координатная привязка для измерения ДН ДКЛСА представлена на рисунке 3.2.

Входные сопротивления ДКЛСА определялись в лабораторных условиях с помощью автоматизированных измерителей – AgilentFildFox №9912А .

Координатная привязка для измерения ДН ДКЛСА После расчетов согласующих трансформаторов и доработок ДКЛСА исследования электрических характеристик проводились в антенно-измерительном комплексе. Антенный измерительный комплекс (АИК) предназначен для измерения СВЧ параметров антенн и антенно-фидерных устройств в широкой полосе частот в лабораторных условиях. АИК позволяет производить измерения следующих параметров антенных устройств:

Все параметры антенн измеряются одновременно во всей рабочей полосе частот за один оборот измеряемой антенны. В состав оборудования АИК входят: Рисунок 3.3 - БЭК - безэховая экранированная камера (БЭК) (рисунок 3.3); - измерительная антенна TeseqBHA 9118 (1…18 ГГц); - измерительная антенна TeseqCBL 6143A(0.3 … 3 ГГц); - измерительная антенна П6-126 (1…10 ГГц); - измерительная антенна CLS 3101 (0.3 … 1 ГГц); - опорное устройство для антенны TeseqBTP6020А-1370; - позиционер DIAMONDDAMS 6250; - устройство вращения по поляризации DAMS; - PNA анализаторцепей Agilent Technologies N5222А; - генератор Agilent Technologies E 8257 D (250 кГЦ … 20 ГГц); - автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора АИК. Радиочастотная безэховая камера (БЭК) предназначена для измерения параметров антенн, работающих в диапазоне частот от 0,1 до 10 ГГЦ. БЭК представляет собой помещение, имитирующее свободное пространство, в котором поглощаются электромагнитные волны, независимо от их направления, плоскости поляризации и частоты. В безэховых камерах степень поглощения электромагнитных волн определяется использованием различного вида радиопоглощающих материалов.

БЭК с 10-метровым измерительным расстоянием, представленная на рисунке 3.3, выполнена по новейшим мировым технологиям в области создания безэховых камер и соответствует II классу экранированных камер согласно ГОСТ Р 50414-92.

Система компьютерной математики «Maxima»

Под согласованием принято понимать условия, при которых от генератора в нагрузку через линию передачи поступает максимальная мощность. Очевидно, что максимальная мощность поступит в нагрузку при существовании в линии передачи режима бегущей волны, которая характеризуется наличием только падающей волны, т.е при отсутствии отраженной волны [40]. Схематически линию передачи можно представить в виде отрезка линии, к которой с одного конца подсоединен источник излучения, а с другого – нагрузка, например антенна, входное сопротивление которой равно RА. Сопротивление антенны RА может быть различным. На практике всегда стремятся получить сопротивление антенны равным волновому сопротивлению линии передачи, т.е. чтобы коэффициент бегущей (стоячей) волны в линии был близок к единице. Коэффициент стоячей волны (КСВ) представляет собой отношение максимального значения амплитуды полного нормированного напряжения (тока, напряженности поля) к минимальному значению амплитуды полного нормированного напряжения (тока, напряженности поля) [41]:

Иногда вместо КСВ пользуются обратной ему величиной, называемой коэффициентом бегущей волны (КБВ) КБВ: КБВ =ИКСВ На практике наиболее часто используется понятие КСВ, так как современные автоматизированные измерительные приборы (панорамные измерители ксвн) на индикаторных устройствах отображают изменение этой величины в определённой полосе частот [42]. Рассмотрим линию передачи (рисунок 2.2), в которой передаётся мощность от источника излучения в антенну с комплексным сопротивлением ZW=RA+ ІХА s при этом предполагается известным волновое сопротивление линии передачи W [43]. Требуется в заданной полосе частот обеспечить коэффициент стоячей волны Ксв не более допустимого: СВ.ДОП где КСВ.ДОП. - допустимое значение КСВ, определяемого исходя из технических условий режима работы линии передачи. Источник излучения L w Рисунок 2.2 - Отрезок линии передачи, нагруженный на комплексную нагрузку

