ГИБРИДНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С РАСШИРЕННЫМИ УГЛАМИ СЕКТОРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
HYBRID OPTICAL-TYPE ANTENNA WITH DILATED ANGLES OF AREAL SCANNING

Изобретение - гибридная зеркальная антенна (ГЗА) с расширенными углами секторного сканирования в азимутальной плоскости - относится к антенной технике и может быть применено на космических станциях для контроля воздушного пространства.
В работе [1] изобретение предназначено для использования в системах пеленгации и сопровождения и позволяет уменьшить изменение уровня пересечения диаграммы направленности (ДНА) в равносигнальном направлении в широком диапазоне частот. Для этого в зеркальной антенне, содержащей отражатель в виде вырезки из параболоида вращения и многоэлементный облучатель, который выполнен в виде 4-элементной гексагональной решетки из открытых концов Н-волноводов, гребни Н-волноводов продолжены за плоскость их раскрыва в виде выступов, расстояние между которыми плавно увеличивается до 0,25-0,45 λ.
В работе [2] предложен алгоритм синтеза гибридной зеркальной антенны с профилированным рефлектором, поверхность которого формируется с помощью численных оптимизационных процедур; рассмотрен пример антенны с линейной облучающей решеткой, предназначенной для сканирования в одной плоскости в ограниченном секторе углов.
В патенте [3] рассмотрена развертываемая зеркальная антенна, устанавливаемая на поверхности космического корабля. Антенна имеет параболическое зеркало с рупорным облучателем и механическую часть с двумя двигателями постоянного тока. Механическая часть состоит из опорно-поворотных колец, двух параллельных направляющих, механизма скольжения, угломестного механизма и механизма крепления облучателя. Вращающееся кольцо определяет положение антенны по азимуту и приводится в движение с помощью двигателя, связанного с ним через червячный механизм. Механизм скольжения, на котором закреплен угломестный механизм, связанный с зеркалом, перемещается вдоль направляющих с помощью привода от двигателя. Механическая часть обеспечивает быстрое и прецизионное развертывание антенны при минимальном уровне интерференции волн от ее выступающих частей.
Прототипом предлагаемой антенны можно считать ГЗА, предлагаемую в работе [4]. В статье изложена теория и расчет антенны диаметром 35,5 м с углом сканирования, до 200 раз превышающих ширину диаграммы направленности. Система работает в Ка-диапазоне на частоте 35,6 ГГц, имеет ширину луча 0,02° и используется для определения ураганов центров кругового движения облаков верхнего уровня с космического аппарата, дает возможность трехмерного анализа критических параметров и динамики, контроля их образования и эволюции. ГЗА состоит из сферического рефлектора радиусом 56 м и подвижного облучателя (движение по спирали) в виде планарной фазированной антенной решетки. Фазированная антенная решетка имеет 271 элемент, расположенный в узлах гексагональной сетки с шагом 0,9 λ.
Недостатком конструкций рассмотренных антенн с механическим приводом является их низкая скорость сканирования. В этих антеннах, тем не менее, обеспечивается широкая зона облучения. В ГЗА с электронным сканированием при расширении сектора сканирования увеличиваются размеры активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Техническим результатом, который достигается с помощью заявляемого изобретения, является преодоление присущих прототипу недостатков, а именно повышение скорости сканирования при уменьшении размеров АФАР.
Для достижения заявляемого технического результата предлагается в известной ГЗА использовать двойное управление лучом: электронное и механическое.
1
n
1
n
1
n
На фиг.1 приведена блок-схема ГЗА с двойным управлением луча, выполненная по предлагаемому изобретению. ГЗА с расширенными углами секторного сканирования в азимутальной плоскости включает в себя рефлектор (Р) 1, облучатель 2 в виде АФАР, помещенный во вне фокальной плоскости, приемопередающие модули (ППМ-ППМ) 3 с фазовращателями и аттенюаторами в каналах передачи и приема, СВЧ-распределительную систему (PC) 4, которая получает СВЧ-энергию от возбудителя (ВЗ) 5, источники питания модулей (ИП-ИП) 6, процессор АФАР (ПА) 7, задающий амплитудное и фазовое распределение в ППМ-ППМ по кластеру излучения АФАР, и отличается от прототипа [4] тем, что в ГЗА дополнительно введен механизм изменения положения рефлектора (МПР) 8, блок коррекции координат кластера излучения (БК) 9, введенный в процессор АФАР (ПА). В предлагаемой конструкции ГЗА МПР может быть выполнен в виде механизма вращения рефлектора, оптическая ось (OO) которого не совпадает с осью его вращения (ОВ), или в виде механизма качания рефлектора в азимутальной плоскости.
