автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Проектирование многолучевых офсетных двухзеркальных антенн с однокоординатным и двухкоординатным сканированием

На правах рукописи

005058271

ПЛАСТИКОВ Андрей Николаевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОЛУЧЕВЫХ ОФСЕТНЫХ ДВУХЗЕГКАЛЬНЫХ АНТЕНН С ОДНОКООРДИНАТНЫМ И ДВУХКООРДИНАТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Специальность 05.12.07 - Антенны, устройства СВЧ и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 Б К лр| ¿013

Москва-2013

005058271

Работа, выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»).

Научный руководитель: Доктор технических наук

КОГАН Борис Лазаревич

Официальные оппоненты: КАЛОШИН Вадим Анатольевич,

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией ИРЭ им. В.А. Котелыгакова РАН ;''

ШИШЛОВ Александр Васильевич,

кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «Радиофизика»

Ведущая организация: ОАО «Концерн радиостроения «Вега» (г. Москва)

Защита состоится 30 мая 2013 г. в 14.45 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент р^Ьсс^Л'Ь? Т.И. КУРОЧКИНА

!

I

Общая характеристика работы

Введение. Среди различных типов антенных систем (АС) повышенной эффективности можно выделить класс многолучевых антенн - антенн с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя пространственная диаграмма направленности (ДН), которую принято называть лучом АС. Очевидным преимуществом многолучевых антенн перед антеннами, работающими по одному лучу, является использование одной излучающей апертуры для формирования нескольких лучей, что позволяет одной антенне заменить несколько «обычных» однолучевых антенн. Классифицируя многолучевые антенны по способу реализации излучающей части, можно выделить апертурные (зеркальные и линзовые) антенны и антенные решетки, а также их сочетания — гибридные антенны. В целом, каждый из этих классов многолучевых антенн имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

На практике значительный интерес представляют многолучевые зеркальные антенны (МЗА), имеющие простейшую диаграммообразующую схему облучающей решетки - каждый луч АС формируется отдельным облучателем. Вследствие этого основная проблематика разработки МЗА связана непосредственно с проектированием самой системы зеркал. Достоинствами МЗА являются потенциальная широкополосность и большая энергетическая эффективность. Развитие теории МЗА началось с построения апланатического зеркального оптического телескопа Шварцшильдом (К. Schwaizchild). Существенный вклад в развитие теории и техники МЗА внесли работы таких специалистов, как Б.Е. Кинбер и его ученики, Л.Д. Бахрах, ВА Калошин, Б.Л. Коган; Раппапорт (С.М. Rappaport), Драгоне (С. Dragone), Альбертсен (N.C. Albertsen), Бёрд (T.S. Bird), Хэй (S.G. Hay), и других.

Проблема проектирования МЗА обычно представляет собой задачу оптимизации электрических характеристик АС при ограничениях на допустимые габариты всей АС и отдельных ее элементов - главного зеркала, вспомогательных зеркал, облучателей. Сегодня разработка МЗА актуальна как для наземных, так и для бортовых радиотехнических систем. При этом, в зависимости от решаемых задач, такие АС могут иметь одномерный или двухмерный сектор обзора. Нал

АС земных станций спутниковой связи могут иметь веер лучей, направленных на спутники, размещенные на дуге геостационарной орбиты, причем каждый луч АС может наводиться на свой спутник независимо от других лучей. Бортовые спутниковые МЗА, обозревающие всю видимую поверхность Земли или ее часть, могут иметь двухмерный сектор обзора с произвольной формой внешней границы.

Большой практический интерес представляют конструкции офсетных двухзеркальных МЗА, в частности, АС, построенные на основе бифокальных зеркальных антенн (БЗА), имеющих два точных фокуса, а также АС с нестандартной оптической схемой с классическими профилями зеркал в виде конических поверхностей второго порядка - антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекгорами. Проведенные исследования литературных источников показывают, что возможности этих двух классов антенн еще недостаточно полно исследованы, что не позволяет эффективно решать многие практические задачи. Такие МЗА и выступают объектом исследования данной диссертации. Оптимизация характеристик данных МЗА (с практическими ограничениями) служит предметом исследования работы. Улучшение характеристик МЗА позволит проектировать более эффективные радиотехнические системы, что делает соответствующие исследования перспективными.

Цели работы. Можно выделить две основные цели диссертационной работы. Первой целью является улучшение электрических характеристик БЗА, что позволит использовать данный класс АС для построения МЗА со средними (габариты апертуры более 50 длин волн) и большими (габариты апертуры более 150 длин волн) электрическими габаритами с широкими однокоординатными секторами обзора более 20°. Другая цель работы состоит в сопоставлении характеристик МЗА с двухмерным сектором обзора, построенных на основе офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекгорами, с различными вариантами построения АС. В качестве основных электрических характеристик МЗА рассматриваются величины коэффициента использования поверхности (КИП), также оцениваются уровни бокового и кроссполяризационного излучения.

4

4

Для достижения поставленных в диссертационной работе целей решаются следующие основные задачи:

1. Синтез и анализ многолучевых БЗ А с широким сектором обзора, в том числе:

1.1. Совершенствование процедуры синтеза профилей рефлекторов БЗА (упрощение процедуры, повышение КИП главного зеркала, расширение сектора обзора).

1.2. Выделение возможных топологически различных вариантов построения антенных систем БЗА.

1.3. Проектирование многолучевой БЗА с сектором обзора 50° при коэффициенте направленного действия (КНД) более 52 дБ с ограничениями на габаритные размеры.

