Содержание к диссертации
Введение
2 Требования, предъявляемые к антеннам РСДБ-сети ... 9
3 Возможность использования для целей КВО модернизированной антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16 17
3.1. Модернизация зеркальной системы антенной установки 19
3.2. Оптимизация геометрии рупора 25
3.3. Радиотехнические параметры модернизированной антенной установки 33
3.4. Модернизация электропривода 33
4 Предложения по модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25 43
4.1. Радиотехнические характеристики антенной
установки с немодифицированной зеркальной системой... 43
4.2. Расчет двухзеркальной антенны типа Грегори с модернизированными поверхностями 47
4.3. Результаты расчета параметров оптимизированного рупорного облучателя 57
4.4. Облучатели на базе ребристого рупора 60
4.5. Оценка радиотехнической эффективности зеркальной системы 71
4.6. Особенности принципиальной схемы электропривода антенной установки 79
5 Система наведения антенного комплекса 83
5.1. Вычислительно-управляющая система 83
5.2. Аппаратура съема угловых координат 89
6 Управление механической системой, имеющей люфт 98
7 Заключение
- Оптимизация геометрии рупора
- Радиотехнические параметры модернизированной антенной установки
- Расчет двухзеркальной антенны типа Грегори с модернизированными поверхностями
- Аппаратура съема угловых координат
Введение к работе
Основные достижения астрономии за последние десятилетия стали возможными благодаря использованию новых наблюдательных технологий и, в первую очередь, методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) для наблюдений небесных тел и космических аппаратов в широком диапазоне длин волн. Главное преимущество этого метода – это высокое угловое разрешение.
С помощью наблюдений методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами решаются задачи не только в традиционных разделах астрономии, но и в геодинамике, в прикладных науках, в исследовании и освоении космоса, в обороне страны. Трудно найти области, связанные с физическими процессами, протекающими на Земле, внутри Земли и в космосе, при изучении которых невозможно было бы эффективное использование радиоинтерферометрических методов.
Потенциальные возможности этих методов определяются конфигурацией РСДБ-сети и параметрами используемых антенн. В начале развития радиоинтерферометрии для выполнения наблюдательной программы с целью решения той или иной задачи, в РСДБ-сети объединялись действующие радиотелескопы. Однако, радиоастрономические обсерватории и пункты дальней космической связи, формирующие РСДБ-сети для проведения периодических сеансов наблюдений, сталкивались со значительными трудностями. Значительная часть трудностей могла быть разрешена созданием специализированных РСДБ-сетей.
В разных странах мира группами ученых были практически одновременно выдвинуты предложения о создании фазостабильных радиоинтерферометрических сетей. Несмотря на некоторые различия в технических решениях и деталях идеологии, национальные проекты представляли, по существу, весьма близкие взгляды радиоастрономов различных стран на будущее в высокоточном исследовании космического пространства методами РСДБ.
Обычный путь создания радиоинтерферометрической сети – это строительство трех или более наблюдательных пунктов, главным объектом которых являются однотипные антенны среднего диаметра (25-32м), предназначенные для наблюдений в радиоинтерферометрическом режиме.
Процесс создания пункта и строительства антенны достаточно долгий и многозатратный. Стоимость антенны с приемными и регистрирующими устройствами составляет многие десятки миллионов рублей. И это может служить препятствием для расширения РСДБ-сети, в первую очередь, для решения прикладных задач. Выходом из создавшегося положения может быть включение в сеть уже существующих антенн, работающих в том же частотном диапазоне, что и антенны сети. Примером такого подхода могут служить международные программы и службы, такие как, например, IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry), объединяющие национальные сети и отдельные радиотелескопы на всех континентах. Этому способствует унификация частот наблюдений и регистрирующей аппаратуры, появление мощной вычислительной техники и единых центров обработки наблюдений.
Предложенные в работе методы модернизации связных антенн позволяют ставить вопрос об использовании их для радиоинтерферометрических наблюдений. Показано, что модернизированные связные антенны диаметром 16 и 25 метров при наблюдениях на волнах 3,5 и 13см не будут уступать по своим параметрам, в том числе по чувствительности, антенным установкам, используемым в мировых РСДБ-сетях.
Изложенный в работе метод учета люфта в механической системе, как один из этапов модернизации 12-метровой связной антенны для целей РСДБ, может быть применен для других систем, имеющих люфт.
