автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы синтеза гибридных зеркальных антенн для радиосистем с одномерным сканированием

1. Введение

2. Сравнительный анализ схем ГЗА

2.1 Классификация схем построения ГЗА

2.2 ГЗА для одномерного сканирования

2.3 Схемы ГЗА с параболическим цилиндром

2.4 ГЗА на основе фокусатора, двухзеркалыше схемы

2.5 Эффективность использования зеркала в одчозеркальных ГЗА

2.6 Выводы по разделу

3. ГЗА на основе рефлектора фокусатора

3.1 Лучевая структура поля с фокальной линией.

Уравнение поверхности фокусатора

3.2 Варианты схем ГЗА на основе зеркала-фокусатора

3.3 Оптимальный фокусатор. Синтез ГЗА с фокусатором на основе геометрической оптики

3.4 Характеристики излучения ГЗА с фокусатором.

Симметричная схема

3.5 Эксперимент

3.6 ГЗА с модифицированным фокусатором

4. Алгоритм синтеза рефлекторов зеркальных антенн с контурными диаграммами направленности

4.1 Общие замечания

4.2 Сплайновый метод параметризации рефлектора

4.3 Формирование модели требуемой КДН

4.4 Нелинейный метод наименьших квадратов

4.5 Стратегия синтеза

4.6 Вычисление градиента диаграммы

4.7 Минимаксная оптимизация

4.8 Пример. Синтез КДН России

5. Число степеней свободы в задаче синтеза КДН и способ быстрой аппроксимации диаграммы

5.1 Постановка задачи

5.2 Число степеней свободы в задаче синтеза контурной 72 диаграммы направленности

5.3 Статистический анализ поля антенны в дальней зоне

5.4 Практический алгоритм

5.5 Примеры использования метода быстрой аппроксимации

6. Ограничения на КИП однозеркальных ГЗА

6.1 Минимальное количество управляемых элементов.

Формализм подсчета числа степеней свободы

6.2 Число независимых лучей однозеркальной ГЗА

7. Синтез ГЗА с использованием алгоритма формироания профилированного рефлектора

7.1 Метод наименьших квадратов

7.2 Минимаксная оптимизация

7.3 Пример 1. ГЗА с одномерным прямолинейным сектором сканирования

7.4 Пример 2. ГЗА с криволинейным сектором сканирования

История создания радиосистем, в которых используется электрическое перемещение луча, насчитывает более полувека. За эти десятилетия разработано большое число систем, как радиолокационных, так и связных, в которых используются станции с широким сектором обзора на основе многоэлсментных фазированных антенных решеток. Однако ввиду высокой стоимости многоэлсментных ФАР для решения ряда практических задач созданы и используются также и станции с электрическим сканированием в ограниченном секторе, в которых применяются более дешевые антенны с меньшим количеством управляемых элементов.

Одним из типов антенн, обеспечивающих электрическое сканирование (или формирование связки лучей) в ограниченном секторе углов, являются гибридные антенны. В них соединены оптическое устройство, формирующее луч, и облучатель в виде фазированной решетки, позволяющий осуществлять электрическое сканирование.

В случае, когда в качестве оптического устройства используется зеркало, система называется гибридной зеркальной антенной (ГЗА). При этом, применение собирающего зеркала позволяет увеличить КУ антенны, но ограничивает сектор сканирования.

Использование двумерной решетки в данном случае является избыточным.

В качестве примеров систем с одномерным сканированием можно указать следующие.

• Системы связи через искусственный спутник Земли, находящийся на геосинхронной орбите. Эта орбита наклонена под малым углом по отношению к геостационарной. Для

Хорошо изученной является ГЗА, схема которой показана на Рис. 1.0.1. Ее рефлектор — параболическое зеркало. Облучатель — двумерная фазированная антенная решетка (ФАР), немного смещенная из фокуса в сторону рефлектора. Подобная система позволяет сканировать в двух плоскостях.

Рис. 1.0.1 ГЗА с параболическим зеркалом

Однако, в ряде радиосистем достаточно использовать сканирование только в одной плоскости. сопровождения такого спутника достаточно сканирование только в одной плоскости (в секторе порядка 7°-10°).

• Автомобильный радар. Для контроля обстановки на дороге важным является сканирование в горизонтальной плоскости. Уклон дороги можно компенсировать шириной луча.

• Радар бокового обзора. Наблюдение ведется перпендикулярно направлению движения. При этом, важна еще возможность изменения ширины луча антенны.

• Геостационарный спутник-ретранслятор с многолучевой антенной для обслуживания территорий, имеющих вытянутую форму, например — России.

