CC BY
84
УДК 621.391.677: 519.711.3 Шишулин Д.Н.
Россия, Пенза, Пензенский государственный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИЙ НА ПАРАБОЛИЧЕСКУЮ АНТЕННУ В ANSYS
Аннотация. Исследуется влияние вибрационных воздействий на характеристики излучения параболической антенны в программном пакете ANSYS. Производится сравнение диаграмм направленности построенных на основании экспериментальных данных и данных, полученных в программе. Проведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: антенна, вибрации, деформации, характеристики излучения
Антенны радиотехнических систем различного назначения, закрепленные на борту подвижных объектов, подвергаются неблагоприятному воздействию окружающей среды. В результате таких внешних воздействий излучающая поверхность антенны деформируется, изменяя пространственное амплитуднофазовые распределение источников возбуждения, диаграмму направленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия и другие параметры антенны и системы в целом [1].
Обычно такие влияния учитываются после проведения испытаний, которые требуют больших материальных и временных затрат. Перспективным направлением в исследовании такого рода процессов в антеннах является применение компьютерных технологии. Для исследования конструкции антенн можно воспользоваться программными пакетами ANSYS и SOLIDWORKS. Они позволяют проводить расчеты напряженно деформированного состояния конструкции для стационарных задач. Пакеты ANSYS, SOLIDWORKS, как и многие другие CAE, CAD - продукты, для математического моделирования различных физических процессов использует метод конечных элементов. Этот метод сочетает в себе универсальность алгоритмов решения различных краевых задач с эффективностью компьютерной реализации вычислений.
Пусть объектом исследования в пакете ANSYS (рис. 1) является зеркало зеркальной параболической антенны диаметром 0,71м., толщиной 3 мм, закрепленное вертикально с помощью недеформируемого дискового «держателя» в центре зеркала в 8 точках. На зеркало действует вибрация с амплитудой 1-3 мм и резонансной частотой 48 Гц. В таком положении зеркала при вибрационных воздействиях основной формой колебаний являются асимметричные колебания, причем определяющее влияние на форму колебания зеркала оказывает конструкция держателя [2].
Рис.1. Исследование вибраций параболического зеркала в пакете Ansys
В результате исследования влияния вибрационных воздействий на апертурную антенну в ANSYS были получены значения смещения зеркала по нормали к поверхности в анализируемых во время вибрационного воздействия (таблица 1).
Таблица 1
пакете
точках
R, мм Изменение пути парциального луча, Ar ,мм
350 4,23
330 3, 96
310 3,76
290 3,53
270 3,22
250 3,05
230 2,89
210 2,71
190 2,56
170 2,34
150 2,04
130 1,7
110 1,43
90 0,58
70 0,08
50 0
30 0
10 0
Для расчета ДН антенны с учетом вибраций воспользуемся следующей методикой. Наиболее подходящим для рассмотрения непрерывной излучающей поверхности является дискретное представление. Нахождение поля антенны, создаваемого системой элементарных излучателей, в точке наблюдения P , сводится, в результате, к суммированию полей всех составляющих её источников с учетом ампли-
туд и фаз. В соответствии c этим напряженность электрического поля Ez , создаваемого такой антенной, примет вид [1, 3-5]:
n
Ez = XEet , (D
i=0
где i — номер излучателя; Eei — составляющая электрического поля, создаваемая элементарных излучателем с индексом i ; n=2N — четное число излучателей.
Составляющая электрического поля Ет , создаваемая i- м излучателем в направлении точки
наблюдения P может быть определена как -jk (r + А)
Ea = E(ii • F(0i)-— , (2)
r + At
где E0i — амплитуда напряженности электрического поля i - го излучателя у поверхности антенны; F(0j) — уровень ДН i -го излучателя в направлении в ; в — угол наблюдения точки P относительно нормали к i —тому элементарному излучателю в его центре; j=yf—l — мнимая единица; 1 2ж “3
к=— — волновое число электромагнитной волны; Я — длина электромагнитной волны; r — рассто-
Я
яние от центра i -го излучателя до точки наблюдения P ; At — изменение пути парциального луча электромагнитной волны i -тому элементарному излучателю вследствие деформации зеркала, приводящее к фазовому сдвигу распределения поля в его апертуре. Значения изменение пути парциального луча электромагнитной волны At взято из программного продукта ANSYS представленные в таблице
1.
Амплитуда напряженности электрического поля i- го излучателя у поверхности антенныE0i может быть определена по распределению поля f(у) исходя из его положения yi вдоль оси Oy . Само же распределение поля f (у) находится по оси ОУ в анализируемой плоскости декартовой системы координат.
В качестве излучателей могут быть выбраны элементарные источники электромагнитных волн, например, такие как вибратор Герца, симметричный полуволновый вибратор и др. В исследуемой модели считаем излучатели идентичными, пренебрегаем их взаимным влиянием и полагаем распределение токов неизменными во времени. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости F(0) может быть определена как
F(0) = Ez(в)/Emx , (3)
где ЕШ1Х = E: (0) — максимальный уровень напряженности электрического поля, равный для симметричных антенн его значению в направлении оси симметрии.
Рис.2. Амплитудные диаграммы направленности зеркальной антенны
После обработки данных полученных в пакете ANSYS и расчета диаграммы направленности по формулам (1)...(3) предложенной выше методике получили, что расчеты в программном пакете (рис.2 кривая 2) близки к экспериментальным данным (рис.2 кривая 1) .
Таким образом, полученные данные из программного пакета ANSYS подтверждают существенное влияние вибрационных воздействий на излучение параболической антенны и целесообразность использования предложенной дискретной модели при проектировании виброустойчивых зеркальных антенн.
ЛИТЕРАТУРА
1. Якимов А. Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий: монография / А. Н. Якимов. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 206 с.
2. Абжирко Н.Н. Влияние вибраций на характеристики радиолокационных антенн/ Н. Н. Абжир-
ко. -. М.: Сов. радио, 1974. - 168 с.
3. Талибов Н.А. Оценка влияния деформации волноводно-щелевой антенны на ее диаграмму направленности/ Н.А.Талибов, А.Н. Якимов// Надежность и качество: сб. тр. Междунар. симп. Т. 2. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2008. - С. 146-148.
4. Кочегаров И.И. Информационные технологии проектирования РЭС: учебное пособие/ И.И. Коче-гаров.-Пенза: Изд. Пенз гос. ун-та, 2007.-96 с.
5. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во
ПГУ, 2013. - 108 с.
