Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и требования предъявляемые к многолучевым антеннам с управляемой диаграммой направленности в системах управления 16
1.1. Анализ современного состояния систем спутниковой связи и направления их совершенствования 16
1.2. Требования, предъявляемые к многолучевым и сканирующим антеннам систем спутниковой связи 32
1.3. Современное состояние практики проектирования зеркальных антенн и направления совершенствования антенных устройств систем спутниковой связи 40
1.4. Выводы 51
2. Математическая модель фокусирующей подсистемы и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА 52
2.1. Методы исследования многолучевых гибридных антенн зеркального типа и зеркальных антенн с управляемой диаграммой направленности 52
2.2. Фокусирующие свойства многолучевых зеркальных антенн с различными типами отражающей поверхности 58
2.3. Оптимальное положение облучателя и геометрические размеры фокальной области антенн различного профиля при отклонении луча 66
2.4. Распределение напряженности поля в фокальной области для зеркал различного профиля 79
2.5. Выводы 84
3. Синтез элементов системы управления многолучевой антенны зеркального типа 85
3.1. Оценка требований к компоновке и алгоритм расчета пространственной развязки парциальных лучей в многолучевой антенной системе зеркального типа 85
3.2. Синтез устройств связи с объектом на основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового фильтра 96
3.3. Компенсация искажений в апертуре зеркальных антенн на основе синтеза матриц весовых коэффициентов управления У СО 108
3.4. Характеристика излучения облучающего устройства кластерного типа на прямоугольных волноводах при компенсации искажений амплитудно-фазового распределения в раскрыве основного рефлектора 117
3.5. Выводы 126
4. Исследования соответствия алгоритмов эталонного моделирования многолучевой зеркальной антенны 127
4.1. Интегральный метод представления поля и его применение для расчета характеристик излучения зеркальных антенн 127
4.2. Технологическая схема обработки информации при расчете характеристик излучения ГЗА 144
4.3. Технические решения по реализации элементов системы управления арактеристиками многолучевой антенны на основе ГЗА 151
4.4. Результаты измерений фокусирующих свойств осенесимметричной параболической антенны при отклонении ДН 158
4.5.Выводы 162
Заключение 163
Библиографический список 167
Приложение 1
- Требования, предъявляемые к многолучевым и сканирующим антеннам систем спутниковой связи
- Фокусирующие свойства многолучевых зеркальных антенн с различными типами отражающей поверхности
- Синтез устройств связи с объектом на основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового фильтра
- Технологическая схема обработки информации при расчете характеристик излучения ГЗА
Введение к работе
Актуальность темы. Основное направление развития современных информационно-вычислительных систем и сетей определяется реализацией мировой стратегии интеграции технологий информатики и связи в единую инфоте-лекоммуникационную инфраструктуру. Реализация данной стратегии невозможна без соответствующих систем управления элементами и устройствами, обеспечивающими формирование и поддержание заданного качества каналов информационно-вычислительных сетей.
В рамках этой стратегии для России, имеющей обширные, расположенные в северных широтах территории с недостаточно развитой инфраструктурой информационно-вычислительных систем и сетей, спутниковые каналы с заданной скоростью передачи информации находят все большее применение. Для удовлетворения растущих потребностей информационно-вычислительных систем по пропускной способности, стремительного роста сетей спутниковой связи на базе технологи VSAT требуется повышение энергетического потенциала спутниковых радиолиний, осуществляемое в современных и перспективных технических решениях применением в системах управления и передачи данных многолучевых гибридных зеркальных антенн (ГЗА), предусматривающих объединение в единое целое зеркальной системы и вынесенного из фокуса многоэлементного облучающего устройства. Для оперативного перераспределения частотно-энергетического ресурса ретрансляторов связи требуется разработка устройств управления характеристиками ГЗА.