Одним из стандартных решений в случае одномерного сканирования является использование ГЗЛ с параболическим цилиндром (см. Рис. 1.0.2). При этом, облучателем является линейная (а не двумерная) ФАР, расположенная на фокальной линии цилиндра. Такой подход позволяет снизить количество элементов, по сравнению с плоской решеткой. Однако в такой схеме ГЗА размер облучающей решетки практически совпадает с размером зеркала, т.е. является громоздким. При использовании обычных широконаправленных излучателей (с фазовращателями в каждом канале), решетка содержит намного больше управляющих элементов, чем это требуется для сканирования в заданном секторе.

05<О Т1

5 Целью настоящей работы является построение ГЗА, облучатель которой — линейная ФАР — имеет длину, в несколько раз меньшею, чем размер зеркала Рис. 1.0.3 Схема ГЗА (см. Рис. 1.0.3). Такая антенна позволяет осуществлять сканирование в одной плоскости в ограниченном секторе углов. При этом, из-за меньшего размера решетки, она содержит меньшее число

Рис. 1.0.2 ГЗЛ с параболическим цилиндром излучателей (чем соответствующая система с параболическим цилиндром). Это позволяет снизить стоимость всей системы.

Ключевым для построения таких ГЗА является выбор поверхности рефлектора.

В первой части работы, содержащейся в разделах 2 и 3, для синтеза поверхности используется подход геометрической оптики (ГО) (см. Рис. 1.0.4). При этом, рефлектор представляет собой фокусатор[3] — зеркало, фокусирующее падающую на нее плоскую волну в фокальную линию в несколько раз меньшую, чем размер зеркала.

Во второй части, отраженной в разделах с 4 по 7, для формирования рефлектора ГЗЛ используется алгоритм синтеза контурных диаграмм направленности (КДН).

При этом, в качестве контурной рассматривается диаграмма, постоянная в секторе сканирования, и равная нулю вне него. Зеркало синтезируется таким образом, чтобы парциальная диаграмма каждого элемента решетки совпадала с требуемой

Рис. 1.0.4 Фокусатор контурной диаграммой.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Рассмотрена задача синтеза гибридных зеркальных антенн для радиосистем, сканирующих в одной плоскости в ограниченном секторе углов. Предложено использовать в качестве рефлекторов таких ГЗЛ зеркала специальной формы — фокусаторы. Такие рефлекторы, обладая двойной кривизной, фокусируют падающее на них излучение в линию меньших размеров, чем само зеркало. Это дает возможность использовать в качестве облучателя линейную антенную решетку малых размеров с небольшим количеством управляемых элементов.

2) Описан метод выбора параметров схемы ГЗА с фокусатором. Данный метод позволяет при заданных КУ и размере облучающей решетки максимизировать сектор сканирования (с точки зрения ГО).

3) Разработан алгоритм синтеза рефлекторов зеркальных антенн, формирующих контурную диаграмму направленноети(КДН). Алгоритм построен на основе методов численной оптимизации; его особенности заключаются в следующем: а) предложено в качестве параметров оптимизации использовать узлы двумерного кубического сплайна, описывающего поверхность рефлектора; б) чтобы уменьшить зависимость конечной синтезируемой КДН от начальных условий (уменьшить вероятность попадания в локальный экстремум) предложено использовать стратегию синтеза, которая заключается в последовательном увеличении числа параметров синтеза, и последовательном переходе от более устойчивого (но менее эффективного) алгоритма наименьших квадратов к более эффективному (но менее устойчивому) методу минимаксной оптимизации; в) предложен метод расчета градиента диаграммы по параметрам оптимизации, существенно сокращающий время вычисления по сравнению с обычным методом конечных разностей; г) для уменьшения времени синтеза КДН предложен метод быстрой аппроксимации ДН зеркальной антенны, сочетающий в себе аппроксимацию по теореме Котельникова и статистические методы синтеза нейронных сетей.

4) Предложено использовать в качестве рефлекторов ГЗА зеркала, формирующие контурные парциальные диаграммы направленности, главные лепестки которых покрывают заданный сектор сканирования. Показано, что ГЗА, построенная по такой схеме, имеет больший сектор сканирования, чем ГЗА с фокусатором. Дополнительно рассмотрена возможность использования той же ГЗА для сканирования в криволинейном секторе. Данная возможность достигается за счет небольшого изменения поверхности рефлектора.

5) Рассмотрены ограничения на КИП однозеркальных ГЗА. Получено следующее асимптотическое соотношение

КИП < ЖУо, где А — площадь облучающей антенной решетки, Бо — площадь зоны зеркала, формирующей луч в секторе сканирования.