Актуальность темы диссертации
Российская национальная РСДБ-сеть КВАЗАР в настоящее время ограничена тремя радиотелескопами, которые достаточно рационально расположены на территории России: в Ленинградской области, в Карачаево-Черкессии на Северном Кавказе и в Бурятии около озера Байкал.
Однако, для привязки отдельных точек на поверхности Земли к местам расположения радиотелескопов радиоинтерферометрической сети потребуется использовать дополнительные средства и методы, в качестве которых могут выступить существующие антенны, построенные для других целей, например, антенны дальней космической связи или связные спутниковые антенны. Десятки связных спутниковых антенн с диаметром зеркал от 12 до 25 метров расположены на территории России от Чукотки до Ленинградской области и от Нарьян-Мара до Красноярска.
В свое время опыт построения больших радиоастрономических антенн в полной мере был использован при создании антенн дальней космической связи. Объединение интересов и средств радиоастрономов и исследователей космоса там, где это оказалось возможным, сыграло положительную роль в развитии обеих отраслей науки. В настоящее время сотрудничество и объединение усилий специалистов разных ведомств по расширению национальной радиоинтерферометрической сети для решения народно-хозяйственных и оборонных задач России может принести ещё больший положительный результат.
Цель работы
Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности использования неспециализированных антенных систем для наблюдений космических источников и космических аппаратов в составе РСДБ-сетей после модернизации этих систем. Для этого были поставлены следующие задачи:
-
Определение основных параметров антенных систем, имеющих значение при работе этих антенн в составе РСДБ-сетей.
-
Проведение модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, и анализ полученных радиотехнических характеристик этой антенны с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.
-
Рассмотрение вариантов модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, расчеты радиотехнических параметров рассмотренных вариантов, анализ этих параметров с целью определения возможности работы модернизированной антенны в составе РСДБ-сети.
-
Разработка метода по управлению механической системой, имеющей люфт, и применение этого метода к связным антеннам и радиотелескопам с целью повышения точности их наведения.
Научная новизна работы
В процессе исследования возможности использования связных антенн для целей РСДБ путем их модернизации были получены следующие новые результаты:
-
Показано, что в результате модернизации связных антенн диаметром 16 и 25 м при условии оснащения их криогенной радиометрической приемной аппаратурой, эти антенны по своим параметрам могут успешно работать в составе РСДБ-сетей.
-
Разработан способ управления механической системой, имеющей люфт, позволяющий значительно повысить точность наведения антенны.
-
Получена формула, связывающая чувствительность радиотелескопа в виде параметра SEFD (System Equivalent Flux Density) с точностью наведения, определяемой положением диаграммы направленности.
Практическая ценность работы
Показано, что проведенная модернизация антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, путем модификации поверхностей отражательных элементов на основе предварительных расчетов, и выбранный вариант модернизации антенной установки, созданной на базе зеркальной системы РТ-25, включающий использование системы Грегори с модифицированными поверхностями зеркал вместо классической системы Кассегрена, а также расчет и создание новых модификаций рупоров для обеих антенных систем и использование более совершенной аппаратуры наведения и нового электропривода, могут служить достаточным основанием для рассмотрения вариантов включения этих антенн в РСДБ-сети с целью выполнения исследований радиоинтерферометрическими методами в интересах фундаментальной и прикладных наук, а также освоения космоса и обороны страны.
Разработанный способ управления механической системой, имеющей люфт, может значительно повысить точность наведения антенных установок старых модификаций без значительных материальных затрат.
Результаты, выносимые на защиту
-
Результаты модернизации антенной установки, созданной на базе рефлектора РТ-16, показавшие возможность эффективного использования для наблюдений в режиме РСДБ..
-
Вариант модернизации антенной установки с диаметром главного отражателя 25м путем построения зеркальной системы по типу Грегори и модификации отражающих поверхностей.
-
Способ управления механической системой, имеющей люфт, позволивший повысить точность наведения антенны.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались на Всероссийской астрономической конференции (Санкт-Петербург 2001), на Ученом совете и научных семинарах ИПА РАН, на технических советах ООО «Специальный монтаж средств связи».
Публикации и вклад автора
Основные результаты диссертации изложены в 6 работах [1-6], общим объемом 321 стр.
В работах [1-3] автор являлся главным конструктором ряда систем и одним из разработчиков требований, предъявляемых к системам антенно-приемных комплексов.