В многолучевых зеркальных антеннах формирование отклоненных от фокальной оси диаграмм направленности осуществляется путем размещения элементов сложного облучающего устройства в различных точках фокальной области зеркальной системы. Одной из проблем, возникающих при реализации многолучевых зеркальных антенн, является проявление фазовых искажений, приводящих к снижению плотности потока мощности в заданном пространственном направлении, которая характеризуется коэффициентом направленного действия (КНД) антенны и уменьшению величины развязки между парциальными лучами, т. е., к потерям в энергетическом потенциале спутниковой радиолинии. Возникшее противоречие может быть разрешено с помощью микропроцессорных контроллеров ГЗА, управляющие воздействия которых формируются по информации о требуемых свойствах реальной системы, получаемых от эталонной модели.
Известные алгоритмы микропроцессорных контроллеров многолучевых зеркальных антенн имеют ограничения по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям, а также временным затратам на сам процесс моделирования, который может занимать время большее, чем требуемое время реакции системы управления. Эффективное функционирование системы управления ГЗА с использованием— микропроцессорных контроллеров предполагает наличие устройств связи с ^б&^аций<^)^ЙВЙЙТ0ния, в качест-
ве которого используются диаграммообразующие схемы, представляющие собой совокупность СВЧ-элементов, обеспечивающих заданное отклонение отдельных лучей диаграммы направленности путем управления амплитудой и фазой подводимых к многоэлементному облучателю сигналов.
В современных конструкциях многолучевых антенн задача предотвращения снижения коэффициента направленного действия (КНД) до конца не решена и для отклоненного луча в лучших образцах может составлять от 6 до 10 дБ Решение данной задачи возможно путем совершенствования УСО, вычислительных алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления параметрами диаграмм направленности с помощью микропроцессорного контроллера.
Таким образом, повышение КНД многолучевой антенны путем усовершенствования алгоритмов эталонного моделирования и автоматического управления ее диаграммами направленности является актуальной задачей, представляет научный и практический интерес.
В качестве объекта исследования выбрана система автоматического управления многоэлементным облучателем спутниковой ГЗА.
Содержание предмета исследований - устройства связи с объектом управления (диафаммообразующие схемы) и алгоритмы микропроцессорного контроллера (вычислительные алгоритмы эталонного моделирования и управления многоэлементным облучателем).
Целью диссертационной работы является разработка устройства связи с объектом и вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера многолучевой зеркальной антенны, обеспечивающих повышение коэффициента направленного действия и точности наведения антенны
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели фокусирующей подсистемы с учетом изменения ее формы и структуры и составление на ее основе вычислительных алгоритмов микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.
-
Усовершенствование объекта управления путем определения оптимального размещения и ориентации в пространстве элементарных излучателей многоэлементного облучающего устройства, минимизирующих фазовые искажения в каждом луче диаграммы направленности и снижающие потери коэффициента усиления в контуре регулирования.
-
Разработка методики функционального синтеза диафаммообразующих схем УСО.
-
Составление вычислительного ачгоритма контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.
5. Разработка функциональных электрических схем устройства связи с
объектом управления и программ микропроцессорного контроллера.
І **" * '' *
Методы исследования. В работе использованы теория проектирования ЭВМ, теория оптимального управления, теория матриц, методы теории зеркальных антенн, фазированных антенных решеток, методы технической электродинамики, теории множеств, математической логики, теории алгоритмов.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Разработана математическая модель фокусирующей подсистемы, основанная на математических методах геометрической оптики, отличающаяся возможностью учета изменения формы и структуры отражающей поверхности и позволяющая составить вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования ГЗА.
-
Разработана структурно-функциональная схема устройства связи с объектом, позволяющая учесть свойства многофункциональности ГЗА и схема организации системы управления многоэлементным облучателем в контуре управления с эталонной моделью.
-
Разработана методика функционального синтеза диаграммообразующих схем УСО, основанная на представлении формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового согласованного фильтра, параметры которого определяются множеством управляющих воздействий, задаваемых матрицами весовых коэффициентов.
