Развитие методов защиты радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, доктор наук Дементьев Андрей Николаевич

• Дементьев Андрей Николаевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Дементьев Андрей Николаевич

Содержание

Содержание

Введение

Глава 1. Организационно-технические мероприятия по обеспечению помехозащищенности радиотехнических систем космического применения

1.1. Основы моделирования электромагнитной обстановки на борту и вне космического аппарата

1.2. Пути и методы повышения помехозащищенности космических аппаратов спутниковой связи

1.3. Математическое моделирование электромагнитной обстановки на борту космического аппарата

1.4. Разработка организационно-технических мероприятий по обеспечению помехозащищенности радиотехнических систем

1.5. Разработка рекомендаций по обеспечению помехозащищенности РЭС изделия

1.6. Экспериментальные оценки уровней уязвимости макетарадиоприемного устройства космического аппарата к действию направленного радиоизлучения

1.7. Оценка проникновения электромагнитного излучения к элементам радиоэлектронной аппаратуры КА через АФУ

1.8. Экранирование радиоэлектронных средств космического базирования от непреднамеренных помех и электромагнитных излучений

1.9. Технические параметры и характеристики многолучевых антенн систем спутниковой связи от воздействия радиопомех и внутрисистемных искажений

1.10. Характеристики и параметры современных антенн систем спутниковой связи при воздействии электромагнитных излучений

Глава 2. Повышение помехозащищенности систем космического базирования со слабонаправленными спиральными антеннами

2.1 Слабонаправленные антенны в системах спутниковой связи

2.2 Повышение помехозащищенности спиральных антенн систем спутниковой связи

2.3 Математические модели широкодиапазонных спиральных антенн специальной формы

2.4 Математические модели широкодиапазонных спиральных антенн специальной формы

2.5 Математическия модель одиночного спирального элемента

2.6 Однозаходные спиральные антенны над бесконечно протяженным экраном

2.7 Двузаходные спиральные антенны над бесконечно протяженным экраном

2.8 Разработка малогабаритных конструкций спиральных антенн космического базирования

2.9 Разработка методики оценки допустимого уровня помех на входе радиоприемника

2.10 Разработка имитационного макета РЧ фильтра, устанавливаемого в АФУ РЭС изделия

Глава 3. Повышение помехозащищенности систем спутниковой связи за счет новых конструкций многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн

3.1. Методы проектирования многолучевыхразворачиваемых зеркальных антенн

3.2. Численные методы проектирования повышения устойчивостизеркальных антенн систем связи к электромагнитным помеховым воздействиям

3.3. Разработка новых моделей разворачиваемых зеркальных антенн

3.4. Электродинамическое моделирование разработанных многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн

Глава 4. Новые методы и устройства повышения помехозащищенности в спутниковых сетях связи с многолучевыми антеннами

4.1. Системный анализ ИМИ в каналах связи с групповыми сигналами

4.2. Методы анализа комбинационного спектра нелинейных усилителей мощности групповых сигналов многолучевых облучателей в виде АФАР

4.3. Системный анализ нелинейных УМГС с помощьюаппроксимации передаточных характеристик функциями Бесселя

Глава 5. Моделирование и орбитальная коррекция многолучевых диаграмм направленности антенн для повышения

помехозащищенности

1.1. Общие сведения

1.2. Моделирование многолучевой диаграммы направленности антенн

1.3. Моделирование, разработка и экспериментальные исследования устройств линеаризации передающих трактов АФАР КА

1.4. Экспериментальные исследования и тестирование УМГС с программно-аппаратным корректором передаточных характеристик 260 Заключение 275 Список литературы 277 Приложение 1. Описание аппаратно-программного комплекса для анализа помехозащищенности объектов космической техники

Приложение 2 Фрагмент подпрограммы в Matlab по расчету комбинационного спектра на выходе усилителей мощности групповых сигналов

Приложение 3 Фрагмент подпрограммы в Matlab по моделированию ДН многолучевой антенной решетки с интегрированными УМГС

Приложение 4 Фрагмент подпрограммы в Matlab по моделированию зон обслуживания спутника-ретранслятора с многолучевой антенной решеткой

Приложение 5 Электрическая принципиальная схема разработанного программно-аппаратного корректора ПХ УМГС и ДН решетки

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов защиты радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений»

Актуальность темы

В два последних десятилетия интенсивное развитие получили цифровые системы спутниковой связи, в том числе и многостанционным доступом.

Одним из недостатков эффективности их работы является возможное воздействие на аппаратуру орбитальных источников радиопомех, электромагнитных излучений различной мощности и наличие внутрисистемных искажений групповых (многочастотных) сигналов. Такие системы являются важнейшим средством связи глобального, регионального и местного характера [1-3].

Кроме внешних помеховых факторов возникают и внутренние источники помех, которые оказывают влияние на радиотехнические системы и комплексы космического применения. Таким образом, становится ясным, что радиоэлектронные системы космических систем и комплексов работают еще и в условиях воздействия взаимных помех, возникающих между служебными системами самой радиоэлектронной аппаратуры. Актуальной становится задача повышения помехозащищенности радиоэлектронных систем и комплексов космического применения, функционирующих в условиях воздействия орбитальных источников радиопомех, электромагнитных излучений различной мощности, наводимых электромагнитных полей (ЭМП) и внутренних искажений групповых сигналов. Указанные помеховые факторы могут ухудшать условия функционирования радиоэлектронных систем и комплексов, их характеристики, но не должны приводить к выходу из строя радиоэлектронных средств [10-14]. Паразитные ЭМП могут создаваться антеннами устройствами, внешними устройствами, функционирующими в рамках регламентов, установленных документами, предъявляющими требования к совместной работе различных систем. Такими полями могут являться излучения интермодуляционных искажений (ИМИ) сигналов.

Повысить помехозащищенностьрадиотехнических систем и комплексов космического применения можно организационно-техническими мероприятиями, а именно определенными режимами функционирования РЭС ив том числе применением специальных типов антенн. В частности, существенно повысить помехозащищенность можно путем повышения точности создания антенн космического базирования за счет разработки более совершенных методов численного проектирования, применения новых типов антенн с улучшенными характеристиками и параметрами (отсутствие кроссполяриза-ционных боковых лепестков; можно применять антенны с большими размерами раскрыва; легко трансформировать с сохранением профиля зеркал).

Следует учитывать, что растет число геоцентрических и высокоорбитальных космических систем и комплексов для обслуживания малонаселенных и труднодоступных районов различных регионов страны. Главное при разработке таких систем - снижение их энергопотребления, поскольку они имеют ограниченные энергетические ресурсы (электрическую мощность отдают солнечные батареи, аккумуляторы и т.д.), а это накладывает ограниче-

ния на эффективность их работы и их составляющих - ретрансляторов (РТР) [15-20]. Для этого необходимо создавать новые и оптимизировать известные малогабаритные и развертываемые антенны космического базирования. Уровень их развития во многом определяет состояние телекоммуникационных систем.

Современные достижения в антеннах и СВЧ-устройствах базируются на последних разработках электроники, полупроводниковой техники, технической кибернетики и т.д. Антенно-фидерные устройства имеют непосредственные пути для проникновения мощной широкополосной поражающей радиопомехи, поэтому должны обеспечивать максимальную защиту от таких воздействий. Исследования показали, что существуют различные меры повышения помехозащищенности:

- разработка новых более точных методов проектирования, новых конструкций антенных устройств с уменьшенными боковыми лепестками для снижения воздействия радиопомехи;

- использование средств мониторинга окружающего космического пространства для временного отключения слабозащищенных антенных устройств, при появлении космических средств вероятного противника на дальностях, соответствующих высокой вероятности поражения;

- разработка новых конструкций антенных устройств, устойчивых к воздействию мощной широкополосной поражающей помехи.

Безусловно повысить помехозащищенность радиоэлектронных систем и комплексов космического базирования позволят предлагаемые в диссертации новые и усовершенствованные конструкции слабонаправленных спиральных антенн (СА) с различными типами излучателей.В качестве антенн космического базирования, применяемых в радиоэлектронных системахдля повышения скрытности передачи речи и данных обычно используются разворачиваемые многолучевые зеркальные антенны (ЗА), рефлекторы которых имеют форму параболоидов вращения. Для повышения защищенности космических РЭС от воздействия излучений, формирующих внешнюю электромагнитную обстановку, повышения помехозащищенности необходимо решить эту проблему, разработав варианты конструкций разворачиваемых зеркальных антенн с уменьшенными боковыми лепестками.

Применяемые зеркальные многолучевые (многозонные) антенны не обеспечивают требуемую эффективность связи. Причем большие габариты таких антенн в рабочем положении не позволяют размещать их под обтекателем полезной нагрузки ракетоносителя без трансформации в транспортное положение, что снижает надежность этих устройств. Поэтому построение бортовой многолучевой антенны, имеющей малые вес и продольные размеры, и позволяющей осуществить цифровое диаграммообразование с минимальными вычислительными затратами, в пределах требуемого сектора обзора с возможной адаптацией диаграммы направленности (ДН) к помеховой ситуации, является актуальнейшей задачей развития, например, систем спутниковой связи.

Ретрансляторы с многолучевыми разворачиваемыми антеннами обычно применяются в системах связи, использующих малогабаритные земные терминалы, например, в подвижной спутниковой службе или спутниковых системах персональной связи со стационарными ультрамалыми терминалами (Satellitepersonalcommunicationsystemswithstationaryultra-smallterminals -USAT). Такие терминалы имеют антенны с низким коэффициентом усиления, поэтому для обеспечения необходимой энергетики на линии связи ретранслятор должен обладать высокой излучаемой мощностью. Одним из способов повышения излучаемой мощности является увеличение коэффициента усиления антенны путем сужения диаграммы направленности.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД). КНД (D) - число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема [25]:

D = Ps0/PS,

где Pso - мощность излучения направленной антенны; PS - мощность излучения ненаправленной антенны.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных потерь в антенне. Для суждения о выигрыше, даваемом раскрываемой многолучевой зеркальной антенны, с учетом, как ее направленного действия, так и потерь в ней, служит коэффициентом усиления антенны. Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД и КПД п:

G = Dn.

На коэффициент усиления влияет ширина ДН. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления G и, как следствие, падению мощности сигнала на выходе приемника. К уменьшению G приводит также наличие в ДН антенны боковых и интермодуляционных лепестков. Через боковые и интермодуляционные лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников-ретрансляторов, от соседних каналов связи, наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ-диапазоне.

Таким образом, снижение уровня боковых (особенно уровня первого бокового лепестка) и интермодуляционных лепестков позволяет значительно повысить помехозащищенность приемного устройства. Именно поэтому вводятся международные нормы на уровень огибающей диаграммы направленности. Важно и то, что радиосигналы, приходящие на вход приемника через боковые и интермодуляционные лепестки, в значительной мере определяют уровень собственных шумов антенны.

Для обеспечения связи в труднодоступных районах, таких как Восточная Сибирь, Дальний Восток, Заполярье, радиоэлектронные системы и комплексы могут иметь малое число персональных, или земных станций, а пол-

Рис. В1- Многолучевая антенна спутника INMARSAT с АФАР-облучателем

ная обработка сигнала должна осуществляться на борту космического аппарата. Поэтому важнейшим моментом при разработке перспективных спутниковых ретрансляторов становится создание бортовых многолучевых антенных устройств, обеспечивающих высокий энергетический потенциал для принимаемого и ретранслируемого сигналов в направлениях абонентов, находящихся в любой видимой с геостационарной или высокой орбиты точке земной поверхности. Антенные устройства должны обладать минимальными массогабаритными параметрами и небольшими вычислительными мощностями, требуемыми для обработки принимаемых сигналов и формирования многолучевой диаграммы направленности. Поэтому в последние годы развитие получили разворачиваемые зеркальные антенны с облучателями в виде активных фазированных антенных решеток (АФАР) (рис.1). Главным направлением в их развитиибудет применение многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн с облучателями с АФАР-облучателем с адаптивным сканированием для покрытия различных по площади районов. При этом в АФАР-облучатель будут интегрированы индивидуальные усилители мощности групповых сигналов (УМГС), то есть СВЧ-модули, основной характеристикой которых будет энергетическая эффективность.