2. Исследование электрических характеристик многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами с двумя возможными вариантами реализации решетки облучателей - в виде «плоской решетки» (когда фазовые центры облучателей расположены в одной плоскости, а их оси параллельны) или когда положение фазового центра и направление оси каждого облучателя оптимизировано по КНД, в том числе:

2.1. Сопоставление характеристик (электрических и геометрических) двух возможных оптических схем АС в широком секторе обзора.

2.2. Оценка влияния размеров контррефлекгора и ширины ДН облучателя на электрические характеристики АС, работающей в режиме МЗ А. •

2.3. Исследование возможности сближения соседних лучей АС с различивши типами облучателей.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики, программирования, асимптотический метод прикладной электродинамики, трехмерное электромагнитное моделирование в современных программных комплексах (Ticra GRASP, ICARA и др.).

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Представлена процедура синтеза профилей зеркал трехмерных БЗА, позволяющая проектировать многолучевые или сканирующие зеркальные

5

антенны с широким сектором обзора. Данную процедуру можно считать частным случаем методики синтеза БЗА, предложенной в работах Кинбера и соавторов, однако в публикациях этих авторов исследования были проведены недостаточно детально. Предложена методика оценки и оптимизации геометрии зеркал многолучевых БЗА по критерию КИП. Впервые спроектированы многолучевые БЗА, имеющие сектор обзора существенно шире 20° и КНД более 50 дБ.

2. Впервые выделено несколько различных возможных вариантов построения антенной системы БЗА, отличающихся взаимным положением рефлекторов и облучателя и картиной хода геометрооптических (ГО) лучей, в двух ортогональных плоскостях - плоскости сканирования и плоскости симметрии.

3. Исследованы и сопоставлены между собой характеристики нескольких возможных вариантов построения многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами.

4. Исследована возможность использования цилиндрических диэлектрических антенн бегущей волны модифицированного профиля в качестве облучателей многолучевой офсетной антенны Кассегрена с вогнутым гиперболическим контррефлектором, позволяющих сблизить соседние лучи АС.

Практическое значение работы.

1. Описанная в работе методика синтеза и оптимизации БЗА и ее программная реализация позволяют разрабатывать многолучевые или сканирующие зеркальные антенны с широким одномерным сектором обзора. В результате удается существенно улучшить качество таких антенн по сравнению с вариантами БЗА, предложенными в работах Раппапорта и соавторов.

2. Спроектированная многолучевая БЗА с сектором обзора 50° и КНД более 52 дБ, по сравнению с известным МЗА-аналогом, разработанным в лаборатории СБНЮ, при сопоставимых габаритах главного зеркала и более широком (на 30%) секторе обзора обладает бблыпей эффективностью по критерию КИП всего раскрыва главного зеркала, меньшими продольными габаритами АС, меньшим угловым разносом соседних лучей АС и позволяет использовать облучатели меньших электрических габаритов.

> б

I

3. Синтезированные БЗА могут быть использованы в качестве эффективного начального приближения геометрии АС в процедуре численной оптимизации профилей рефлекторов с целью стабилизации формы ДН АС во всем секторе обзора.

4. Представленные результаты анализа характеристик офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекгорами позволяют определить область наилучшего применения таких антенн на практике.

5. Использование в качестве облучателей офсетной антенны Кассегрена с вогнутым гиперболическим контррефлекгором с достаточно высоким уровнем пересечения соседних лучей АС цилиндрических диэлектрических антенн бегущей волны модифицированного профиля вместо рупорных антенн потенциально позволяет получить лучшие электрические характеристики МЗА.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием апробированного апертурного метода расчета ДН зеркальных антенн и широко известных и апробированных программных пакетов электродинамического моделирования и сопоставлением результатов, полученных различными методами.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании перспективных многолучевых зеркальных антенн для предприятий ОАО «ОКБ МЭИ» и ЗАО «КИА системы», а также в курсе лекций «Техника зеркальных антенн» кафедры АУиРРВ НИУ «МЭИ», читаемых студентам по направлению «Радиотехника», что подтверждается актами о внедрении.

Автор диссертации удостоен награды Doctoral Research Award международного конкурса работ аспирантов, проводимого Международным обществом IEEE Antennas and Propagation Society, за осенний цикл 2012 года.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждались на шести научно-технических конференциях: 17-я, 18-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва (2011-2012 it.); 5-я, 6-я Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва (2011-2012 гг.); Международная конференция «Progress in Electromagnetics Research Symposium»,

Москва (2012 г.); 7-я Международная конференция «European Conference on Antennas and Propagation», Гетеборг, Швеция (2013 г.). Основное содержание диссертации было также представлено на Московском электродинамическом семинаре в ИРЭ им. Котельникова РАН 5 марта 2013 г.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Получили дальнейшее развитие известный алгоритм синтеза рефлекторов и методика оптимизации эффективности многолучевых бифокальных зеркальных антенн, позволившие спроекшровать варианты таких антенн с наилучшими на данный момент характеристиками. Особенности данного метода проектирования БЗА:

1.1. в процедуре синтеза главного и вспомогательного зеркал используется минимально возможное количество шагов;

1.2. при сканировании луча в секторе обзора засвечиваемое пятно на главном зеркале практически не меняет своего положения, что приводит к экономии размеров этого зеркала;

1.3. оптимизируется КИП во всем секторе обзора за счёт выбора положения и ориентации элементов решётки облучателей.