-
Созданы вычислительные алгоритмы контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления диаграммообра-зующими элементами УСО, основанные на методе "сшивания" электромагнитных полей в фокальной области ГЗА и позволяющие повысить точность наведения диаграмм направленности антенн, снизить потери коэффициента усиления и уровень бокового излучения.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны модель и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера для эталонного моделирования, использование которых в системах управления многолучевых антенных систем зеркального типа обеспечивает снижение потерь коэффициента направленного действия, повышение точности наведения при отклонении диаграммы направленности.
-
Разработано программное обеспечение для анализа основных параметров антенных систем зеркального типа, подлежащих регулировке в устройствах связи с объектом.
-
Создано техническое решение объекта управления (многолучевой зеркальной антенны), инвариантное к типу и форме используемых рефлекторов зеркальной системы и многоэлементного облучателя и перспективное для организации их промышленного освоения.
Реализация и внедрение. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ "Помехозащита", "Антенна-Р", "Массовка- 99, 2001, 2002", "Олимп-П", "Сплав", "Лавр", проводимых ФГУП НИИ "Квант", 16 ЦНИИИ МО РФ, ООО " Инком", в/ч 71330-Ж.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, ВИПС, 1997 г.); ВНТК "Проблемы создания и совершенствования единой автоматизированной системы связи ВС РФ" (Санкт-Петербург, ВАС, 1998 г); ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, Академия ФАПСИ, 2003 г.); IX ВНТК по криптографии "Проблемы построения, развития и защиты ТКС" (Орел, Академия ФАПСИ, 2001 г.); ВНТК "Проблемы создания и развития ИТКС СН" (Орел, Академия ФСО, 2005).
Публикации. По основным результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 8 статей, патент на изобретение, 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны математическая модель для исследования фокусирующих свойств рефлекторов с различной формой отражающих поверхностей при сканировании [3, 4, 6, 8], методика функционального синтеза диаграммооб-разующих схем [2, 5, 13, 15], алгоритмы синтеза амплитудно-фазового распределения облучающего устройства многолучевых зеркальных антенн [7, 9, 11, 14], алгоритм определения оптимального места расположения и размеров облучающего устройства, технические решения по реализации ГЗА [1, 12 16]
На защиту выносятся:
-
Математическая модель фокусирующей подсистемы и вычислительные алгоритмы микропроцессорного контроллера ГЗА.
-
Структурно-функциональная схема устройства связи с объектом и схема организации системы управления многоэлементным облучателем.
3 Методика функционального синтеза диаграммообразующих схем устройства связи с объектом.
4. Вычислительный алгоритм контроллера для расчета матриц амплитудных и фазовых весовых коэффициентов управления элементами УСО.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка литературы из 86 наименований и 3-х приложений. Общий объем диссертации -165 страниц, включая 29 рисунков, 9 таблиц.
Требования, предъявляемые к многолучевым и сканирующим антеннам систем спутниковой связи
Основные требования, предъявляемые, к многолучевым антеннам определяются количеством и уровнем принимаемых сигналов. Они связаны с требуемой дальностью связи, точностью ориентации антенны на ИСЗ, и электромагнитной совместимостью с другими сетями связи. В конечном счете, многолучевые антенные системы должны обеспечить соответствующие характеристики направленности - форму и ширину пространственной диаграммы, допустимый уровень боковых лепестков и крутизну ДН, коэффициент направленного действия, а также энергетические характеристики - коэффициент усиления, коэффициент полезного действия и требуемое входное сопротивление антенны. Такие АФУ должны полностью удовлетворять требованиям для обычных антенн, а также иметь возможность разделения поступающих сигналов путем подбора фазовых сдвигов в излучающем устройстве, соответствующих распределению фаз в плоской волне, падающей на антенну с заданного направления.
Как и любая система с управлением антенные системы с управляемой диаграммой направленности или быстро реконфигурируемые многолучевые антенны системы включают в себя следующие элементы:- объект управления (ФАР или ГЗА);- устройства связи с объектом;- алгоритмы управления и критерии оценки функционирования системы.
