Разработка методов создания антенн с контурными диаграммами направленности на основе многолучевых антенн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат технических наук Шитиков, Александр Михайлович

• Шитиков, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шитиков, Александр Михайлович

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ АНТЕНН С КДН И МЕТОДОВ ИХ СОЗДАНИЯ

1.1. Антенны с КДН и предъявляемые к ним требования

1.2. Антенны с КДН на основе многолучевых антенн

1.2.1. Схема антенны

1.2.2. Основные существующие методы синтеза антенн с КДН на основе МЛЗА

1.3. Антенны с КДН с зеркалами специальной формы

1.3.1. Схемы построения антенн

1.3.2. Основные существующие методы синтеза антенн с зеркалами специальной формы для формирования КДН

1.4. Другие методы создания антенн с КДН

1.4.1. Антенна с КДН на основе ФАР

1.4.2. Гибридная антенна с КДН

1.4.3. Комбинированные схемы

1.5. Сравнительный анализ типов антенн с КДН и методов их расчетов

ГЛАВА 2. ТЕОРЕМА ОТСЧЕТОВ В ДВУМЕРНОМ СЛУЧАЕ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА

КОНТУРНЫХ ДИАГРАММ С ПОМОЩЬЮ ИДЕАЛИЗИРОВАННОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ

2.1. Доказательство теоремы отсчетов в двумерном случае. Синтез КДН методом суммирования функций отсчетов

2.1.1. Доказательство двумерной теоремы отсчетов

2.1.2. Анализ возможности применения теоремы отсчетов для синтеза КДН

2.2. Поведение контурной диаграммы вблизи границ свет-тень

2.3. Изменение формы контурной диаграммы при изменении количества функций отсчетов, расстояния между ними и веса пограничной диаграммы

2.3.1. Изменение формы контурной диаграммы при изменении веса пограничной функции

2.3.2. Выбор весов в случае более частой расстановки функций отсчетов

2.3.3. Поведение контурной диаграммы при увеличении расстояния между функциями отсчетов

2.3.4. Особенности создания «узких» КДН

2.4. Выбор весов функций отсчетов в двумерном случае круглой апертуры. Использование концепции кластеров для выбора весов функций отсчетов

2.4.1. Использование кластеров для выбора весов функций отсчетов в одномерном случае

2.4.2. Веса функций отсчетов в двумерном кластере, для случая прямоугольной и гексагональной сетки

2.4.3. Выбор весов функций отсчетов с использованием кластеров, для формирования двумерных КДН

-32.5. Применение теоремы отсчетов и концепции кластеров для выбора весов функций отсчетов, формирующих контурную диаграмму направленности. Основные характеристики контурных диаграмм, которые могут быть получены таким способом

2.6. КИД контурной диаграммы антенны с плоской апертурой. Эффективность антенны с контурной диаграммой направленности

ГЛАВА 3. МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ДЛЯ СИНТЕЗА КДН СУММИРОВАНИЕМ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДН

РЕАЛЬНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕНН

3.1. Влияние отличия формы реальных парциальных диаграмм от формы функций отсчетов

3.2. Метод взвешенной локальной коррекции формы контурной диаграммы

3.2.1. Формулы для вычисления контурной диаграммы направленности путем суммирования парциальных диаграмм

3.2.2. Формулы для взвешенной локальной коррекции формы контурной диаграммы

3.3. Обсуждение метода взвешенной локальной коррекции

3.3.1. Примеры корректировки формы контурной диаграммы

3.3.2. Сходимость метода

3.3.3. Степени свободы при коррекции формы КДН. Особенности коррекции формы узких контурных диаграмм

3.4. Устойчивость характеристик контурной диаграммы: влияние амплитудных и фазовых ошибок возбуждения парциальных диаграмм на ее форму

3.4.1. Влияние фазовых ошибок на форму контурной диаграммы

3.4.2. Влияние амплитудных ошибок на форму контурной диаграммы

3.4.3. Корректировка искажений контурной диаграммы направленности.

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ КДН НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ

ОБЛУЧАТЕЛЯМИ

4.1. Антенна С-диапазона для освещения территории России

4.1.1. Постановка задачи

4.1.2. Выбор параметров антенной системы

4.1.3. Формирование контурной диаграммы направленности

4.2. Антенна Ки-диапазона с контурным лучом

4.2.1. Постановка задачи

4.2.2. Формирование контурной диаграммы направленности

4.3. Практические аспекты синтеза антенн с узкими (вытянутыми) контурными диаграммами направленности

4.4. Применение описанных методик для синтеза гибридных зеркальных антенн

4.4.1. Геометрия модельной системы

4.4.2. Управление формой луча в гибридной зеркальной антенне

4.4.3. Применение метода локальной взвешенной коррекции для отклонения луча в гибридных зеркальных антеннах