Групповой сигнал имеет сложную структуру, поэтому значения его пик-фактора непостоянны во времени. Например, если пиковые значения огибающей сигнала выходят за пределы линейных участков передаточных характеристик (ПХ) усилителя мощности групповых сигналов (УГМС), то при усилении сигналов и их взаимодействии возникают ИМИ. Для повышения КПД и выходной мощности УМГС работают в нелинейном режиме и относятся к нелинейным системам.

Также перспективными могут оказаться методы борьбы с радиопомехами с использованием пространственной селекции, обеспечиваемой при по-

мощи многолучевых зеркальных антенн с АФАР-облучателем.При воздействии помех, приходящих с направлений, отличных от направления приема сигналов, эффективной является пространственная обработка сигналов (ПОС) с помощью АФАР-облучателей, служащих датчиком пространственных отличий приходящих сигналов.В пространственном представлении подавление помех с помощью ПОС сводится к адаптивному наведению нулей диаграммы направленности с АФАР-облучателем на источник помехи.

Очевидно, что для обеспечения высокого качества связи антенное устройство должно иметь узконаправленную (ДН) и высокий коэффициент усиления в направлениях передачи и приема, возможность управления положением максимума ДН и адаптацию ее формы к соответствующей сигналь-но-помеховой и электромагнитной обстановке, быть реализовано в цифровом формате и должно обеспечивать высокоскоростное управление положением луча и хорошие характеристики направленности.Главным направлением в развитии многолучевых зеркальных антенн с АФАР-облучателем будет применение ДН с адаптивным сканированием для покрытия различных районов. Однозначно, что ряд важных проблем в отмеченных направлениях остается нерешенным и требует новых подходов, и их решение крайне актуально, особенно для импортозамещения и технологической независимости Российской Федерации.

Актуальность исследований обусловлена необходимостью повышения помехозащищенности радиотехнических систем и комплексов космического применения по средствам моделирования и совершенствования конструкций бортовых антенн на основе определения степени воздействия источников радиопомех и электромагнитных излучений различной мощности на приемные устройства, идентификации помехи и возможных искажений сигналов, в том числе групповых. Решение задачи повышения помехозащищенности зависит от наличия достоверной информации о частотно-энергетических и орбитальных параметрах источников радиопомех, а также электромагнитной обстановки на борту космического аппарата. В данной работе должен присутствовать анализ радиопомех, методы математического моделирования помеховых воздействий и возможных организационно-технических и конструктивных решений при разработке новых радиотехнических устройств.

Описанныеаспектыисследований тесно и органично связаны между собой и представляют комплексную задачу, решение которой позволит обеспечить помехозащищенность радиоэлектронных средств космического применения.

С целью реализации комплексного подхода требуется разработка новых машинно-ориентированных математических моделей помеховой обстановки и проектирования радиоэлектронных устройств, разработки новых антенных устройств космического базирования с возможностью расчета внутрисистемных искажениями. Внедрение указанных технологий внесет значительный вклад в развитие соответствующих отраслей экономики Российской Федерации.Очевидно, что тема диссертации актуальна.

Актуальность темы диссертационной работы также подтверждается ее соответствием научно-техническим направлениям, включенным в Перечень критических технологий Российской Федерации:

- технологии информационных, управляющих, навигационных систем;

- технологии поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения и защиты информации;

- технологии создания ракетно-космической техники нового поколения.

Разработанность темы исследования. Решению проблемы помехозащищенности посвящено большое количество публикаций отечественных и зарубежных специалистов в области теории и техники радиосвязи. Значительный вклад в фундаментальные и прикладные исследования в решении представленной в работе проблемы внесли школы Л.Е. Варакина и Г.И. Ту-зова. В связи с постоянным совершенствованием систем радиосвязи интерес к данной проблеме постоянно повышается.

Современные достижения в СВЧ-устройствах базируются на последних разработках электроники, полупроводниковой техники, технической кибернетики и т.д. В РФ большую роль в создании помехозащищенных радиотехнических устройств систем спутниковой связи сыграли коллективы ученых и инженеров АО «Концерн «Вега», ОАО «Радиофизика», ГСКБ «Алмаз-Антей», НПК «НИИДАР», «РТИ им. Минца» и др. Среди отечественных ученых отметим Пистолькорса А.А., Бахраха Л.Д., Сазонова Д.М., Маркова Г.Т., Пономарева Л.И., Воскресенского Д.И., Вербу В.С., Курочкина А.П, Татарского Б.Г., Гринева А.Ю., Неронского Л.Б., Нефедова В.И, Лося В.Ф., Неганова В.А. и др. Значительный вклад в развитие СВЧ-техники внесли Р. Vud, R. Hansen, М. Chandler, L. Hoey, W. Cummings и др.

Научные и технические результаты, касающиеся заявленной проблематики, освещены М.А. Ромащенко в работе «Методы оптимального проекти-рова-ния конструкций радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совме-стимости (ЭМС) и помехоустойчивости», П.Н. Пименов в работе «Метод оцен-ки помехоустойчивости средств широкополосного доступа к воздействию ши-рокополосных импульсов», Л.Н. Кечиев «Защита объектов телекоммуникаций от электромагнитных воздействий», Б.М. Богданович «Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах», Р.М. Гизатул-лин «Сквозное прогнозиро-вание и повышение помехоустойчивости средств вычислительной техники при импульсных электромагнитных воздействиях по сети электропитания.

Работы направлены на тот факт, что обеспечение требований помехоустойчивости должно целенаправленно достигаться на каждом этапе жизненного цикла изделия путем представления конечного результата каждым из разработчиков, выбора оптимальных технических решений и прогнозирования возможных альтернативных путей. Подобная комплексная структура интеграции методов обеспечения требований помехоустойчивости в ключевые этапы разработки радиотехнических средств изделий позволяет миними-

зировать вероятность непредвиденных временных задержек и стоимостных отклонений.

В представленной диссертационной работе, в отличие от известных проводится развитие методов защиты радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений, в частности разработаны методы помехозащищенности радиотехнических систем космического применения, позволяющие повысить точность моделирования, уменьшить уровень интермодуляционных искажений радиотехнических систем. Предложены новые методические подходы к проведению расчетно-экспериментальных оценок уязвимости бортовых радиотехнических систем к воздействию радиоизлучения; показаны наиболее чувствительные элементы радиотехнических систем космического базирования. Разработан и представлен уникальный программно-аппаратный корректор передаточных характеристик усилителей мощности групповых сигналов.

Объектом исследования является радиотехническая аппаратура космического применения.

Предметом исследования являются методы защиты радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений.

Целью диссертации является повышение защищенности радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Разработка программного обеспечения для моделирования помеховой обстановки на борту космического аппарата. Определение и экспериментальное подтверждение критериев уязвимости бортовых радиотехнических устройств к деструктивным воздействиям непреднамеренных помех.

2. Моделирование помеховой обстановки на борту космического аппарата и разработка на основе его результатов схемотехнических, конструктивных решений и организационно-технических мероприятий по обеспечению беспомехового функционирования радиотехнических устройств.

3. Развитие методов защиты радиотехнической аппаратуры космического назначения от непреднамеренных помех и интермодуляционных искажений с помощью помехозащищенных антенн (широкодиапазонных слабонаправленных спиральных антенн и многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн).

4. Разработка опытного образца программно-аппаратного корректора переходных характеристик линеаризованного усилителя мощности групповых сигналов, включающего программную схему компенсации интермодуляционных искажений, и схему его интеграции в фидерный тракт.

5. Исследование эффективности защиты радиотехнической аппаратуры космического применения от интермодуляционных искажений с помощью

программно-аппаратных корректоров передаточных характеристик усилителей мощности групповых сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались: математический аппарат электродинамики, методы численного моделирования, методы анализа и синтеза радиотехнических систем, методы экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны новые методики повышения помехозащищенности радиотехнических систем спутниковой связи и уменьшения интермодуляционных искажений.

2. Предложены новые математические модели помехозащищенных антенн.

3. Разработан новый численно-аналитический метод анализа нелинейных усилителей мощности групповых сигналов.

4. Предложен новый способ линеаризации переходных характеристик усилителей мощности групповых сигналов.

5. На основе расчетно-аналитической оценки помехозащищенности изделия создана методика определения характеристик радиочастотных фильтров, устанавливаемых в антенно-фидерные устройства приемо-передающих РЭС.

Теоретическая и практическая значимость диссертации заключается в следующем:

- результаты проведенного анализа проблем помехозащищенности радиотехнической аппаратуры систем спутниковой связи используются для совершенствования методов и средств повышения надежности работы РЭС;

- проведены экспериментальные оценки уязвимости приемного устройства космического аппарата к воздействию направленного радиоизлучения; показано, что наиболее уязвимыми элементами радиотехнических систем космического базирования являются антенно-фидерные устройства, направленное излучение по которым может привести к выводу из строя элементов приемника РЭС.

- предложены широкодиапазонные спиральные антенны космического базирования с новыми излучателями и резонаторами, повысившие помехозащищенность радиотехнических устройств систем спутниковой связи за счет увеличения их коэффициента усиления, и разработаны методики их проектирования.

- разработаны новые конструкции антенн, позволившие уменьшить уровень интермодуляционных искажений в бортовых радиотехнических системах и повысить их помехозащищенность;

- разработан радиочастотный фильтр, устанавливаемый в АФУ приемопередающих радиоэлектронных средств для повышения их помехозащищенности;

- разработанное математическое обеспечение используется для создания программного модуля идентификации источников радиопомех;

- результаты работы были использованы при разработке соискателем в соавторстве 3 национальных стандартов (ГОСТ Р56529-2015; ГОСТ Р56530-2015; ГОСТ Р56531-2015).

- разработаны и запатентованы многолучевые разворачиваемые зеркальные антенны с АФАР-облучателями с интегрированными твердотельными УМГС с высокой помехозащищенностью;

- разработан уникальный программно-аппаратный корректор передаточных характеристик усилителей мощности групповых сигналов, многолучевых АФАР-облучателей, улучшающий помехозащищенность за счет снижения на 25-30 дБ мощности паразитных излучений.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты математического моделирования помеховой обстановки на борту космического аппарата. Результаты экспериментального исследования уязвимости бортовых радиотехнических устройств к деструктивным воздействиям непреднамеренных помех.

2. Организационно-технические рекомендации по взаимному расположению радиотехнических устройств на борту космического аппарата с целью обеспечения их беспомеховой работы.

3. Результаты исследования эффективности защиты радиотехнической аппаратуры космического применения от интермодуляционных искажений с помощью помехозащищенных антенн (широкодиапазонных слабонаправленных спиральных антенн и многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн) и радиочастотных фильтров.

4. Опытный образец программно-аппаратного корректора переходных характеристик линеаризованного усилителя мощности групповых сигналов, включающего схему программной компенсации интермодуляционных искажений, и схему его интеграции в фидерный тракт.