2. Приведена классификация бифокальных зеркальных антенн по вариантам взаимного положения рефлекторов и облучателей и картинам хода ГО лучей в двух ортогональных плоскостях — плоскости сканирования и плоскости симметрии, позволяющая учесть при синтезе практические особенности размещения антенн.

3. Проведен сравнительный анализ характеристик многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами, на основе которого определена область наилучшего применения таких антенн на практике.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и 1 учебное пособие.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, включая литературный обзор, и заключения. Она изложена на 186 страницах машинописного текста, иллюстрирована 63 рисунками и включает 11 таблиц. Список цитированной литературы содержит 122 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы описана проблематика проектирования МЗА, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко представлено основное содержание работы.

Первая глава диссертации содержит литературный обзор по материалам отечественных и зарубежных публикаций по тематике, связанной с теорией и техникой МЗА. Обзор затрагивает следующие типы зеркальных систем: симметричные и несимметричные однозеркальные параболические антенны и двухзеркальные антенны Кассегрена и Грегори; офсетные двухзеркальные антенны с нестандартной, оптической схемой - антенны Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами и инверсные антенны Кассегрена; тороидальные и сферические антенны; апланатические двухзеркальные антенны; бифокальные антенны; одно- и двухзеркальные антенны с профилированными зеркалами; некоторые другие варианты построения МЗА. В том числе рассмотрены несколько современных коммерчески доступных МЗА. В конце главы делаются выводы, часть из которых находит развитие в последующих главах диссертации.

Во второй главе приводятся результаты исследования характеристик многолучевых офсетных антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекгорами. Отметим, что в некоторых зарубежных источниках данный класс АС называют антеннами Драгоне (Dragoman antennas). Расчеты ДН АС проведены в приближении метода физической оптики в программном пакете Ticra Grasp. Облучатели представлены в ввде точечного источника поля с осесимметричной ДН

На примере АС с диаметрами апертуры 100Х (I-длина волны) и одинаковыми величинами эквивалентного фокусного расстояния проведено сопоставление характеристик вторичного поля излучения двух типов антенн Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами - с возбуждением сбоку (side fed offset Cassegrain, SFOC) и с возбуждением спереди (front fed offset Cassegrain, FFOC), см. рис. 1. Эффективность данных МЗА оценена в секторе углов £20° в двух

9

контррефлектор

а)

б)

Рис. 1. Геометрия антенн и картина хода ГО лучей (для облучателей, расположенных в фокусе) в сечении плоскостью симметрии для АС конфигураций БРОС (а) и РРОС (б)

ортогональных плоскостях при двух различных вариантах решетки облучателей - в виде «плоской решетки» и с оптимизированным на максимум КНД АС положением и ориентацией каждого облучателя. Облучатель, расположенный в фокусе АС, обеспечивает уровень облучения края контррефлекгора -12 дБ.

Проведенные исследования показали, что рассмотренная АС типа РРОС имеет ббльшие габариты всей АС, более габаритные рефлекторы и более узкий сектор обзора в плоскости симметрии по сравнению с АС типа БРОС. Последняя при положении облучателей, оптимизированном на максимум КНД, имеет сектор обзора около 29° (более 40 ширин ДН) по уровню КИП 40% в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При использовании упрощенной схемы расположения облучателей (типа «плоской решетки») сектор обзора по выбранному уровню КИП снижается примерно в 2 раза. Отметим, что величина КИП определялась в соответствии с выражением

где - эффективная площадь зеркальной антенны по кополяризационной составляющей поля с учетом с учетом потерь на переливание энергии за края зеркал, площадь апертуры центрального луча АС.

КИП =

(1)

Особенностью исследованного в данной главе класса АС является наличие крупного контррефлектора, зачастую сопоставимого по габаритам с размерами главного зеркала. Для оценки эффективности двухзеркальных антенн с крупными контррефлекторами введен в рассмотрение критерий коэффициента использования поверхностей зеркал (КИПЗ), равный отношению эффективной площади зеркальной антенны к сумме площадей поверхностей обоих рефлекторов, в дополнение к КИП.

: Спроектирована антенна Кассегрена типа SFOC с коническим сектором обзора с углом при вершине конуса 18° и шириной ДН около 1° (диаметром апертуры 70А.). На ее примере исследованы возможность улучшения эффективности АС на краю сектора обзора посредством увеличения габаритов контррефлектора относительно исходных, определяемых геометрической оптикой, а также влияние ширины ДН облучателя на характеристики АС. При использовании оптимизированной решётки облучателей для АС с увеличенным контррефлектором удалось обеспечить КИП более 65% в рассматриваемом секторе обзора.

На примере этой же МЗА исследована возможность использования цилиндрических диэлектрических антенн бегущей волны модифицированного профиля (см. рис. 2) в качестве облучателей антенны с большой величиной эквивалентного фокусного расстояния, позволяющих сблизить соседние лучи при обеспечении относительно высокого уровня (-3,5 дБ) пересечения соседних ДН. Подобный антенный элемент (в составе решетки) способен обеспечить небольшой (до нескольких десятых долей децибела) выигрыш в КНД АС по сравнению с элементом в виде рупорной антенны. Расчеты характеристик таких облучателей проведены методом конечных разностей во временной области в составе модели гексагональной решетки с двумя рядами соседних излучателей.

В третьей главе приводится описание процедуры синтеза профилей зеркал БЗА, позволяющей проектировать многолучевые антенны с широким сектором обзора при достаточно высоких величинах КИП всего раскрыва главного зеркала. Опишем данную процедуру синтеза.

