ГИБРИДНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С РАСШИРЕННЫМИ УГЛАМИ СЕКТОРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01Q1/00 

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.

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 (ППМ₁-ППМ_n) 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 (ИП₁-ИП_n) 6, процессор АФАР (ПА) 7, задающий амплитудное и фазовое распределение в ППМ₁-ППМ_n 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.

При неподвижном рефлекторе за один цикл луч занимает в пределах сканирования N_x положений по азимуту и N_y положений по углу места. При этом время пребывания луча в каждом из фиксированных положений составляет

где N_x - число положений луча по азимуту;

N_y - 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;

N_x - 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;

N_y - 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_y c N_x 1 d N_x N_y

Расчетные положения центра кластера распределения поля по АФАР выражаются как

Х_i=-F·tg(A_i) и

Y_j=-F·tg(B_j) (6)

где F - фокусное расстояние рефлектора;

А_i - положение луча по азимуту;

B_j - положение луча по углу места;

В предлагаемом варианте построения ГЗА с подвижным рефлектором при обзоре по азимуту луч перемещается в двух направлениях - половину цикла (лучи i=1÷N_x′/2) - направо и вторую половину цикла (лучи i=N_x′/2+l-N_x′) - налево (всего N_x′ положений). При движении направо сканирование по углу места в области отрицательных углов (лучи j=1÷N_y′/2), а при движении налево - для положительных углов (лучи j=N_y′/2+1÷N_y′). 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,

N_x′ - число положений луча по азимуту;

floor{…} - целая часть дроби;

N_x′- число положений луча по азимуту;

δt - время пребывания луча в фиксированном положении;

t - время.

Приведенные на фиг.5 буквенные обозначения участков кривой соответствуют положениям лучей: участок А_i1′ - i=1÷N_x′/2, участок А_i2′ -i=N_x′/2+1÷N_x′.

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;

N′_y - 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′_y/2 c′ N′_x/2 N′_y/2 d′ N′_x/2+1 N′_y/2+1 e N′_x N′_y/2+1 f N′_x N′_У

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

где A_iк - текущее смещение луча по азимуту, вызванное качанием рефлектора антенны;

А_max - 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

Xiк=-Ftg(A_i-Aiк)

,

где F - фокусное расстояние рефлектора;

А_i - положение луча по азимуту для антенны с подвижным рефлектором;

В_i - 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:

S~X_max Y_max,

S_в~X_вmax Y_вmax

S_к~X_кmax Y_кmax

где Х_max, Y_max, Х_вmax, Y_вmax, Х_кmax, Y_кmax - максимальные отклонения кластера на АФАР во взаимно перпендикулярных направлениях для неподвижного, вращающегося и качающегося рефлектора соответственно;

S, S_в, S_к - 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

Использование: для космических и наземных станций контроля воздушного пространства. Технический результат заключается в повышении скорости сканирования при уменьшении размеров активной фазированной антенной решетки. В гибридной зеркальной антенне (ГЗА) используется двойное управление лучом: электронное и механическое. Электронное сканирование в ГЗА осуществляется коммутационным способом с изменением амплитуды и фазы. С помощью механического сканирования достигается периодическое перемещение области электронного сканирования. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.

1. Гибридная зеркальная антенна (ГЗА) с расширенными углами секторного сканирования в азимутальной плоскости, включающая рефлектор, облучатель в виде активной фазированной антенной решетки (АФАР), помещенной во вне фокальной плоскости, приемопередающие модули (ППМ) с фазовращателями и аттенюаторами в каналах передачи и приема, СВЧ-распределительную систему (PC), возбудитель (ВЗ), источники питания (ИП) модулей, а также процессор АФАР, задающий амплитудное и фазовое распределения в ППМ по кластеру излучения АФАР, отличающаяся тем, что в ГЗА дополнительно введен механизм изменения положения рефлектора (МИР), а в процессор АФАР введен блок коррекции координат кластера излучения в зависимости от положения рефлектора.

2. ГЗА по п.1, отличающаяся тем, что механизм изменения положения рефлектора выполнен в виде механизма вращения рефлектора, причем оптическая ось рефлектора не совпадает с осью его вращения.

3. ГЗА по п.1, отличающаяся тем, что механизм изменения положения рефлектора выполнен в виде механизма качания рефлектора в азимутальной плоскости.