5. Результаты исследования эффективности защиты радиотехнической аппаратуры космического применения от интермодуляционных искажений с помощью программно-аппаратных корректоров передаточных характеристик усилителей мощности групповых сигналов.

Достоверность полученных результатов подтверждена применением корректных и обоснованных математических моделей и методов, результатами исследования внутренней сходимости и устойчивости численных алгоритмов, а также экспериментальным подтверждением полученных результатов.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационное исследование соответствует пункту 6 «Исследование и разработка радиотехнических систем и устройств передачи информации, в том числе радиорелейных и телеметрических, с целью повышения их пропускной способности и помехозащищенности» и пункту 9 «Разработка научных и технических основ проек-

тирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации радиотехнических устройств» паспорта специальности 05.12.04 -«Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения».

Тема и содержание диссертации соответствуют отрасли технических наук.

Результаты диссертации внедрены в НИЦ ЦНИИ ВВКО Минобороны России (г. Королев), АО «РКЦ» Прогресс», Филиале ФГБУ «46 ЦНИИ Минобороны России», АО КБ «Арсенал», институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук. Результаты использованы при разработке и совершенствовании методов и средств повышения надежности работы РЭС ССС. Результаты внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВО «Ижевский Государственный Технический университет им. М.Т. Калашникова», ФГБОУ ВО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», ФГБОУ ВО «МИРЭА -Российский технологический университет». Теоретические и практические результаты диссертации используются на лекционных и практических занятиях по дисциплинам радиотехнического и телекоммуникационного профилей. Программное обеспечение, разработанное соискателем, применяется студентами, обучающимися по радиотехническим направлениям, в дипломном и курсовом проектировании.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Дементьев Андрей Николаевич, 2019 год

Группа ячеек: источников

\ ------........*

Группа ячеек на блюдши я

Рисунок 3.20 - Взаимодействие между удаленными токами

При решении СЛАУ порядка N методом Гаусса требуется выполнять примерно N операций с плавающей запятой при использовании машинных представлений комплексных чисел, что для антенн с рефлектором 50х50Х дает значения порядка 1016 операций. Это чрезмерно много для современных

ПК, поэтому прямое применение МоМ для зеркальных антенн практически невозможно. В МоМ при вычислении коэффициентов СЛАУ для ячеек, находящихся на различном расстоянии друг от друга используется одинаковый подход, но в электродинамике при анализе полей элементарных излучателей показано, что излучаемые поля имеют различную структуру в разных областях [89, 135-137]. Также из физических соображений ясно, что если излучатель относительно точки наблюдения имеет малые угловые размеры, то токи, протекающие по всем ячейкам сетки разбиения можно заменить общим эквивалентным током, создающим поле вблизи точки наблюдения. Предположим, что две группы ячеек излучателей, представляющие участки сетки разбиения рефлектора, удалены друг от друга на некоторое расстояние (рис. 3.20). Кроме того, предположим, что эти две группы разделяет расстояние большее, чем физические размеры обеих групп. В МоМ, вычисление взаимодействия между токами ячеек требует большого числа операций для всех возможных сочетаний.

3.3. Разработка новых моделей разворачиваемых зеркальных антенн

Ранее было показано, что помехозащищенность РЭС космического базирования двойного назначения при искусственно создаваемых электромагнитных помехах в значительной степени определяется устойчивостью ан-теннк создаваемой электромагнитной обстановке. Это зависит от возможностей образования паразитных каналов связи, использующих боковые лепестки ДН по основной и кроссполяризационной составляющим полей антенн космических аппаратов.

Зеркальные антенны, применяемые в качестве бортовых антенн космического сегмента в виде разворачиваемых конструкций с рефлекторами в виде параболоидов вращения, не позволяют существенно снизить уровень боковых лепестков в силу ряда причин:

- поверхность рефлектора таких антенн отличается от параболической формы из-за требований, предъявляемых разворачиваемой конструкцией;

- пути уменьшения уровней боковых лепестков для излучений основной поляризации и кроссполяризации являются противоречивыми;

- максимальные габариты рефлекторов разворачиваемых зеркальных антенн, а значит минимальные частоты, на которых они могут применяться, ограничены требованиями, предъявляемыми к точности воспроизведения параболического профиля разворачиваемых конструкций; это также ограничивает возможности разработчиков по получению наибольшего соотношения сигнал/шум за счет повышения коэффициента усиления зеркальных антенн.

Для преодоления этих проблем автором при выполнении диссертации были разработаны новые модифицированные конструкции зеркальных

антенн, защищенные патентами России. Рассмотрим некоторые из этих конструкций и проанализируем их положительные свойства.

Новые зеркальные антенны с цилиндрическими рефлекторами

Вариант 1. Особенности построения заключаются в упрощении конструкции главного рефлектора и обеспечении на этой основе возможности повышения точности его изготовления, что очень важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления. Кроме того, в предлагаемых конструкциях принципиально устранена возможность образования кроссполяризационных лепестков диаграммы направленности, что позволяет использовать короткофокусные рефлекторы и за счет этого снизить боковые лепестки, связанные с большим уровнем облучения края рефлектора облучателем и с переливанием мощности облучателя через края зеркала.

Вначале рассмотрим физические модели предлагаемых зеркальных антенн и их принцип действия, на основе представлений геометрической оптики, использующей фокальные и директориальные свойства параболических цилиндров. Отметим, что фокус параболического цилиндра имеет вид отрезка прямой линии, параллельной оси цилиндра. Поверхность параболического цилиндра образуется при движении параболы в направлении, перпендикулярном плоскости параболической фигуры. Поверхность параболического цилиндра имеет кривизну только в одном направлении, в отличие от поверхности параболоида вращения.Поставленные задачи решаются тем, что, в зеркальную антенну, содержащую облучатель и первый основной и второй вспомогательный рефлекторы, введен третий контррефлектор, причем все рефлекторы цилиндрические [135-141].

Рисунок 3.21 - Внешние виды облучателей: а - с контррефлектором; б - расположение основного и вспомогательного рефлекторов; в - взаимное расположение трех рефлекторов

Вид и расположение рефлекторов показаны на рис. 3.21, где введены такие обозначения:

1. третий контррефлектор;

2. проводящие торцевые поверхности третьего рефлектора;

3. облучатель;

4. второй вспомогательный рефлектор;

5. первый основной рефлектор.

Зеркальная антенна с цилиндрическими рефлекторами содержит облучатель 3 и первый 5, второй 4 и третий 1 рефлекторы.

В зеркальной антенне с цилиндрическими рефлекторами первый, большой рефлектор 5 имеет форму параболического цилиндра и геометрический фокус в виде отрезка прямой линии. Второй, меньший рефлектор 4 выполнен в форме гиперболического цилиндра, имеющего два геометрических фокуса в виде отрезков прямых линий. Кроме того, в зеркальной антенне с цилиндрическими рефлекторами второй рефлектор 4 размещен так, что его второй фокус пространственно совмещен с фокусом первого рефлектора 5. Третий рефлектор 1 имеет форму параболического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси первого рефлектора 5, торцевые поверхности изготовлены из проводящего материала и имеет геометрический фокус в виде короткого отрезка прямой линии в раскрыве третьего рефлектора 1, где размещен облучатель 3, излучающий цилиндрическую волну, вектор напряженности электрического поля которой перпендикулярен проводящим поверхностям 2, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлектора 1, причем, облучатель 3 совместно с третьим рефлектором 1 излучают цилиндрическую расходящуюся радиоволну, ее фазовый центр имеет форму отрезка прямой линии, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора 1, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора 4 [135].

Используется данная зеркальная антенна следующим образом. Мощность, подводимая к облучателю 3, излучается в пространство, ограниченное отражающей поверхностью третьего контррефлектора 1 и его проводящими торцевыми поверхностями 2, распространяется в этом пространстве в виде расходящейся цилиндрической волны. После отражения от поверхности третьего рефлектора 1 она преобразуется в волну с плоским фазовым фронтом, двигающуюся в направлении раскрыва третьего рефлектора 1. Из апертуры третьего рефлектора 1 мощность излучается в виде расходящейся цилиндрической радиоволны, фазовый центр которой, имеющий вид отрезка прямой линии совмещен с первым фокусом второго рефлектора 4. Эта цилиндрическая радиоволна падает на отражающую поверхность второго рефлектора 4 и преобразуется в цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой находится во втором фокусе второго рефлектора 4, совмещенном с фокусом первого рефлектора 5. Цилиндрическая расходящаяся волна, отраженная от рефлектора 4 падает на отражающую поверхность первого рефлектора 5, преобразуется в радиоволну с плоским фазовым фронтом и излучается в пространство.Особенность антенны в том, что поверхности всех рефлекторов являются цилиндрическими, что обусловливает упрощение устройства и обеспечивает возможности повышения точности изготовления устройства, что особенно важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления. Этим достигается требуемый результат.

Вариант 2. Второй вариант антенны имеет другую форму вспомогательного зеркала. Второй, вспомогательный рефлектор выполнен в форме

эллиптического цилиндра, имеющего два геометрических фокуса в виде отрезков прямых линий, и размещен так, что его второй фокус пространственно совмещен с фокусом первого рефлектора. Третий рефлектор выполнен как параболический цилиндр с осью, которого перпендикулярной оси первого рефлектора. Торцевые поверхности изготовлены из проводящего материала и имеют геометрический фокус в виде короткого отрезка, расположенный в раскрыве, где размещен облучатель, излучающий цилиндрическую волну, вектор напряженности электрического поля перпендикулярен проводящим поверхностям, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлекто-ра.Облучатель и рефлектор излучают цилиндрическую расходящуюся волну, с фазовым центромв форме отрезка прямой линии, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора [136].

Вид рефлекторов показаны на рис.3.22.

Рисунок 3.22 - Вид и взаимное расположение рефлекторов: а - первый и второй рефлекторы; б - взаимное расположение первого основного рефлектора, второго вспомогательного рефлектора и третьего контррефлектора

Отметим, что облучатель с контррефлектором имеют такой же вид, как в предыдущей конструкции. На рис. 3.29 обозначены: 1 - третий контррефлектор; 2 - проводящие торцевые поверхности третьего рефлектора; 3 - облучатель; 4 - второй рефлектор; 5 - первый рефлектор.

В зеркальной антенне с цилиндрическими рефлекторами первый большой рефлектор 5 имеет форму параболического цилиндра и геометрический фокус в виде отрезка прямой линии, второй меньший рефлектор 4 выполнен в форме эллиптического, имеющего два геометрических фокуса в виде отрезков прямых линий. Кроме того, в зеркальной антенне с цилиндрическими рефлекторами второй рефлектор 4 размещен так, что его второй фокус пространственно совмещен с фокусом первого рефлектора 5, третий рефлектор 1 выполнен в форме параболического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси первого рефлектора 5, торцевые поверхности изготовлены из прово-

дящего материала и имеет геометрический фокус в виде короткого отрезка прямой линии, расположенный в его раскрыве, гдеразмещеноблучатель 3, излучающий цилиндрическую волну, вектор напряженности электрического поля которой перпендикулярен проводящим поверхностям, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлектора 1, при этом, облучатель 3 совместно с третьим рефлектором 1 излучают цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой имеет форму отрезка прямой линии, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора 1, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора 4.

