СПОСОБ АДАПТАЦИИ ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ АНТЕННЫ
METHOD FOR ADAPTATION OF REFLECTING ANTENNA SURFACES

Изобретение относится к космическим радиотелескопам, а именно к антенным системам, и предназначено для адаптации отражающих поверхностей антенны к изменению их профиля из-за ветровых и весовых деформаций и (или) к изменению длины принимаемых антенной радиоволн.
Известен способ адаптации отражающей поверхности основного зеркала многодиапазонных двухзеркальных антенн (ДЗА), образуемой параболическими щитами, расположенными в N ярусов, при котором для каждого яруса вычисляют оптимальный теоретический параболоид, обеспечивающий максимальное значение апертурного коэффициента использования поверхности (КИП), определяют максимально допустимое отклонение положения щитов каждого яруса и перемещают щиты таким образом, чтобы минимизировать максимальное отклонение профиля результирующей зеркальной поверхности основного зеркала от вычисленного теоретического (Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. Журнал радиоэлектроники, №4, 2000) [1].
Недостатком такого способа является снижение КИП из-за отсутствия адаптации поверхности к ветровым и весовым деформациям, что может вызывать существенное снижение КИП у антенн с большой площадью поверхностей.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ адаптации отражающих поверхностей антенн больших радиотелескопов миллиметровых волн, при которых измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений, затем измеряют положение второго зеркала (контррефлектора), вычисляют отклонение его измеренного положения от оптимального, согласованного с построенной ранее поверхностью аппроксимирующего параболоида, и с помощью системы автоматического управления перемещают контррефлектор в сторону минимизации указанного отклонения (Система автоматического наведения радиотелескопа, RU Патент №2319171, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. №7, 2008 г.) [2].
Недостатком такого способа является отсутствие адаптации зеркальных поверхностей к изменению длины принимаемых антенной радиоволн и большой диапазон перемещений верхних щитов главного зеркала при адаптации к весовым деформациям, что приводит к снижению КИП.
Задачей изобретения является повышение коэффициента использования поверхности (КИП) многодиапазонных двухзеркальных антенн (ДЗА).
Технический результат от повышения КИП ДЗА состоит в достижении высоких значений апертурного коэффициента полезного действия при значительном разбросе рабочих диапазонов частот и больших весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн.
Указанная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, как и в способе, принятом за прототип, измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям положения щитов, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений.
В отличие от известного в предлагаемом способе по измеренным значениям положений щитов для каждого щита строят в компьютере свой аппроксимирующий параболоид таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и, при этом, разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения, и вычисляют отклонения каждого щита от соответствующего ему аппроксимирующего параболоида, после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита второго зеркала (контррефлектора), строят в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляют рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора, и с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения указанных рассогласований таким образом, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой и с положением вторичного фокуса зеркальной системы и (или) с положением приемника излучения при условии, что длины лучей (оптических путей) от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора и расхождения между ними, а также длины лучей (оптических путей) от отражающих поверхностей щитов контррефлектра до вторичного фокуса и расхождения между ними, были кратны длине волны принимаемого излучения.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема зеркальной системы антенны, на фиг.2 - оптическая схема хода лучей двух сопряженных щитов главного зеркала и контррефлектора, а на фиг.3 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
1
7
10
1
12
15
2
16
19
Схема зеркальной системы антенны (фиг.1) содержит плоскость 1 фронта принимаемого антенной радиоизлучения, лучи 2-5 принимаемого антенной радиоизлучения, падающего на главное зеркало, отражающую поверхность 6 главного зеркала, лучи 7-10, отраженные от щитов главного зеркала до первичного фокуса F (l-l - их длины), отражающую поверхность 11 контррефлектора, лучи 12-15 от первичного фокуса F до отражающей поверхности контррефлектора (l-l - их длины), лучи 16-19 от отражающей поверхности контррефлектора до вторичного фокуса F (l-l - их длины) и радиоприемник 20.
1
2
3
Оптическая схема (фиг.2) содержит щит 21 главного зеркала, лучи 22 и 23, отраженные от щита главного зеркала, щит 24 контррефлектора, согласованный с положением щита 21 главного зеркала, лучи 25 и 26, отраженные от щита 24, щит 27 контррефлектора, несогласованный с положением щита 21, лучи 28 и 29, отраженные от щита 27. Кроме того, фиг.2 содержит следующие буквенные обозначения: буквами A и B обозначены края щита 21 главного зеркала, С и Д - края щита 24, Е и К - края щита 27, F - первичный фокус, F - вторичный фокус, F - фокус лучей, отраженных от щита 27.
Блок-схема (фиг.3) системы адаптации зеркальной поверхности, реализующей предлагаемый способ, содержит блок 30 управления, один выход которого связан с первыми входами блока 32 вычисления отклонений щитов 21 и с первым входом блока 38 вычисления отклонений щитов 24, а второй выход связан с входом системы 31 измерения положения щитов 21 главного зеркала, второй вход которой связан со щитами 21, а выход с входом блока 32 вычисления отклонений положений щитов 21, выход блока 32 связан с входом группового регулятора 33 актуаторов, выходы которого связаны с входами контроллеров 34 актуаторов, одни выходы которых связаны с входом группового регулятора 33, а другие - с входами электросиловых приводов 35 актуаторов, выходы которых связаны с подвижными щитами 21 главного зеркала и датчиками 36 обратной связи, выходы которых связаны со вторыми входами контроллеров 34, и систему 37 измерения положения щитов 24 контррефлектора, один вход которой связан с выходом группового регулятора 33, а другой - со щитами 24, а выход с входом блока 38 вычисления отклонений положений щитов 24, выход блока 38 связан с входом группового регулятора 39 актуаторов, выходы которого связаны с входами контроллеров 40 актуаторов, одни выходы которых связаны с входом группового регулятора 39, а другие - с входами электросиловых приводов 41 актуаторов, выходы которых связаны с подвижными щитами 24 главного зеркала и датчиками 42 обратной связи, выходы которых связаны со вторыми входами контроллеров 40.
Описание способа.
1
2
1
1
2
При монтаже антенны щиты главного зеркала устанавливают таким образом (см. фиг.1), чтобы лучи 2-4, идущие от плоскости 1 фронта принимаемого антенной радиоизлучения и падающие на поверхность 6 главного зеркала, собирались в первичном фокусе F антенны и затем все в виде лучей 12-15 падали на щиты контррефлектора 11. При этом щиты контррефлектора 11 устанавливают таким образом, чтобы все отраженные от них лучи 16-19 собирались во вторичном фокусе F и попадали на чувствительную поверхность радиоприемника 20 с равными фазами. В этом случае КИП антенны будет максимальным. В частности, как показано на фиг.2, луч 22 от края А щита 21 главного зеркала, проходя через первичный фокус F антенны, попадает в край Д щита 24 контррефлектора, согласованный с положением щита 21 главного зеркала, а луч 23 от края В щита 21 главного зеркала, проходя через первичный фокус F антенны, попадает в край С щита 24 контррефлектора. При этом отраженные от щита 24 лучи 25 и 26 собираются во вторичном фокусе F антенны и, таким образом, попадают на чувствительную поверхность радиоприемника равными фазами.
3
2
В процессе наведения антенны на тот или иной источник радиоизлучения производится поворот по углу места главного зеркала и контррефлектора. При этом происходит деформация элементов конструкции антенны из-за изменения весовых и ветровых нагрузок. В результате происходит рассогласование положения щитов 21 главного зеркала с положениями щитов 27 контррефлектора (см. фиг.2). В частности, лучи 22 и 23 от края A и B щита 21 не попадают на края Д и C соответственно щита 27 контррефлектора, положение которого оказывается несогласованным с положением щита 21 главного зеркала. Следовательно, не все лучи от щитов главного зеркала попадают на щиты контррефлектора и, кроме того, как показано на фиг.2, отраженные от щита 27 лучи 28 и 29 собираются в фокусе F, положение которого не совпадает с положением вторичного фокуса F антенны. В результате они могут либо вообще не попасть на чувствительную поверхность радиоприемника, либо прийти на нее в несогласованной фазе с лучами от других щитов контррефлектора. Таким образом, при повороте антенны по углу места происходит уменьшение КИП антенны. Причем настройка антенны с помощью перемещения только щитов главного зеркала не устраняет рассогласование фаз при изменении длины волны излучения, так как условие согласованности фаз зависит от длины волны λ.
<mrow><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mi>n</mi><mi>λ</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
7
12
16
j
10
15
19
где L=l+l+l, L=l+l+l, n - целое число, λ - длина волны принимаемого радиоизлучения.
При повороте антенны по углу места блок управления 30 подает в систему 31 сигнал на начало измерений. Система 31 измеряет положения щитов 21 главного зеркала и передает измеренную информацию в блок 32 вычисления отклонений положений щитов 21. Блок 32 для каждого щита 21 главного зеркала строит в компьютере по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхности аппроксимирующих параболоидов таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и, при этом, разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения. Затем блок 32 вычисляет отклонения каждого щита от соответствующего ему аппроксимирующего параболоида и передает в групповой регулятор 33 соответствующие коррекции положения щитов 21 главного зеркала. Групповой регулятор 33 по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания для каждого из контроллеров 34, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 36 обратной связи положения актуаторов, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления, например пропорционально интегрально-дифференциальным (ПИД), управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы 35 актуаторов, которые будут перемещать актуаторы и соответственно подвижные щиты 21 до тех пор, пока сигналы от датчиков 36 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 33. При достижении равенства контроллеры 34 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 33, который после поступления сообщений от всех контроллеров 34 передаст в систему 37 сообщение на начало измерения положений щитов 24 контррефлектора.
Система 37 после поступления сигнала от группового регулятора 33 измеряет положения щитов 24 контррефлектора и передает измеренную информацию в блок 38 вычисления отклонений положений щитов 24 от согласованного с положениями соответствующих щитов 21 главного зеркала. Блок 38 для каждого щита 24 контррефлектора строит в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и положения отражающих поверхностей щитов контррефлектора и вычисляет рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора. Затем блок 38 по вычисленным рассогласованиям вырабатывает сигналы, соответствующие коррекции положения щитов 24 контррефлектора, и передает их в групповой регулятор 39, который по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания для каждого из контроллеров 40, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 42 обратной связи положения актуаторов, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления (например, ПИД) управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы 41 актуаторов, которые будут перемещать актуаторы и соответственно подвижные щиты 24 до тех пор, пока сигналы от датчиков 42 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 39. При достижении равенства контроллеры 40 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 39, который после поступления сообщений от всех контроллеров 40 передаст сообщение об окончании процесса адаптации в блок управления 30.
При изменении частоты или длины волны принимаемого антенной радиоизлучения достигнутое ранее системой адаптации соотношение длин оптических путей (1) перестает выполняться. Поэтому блок 30 управления передает в блоки 32 и 38 новое значение длины волны, которые производят новые вычисления и вырабатывают сигналы коррекции положения щитов 21, 24, поступающие в групповые регуляторы 33 и 39 для отработки.
Таким образом, предложенный способ реализуется рассмотренной системой адаптации, обеспечивая повышение КИП многодиапазонных ДЗА при значительном разбросе рабочих диапазонов частот и больших весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн.
Использованная литература
1. Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. // Журнал радиоэлектроники, №4, 2000.
2. RU Патент №2319171. Система автоматического наведения радиотелескопа, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. №7, 2008 г.