Разработка методов создания антенн с контурными диаграммами направленности на основе многолучевых антенн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

57: уу-э¡ьчь-а

ОАО «РАДИОФИЗИКА»

ШИТИКОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ АНТЕНН С КОНТУРНЫМИ ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕНН

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Кандидат технических наук Шишлов А.В.

Москва 1999

Разработка методов создания антенн с контурными диаграммами направленности на

основе многолучевых антенн. Оглавление

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ. 6

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ АНТЕНН С КДН И МЕТОДОВ ИХ СОЗДАНИЯ 14

1.1. Антенны с КДН и предъявляемые к ним требования 14

1.2. Антенны с КДН на основе многолучевых антенн 16

1.2.1. Схема антенны 16

1.2.2. Основные существующие методы синтеза антенн с КДН на основе МЛЗА 19

1.3. Антенны с КДН с зеркалами специальной формы 23

1.3.1. Схемы построения антенн 23

1.3.2. Основные существующие методы синтеза антенн с зеркалами специальной формы

для формирования КДН 24

1.4. Другие методы создания антенн с КДН 26

1.4.1. Антенна с КДН на основе ФАР 26

1.4.2. Гибридная антенна с КДН 27

1.4.3. Комбинированные схемы 27

1.5. Сравнительный анализ типов антенн с КДН и методов их расчетов 28

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

КОНТУРНЫХ ДИАГРАММ С ПОМОЩЬЮ ИДЕАЛИЗИРОВАННОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ АНТЕННЫ 31

2.1. Доказательство теоремы отсчетов в двумерном случае. Синтез КДН методом суммирования функций отсчетов 31

2.1.1. Доказательство двумерной теоремы отсчетов 31

2.1.2. Анализ возможности применения теоремы отсчетов для синтеза КДН 33

2.2. Поведение контурной диаграммы вблизи границ свет-тень 36

2.3. Изменение формы контурной диаграммы при изменении количества функций отсчетов, расстояния между ними и веса пограничной диаграммы 41

2.3.1. Изменение формы контурной диаграммы при изменении веса пограничной функции 41

2.3.2. Выбор весов в случае более частой расстановки функций отсчетов 42

2.3.3. Поведение контурной диаграммы при увеличении расстояния между функциями отсчетов 43

2.3.4. Особенности создания «узких» КДН 45

2.4. Выбор весов функций отсчетов в двумерном случае круглой апертуры. Использование концепции кластеров для выбора весов функций отсчетов 46

2.4.1. Использование кластеров для выбора весов функций отсчетов в одномерном случае 47

2.4.2. Веса функций отсчетов в двумерном кластере, для случая прямоугольной и гексагональной сетки 50

2.4.3. Выбор весов функций отсчетов с использованием кластеров, для формирования двумерных КДН 52

-32.5. Применение теоремы отсчетов и концепции кластеров для выбора весов функций отсчетов, формирующих контурную диаграмму направленности. Основные характеристики контурных

диаграмм, которые могут быть получены таким способом 57

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

диаграммой направленности 58

ГЛАВА 3. МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ДЛЯ СИНТЕЗА КДН СУММИРОВАНИЕМ ПАРЦИАЛЬНЫХ ДН

РЕАЛЬНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ АНТЕНН 68

3.1. Влияние отличия формы реальных парциальных диаграмм от формы функций отсчетов 68

3.2. Метод взвешенной локальной коррекции формы контурной диаграммы 71

3.2.1. Формулы для вычисления контурной диаграммы направленности

путем суммирования парциальных диаграмм 71

3.2.2. Формулы для взвешенной локальной коррекции формы контурной диаграммы 72

3.3. Обсуждение метода взвешенной локальной коррекции 76

3.3.1. Примеры корректировки формы контурной диаграммы 76

3.3.2. Сходимость метода 79

3.3.3. Степени свободы при коррекции формы КДН. Особенности коррекции формы узких контурных диаграмм 80

3.4. Устойчивость характеристик контурной диаграммы: влияние амплитудных и фазовых ошибок возбуждения парциальных диаграмм на ее форму 81

3.4.1. Влияние фазовых ошибок на форму контурной диаграммы 81

3.4.2. Влияние амплитудных ошибок на форму контурной диаграммы 83

3.4.3. Корректировка искажений контурной диаграммы направленности. 84

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ КДН НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ

ОБЛУЧАТЕЛЯМИ 86

4.1. Антенна С-диапазона для освещения территории России 86

4.1.1. Постановка задачи 86

4.1.2. Выбор параметров антенной системы 87

4.1.3. Формирование контурной диаграммы направленности 91

4.2. Антенна Ки-диапазона с контурным лучом 95

4.2.1. Постановка задачи 95

4.2.2. Формирование контурной диаграммы направленности 96

4.3. Практические аспекты синтеза антенн с узкими (вытянутыми) контурными диаграммами направленности 96

4.4. Применение описанных методик для синтеза гибридных зеркальных антенн 99

4.4.1. Геометрия модельной системы 99

4.4.2. Управление формой луча в гибридной зеркальной антенне 100

4.4.3. Применение метода локальной взвешенной коррекции для отклонения луча в гибридных зеркальных антеннах 103