Используется зеркальная антенна с цилиндрическими рефлекторами следующим образом. Мощность, подводимая к облучателю 3, излучается в пространство, ограниченное отражающей поверхностью третьего рефлектора 1 и его проводящими торцевыми поверхностями 2, и распространяется в этом пространстве в виде расходящейся цилиндрической волны. После отражения от поверхности третьего рефлектора 1 она преобразуется в волну с плоским фазовым фронтом, двигающуюся в направлении раскрыва третьего рефлектора 1. Из апертуры третьего рефлектора 1 мощность излучается в виде расходящейся цилиндрической радиоволны, фазовый центр которой, имеющий вид отрезка прямой линии совмещен с первым фокусом второго рефлектора 4. Эта цилиндрическая радиоволна падает на отражающую поверхность второго рефлектора 4 и преобразуется в цилиндрическую, сходящуюся ко второму фокусу второго рефлектора 4 радиоволну. После прохождения второго фокуса второго рефлектора 4 эта волна преобразуется в цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой находится во втором фокусе второго рефлектора 4, совмещенным с фокусом первого рефлектора 5. Цилиндрическая расходящаяся радиоволна, отраженная от второго рефлектора 4 падает на отражающую поверхность первого рефлектора 5, преобразуется в радиоволну с плоским фазовым фронтом и излучается в пространство

Особенность антенны [137] заключается в том, что поверхности всех трех рефлекторов являются цилиндрическими, что обусловливает упрощение устройства и обеспечивает на этой основе возможности повышения точности изготовления устройства, что особенно важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления. Этим самым достигается требуемый технический результат.

Вариант 3. В этом варианте зеркальной антенны используются измененные формы основного и вспомогательного рефлекторов, что позволяет уменьшить влияние общего недостатка всех конструкций прямофокусных зеркальных антенн - реакцию зеркала на затеняющее препятствие [138-139]. Для этого первый основной рефлектор состоит из двух частей, имеющих форму поверхностей в виде параболических цилиндров, причем, оси параболических цилиндров параллельны и взаимно смещены, первый рефлектор имеет геометрический фокус в виде двух отрезков прямых линий, с длиной равной длине частей первого рефлектора, а фокальные линии совпадают в пространстве с осями параболических цилиндров, образующих первый ре-

флектор, второй вспомогательный рефлектор имеет цилиндрическую форму, образованную при перемещении двух, имеющих общую точку, дуг эллипсов вдоль оси цилиндра, размещенных так, что первые фокусы эллипсов совпадают в пространстве, а вторые фокусы разнесены на расстояние, равное расстоянию, на которое смещены оси двух частей первого рефлектора. Второй рефлектор с поверхностями, образованными эллиптическими цилиндрами, имеет три геометрических фокуса в виде отрезков прямых, длина которых равна длине второго рефлектора, первая фокальная линия образована первым совмещенным фокусом дуг эллипсов при перемещении дуг вдоль оси цилиндра, два других фокуса также имеют вид отрезков прямых и образованы вторыми фокусами дуг эллипсов при перемещении их вдоль оси цилиндра. При этом, второй рефлектор размещен так, что его две вторые фокальные линии пространственно совмещены с фокальными линиями первого рефлектора.

Третий рефлектор имеет форму параболического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси первого рефлектора, торцевые поверхности третьего рефлектора изготовлены из проводящего материала и он имеет геометрический фокус в виде короткого отрезка прямой линии, расположенный в рас-крыве третьего рефлектора, облучатель, размещенный в геометрическом фокусе третьего рефлектора, излучает цилиндрическую волну.

Взаимное расположение рефлекторов в этой конструкции показано на рис. 3.23 - рис.3.24 [140-141].

На рис. 3.23 - рис.3.24 обозначены: 1 - третий рефлектор; 2 - проводящие торцевые поверхности третьего рефлектора; 3 - облучатель; 4, 5 - ветви парабол, являющиеся образующими первого рефлектора; 6, 7 - дуги эллипсов, являющиеся образующими второго цилиндрического рефлектора; 8 -первый рефлектор; 9 - второй рефлектор.

Вектор напряженности электрического поляперпендикулярен проводящим поверхностям, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлектора, а совместно с третьим рефлектором они излучают цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой имеет форму отрезка прямой линии, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора.

Рисунок 3.2

Ветви парабол, образующие поверхность первого рефлектора

Вторые фокусы дуг эллипсов

1 дуги эллипсов, образующие поверхность второго рефлектора

Фокусы ветвей парабол

Совмещенные первые фокусы дуг эллипсов

его

Рисунок 3.23 - Поверхности первого и второго рефлектора, ветви парабол, первый цилиндрический рефлектор, дуги эллипсов, а также второй цилиндрический рефлектор, совмещенные фокусы первого и второго рефлекторов

В зеркальной антенне с цилиндрическими рефлекторами первый 8, второй 9 и третий 1 рефлекторы являются цилиндрическими, при этом, первый большой рефлектор 8 состоит из двух частей, имеющих форму поверхностей в виде параболических цилиндров, причем, оси параболических цилиндров параллельны и взаимно смещены.

Кроме того, первый рефлектор 8 имеет геометрический фокус в виде двух отрезков прямых линий, длина которых равна длине частей первого рефлектора 8, а фокальные линии совпадают в пространстве с осями параболи-

ческих цилиндров, образующих первый рефлектор 8. Второй, меньший рефлектор 9 цилиндрической формы, образованной при перемещении двух, имеющих общую точку, дуг эллипсов вдоль оси цилиндра, размещенных так, что первые фокусы эллипсов совпадают в пространстве, а вторые фокусы разнесены на расстояние, равное расстоянию, на которое смещены оси двух частей первого рефлектора 8.

Второй рефлектор 9 с поверхностями, образованными эллиптическими цилиндрами, имеет три геометрических фокуса в виде отрезков прямых линий, длина которых равна длине второго рефлектора 9, первая фокальная линия образована первым совмещенным фокусом дуг эллипсов при перемещении дуг вдоль оси цилиндра, два других фокуса также имеют вид отрезков прямых линий и образованы вторыми фокусами дуг эллипсов при перемещении их вдоль оси цилиндра, при этом второй рефлектор 9 размещен так, что его две вторые фокальные линии пространственно совмещены с фокальными линиями первого рефлектора 8, третий рефлектор 1 имеет форму параболического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси первого рефлектора 8, торцевые поверхности третьего рефлектора 1 изготовлены из проводящего материала и он имеет геометрический фокус в виде короткого отрезка прямой линии, расположенный в раскрыве третьего рефлектора 1 .Помимо отмеченного, облучатель 3, размещенный в геометрическом фокусе третьего рефлектора 1, излучает цилиндрическую волну, вектор напряженности электрического поля которой перпендикулярен проводящим поверхностям, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлектора 1, а совместно с третьим рефлектором 1 они излучают цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой имеет форму отрезка прямой линии, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора 1, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора 9.

Используется зеркальная антенна с цилиндрическими рефлекторами следующим образом. Мощность, подводимая к облучателю 3, излучается в пространство, ограниченное отражающей поверхностью третьего рефлектора 1 и его проводящими торцевыми поверхностями 2 распространяется в этом пространстве в виде расходящейся цилиндрической волны. После отражения от поверхности третьего рефлектора 1 она преобразуется в волну с плоским фазовым фронтом, двигающуюся в направлении раскрыва третьего рефлектора 1. Из апертуры третьего рефлектора 1 мощность излучается в виде расходящейся цилиндрической радиоволны, фазовый центр которой, имеющий вид отрезка прямой линии совмещен с первым фокусом второго рефлектора 9. Эта цилиндрическая радиоволна падает на отражающие поверхности второго рефлектора 9 и преобразуется в две цилиндрические сходящуюся ко вторым фокусам второго рефлектора 9 радиоволны. После прохождения второго фокуса второго рефлектора 9 каждая волна преобразуется в цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой находится во втором фокусе второго рефлектора 9, совмещенном с фокусом первого рефлектора 8. Цилиндрические расходящиеся радиоволны, отраженные от вто-

\ Первый фокус второго рефлектора

Рисунок 3.25 - Образующие линии офсетной зеркальной антенны с цилиндрическими рефлекторами

рого рефлектора 9 падают на отражающие части поверхности первого рефлектора 8, преобразуются в радиоволны с плоским фазовым фронтом и излучаются в пространство. Особенность антенны заключается в том, что поверхности всех трех рефлекторов являются цилиндрическими, что обусловливает упрощение устройства и обеспечивает, на этой основе, возможности повышения точности изготовления устройства, что особенно важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления. Этим самым достигается требуемый технический результат.

Вариант 4. Следующий вариант зеркальной антенны имеет офсетную конструкцию. Первый основной рефлектор с большими размерами относительно второго и третьего, имеет форму поверхности в виде несимметричной вырезки из параболического цилиндра, ось которого смещена от поверхности первого рефлектора, имеющего геометрический фокус в виде отрезка прямой линии, длина которой равна длине первого рефлектора, а его фокальная линия совпадает с осью параболического цилиндра, образующего первый рефлектор, второй вспомогательный рефлектор с меньшими размерами относи-тельнопервогои третьего, имеет цилиндрическую форму, образованную при перемещении дуги эллипса вдоль оси цилиндра и имеет два геометрических фокуса в виде двух соответствующих фокальных линий, длина которых равна длине второго рефлектора, при этом, первая фокальная линия образована первым фокусом дуги эллипса при перемещении дуги вдоль оси цилиндра, вторая фокальная линия образована вторыми фокусом дуги эллипса при перемещении его вдоль оси цилиндра, второй рефлектор размещен так, что его вторая фокальная линия пространственно совмещена с фокальной линией первого рефлектора. Третий рефлектор, сторцевыми поверхностями из проводящего материала, имеет форму параболического цилиндра с осью перпендикулярной оси первого рефлектора, геометрический фокус в виде короткого отрезка, расположен в раскрыве третьего рефлектора и в его геометрическом фокусе размещен облучатель цилиндрической волны, вектор напряженности электрического поля перпендикулярен проводящим поверхностям, установленным на торцевых поверхностях третьего рефлектора [140-141].

Облучатель цилиндрической волны вместе с третьим рефлектором излучают цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой имеет форму отрезка прямой, проходящей вдоль середины раскрыва третьего рефлектора, размещенного так, что фазовый центр расходящейся цилиндрической волны пространственно совмещен с первым фокусом второго рефлектора.

На рис. 3.25 - 3.27 показано взаимное расположение зеркал. На рисун-

Рис. 3.26. Ход лучей в антенне, взаимное расположение фокусов рефлекторов и оси первого рефлектора

ках показаны пространственные построения, поясняющие особенности конструкции и работы офсетной зеркальной антенны с цилиндрическими рефлекторами (на рис. 3.26 стрелками показан ход лучей в антенне, взаимное расположение фокусов рефлекторов и оси первого рефлектора).

На рис. 3.25 - 3.27 обозначены: 1 - третий рефлектор; 2 - проводящие торцевые поверхности третьего рефлектора; 3 - облучатель; 4 - ветвь параболы, являющаяся образующей первого цилиндрического рефлектора; 5 - дуга эллипса, являющаяся образующей второго цилиндрического Рис. 327. В:заимное расп°л°жение зеркал рефлектора; 6 - первый ре- вофсетной конструкции зеркальной антенны

флектор; 7 - второй рефлектор.