Устройства связи с объектом - диаграмообразующие схемы (ДОС) ГЗА представляющие собой совокупность СВЧ-элементов, обеспечивающих заданное отклонение отдельных лучей диаграммы направленности путем управления амплитудой и фазой подводимых к многоэлементному облучателю сигналов по принципам построения аналогичны устройствам управления фазированными антенными решетками (ФАР) [43-45]. Для эффективного функционирования системы управления ГЗА необходимы вычислительные алгоритмы, обеспечивающие управление параметрами антенн. Известные алгоритмы микропроцессорных контроллеров многолучевых зеркальных антенн имеют ограничения по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям, а также временным затратам на сам процесс моделирования, который может занимать время большее, чем требуемое время реакции системы управления.
Управление диаграммой направленности - это управление процессами интерференции волн, излучаемых отдельными частями антенны. Основной проблемой при исследовании процесса интерференции волн в ГЗА является сложность построения ее математической модели, которая используется в самонастраивающихся системах с управлением в качестве «опорной модели». Таким образом, необходимо разработать математические методики, способы и алгоритмы получения априорных данных при управлении интерференцией ЭМВ в антенных системах с управляемой диаграммой направленности, реализующие «опорную модель» системы при управлении.
Естественно, что пределы возможностей по управлению указанными процессами зависят от степени корреляции реально излученных волн с требуемыми. Следовательно, для антенн с управляемой диаграммой направленности одним из важнейших требований становится точность заданного амплитудного и (или) фазового распределения по апертуре. Управление процессом интерференции осуществляется излучающим устройством. Это накладывает ограничения на точность установки амплитуды и фазы в каждом излучателе, требует учета их взаимной связи, возникающей через внешнее пространство и меняющейся с изменением требуемого амплитудно-фазового распределения по раскрыву антенны [44].
Антенные системы, позволяющие образовать многолучевую диаграмму направленности или обеспечить широкоугольное сканирование, могут реализовываться на основе разнообразных конструкций, таких, как антенные решетки, зеркальные антенны с облучателем в виде антенной решетки (гибридные зеркальные антенны (ГЗА)), линзовые антенны. Однако из-за низкой стоимости и определенных энергетических выигрышей более широкое применение в настоящее время в качестве многолучевых антенн (МЛА) и антенн с широкоугольным сканированием (АШС) находят ГЗА [19]. Многолучевая антенна должна иметь по возможности достаточно большой диапазон рабочих частот и обеспечивать в его пределах требуемые электрические характеристики независимо от ориентации и формы ДН.
Требования к коэффициенту усиления антенн в каждом конкретном случае определяются исходя из энергетики линии при этом, качественный прием сигнала обусловлен известными факторами и обеспечивается при соотношении сигнал-шум на входе приемника определяемого характеристиками и типом используемого демодулятора [6,7].
Коэффициент усиления приемной антенны GAi необходимый для обеспечения качественного приема, может быть определен из уравнения радиолинии [10]:
В (1.2.1) шумовая температура антенны с поляризатором ТА рассчитывается исходя и характеристик конвертера и угла места антенны. На рис. 1.2.1 приведены рассчитанные в соответствии с выражением (1.2.1) значения коэффициента усиления антенны в зависимости от шумовой температуры (коэффициента шума) малошумяшего усилителя (конвертера) и ЭИИМ бортового ретранслятора для типового эффективного порогопонижающего демодулятора. Диаметр раскрыва зеркала определяется из соотношения: где у - коэффициент использования поверхности раскрыва антенны. Для лучших образцов антенн не превышает 0,7- При выполнении расчетов его значения могут быть приняты равными 0,55...0,65 [11]. В табл. 1.2.1 приведены значения диаметра зеркала приемной антенны в зависимости от ЭИИМ ИСЗ и параметров входного устройства приемника при у = 0,6.
Таким образом, требуемые величины коэффициентов усиления антенн спутниковой связи характеризуются весьма большими значениями (35 - 50 дБ), что вызывает необходимость применения больших аппертур.