И

а) б)

Рис. 2. Поперечное сечение антенного элемента (а) и модель для расчета характеристик элемента в составе решетки облучателей (б)

Мы проектируем зеркальную систему, симметричную относительно вертикальной плоскости Х7 и полагаем (без ограничения общности), что лучи АС осуществляют сканирование в горизонтальной плоскости а центральный луч направлен вдоль оси Ъ. Для каждого из двух лучей АС с точной фокусировкой предлагается обеспечить максимально эффективное ГО облучение главного зеркала, при облучении только половины контррефлектора, своей для каждого луча АС. При этом по мере отклонения и перемещения луча ДН от одного направления точной фокусировки к другому «пятно» наводимых на контррефлекторе токов перемещается от одного его края к другому, а «пятно» токов на главном зеркале практически не меняет своего положения.

В качестве исходных данных задачи синтеза выбран следующий набор параметров: угловой разнос лучей точной фокусировки, 2-а; форма сечения контррефлектора плоскостью симметрии; координаты точки фокуса; длина оптического пути от фокуса до точки в апертуре. Поверхности зеркал рассчитываются с учётом требования обеспечения одинаковой величины длины

оптического пути для всех лучей, выходящих из фокуса и достигающих апертуры, с учетом геометрооптического закона отражения.

На первом этапе синтеза проводится расчет опорных точек на симметричных боковых ребрах главного зеркала и нормалей к поверхности рефлектора в этих точках. Поверхность главного зеркала далее формируется из набора кривых (дуг), соединяющих каждую симметричную пару полученных опорных точек и ортогональных нормалям в этих точках. Вариация формы этих кривых является дополнительной степенью свободы для процедуры синтеза и позволяет оптимизировать эффективность БЗА во всем секторе обзора. В работе реализована возможность задания соответствующих кривых в виде кривых второго и более высокого порядка. Точки на поверхности контррефлектора рассчитываются затем по результатам отражения ГО лучей от поверхности главного зеркала. При этом в силу симметрии достаточно рассчитать координаты точек только одной половины вспомогательного зеркала.

В результате такой процедуры синтеза мы

другая - нормированная координата р вдоль кривой, соединяющей опорные точки на боковых ребрах главного зеркала, см. рис. 3.

получаем возможность определить профили зеркал как функции двух параметрических переменных. Одна из них -

нормированная координата t вдоль кривой на контррефлекторе в

плоскости симметрии,

к 1иосрлпии I сэ IJ юопи! и \а д

Рис. 3. Иллюстрация процедуры синтеза БЗА (вид сверху)

Заметим, что данную процедуру можно считать частным случаем общей методики синтеза БЗА, предложенной в работах Б.Е. Кинбера и соавторов. Однако этот случай не был исследован в соответствующих публикациях. В диссертации более подробно отмечается связь изложенной процедуры синтеза БЗА с идеями, использованными в работах Кинбера и соавторов и Раппапорта и соавторов.

В качестве примера рассмотрены две синтезированные БЗА, имеющие габариты апертуры около 60/. х 60Х и оптическую схему построения АС в плоскости симметрии типа антенны Кассегрена. Исследование электрических характеристик антенн проведено в приближении метода физической оптики в программном пакете 1СА11А. Облучатели представлены в виде точечного источника поля с осесимметричной ДН. Первый пример БЗА имеет сектор обзора 23° по уровню КИП не менее 63%. Вторая из представленных БЗА, геометрия АС которой изображена на рис. 4, имеет сектор обзора около 47° по уровню КИП не менее 47%. Следует отметить, что сектор обзора примеров БЗА, рассмотренных в работах Раппапорта и соавторов, не превышает 20°.

Выделено семь топологически различных возможных вариантов построения АС БЗА, отличающихся взаимным положением рефлекторов и облучателей, а также картиной хода ГО лучей, в плоскости симметрии и три

100

х

60

80

20

40

0

-60 -40 -20 0 20

г

5-

-20

-40

20

40

0

-60 -40 -20 0 20

г

Рис. 4. Вид сбоку (слева) и вид сверху (справа) примера БЗА с сектором обзора 47°. Все размеры по осям указаны в длинах волн

варианта в плоскости сканирования.

В четвертой главе приводится описание реализованной методики оценки и оптимизации эффективности многолучевых БЗА по критерию КИП. Для проведения соответствующих вычислений используется апертурный метод расчета, учитывающий геометрооптический закон преобразования волнового фронта облучателя в волновой фронт АС в плоскости апертуры и поляризационные искажения, вносимые самой зеркальной системой.

; Для оценки эффективной площади Б^ произвольного луча БЗА (с учетом поляризационных эффектов и потерь на переливание) использованы выражения:

Здесь у(6,ф) - ДН скалярного облучателя; и и V - координаты в плоскости апертуры; Ь - длина оптического пути от фазового центра облучателя до точки в апертуре; ./ - якобиан геометрооптического преобразования угловых координат облучателя в декартовые координаты апертуры главного зеркала; £ - скалярная величина угла поляризационных потерь, характеризующая отклонение направления вектора поляризации поля в точке на апертуре от направления кополяризационной составляющей поля в плоскости апертуры; к - единичный вектор с началом в точке положения фазового центра облучателя; ¿и р -параметрические координаты, задающие поверхность зеркал БЗА. В выражении (3) частная производная координаты и точки в апертуре по параметру I обозначена как Эи/Эг и т.д. Величина КИП рассчитывается по формуле (1).