Работает антенна так. Мощность, подводимая к облучателю 3, излучается в пространство, ограниченное отражающей поверхностью третьего рефлектора 1 и проводящими торцевыми поверхностями 2 распространяется в виде расходящейся цилиндрической волны. После отражения от поверхности третьего рефлектора 1 она преобразуется в волну с плоским фазовым фронтом, двигающуюся в направлении раскрыва третьего рефлектора 1 [135-141]. Из апертуры третьего рефлектора 1 мощность излучается в виде расходящейся цилиндрической радиоволны, фазовый центр которой, имеющий вид отрезка прямой линии, совмещен с первым фокусом второго рефлектора 7. Эта цилиндрическая радиоволна падает на отражающую поверхность второго рефлектора 7 и преобразуется в цилиндрическую сходящуюся ко второму фокусу второго рефлектора 7 радиоволну. После прохождения второго фокуса второго рефлектора 7 волна преобразуется в цилиндрическую расходящуюся радиоволну, фазовый центр которой находится во втором фокусе второго рефлектора 7, совмещенном с фокусом первого рефлектора 6. Цилиндрическая расходящиеся радиоволна, отраженная от второго рефлектора 7 падает на отражающую поверхность первого рефлектора 6, преобразуется в радиоволну с плоским фазовым фронтом и излучается в простран-ство.Особенность предложенного решения заключается в том, что поверхности всех трех рефлекторов являются цилиндрическими, что обеспечивает упрощение устройства и обеспечении, на этой основе, возможности повышения точности изготовления устройства, что особенно важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления. Этим самым достигается требуемый технический результат.

Разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны. Рассмотрим один из разработанных автором вариантов разворачиваемой конструкции зеркальной антенны с цилиндрическими зеркалами [137-139]. Особенностью конструкции является использование гибкого сетеполотна в качестве поверхностей рефлекторов, использование складных параболических дуг (ребер жесткости), обеспечивающих форму сетеполотна, использование телескопических направляющих для придания продольной жесткости конструкции зеркала в направлении образующих параболических цилиндров и применение надувного цилиндра для разворачивания антенны.В устройство (рис. 3.28), содержащее раздвижную телескопическую стойку, ребра жесткости с параболическим профилем, радиотражающее сетеполотно, закрепленное на ребрах жесткости, и свободные края, которого закреплены на контурных шнурах, с концами, закрепленными на ребрах жесткости с параболическим профилем; их концы в исходном положении скреплены фиксирующим креплением, а также стягивающую пружину, выполненную с возможностью разворачивания ребер жесткости с параболическим профилем при размыкании фиксирующего крепления, согласно предложенной кон-струкции,введены крепежные фланцы, закрепленные на раздвижной телескопической стойке.Их кромки образуют правильную параболическую кривую и к которым на осях крепятся подвижно ребра жесткости с параболическим профилем. Ещеестьнадувной цилиндр, выполненный с возможностью

наддува, достаточным для раздвижки телескопической стойки в крайнее развернутое положение при разворачивании рефлектора.

Причемдля сохранения формы надувного цилиндра он снабжен охватывающими кольцами к звеньям телескопической стойки, которые в раздвинутом положении зафиксированы подпружиненными стопорами.

Разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны содержит раздвижную телескопическую стойку 1, ребра 3 жесткости с параболическим профилем, радиотражающее сетеполотно, закрепленное на ребрах жесткости с параболическим профилем и свободные края которого закреплены на контурных шнурах, концы которых закреплены на ребрах 3 жесткости с параболическим профилем, концы которых в исходном положении скреплены фиксирующим креплением (не показано), а также стягивающую пружину 6, выполненную с возможностью разворачивания ребер 3 жесткости с параболическим профилем при размыкании фиксирующего крепления.

Кроме того, разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны содержит крепежные фланцы 2, которые закреплены на раздвижной телескопической стойке 1, кромки которых образуют правильную параболическую кривую и к которым на осях 4 крепятся подвижно ребра 3 жесткости с параболическим профилем.Разворачиваемый цилиндрический рефлектор антенны содержит также надувной цилиндр 7, выполненный с возможностью наддува по давлением, достаточным для раздвижки телескопической стойки 1 в крайнее развернутое положение при разворачивании рефлектора, причем, для сохранения формы надувного цилиндра 7 он снабжен охватывающими кольцами к звеньям раздвижной телескопической стойки 1, которые в раздвинутом положении зафиксированы подпружиненными стопорами.

9 12

Параболический ^ профиль

Рис. 3.28. Разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны в развернутом положении: а - вид сзади; б - вид с торца: 1 - раздвижная телескопическая стойка; 2 - крепежный фланец; 3 - ребра жесткости с параболическим профилем; 4 - оси крепления ребер жесткости к крепежным фланцам; 5 - точки крепления контурных шнуров на ребрах жесткости; 6 -стягивающая пружина; 7 - надувной цилиндр; 8 - охватывающие кольца

Разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны используется следующим образом. В начальном свернутом состоянии раздвижная телескопическая стойка 1 находится в сжатом положении, газ в надувном цилиндре 7 отсутствует, ребра 3 жесткости повернуты так, чтобы их концы были соединены и механически закреплены в таком положении фиксирующим креплением. Радиоотражающее сетеполотно равномерно уложено в пределах объема, ограниченного раздвижной телескопической стойкой 1 и ребрами 3 жесткости. При разворачивании цилиндрического рефлектора зеркальной антенны в начальный момент в надувной цилиндр 7 подает-

ся газ, который создает силу, формирующую цилиндр и раздвигающую телескопическую раздвижную стойку 1 до крайнего положения, в котором телескопическая раздвижная стойка 1 фиксируется механическими подпружиненными стопорами. В следующий момент отстегивается механическое крепление, удерживающее концы ребер 3 жесткости в свернутом положении. Ребра жесткости 3 под действием силы стягивающей пружины 6 поворачиваются до крайнего положения, в котором фиксируются подпружиненными стопорами. Радиоотражающее сетеполотно натягивается по контуру между параболическими кромками ребер 3 жесткости и контурными шнурами и образует правильную форму параболического цилиндра.

Таким образом, благодаря усовершенствованию наиболее близкого технического решения достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении устройства и обеспечении, на этой основе, возможности повышения точности формирования рефлектора, что особенно важно при больших габаритах антенн с большими значениями коэффициента усиления, поскольку формирование рефлектора производится на основе надувного цилиндра, имеющего стандартную цилиндрическую форму, не относящуюся к поверхностями двойной кривизны.

Предлагаемые конструкции зеркальных направленных антенн позволяют значительно увеличить устойчивость радиоэлектронных средств космического базирования к внешним электромагнитным воздействиям из-за возможности снижения боковых лепестков антенн, и из-за особенностей предложенных конструкций. Конструкции предлагаемых антенн имеют утопленный экранированный металлическими поверхностями облучатель, что резко снижает возможность образования боковых лепестков антенн за счет боковых лепестков облучателя. Цилиндрическая форма зеркал исключает явление кроссполяризации и образование кроссполяризационных боковых лепестков.Цилиндрическая форма зеркал также позволяет применять короткофокусные основные рефлекторы, что дает возможность использовать амплитудные апертурные распределения эквивалентных токов, сильно спадающие к краям зеркала, что позволяет значительно снизить апертурные боковые лепестки зеркальных антенн. Цилиндрическая форма рефлекторов позволяет получать конструкции антенн с большой геометрической площадью раскрыва, что невозможно в разворачиваемых конструкциях антенн рефлекторами в виде параболоидов вращения. Это дает возможность получать беспрецедентные значения коэффициента усиления разворачиваемых зеркальных антенн, что дает энергетический выигрыш для построения РЭС при наличии специально создаваемых электромагнитных помех.

3.4. Электродинамическое моделирование разработанных многолучевых разворачиваемых зеркальных антенн

Рассмотренный метод интегральных уравнений позволяет существенно уменьшить вычислительную сложность задач моделирования зеркальных антенн. Дополнительное упрощение связано с использованием ячеек прямоугольной формы, что является ес антенн с рефлекторами в виде параболических цилиндров. Частично рассматриваемый материал опубликован в [89, 142155], где последовательно исследуются математические модели теории дифракции, дано математическое обоснование корректности математических задач, исследованы вопросы существования и единственности решений задач теории дифракции. Ниже автором описан метод электродинамического анализа зеркальных антенн, основанный на математическом аппарате гиперсингулярных интегральных уравнений [89].

При анализеиспользовали рефлектором в форме параболического цилиндра и линейного облучателя, создающего цилиндрическую волну. Антенна как предложено диссертации, может иметь несколько рефлекторов, часть из которых переизлучатели цилиндрических волн. При общей постановке задачи не будем делать разницы между рефлекторами и облучателями, а назовем их излучающими структурами. Модель зеркальной антенны представляет собой несколько цилиндрических излучающих структур (рис. 3.29).

Каждая излучающая структура представляет бесконечно тонкую идеально проводящую поверхность S, возбуждаемую электромагнитным полем в виде цилиндрических волн, которое является суперпозицией полей волн, отраженных от других структур и поля, создаваемого генератором. Связь между возбуждением генератора и излучением облучателя несложная вычислительная задача, поэтому предполагается, что питающий фидер идеально согласован с облучателем. Сингулярность в ядрах при п=тисключалась переносом особой точки на границу субъячеек.На рис. 3.30 показан график ДН антенны в вертикальной плоскости.

тественным для предложенных конструкций

Рис. 3.29. Модель зеркальной антенны физическую модель зеркальной антенны с

Результаты численного моделирования распределения плотности наведенных токов на рефлекторе в двух главных сечениях показаны на рис. 3.31.

Рисунок 3.30 - ДН в вертикальной плоскости для распределения наведенного тока в офсетной конструкции зеркальной антенны

Рис. 3.31 - Плотность тока на рефлекторе: а - в вертикальном сечении; б - в горизонтальном сечении

Выводы по главе 3

4. Исследованы и предложены методы проектирования разворачиваемых зеркальных антенн. Проведен анализ их электромагнитной устойчивости и помехозащищенности. Предложены методы их повышения.

5. Предложены численные методы проектирования зеркальных антенн с повышенной устойчивостью к электромагнитным помеховым воздействиям.

6. Разработаны модифицированные и новые модели разворачиваемых зеркальных антенн.

7. Предложен новый разворачиваемый цилиндрический рефлектор зеркальной антенны.

8. Проведено электродинамическое моделирование разработанных разворачиваемых зеркальных антенн.

Глава 4. Новые методы и устройства повышения помехозащищенности в спутниковых сетях связи с многолучевыми антеннами

4.1.Системный анализ ИМИ в каналах связи с групповыми сигналами

Данная глава посвящена анализу научно-технической литературы за последние годы и материалы, дающие сведения о проблемах линеаризации УМГС систем спутниковой связи.Проведена классификация, сравнительный анализ наиболее известных методов, предназначенных для исследования устройств и систем с комплексной нелинейностью, и предложен новый метод их исследования. Рассмотрены ССС с многостанционным доступом, имеющие в антенных системах различные нелинейные СВЧ-устройства, и в частности УГМС.В любых системах связи необходимы УГМС, однако зачастую они не позволяют полностью реализовать идеи, заложенные в ту или иную сложную телекоммуникационную систему.

Совершенствование космических аппаратов двойного и военного назначения, и в частности, систем спутниковой связи и повышение качества их функционирования связано, прежде всего, с повышением их энергетической эффективности. Известно, что транзисторный УМГС, который стоит на выходе передатчика и поставляет в антенну до 1 -10 Вт средней мощности на одну несущую (а подобных несущих, или каналов, может быть несколько десятков). Отсюда следует, что потребляемая мощность такого УГМС с учетом КПД порядка 10 %, достигает 500 Вт и более. Увеличение коэффициента усиления выходного каскада УГМС, например в 2 раза, позволяет повысить КПД УГМС на 15-20 %.