В работах [4,5] автору принадлежат: разработка способа управления механической системой, имеющей люфт; задание основных параметров системы для моделирования и объяснение полученных результатов; внедрение этого способа в систему наведения 12-метровой антенны.
В работе [6] автору принадлежит обоснование возможности использования модернизированных связных антенн в целях РСДБ и расчеты SEFD 16 и 25-метровых антенн при условии оснащения их криогенной радиометрической приемной аппаратурой на волны 3.5 и 13см.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Она содержит 125 страниц, 50 рисунков и 17 таблиц. Список литературы насчитывает 28 наименований.
Оптимизация геометрии рупора
Для оценки радиотехнической эффективности зеркальной системы нам потребовалось оценить эффект затенения раскрыва рефлектора металлоконструкциями опорного узла и четвероноги. Как известно, снижение радиотехнической эффективности под влиянием локальных неоднородностей, находящихся в поле облучения зеркальной системы, пропорционально отношению полного поперечника рассеяния этих неоднородностей к площади излучающей апертуры, а полный поперечник рассеяния в геометрическом приближении равен удвоенному поперечнику обратного рассеяния, т.е. удвоенной площади затенения.
На рис. 3.4 штриховкой отмечены затененные области раскрыва рефлектора: 1 - область опорного узла, 2 - область тени от четвероноги в поле плоской волны, 3 - область тени от четвероноги в поле сферической волны. Оценка площади этих областей с использованием чертежей металлоконструкций дает для первой области 3,5 м2, для второй области - 7,4 м\ для третьей - 7,6 м". Указанные оценки выполнены без учета частичной прозрачности четвероноги. Принимая коэффициент прозрачности ферменных металлоконструкций четвероноги равным 0,5, а опорного узла -нулю, получим суммарную площадь затенения раскрыва рефлектора: Sv= 3,5+0,5 х (7,4+7,6) -11м2
Общими элементами конструкции антенны для работы в заданном диапазоне частот является облучатель и зеркальная система. Справедливость геометрической оптики в пределах зеркальной системы определяет частотную независимость многих ее характеристик, другие легко рассчитываются на разные длины волн, поэтому требование обеспечения работы зеркальной системы в пяти диапазонах частот не накладывает дополнительных трудностей. Обеспечение частотной независимости характеристик облучателя - существенно более сложная задача.
Облучатель предназначен для преобразования электромагнитного поля из формы, в которой оно существует в волноводе, в расходящийся пучок лучей, исходящий из определенного фазового центра и характеризующийся определенным углом расходимости. При этом важна симметрия диаграммы направленности облучателя в Е- и Н- плоскостях. При не очень широких диаграммах направленности наилучіиими характеристиками обладают облучатели типа расфазированных ребристых рупоров.
Однако ребристая структура таких рупоров ограничивает сплошную частотную рабочую полосу коэффициентом перекрытия не более 1.8. Недостатком расфазированного ребристого рупора является также слишком большая трудоемкость изготовления. Еще до широкого внедрения ребристых рупоров в антенной технике с аналогичной целью использовали гладкие рупоры с высшими типами волн, возбуждаемыми с помощью коробчатой конструкции или с помощью изломов образующей рупора. Такие конструкции существенно менее металлоемки и более технологичны в изготовлении. Недостатком их является более сильная частотная зависимость параметров излучения, однако это в значительной степени может быть преодолено путем оптимизации геометрии облучателя.
Оптимизация геометрии рупора с изломами образующей сводится к подбору диаметров и углов раскрыва составляющих простых конусов, а также к выбору места расположения рупора относительно вторичного фокуса зеркальной системы. При этом оцениваются и сравниваются между собой параметры радиотехнической эффективности антенны во всех рабочих диапазонах частот.
Рупоры данного типа рассматривались как составное СВЧ устройство, представляющее собой каскадное соединение цилиндрических или конических секций. Для каждой секции рассчитывалась матрица рассеяния с учетом необходимого числа собственных типов волн этой секции. Вычисление результирующей матрицы рассеяния обеспечивает сшивание собственных волн различных секций на разграничивающих поверхностях. Расчет характеристик излучения рупорной антенны в промежуточной зоне Френеля осуществлялся с использованием формулы Кирхгофа-Коттлера [21]. Использованный метод расчета может быть применен и для расчета рупора на частоты 8,45 и 2,37 ГГц, используемые в радиоинтерферометрических наблюдениях для целей PC ДБ.