Интегрирование в числителе выражения (2) производится по освещаемой области апертуры, в знаменателе - в пределах полного телесного угла. Интегралы рассчитываются численно на основе расчета большого числа ГО лучей, выпущенных из точки положения фазового центра облучателя. При этом полагается, что в произвольную точку освещаемой части апертуры главного зеркала попадает только

| £ /(в(и,V),<р(и,у))- ехр(«(е(и,у)-¿(и,у) - *

(2)

|Л/(е,$>)|2япе-<ш?>

(3)

один ГО луч. Для этого в процессе проектирования проверяется условие отсутствия каустик в непосредственной близости от поверхностей рефлекторов.

Соответствующая методика расчета КИП БЗА представляет собой относительно простой в реализации, быстрый и нересурсоемкий способ оценки эффективности рассматриваемого класса МЗА. Результаты расчета, полученные с помощью данной апертурной методики, находятся в хорошем соответствии с результатами расчета методом физической оптики в программе ICARA.

Процедура оптимизации многолучевых БЗА реализована таким образом, что осуществляется перебор вариантов исходных данных задачи синтеза, т.е. варьирование геометрии самих БЗА, а в автоматическом режиме проводится нахождение оптимальных положений и ориентаций облучателей и ширины их ДН в процессе максимизация КИП антенны для различных лучей АС в секторе обзора. Объединение возможностей синтеза, оценки и оптимизации эффективности рассматриваемого класса БЗА в единой программной среде позволило получить эффективный инструмент проектирования и оптимизации таких МЗА.

Для оценки меры аберраций в раскрыве БЗА введена в рассмотрение величина эффективного среднеквадратического отклонения (СКО) длины оптического пути, учитывающая амплитудное распределение поля в раскрыве.

В пятой главе приведены результаты оптимизации двух многолучевых БЗА с электрическими размерами апертуры более 170Х. Обе БЗА имеют оптическую схему построения АС в плоскости симметрии типа антенны Грегори (одна из каустических поверхностей расположена между зеркалами), сектор обзора более 40° и меньшие аберрации при сопоставимых электрических габаритах апертуры по сравнению с двумя примерами БЗА, рассмотренными в третьей главе.

Одна из двух представленных в главе БЗА, изображенная на рис. 5, спроектирована для обеспечения сектора обзора шириной 50° при КНД более 52 дБ. АС спроектирована для угла а=20,5°. Обращает на себя внимание тот факт, что вертикальные ребра главного зеркала и, в особенности, контррефлектора данной БЗА имеют резко выраженную искривленную форму. Исследования показали, что данная особенность характерна для синтезированных БЗА с конфигурацией АС

типа антенны Грегори в плоскости симметрии. Рассчитанные в программе 1СА11А распределения токов на поверхностях зеркал БЗА показывают, что возможно немного «урезать» вертикальные ребра обоих зеркал без сколь-либо существенного снижения КНД обоих лучей АС, см. рис. 56. Это позволяет уменьшить габариты зеркал в плоскости сканирования и повысить таким образом КИП и КИПЗ данной БЗА для всех лучей АС в секторе обзора.

На рис. 6 приведено семейство ДН АС в секторе обзора, рассчитанных методом физической оптики. В качестве облучателя данной БЗА спроектирована гофрированная рупорная антенна. Величины КИП и КИПЗ АС во всем секторе обзора составляют не менее 43% и 23%, соответственно. По сравнению с коммерческой МЗА, разработанной в австралийской лаборатории СБЖО, при сопоставимых габаритах апертуры главного зеркала и на 30% более широком секторе обзора данная БЗА обладает большей эффективностью по критерию КИП, меньшими продольными габаритами всей АС, меньшим угловым разносом соседних лучей АС и позволяет использовать облучатели с

Нормированная амплитуда тока, дБ

а) б)

Рис. 5. БЗА с сектором обзора 50°: а) вид сбоку с набором геометрооптических

лучей, выходящих из фокуса и отраженных от сечения контррефлектора в плоскости симметрии; б) вид спереди с отображенным распределением токов для луча, соответствующего направлению точной фокусировки. Пунктирными рамками обведены области рефлекторов, оставшиеся после «обрезки» краев. Размеры по осям указаны в длинах волн

Рис. 6. Кополяризационные (сплошные кривые) и кроссполяризационные (пунктирные кривые) ДН БЗА с сектором обзора 50°

существенно более широкой ДН. Однако БЗА имеет большие уровни бокового и заднего излучения и кроссполяризационной составляющей.

Заметим, что форма ДН БЗА в секторе обзора меняется. Это вызвано различием величины аберраций в апертуре для различных направлений прихода плоской волны. Так, например, для двух лучей точной фокусировки аберрации отсутствуют (в ГО приближении), а максимальные фазовые искажения характерны для лучей АС, близких к центральному. При необходимости снижения уровней бокового и кроссполяризационного излучения и/или стабилизации ДН во всем секторе обзора, геометрия спроектированной БЗА может быть использована в качестве начального приближения для получения более оптимальной МЗА посредством описанной в литературе процедуры численной оптимизации профилей рефлекторов. Отметим также, что для увеличения величины кополяризационной составляющей КНД АС предпочтительным может бьггь использование облучателей с неосесимметричной ДН, более широкой в плоскости сканирования (по сравнению с ортогональной плоскостью).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, отмечены возможные направления дальнейшего развития представленных в работе исследований.