При реальном применении существующих усилителей мощности групповых сигналов установлено, что при прохождении группового сигнала через подобный нелинейный СВЧ-тракт возникают различные нелинейные эффекты, вызывающие снижение выходной мощности сигналов, подавление сильными сигналами слабых и появление составляющих ИМИ и других видов не нелинейных искажений [14, 16, 156-160].Расчеты параметров и методы исследования УГМС должен обязательно соответствовать следующим требованиям: точность расчетов должна быть не хуже или соизмерима с погрешностью измерительных приборов. Весьма высокие требования к СССприводят к необходимости многостороннего исследования условий помехозащищенности РЭС ССС и различных радиотехнических служб. Эти исследования должны включать как типовые помеховые ситуации, определяемые нормальным функционированием РЭС в общих или смежных полосах частот, так и абсолютно непреднамеренные ситуации.

Анализ типовых помеховых сценариев обеспечения помехозащищенности проводится в соответствии с требованиями и рекомендациями МСЭ, и опирается на методологическую основу регулирования радиочастотного спектра. Учет, определение технических сбоев и технических неполадок в работе бортовой радиоаппаратуры проводится операторами ССС с целью

обоснования надежности работы РЭС. Как показывает практика, вероятность таких непредвиденных ситуаций только возрастает по мере развития космического радиосегмента систем связи и увеличения числа радиоканалов передачи информации.

Обеспечение высокой энергетической эффективности систем спутниковой связи является крайне важным требованием, предъявляемым передающим трактам с УГМС. Это связано с тем, что необходим линейный режим работы УМГС, и что в результате линеаризации передающих трактов уменьшаются мощности ИМИ, минимизируется потребляемая мощность от источников питания, снижаются расходы на энергопотребление ретрансляторов спутниковой связи. Кроме того это приводит к увеличению срока службы активных элементов УГМС. Это достаточно важно, особенно для многочастотных УГМС СВЧ-диапазона, монтируемых непосредственно в АФАР РТР с целью компенсации потерь в фидерах и устранения дисбаланса каналов передачи/приема [160].Все отмеченное относится к спутниковым системам связи. Спутниковые системы связи - один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли (ИСЗ) в качестве РТР путем вынесения их на достаточно большую высоту над Землей. В такой системе связи значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой с ИСЗ и, соответственно, размеры земной территории, с которой он виден. Располагаясь на геоцентрической орбите (35786 км), ИСЗ может «освещать» большую территорию - около трети поверхности Земли, поэтому через его бортовой РТР могут непосредственно связываться любые станции, находящиеся на этой территории [160]. Трех ИСЗ, находящихся на геостационарных орбитах, может быть достаточно для создания почти глобальной системы спутниковой связи. В то же время современные средства позволяют сформировать очень узкий луч ДН антенн, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на территории небольшого государства, или части его. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной поверхности, что уменьшает влияние затенений и шумового излучения Земли на прием сигналов ЗС. Большинство ССС работает в диапазонах 6-14 ГГц на передачу и 4 или 11 ГГц на прием сигналов [16, 156-161].

Радиооборудование РТР называют космической станцией, а радиооборудование, расположенное на Земле, называют наземной станцией. Канал передачи радиосигнала от наземной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обратном направлении - нисходящим. Энергетическое снабжение электрическим напряжением самого спутника и других его устройств и систем осуществляется от солнечных батарей. На спутниках, помимо ретрансляционной аппаратуры, размещают оборудование, обеспечивающее стабилизацию положения спутников на орбите и ориентирование его в пространстве [156-161].

Искусственные спутники Земли информационного (связного) назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации

ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными - в частности, сотовыми.

Как было отмечено ранее, в ССС с многостанционным доступом требуется обеспечение наибольшей линейности АХ и равномерности ФАХ (малой величины амплитудно-фазовой конверсии - АФК) транзисторных СВЧ-усилителей мощности в рабочей полосе частот. Для количественной оценки влияния нелинейности УГМС на показатели качества систем связи необходимо исследовать его характеристики в многосигнальном режиме. Это непростая задача, так как надо одновременно учитывать совместное влияние двух нелинейных эффектов AM/AM- и ФМ/АМ-преобразования; сущность последней состоит в том, что амплитудные изменения входного сигнала приводят дополнительно к фазовым изменениям выходного сигнала. Эти нелинейные явления, имеющие место в нелинейных СВЧ-устройствах, тесно взаимосвязаны, определяют модуль и фазу комплексного коэффициента передачи и влияют и на подавление сигналов, и на формирование ИМИ, поэтому их влияние необходимо учитывать совместно. При наличии радиопомех влияние в нелинейных УГМС, как устройств с комплексной нелинейностью (УКН), еще более возрастает. Однако требования по линейности часто противоречат требованиям по обеспечению высокого КПД. Особенно резко данное противоречие проявляется в УГМС систем спутниковой связи, когда усилители мощности работают на участках передаточной амплитудной характеристики, близких к точке насыщения.

Все разнообразие помех можно свести к трем основным типам: шумовым, импульсным (ИМП), узкополосным (в пределе - гармоническим). Шумовую помеху представляют в виде внешнего флуктуационного шума, увеличивающего интенсивность шума приемника [162-163]. Импульсные помехи действуют в течение ограниченного времени; в зависимости от формы импульса различают шумовые (ограниченный во времени шум), видео- и синусоидальные (узкополосные). Импульс помехи может быть одиночным, однако чаще воздействует пакет ИМП, который поражает элементы цифрового сигнала, искажая его временные характеристики (фронты, вершины и т.д.). Узкополосная помеха находится в части спектра передаваемого сигнала, искажая его и ухудшая и спектральные и корреляционные свойства сигнала.

УГМС ССС с существенной нелинейностью передаточных характеристик активных элементов. В работе главное внимание уделено УГМС с существенной нелинейностью ПХ, поскольку вопросы исследований малонелинейных устройств фактически решены. Причина нелинейных искажений групповых сигналов в УМГС вызвана нелинейным характером взаимодействия электромагнитного поля и потоком носителей заряда в транзисторе. Основным паразитным эффектом этого в УГМС является нелинейность АХ и зависимость фазы огибающей сигнала от амплитуды, т.е. появление АФК.

Фактически большинство нелинейных элементов изменяют спектр входного сигнала, создавая на выходе новые составляющие. Эти свойства проявляются при работе, например биполярного или полевого транзистора в

нелинейном режиме при больших амплитудах входного сигнала. Математическую модель нелинейного элемента представим функцией [6, 36, 161-162]

■=Ливх). (4.1)

Характеристики нелинейных элементов получают экспериментальным путем, для их исследования подбирается аппроксимирующая функция, отражающая особенности экспериментально снятой характеристики. Проанализируем механизм генерации ИМИ на примере стандартной АХ УГМС на биполярных транзисторах, которую представим степенным рядом [161-162]:

¡(и0 + и) = а0и0 + а1и + а2и2+ ... + а и1+ ... + апип. (4.2)

Здесь напряжение и0 - постоянное смещение в рабочей точке; и - сигнал воздействия; коэффициенты а{- производные анализируемой ВАХ /-го порядка в рабочей точке; п- наивысший показатель степени ряда (4.2).

Пусть входной сигнал представляет собой тестовое напряжение в виде суммы двух гармонических колебаний

и^) = Е1СОв2/ + Е2СОв2/ (4.3)

с амплитудами Е1, Е2 и частотами /1, /2 и ограничиться первыми четырьмя членами в (4.3), то после преобразования составляющие токов ИМИ-3:

/12 = АЕ12Е2СОБ(4цГ1 - 2л/2>; /21 = ЛЕ^сов^ - 2л/1Х (4.4) где А1 и А2 - коэффициенты, зависящие от параметров нелинейного элемента. Гармонические составляющие в (4.4) и являются ИМИ. Таким образом, при прохождении большого числа сигналов через нелинейный усилительный тракт на его выходе, помимо полезных сигналов, возникают и ИМИ.

Рисунок 4.1 - Зависимость ИМИ-3 от выходной мощности УМГС

где /- частоты групповых сигналов; ш, п, к - целочисленные положительные коэффициенты, соответственно равные 0, 1, 2, 3,...; /,у, б - номера ИМИ.

Порядок комбинационных чостот определяется суммой следующих номеров ИМИ N = ш + п +...+ £[162]. На ри с. 4.1 показана зависимость уровней ИМИ-3 от выходной мощности УМГС.

О /

Рисунок 4.2 - Типовой спектр выходного сигнала нелинейного УГМС

Отметим, что слагаемое а1ивх в (4.2) образует порядок комбинации Ы, равный единице и не изменяет частотный спектр на выходе транзисторного усилителя.

Слагаемое а2и2вх, образует порядок комбинации Ы, равный двум, а также вторые гармоники 2/1 и 2/ и две комбинационные частоты / +/2, / -/2. Слагаемое третьей степени, а3и3вх, образует порядок комбинации Ы, равный трем и третьи гармоники 3/1, 3/2, а также комбинационные частоты

2/1 +/2, 2/1 -/2, 2/2 + /1, 2/2 -/4. (4.5)

Это нелинейное явление в теории связи и называют интермодуляцией, а возникающие при этом помехи - интермодуляционными (рис. 4.2). Интермодуляцию легко проверить - если отключить режим передачи у одного из каналов, несущая на частоте ИМИпропадет.

Итак, ИМИ возникают в передатчиках АФАР и приемном тракте спутникового телефона в результате одновременного воздействия на УМГС двух сигналов с циклическими частотами /1 и /2. На практике весьма трудно отличить ИМИ от несанкционированно работающего РТР (или другой какой-нибудь станции). Объектом воздействия сигналов с частотами/и /является УГМС на выходе передатчика. ИМИ находятся в рабочей полосе, практически не поддаются фильтрации. Наиболее опасны ИМИ-3 - составляющие на частотах (2/1 - /2) и (2/2 - /1), где /1 и /2 - две наиболее значимые составляющие входного сигнала (например, несущая и боковая, первая и вторая гармоники, сигнал и сильная помеха и пр.) [161-162].

Рисунок 4.3 - Комбинационный спектр на выходе УГМС при входном двухчастотном сигнале

Для оценки мощности ИМИ-3 используют взаимосвязанные параметры: уровень интермодуляции, или точка компрессии (это ИМИ-3). Их определяют с помощью линии АХ, показанной на рис. 4.3 в логарифмическом масштабе. Уровень интермодуляции - разность между значениями сигнала и ИМИ при такой мощности последних, когда они начинает мешать. Для определения точки пересечения ИМИ-3 (при появлении составляющих ИМИ-3 в спектре) в качестве сигнала обычнбо используют двухчастотные воздействия. Линейность УГМС наглядно можно представить, построив график зависимости мощности сигнала на выходе от мощности входного сигнала УМГС, т.е. получив его АХ [161-162]. Для количественной оценки мощностей ИМИ используют коэффициенты, вычисляемые при подаче на вход УГМС тестового сигнала с частотами /1 и /2 и равными амплитудами. Наиболее опасны ИМИ-3 - составляющие на частотах /ими-3 = (2/1 - /2) и /ими-3 = (2/2 - /1). При этом коэффициент ИМИ-3 - отношение амплитуды составляющей 2/2 -/1 (или 2/1 -/2) к амплитуде одной гармоники на входе. Допустимые мощности ИМИ определяют соответствующими стандартами связи. Для ИМИ-3 они не должны превышать -45---50 дБ мощности сигнала в канале. На рис.4.3 штриховой линией изображен характер роста ИМИ-3. Если подать на вход УГМС сигнал большой мощности, реальная АХ будет отклоняться от прямой линии из-за нелинейности. Точку ИМИ-3 с отклонением АХ УМГС от линейной, называют однодецибельной точкой компрессии. Масштаб по осям выбирают логарифмическим и затем используют мощности сигнала выраженные в дБм - децибелах относительно мощности несущей. Однодеци-бельную точку компрессии определяютя как точку на АХ, в которой коэффициент усиления усилителей по мощности уменьшается на 1 дБ по сравне-

нию с идеальным (точкаА на рис. 4.3). В точке компрессии КР уменьшается на 1 дБ. Количественно эта точка характеризуется соответствующей мощностью выходного сигнала и является верхней границей линейного участка АХ.