4.4.4. Оценка возможностей ГЗА по отклонению луча

-44.4.5. Частичное использование облучающей системы. Деление элементов на группы

4.5. О точности ориентации антенны и влиянии ее на неравномерность освещения заданной территории

4.5.1.0 необходимости дополнительной ориентации антенн с КДН

4.5.2. Уменьшение ошибки позиционирования антенны с использованием моноимпульсного датчика

4.5.3. Соотношения, используемые для вычисления угловых координат цели с помощью моноимпульсного датчика. Точность определения угловых координат

4.5.4. Особенности использования моноимпульсного датчика для ориентации антенны с КДН

4.5.5. Моноимпульсный угловой датчик в случае гексагональной сетки расстановки парциальных диаграмм

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов создания антенн с контурными диаграммами направленности на основе многолучевых антенн»

Потребности в системах связи и вещания с использованием ИСЗ-ретрансляторов в настоящее время постоянно растут. Соответственно, растут и требования, предъявляемые к антенным системам, предназначенным для установки на геостационарных ИСЗ. Современная антенна системы связи или вещания должна удовлетворять целому ряду требований. Это обеспечение одновременной работы в нескольких диапазонах, разделения сигналов, поступающих из заданных районов (обычно системы связи), или одновременной трансляции сигнала на обширную территорию (обычно системы вещания), обеспечение работы на разных поляризациях, высокой пропускной способности, обеспечение развязки антенных систем, обслуживающих соседние, близко расположенные районы, а также ряду других требований.

При этом, эти требования зачастую противоречат друг другу и не могут быть одновременно удовлетворены в традиционной остронаправленной антенне. Например, требование к антенне системы вещания обслуживать обширную территорию вступает в противоречие с требованием на коэффициент усиления и развязку. В самом деле, для обслуживания обширной территории традиционная антенна формирует широкий круглый или эллиптический в сечении луч со сравнительно низким КУ. Попытки снизить УБЛ такого луча приводят к снижению его коэффициента усиления. Кроме того, расстояние от оси антенны до первого (обычно максимального) бокового лепестка обычно порядка двух ширин луча по половинной мощности, что затрудняет развязку систем, обслуживающих близко расположенные районы.

В ряде случаев более полно удовлетворить налагаемым требованиям можно путем использования антенн с контурными диаграммами направленности (КДН). Так называют антенны, главный луч которых имеет в сечении заданную форму [1], обычно отличную от круглой или эллиптической. Идеализированная антенна с КДН излучает только внутрь заданного телесного угла О, причем равномерно, и не излучает вне его. Это дает выигрыш в КУ по сравнению с традиционной антенной, за счет правильного распределения энергии, а также обеспечивает развязку между соседними контурными лучами, за счет выраженной границы свет-тень (в идеале - бесконечной крутизны).

Антенны с КДН получили к настоящему времени достаточно широкое распространение, и сейчас практически каждый спутник на геостационарной орбите несет такую антенну. Реальные контурные диаграммы отличаются от идеализированной КДН неравномерностью освещения заданной территории, конечным уровнем бокового излучения вне его и наличием переходной зоны от освещенной территории к неосвещенной. Кроме того, за счет этого КУ контурной диаграммы меньше,

Ал чем КУ идеализированной диаграммы (?, =101о£ —. В зависимости от размеров и формы антенны, О а также метода получения контурной диаграммы, отличия эти могут быть больше или меньше, а при неправильном выборе - могут быть столь значительными, что сведут на нет преимущества антенн с КДН перед традиционной антенной.

Одним из наиболее широко распространенных в настоящее время типов антенн с КДН является антенна с КДН на основе многолучевой антенны (обычно зеркальной). Парциальные лучи при этом складываются с определенными амплитудами и фазами, образуя контурную диаграмму. При синтезе такой системы, ее степени свободы - размеры и форма зеркала (линзы), фокусное расстояние, количество парциальных лучей, способ их расстановки, амплитуды и фазы возбуждения - должны быть выбраны так, чтобы обеспечить форму КДН возможно ближе к идеализированной, т.е. равномерную засветку заданной территории и полное подавление излучения вне этого района. В настоящее время при создании антенн с КДН на основе МЛА, для выбора амплитуд и фаз парциальных лучей обычно используются оптимизационные методы. В процессе синтеза антенны с КДН возникают также вопросы выбора количества парциальных лучей, их расстановки, геометрии антенны, но до настоящего времени они не находили ясного и полного отражения в литературе. Также недостаточно полно описаны были методы инженерной оценки характеристик антенны: до проведения синтеза не ясно, какой неравномерностью освещения, уровня бокового излучения и размерами переходной зоны будет обладать контурная диаграмма антенны. Также, как правило, недостаточно полно описывается способ выбора целевой функции для проведения оптимизации и влияние этого выбора на характеристики контурной диаграммы. Поэтому, актуальным является разработка методов создания антенн с КДН на основе МЛЗА и инженерной оценки их параметров, учитывающих эти особенности.