Рассчитанные характеристики излучения рупорной антенны необходимы были для оценки коэффициента использования поверхности (КИП) главного рефлектора РТ-16 и его шумовой температуры, а также для расчета диаграммы направленности главного рефлектора. Расчет диаграммы направленности рефлектора вблизи главного лепестка осуществлялся по достаточно универсальной программе, разработанной в ОКБ МЭИ. Программа применима для расчета характеристик излучения двухзеркальных антенн с модифицированными профилями зеркал. Достаточно эффективный метод расчета в этой программе основан на вычислении точечной характеристики Гамильтона [22] двухзеркальной антенны с произвольными профилями произвольно расположенных зеркал.
На изломах образующей рупора происходит возбуждение высших и частичное отражение всех существующих в данном сечении типов волн. Это приводит к изменению условий фазировки распространяющихся типов волн и к изменению мощности бокового излучения, за которое, в большей степени, ответственны высшие типы волн. Изменение условий фазирования приводит к изменению апертурного КИП радиотелескопа К;1, а изменение мощности бокового излучения влияет на коэффициент переливания мощности облучателя за пределы контррефлектора К0.
Антенна должна осуществлять одновременный прием информации в диапазонах длин волн от 2,5см до 15см. Оптимизация геометрии рупора производилась, прежде всего, для обеспечения его работоспособности на волнах 7,5см, 2,7см и 2,5см, а затем проводилась проверка возможности его работы на волны 4,5см и 15см.
Опыт разработки двухчастотных облучателей показал, что наибольшая эффективность облучателей достигается при суммировании излучения в одном рупоре от разных возбудителей. Возбудители различных диапазонов должны быть развязаны между собой фильтрами и не должны быть источниками искажения диаграммы направленности на других диапазонах частот. Выполнение этих требований отрабатывалось на этапе макетирования входных устройств рупора. При оптимизации геометрии излучающей части рупора предполагалось, что возбудители создают на входном участке рупора волну основного типа и не влияют на характеристики излучения на других частотах.
Оптимизированная геометрия рупора показана на рис. 3.5.
Рупор состоит из двух конических частей: внешней части с диаметром раскрыва 450мм и углом полураскрыва 12 и внутренней части с углом полураскрыва 8", стыкующейся с внешней частью по диаметру 200мм. Полная длина рупора от раскрыва до сечения стыка с возбуждающим устройством на волны 2,5см и 2,7см - 1 350 мм.
В таблице 3.3 приведены парциальные составляющие КИП многочастотного рупора в рабочих диапазонах частот, определяющие потери на переливание энергии за пределы контррефлектора, за пределы главного зеркала, потери апертурного КИП, на кроссполяризацию, за счет дифракционного искажения апертурного распределения, затенения и отличия формы зеркал от теоретической, а также произведение этих коэффициентов.
Па волнах 7,5 и 15см наибольшее снижение эффективности происходит из-за влияния переливания за пределы контррефлектора и дифракционных потерь. На более высоких частотах сильнее других факторов сказывается снижение апертурного КИП и потери за счет отличия профилей зеркал от теоретических.
Существенное снижение эффективности во всех диапазонах частот происходит из-за затенения апертуры антенны металлоконструкциями четвероноги и опорного узла. Сказывается также то, что в качестве облучателя использован единый для всех частот гладкий рупор.
Радиотехнические параметры модернизированной антенной установки
На рис. 3.8. и 3.9.показаны диаграммы направленности системы Кассегреиа, образованной главным рефлектором, контррефлектором и спроектированным рупором. На рис. 3.10 и 3.11 изображены зависимости шумовой температуры антенны от угла места главного рефлектора, приведенные к месту стыка волноводного тракта с рупором, т.е. без учета влияния потерь тракта и вклада шума приемного МШУ.
Если, в качестве приемных устройств использовать приемники и тракты СВЧ на 3,5 и 13см, аналогичные установленным на радиотелескопах комплекса КВАЗАР [23], и оптимизировать геометршо рупорного облучателя на эти волны, то приблизительные оценки чувствительности по параметру SEFD полученной антенной системы (см. формулу 2.1 и табл. 3.3), дают: на 3,5 см SEFD 1200; на 13 см SEFD - 1100
Полученные цифры показывают, что по чувствительности модернизированная антенная установка, созданная на базе рефлектора РТ-16. может быть не хуже антенн соответствующего размера, участвующих в РСДБ-наблюдательных программах (см. табл. 2.1).