4.4.4. Оценка возможностей ГЗА по отклонению луча 106

-44.4.5. Частичное использование облучающей системы. Деление элементов на группы 107

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

территории 110

4.5.1.0 необходимости дополнительной ориентации антенн с КДН 110

4.5.2. Уменьшение ошибки позиционирования антенны с использованием моноимпульсного датчика 111

4.5.3. Соотношения, используемые для вычисления угловых координат цели с помощью моноимпульсного датчика. Точность определения угловых координат 112

4.5.4. Особенности использования моноимпульсного датчика для ориентации антенны с КДН 116

4.5.5. Моноимпульсный угловой датчик в случае гексагональной сетки расстановки парциальных диаграмм 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120

ПРИЛОЖЕНИЕ 121

ЛИТЕРАТУРА 123

СВИДЕТЕЛЬСТВА О ВНЕДРЕНИИ 126

список используемых сокращений

ГЗА Гибридная зеркальная антенна

ДН Диаграмма направленности

ДОМ Диаграммообразующая матрица

ИСЗ Искусственный спутник Земли

КДН Контурная диаграмма направленности

кнд Коэффициент направленного действия

кпд Коэффициент полезного действия

КУ Коэффициент усиления

МЛА Многолучевая антенна

МЛЗА Многолучевая зеркальная антенна

пдн Парциальная диаграмма направленности

УБЛ Уровень боковых лепестков

ФАР Фазированная антенная решетка

шдн Ширина диаграммы направленности

-6-введение.

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

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

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

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

Ал

чем КУ идеализированной диаграммы (?, =101о£ —. В зависимости от размеров и формы антенны,

О

а также метода получения контурной диаграммы, отличия эти могут быть больше или меньше, а при неправильном выборе - могут быть столь значительными, что сведут на нет преимущества антенн с КДН перед традиционной антенной.

Одним из наиболее широко распространенных в настоящее время типов антенн с КДН является антенна с КДН на основе многолучевой антенны (обычно зеркальной). Парциальные лучи при этом складываются с определенными амплитудами и фазами, образуя контурную диаграмму. При синтезе такой системы, ее степени свободы - размеры и форма зеркала (линзы), фокусное расстояние,

количество парциальных лучей, способ их расстановки, амплитуды и фазы возбуждения - должны быть выбраны так, чтобы обеспечить форму КДН возможно ближе к идеализированной, т.е. равномерную засветку заданной территории и полное подавление излучения вне этого района. В настоящее время при создании антенн с КДН на основе МЛА, для выбора амплитуд и фаз парциальных лучей обычно используются оптимизационные методы. В процессе синтеза антенны с КДН возникают также вопросы выбора количества парциальных лучей, их расстановки, геометрии антенны, но до настоящего времени они не находили ясного и полного отражения в литературе. Также недостаточно полно описаны были методы инженерной оценки характеристик антенны: до проведения синтеза не ясно, какой неравномерностью освещения, уровня бокового излучения и размерами переходной зоны будет обладать контурная диаграмма антенны. Также, как правило, недостаточно полно описывается способ выбора целевой функции для проведения оптимизации и влияние этого выбора на характеристики контурной диаграммы. Поэтому, актуальным является разработка методов создания антенн с КДН на основе МЛЗА и инженерной оценки их параметров, учитывающих эти особенности.

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

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

Однако, в зависимости от размеров главного лепестка контурной диаграммы, количества и формы используемых парциальных диаграмм МЛА, заданной формы территории, возможны локальные отличия формы контурной диаграммы, полученной на первом этапе, от заданной. Они проявляются в локальных выбросах бокового излучения и неравномерности освещения. Для улучшения формы КДН разработан алгоритм, с помощью которого на втором этапе проводится взвешенная коррекция амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм. Полученные в результате контурные диаграмма направленности имеют относительный уровень бокового излучения около -25...-30 дБ, уровень неравномерности освещения заданной территории - менее 2 дБ, размер переходной зоны 1.5...2.0Л./1) (здесь Я -длина волны, £) - размер апертуры антенны).

Цель работы

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

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

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

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

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

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

Актуальность темы

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

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

Научная новизна работы

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

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

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

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

Практическая значимость

Разработанные методы синтеза антенн с КДН на основе МЛА позволили сформировать рекомендации по выбору основных конструктивных параметров таких антенн с использованием приведенных инженерных оценок, а также позволили создать алгоритмы и пакеты программ для моделирования и синтеза зеркальных антенн с КДН, имеющих неравномерность освещения

заданного района менее 2 дБ, уровень бокового излучения около -25...-30 дБ и размеры переходной зоны 1.5...2.0 XIЭ.

Внедрение

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

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Содержание работы

Основное содержание работы заключено в четырех главах.

В первой главе проведен анализ литературы по исследуемой проблеме. Проанализированы основные схемы антенн с КДН, в том числе на основе многолучевых антенн. Обозначены сферы применения антенн с КДН основных типов. Показано, что

а) существующие методы синтеза антенн с КДН на основе МЛЗА для определения амплитудно-фазового распределения возбуждения парциальных диаграмм обычно используют оптимизационные методы и численные процедуры.

б) вопросы выбора оптимального количества и оптимальной расстановки парциальных диаграмм многолучевой антенны обычно не расс