Оценка геометрических параметров зеркальной антенны в многолучевом и сканирующем режимах и ее возможностей по созданию нескольких лучей может быть проведена исходя из выражения [12]:
Фокусирующие свойства многолучевых зеркальных антенн с различными типами отражающей поверхности
Анализ методов исследования зеркальных антенн с электрическим управлением луча показал сложность их непосредственного применения для исследования фокусирующих свойств многолучевых антенн зеркального типа применяемых в качестве антенных устройств на ретрансляторах связи ИСЗ систем спутниковой связи и вещания. В данном разделе предлагается способ расчета параметров фокусировки приходящей волны зеркальной системой произвольного профиля.
Для определения границы зон фокусировки парциального луча многолучевой антенны в фокальной области рефлекторов различного профиля воспользуемся понятием каустических кривых и поверхностей.
Границу фокальной области при отклонении луча определим как линию пересечения каустической поверхности с некоторой плоскостью, расположенной в фокальной области антенны зеркального типа [15]. Поверхность рефлектора произвольного профиля запишем в виде z = f{x,y), так, например для следующих поверхностей- параболоида вращения Z = — - + t где f - фокусное расстояние;-эллипсоида вращения Z=/-Vl/e2-l v/2-(l/e -l)-(l- 2)- (х) +{у) , где е = f/a - эксцентриситет эллипса, f - фокусное расстояние, а = Ь,с = т]а2 - f2 размеры осей эллипсоида вращения;- сферы Z = R- R -[х + у J, где R - радиус сферы. В дальнейшем для удобства расчетов целесообразно осуществить переход от декартовой системы координат (x",y",z t) с началом в вершине поверхности рефлектора к цилиндрической (r,x,zff). На основании этого можно записать
Пусть с некоторого направления 7 = {-sin#cos;-sin0sin;-cos#} на поверхность рефлектора (2.1.1.,,2.1.3) приходит парциальная волна с плоским фазовым фронтом (рис. 2.2.1). Согласно закона Снеллиуса отраженные, от рефлектора лучи будут иметь направлениегде п - вектор внутренней нормали рефлектора.
Параметрическое уравнение каустической поверхности рефлектора можно записать:где [xj,yj,Zj) - координаты точки фронта отраженной от рефлектора волны; pj- параметр, равный расстоянию по лучу от точки на фронте отраженной волны до точки соприкосновения с действительной каустической поверхностью [25].
Исходя из того, что точке волнового фронта с радиусом кривизны R соответствует некоторая точка каустики, находящаяся по нормали к фронту на расстоянии R от точки волнового фронта, следует определить кривизну фронта отраженной от рефлектора волны. Кривизна фронта отраженной волны определяется кривизной фронта приходящей волны, его направлением и кривизной поверхности отражения.
Определим кривизну фронта отраженной волны, воспользовавшись цилиндрической системой координат (г, ф, z). Кривизна поверхности в любой точке определяется кривизной нормального сечения через главные кривизны поверхности в данной точке и угол, образованный касательной к рассматриваемому нормальному сечению с одним из направлений главныхкривизн поверхности в данной точке. Введем обозначения: К\{ - главные кривизны фронта падающей волны; К\{\ - главные кривизны поверхности отражения; К - кривизна фронта отраженной волны; Ку - гауссова кривизнаповерхности отражения; Н ,Н ,Н - средние кривизны фронта падающей волны, поверхности отражения и фронта отраженной волны соответственно.
Нормальное сечение задается плоскостью падения, т. е. плоскостью, проходящей через нормаль к поверхности на рефлекторе и падающий луч:точке 0.
Вектор, характеризующий направление линии нормального сечения в каждой точке поверхности, получим как результат пересечения плоскости (2.1.6) с касательной плоскостью рефлектора в данной точке [25J: позволяет определить расстояние по лучу от точки отражения на рефлекторе до соприкосновения с действительной каустической поверхностью. Причем, положительным корням уравнения (2.2.18) соответствуют действительные каустики, отрицательным - мнимые.