Список публикаций автора по теме диссертации

¡.Пластиков А.Н. Исследование возможностей сканирования двух многолучевых зеркальных антенн, построенных по схеме Драгоне // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2012. - № 2. Режим доступа: http://jre.cpUre.ru/iso/febl2/14/text.html.

2. Plastikov A.N., Kogan B.L. About a new procedure for offset bifocal reflector antennas synthesis (О новой процедуре синтеза офсетных бифокальных зеркальных антенн) // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013. - Vol. 12. - P. 512-515.

3. Курушин A.A., Пластиков A.H. Проектирование СВЧ-устройств в среде CST Microwave Studio: учебное пособие. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. -152 с.

4. Пластиков А.Н., Коган Б.Л. О многолучевых зеркальных антеннах // Сборник тезисов докладов 17-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2011. - Т. 1. - С. 106-107.

5. Пластиков А.Н. Моделирование многолучевой зеркальной антенны, построенной по схеме Драгоне // Сборник трудов 5-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2011. - С. 391-395.

6. Пластиков А.Н., Коган Б.Л. Моделирование бифокальной зеркальной антенны // Сборник тезисов докладов 18-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2012. - Т.1. - С. 101.

7. Plastikov A.N., Kogan B.L. A novel way for designing bifocal reflector antennas (Новый способ проектирования бифокальных зеркальных антенн) // Proceedings of the Progress in Electromagnetics Research Symposium, Moscow, 2012.-P. 1204-1207.

8. Пластиков A.H., Коган Б.Л. Проектирование многолучевых офсетных двухзеркальных антенн с однокоординатным и двухкоординатным сканированием // Сборник трудов 6-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2012. - Т. 1. - С. 54-57.

19

9. Plastikov A.N., Kogan B.L. Bifocal reflector antenna design procedure for wide-angle multi-beam applications (Методика проектирования бифокальных зеркальных антенн для многолучевых задач с широким сектором обзора) // Proceedings of the 7th European Conference on Antennas and Propagation, Gothenburg, Sweden, 2013. - P. 3246-3250.

Подписано в печать/^. &0(3 зак. ш Тир. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

4

i

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201356585

Пластиков Андрей Николаевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОЛУЧЕВЫХ ОФСЕТНЫХ ДВУХЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН С ОДНОКООРДИНАТНЫМ И ДВУХКООРДИНАТНЫМ

СКАНИРОВАНИЕМ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Коган Борис Лазаревич

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений.......................................................................................................4

Введение.........................................................................................................................5

Глава 1. Многолучевые зеркальные антенны (обзор)..............................................19

1.1. Однозеркальный параболоид: аберрации при отклонении луча от оси, возможности сканирования. Двухзеркальные антенны Кассегрена и Грегори.... 19

1.2. Нестандартные оптические схемы построения двухзеркальных антенн Кассегрена....................................................................................................................24

1.3. Сферические антенны..........................................................................................30

1.4. Тороидальные зеркальные антенны...................................................................32

1.5. Апланатические двухзеркальные антенны........................................................37

1.6. Бифокальные антенны..........................................................................................42

1.7. Однозеркальные антенны с профилированными зеркалами...........................50

1.8. Двухзеркальные антенны с профилированными зеркалами............................53

1.9. О некоторых других подходах к построению многолучевых зеркальных антенн............................................................................................................................59

1.10. Выводы................................................................................................................61

Глава 2. Исследование характеристик многолучевых зеркальных антенн Кассегрена с нестандартной оптической схемой.....................................................65

2.1. Характеристики сканирования в пределах широкого сектора обзора....................66

2.2. Проектирование многолучевой зеркальной антенны с сектором обзора 18°х18°...........................................................................................................................81

2.3. Проектирование антенного элемента решетки облучателей..........................90

2.4. Выводы..................................................................................................................99

Глава 3. Процедура синтеза профилей зеркал бифокальных зеркальных антенн..........................................................................................................................102

3.1. Описание предлагаемой процедуры расчета профилей зеркал.....................103

3.2. О задании кривых на контррефлекторе и главном зеркале...........................107

3.3. Два примера синтезированных бифокальных антенн....................................111

3.4.0 возможных вариантах построения бифокальных зеркальных систем................120

3.5. Выводы................................................................................................................123

Глава 4. Методика оценки и оптимизации эффективности многолучевых бифокальных зеркальных антенн.............................................................................125

4.1. Методика оценки эффективной площади бифокальной зеркальной антенны.......................................................................................................................125

4.2. Расчет поля в плоскости апертуры в режиме передачи..................................130

4.3. О сопоставлении с расчетами методом физической оптики..........................134

4.4. О процедуре оптимизации многолучевых бифокальных зеркальных антенн..........................................................................................................................136

4.5. О расчете эффективной величины СКО длины оптического пути, учитывающей амплитудное распределение в раскрыве........................................138

4.6. Выводы................................................................................................................143

Глава 5. Проектирование многолучевых бифокальных зеркальных антенн больших электрических габаритов с широким сектором обзора.........................144

5.1. Результаты оптимизации многолучевой бифокальной зеркальной антенны больших электрических габаритов...........................................................144

5.2. Проектирование многолучевой антенны с сектором обзора 50°...................154

5.3. О проектировании рупорного облучателя для многолучевой бифокальной зеркальной антенны...................................................................................................167

5.4. Выводы................................................................................................................169

Заключение.................................................................................................................170

Список литературы....................................................................................................174

Список публикаций автора по теме диссертации..................................................185

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АС - антенная система;

БЗА - бифокальная зеркальная антенна;

ГЗА - гибридная зеркальная антенна;

ДН - диаграмма направленности;

КНД - коэффициент направленного действия;

КИП - коэффициент использования поверхности;

КИПЗ - коэффициент использования поверхностей зеркал;

МЗА - многолучевая зеркальная антенна;

СКО - среднеквадратическое отклонение;

ФАР - фазированная антенная решетка;

FFOC - front fed offset Cassegrain;

SFOC - side fed offset Cassegrain.