Вторую меру линейности называют «точкой пересечения ИМИ-3» (точкаВ на рис. 4.3). Суммарная мощность основных составляющих выходного сигнала падает с увеличением Рвх, и при Рвх = Рвх.1дБ коэффициент усиления Кр уменьшается на 1 дБ. При увеличении входной мощности наступает режим насыщения, и выходная мощность не превосходит Рвых.нас. Так как зависимости изменения выходных мощностей сигналов (линия АХ) и ИМИ-3 (линия ИМИ-3) от тестового воздействия различны, существует точка, в которой они сравняются (рис. 4.3). Мощность ИМИ-3 на выходе УГМС возрастает пропорционально Рвх3, и при Рвх = Рвх1Р3 их суммарная мощность может быть равна мощности сигнала (рис.4.3), (см. точку пересечения пунктирных прямых ИМИ-3). Вместо характерных значений входной мощности часто указывают значения выходной мощности Рвых.1дБ и Рвых.1Р3. Если начертить АХ УМГС и мощности ИМИ-3, то пересечение характеристик и даст «точку пересечения».

Легко рассчитать координаты точки пересечения, если известна мощность ИМИ тонального сигнала, то точка пересечения определится как

Рими-3 = (Рюш; + Рими)/2, (4.6)

где Ptone - мощность сигнала, РИМИ - мощность ИМИ,выраженнойв дБм.

Анализ показал, что приближенно нелинейная АХ УГМС интерполируется гиперболическим тангенсом [161-163]

/Рвых) « ^(ЮРвх). (4.7)

Стандартный вид АХ нелинейного УМГС показан на рис.4.3.

Итак, существующие УГМС не оптимальны по энергетическим параметрам. Кроме того, требуется осуществлять коррекцию их ПХ, для чего необходимо проделать большую работу, как по снижению мощности, так и по системному анализу причин возникновения ИМИ. Из-за требований передачи больших мощностей при высоком КПД активные элементы СВЧ-трактов передатчиков работают в режимах, близких к насыщению, вследствие чего их АХ и поведение ИМИ-3 может иметь различный характер [6, 36, 161-162].

4.2.Методы анализа комбинационного спектра нелинейных усилителей мощности групповых сигналов многолучевых облучателей в виде АФАР

Новые методы системного анализа учитывают широкий комплекс параметров сигналов с цифровой модуляцией многих несущих и передаточных АХ и ФАХ нелинейных УГМС. В диссертации предложено анализ нелинейных УГМС проводить с использованием системного подхода, в основе которого лежат структурные модели система типа «черный ящик» (рис. 4.4).

При таком подходе нелинейная система интерпретируется «черным

Входы

Ч

Систента типа "Черный ящик" V ■ *

Вы>:оды

Рисунок 4.4 - Нелинейная динамическая система типа «черный ящик»

ящиком», а целью исследования является аппроксимация ПХ системы, не касаясь ее внутренней организации. В методе с моделью «черного ящика» структура системы предполагается неизвестной и относительно нее не делается никаких предпосылок. В этом случае задача системного анализа сводится к поиску решения в заданном базисе нелинейных или линейных функций. Данный подход является систематической процедурой исследования системы и позволяет определить глобальные характеристики системы - передаточные функции для произвольных возможных сигналах.

Свойства и характеристики нелинейных УГМС зависят от их состояния. В нелинейнойдинамической систем протекают процессы, описываемые нелинейными интегро-дифференциальными уравнениями. В отличие от линейной системы в нелинейной частота выходного сигнала зависит от его амплитуды. При этом нелинейные системы в области малых изменений параметров поддаются линеаризации. На данный момент наиболее известны такие методы анализа нелинейных УГМС, представляемых «черным ящиком» [6, 36, 161-162]:

- основанные на сведении нелинейных систем к линейным;

- аналитической аппроксимации ПХ;

- аналитические с решением нелинейных интегро-дифференциальных уравнений;

- численные методы решения системы нелинейных уравнений;

- спектральные численно-аналитические методы, оценивающие нелинейные свойства динамической системы по комбинационному спектру.

К последним можно причислить методы [6, 164, 169]:

- гармонического баланса (ГБ);

- функциональных рядов Вольтерра;

- квазистационарной амплитуды, или квазистатические методы.

Метод аналитической аппроксимации основан на аппроксимации

ПХ УГМС аналитическими выражениями с последующим решением системы нелинейных уравнений. Точность, а с другой стороны, сложность расчета методом аналитической аппроксимации непосредственно зависят от вида принятой аналитической функции, аппроксимирующей ПХ нелинейного элемента. Поэтому ее выбор является важнейшим этапом при анализе цепи данным методом. Как уже отмечалось, для получения большей точности расчета необходимо выбирать аппроксимирующую функцию, наиболее полно соответствующую исходной нелинейной характеристике, что, однако, может привести в общем случае к появлению в уравнениях состояния сложных математических выражений, часто трудно разрешимых аналитически. С другой стороны, принятие чрезмерно простой функции для аппроксимации позволяет достаточно быстро получить результат, однако погрешность расчета может оказаться недопустимо высокой.

Аналитический метод предусматривает получение математического описания системы на основе законов физики, математики, радиотехники. Такой подход дает положительный результат, если рассматриваемая система достаточно проста по структуре и хорошо изучена. Если же система изучена недостаточно или же настолько сложна, что аналитическое описание ее математической моделью практически невозможно, прибегают к экспериментальным методам, суть которых сводится к статистической обработке технологических данных. Экспериментальный метод требует снятия ПХ с последующей их аппроксимацией и построением математической моделей системы и откликов на входные воздействия. При экспериментально-аналитическом методе априорная модель, полученная аналитическим путем, уточняется в соответствующих экспериментах.

Решение интегро-дифференциальных уравнений. В настоящее время известны разнообразные методы исследования УГМС с комплексной нелинейностью. Наиболее эффективным методом, позволяющим описать любое нелинейное устройство и оценить закономерности прохождения сигналов через него, является метод, основанный на решении нелинейных интегрально-дифференциальных уравнений [164-169]. Однако оценить комплексное влияние множества нелинейных эффектов, свойственных нелинейным динамическим системам путем составления и решения системы нелинейных дифференциальных уравнений в широком интервале переменных во многих случаях весьма затруднительно. Решения полных интегро-дифференциальных уравнений сложны, а решение упрощенных - применимо лишь для слабой нелинейности и небольшом числе входного группового сигнала. Решения выполняются для частных случаев и этот метод не универсален.

Прямой метод системного анализа нелинейных УГМС на основе инте-гро-дифференциальных уравнений не имеет ограничений, поскольку он связан с прямым непосредственным решением нелинейного дифференциального

уравнения на основании способа Рунге-Кутта 4-го порядка [167]. Однако не всегда возможно составить такое уравнение по нелинейным передаточным характеристикам систем с групповыми сигналами, поэтому метод на практике используют редко. Методы интегро-дифференциальных уравнений целесообразно использовать для исследований сложных нелинейных УГМС с групповыми сигналами, учитывающих параметры нескольких устройств.

Метод гармонического баланса [168]. В настоящее время большинство компьютерных программ моделирования СВЧ схем базируются на методе ГБ. Метод основан на замене нелинейного преобразования процессов статистически эквивалентными им линейным преобразованиями: нелинейный элемент заменяется линейным эквивалентом. В результате замены система линеаризуется, что позволяет использовать методы исследования линейных систем. Замена нелинейного преобразования линейным является приближенной и справедливой лишь в некоторых отношениях. Поэтому не существует однозначной эквивалентности при использовании различных критериев. Этот метод предлагается как средство решения задач любого рода. Наиболее часто методы ГБ используются для сильнонелинейных СВЧ-устройств; им присущи независимость сложности расчета от порядка линейной части устройства и расчет установившегося режима без расчета переходного. Вместе с тем анализ сильнонелинейных СВЧ-усилителей мощности, представляет существенную проблему, требующую решения, усложняющегося при воздействии сложных групповых сигналов. Кроме того, на практике имеются задачи, решение которых методом ГБ весьма затруднительно.

К этой области можно отнести задачи анализа динамических систем со слабо выраженной нелинейностью или схем, на вход которых подаются сигналы малого уровня. Этот метод малоэффективен для расчета ИМИ в УГМС; анализ ведется только для небольшого числа гармоник (обычно n= 10-25), а также их комбинаций; это дает большую погрешность при анализе сильно нелинейных процессов. Однако при многочастотном возбуждении анализ данным методом значительно усложняется и требует значительного увеличения времени для расчетов (особенно при расчете интермодуляционных помех). Т.е. на практике все оказывается намного сложнее, так как большинство моделей твердотельных устройств не предназначены для анализа методом ГБ, а сам метод весьма чувствителен к едва уловимым ошибкам, громоздок и очень медленен. Кроме того исследование нелинейной цепи усложняется, поскольку при каждом новом входном сигнале требуется самостоятельный анализ и выходной сигнал не может быть представлен как сумма колебаний при воздействии на цепь группы тестовых сигналов.

Метод функциональных рядов Вольтерра (ФРВ) широко используется при исследованиях характеристик и параметров нелинейных УГМС [170-175]. Этот метод хорошо подходит к слабонелинейным цепям и дает хорошие результаты при анализе нелинейных искажений в СВЧ-усилительных устройствах. Метод ФРВ позволяет установить аналитическую связь между входным и выходным спектрами сигналов. Исследование нелинейных крите-

риев, связанных с искажением групповых сигналов, выполняется методами анализа нелинейных устройств во временной области.

Такие методы могут быть реализованы на основе интегральных уравнений Вольтерра. При использовании ряда Вольтерра выходной групповой сигнал может быть представлен в следующем обобщенном виде:

б(0 = | &1(т)х^-Т¥Т + | | Т1)х^-Т2Т1йТ2 +

-да -да-да (4.8)

да да да

+ | | | ^з(Т1'Т2 ,т3 Т^Х^- т2 - Т3 Х1й Х2й Т3 + ...,

-да -да -да

Здесь §к(ть т2, ..., тк) - ядра ряда Вольтерра к-й степени (импульсные характеристики цепи), к-мерные весовые функции. Фактически ряд Вольтер-ра является обобщением интеграла свертки (интеграла Дюамеля), используемого в теории линейных цепей; ядра характеризуют импульсные характеристики цепи. Исследование по методу ФРВ возможно лишь в случае физической реализуемости, однозначности и устойчивости нелинейной динамической цепи, т.е. при отсутствии собственных колебаний. Выходной сигнал ивых(0в этом случае представляется как сумма откликов нелинейной цепи при записи последней в виде бесконечного множества импульсных переходных характеристик И„(т1, ..., тг-,...,ти) и входном сигнале ивх(1;) - бесконечного множества импульсных сигналов.

Наиболее удобно представление многочастотных сигналов ФРВ. При определении ядер рядов Вольтерра невысокого порядка для сравнительно простых нелинейных СВЧ-устройств применение данного метода дает ощутимый выигрыш по сравнению, например, с методом прямого разложения выходного сигнала на спектральные составляющие.

