Основные антенны

Параметры одной из антенн подобраны таким образом, чтобы продемонстрировать любопытный эффект, связанный с интерференцией поля облучателя и поля, отраженного от зеркала: в освещенной зоне на оси антенны имеется провал.

При экспериментальном исследовании ближнего поля по существу измеряется величина коэффициента передачи или электромагнитной связи между вибратором V1 (облучателем антенны ) и вибратором V2, используемым в качестве измерительного датчика. Под значением коэффициента электромагнитной связи будем далее понимать отношение мощности, излученной вибратором антенны, к мощности, поступившей в согласованную нагрузку приемного вибратора. Можно показать, что этот коэффициент связи (в децибелах) выражается формулой

Для определения численным методом коэффициента связи между вибраторами решалось интегральное уравнение (1) для узкого полоскового вибратора резонансной длины, выбранной так, чтобы его входное сопротивление было чисто активным (длина вибратора при этом составила около 0.47л), причем в качестве функции в правой части уравнения использовалось распределение поля, показанное на рис.9. Для получения результатов, соответствующих проведению эксперимента, в данном случае необходимо учитывать влияние входного сопротивления приемника. Это достигается добавлением сосредоточенной нагрузки, равной по величине активному сопротивлению вибратора (73 Ома). При решении уравнений такая нагрузка учитывается введением отличного от нуля поверхностного импеданса соответствующей величины на части вибратора в небольшой окрестности его центра.

Для сопоставления результатов измерений электромагнитной связи с напряженностью поля встает вопрос о соответствующем коэффициенте пропорциональности. Для определения этого коэффициента можно использовать следующую процедуру. Вначале с помощью численного решения уравнения (1) определяется ток j0 в приемном вибраторе, соответствующий падению плоской волны с напряженностью электрического поля Е0=1 В/м. Тогда для произвольного значения E в силу линейности уравнений Максвелла

Таким образом, для пересчета значений коэффициента электромагнитной связи в значения напряженности поля в соответствующих точках требуется знать лишь постоянную b, которая легко находится через значения j0 и j*.

Для определения коэффициента электромагнитной связи на основе асимптотического подхода использовались результаты работы [4], в соответствии с которыми в рассматриваемом случае в плоскостях E и H

В этом соотношении,- комплексный интеграл Френеля от аргумента u, и - нормированные диаграммы направленности вибраторов. Входящий в (3) коэффициент учитывает переход соответствующего луча через осевую каустику; он равен -i, если рассматриваемый луч переходит через ось Z, и равен 1 в противном случае. Смысл остальных параметров можно понять из рисунка 10.

На рисунке 11 приведены полученные описанным путем результаты расчетов для зеркальной антенны с углом раскрыва в плоскости H. Точка наблюдения и приемный вибратор перемещались по дуге окружности радиуса 7.5 л, причем вибратор сохранял ориентацию параллельно оси Y. По оси абсцисс отложен угол, определяющий направление от начала координат на приемный вибратор. Голубая утолщенная кривая показывает величину модуля составляющей Ey поля, полученную непосредственным расчетом, зеленая - на основе асимптотического расчета электромагнитной связи и красная - на основе численного моделирования измерений ближнего поля.

Как видно, полученные на основе численного моделирования данные хорошо совпадают друг с другом - различия кривых на графике практически незаметны.

Результаты асимптотического моделирования хорошо совпадают с полученными численными методами в области около, а за пределами этой области имеют заметные отличия, что обусловлено погрешностями асимптотических формул. Прежде всего это окрестность оси Z (соотношения [4] не предназначены для использования в окрестности осевой каустики), а также область и 1300 , поскольку асимптотические выражения [4] справедливы только для области тени.

На рисунке 12 приведены соответствующие результаты для плоскости E. Как видно, в этом случае расхождение приведенных кривых более выражено. Различие результатов, полученных на основе численного моделирования поля, и результатов моделирования измерений в окрестности =900 можно объяснить влиянием конечных размеров приемного вибратора. Различные участки поверхности вибратора возбуждаются с различными фазами, что приводит к ослаблению принимаемого им сигнала.

Этот эффект особенно выражен при =900, когда волновой фронт поля ортогонален оси приемного вибратора. Наиболее наглядно это проявляется, если рассматривать составляющие и (рис.13).

Асимптотические результаты в данном случае удовлетворительно передают картину в целом, однако отличие их от численных оказывается более заметным.