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Краткий обзор проблемы

Среди различных типов антенных систем повышенной эффективности можно выделить класс многолучевых антенн. Многолучевыми принято называть антенны с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности (ДН), называемая для краткости «лучом» [1]. Очевидным преимуществом многолучевых антенн перед антеннами, работающими по одному лучу, является использование одной апертуры (т.е. одного главного зеркала, одной линзы или одной апертуры решетки) для формирования нескольких лучей, что позволяет одной подобной антенне заменить определенное число «обычных» однолучевых антенн.

Классифицируя многолучевые антенны по способу реализации излучающей части, можно выделить апертурные (зеркальные и линзовые) антенны и антенные решетки, а также их сочетания - гибридные антенны [2]. В целом, каждый из этих классов многолучевых антенн имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

Фазированные антенные решетки при малых продольных габаритах излучающей части принципиально могут предоставить широкие функциональные возможности типа быстрого перемещения луча в пространстве, адаптивного помехоподавления, одновременного существования большого числа многолучевых ДН и другие преимущества по сравнению с апертурными антеннами. Активные антенные решетки обладают большой эффективностью, но, зачастую, представляют собой сложные и дорогие АС. При разработке пассивных антенных решеток наибольшие сложности обычно возникают в вопросах обеспечения их энергетической эффективности.

Диэлектрическая линза Люнеберга и ее модификации [3] принципиально позволяют осуществлять обзор пространства в полном телесном угле 4л стерадиан. Однако недостатками диэлектрических линзовых антенн являются

деградация электрических характеристик под влиянием внешних факторов и с течением времени, наличие потерь в диэлектрике и большая масса в сантиметровом диапазоне длин волн. Металлопластинчатые же линзы имеют узкую полосу рабочих частот.

Достоинствами многолучевых зеркальных антенн является простота конструкции, принципиальная широкополосность и большая энергетическая эффективность недостатками - проблемы обеспечения высоких величин коэффициента использования поверхности (КИП) и высокого уровня пересечения соседних лучей АС, а также, по крайней мере в некоторых случаях, громоздкость всей АС и ее большой вес. Отклонение луча от оси зеркальной антенны происходит за счет перемещения облучателя. Использование гибридного принципа построения зеркальных и линзовых антенн, где в качестве облучателей используется фазированная антенная решетка, позволяет повысить эффективность зеркальных антенн, но усложняет всю АС в целом.

В настоящей диссертационной работе рассматриваются многолучевые зеркальные антенны (МЗА), не использующие принцип гибридного построения. Такие многолучевые антенные системы имеют простейшую диаграммообразующую схему - каждый луч вторичного поля излучения формируется отдельным излучателем - облучателем). Вследствие этого основная проблематика разработки МЗА связана непосредственно с проектированием самой системы зеркал. Достоинствами МЗА являются потенциальная широкополосность (определяемая главным образом облучателем) и большая энергетическая эффективность.

Сегодня разработка МЗА актуальна как для наземных, так и для бортовых радиотехнических систем. Ярким примером области применения такого класса антенн являются антенные системы (АС) земных станций спутниковой связи (телепортов). Такие системы работают сразу с несколькими спутниками, используются как в гражданской (цифровое телевидение, интернет и другие

мультимедиа и информационные сервисы), так и в военной сфере и позволяют значительно повысить объем одновременно получаемой/передаваемой информации.

Использование МЗА для одновременной работы с несколькими геостационарными спутниками позволяет значительно снизить экономические издержки, связанные с изготовлением и эксплуатацией телепортов, а также площадь земельного участка, занимаемого АС, по сравнению с радиотехническими системами, в которых используется несколько однолучевых зеркальных антенн, каждая из которых работает с одним спутником. Сектор обзора таких МЗА должен составлять несколько десятков градусов и образовывать веер лучей, направленных вдоль дуги геостационарной орбиты. Каждый луч АС наводится на свой спутник независимо от других лучей. Сегодня во многих случаях достаточно обеспечить разнос соседних лучей МЗА на угол равный 2° для обеспечения возможности работы с соседними спутниками, однако в перспективе могут потребоваться АС с разносом лучей до 1°. При использовании АС больших электрических габаритов (с узкой ДН) может требоваться дополнительная подстройка луча по углу в двух плоскостях для отслеживания дрейфа спутника.

От бортовых антенных систем обычно требуется обеспечить двухмерный сектор обзора. Например, сектор обзора с углом при вершине конуса около 18° позволяет АС геостационарного спутника обозревать всю видимую поверхность Земли. Для спутников, расположенных на более низкой эллиптической орбите, могут использоваться МЗА с более широким сектором обзора. При необходимости освещения только определенной части поверхности планеты, например, территории конкретного государства, требуемый сектор обзора может иметь сложную форму.

В наземных радиотехнических системах также могут требоваться многолучевые антенны с двухмерным сектором обзора. Примером соответствующих АС являются многолучевые радиотелескопы, причем

различные современные радиотелескопы работают как в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, так и в более коротких диапазонах, например, в инфракрасном. Многие радиотелескопы строятся на базе именно зеркальных антенн вследствие их потенциальной широкополосности и энергетической эффективности. Сектор обзора многолучевых радиотелескопов может превышать 10°х10°.