Внедрение

Работа является частью научных и инженерных исследований, проводимых АО "РАДИОФИЗИКА" в области создания систем связи и радиолокации с гибридными антеннами и антеннами с контурными диаграммами направленности. Результаты работы были использованы в следующих НИР:

• при разработке радиолокатора космического базирования с синтезированной апертурой для мониторинга Земли;

• при проектировании спутника ретранслятора Ku-диапазона с КДН на основе профилированного рефлектора для обслуживания территории Южной Кореи;

• при разработке автомобильного радиолокатора,

• при разработке станции спутниковой связи с гибридной антенной, устанавливаемой на транспортных средствах.

Публикации по теме диссертации

1. I. L. Vilenko, A. S. Reutov, А. V. Shishlov, "On synthesis of reflector antennas for focusing or scanning in one plane", Proceedings of the XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, Russia, 22-24 September 1998, pp. 376-379.

2. A. S. Reutov, A. V. Shishlov, "Focuser-based hybrid antennas for one-dimensional beam steering", Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems & Technology. Dana Point, California, May 21-25, 2000, pp. 411-414.

3. А. С. Реутов, А. В. Шишлов, "Гибридные зеркальные антенны на основе фокусаторов для сканирования в одной плоскости", Труды LV научной сессии, посвященной Дню Радио, "Радиотехиика, электроника и связь на рубеже тысячелетия". Москва 2000, сс. 72-73.

4. А. С. Реутов, А. В. Шишлов, "Синтез поверхности рефлектора гибридной зеркальной антенны методом формирования контурных парциальных диаграмм для элементов облучающей решетки", Труды молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь - перспективные технологии". Москва, 14-16 декабря 2001 г., сс. 40-42.

5. А. С. Реутов, А. В. Шишлов, "Особенности поэтапного синтеза рефлекторов зеркальных антенн с контурными диаграммами направленности, с использованием стайпового представления поверхности зеркалаЭлектромагнитные волны и электронные системы, № 2,2003 г., сс. 4-14.

6. A. S. Reutov, А. V. Shishlov, "Hybrid antennas with shaped reflectors for limited beam steering", Proceedings of IV International Confcrcnce on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, September 9-12, 2003, pp. 264-267.

7. А. С. Реутов, А. В. Шишлов, "Метод быстрой аппроксимации диаграммы направленности зеркальной антенны на основе конечного числа отсчетов, используемый в алгоритме синтеза контурных диаграмм ", Электромагнитные волны и электронные системы (в печати, 15 стр).

Апробация

Основные результаты работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

• научио-техничсская конференция МФТИ, 2001;

• молодежная научно-техническая конференция "Радиолокация и связь перспективные технологии", Москва, 2002;

• семинар общества Попова, ИРЭ, Москва, 2 апреля 2002;

• международный семинар, "Квазиоптика и СВЧ электроника", Харьков, 6-7 июня,

2002.

Выводы по разделу 7

Суммируя приведенные в данном разделе результаты, можно сказать следующее. Приведенный метод синтеза рефлектора ГЗА сканирующей в одной плоскости в ограниченном секторе углов позволяет существенно расширить сектор сканирования (в данном примере почти в 1.5 раз) по сравнению с обычным фокусатором, и сделать характеристику сканирования более равномерной. В результате удается синтезировать достаточно эффективную ГЗА с точки зрения использования управляющих элементов. В рассмотренном примере коэффициент использования управляющих элементов достигает значения 1.7, что является достаточно хорошим результатом для реально существующих ГЗА.

Синтезируемая ГЗА обычно имеет достаточно низкий КИП (порядка 30%-40%). Для увеличения КИПа антенны требуется использование более длинной облучающей решетки. Это приводит к увеличению количества элементов и снижает эффективность их использования. Кроме того, при увеличении КИПа антенны уменьшаются возможности по синтезу диаграммы, и увеличивается неравномерность максимального КУ антенны в секторе сканирования.

Использование амплитудно-фазового синтеза в описываемых ГЗА открывает дополнительные возможностей по управлению диаграммой. Например, за счет небольшого снижения максимального КУ (па 0.3 дБ), возможна реализация луча в секторе сканирования с боковыми лепестками -30 дБ.

Применение алгоритма синтеза КДН позволяет строить ГЗА, сканирующие в криволинейном секторе. Данные ГЗА можно использовать, например, в спутниковых системах связи.

Заключение

В работе рассмотрены вопросы построения ГЗА для радиосистем со сканированием в одной плоскости в ограниченном секторе углов.