В настоящей работе для изучения изложенных проблем создания антенн с КДН предложено использовать разработанный в теории синтеза антенн метод парциальных диаграмм, который, по сути, базируется на использовании интерполяционного ряда Котельникова и преимущество которого состоит в отсутствии оптимизационных процедур и наглядности получаемых результатов. В известных работах [2] этот метод использовался для решения одномерных задач, в частности, для создания линейных антенн с косекансной ДН. В настоящей работе рассмотрена двумерная модификация метода, применительно к синтезу КДН, основанная на суммировании кластеров -функций, образованных суммой функций отсчетов ряда Котельникова. Метод позволяет контролировать уровень боковых лепестков и крутизну скатов контурной диаграммы направленности, а также позволяет сформулировать рекомендации по выбору количества и расстановки парциальных диаграмм.

Метод состоит из двух этапов. На первом, на основе теоремы Котельникова, определяются количество и расстановка парциальных диаграмм. Затем, с помощью концепции кластеров -функций, получаемых суммированием соседних парциальных диаграмм - определяются их начальные амплитуды и фазы возбуждения. Полученная на этом этапе контурная диаграмма направленности обычно имеет, в основном, приемлемые уровни бокового излучения и неравномерности освещения.

Однако, в зависимости от размеров главного лепестка контурной диаграммы, количества и формы используемых парциальных диаграмм МЛА, заданной формы территории, возможны локальные отличия формы контурной диаграммы, полученной на первом этапе, от заданной. Они проявляются в локальных выбросах бокового излучения и неравномерности освещения. Для улучшения формы КДН разработан алгоритм, с помощью которого на втором этапе проводится взвешенная коррекция амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм. Полученные в результате контурные диаграмма направленности имеют относительный уровень бокового излучения около -25.-30 дБ, уровень неравномерности освещения заданной территории - менее 2 дБ, размер переходной зоны 1.5.2.0Л./1) (здесь Я -длина волны, £) - размер апертуры антенны).

Цель работы

Разработка метода синтеза антенн с контурными диаграммами на основе многолучевых антенн, а также метода инженерной оценки параметров антенны, получаемой этим методом.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработки метода выбора количества и расстановки парциальных диаграмм антенны, основанного на двумерной теореме отсчетов.

2. Разработки метода предварительного выбора амплитуд и фаз возбуждения парциальных диаграмм, основанного на использовании кластеров.

3. Разработки метода локальной взвешенной коррекции амплитудно-фазового возбуждения парциальных диаграмм для корректировки формы КДН.

4. Разработки алгоритмов и создания программного обеспечения для применения разработанных методов, и в частности - для моделирования зеркальных антенн с КДН.

Актуальность темы

Существующие методы разработки антенн с КДН на основе МЛА сосредоточены в основном на выборе амплитуд и фаз возбуждения парциальных диаграмм, для чего используются оптимизационные методы. Вопросы выбора геометрии многолучевой антенны, количества и расстановки парциальных диаграмм, вида целевой функции при оптимизации и вопросы влияния этого выбора на характеристики диаграммы представляются недостаточно проработанными. Также недостаточно проработаны методы инженерной оценки характеристик контурных диаграмм.

В работе изложен метод синтеза антенн с КДН на основе МЛА, в котором указанные вопросы подробно рассмотрены. Изложен метод инженерной оценки характеристик антенн, полученных этим методом.

Научная новизна работы

1. На основе теоремы отсчетов, предложен метод выбора количества и расстановки парциальных диаграмм многолучевой антенны для формирования контурной диаграммы.

2. На основе концепции кластеров, предложен метод выбора амплитуд и фаз возбуждения парциальных диаграмм многолучевой антенны для формирования контурной диаграммы.

3. Предложен метод взвешенной локальной коррекции распределения возбуждения парциальных диаграмм, для коррекции формы контурной диаграммы.

4. Предложен способ ориентации антенны с КДН на основе МЛА, основанный на использовании части излучателей облучающей системы антенны, для выработки сигналов наведения по двум маякам.

Практическая значимость

Разработанные методы синтеза антенн с КДН на основе МЛА позволили сформировать рекомендации по выбору основных конструктивных параметров таких антенн с использованием приведенных инженерных оценок, а также позволили создать алгоритмы и пакеты программ для моделирования и синтеза зеркальных антенн с КДН, имеющих неравномерность освещения заданного района менее 2 дБ, уровень бокового излучения около -25.-30 дБ и размеры переходной зоны 1.5.2.0 XIЭ.

Внедрение

Данная работа представляет собой часть исследовательской и инженерной работы, проводимой в течение ряда лет АО «РАДИОФИЗИКА» в области создания многолучевых, гибридных антенн и антенн с КДН. Результаты работы были использованы при разработке некоторых систем связи и вещания в кооперации с НПО им. С.А. Лавочкина и НПО "Машиностроения". Результаты использования отражены в актах о внедрении.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Содержание работы

Основное содержание работы заключено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ литературы по исследуемой проблеме. Проанализированы основные схемы антенн с КДН, в том числе на основе многолучевых антенн. Обозначены сферы применения антенн с КДН основных типов. Показано, что а) существующие методы синтеза антенн с КДН на основе МЛЗА для определения амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм обычно используют оптимизационные методы и численные процедуры. б) вопросы выбора оптимального количества и оптимальной расстановки парциальных диаграмм многолучевой антенны обычно не рассматриваются. в) до окончания процедуры синтеза невозможно предсказать основные характеристики контурной диаграммы «на выходе» процедуры численной оптимизации.

На основании проведенного анализа сделан вывод об актуальности разработки методов синтеза антенн с КДН на основе МЛЗА, которые бы учитывали все основные аспекты такого синтеза, а также методов инженерной оценки достижимых характеристик антенн с КДН.

Во второй главе предложено использовать двумерную теорему отсчетов (теорему Котельникова) для моделирования КДН. Приведено доказательство двумерной теоремы отсчетов для случая косоугольной сетки расстановки функций отсчетов. Дана интерпретация функций отсчетов как парциальных диаграмм направленности (парциальных лучей) идеализированной антенны с плоской апертурой и равноавмплитудным, синфазным возбуждением.

Изложен алгоритм синтеза контурных диаграмм направленности такой антенны путем суммирования ряда функций отсчетов (парциальных лучей). Описан выбор сетки и шага расстановки парциальных лучей. Для формирования контурной диаграммы с равномерной засветкой заданной территории, предложено определять веса парциальных диаграмм, удаленных от границы освещаемой области, равными друг другу, а веса приграничных ПДН - на основе разработанной модели кластеров. Для формирования КДН с заданным распределением интенсивности поля, веса внутренних парциальных диаграмм предложено определять пропорционально заданной интенсивности, веса пограничных - на основе кластерной модели.

Проведена оценка эффективности такой антенны с КДН, сравнением ее КУ с КУ традиционной антенны с крутой апертурой, равноамплитудным и синфазным распределением и оптимизированными размерами. Показано, что определенная таким образом эффективность контурной диаграммы, полученной суммированием парциальных ДН, зависит от электрических размеров антенны и ограничена сверху эффективностью идеализированной антенны (с равномерной засветкой заданного района). Эффективность идеализированной антенны не зависит от размеров освещаемого контура, но только от его формы. Показано также, что рост эффективности антенны с КДН достигается за счет роста электрических размеров антенны и количества парциальных ДН, причем для того, чтобы антенна с КДН была эффективнее традиционной антенны с оптимизированными размерами, ее электрические размеры должны быть существенно (более, чем в 2.5 раза) больше, чем размеры традиционной антенны.

В третьей главе рассмотрены изменения формы контурной диаграммы, происходящие при замене функций отсчетов на парциальные диаграммы реальной многолучевой антенны. Показано, что форма контурной диаграммы при этом в целом обычно сохраняется, хотя могут иметь место отклонения, выходящие за допустимые пределы.

Предложен метод локальной взвешенной коррекции амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм, удобный для корректировки формы контурной диаграммы. Показано, что при использовании метода, изменения формы диаграммы локальны, и происходят в окрестности примерно одного шага сетки расстановки диаграмм от точки корректировки. Продемонстрирована возможность применения метода локальной взвешенной коррекции для корректировки формы контурной диаграммы.

Рассмотрено влияние амплитудных и фазовых ошибок задания амплитудно-фазового возбуждения парциальных диаграмм на форму контурной диаграммы. Показано, что форма КДН достаточно чувствительна к таким ошибкам, что может потребовать дополнительной настройки такого распределения на этапе испытаний антенны.

Для такой настройки предлагается использовать метод локальной взвешенной коррекции, с использованием экспериментальных данных о комплексных амплитудах полей парциальных лучей в точках корректировки.

Описанный во второй главе метод выбора количества и расстановки парциальных диаграмм и амплитудно-фазового распределения их возбуждения, а также описанный в третьей главе метод корректировки формы контурной диаграммы, вместе могут быть использованы как метод синтеза антенны с КДН на основе многолучевой антенны.

В четвертой главе приведены примеры применения метода для синтеза модельных контурных диаграмм. Рассмотрен синтез диаграммы на основе многолучевой зеркальной антенны, для контуров двух типов - узких и широких, с ограничением и без ограничения количества парциальных диаграмм, для трех различных рабочих частот, для прямоугольной и гексагональной сетки расстановки диаграмм.

Описана методика увеличения сектора отклонения луча для несимметричной зеркальной антенны, с использованием вспомогательного зеркала специальной формы для коррекции фазовых ошибок при отклонении луча. Показана возможность расширения сектора отклонения луча. Описанная методика может быть применена для создания узких, протяженных контурных диаграмм.

Приведены примеры использования метода для управления формой контурного луча в гибридной зеркальной антенне. Показана возможность управления формой луча. Указано на относительно низкую скорость сходимости метода в этом случае.

Показана возможность использования метода для получения амплитудно-фазового распределения возбуждения элементов облучателя ГЗА, обеспечивающего формирование остронаправленного луча с максимумом в заданном направлении. Предложен экспериментальный метод определения амплитуд и фаз возбуждения элементов для формирования такого луча. Предложен метод оценки максимально достижимого КУ при отклонении луча, основанный на суммировании КУ расчетных или экспериментальных парциальных диаграмм.

Рассмотрена точность ориентации ИСЗ на геостационарной орбите и ее влияние на неравномерность освещения заданной территории. Показана необходимость дополнительной ориентации антенны, отдельно от спутника или вместе с ним. Предложено для ориентации антенны с КДН на основе МЛЗА использовать систему на основе двух моноимпульсных угловых датчиков. Рассмотрена точность ориентации антенны с такой системой.

Рассмотрены особенности применения моноимпульсного углового датчика в антенне с КДН на основе МЛЗА. Для определения разностного сигнала, предложено использовать последовательную обработку сигналов от парциальных диаграмм.

В заключении перечислены основные положения диссертационной работы. Предметом дальнейших исследований автора является исследование и разработка методов создания антенн с КДН на основе зеркальных антенн с зеркалами специальной формы.

Основные результаты работы

Основные научные и практические результаты, полученные соискателем, заключаются в следующем:

1. Рассмотрена задача синтеза антенны с КДН и проведен анализ требований к характеристикам КДН. На основе двумерного аналога метода парциальных диаграмм развит метод синтеза многолучевых антенн с КДН. Метод состоит из двух этапов. На первом этапе для расстановки парциальных диаграмм используется двумерная теорема отсчетов, затем модификация двумерной теоремы отсчетов - кластерный метод - используется для выбора амплитуд и фаз возбуждения парциальных диаграмм. На втором этапе проводится «взвешенная» коррекция амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм для корректировки формы контурной диаграммы, уровня ее бокового излучения и неравномерности освещения заданной территории.

2. Показано, что метод обеспечивает формирование КДН с уровнем неравномерности менее 2.0 дБ, относительным уровнем бокового излучения менее -25.-27 дБ, и шириной переходной зоны порядка 2ХЮ, где Э - диаметр антенны, а X - длина волны излучения. На основе метода разработан пакет прикладных программ для создания антенн с КДН. Приведены примеры расчетов антенн для обслуживания территории России.

3. Метод использован для оценки достижимого КУ антенны с КДН, созданной на основе многолучевой антенны. Проведена оценка эффективности такой антенны с КДН по сравнению с традиционной антенной с круглой апертурой, равноамплитудным и синфазным распределением и оптимизированными размерами. Показано, что эффективность контурной диаграммы, полученной суммированием парциальных, зависит от электрических размеров антенны и ограничена сверху эффективностью идеализированной антенны (с равномерной засветкой заданного района). Эффективность идеализированной антенны не зависит от размеров освещаемого контура, но зависит от его формы.

4. Развит метод конструктивного синтеза МЛЗА с широким угловым сектором отклонения луча в одной плоскости. Антенна построена на основе несимметричного параболического рефлектора со вспомогательными зеркалами специальной формы, корректирующими фазовые аберрации для лучей, отклоненных на большие углы. Антенну такого типа удобно использовать для получения КДН вытянутой формы.

5. Показана возможность применения метода для управления формой луча у гибридной зеркальной антенны. Показана возможность применения метода для формирования в ГЗА остронаправленных лучей с максимумом в заданном направлении.

6. Предложен способ ориентации антенн с КДН на основе МЛА, установленной на геостационарном спутнике. Способ основан на выделении двух групп облучателей в облучающей системе антенны и использовании их, помимо формирования КДН, для выработки разностных сигналов от двух маяков на поверхности Земли. Маяки расположены вблизи направлений пеленга, соответствующих этим группам облучателей. Разностные сигналы используются для определения угловых координат направления антенны.

Положения, выносимые на защиту

1. Для синтеза антенн с КДН на основе МЛА предложено применять описанный в работе метод, основанный на двумерной теореме отсчетов, концепции кластеров и методе взвешенной локальной коррекции комплексных амплитуд возбуждения парциальных диаграмм.