В области тени за зеркалом антенны это связано, по-видимому, с влиянием лучей соскальзывания, которые играют в плоскости Е более значительную роль, чем в плоскости Н.

Если это предположение верно, совпадение должно быть хорошим тогда, когда роль этих лучей заведомо мала. На рисунке 14 показаны результаты расчета коэффициента связи численным и асимптотическим методом в плоскости Е для зеркала с углом раскрыва 2*110, причем приемный вибратор перемещался вдоль отрезка прямой Z=-3л, 0 <Y< 20л. В этом случае луч от нижней кромки затеняется выпуклой поверхностью зеркала. Как видно, за исключением начальной части траектории приемного вибратора, где затухание лучей соскальзывания от нижней кромки еще невелико, в рассматриваемом случае достигается весьма высокая точность совпадения результатов[9].

Рассмотрим вопрос о различии между численными и асимптотическими результатами в окрестности 900. Дополнительные исследования показывают, что это различие связано с тем, что в асимптотические соотношения (3) входят диаграммы направленности диполей D1 и D2, т.е. характеристики излучения в дальней зоне и, хотя расстояние между диполями удовлетворяет критерию дальней зоны, этого оказывается недостаточно, чтобы радиальные составляющие электрических полей диполей достаточно сильно затухли. Для иллюстрации сказанного приведен рисунок 15, где показано распределение составляющей Ey вдоль окружностей различного радиуса R = a л0, вычисленное на основе решения уравнения (1). Диаграмма направленности вибратора имеет ноль в направлении его оси. В то же время значение составляющей Ey, как видно из графиков, даже на расстоянии R=1000л от вибратора имеет еще различимое на практике значение порядка -70 дБ. На расстоянии же R=7.5л эта составляющая имеет уровень -30 дБ, что и объясняет рассматриваемое различие.

Таким образом, результаты исследования данной модели показали следующее:

1. В плоскости Н датчик в виде полуволнового вибратора обеспечил высокую точность измерений (погрешность менее 0.1 дБ).

2. В плоскости Е погрешность воспроизведения тангенциальной составляющей электрического поля при сканировании по сфере менее 0.5 дБ, и только в области глубокой тени составила величину порядка 1 дБ.

3. В этой же плоскости погрешность воспроизведения радиальной составляющей электрического поля при сканировании по сфере составила величину порядка 2 дБ. Следует отметить, что точность воспроизведения этой составляющей не влияет на точность восстановления диаграммы направленности по измерениям ближнего поля.

4. Метод интегральных уравнений обеспечил достаточно высокую точность расчета поля даже в области глубокой тени. Сопоставление результатов, полученных с использованием кусочно-линейных пробных и базисных функций [3] при размере элемента расчетной сетки порядка 0.1, в области глубокой тени (уровень поля порядка -70 дБ) показало хорошее совпадение (отличие менее 1 дБ) с результатами асимптотических вычислений, обеспечивающих здесь заведомо малую абсолютную ошибку.

Глава 3. Конструирование зеркальных систем

3.1. Проблемы конструирования зеркальных антенн

Важнейшими элементами в составе БЗА являются конструкции ЗС антенны и система управления ее лучом. Именно эти элементы определяют точность формы антенны и ориентацию ее луча, основные составляющие экономических и эксплуатационных показателей БЗА в целом, а также предельные возможности БЗА в отношении их наибольших физических и электрических размеров.

Прогнозируемое использование БЗА в космосе требует создания специальных конструкций и методов их проектирования, которые удовлетворяли бы прежде всего требованиям минимальной удельной массы для условий невесомости, высокой надежности и простоты транспортирования на орбиту и последующего развертывания или монтажа, термостабильности формы в условиях одностороннего нагрева и резкого колебания температур. Эти направления развития БЗА находятся еще в начальной стадии и связаны прежде всего с экспериментальной проверкой и практической реализацией накопленных теоретических результатов применительно к конкретным потребностям радиокосмических систем.

Исходя из требований, которые предъявляются к конструкциям и системам наведения (СН) современных наземных БЗА, возникают следующие основные проблемы при создании этих элементов: построение высокоточных и экономичных формообразующих и несущих металлоконструкций ЗС диаметром около 10 ...100 м, создание высокоточных, технологичных и эксплуатационно стойких панелей отражающей поверхности ЗС, а также методов и аппаратуры для их высокоточной регулировки на каркасе зеркала; разработка эффективных средств локальной защиты ЗС и ОС от отложений осадков; построение высокоточных и экономичных опорно-поворотных устройств (ОПУ) и систем наведения.