Облучателем ГЗА является линейная антенная решетка, длина которой в несколько раз меньше размера зеркала. Такая решетка компактна и имеет только фазовое управление.

В работе предложен метод синтеза описываемой ГЗА. Он включает в себя два этапа.

На первом, ГЗА строится исходя из геометрической оптики. В качестве рефлектора используется зеркало-фокусатор. Параметры системы определяются на основе анализа лучевой структуры поля.

На втором, для синтеза КДН используется оптимизационный алгоритм формирования профилированных рефлекторов. При этом зеркало ГЗА строится таким образом, чтобы обеспечить формирование контурных парциальных диаграмм элементов облучающей решетки.

В качестве примера использования описываемого в работе метода рассмотрены несколько вариантов построения ГЗА для радиосистсм со сканированием в одной плоскости в секторах ±10° и ±5° лучом 1°. При этом удается построить систему с достаточно высоким коэффициентом использования управляющих элементов (1.7) и низким уровнем бокового излучения.

В работе также рассмотрена возможность использования ГЗА с линейной решеткой для сканирования в криволинейном секторе. Данная возможность обеспечена за счет небольшого изменения поверхности рефлектора.

Сформулированы ограничения на максимально достижимый КИП в однозеркальных схемах ГЗА. Получено следующее асимптотическое соотношение:

КИП йА I Ба, где А — площадь облучающей антенной решетки, 5о — площадь зоны зеркала, формирующей луч в секторе сканирования.

1. В. И. Класссн, Б. Е. Кинбер, А.В.Шишлов, А. К. Тоболев, "Гибридные и полифокальные антенны. Обзор", Антенны. М Радио и связь, 1987.

2. М. Г. Горлов, Е. Н. Коростышсвский, Л. Б. Тартаковский, "Синтез облучателей сканирующего устройства несимметричной параболической зеркальной антенны", Радиотехника и электроника, том. 23, ном. 2, 1978.

3. Л. И. Алимова, Б. Е. Кинбер, В. И. Классен, А. В. Шишлов, "Асимптотическая теория гибридных зеркальных антенн", Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике, вып. 6, Высшая школа, Москва, 1983.

4. A. W. Rudgc, М. J. Withers, "New technique for beam steering with fixed parabolic reflectors", Proc. IEE, v. 118, N 7, 1971.

5. A. V. Shishlov, A. M. Shitikov, "Multibeam offset reflector antenna with wide field of view in one plane", Proc. 27 Sci. Conf. On Antenna Theory and Technology, Moscow, 1994.

6. В. А. Калошин, Патент Российской Федерации, ном. 2173496 С1.

7. R. J. Mailloux, "Hybridantennas", Handb Antenna Des., v. 1, London, 1982.

8. К Solbach, "Below-resonant-length slot radiators for traveling-wave-array antennas IEEE Antennas & Propagation Magazine, 1996, V. 38, No. 1, PP. 7-14.

9. Г. Т. Марков, Д. M. Сазонов, "Антенны", М.: Энергия, 1975.

10. Л. И. Бахрах, Г. К. Галимов, "Зеркальные сканирующие антенны", М.: Наука, 1981.

11. P. S. Kildal, "Radiation characteristics of the EISCAT VHF parabolic cylindricalreflector antenna", IEEE Trans. Antennas Propagat., 1984, V. AP-32, No. 6, PP. 541— 552.

12. С. П. Скобелев, "Анализ и синтез антенной решетки с секторными парциальными диаграммами направленности", Радиотехника, 1990, №10, СС. 44-47.

13. М. И. Конторович, В. Ю. Петрунькин, "О наименьшем числе управляемых элементов в антенне с электрическим качанием луча", Радиотехника и электроника, т. 6, ном. 12,1961.

14. О. Г. Вендик, "Антенны с немехапическим движением луча", М.: Советское радио, 1965.

15. Б. Е. Кинбер, В. И. Классен, В. И. Стеблин, "Ктеории бифокальных антенн", сб. Волны и дифракция, том 1, ИРЭ АН СССР, Москва, 1981.

16. A. 3. Фрадин,"Антенны СВЧ\ Советское радио, 1957.

17. Б. Е. Кинбер, "Обратные задачи теории зеркальных антенн — приближение геометрической оптики", Препринт ИРЭАНСССР ном. 38(410), Москва, 1984. J1. Д. Бахрах, Г. К. Галимов, "Зеркальные сканирующие антенны", Наука, Москва, 1981.