Предложенная конструкция ГЗА работает следующим образом. Электронное сканирование по азимуту и углу места обеспечивает обзор в пределах заданного числа (например, 30 на 20) ширин диаграмм направленности (ШДН) и осуществляется коммутационным способом с изменением амплитуды и фазы. Суть этого способа состоит в следующем. Каждое положение луча ГЗА соответствует включению определенного набора ППМ АФАР (кластера излучения) с соответствующими значениями амплитуды и фазы, устанавливаемыми аттенюаторами и фазовращателями. Перемещение луча обеспечивается изменением положения кластера и установкой новых значений амплитуды и фазы в ППМ. Управление коммутацией, амплитудой и фазой ППМ производится по кодам процессора. Дополнительное сканирование (от минус 30 до 30 ШДН) достигается изменением положения рефлектора путем его вращения вокруг оси (ОВ), нормальной к плоскости АФАР и не совпадающей с оптической осью (ОО) рефлектора, или качанием рефлектора в азимутальной плоскости. МПР изменяет положение рефлектора и управляется процессором (ПА).
БК, введенный в процессор АФАР, осуществляет коррекцию таблицы координат кластеров излучения, загруженной в процессор, в зависимости от положения рефлектора. Коррекция происходит для текущего положения МПР по соотношениям (13), (14) при вращении и качании соответственно.
На фиг.2 приведены графики амплитудного распределения поля по АФАР в зависимости от отклонения луча, полученные путем математического моделирования. Кривая 10 соответствует неотклоненному лучу, кривая 11 - отклонению 30 ШДН, кривая 12 - отклонению 60 ШДН. Форма распределения будет близка к прямоугольной (Френелевской) при отклонении луча до 8 ШДН. Наибольшие искажения, вызванные каустикой, будут при выносе пятна АФАР более 20 ШДН. Для уменьшения влияния искажений необходимо увеличивать размер АФАР.
Большие размеры АФАР, с одной стороны, приводят к увеличению массы антенны и затенению рефлектора, с другой стороны, позволяют не концентрировать мощность в одном или небольшом количестве ППМ. Отношение фокусного расстояния к диаметру зеркала выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные размеры АФАР.
x
y
При неподвижном рефлекторе за один цикл луч занимает в пределах сканирования N положений по азимуту и N положений по углу места. При этом время пребывания луча в каждом из фиксированных положений составляет
x
где N - число положений луча по азимуту;
y
N - число положений луча по углу места;
Т - время обзора.
Временная зависимость положения луча по азимуту за время одного цикла обзора представлена на фиг.3 и определяется выражениями
где δА - шаг сканирования по азимуту;
ΔА - предел сканирования по азимуту;
i - номер положения луча по азимуту;
где floor {…} - целая часть дроби;
x
N - число положений луча по азимуту;
δt - время пребывания луча в фиксированном положении;
t - время.
Временная зависимость положения луча по углу места за один цикл обзора представлена на фиг.4 и определяется выражениями
где δВ - шаг сканирования по углу места;
ΔВ - предел сканирования по углу места;
j - номер положения луча по углу места.
где floor {…} - целая часть дроби;
y
N - число положений луча по углу места;
δt - время пребывания луча в фиксированном положении;
t - время.
Приведенные на фиг.4 буквенные обозначения положений лучей соответствуют таблице 1.
Таблица 1
Обозначение положения луча
i
j
a
1
1
b
1
N<sub>y</sub>
c
N<sub>x</sub>
1
d
N<sub>x</sub>
N<sub>y</sub>
Расчетные положения центра кластера распределения поля по АФАР выражаются как
i
i
Х=-F·tg(A) и
j
j
Y=-F·tg(B)     (6)
где F - фокусное расстояние рефлектора;
i
А - положение луча по азимуту;
j
B - положение луча по углу места;
x
x
x
x
y
y
y
В предлагаемом варианте построения ГЗА с подвижным рефлектором при обзоре по азимуту луч перемещается в двух направлениях - половину цикла (лучи i=1÷N′/2) - направо и вторую половину цикла (лучи i=N′/2+l-N′) - налево (всего N′ положений). При движении направо сканирование по углу места в области отрицательных углов (лучи j=1÷N′/2), а при движении налево - для положительных углов (лучи j=N′/2+1÷N′). Временная зависимость положения луча по азимуту для варианта с движущимся рефлектором представлена на фиг.5 и определяется выражениями
где δА′ - шаг сканирования по азимуту;
ΔА′ - предел сканирования по азимуту;
i - номер положения луча по азимуту,
x
N′ - число положений луча по азимуту;
floor{…} - целая часть дроби;
x
N′- число положений луча по азимуту;
δt - время пребывания луча в фиксированном положении;
t - время.
i1
x
i2
x
x
Приведенные на фиг.5 буквенные обозначения участков кривой соответствуют положениям лучей: участок А′ - i=1÷N′/2, участок А′ -i=N′/2+1÷N′.