Принцип согласования антенны состоит в том, что в конструкцию ДКЛСА дополнительно включается согласующий элемент, назначение которого – устранение отраженной волны. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к питанию антенны. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от антенны до согласующего элемента [44]. Включение в конструкцию согласующего элемента преследует следующие цели: минимумов нормированного значения напряжения. В местах максимумов напряжения создаются условия для электрического пробоя. Устранение отражённой волны приводит к уменьшению нормированного значения напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передавать большую мощность, т.е. увеличить её электрическую прочность.

Известно, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с антенной, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения. Отражённая от антенны волна направляется в источник излучения и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование источника излучения с антенной может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности или к полному срыву процесса генерации источника излучения [45].

Для обеспечения допустимой нормы согласования общих схем антенно-фидерных устройств РТС КА при самых неблагоприятных сочетаниях входных сопротивлений приборов, входящих в данную схему, например, ответвителя, гибридного кольца, фильтра и т.д., КСВ двухзаходной конической логоспиральной антенны должен иметь значения в пределах от 1,1 до 1,2. Для этой цели необходимо ввести элемент согласования, эффект от которого, с физической точки зрения, достигается за счет использования явления интерференции, когда совокупность отраженных волн компенсируют друг друга. Решение этой задачи может осуществляться как за счет характеристик антенно-фидерного тракта, так и за счет самой конструкции ДКЛСА.

Широко распространен на практике метод согласования антенн с использованием кабельных трансформатора и реактивного шлейфа или нескольких трансформаторов и шлейфов (при широкополосном согласовании). Этот метод имеет ряд недостатков: - ограничение по полосе рабочих частот; - использование кабелей, работающих при значительных величинах КСВ приводят к потерям, которые тем выше, чем больше КСВ; - уменьшение КПД, т.к. согласование производится не в узле питания ДКЛСА.

При другом способе, для достижения согласования в конструкцию самой ДКЛСА, как можно ближе к узлу питания антенны, должен быть включен согласующий элемент.Именно такой согласующий элемент получил название последовательного согласующего трансформатора, который широко используется в СВЧ технике [46]. Конструкция такого согласующего трансформатора представлена на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Конструкция согласующего трансформатора Известен способ согласования антенны с фидерной линией последовательным четвертьволновым трансформатором (рисунок 2.4) при этом Zw = RA , ХА = 0: РТР = лДТ (2-2) гдертр - волновое сопротивление согласующего трансформатора, RА - активное входное сопротивление антенны, W - волновое сопротивление фидерной линии. Расчет комплексной нагрузки в системе волнового сопротивления фидера В случае комплексного значения входного сопротивления ДКЛСА, где RA+jXA [43] и ХА 0, соотношение (2.2) несправедливо, так как даже при незначительной величине реактивного сопротивления требуется совершенно другое (по сравнению с приведенной формулой) сопротивление рТР, а так же другая длина и диаметр согласующего трансформатора. Тем не менее, в определенной области комплексной плоскости эта задача имеет аналитическое решение. Оно заключается в определении рТР , при котором, входное сопротивление антенны лежало бы на такой окружности КБВ и КСВ, которая пересекала бы ось активных сопротивлений в точках, соответствующих волновому сопротивлению фидера антенны. Для решения данной задачи воспользуемся круговыми диаграммами полных сопротивлений и проводимостей (диаграммой Вольперта-Смита), которые позволяют заменить довольно трудоемкие математические методы простыми графическими методами решения [47].

Экспериментальное исследование характеристик ДКЛСА в L – диапазоне

Наиболее важным моментом является корректная сегментация X - и Y -проводников. Она должна осуществляться таким образом, чтобы узлы всех получающихся ломаных совпадали с точками пересечения X - и Y -проводников. В качестве дополнительного условия примем, что число Nr является нечетным. Тогда алгоритм получения ломаных будет выглядеть следующим образом: 1) необходимо задать порядок сетки экрана Nw; 2) необходимо определить число X - и Y - проводников как Nf = 2Nw+l и NTr=Nw+l; 3) необходимо определить расстояние между соседними X - или Y проводниками Ае = L(NW -1)/2; 4) необходимо задать порядок числа сегментов К,, определяющий, сколько сегментов находится между двумя соседними пересечениями на любом проводнике, 5) необходимо определить общее число сегментов на любом элементе рефлектора Ns = 2Ks(Nw-\), 6) необходимо определить значения натурального параметра для корректной дискретизации (1.21), (1.22) как /,. = (i-\)LINs. Элементы матриц импедансов (1.13) для СЛАУ (1.12) получаем после дискретизации (1.19), (1.20) и (1.21), (1.22).

Для численных расчетов модель без дополнений к образующей, определяющаяся следующими соотношениями: (Н + b)/L = &/9 , RmiJL = 1/6 , RmaJL = 7/18 , bIL = 2/45 , число сегментов Ns для заходов спиралей составило 150, число сегментов возбуждающего вибратора Ng=\5; числа, определяющие геометрию рефлектора: NW=6, KS=2 (данный рефлектор показан на рисунке 1.6), число витков заходов спиралей было равно двум. Исследования проводились для различных соотношений Ш.

На рисунке 1.7 показано распределение тока на одном из заходов спирали ДКЛСА при L/Л = 5/20. Нормированная диаграмма направленности для данного распределения приведена на рисунке 1.8. Распределение тока имеет вид стоячей волны, рефлектор слабо отражает электромагнитные волны, создаваемые заходами спирали, поэтому излучение в нижнюю полуплоскость на ДН соизмеримо с излучением в верхнюю полуплоскость.

На рисунке 1.9 показано распределение тока на одном из заходов спирали ДКЛСА при L/A = 9/20. Нормированная диаграмма направленности для данного распределения приведена на рисунке 1.10. Распределение тока, показанное на рисунке 1.9, имеет характер смешанной волны, причем преобладает составляющая в виде бегущей волны. Из диаграммы направленности (рисунке 1.10) видно, что спираль работает в режиме осевого излучения, а рефлектор, несмотря на малые габариты, хорошо отражает электромагнитную волну, излучаемую заходами спирали. Практически такой же результат для данного случая был получен при уменьшении значения Nw с шести до четырех, т.е. при увеличении размера ячейки до значения Ае « 0. U. Рисунок 1.8 - Нормированная диаграмма направленности при Ш = 5/20

На рисунках 1.11 и 1.12 приведены распределения тока и нормированные диаграммы направленности для случая L/1 = 18/20. В спирали так же наблюдается режим бегущей волны тока, но диаграмма направленности приобретает воронкообразную форму. Увеличивается уровень излучения в нижней полуплоскости. Все рассчитанные диаграммы соответствуют представлениям, даваемым в рамках приближенной теории данного типа антенн.

Результаты численного моделирования показали, что, даже при малой густоте сетки, экран достаточно эффективно отражает излучение создаваемое заходами спирали ДКЛСА, при этом он эквивалентен сплошному металлическому рефлектору соответствующих габаритных размеров, рассмотренному в [35]. Рисунок 1.11 - Распределение тока на одном из заходов спирали при Ш = 18/20

Таким образом, в главе получена математическая модель двухзаходной конической логоспиральной антенны с тонкопроволочным рефлектором конечных размеров на основе решения интегральных уравнений, переходящих в систему линейных алгебраических уравнений, позволяющая получить строгое решение краевой задачи, и как следствие, обеспечить высокую точность расчетов ДН и входного сопротивления.

Решена задача построения геометрической модели ДКЛСА, в рамках которой получены параметрические уравнения поверхности одного захода равноугольной спирали, уравнения возбуждающего вибратора и способ построения тонкопроволочного рефлектора. Представлены результаты численного моделирования.