Зададим в фокальной области произвольную точку с координатами (х0, у0, zo) и запишем уравнение плоскости, проходящей через эту точку перпендикулярно выбранному лучу, отраженному от рефлектора с направляющими коэффициентами (Р х,Р у,Р12):где (х , у , z ) - текущие точки плоскости в системе координат (х, у, z).
Величины (PlxiP ,Pl2) и (xo, уо, Zo) в общем случае задают уравнениеплоскости в нормальном виде [35].Размеры фокальной области определим путем совместного численного ешения системы уравнений (2.2.21) и (2.2.5) для каждого сечения рефлектораввиде: м=ЧГс-хк) +Vc-yi) +( c-zjfc)при этом условимся, что величина d „ принимает достоверное значение, есливыполняется ограничение: ІІ 0,0001, каустической поверхности до плотности оптимального расположения облучающего устройства.
Таким образом, полученные соотношения позволяют определить фокусирующие свойства зеркальных антенн различного профиля, что дает возможность перейти к определению размеров и оптимального положения облучающей системы при отклонении ее диаграммы направленности.
Рассмотрим работу отражающих поверхностей, заданных уравнениями 2,2.1, 2,2.2, 2.2.3 в режиме приема. Направление прихода плоской однородной или неоднородной волны задано ортом:
Отраженные от рефлектора лучи имеют направляющий вектор, определяемый (2.2.4). Если задать расстояние от некоторой точки в фокальной области до произвольного луча, отраженного от рефлектора, то сумма расстояний от этой точки до всех отраженных лучей будет характеризовать плотность лучей в окрестности этой точки [25].
Пусть в фокальной области задана точка М(хо, у о, zo) (Рис. 2.2.1). Тогда квадрат расстояния от этой точки до произвольного луча с направляющимикоэффициентами (Pj \Р ;Р/), отраженного от рефлектора, в точке Р\х :\у j\Zj) можно записать:Максимуму плотности лучей отвечает минимум суммы квадратов расстояний от точки М(х0, уо, z0) до всех отраженных от рефлектора лучей.
Синтез устройств связи с объектом на основе представления формирователя диаграмм направленности в виде пространственного или углового фильтра
Проблема реализации требуемой пространственной развязки напрямую связана с устранением эффекта расширения диаграммы направленности при отклонении луча от фокальной оси зеркальной системы, уменьшением уровня боковых лепестков и кроссполяризационной составляющей поля в дальней зоне. В свою очередь, указанные эффекты определяются амплитудными и фазовыми искажениями распределения поля в апертуре основного рефлектора и устраняются в апланатических антенных системах путем синтеза модели объекта управления, которая может быть представлена в виде углового (АУФ), пространственного (АПФ) либо пространственно - углового фильтра (АПУФ). Анализ АУФ, АПФ и АПУФ производится в режиме приема, при этом в качестве входного сигнала используются:- угловой спектр (Е(к)) приходящего электромагнитного поля дляАУФ;- амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля на апертуре антенн(Др)) для АПФ и АПУФ.
Роль переходной характеристики для АУФ и АПФ выполняют характеристики направленности антенны в режиме приема /? ( ) и апертурная функция A s(p) соответственно, где - знак комплексного сопряжения функции режима приема АУ той же функции в режиме передачи. Таким образом, напряжение на выходе АУФ и АПФ можно представить в виде
Рассмотрим излучение некоторого источника, внешнего по отношению к рассматриваемой антенне и расположенного в ее дальней зоне. В апертуре рассматриваемой антенны распределение поля можнозаписать в видегде р - радиус-вектор, проведенной из начала координат в точкунаблюдения на апертуре, к — волновой вектор; Es— амплитуда падающейплоской волны на апертуре.
Если с разных направлений (кт) приходит несколько плоских волн, тоEs{k,p) = Es(p).В общем случае, когда источники непрерывно распределены в пространствегде интегрирование ведется по всем возможным направлениям вектора (-Ї), т. е. по всем возможным проекциям этих векторов на выбранные оси координат, Е{к) - угловая плотность распределения комплексныхамплитуд приходящих единичных плоских волн. Из (3) следует, что распределение поля в апертуре антенны представляет собой прямое преобразование Фурье от углового спектра падающего поля. Таким образом, угловой спектр Е(к) связан с апертурным распределением Es (р)обратным преобразованиям Фурье:поскольку Es{p) Ф 0 только в пределах поверхности апертуры антенны.
Последнее выражение доказывает возможность представления АУ в виде пространственного фильтра, где входным сигналом является АФР поля в апертуре, а переходная характеристика определяется апертурной функцией.
Из теории линейной фильтрации сигналов известно, что частотная передаточная функция K{ico) и импульсная характеристика h{t) линейного фильтра связаны между собой парой преобразований Фурье:
Рассуждая аналогично, видим, что для АУФ, где переходной характеристикой является ее комплексно сопряженная характеристика направленности F (k) в качестве импульсной характеристики используется апертурная функция антенны (А (/?)):
Представление антенны в виде АПФ дает обратный результат, т. е. роль импульсной функции выполняет комплексно сопряженнаяхарактеристика направленности F (k).
Таким образом, в зависимости от способа представления входного сигнала и самой антенной системы апертурная функция и характеристика направленности могут описывать либо передаточную, либо импульсную характеристику антенны и, являясь равнозначными, связаны между собой преобразованиями Фурье.
Применительно к зеркальным антеннам целесообразно использовать апертурную функцию в режиме приема, которая дает возможность учесть вид поверхности отражения, конструктивные особенности компоновки АУ, поляризации, частотные и другие параметры. Исходя из выражения (3.2.5), можно записать после подстановки Е(к) из выражения (3.2.4). Очевидно, внутренние интегралы определяют поле в апертуре, нормальной к направлению приходящей парциальной волны и, при, (km-k) = 0 т. е. exp [-ip{km - к)] \ имеют вид
Технологическая схема обработки информации при расчете характеристик излучения ГЗА
Управление ресурсом сетей осуществляется с наземных комплексов управления (базовых центральных или региональных земных станций) перераспределением пространственного положения "парциальных лучей" ГЗА по измеряемому трафику в подсистеме управления с учетом заявленных на этапе развертывания системы спутниковой связи (ССС) энергетических параметров антенны (рис. 4.3.1.) Управляющие воздействия системы управления ССС формируются по критерию минимум среднеквадратического отклонения реализуемых зон покрытия многолучевой антенны от требуемых, что обеспечивает устойчивое управление ресурсом ретранслятора связи. Подобный подход предполагает наличие в системах управления опорного сигнала по контролируемым параметрам и устройства его формирования, в качестве которого могу выступать вычислительные алгоритмы эталонного моделирования и управления многоэлементным облучателем гибридной зеркальной антенны.
Программное обеспечение эталонного моделирования ГЗА и информация о требуемом изменении конфигурации ДН многолучевой антенны поступает по фидерной линии в ОЗУ микроконтроллера ретранслятора связи. Смоделированные в микроконтроллере характеристики ГЗА поступают на устройство сравнения, где сравниваются со свойствами реальной антенной системы и по результатам сравнения формируются управляющие сигналы, обеспечивающие реализацию требуемого амплитудно-фазового распределения на раскрыве облучающего устройства с помощью устройства связи с объектом, в качестве которого используются диаграммообразующие схемы, представляющие собой совокупность СВЧ-элементов, обеспечивающих заданное отклонение отдельных лучей диаграммы направленности.
В данном случае наблюдается значительное увеличение временных затрат на процесс вычисления контролируемых параметров, обусловленный не только выполнением требований по точности соответствия результатов моделирования реальным измерениям при контроле и диагностике, но и подходами, взятыми за основу при построении вычислительных алгоритмов эталонного моделирования. Противоречие между требуемым временем реакции системы управления и временными затратами на сам процесс моделирования зачастую приводит к невозможности решения задачи управления параметрами радиолинии в реальном масштабе времени.