2. На основании метода даны рекомендации по выбору конструктивных параметров таких антенн, получены инженерные оценки характеристик их излучения, разработаны алгоритмы и приемы численного моделирования антенн с КДН.

3. Предложен метод ориентации антенн с КДН на основе МЛА, основанной на выделении двух групп облучателей и использования их, наряду с формированием контурной диаграммы, для выработки разностных сигналов от двух расположенных на поверхности Земли маяков.

Публикации по теме диссертации

A.B. Шишлов, A.M. Шитиков. О применении двумерного интерполяционного ряда Котельникова для синтеза антенн с контурными диаграммами направленности. Радиофизические методы обработки сигналов. Москва, МФТИ, 1996 [4]

A.V. Shishlov, A.M. Shitikov, A.G. Shubov.An Approach to Synthesis of Contour-Beam Antennas on the Basis of Muitibeam Reflector Antennas. Proceedings of The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, 1998 [5]

Ю.А. Бомштейн, И.Л. Виленко, A.B. Шишлов, A.M. Шитиков. Пакет прикладных программ для расчета диаграмм направленности одно- и двухзеркальных антенн, в том числе антенн с многолучевыми и контурными диаграммами направленности. Сборник трудов III Международной Научно-Технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (Воронеж-Май-1997), т.1 [6]

A.V. Shishlov, A.M. Shitikov. Multibeam Offset Reflector Antenna with Wide Field of View in One Plane. Proceedings of The XXVII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, 1994. [7]

S.I. Jeon, S.Y. Eom, Y.C. Moon, C.S. Pyo, N.A. Rossels, A.V. Shishlov, A.M. Shitikov, A.G. Shubov, A.K. Tobolev, E.N. Yegorov. Active Phased Array Antenna for a Vehicular DBS System of KU-Band. Proceedings of The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, 1998. [8]

Апробация

Основные результаты и выводы докладывались на XXVII и XXVIII Конференциях по теории и технике антенн (Москва, 1994 и 1998 гг. ОАО «Радиофизика»), на III Международной Научно-Технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (Воронеж, Май 1997г), а также на Московском Электродинамическом Семинаре (1997 год) и на научно-технической конференции МФТИ (1995 год).

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Шитиков, Александр Михайлович

Выводы.

Приведены примеры применения метода к синтезу модельной контурной диаграммы для освещения заданного контура. Рассмотрен синтез диаграммы на основе многолучевой зеркальной антенны, для контуров двух типов - узких и широких, с ограничением и без ограничения количества парциальных диаграмм, для трех различных рабочих частот, для прямоугольной и гексагональной сетки расстановки диаграмм. Полученные диаграммы имеют неравномерность освещения заданной территории менее 2 дБ, относительный уровень бокового излучения менее -27 дБ, размеры X переходной зоны порядка 1.5.2.0^.

Описана методика увеличения сектора отклонения луча для несимметричной зеркальной антенны, с использованием вспомогательного зеркала специальной формы для коррекции фазовых ошибок при отклонении луча. Показана возможность расширения сектора отклонения луча. Описанная методика может быть применена для создания узких, протяженных контурных диаграмм.

Приведены примеры использования метода для управления формой контурного луча в гибридной зеркальной антенне. Показана возможность управления формой луча. Указано на относительно низкую скорость сходимости метода в этом случае.

Показана возможность использования метода для получения амплитудно-фазового распределения возбуждения элементов облучателя ГЗА, обеспечивающего формирование остронаправленного луча с максимумом в заданном направлении. Предложен экспериментальный метод определения амплитуд и фаз возбуждения элементов для формирования такого луча. Предложен метод оценки максимально достижимого КУ при отклонении луча, основанный на суммировании КУ расчетных или экспериментальных парциальных диаграмм.

Рассмотрена точность ориентации ИСЗ на геостационарной орбите и ее влияние на неравномерность освещения заданной территории. Показана необходимость дополнительной ориентации антенны, отдельно от спутника или вместе с ним. Предложено для ориентации антенны с КДН на основе МЛЗА использовать систему на основе двух моноимпульсных угловых датчиков. Рассмотрена точность ориентации антенны с такой системой. Показано, что для рассогласования КУ Я каналов датчика менее 1 дБ и при расстоянии между диаграммами более 0.5 — точность ориентации антенны является удовлетворительной.

Рассмотрены особенности применения моноимпульсного углового датчика в антенне с КДН на основе МЛЗА. Для определения разностного сигнала, предложено использовать последовательную обработку сигналов от парциальных диаграмм.