18. B. А. Боровиков, Б. Е. Кинбер, "Геометрическая теория дифракции", Связь, Москва, 1978.

19. Е. Г. Зелкин, "Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности", Госэнергоиздат, Москва, 1963.

20. Я. Д. Бахрах, С. Д. Кремецкий, "Синтез излучающих систем", Советское радио, Москва, 1974.

21. Р. К. Хансен, "Сканирующие антенные систем СВЧ", Советское радио, Москва, 1966.

22. Б. М. Минкович, В. П. Яковлев, "Теория синтеза антенн", Советское радио, Москва, 1969.

23. М. Д. Сазонов, "Методы интерполяции полей излучения при ускоренныхрасчетах характеристик зеркальных антенных систем'''', Радиотехника, 1993, ном. 4.

24. В. Н. Гармаш, "Теория и методы обработки информации в радиосистемах", Учебное пособие, МФТИ, Москва, 1987.

25. Takashi Kitsuregawa, "Advanced Technology in Satellite Communication Antennas", Artech House, Boston, 1990.

26. А. В. Шишлов, А. Г. Шубов, "Эффективность антенных устройств с контурными диаграммами направленностиЭлектромагнитные волны&Электронные системы, ном. 1,том. 2, 1997.

27. D. М. Sazonov, N. Ja. Frolov, "Methods of Synthesis of Shaped Contour Beam Reflector Antennas with Single and Multielement Feeds", Proceedings of The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology, Moscow, Russia, 1998.

28. G. T. Poulton, "Reflector Shaping Using the Method of Successive Projections", Proceedings of the International Symposium on Electromagnetic Theory, St Peterburg, 1995.

29. R. Jorgensen, "Coverage shaping of contoured beam antennas by aperture field synthesis ", Proceedings of the 1EE, 127 part H, 1980.

30. H. Viskum, S. Sorcnsen, "Dual Offset Shaped Reflectors Optimized for Gain and XPD Performance", IEEE AP-S International Symposium Digest, 1994.

31. ERA, "Shaped dual offset reflector antennas for contoured beam spacecraft applications", ESTEC Ct 5487/83.

32. S. Stirland, "Fast synthesis of shaped reflector antennas for contoured beams", 8th International Conference on Antennas and Propagation (ICAP) Proceedings, 1993, pp. 18-21.

33. А. С. Реутов, А. В. Шишлов, "Особенности поэтапного синтеза рефлекторов зеркачьных антенн с контурными диаграммами направленности, с использованием сплайнового представления поверхности зеркача

34. Электромагнитные волны и электронные системы, № 2, 2003 г., сс. 4-14.

35. MATLAB Optimization Toolbox, User's Guide, Version 5, pp. 56-83.

36. В. И. Слюсарь, "Thuraya-1 сквозь призму технических новшеств", ТелеМультиМедиа, октябрь 2001.

37. Сагу В. Zitcr, "Boeing and IBM set new record with world's most powerful satellite digital communications processor", http:// www.hughcspace.com/hscprcssrclcascs /0107llibm.html.

38. В. И. Слюсарь, "Цифровое формирование луча в системах связи: будущее рождается сегодня ", Электроника: НТБ, ном. 1, 2001.

39. A. G. Shubov, А. V. Shishlov, "Analysis of methods for phased array antenna phasing based on amplitude measurements only", Proceedings of the Millenium confercnce on Antennas and Propagation, Paper 0353, 2000.

40. Я. И. Хургин, В. П. Яковлев, "Финитные функции в физике и технике''\ Наука, Москва 1971.

41. И. Ф. Красников, "Системы функций со свойством двойной ортогональности Математические заметки 4, ном. 5, 1968.

42. И.Добеши, "Десять лекций по вейвлетамперевод R&C Dynamics, Москва-Ижевск, 2001.

43. S. Guillaume, "Designing of Fuzzy Inference Systems from Data: An Interpretability-Oriented Review", IEEE Trans, on Fuzzy Systems, vol. 9, pp. 426-443, June 2001.

44. J. Yen, L. Wang, and C. W. Gillepsie, "Improving the interpretability of tsk fuzzy models by combining global learning and local leaning", IEEE Trans. Fuzzy Systems, vol. 6, pp. 530-537, Nov. 1998.

45. Mark J. L. Orr, "Recent Advances in Radial Basis Function Networks www.anc.ed.ac.uk/mjo/papers/recad.ps.

46. H. Hotelling, "The Relations of the Newer Multivariate Statistical Methods to Factor Analysis", Brit. J. Stat. Psych. 10, pp. 69-79, 1957.

47. Дж. Голуб, Ч.Ван Лоун, "Матричные вычисления", Москва, МИР, 1999.