На рисунке 4.3.2. представлен вариант полнодоступной схемы устройства связи с объектом - диаграммообразующая схема. Особенность схемы определяется тем, что позволяет выполнить синтез амплитудно-фазового распределения для любой конфигурации поверхности отражения. Работа схемы на передачу: колебание от генератора в пределах рабочего диапазона частот поступает на вход делителя, обеспечивающего деление энергии генератора на N-32, Каждый из трех выходов делителя подключается к левому, по схеме, входу смесителей блока установки фазы. На нижние входы смесителей поступает колебание от гетеродина, формирующего опорное колебание с относительной нестабильностью не хуже относительной нестабильности основного генератора, и сдвинутое по фазе на требуемую величину А р = 0;я. Регулировка фазы опорного колебания от генератора 7 выполняется в регулируемых линиях задержки управляемых устройством реализации алгоритма управления. В смесителях блока коммутации осуществляется компенсация частотного сдвига основного колебания без компенсации его фазового сдвига. Два преобразования по частоте дают требуемый фазовый сдвиг основного колебания на трех выходах блока 3. Трехзначный код в виде комбинаций 0-»лог."0", 7г-»лог.Т обеспечивает работу коммутатора 15, выполненного на семи кольцевых мостах 16. Выход каждого из мостов 16 соединен с сумматором 17 на восемь входов от каждого из восьми коммутаторов 15, причем первые выходы всех восьми коммутаторов соединены с входами первого сумматора, вторые выходы - с входами второго, третьи — с входами третьего и так далее. Генератор 1, или передающее устройство, всегда могут быть подключены на любой из восьми кластеров либо одновременно на несколько кластеров в произвольном сочетании, вплоть до полного задействования всех восьми кластерных групп. Кластер включает восемь выходов, из которых семь используются для подключения излучающих элементов и один как контрольный.
Предложенная конструкция многолучевой антенны (рис. 4.3.3) обеспечивает уменьшение потерь коэффициента направленного действия при отклонении парциальной диаграммы направленности от фокальной оси основного рефлектора на некоторый угол 0 или формирования нескольких отклоненных парциальных диаграмм направленности за счет минимизации квадратичных (сферическая аберрация), кубических (аберрации типа «Кома») искажений и астигматизма для каждой парциальной ДН путем оптимального размещения и ориентации каждого из облучателей, формирующих парциальную диаграмму, облучающей антенной решетки (ОАР) в фокальной области основного рефлектора.
Это достигается тем, что в осенесимметричной антенне, содержащей основное зеркало, выполненное в виде осенесимметричной вырезки из симметричного параболоида вращения с фокальной длиной f и диаметром апертуры D, контррефлектор, основную и дополнительную облучающие антенные решетки, состоящие из набора облучателей, число которых равно числу формируемых парциальных диаграмм направленности, каждый облучатель, формирующий сферический фазовый фронт излучаемой волны, расположен в области соответствующей максимальной концентрации лучевого (в геометрооптическом представлении) потока отраженной от основного и дополнительного рефлектора приходящей волны с плоским фазовым фронтом, направление прихода которой совпадает с ориентацией максимума диаграммы направленности, при этом фазовый центр каждого облучателя совмещен с частичным фазовым центром предшествующего рефлектора для этой ориентации, определяемого, как центр тяжести масс точек неоднородной плоской фигуры раскрыва облучателя, ограниченной лучами (в геометрооптическом представлении), отраженными от кромки предшествующего зеркала [75].
Осенесимметричная зеркальная антенна содержит основное зеркало (1) в виде осенесимметричной вырезки из осесимметричного параболоида вращения, (см. рис. 4.3.3) облучающие антенные решетки 2, 3 и дополнительный рефлектор в виде полупрозрачного зеркала 4.
Облучающие антенные решетки 2 и 3 состоят из облучателей 5 в качестве которых могут быть использованы рупорные, спиральные, щелевые и др. одиночные или групповые (кластерные) излучатели, обладающие фазовым или "частичным фазовым" центром. Предлагаемая конструкция ГЗА формирует число парциальных диаграмм направленности равное количеству