Заключение

Разработан метод синтеза контурной диаграммы направленности многолучевой антенны. Разработан способ выбора расстановки, количества и распределения возбуждения парциальных диаграмм многолучевой антенны, основанный на двумерной модификации теоремы Котельникова и метода парциальных диаграмм. Разработан способ корректировки формы контурной диаграммы, основанный на предложенном методе локальной взвешенной коррекции амплитудно-фазового распределения парциальных диаграмм. Метод позволяет получать контурные диаграммы направленности с относительным уровнем бокового излучения около -25.-30 дБ, уровнем неравномерности освещения менее 2 дБ, размером переходной зоны 1.5.2.0Д//). Форма получаемых контурных диаграммы соответствует заданной.

Проведена оценка КУ антенны с КДН, синтезированной этим методом. Показано, что КУ растет с увеличением электрических размеров антенны и ограничен сверху КУ идеализированной антенны (с равномерной засветкой заданного района). КУ идеализированной антенны не зависит от размеров освещаемого контура, но только от его формы.

Рассмотрено влияние амплитудных и фазовых ошибок задания комплексных амплитуд парциальных диаграмм на форму контурной диаграммы. Показано, что форма КДН достаточно чувствительна к таким ошибкам, что может потребовать дополнительной настройки такого распределения на этапе испытаний антенны. Для этого предложено использовать метод локальной взвешенной коррекции, с использованием экспериментальных данных о комплексных амплитудах полей парциальных лучей в точках корректировки.

Разработана методика увеличения сектора отклонения луча для несимметричной зеркальной антенны, с использованием вспомогательного зеркала специальной формы для коррекции фазовых ошибок при отклонении луча. Описанная методика может быть применена для создания узких, протяженных контурных диаграмм.

Показана возможность использования метода для получения амплитудно-фазового распределения возбуждения элементов облучателя ГЗА, обеспечивающего формирование остронаправленного луча с максимумом в заданном направлении. Предложен экспериментальный метод определения амплитуд и фаз возбуждения элементов для формирования такого луча. Предложен метод оценки максимально достижимого КУ при отклонении луча, основанный на суммировании КУ расчетных или экспериментальных парциальных диаграмм.

Рассмотрена точность ориентации ИСЗ на геостационарной орбите и ее влияние на неравномерность освещения заданной территории. Показана необходимость дополнительной ориентации антенны, отдельно от спутника или вместе с ним. Предложено для ориентации антенны с КДН на основе МЛЗА использовать систему на основе двух моноимпульсных угловых датчиков. Рассмотрена точность ориентации антенны с такой системой. Рассмотрены особенности применения моноимпульсного углового датчика в антенне с КДН на основе МЛЗА.

Предполагаемые направления дальнейшей работы - разработка методов синтеза контурных диаграмм применительно к зеркальным антеннам с зеркалами специальной формы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шитиков, Александр Михайлович, 1999 год

1.Takashi Kitsuregawa. Advanced Technology in Satellite Communication Antennas. Electrical and Mechanical Design. Artech House Boston, London. 1989

2. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. Антенны. «Энергия», Москва. 1975

3. IEEE Standard Definition of Terms for Antennas

4. A.B. Шишлов, A.M. Шитиков. О применении двумерного интерполяционного ряда Котельникова длясинтеза антенн с контурными диаграммами направленности. Радиофизические методы обработки сигналов. Москва, МФТИ, 1996

5. A.V. Shishlov, A.M. Shitikov, A.G. Shubov.An Approach to Synthesis of Contour-Beam Antennas on the

6. Basis of Multibeam Reflector Antennas. Proceedings of The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, 1998.

7. A.V. Shishlov, A.M. Shitikov. Multibeam Offset Reflector Antenna with Wide Field of View in One Plane.

8. Материалы XXVII Конференции по теории и технике антенн. Москва, август 1994. ОАО «Радиофизика».

9. S.I. Jeon, S.Y. Eom, Y.C. Moon, C.S. Pyo, N.A. Rossels, A.V. Shishlov, A.M. Shitikov, A.G. Shubov,

10. A.K. Tobolev, E.N. Yegorov/ Active Phased Array Antenna for a Vehicular DBS System of KU-Band. Proceedings of The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow, 1998.

11. A. G. Roederer, N. E. Jensen and G. A. E. Crone. Some European Satellite-Antenna Developments and

12. Trends. IEEE AP-Magazine, Vol.38, No.2< April 1996.

13. Y.T. Lo, S.W. Lee. Antenna Handbook: Theory, Applications and Design. Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1988.

14. A.W. Rudge et al., eds., The Handbook of Antenna Design, Volumes I and II, IEE Electromagnetic Waves Series 15, London: Peter Peregrinus Ltd., 1982.

15. S.H. Colodny, R.L. Crane. Active-Array Antenna Beam Shaping for Direct Broadcast Satellites and Other Applications. RCA Review, Vol. 46 September 1985.