,
Временная зависимость положения луча по углу места варианта с движущимся рефлектором представлена на фиг.6 и определяется выражениями
δB′ - шаг сканирования по азимуту;
ΔВ′ - предел сканирования по азимуту;
j - номер положения луча по углу места;
floor{…} - целая часть дроби;
y
N′ - число положений луча по азимуту;
δt - время пребывания луча в фиксированном положении;
t - время.
Приведенные на фиг.6 буквенные обозначения положений лучей соответствуют таблице 2.
Таблица 2
Обозначение положения луча
i
j
a′
1
1
b′
1
N′<sub>y</sub>/2
c′
N′<sub>x/2</sub>
N′<sub>y</sub>/2
d′
N′<sub>x</sub>/2+1
N′<sub>y</sub>/2+1
e
N′<sub>x</sub>
N′<sub>y</sub>/2+1
f
N′<sub>x</sub>
N′<sub>У</sub>
Текущие смещения луча по азимуту и углу места, вызванные перемещением рефлектора антенны в случае его вращения вокруг оси, нормальной к плоскости, и при котором оптическая ось рефлектора повернута на угол относительно оси вращения, соответственно равны:
Aiв=-Rcos{Ωt);
где R - угол отклонения луча;
Ω - угловая частота вращения рефлектора;
t - время,
в случае качания рефлектора в азимутальной плоскости, характеризуется выражением
iк
где A - текущее смещение луча по азимуту, вызванное качанием рефлектора антенны;
max
А - максимальное отклонение луча, вызванное качанием рефлектора;
V - скорость качания;
T - время обзора;
t - время.
Расчетные положения центра кластера распределения поля по АФАР в случае вращения рефлектора определяются выражениями:
Xiв=-Ftg(Ai+Rcos(Ωt))
в случае качания рефлектора определяются выражениям
i
Xiк=-Ftg(A-Aiк)
,
где F - фокусное расстояние рефлектора;
i
А - положение луча по азимуту для антенны с подвижным рефлектором;
i
В - положение луча по углу места для антенны с подвижным рефлектором;
R - угол отклонения луча;
Ω - угловая частота вращения рефлектора;
t - время;
Приведенные на фиг.5 и 6 положения лучей формируются в результате суммарного действия механического перемещения рефлектора и электронного смещения кластера по площади АФАР-облучателя.
Соответственно электронное сканирование должно отрабатывать разность заданных значений углов и смещения луча, вызванные вращением или качанием рефлектора. На фиг.7 представлены временные зависимости центров кластеров на АФАР за цикл обзора для формирования требуемой геометрии сканирования. Точки а′, b′, с′, d′, e, f на графиках (X, Y) отклонения кластера на АФАР во взаимно перпендикулярных направлениях при изменении положения рефлектора обозначают положение луча в соответствии с таблицей 2.
Требуемая для предложенного варианта ГЗА площадь АФАР-облучателя значительно меньше, чем требуется для варианта с неподвижным рефлектором:
max
max
S~X Y,
в
вmax
вmax
S~X Y
к
кmax
кmax
S~X Y
max
max
вmax
вmax
кmax
кmax
где Х, Y, Х, Y, Х, Y - максимальные отклонения кластера на АФАР во взаимно перпендикулярных направлениях для неподвижного, вращающегося и качающегося рефлектора соответственно;
в
к
S, S, S - площади АФАР в случае неподвижного, вращающегося, качающегося рефлектора соответственно.
Список литературы:
1. Бобков Н.И., Бочарников А.А., Кашубин Б.Т., Логвиненко Е.Л., Савеленко А.А., Стуров А.Г., Яшин Н.П. Широкополосная четырехлучевая зеркальная антенна (варианты). Пат. №2099836, Россия, H01Q 19/17.
2. Реутов А.С., Шишлов А.В. Конструктивный синтез и оценки эффективности гибридных зеркальных антенн с профилированными рефлекторами антенны. 2005, N 1, с.63-67.
3. Sherwood William J., Rodeffer Charles E., Rodeffer Mark A. Развертываемая антенна для космических кораблей. Deployable satellite antenna for use on vehicles. Пат. 5528250 США, H01Q 1/32.
4. Keyvan Badahory, Yahya Rahmat-Samii. An Array-Compensated Spherical Reflector Antenna for a Very Large Number of Scanned Beams. IEEE Trans, on AES, vol 53, No 11, November 2005, p.3547-3555