Саму проблему проектирования МЗА можно охарактеризовать следующим образом. Во многих задачах может требоваться АС с секторами обзора (однокоординатными (вытянутыми вдоль одной координаты) или двухкоординатными) вплоть до нескольких десятков градусов или нескольких десятков или сотен ширин ДН по уровню половинной мощности. В пределах этого сектора необходимо обеспечить заданные электрические характеристики вторичного поля излучения АС - коэффициент направленного действия (КНД) или коэффициент усиления, отношение сигнал/шум, уровень бокового излучения, уровень кроссполяризации, разнос соседних лучей и др. Потенциально однозеркальные параболические антенны, одни из самых простых в классе МЗА, при выносе облучателя из фокуса позволяют обеспечить достаточно широкие сектора обзора при малой деградации луча, но только в случае очень больших величин отношения фокусного расстояния F к диаметру раскрыва Д таких что Г/12»\. Однако в этом случае продольные габариты АС будут очень большими по сравнению с диаметром раскрыва, который определяет достижимую величину КНД АС; также очень большими будут габариты облучающей решетки в целом и каждого ее элемента в отдельности.

На практике обычно используются однозеркальные параболические антенны с отношением ГЮ^.. Но такие МЗА имеют сектор обзора, не превышающий нескольких ширин ДН, что вызвано появлением значительных фазовых искажений (аберраций), вызывающих существенную деградацию вторичного поля излучения АС - уменьшение КНД, рост уровней бокового и кроссполяризационного излучения. Двухзеркальные антенны Кассегрена и

Грегори при сопоставимых фокусных расстояниях и диаметрах раскрыва главных зеркал в целом способны обеспечить более широкие сектора обзора по сравнению с однозеркальными параболическими антеннами. Это, главным образом, связано с тем, что такие двухзеркальные АС имеют эквивалентное фокусное расстояние, превышающее соответствующее фокусное расстояние главного зеркала. Но при разумных с практической точки зрения продольных электрических габаритах АС подобные двухзеркальные антенны все равно имеют достаточно узкий, для многих практических задач, сектор обзора. Дополнительно отметим, что как офсетные однозеркальные параболические антенны, так и офсетные двухзеркальные антенны Кассегрена и Грегори имеют более узкие сектора обзора по сравнению с сопоставимыми по фокусным расстояниям и диаметрам раскрыва своими осесимметричными аналогами.

Принципиально широкими секторами обзора обладают сферические и тороидально-параболические МЗА, однако их эффективность с точки зрения КИП всего раскрыва главного зеркала достаточно низка. Это вызвано тем, что каждый луч «засвечивает» (с точки зрения геометрооптических лучей) только определенную, относительно небольшую часть главного зеркала. Следовательно, при сопоставимых площадях раскрыва сферические и тороидально-параболические МЗА характеризуются зачастую существенно меньшей величиной КНД по сравнению с центральным лучом одно- или двухзеркальной параболической антенны.

Поэтому проблема проектирования МЗА представляет собой задачу оптимизации электрических характеристик АС при заданных ограничениях на допустимые габариты всей АС и/или отдельных ее элементов - главного зеркала, вспомогательных зеркал, облучателей. К настоящему времени в литературе предложено как минимум несколько различных подходов к проектированию МЗА, позволяющих проектировать конструкции многолучевых АС, более эффективные по сравнению с сопоставимыми (по площади апертуры и габаритам всей АС) однозеркальными параболическими

антеннами, антеннами Кассегрена и Грегори, одно- и двухзеркальными сферическими и тороидально-параболическими антеннами.

Описанию возможных вариантов построения МЗА посвящена первая, обзорная, глава диссертации, поэтому здесь мы не будем подробно на них останавливаться. Отметим лишь, что не существует универсальных технических решений, позволяющих максимально эффективно решать широкий круг задач. Кроме того, на сегодняшний день у разработчиков МЗА нет понимания того, где лежат возможные пределы эффективности этого класса антенн. Вследствие этого существенный интерес представляют офсетные двухзеркальные многолучевые антенны, т.к. при сопоставимых площадях раскрыва потенциально они должны иметь большую эффективность по сравнению с однозеркальными и более простую схему построения по сравнению, например, с трехзеркальными.

В определенных задачах большой практический интерес могут представлять разновидности таких МЗА, построенные на базе бифокальных зеркальных антенн, а также АС с нестандартной оптической схемой с классическими профилями зеркал в виде конических поверхностей второго порядка - антенны Кассегрена с вогнутыми гиперболическими контррефлекторами. Проведенные исследования литературных источников показывают, что данные классы многолучевых офсетных двухзеркальных антенн на сегодняшний день не достаточно широко исследованы в литературе. Именно данные МЗА и выступают объектом исследования настоящей диссертационной работы. Оптимизация характеристик данных МЗА служит предметом исследования работы. Подчеркнем, что рассматриваемые МЗА функционируют по принципу один облучатель - один луч АС.

Улучшение характеристик МЗА позволит проектировать более эффективные радиотехнические системы, что делает соответствующие исследования перспективными. Отметим также, что наработки в этой области

антенной техники могут найти применение и в смежной области проектирования сканирующих зеркальных антенн.

В.2. Краткая характеристика работы

Цели работы. Можно выделить две основные цели диссертационной работы. Первой цел