16. S. Schennum etal. The Intelsat VII Antenna Farm. AIAA-90-0791-CP. pp 120-125

17. G. Duret et al. The Eutelsat II reconfigurable multibeam antennas: Development review. Ann. Telecommun., 44 no9-10,1989 pp 501-513

18. E.W. Matthews et al. Technology Considerations for the Use of Multiple Beam Antenna Systems in Communication Satellites. IEEE Trans. Microwave theory and Tech. Vol MTT-27, No 12, December 1979.

19. S.J. Stirland et al. Comparison between multifeed and shaped reflector satellite antennas for contoured beams. AIAA-92-2013-CP

20. C.A. Klein. Design of Shaped-Beam Antennas Through Minimax Gain Optimization. IEEE trans, on AP Vol AP-32 No 9., September 1984

21. A.R. Cherrette, Shung-Wu Lee, R.J. Acosta. A Method for Producing a Shaped Contour Radiation Pattern Using a Single Shaped Reflector and a Single Feed. IEEE Trans, on AP. Vol. 37, No 6, June 1989.

22. Kazuyoshi Shogen, Hayato Nishida, Noboru Toyama. Single Shaped Reflector Antenna for Broadcasting Satellite. IEEE Trans, on AP. Vol. 40, No 2, June 1992.

23. K. Shogen, H. Nishida, N. Toyama, T. Obuchi, Y. Miyata, S. Miyatani. A Study of a Contoured Beam Antenna for Future Japanese DBS.

24. K. Shogen, N. Toyama, K. Ohmaru. A Study of Highly Shaped Contoured Beam Antenna for Japanese DBS. AIAA-90-0804-CP. pp 229-237

25. G.A.E. Crone et al. Technology Advances in Reconfigurable Contour Beam Reflector Antennas in Europe. AIAA-90-0868-CP, pp 255-263

26. G.T. Poulton, S.G. Hay. Reflector Shaping using the Method of Successive Projections. В каком-то сборнике.

27. D.M. 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, 1998.

28. T. Noguchi, T. Hayashi, T. Ebisui et al. Ka-Band Communication Antenna for Superbird. AIAA-90-0806-CP. pp. 245-254.

29. Б.Е. Кинбер. Обратные задачи теории зеркальных антенн приближение геометрической оптики. ИРЭ АН СССР. Препринт №38(410) Москва, 1984

30. G.T. Poulton. Antenna Power Pattern Synthesis Using the Method of Successive Projections. Electron.Lett., 1986, Vol. 22, pp 1024-1043.

31. A.D. Searle, B.S. Westcott. Hybrid antenna synthesis for reconfigurable contoured beam. IEE Proc.-H, Vol. 140, No. 4, August 1993.

32. G.T. Poulton, S.G. Hay. On the Existence of Aperture Antennas with Directivity Patterns Within Desired Bounds. Proceedings of the 1995 URSI International Symposium on Electromagnetic Theory. Smolny, St. Petyerburg, Russia, 1995

33. B.H. Гармаш. Теория и методы обработки информации в радиосистемах. М. МФТИ, 1987

34. А. Папулис. Теория систем и преобразований в оптике. Мир, Москва, 1971

35. Айзенберг Г.З. Ямпольский В.Г. Терёшин О.Н. Антенны УКВ.М., "Связь", 1977

36. А.В. Шишлов, А.Г. Шубов. Эффективность антенных устройств с контурными диаграммами направленности. Электромагнитные волны и электронные системы. № 1, том 2, 1997

37. E.N. Egorov, A.L. Epstein, G.Ya. Guskov, B.A. Levitan, G.V. Sbitnev, A.V. Shishlov. New Technology in Multibeam and Scanning Antennas for Communication Systems. APSCC'94 Workshop proceedings, October 26-28, 1994, Seoul, Corea

38. Б.Е. Кинбер и др. Бифокальная зеркальная антенна. В сб. «Анализ и синтез антенных систем». М.: МФТИ 19841. СВИДЕТЕЛЬСТВА О ВНЕДРЕНИИ

39. Утверждаю. Заместитель Генерального . конструктора НПО Машиностроения М И.Гришко-С АКТ

40. О внедрении результатов диссертационной работы Шишкова А.М. «Антенны с многолучевыми и контурными диаграммами направленности» в работах, выполняемых НПО Машиностроения.

41. Разработана схема антенны с КДН на основе офсетного параболического зеркала с облучающей системой на основе излучателей круговой поляризации.

42. Представленные материалы глубоко проработаны, что позволяет провести комплексное сравнение рассмотренных вариантов ГЗА с другими типами антенн применительно к разрабатываемому ретранслятору.

43. Начальник стд ел^-,^^^ Е. А. Пригода

44. Начальник оектооа ^—zr^x— У В,П. Бычков