3.2. Конструкции каркаса зеркальных систем

Основное требование, предъявляемое к конструкциям каркаса ЗС, состоит в стабильном сохранении заданной геометрической формы установленной на каркасе отражающей поверхности зеркал и положения элементов ОС относительно ЗС.

В эксплуатации переменные весовые, ветровые, температурные и динамические воздействия вызывают деформации каркаса ЗС, характер и величина которых зависят в основном от его жесткости и конструктивной схемы, определяющей сопряжение каркаса с опорой и с нагрузками со стороны конструкций облучающей системы.

Для крупных и наиболее высокоточных БЗА сантиметрового и миллиметрового диапазонов требуемые точности ЗС составляют 0,1...1 мм при диаметрах антенн 10...100 м, что соответствует относительной точности 10-4... 10-6. Построить ЗС с наиболее высокими параметрами практически возможно лишь при использовании различных методов автоматической компенсации переменных деформаций их каркаса и ограничения переменных составляющих внешних влияний. При этом требование к средствам компенсации сводится к поддержанию теоретической формы зеркал ЗС в таких пределах, в которых сохраняется достаточно хорошая фокусировка поля в фокальном пятне, а на стабильность положения фокуса жестких ограничений не накладывается, поскольку эта часть расфокусировки сравнительно легко компенсируется. Такие ЗС называются гомологическими.

Указанная компенсация реализуется либо естественным путем за счет выбора жесткости и массы соответствующих опор, либо принудительно с помощью механизмов с дистанционным автоматическим управлением по программным данным или от датчиков контроля расфокусировки ЗС. Часть поперечной расфокусировки, которая не сказывается существенно на эффективности антенны, компенсируется введением угловой поправки в систему наведения[2].

Для построения облегченных, экономичных каркасов ЗС невысокой точности определенный интерес представляют вантово-стержневые конструкции с предварительным натяжением вант. Практика создания антенн с такими ЗС подтверждает их способность работать в метровом и дециметровом диапазонах.

Основными задачами при создании многократно статически неопределимых вантово-стержневых каркасов являются: разработка инженерных методов расчета, отработка методики сборки с обеспечением расчетного предварительного напряжения, а также исследование зависимостей между габаритно-массовыми характеристиками ЗС, воздействующими на них весовыми и ветровыми нагрузками и возникающими деформациями ЗС.

Обычно в гомологических ЗС любого класса остаточные искажения формы заметно меньше абсолютных деформаций . Для достаточно совершенных ЗС отношение и является показателем гомологичности конструкций. Основными условиями достижения гомологичности являются:

строгая осевая симметрия конструкции главного зеркала,

его опирание на угломестную ось без существенного нарушения осевой симметрии деформаций промежуточных конструкций,

подбор необходимого соотношения жесткостей и массы элементов каркаса радиально-кольцевой ферменной структуры,

устранение локальных нагрузок на каркас зеркала со стороны опор облучающей системы и кабин с прямой их передачей на жесткие промежуточные конструкции между ЗС и ОПУ.

Для высокогомологичных в условиях весовых нагрузок ЗС результирующие искажения их формы определяются другими, менее регулярными воздействиями. Среди них ветровые воздействия, которые по направлению значительно более разнообразны и распределены по конструкциям менее однородно, чем весовые[1].

Для оценки степени ветровой гомологичности конструкций ЗС требуется детальное изучение сложной структуры аэродинамического давления на элементы антенны в зависимости от ее ракурса по отношению к ветру и аэродинамических свойств конструкций. Такие исследования трудоемки и обычно ведутся на моделях антенн в аэродинамических трубах и на гидродинамических установках с соблюдением принципов соответственно аэродинамического и гидродинамического моделирования, а также в натурных условиях.

Другой нерегулярный фактор воздействия на конструкции ЗС состоит в равномерном и неравномерном по пространству и достаточно медленном во времени изменении их температуры под влиянием окружающего воздуха, солнечной радиации и обдува ветром. С увеличением электрических размеров БЗА и по мере совершенствования методов построения гомологичных по весовым нагрузкам каркасов роль их температурных погрешностей возрастает.

Изменение тепловых полей в антенне зависит от многих факторов: ракурса антенны по отношению к Солнцу и ветру, облачности и силы ветра, высотного градиента температуры воздуха в пределах крупных сооружений, вклада вторичного теплового излучения отражающей поверхности зеркала и тех опорных конструкций, которые имеют большую площадь, неравномерности тепловой инерции а разных зонах конструкций при суточном изменении температур.

Основным средством борьбы с неравномерными тепловыми деформациями является максимальное снижение градиентов линейных расширений затечет выравнивания поля температур на силовых конструкциях, которое достигается применением тепло-отражающей светлой окраски конструкций, экранированием силового каркаса ЗС от воздействия прямого и вторичного солнечного нагрева и обдува ветром, перемешиванием воздуха внутри теплоэкранированного каркаса.

Ослабление искажений формы ЗС под влиянием динамических возмущений обеспечивается теми же методами, что и снижение динамических угловых погрешностей системы наведения (см. далее в этом параграфе).

Медленно меняющиеся во времени остаточные искажения формы ЗС в гомологических конструкциях носят преимущественно среднемасштабный характер. Их дальнейшая компенсация невозможна без достаточно точного и подробного эксплуатационного контроля поверхности главного зеркала и автоматической коррекции ее формы с помощью сервомеханизмов, управляющих положением панелей отражающей поверхности [4]. В тех случаях, когда радиус корреляции искажений достаточно велик, автоматизированная коррекция формы ЗС может оказаться более простой при регулировке поверхности одного из вторичных зеркал вместо главного.

3.3. Отражающая поверхность зеркальных систем

Отражающая поверхность главного зеркала для перспективных БЗА выполняется в виде набора отдельных панелей, установленных на каркасе зеркала и не участвующих в работе его силовой схемы. Точность поверхности складывается из точностей изготовления и регулировки панелей на каркасе и стабильности их положения и формы в условиях эксплуатации. Перфорация панелей для высокоточных БЗА сантиметрового и миллиметрового диапазонов для снижения ветровых нагрузок оказывается малоэффективной и выполнима не для всех видов конструкций панелей.

Тепловые деформации панелей могут возникать под влиянием температурного градиента между их рабочей и тыльной поверхностями. Для снижения этих деформаций необходимо: уменьшение толщины панелей, выравнивание в них температуры по толщине за счет хорошей теплопроводности и применения для рабочей и тыльной поверхностей материала с малым коэффициентом линейного расширения, в лучшем случае на основе углепластика[5]. Кроме точности панели должны обладать механической устойчивостью к условиям монтажа и регулировки на антенне и многократным многолетним циклическим воздействиям воды, мороза, снежных и ледяных лавин, а при необходимости обеспечивать работу людей на поверхности зеркала при обслуживании антенны. Известны различные варианты конструкций панелей с характерными особенностями.

Существенное значение для высокоточных БЗА имеют методы и оборудование для выставки панелей на каркасе ЗС и контроля деформаций зеркал при их различных пространственных положениях и ветровых и тепловых воздействиях, что необходимо при монтаже и наладке антенны. Эти данные необходимы, в частности, для введения в формулу ЗС так называемых предыскажений, равных средним в диапазоне угломестных положений антенны весовым искажениям, взятым с противоположным знаком. Необходимость контроля формы ЗС может возникнуть и в процессе эксплуатации особо точных, наиболее крупных БЗА, которые оборудованы устройствами дистанционной коррекции положения панелей.

Широко использовавшиеся на определенной стадии развития БЗА обычные геодезические методы и аппаратура контроля формы ЗС сыграли свою положительную роль. Однако из-за недостаточности автоматизации эти методы уступают другим, более совершенным.

Стереофотограмметрический метод позволяет в короткое время получить, а затем обработать, в том числе с использованием ЭВМ, данные об искажениях формы поверхности зеркала фотографированием поля реперов на панелях с помощью нескольких разнесенных специальных фотоаппаратов, установленных с оптимальными ракурсами и базами в произвольной системе координат. Этот метод имеет определенные ограничения, как по точности, так и ло возможности оптимального размещения фотоаппаратов на конструкциях ЗС без дополнительных опор.

Радиодальномерный метод предусматривает контроль изменения высотного положения радиореперов относительно начальной формы поверхности ЗС вследствие деформации антенны. Измерение ведется с помощью фазового дальномера, установка которого принципиально возможна в произвольной точке над главным зеркалом. При этом плановые положения радиореперов в «плоскости поверхности зеркала должны быть известны. Для работы радиодальномера требуется оснащение всех контролируемых точек поверхности радиореперами в виде малогабаритных модулированных радиопереотражателей.