При исследовании же нелинейных динамических СВЧ-устройств высокого порядка целесообразно применять так называемое их каноническое моделирование [175].

Однако при анализе реальных существенно нелинейных усилительных каскадов до настоящего времени метод ряда Вольтерра не получил достаточно широкого распространения. В значительной степени это обусловлено тем, что основная часть результатов, полученных с помощью метода интегро-степенных рядов Вольтерра, представлена в разрозненных отечественных и зарубежных источниках, зачастую без должного обсуждения и подробного описания методики решения задачи. При этом в методах ФРВнедостаточно разработаны вопросы анализа устройств и систем, работающих в режиме большого сигнала, систем с существенной нелинейностью, а также нелинейных устройств и систем, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных.

Метод квазистационарной амплитуды (квазистатический метод). Наиболее точным и перспективным, а также более общими является спектральный метод количественной оценки составляющих комбинационного спектра и нелинейных характеристик сложных радиотехнических устройств,

да

дада

и в частности квазистатический (квазистационарный) метод.Сущность данного метода достаточно проста: на вход нелинейного УГМС подается двух-частотный тестовый сигнал. По спектру усиленного выходного группового сигнала, называемого комбинационным и определяющим полезный спектр и составляющие ИМИ, судят о нелинейных свойствах всей исследуемой цепи или системы в целом. Однако этот метод практически не позволяет оценить воздействие на нелинейное устройство групповых сигналов.

Квазистатический метод [170-171, 175] расчета комбинационного спектра сигналов и ИМИ на выходе УГМС, выполненных на полевых и биполярных транзисторах, ЛБВ и других электронных приборах с ярко выраженными нелинейными зависимостями амплитуды и фазы выходного сигнала от амплитуды ивхвходного сигнала, практически реализуем только с помощью компьютера. Суть метода состоит в том, что при сложном, в частности групповом сигнале используются амплитудная и фазоамплитудная характеристики усилителя, определенные в одночастотном режиме, причем групповой сигнал представляется в виде квазигармонического колебания с «медленно» меняющимися амплитудой и фазой.

Анализ показывает [170-171, 175-182], что метод исследования с использованием квазистационарной амплитуды предназначен для анализа нелинейных безынерционных устройств. Его применение в групповой теории нелинейных УГМС следует считать эффективным только в отсутствие у них инерционных свойств по отношению к скорости изменения огибающей сигналов. Однако эффективность квазистационарных методов для исследования УГМС экспериментально подтверждены еще не в полной мере. Чем сильнее разнятся условия, при которых получены эти характеристики, тем в большей степени отличаются конечные результаты от истинных. Поэтому описание многосигнального взаимодействия в нелинейных УГМС с помощью квазистационарной амплитуды носит, как правило, приближенный характер. Применение квазистационарного метода исследования возможно при любых, сколь угодно «сильных» нелинейностях отдельных звеньев динамической системы [181-183]. Ограничение использования метода связано с относительно медленным характером изменения огибающей сигнала. Итак, при использовании квазистационарного метода приисследования групповых устройств оказывается не в полной мере учтено влияние АФК, роль которой очень существенна. Особенно это может проявляться в режиме больших уровней мощностей, где сильнее проявляются нелинейности, т.е. в режиме близком к насыщению и при большом количестве сигналов на входе УГМС.

Из обзора методов спектрального анализа УГМСприходим к выводу:

- часть методов применима к слабонелинейным устройствам, остальные - можно использовать и для существенно нелинейных СВЧ-устройств;

- не все известные методы применимы для анализа нелинейнах УГМС при большом числе передаваемых сигналов;

- обычно учитывается не совместное, а раздельное влияние нелинейных АМ/АМ, АМ/ФМ-преобразований;

- в известных работах исследования проведены при малом количестве сигналов (менее 10.25) на входе нелинейного устройства при незначительном уровне входного сигнала (менее 0,2.0,5 от Рвх.нас.), слабо выраженной нелинейности передаточных АХ, несущественной АФК;

- квазилинейные методы имеют ограниченную область использования.

Применимы они вдля исследования маломощных устройств в режиме слабого уровня сигнала и небольшого их количества эти х устройств.Поэтому одна из задач диссертации - создание нового спектрального метода для исследования нелинейных УГМС. В качестве информативного описания неизвестной системы (типа «черный ящик») [183-187] предложено использовать нелинейные модели, характеристики (в частности передаточные) которых описываются и аппроксимируются функциями Бесселя.

4.3.Системный анализ нелинейных УМГС с помощьюаппрок-симации передаточных характеристик функциями Бесселя

Пусть на вход УМГС поступает гармонический сигнал и^) = июсовю?. Тогда зависимость между током и поступающим на вход нелинейного УМГС напряжением в общем виде может быть записана как [186-188]

т = л«(0].

Воздействующее напряжение и(1) обычно состоит из постоянного напряжения смещения х = и0 и переменного напряженияи~(обозначим его для упрощения через и = и~), поэтому I = А(и0 + и), или

* = Ах + и). (4.9)

Зависимость (4.9) разлагаем в ряд Тейлора, который для удобства записываем в символической форме в виде

А(х + и) = е^Ах). (4.10)

Справедливость записи легко доказать, условившись, что после разложения в ряд е^и/лфункцияА(х) подводится под знак дифференцирования:

е*/А/(х) = у 1 ^/М ип , (4.11)

п=0п! Лхп

что представляет известное выражение ряда Тейлора от одной переменной.

Пусть на УМГС воздействует постоянное и0и переменное ищСОБЮ/напряжения, т. е. и= ио+ и^со^Ш, тогда х = ио и и= ^соБЮ?. В данном случае, как и во всех последующих, фазу опускаем из рассмотрения, так как ее, как преобразующуюся одинаково с фазовым углом Ш, можно сразу определить по структуре анализируемой частоты ю. Подставляя значения напряжения в выражение (4.10), имеем

df (и)"

ю и

г = ехр

Разложим ток в (4.12) в ряд Лорана [186-188]

и, cos ю?-

(4.12)

<Х)

/(г) = X СР(г - *о)Р,

р=-к>

где 20- фиксированная точка пространства, включая точки изолированного направления, Ср - коэффициенты - пространственные комплексные числа, в том числе и из пространства делителей нуля. В результате имеем:

df(Un )

Um cos» i df (U0 )Л

i = e < dU0 =2 I

i

где

U n

р=_» V dU 0 J

jp<t, (4.13)

^ 2т+р

1 р (г) = Е 2т+р, + ,, , (4.14)

т=0 2 (т+Р)!т! представляет видоизмененную функцию Бесселя 1-го рода и р-го порядка. Заметим, что

00 00 00 00 X 1р (г)е 1р + Е !р (г)еШ = 'оОО + 2 X 1р (г)ссв рф,

р=-ж р=0 р=1 р=1

поэтому формулу (4.13) можно преобразовать так

Г 1Г<ТТ \\ СГ, Г 1г<тт \\

i = I0

df(Uo0)^ Г \rr df(Uo)

U dU0 J

+ 21 Ip

U dU0 J

cosp<t. (415)

w/ /

p=1

Представляя в (4.15) функции Бесселя в виде обычного ряда и подводя функцию f(U0) под знак дифференцирования, получаем [186-188]

t = у 1 d 2mf (U о)ц2ш + ¿^ ^ 2m/ i\2 !тТ 2m <

m=о2 (m!) dU 0

(416)

+ УУ _1_d2m+^ (U0) U2m+p cos t

¿¿1 ¿0 22m+p"1(m + p)!m! dU02m+p < P '

Выражение (4.16) представляет весь спектр тока и позволяет вычислить каждую его составляющую в отдельности. Величины производных находятся путем дифференцирования функции, аппроксимирующей ВАХ усилительного элемента УМГС и компьютерного вычисления при заданном напряжении смещения Uo.

Так как практически аппроксимирующая функция представляется многочленом n-й степени, то все производные, начиная с порядка n+ 1 и выше, будут равны нулю [16, 186-188]. В таком случае ряды, определяющие амплитуду любой составляющей тока, будут иметь конечное число членов. Так, например р-я составляющая тока усилителя будет иметь следующую запись:

iD(t) = Ip<cosp<t = Y-;-r1-d2m+Pf(U0)U<pcosp<t, (4.17)

p p< p Y 22^p"1(^p)!m! dU02m+p <

в которой верхний предел суммы определяется числом k, которое выбирается так, чтобы выполнялось одно из неравенств:

2k + р = п, 2k + р = п - 1. (4.18)

Если воздействующее на нелинейный элемент напряжение представляется суммой постоянной составляющих и к кратных гармоник

к

u = U0 + cos

s=1

(4.19)

то ток на его выходе

С к

Е Um cos ю5

г = e

Vs=1

K f ию d {f (U o)cos ю st )Л

J 0 =11 ехр s

s=1

V

Разложим (4.20) в ряд Лорана

г =

к ж

П Е 1Р,

s=1 Ps =-ж

U®df (Uo)

dUn

dUt

JPs ®st

(4.20)

J

Производя перемножение, получим

ж ж ж

г= Е Е ... Е

Pi =-ж P2 =-ж Рк =-ж

П I

s=1

U®df (Uo )

dU

jE Ps

(4.21)

Если анализируем входной сигнал в виде двух гармоник (к = 2), то есть

u = Ural cos ю1 + U^ cos ®2t

выражение (4.21) будет иметь вид [70]:

ж ж

' = Е Е '

Р1

dUn

I

Р 2

dU

ю 2

V dUо J

f (Uo ) е

j ( P1ro1 + P2®2 )t

(4.22)

ру =-да =-да V 0 у

Раскрывая поочередно в выражении (4.22) суммы и освобождаясь при этом от отрицательных значений индексов р1и р2, а затем, переходя к тригонометрической форме записи, легко получим выражение, определяющее постоянную компоненту и все гармонические и комбинационные компоненты тока [70]:

i = I

U Ю1 df (Uo)) f UЮ2 df (Uo) I

dU

dU

+

2 Е I

P1=1

P1

UM1 df (Uo )) f U Ю2 df (Uo )

dU

dU

x

x cos P1®1t + 2 Е Io

P2 =1

ж rn df(uo

ю

dUn

I

+2 Е Е ^

P1 =1 P2 =

V o J

Л f

df (Uo)

dTJ

V o J

U„

df (Uo)

dU,

I

o J

P2

U

P2

df (Uo) dU,

cos P2®2t +

cos(Pj®! + P2®2) t +

o J

+2 ЕЕ I,,

P1 =1 P 2 =1

U„

df (Uo

V 2 dUo j

I

U

df (Uo

V 2 dUo j

cos (P1®1 - P2®2 )t-

Для упрощения последнее выражение можно записать как:

o

V

i = Ь

Ц

d

dUl

231

л г I

о)

Ц

4Т (Uo)'

V

dUt

+

0 у

+21 X I,,

Л = К1 Р2 = К2

Ц

# Цо)'

с1и{

I

о у

Р2

и„

# Цо0

соб(- р2ю2У, (4.23)

о у

при этом нижние пределы суммирования ^ и ^ равны 0 или 1 и должны выбираться так, чтобы выполнялось условие ^ + ^ =1, то есть ^ и ^ одновременно не могут быть нулями.

Это обусловливается тем, что постоянная составляющая выражена в виде отдельного слагаемого.

Аналогично же в тригонометрической форме может быть представлено

и вы

i =

эажение (4.20), а именно

4 иш#(Ц)

№

5=1

йЦ

о

+2 X 1--.1

р АРг =к Рк=\

4 и(ио0

№ йио

[