CC BY
14
УДК 621.356 67
кимпью I LPIIOL MO'lUIM-'OliAIIHL РАЗЬОРМОЙ 11DULPXIIOC I И 3LPKAJIA ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ 1P/I СОХРАНЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
M. Н. Одннец. H В. Кангородцева. А. И. Одннец. Т Н. Кангородцева
Омский ян:ут)щх:1г.кг.нный ткхмм-мгг.шхй yniititqunimum, s.. Ow к, Р/хгин
Аннотация - Активное развитие спутннковоП связи и беспроводных технологий требует решения проблемы компактной упаковки аптеппы в целях транспортировки со до места монтажа. Оптимальное jchie ihhhh iia[iaiíu.ih4pi-ki№ нпкнр vhih'i и h:i гн imphi m даажип имршсчикиь .iei кип к cfinjia и киш^кчипн упаковки в разобранном виде. Кроме того, важно развитие возможности частичной замены зеркала антенны в случае утраты частью ее поверхности технических способностей. Существующие разработки
конструкции аптеии не позволяют решать одновременно ян две проблемы. Опи или имеют сложиости гпоркп п ремонта, или часть ттшккпт гм>*\гожко<-тм1 теряется hvw члмрны покерткостп плрллолопдл аппроксимирующим многогранником. В данном исследовании проведен геометрический анализ параболической поверхности п предложено разделение поверхности параболической антенны осуществлять по
ириициш n;i£jп. j.it.ibhui и перемещения ни некишрым ио.юженимм иир.и» юшей. Данный uim [i:iu«.ivhii>i параболоида позволяет компактно укладывать сегменты по тппу матрешки одпп в одни. что зпачн тельно экономит пространство прп транспортировке. Кроме того, разделение поверхности зеркала ан-(енны ни кольцевые или лчиьые «и чен i ы хиришим mohi.c*. и uui.iej} киций рьмин!. CymeciBV юшие САПР позволяют автоматизировать процесс проектирования с возможностью корректировки частоты
t ikihhпи Гим iniippu :<н1ннн(1Й t-e 1 нхннчегкм v »(пюиршч ик-.
Ключевые слое а: образующая линня. направляющая линия, параллельный перенос, сегментация по-К»>|1\Н1!П и.
1 ВВЕДЕНИЕ
Сущеетзует большое количество методик и компьютерных программ для расчета к проектирования антенн. Однако проблема моделирования антенн остается актуальной. L 'ади отс хнпче с кис н конструктивные характерн-ешки и E<]MMrq)hi ин1гнн нп-предшему нуждикпг* к дифиГнпкг никмх 01пмми:<»11м)ннмх моделей и мгшдпк В частности, в разработке антенн для космических аппаратов, актуальны проблемы уменьшения массогабарнт-ных показателей, точности воспроизведения профиля отражающей поверхности после развертывания и надежное i h СИМОЙ ионпрукции ЧеркИЛИ [1 А. ^ и .'||> ] В нгмпорых ИГГЛеДОКННИМХ [4. 5 И др ] HHIOphl (ГГМГЧИКУГ Ч1Х! для любой антенны актуально решение задач по сохранению заявленных свойств н технических характеристик в течение длительного срока при различных, в том числе неблагоприятных, условиях эксплуатопни
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Спх'дня nixiniruH 1]ын;'1ю|:1и[юнк и ингеннм к мпе чу монтажл, например, ня мх'мичплук! ороту, нклиепн актуальной. Большие размеры параболического зеркала антенны требуют большого пространства для своего розмешения на время транспортировки. Донная проблема решается различными методами. Например, одни авторы [1, 5 н др.] предложили создание развертывающихся антенн пс типу «зонт». Однако ремонт, например, замена поврежденной части ameinnj. в таких конструкциях является затруднительной. В работах других евто рок [7 fi и лр ] опиглнл подмгнл ттлрлЯо.тгилл многогрлнной ттовгрхнш—ью (аппроксимация) которая гобирлгт-ся на месте монтажа нз небольших плоских сегментов. В этом случае важно положение каждого сегмента в целях повышения точности улавливания н передачи сигналов. В некоторые научных исследованиях [4. 9 и др.] иредсчанлено применение полимерных. .и':шог1циокяых мшериалов, чхо ¿ничи1ельно умеиылае! нес ангелны. по не решает проблемы габаритов. Деление поверхности па :<лепестки» можно обнаружить в трудсх следующих авторов [10. 11 и др.] Данный подход позволяет сократить габаритные размеры пространства, требуемого для Lpanuuupi провыл, ко вы^ываех слижио.ш сборлн и peuonia лысшы. Очевидно. чш данные .федложеилх не
решают проблемы компактной укладки агггесты па Еремя транспортировки в целях экономии места, либо прел
лжаеммй (1ккиГ) чдечигельнп углнлнигг ирещегг. ремпти н глунае необходимости
Из множества обозначенных проблем внимание авторов привлекла задача сегментации зеркала отражателя параболической антенны Данный знд антенны характеризуется сложной геометрией, наличном поглощающих и нелинейных члемениж, чш нргдгшклмег hhii^i«' дл* |рименении различных мпщик мзлгмигичегкош моделирования и создания на их основе автоматизированных проектных модулей.
Ш. Теория
а. Недостатки существующих методов сегментации зеркала антенны
Плра(>:>личе1-кач итеннн имеет докплкно Гюлкшие ¡кг« меры Зго чачрудняе! ее ip;iHc игртрпкку митн монтажа. Кроме того, во время эксплуатации под воздействием неблагоприятных погодных условии поверхность параболического зеркало может частично повредиться При проектировании следует учесть возможность демонтажа и ремонта. При этом замена части (сегмента) антенны будет более целесообразна к экономически оправданна. Именно поэтому параболические антеппы проекшрутотся d виде сегмеггтов.
Идея построения математической модели поверхности антенны на основе использования метода конечных элементов, прп которой излучающая поверхность зеркала параболической антенны заменяется совокупностью многоугольников, подробно опнеока d некоторых научных исследовошшх. например, в [12]. Дашпш метод предполагает лплрохгямацшо гтлрг6пли»тегкой поверхности набором ттлогкогтных сегментов П mrfTBf ггт-
ментоз чаще всего выбирают треугольники. Поэтому данный метол еще называют триангуляцией. Авторами робот с предложениями: триангуляции поверхности отражателя еитенны отмечается. что при замене поверхности иараболиида шмн ojрлн.чи.<ом наблюдаем процесс ви^иикисвеким фл^овых сдвиюв нолей. Дело в юм, что
каждый сегмент поверхности (плоскость) самостоятельно отражает электромагнитную волну и поэтому важно ее расположение. угол ее наклона и поворота в общем каркасе поверхности Все это значительно влияет на технические характеристики антенны. Показатели зависят от степени приближения моделируемой и аппроксимируемой поверхностей Если процесс разбиения на элементарные сегменты создает модель не адекватную реальной излучающей поверхности антенны, то получаемые при аппроксимации поверхности грани модели будут создавать искажение характеристик излучения антенны
Еще одним способом сегментации зеркала аэтеппы является разделение его па «лепестки» (рас. 1). Однако таксе деление поверхности зеркала аптешги влечет за собой сложности при его сборке. Важной особенностью при сборке является то, что «лепестки» должны быть уравновешены для получения идеальной формы парасо ленда Поэтому аптеппа собирается на горизонтальней поверхности рабочей стороной вниз или па опоре расо чей стороной точно вверх, только в таких положениях па все лелесткн воздействуют ощшаковые силы и части собираются в идеальную параболическую антенну. Данные проблемы сборки антенны вызывают сложности при ремонте.
Риг 1 Ряадслгниг- чг^жяла ишгннк ни «лгигпхин
Ь. Математическая модель параболической поверхности
Форма отражающей поверхности антенны чаще всего принимается в виде параболоида. Дело в том, что электромагнитная волна, отраженная от зеркала антенны, должна иметь плоский фазовый фронт. Оптическая длина пути между источником н плоским фронтом волны в раскрыве зеркала для любого луча должна быть одхшакова. го есть зеркало - ото параболоид, а ось параболы - оптическая ось зеркала.
Параболоид, с одной стороны, можно представить как поверхность вращешгя (рис. 2] с уравнением (1), где а — габаритный диаметр зеркала антенны:
2 2 л- +у
- 1т
(1;
Рис. 2. Компьютерная модель параболоида вращения
С другой стороны, по теоркн параллельного переноса [ 13] параболоид может быть образован параллельным переносом - движением одной параболы а (образующей) по другой параболе I' (направляющей) (рнс. 3).
7
^ /
Рзк. 3 Образование параболоида параллельным переносом
При згом параболы одинаковые, не расположены е ра зных плоскостях к задаются уравнениями (2):
П^ЖИГН-НИГ liajki. i. ir.ihhoi ii 11г]»гн«Ц-л НОЧНОЛЯГ HlMiyMKIh мшгми1 ичггкую модглк lliipft'fx i.iii 1НДг1 Дгло к том
чш с»Гц);иук"П .яя (. сиги^гн м ни пдин и im ».гкг-кгор AÄ = ВВ = СС (Рис 4)
¿•не. 4. ОЬрозозпнн: поверхности параллельным переносом
То ecib прп каждом смещешш положения а1, ¿r/+i конгруэнтны образующей а. Определитель поверхности Ф{и, Л) 1чктх!иг и:ч дкух линий 'i и h ТТри нг-ргггчгнни i>fii*nyкяцен и ниптык. жкпп.гй иилучлнш:« нирплппш-
граммы ABB .1 . JSCC ß' нт.д. Очевидно. что если поменять у линяй я н k нх назначение: а станет направляющей. а О - образующей, то полупится та же поверхность Ф(.а,Ь). То есть моделируемая поверхность со держит два с действа конгруэнтных лилий (рис. 5):
' / J4-1 i г./ t_/+l ^
[а, jd, b,b,---j.
(3)
Рис. 5. Образование параболоида параллельным переносом параболы по параболе
То: да ураьнение иозерхкосш иарабл.шидл. образованною 11ара.1..имАНЫм переносим, ммеег вид (4).
2 = /3 («1 М)+/4 Ы) М, 0}
где и - ^(дг). V - ) -
Тогда поверхность зеркала антенны, пред став ленная как поверхность параллельного переноса, судст опись:-КИ I КСМ ф(1|1Му.1С]Й (5)
2 2 2.2 2</ 2д 2ц
Кроме юго. поверхность параболоида можно сыть образована параллельным перемещением изменяющейся окружности с (образующей) по параболе Ь (направляющей) (рис. 6)
Рис. 5. Образование параболоида параллельным переносом окружности по параболе
Геометрическое моделирование поверхности параболоида при проектировании параболической антенны позволяет выбрать способ разделения поверхности антенны на ссгмснты Это разделение важно для компактной yreiforfw лнтгннк1 при трлкгпоргиргккг f мгету МП1П71ЖЛ ТлКЖГ рЛ\Д<"ггн-лг нл crrvfhtbt пляптп * ттглгях
предоставления возможности замены сегме:па. утратившего свои характеристики (форма, покрытие поверхио ста и пр.) в процессе эксплуатации.
Наиболее эффективным в onnn.iaa.iniM способом разделения антенны может стать разбивка параболоида по образующим в некоторых ее положениях. При этом нами было показано, что нет разсшцы. но именно будет выбрано образующей: парабола или окружность.
IV. Результаты экспериментов
РаЧДГ.1ГЬИс- ИОКГрЧНОПИ 11И]>г*И>.П)ИД.-1 1111 (>(|]МЧуК1И1ГЙ - МК^ЖНОПН 1Ю.ЧЖ1ЛКГ р;1ЧДГ.ЛИ I ь инггнну НИ КОЛМГ-КК1Г <"П МГ-Н1К1 (риг 7, м) При ГИКОМ СПОСиГк? рИЧДШГНИМ рИч(>:)()НПЧ МОДГЛК ЛН1ГННМ Г1КМЧ|6нИ ГКЛИДЫКг11М1 ||{) принципу МИЦППКИ — МГНН111ИЙ (Т1МГНГ ЛС1ЖИПН К СГ1МГН|Гн»11Ы11РШ рИЧМГрИ (ри:- 7 Л) ПоДоЛнЫИ ки.и упикон-ки 1К1ШПГЯ 1ик1нмм и «нимап гшгм мило мегги при »рлнсиорифгкы При длнном кидг ш-
раболическая антенна стабильна по нагрузкам при сборке и имеет возможность самораскладывания по принципу «складного стаканчикам (рис 7, г).
а) Ь) с)
1*hc. 1.Разделение зеркала антенны на кольцевые ссгмснты
Разделение поверхности отражателя антенны также возможно по образующей-параболе. Тсгда антенна раз-дклин:1 ни .иумжыг mwPHiw (Pni R, u) R iiom глучиг гущггткуп Kowo.*H:x-ih шиняктнои уникпкки
для ТрЯНСПОрПГрОМГИ (Рис 8 h)
а) Ь)
РиС 8 РиГ^Д«**НИРГ ЧГрНИЛИ ИН1ГННК1 НИ дупжыг СЯ МГН1М
V. Обсуждение результатов Моделирование поверхности зеркала антенны как поверхности параллельного переноса дает возможность ее упаковки по тппу матрешка: кольцевыми или дуговыми сегментами (рис. 7, 8). Разделение сложною крнволи пенной поверхности па сегменты проводится без замены ее сеткой конечных плоскосшых элементов. Поэтому предложенные способы разделешга параболической антенны позволяют сохранить ее технические характерн стакн. Кроме того, в зазкеимоета от требуемых параметров (гпсс.рнткьк размеры антенны, габаритное пространство места транспортировки антенны н пр) можно автоматизировать процесс проектнрозання антенны (рис. 5).
Решена одна из задач автоматизации проектирования поверхностей параболических антенн. I 1амн осуществлена разработка способа сегментирования зеркала параболической антенны, которое не только удовлетворяет условиям высокой адекватноста и точности модели, но п является универсальным к достаточно экономичным.
ут Вывсдъ: И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, сложная прсстранственкая поверхность зеркала рассенвателя антенны может быть представлена в виде совокупности сегментных составляющих, которые можно получить при разделении параболоида. как поверхности параллельного переноса, по образующих! линиям. Такой способ описания сложной поверхности рассенвателя позволяет применить средства компьютерного моделирования и получить модель антенны, которую затем можно подвергнуть соответствующим испытанием на прочность, ветроустойчивость и т.п. Предложенная методика позволяет объединить компоненты информационного, математического н компьютерного моделирования при проектировании отражателей раднелокационных антенн.
Евэд хоодньлданнвх гаэаригы эергача антенны. -айзщта чвстэ три-осргхр-жи
Рис. 9. Общая схема автоматизации процесса проектирования зеркала параболической антенны
список .литы'агуны
1. Zhang Y. D. Yang S. Li An integrated control and structural design approach for mesh reflector depJovable space antennas // Mechatrooics. 2016. VoL 35. P. 71-S1.
2. Белов С. В.. Бельков А. В.. Евдокимов А. С. [и др.] Численное моделирование трансфор\шруемых космических рефлекторных антенн И Известия вузов. Физика. 2012. T. f 5. № 9/3. С. 13-18.
3. Giaipilevich Yu. В.. Shirckov I. В. Control of microwave aerospace antenna service condition /: Geoscience and Remote Sensing Sympozium IGARSS02. International 2002. Vol. 6. P. 3544-3645 DOI: 10 110MGARSS.2002.1027277.
4. Alqad?mi A. S. M., Jamlos M. F. Effect of a flexible polymer dielectric and magneto-dielectric composites substrates in artenna я tray H international Symposium on Antennas and Propagation (Г55АР), 7011 P 1-4
5. Yang R. Illuminating curved passive reflector with defoevsed parabolic antenna // WESCON/58 Conference Reccrc. 191« Vol ? P ?.fi0-7.6.i DOT" 10 1109/WFSCON 19.1« 1 П071 ?.
fi Sproeivitz I RlocV А Вясет T. Haiier, M Schnetze Dep'oyment verification of large CFRP helical high-gain aiiltim* fin ATS signals // Аппчрис-« fWneine, 7011 P 1-1? DOT 10 11C9/AF.RO ?011 1747119
7 Snsrnan T H Mi era s Results of an exact dome antenna synthesis procedure П TF.-F. Antennas and Propagation Sodrly Tnin national Symposium 1979 Vol 17 P 18-41
ft Tliilr V КлА A Y WitWiaml VHFATHF ашенпич Пи TJAV plalfom with RCS a|>pi(iarh .7 1к TnleitiaLiatBil Cuiifeiei.cc ou Eineigiug Technology Tieuds in Elcchuijcb. Сешшинкййин and Nel.voikmg (ET2ECN). 2312. P. 1-5. DOI: 1C.1109/ET2ECN.2012.S470111.
9. Воскресеаский Д. И.. Котов 10. D.. Харланов 10 Я. Овчинникова E. В. Многофункциональные полотна &шеньых рсшсюк// Ашенны 2006. № S (112). С. 5—23.
10. Gong Y. X.. Mittra R., Zhen L. [et aL] Edge treatment for sidelobe redu ction of parabolic reflector antenna with a two-layer absorber // Aiitemu5 and Propagation (APSURSI), IEEE International Symposium on. 2011. P. 21842186. DOI 10.1109; APS.20ll.i996946.
11. Ramirez R. A...We 11 м Т. M. Dielectric-loaded end-fire slot antenna with low back-lobe radiation for UHF RFID application // International Workshop on Antenna Technology (lWAT), 2016. P. 186-188. DOI: 10.1109/TWAT .2016.7434838.
12. Dash J. C., Jena M. R.. Mangaraj В. B. Analysis of Dipole Antenna and its array using finite element method // 2nd International Conference on Advances in Electrical. Electronics. Information Communication and Вlo-Iiiformatics (AEEICB), 2016. P. 438-441 DOI: 10.1109 AEEICB.2Q16.7538326.
13. Ефимов H. В. Высшая геометрия: учео. пособие. М.: Физматлнт. 2004. 584 с