Наибольшими возможностями среди подобных методов обладает метод угломерно-дальномерных измерений в оптическом диапазоне с применением лазерных дальномеров фазового типа при точном контроле углового положения луча лазера. В большинстве случаев этот метод требует оснащения панелей реперами или отражателями в виде трапель -- призм либо пленочных отражателей типа катафот. В перспективе возможны измерения и без специальных отражателей. Полученные полные дальномерно-угломерные данные со всей поверхности зеркала обрабатываются на ЭВМ, в результате чего определяется положение начала и осей координат для расчетной формы ЗС, наименее уклоняющейся от измеренного состояния поверхности ЗС. Затем в найденной системе координат определяется остаточное отклонение поверхности зеркала от его расчетного профиля. Найденная ось ЗС привязывается к угломестной оси ОПУ устранением ее неперпендикулярности или введением соответствующих поправок в систему углового отсчета СН.

В последнее десятилетие все большее применение получает контроль формы ЗС методами радиоголографии. Для этого измеряется амплитудно-фазовое распределение поля на некоторой поверхности в ближней зоне антенны или в дальней зоне с захватом значительного числа боковых лепестков ДН в телесном угле. Измеренное распределение пересчитывается в апертурное распределение поля с использованием аппарата преобразования Фурье. Преимущество метода -- возможность многократного контроля при эксплуатации не только искажений главного зеркала, но и всей ЗС и ОС. Для любого из указанных методов принципиальное значение имеет высокая точность всех элементов измерительной системы и возможность автоматизации измерений и обработки результатов.

Оценивая результирующее СКО панелей и каркаса ЗС для высокоточных БЗА, можно представить их структуру в следующем виде:

погрешность изготовления панелей главного и вторичных зеркал, включая погрешность нанесения контрольных реперов;

методическая и аппаратурная погрешности контроля и регулировки положения реперных точек панелей при их установке на каркасах зеркал;

методическая и аппаратурная погрешности начального контроля и регулировка осевого и поперечного положений реперов вторичных зеркал и облучателя и ориентации их осей при установке на антенне;

весовые, ветровые, температурные и динамические негомологические деформации каркасов главного и вторичных зеркал;

некомпенсируемое эксплуатационное осевое и поперечное смещения центров вторичных зеркал вследствие деформации их опор;

ветровые, температурные и весовые деформации панелей.

В достаточно совершенной конструкции ЗС значения основных компонентов погрешности должны быть одного порядка. Учитывая, что число основных компонентов составляет 3. ..5 и они не коррелированны между собой, каждая из них из условия квадратурного сложения должна оцениваться как , где --суммарная допустимая погрешность. Таким образом, при определении минимальной рабочей волны из условия допуск на основные составляющие погрешности оценивается в среднем как .

Список литературы:

Соколов А. Г. Металлические конструкции антенных устройств. -- М.: Стройиздат. 1971.---240 с.

Геруни П. М. Вопросы расчета сферических двухзеркальных антенн//Ра-диотехника и электроника. -- 1964. --Т. IX, № 1, С. 3---12.

Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. -- М.: Наука, 1973.--416 с.

Кардашов Н. С.. Погребенко С. В., Царевский Г. С. Об апертурном синтезе с использованием космического радиотелескопа//Астрон. жур.--1980.-- Т. 57, вып. 3.--С. 634--648.

Андрианов В. В., Кардашов Н. С. Проект наземно-космического радиоинтерферометра с длиной базы до 1 млн. км. и когерентной радиосвязью между телескопами//Космические исследования. -- 1981. -- Т. XIX, вып. 5. -- С. 763--772.

О проблеме создания комплекса современных экономических радиотелескопов/Богомолов А. Ф., Соколов А. Г., Попереченко Б. А., Поляк В. С.: Антенны/Под ред. А. А. Пистолькорса. -- М.: Связь, 1976. -- Вып. 24. -- С. 106--123.

Богомолов А. Ф., Попереченко Б. А., Соколов А. Г. Следящий параболический радиотелескоп ТНА-1500 диаметром 64 м: Антенны/Под ред. А. А. Пистолькорса. -- 1982. -- № 30. -- С. 3--13.

Калачев П. Д., Саломонович А. Е. Радиотелескоп ФИАН СССР с 22-метровым параболическим рефлектором//Радиотехника и электроника.--1961.-- Т. VI, №3.--С. 422--425.

9. "ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 3, 2004. А.Г. Давыдов, В.А. Калошин, Институт радиотехники и электроники РАН

Страницы: 1, 2, 3