Модернизация электропривода
Конструктивная часть антенной установки (АУ), созданной на базе рефлектора РТ-16, помимо главного зеркала, вторичной системы с контррефлектором и надзеркальной кабины содержит опорно-поворотное устройство с азимутально-угломестнои системой координат. Механизмы наведения антенны по обеим координатам сходны. Каждый из них является двухскоростным, что обеспечивает скоростные режимы «Быстро» и «Медленно». Кинематическая цепь каждого скоростного диапазона в своем составе содержит: исполнительный двигатель и электромагнитную муфту. Электромагнитная муфта механически соединяет вал двигателя со всей кинематической цепью. Таким образом, с помощью указанных электромагнитных муфт обеспечивается выбор требуемого скоростного диапазона.
В обесточенном состоянии муфт кинематические цепи разомкнуты, вследствие чего возможно самопроизвольное движение антенны под действием внешних активных воздействий (ветер, дебаланс по углу места). Во избежание этого движения, в общую часть кинематической цепи введен электромагнитный колодочный тормоз типа ТКП-300. Его работа сблокирована с работой электромагнитных муфт и обеспечивает размыкание кинематической цепи только в заторможенном положении антенны.
Для повышения точности и плавности работы АУ, в состав кинематической схемы введено люфтовыбирающее устройство, обеспечивающие исключение основной части люфта в передачах. Люфтовыбирающее устройство является чисто механической системой, создающей в части кинематической цепи замкнутый контур с дополнительным усилием.
Для управления наведением антенны на источник предназначена аппаратура наведения, которая представляет собой вычислительно-управляющую систему, выдающую в замкнутом режиме аналоговый сигнал управления электроприводом.
Модернизация электропривода наведения антенной системы состояла в частичной замене электрооборудования па серийно изготовляемую аппаратуру электропривода ЭПА-57ММ, предназначенного для антенн аналогичного назначения. Установленный электропривод позволяет быстро переводить антенну в исходное положение с последующим переключением в режим автоматического наведения на исследуемый объект.
Основными, в функциональном отношении, устройствами электропривода являются аппаратные стойки типа АСЫ. В конструктивном отношении аппаратура построена по функционалыю-модульнуму принципу. Предусмотрено три уровня модулей: кассета, блок (частичный блок), стойка. Стойки состоят из функциональных блоков или частичных блоков. Набор функциональных модулей кассет образуют функциональный блок. В кассетах в основном применяется печатный монтаж.
Функционально-модульный принцип построения аппаратуры отличается значительными производственно-технологическими и эксплуатационными достоинствами. Настройка и эксплуатация аппаратуры не требует высокой квалификации обслуживающего персонала без ущерба для надежности ее функционирования.
Блок БУК-01 обеспечивает коммутации внутренних и внешних сигналов и команд с целью обеспечения функций блока БУ; кроме того, здесь установлены модули, обеспечивающие устойчивость и качество регулирования электропривода в целом и устройство автономного диагностического контроля.
В некоторых модификациях ЭПА-57ММ в нижних отсеках стойки АСН-01 размещаются тиристорные преобразователи малой скорости, обеспечивающие управление двигателями в диапазоне «Медленно».
Стойка АСН-Б отличается от рассмотренной стойки АСН-01 отсутствием блоков, предназначенных для использования оператором (блоки БУ, БИ и т.п.). Функциональное назначение этой стойки - обеспечение наведения антенны в диапазоне «Быстро». Функции усилителя мощности в этом случае выполняют блоки БТП-200М, принципиальная схема этого блока представляет собой реверсивный управляемый трехфазный выпрямитель на тиристорах с выходным длительно допустимым током до 200 А с возможностью двукратной перегрузки с течение Юс.
Блоки БТП-25М в скоростном диапазоне «Медленно» выполняют функции, аналогичные блокам БТП-200М. В диапазоне «Быстро» они имеют длительно допустимый ток до 25 А и обладают аналогичной перегрузочной способностью.
Из сказанного выше в отношении функций аппаратуры системы ЭПА-57ММ следует, что для обеспечения вращения опорно-поворотного устройства потребовалось использование части электрооборудования, входившего в состав исходного электропривода. К этому оборудованию относятся: исполнительные электродвигатели, электромагнитные муфты сцепления, тормоза, тахогенераторы и др.
Были предварительно проведены расчеты по определению параметров модернизируемого электропривода, в том числе пределы рабочих скоростей слежения, ошибки наведения, допустимые значения скорости ветра. Максимальные скорости модернизированного привода определяются следующим образом: со - —— х ct)(ki х _ х 57,3 ( 7с) (3.1) Здесь U,= 240 В - номинальное выпрямленное напряжение тиристорных преобразователей (В) системы ЭПА-57ММ; идв.ц = 220 В — номинальное напряжение двигателя; солн и і - номинальная скорость двигателя и передаточное отношение кинематической цепи (табл. 3.4).
Расчет двухзеркальной антенны типа Грегори с модернизированными поверхностями
Приведем расчетные результаты по параметрам оптимизированного рупорного облучателя для рассчитанной зеркальной системы, полученные с использованием программного обеспечения, реализующего методику проектирования, описанную в [25J. Оптимизировался гладкий рупор с двумя изломами образующей, причем входная секция рупора оптимизировалась в процессе экспериментальной отработки двухдиапазонного возбуждающего устройства, а в процессе расчетной оптимизации не менялась.
На рис. 4.8 показана геометрия оптимизированного рупорного облучателя и его положение на фокальной оси зеркальной системы. Полная длина рупора от раскрыва до стыка с вол ново дным устройством на волны 3 и 3,5см менее 1,8м, диаметр излучающего раскрыва 0,55м. Ко входной секции длиной 185мм по оси к круглому входу диаметром 21мм подключено возбуждающее устройство диапазонов 3 и 3,5см, а по бокам МШУ диапазона 10см.
В табл. 4.4 приведена подробная раскладка составляющих КИП и шумовой температуры на нижних частотах рабочих диапазонов.
При оценке снижения эффективности из-за отличия профилей зеркал от теоретических предполагалось, что суммарная среднеквадратичная погрешность профиля рефлектора относительно теоретического составляет !мм при всех условиях эксплуатации, а среднеквадратичная погрешность профиля контррефлектора - 0,35мм.
На рис. 4.9 - 4.12 приведены расчетные диаграммы рассматриваемого облучателя в рабочих диапазонах частот. Сплошной линией показана диаграмма направленности в плоскости электрического вектора, пунктиром -в плоскости магнитного вектора, точками - идеальная диаграмма направленности, соответствующая равномерному распределению поля в раскрыве рефлектора.
На рис. 4.13 показано предполагаемое изменение шумовой температуры антенны в зависимости от угла места.
В качестве альтернативного варианта облучателю на базе гладкого рупора с изломом образующей разработаны два ребристых облучателя с оптимизированными характеристиками. Один из облучателей предназначен для одновременной работы на 10см и на 3-3,5см, другой - в диапазоне 5см. Необходимость разработки двух облучателей обусловлена тем, что диапазонные свойства ребристой структуры внутренних стенок рупора (радиальные канавки) не обеспечивают поддержание основной гибридной моды НЕЇ 1 одновременно во всех рабочих диапазонах частот.
Геометрия облучателя для 10 и 3-3,5см показана па рис. 4.14. Данный облучатель состоит из трех секций. Первая секция представляет собой соединение отрезка круглого волновода с отрезком гладкой конической секции, в стенках которых прорезаны радиальные канавки (в плоскости, перпендикулярной оси рупора). Вторая секция является преобразователем волны НІ 1 гладкой конической секции в гибридную НЕП ребристой конической секции. Для обеспечения требуемого преобразования в двух разнесенных диапазонах частот (10 и 3-3,5см) изменение поверхностного импеданса стенок рупора вдоль преобразователя осуществляется только за счет изменения ширины канавок и ребер канавок. Параметры ребристых секций облучателя приведены в табл. 4.5. На рис. 4.16-4.17 показаны ДН облучателей.
Геометрия облучателя для диапазона 5см приведена на рис. 4.15. Данный облучатель состоит из трех конических ребристых секций с радиальными канавками. Первая секция является преобразователем типов волн. В этом случае поверхностный импеданс стенок рупора вдоль преобразователя изменяются, в основном за счет глубины канавок. Параметры преобразователя и остальных секций рупора приведены в таб. 4.6 и 4.7. На рис. 4.18 показана ДН этого облучателя.
Для разработанных ребристых облучателей по методике, описанной в [25] была проведена оценка радиотехнической эффективности зеркальной системы. Результаты показаны на рис. 4.19-4.20, где приведены графики зависимости полного КИП и шумовой температуры от нормированной частоты. Нормированная частота f определяется соотношением: соответственно средняя, верхняя и нижняя частоты рабочего диапазона.
При оценке шумовой температуры антенны учтены тепловые потери в антенне и облучателе, которые приняты равными 0,2 дБ для диапазона 10см, 0,3 дБ для диапазона 5см и 0,4 дБ для диапазона 3-3,5см. Шумовая температура антенны вычислялась при углах места 5", 7 и 10 соответственно для длин воли 10см, 5см, 3-3,5см.
Приведенные выше результаты позволили обосновать выбор способа модернизации зеркальной системы.
Самый дешевый способ модернизации включает изготовление широкополосного рупора и монтаж его в области вторичного фокуса существующей антенной установки. Можно было модернизировать опорное устройство подвески контррефлектора без изменения профилей зеркал, однако и в первом, и во втором случае не достигается необходимая эффективность антенны ни в одном диапазоне частот.
Существенного повышения радиотехнической эффективности удается достигнуть при переходе к модифицированным профилям зеркал двухзеркалъной антенны по типу Грегори. Это позволяет повысить КИП до уровня 0,7 в диапазоне 10см, 0,65 - 5см, 0,59 - 3,5см и 0,58 - Зсм с гладкостейным рупором и до уровня 0,72 в диапазоне 10см, 0,69 в диапазоне 5см и 0,57-0,58 в диапазонах 3,5см и Зсм с ребристым рупором. КИП повышается из-за улучшения характера распределения поля по раскрыву рефлектора и дополнительного уменьшения затенения с той же опорной конструкцией.
Следует отметить, что ребристый рупор не обеспечивает перекрытия всех рабочих диапазонов. Антенна должна быть оснащена двумя ребристыми рупорами: одним для одновременной работы в диапазонах частот 10см, 3,5 и 3 см., а другим - в диапазоне 5см. Стоимость изготовления одного ребристого рупора примерно в 5 раз больше, чем гладкостенного рупора, а двух ребристых рупоров - на порядок. В связи с этим было предложено оснастить антенну широкополосным гладкостенным рупором.
В заключение приведем результирующие диаграммы направленности антенной системы. На рис. 4.21-4.24 изображены диаграммы направленности антенны на нижних частотах диапазонов, сплошными линиями в плоскости электрического вектора (при работе по линейной поляризации), пунктиром -в плоскости магнитного вектора поля. При работе по круговой поляризации диаграмма направленности будет средней из этих двух. Следует отметить, что в совмещенных диапазонах частот диаграмма направленности не вызывает нареканий, в то время, как в диапазоне 5см заметно очень большое влияние кросс поляризации облучателя, особенно в уровне первого бокового лепестка. Уровень этого лепестка в плоскости электрического вектора составляет минус 12 дБ, в плоскости магнитного вектора поля минус 20 дЬ. Отсюда получается, что уровень первого бокового лепестка по круговой поляризации составляет минус 14 дБ. Большое влияние кроссполяризации в диапазоне 5см может быть объяснено том, что оптимизация параметров рупора проводилась по среднему КИП на нижней частоте диапазона 10см и верхней частоте диапазона Зсм, а параметры облучателя в диапазоне 5см не оптимизировались.
Аппаратура съема угловых координат
Для контроля углового положения исполнительных осей опорно-поворотного устройства антенного комплекса в процессе наведения служит аппаратура измерения (съема) угловых координат (АСУК). Точность контроля углового положения осей обеспечивает надежность вхождения в связь, а также проведение некоторых технологических операций. При управлении от ЭВМ контроль углового положения необходим для таких режимов работы антенны, как, например, сканирующий поиск. Построение таких цифровых систем требует, кроме необходимой точности аппаратуры, еще и высокого ее углового разрешения (разрядности) и стабильности для организации прецизионного перемещения зеркальной системы.
Для надежной работы системы автоматического сопровождения точность отсчета углового положения осей антенны должна быть не хуже ± 0,5 ширины диаграммы направленности. Требуемая точность сопровождения источника составляет 0,1 полуширины диаграммы направленности. АСУК антенной системы, как правило, должна обладать рядом специальных характеристик для работы в составе автоматизированной системы наведения:
Сопряжение с ЭВМ, обеспечивающей обмен в режиме запрос-ответ. Визуальная индикация углового положения антенны при ручном управлении для оператора наведения при выполнении технологических операций. Индикация исправности и готовности АСУК к работе.
Точность АСУК, в основном, определяется точностью используемых угловых преобразователей (датчиков) и кинематической пофешностью механической передачи между исполнительной осью антенной системы и валом (осью) углового преобразователя. Для азимутальной координаты, где по конструктивным соображениям практически невозможно установить соосно yi Л о вой датчик, вращение па последний передается через зубчатую передачу. Прецизионное изготовление зубчатых колес и селективная сборка этого механизма по оценкам дает погрешность «от пика до пика» на полном круге до 1 утл.мин. Это является пределом в точности АСУК.
Исходя из требуемой точности 2 угл.мин. (СКО), при равномерном законе распределения, максимальное значение погрешности АСУК может составлять до 6-7 угл.мин. При такой величине максимальной погрешности практически можно пренебречь (при квадратическом суммировании) погрешностями зубчатой передачи и шарнирной муфты. Поэтому можно считать, что для исходных данных точность угловых преобразователей АСУК составляет величину СКО 2 угл.мин. при максимальной погрешности до 6 угл.мин.
Было предложено несколько вариантов реализации угловых преобразователей данной точности.
Одни из вариантов построения АСУК основаны на использовании покупных синусо-косинусных вращающихся трансформаторов как двухотсчетных, так и одноотсчетных.
Угловой преобразователь на основе двухотс четного синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) с электрической редукцией 16 или 32 и двухканальното преобразователя, типа ЦПУ ЯЮЗ.035.250, разработки ОКБ МЭИ, позволяет уверенно решить поставленную задачу по точности преобразования.
В качестве двухотсчетпого СКВТ можно применить датчик угла двухканалышй (ДУД) 1А29.01.02.500 ТУ, изготавливаемый АООТ «ИЭМЗ» г.Подольск на основе широко известного двухотсчетного трансформатора СКТД 6465 П с электрической редукцией точного отсчета 1:32. Такой датчик имеет точность ±2 угл.мин., что вполне достаточно для решения поставленной задачи. Прибор ДУД имеет небольшие габариты (0 75x57мм). Необходимо только изготовить корпус, стакан, мембранную муфту и внешний кожух.
Для построения цифрового углового преобразователя прибор ДУД необходимо состыковать с вышеупомянутым двух канальным преобразователем. Имеющаяся подобная разработка - прибор ППУ ЯЮЗ.035.250 -имеет ограничение в быстродействии, не превышающее 9 угл.град./с, что недостаточно для обеспечения отсчета координат АС на скорости 1 у гл. г рад/с. " га проблема легко решается путем незначительной доработки схемы, позволяющей увеличить быстродействие до требуемых 32 у гл. град/с и более.
Оба канала прибора ПНУ одинаковы по построению. Прибор имеет порт RS-485 с гальванической развязкой и может по линии связи (длиной до 1000м) подключаться в ЭВМ IBM PC через устанавливаемую па шину ISA мультипортовую плату (например, мультипортовые карты PCL-740, PCL-745В или PCL-746+фирмы ADVENTECH).
Каждый канал углового преобразователя представляет собой компенсационный амплитудный преобразователь, в котором формирование кода углового перемещения производится интегрированием в контуре электронной следящей схемы. При этом непременным условием является наличие интеграторов в контуре компенсации сигнала рассогласования между теку щи vi угловым положением, определяемым возбуждающими сигналами СКВТ, и его цифровым эквивалентом.
Структурная схема канала углового преобразователя представлена на рис. 5.1. Возбуждающие обмотки синусная С и косинусная К СКВТ получают питание от функционального тригонометрического преобразователя (ФТП) с частотой F0.
Далее импульсные сигналы поступают на преобразователи напряжение-напряжение У с коэффициентом передачи ±1, знак преобразования которых определяется квадрантными фазовыми соотношениями - кодом Фа,, т.е. двумя старшими разрядами (1 и 2р) цифрового эквивалента Фо Таким образом, возбуждение СКВТ осуществляется знакопеременными широтно-импульсными сигналами с частотой F(), амплитуды первой гармоники которых пропорциональны соответственно косинусу и синусу цифрового эквивалента внутриквадрантного кода ФР, а фазовые соотношения определяются кодом Ф-у..:
