Гибридные зеркальные антенны с облучающими активными фазированными решетками: вопросы проектирования и измерений Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневскце чтения

актуаторов во времени. Для описания системы «актуа-тор-конструкция» необходим учет сложной структурной организации актуатора и КМ, зависимости свойств компонентов от взаимодействия с тепловыми, электрическими и механическими полями, а также учет адгезии актуатора и конструкции.

С учетом вышесказанного предпринята попытка разработать конечный элемент для численного анализа моделей исследуемых конструкций, учитывающий сложную структурную организацию КМ и актуатора, связь электрических, механических и тепловых полей. В дальнейшем планируется учесть адгезию системы «актуатор-конструкция».

В качестве исходных предпосылок для разработки конечного элемента приняты следующие положения:

- создаваемый конечный элемент, являющийся слоистым композитным элементом, позволяет выполнять расчеты многослойных пластин и пологих оболочек в широком диапазоне толщин;

- оболочки переменной толщины в данном случае не рассматриваются;

- в расчете НДС конструкции с актуаторами как многосвязного тела используются основные уравнения механики связанных полей и теории слоистых пластин и оболочек;

- рассматриваемый конечный элемент имеет полный набор степеней свободы для каждого узла. Такое допущение позволяет проводить динамический и статический анализ подкрепленных оболочек;

- под понятием «структурная организация материала» понимается совокупность геометрических, физико-механических и пьезоэлектрических параметров компонентов актуатора и КМ, способных повлиять на функциональные свойства системы «актуатор-конструкция»;

- при моделировании НДС формо- и размероста-бильной конструкции структурная организация материала считается в первом приближении упорядоченной, в дальнейшем предполагается ввести в конечный элемент возможность моделирования стохастических систем КМ.

Разрабатываемый конечный элемент позволит смоделировать НДС системы «актуатор-конструк-ция» во времени. Достоверность результатов, полученных с использованием этого конечного элемента, проверяется решением ряда тестовых задач, включающих в себя расчеты пластин и оболочек, а также сравнением результатов с аналитическими решениями (для простых случаев) и экспериментальными данными.

E. A. Vasilyeva

Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D. F. Ustinov, Russia, Saint-Petersburg

DEVELOPMENT OF THE FINAL ELEMENT FOR MODELLING OF ACTIVE CONTROLL OF SHAPE AND SIZE OF STRUCTURE OF SPACE TECHNIQUE WITH THE FINAL ELEMENT MADE OF COMPOSITE MATERIALS WITH USAGE OF SMART MATERIALS ACTUATORS

The article deals with topical issues of development of the final element for modeling of active control of shape and size of space structure made of composite materials with usage of smart materials actuators.

© Васильева Е. А., 2011

УДК 621.396.67

И. Л. Виленко, Ю. В. Кривошеев, А. В. Шишлов ОАО «Радиофизика», Россия, Москва

ГИБРИДНЫЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ С ОБЛУЧАЮЩИМИ АКТИВНЫМИ ФАЗИРОВАННЫМИ РЕШЕТКАМИ: ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЙ

Представлено решение задачи конструктивного синтеза гибридной зеркальной антенны (ГЗА) с двумерным сканированием, основанное на методах геометрической и физической оптики. Рассмотрен пример синтеза офсетной антенны с облучающей активной фазированной антенной решеткой (АФАР) для спутника системы космической связи. Приведены соотношения, связывающие функциональные характеристики ГЗА с конструктивными параметрами антенны и параметрами возбуждения облучающей АФАР. Представлены оценки эффективности ГЗА. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения характеристик излучения ГЗА c большими раскладными зеркалами.

Гибридная зеркальная антенна (ГЗА) представляет собой систему, состоящую из крупноапертурного зеркала, обеспечивающего высокую направленность луча, и облучающей решетки, проводящей сканирование в ограниченном секторе углов. В последнее время ГЗА все чаще применяются в системах спутниковой связи, радиоастрономии и радиолокации. Авторами в

развитие асимптотической теории ГЗА на основе методов геометрической (ГО) и физической оптики (ФО) решена задача конструктивного синтеза ГЗА с двумерным сканированием на примере офсетной антенны с параболическим рефлектором и облучающей активной фазированной антенной решеткой (АФАР) (см. рисунок).

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

Геометрия ГЗА

Гибридная зеркальная антенна состоит из несимметричного параболического зеркала и плоской облучающей решетки (см. рисунок, часть а). Область сканирования задана в виде углового сектора ^ (см. рисунок, часть б), контур Г которого определяется функциями аГ(/), рГ(0- Граница у области £ размещения излучателей определяется функциями ху (/), уу (/) (см. рисунок, часть в) из соотношений

хДО

D

y g (t)

D

-k (f/D )aY (t),

-k (f/D )Bg (t),

(1)

где к (у) = (^/5 - 2ео8у- 3еоз2 у )/(2зт2 у) - функция, зависящая только от угла раствора зеркала у(/П) [1]. В силу линейности уравнений (1), контуры апертуры решетки и сектора сканирования подобны, причем у является перевернутым изображением Г.

Поперечный размер кластера облучающей решетки, формирующего остронаправленный луч в заданном направлении, оценивается соотношением

D » с(f/D Wa2 +b2,

(2)

где с(y)» {(^/5 - 2cosy - 3 cos2 y )/(2sin2 y)}- {(1 + cos y )/[2sin y- cos3(y/2)]} - монотонно воз -растающая функция, зависящая от угла раствора зеркала y(f/D) [1].

Соотношения (1), (2) с достаточной точностью описывают ГО-размеры решетки и кластера решетки и, ввиду их простоты, полезны для оценок на начальном этапе проектирования ГЗА. На основе этих соотношений также можно оценить площадь решетки и количество излучателей в решетке при фиксированном шаге. Авторами получены результаты моделирования размеров облучающей решетки и кластеров в зависимости от f /D и сектора сканирования, которые показывают, что размер решетки минимален при f /D - 0,6, а относительный ГО-размер кластера уменьшается при возрастании f/D.

Для более точного определения геометрии антенны, а также амплитуд и фаз возбуждения излучателей, в качестве критерия качества необходимо выбрать основные характеристики ГЗА, такие как диаграмма направленности (ДН) и коэффициент усиления (КУ), что можно сделать только с учетом волнового характера поля.

Для расчетов характеристик больших зеркальных антенн в окрестности главного лепестка наиболее эф -фективным является метод ФО [2]. На основе ФО можно получить следующее выражение для угловой зависимости ЭИИМ, т. е. измеряемой характеристики ГЗА с АФАР:

P0 G (a, b)

IVPG" e^F, (a, b)

(3)

где Pi - мощность на входе i-го излучателя; Geu -КУ i-го излучателя; Ф, - фаза i-го излучателя; F,(а, в) - парциальная ДН i-го излучателя в составе антенны, которая в приближении ФО вычисляется интегрированием токов, возбуждаемых на поверхности зеркала i-м излучателем решетки. Аналогичное соотношение может быть получено и для G/T ГЗА.

Данные соотношения могут быть использованы как для расчета характеристик ГЗА, так и для формирования и оптимизации кластеров ГЗА, а также при определении характеристик излучения ГЗА путем измерения и обработки характеристик ее составных частей. Это особенно важно в случае ГЗА спутнико -вых систем с гигантскими раскладными рефлекторами, для которых измерения методом дальней зоны либо методом ближней зоны с помощью сканера крайне затруднительны или невозможны.

Библиографические ссылки

1. Асимптотическая теория гибридных зеркальных антенн / Л. И. Алимова, Б. Е. Кинбер, В. И. Классен, А. В. Шишлов // Прикл. электродинамика. M. : Высш. школа, 1983. Вып. 6. С. 258-290.

2. Silver S. Microwave Antenna Theory and Design. N. Y. : Mc Crow-Hill Rook Co., 1949.

б

а

в

Решетневские чтения

I. L. Vilenko, Yu. V. Krivosheev, A. V. Shishlov JSC «Radiophyzika»

REFLECTOR ANTENNAS FED BY ACTIVE PHASED ARRAYS: DESIGN AND MEASUREMENT ISSUES

A method of parametrical synthesis of array-fed reflector antennas with two-dimensional scanning based on geometrical optics and physical optics is presented. The method is illustrated by synthesis of the offset active-array-fed antenna for satellite communication. Relationships between radiation characteristics of the antenna and its constructive parameters as well as array elements excitation parameters are given. Estimations of the antenna effectiveness are presented. A method of reconstruction of antenna radiation characteristics through measurements of the reflector geometry and radiation performances of the feed array is proposed.

© Виленко И. Л., Кривошеев Ю. В., Шишлов А. В., 2011

УДК 629.78.01

В. В. Возов, Е. К. Черкашина, В. В. Шальков, Д. О. Шендалев

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

РАЗРАБОТКА ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ С ТРЕУГОЛЬНЫМИ ФАЦЕТАМИ ДЛЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ТРАНСФОРМИРУЕМОГО РЕФЛЕКТОРА

Представлены результаты сравнительного анализа различных схем формообразующих структур для трансформируемых сетчатых рефлекторов. Приведено описание и особенности конструкции разрабатываемой схемы формообразующей структуры зонтичного рефлектора с фацетами треугольной формы.

Формообразующая структура - это элемент конструкции трансформируемого сетчатого рефлектора, предназначенный для формирования профиля отражающей поверхности из растянутого сетеполотна с требуемой точностью.

Одна из основных характеристик формообразующей структуры - формы элементарных ячеек, на которые разбита вся отражающая поверхность. Наиболее распространенными формами элементарных ячеек являются:

- клиновидная (сектор);

- трапецеидальная;

- треугольная.

Клиновидная форма элементарных ячеек применяется лишь для рефлекторов сравнительно малых размеров. Исключение составляет схема рефлектора с гибкими спицами, разработанная компанией Lockheed Missiles and Space (США), в которой функции формообразующей структуры выполняет силовой каркас.

На ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» в настоящий момент наиболее освоенной является схема с трапециевидными фацетами (радиально-кольцевая схема). Сравнительный анализ схем с трапециевидными и треугольными фацетами показал, что последняя имеет наименьшее количество регулировочных точек при той же точности. В пределе соотношение количества точек регулировки может достигать двух в пользу формообразующей структуры с треугольными фаце-тами. Это преимущество обусловливает необходи-

мость отработки данной схемы на физической модели рефлектора [1-4].

Трансформируемый рефлектор с треугольной формообразующей структурой состоит из силового каркаса, фронтальной и тыльной сетей (см. рисунок).

2

Трансформируемый рефлектор с треугольной формообразующей структурой: 1 - силовой каркас; 2 - фронтальная сеть; 3 - тыльная сеть

В состав силового каркаса входят основание, трансформируемые спицы, мачта и тросы-растяжки.

Фронтальная сеть, формирующая фацеты, и тыльная сеть, предназначенная для придания параболической формы фронтальной сети, являются основными элементами формообразующей структуры.

Предлагаемая схема построения рефлектора имеет следующие особенности: