CC BY
28УДК 621.396.6
Применение спиральных антенн для бортовых систем и комплексов
Генералов А.Г.*, Гаджиев Э.В.**, Салихова М.Р.*
Научно-исследовательский институт электромеханики, ул. Панфилова, 11, Истра, Московская область, 143502, Россия
*e-mail: otd24@niiem.ru **e-mail: gadzhiev elchin@mail.ru
Статья поступила 07.04.2019
Аннотация
В настоящее время наблюдается активный процесс освоения космического пространства. Антенно-фидерные устройства составляют неотъемлемую часть космических аппаратов любого класса и целевого назначения. В работе рассмотрено применение класса спиральных антенн в качестве бортовых антенн космических аппаратов. Показаны разработанные спиральные антенны различных бортовых систем и комплексов.
Ключевые слова: космический аппарат, антенная система, антенно-фидерное устройство спиральные антенны; коэффициент стоячей волны, диаграмма направленности, коэффициент усиления.
Введение
Человечество начало осваивать космическое пространство с 1957 года, когда СССР вывел первый искусственный спутник Земли. С того момента уже прошло
более полувека и освоение космоса шагнуло далеко вперёд. На сегодняшний день
уже невозможно представить современное технологическое общество без
использования сведений и данных с метеорологических, связных, навигационных,
телекоммуникационных, дистанционного зондирования Земли, научных,
прикладных исследований и других спутниковых систем и комплексов. При этом
очевидно, что развитие космической индустрии продолжится активными темпами и
в дальнейшем, причём всё больше и больше стран вступают в клуб «космических
держав».
Обеспечение обмена информацией между космическим аппаратом (КА) и наземными пунктами управления является одной из главных задач. От качества и непрерывности сеансов связи КА с наземными службами зависит выполнение возложенной целевой задачи на КА [1].
Бортовые антенно-фидерные устройства (АФУ) составляют неотъемлемую часть КА как по их типу (малые или большие), так и по целевой задаче.
Традиционно, в качестве бортовых АФУ КА используют различные типы антенн: вибраторные, штыревые, рупорные, зеркальные, печатные и др. [2-5], в том числе и антенные решётки [6-10].
Целью данной работы является разработка бортовых антенн различных систем и комплексов с применением класса спиральных антенн.
Бортовые антенные системы
Широкое применение находят и класс спиральных антенн [11-15]. Антенна представляет собой намотанную из провода цилиндрическую спираль 1 длиной
несколько X, один конец которой свободен, а другой соединяется с внутренним
проводником коаксиальной линии 2, как показано на рис. 1.
Рисунок 1 - Спиральная антенна
А внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому
диску (экрану) 3, служащему для ослабления обратного излучения антенны.
Классификация спиральных антенн ведётся по типу намотки спиралей на регулярные и нерегулярные, а по числу заходов и способу их намотки одно- и многозаходные с односторонней или многосторонней намоткой.
В ряде случаев для увеличения жёсткости конструкции намотка спирали осуществляется на диэлектрическом каркасе, что необходимо для класса бортовых антенн с учётом их специфики [16], что также приводит к дополнительному замедлению фазовой скорости волны в антенне.
Характерны следующие виды форм диаграммы направленности (ДН) цилиндрической спиральной антенны [11].
1. Если диаметр спирали D<0,2^, то в ней преобладает волна типа Т0, характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360° на протяжении нескольких витков; амплитуда волны вдоль спирали постоянна, а фазовая скорость
Vф=c. За счёт отражения волны T0 от конца спирали в ней устанавливается режим
стоячей волны, излучение вдоль оси спирали отсутствует, и максимум излучения
антенны получается в поперечной плоскости спирали. Ближайший тип волны T1 при
этом имеет весьма малую амплитуду и вклад этой волны в общее поле излучения
незначителен.
2. Если диаметр спирали 0,25ж0<0,45^, то в антенне преобладает волна T1, а максимум излучения направлен вдоль оси спирали. Возникающая при этом в спирали волна низшего типа T0, а также волны высших типов Tn при п>1, быстро затухают по длине спирали (их вклад в ДН невелик).
3. Если диаметр спирали Э>0,45^ в собственной волне Tn определяющей является вторая азимутальная пространственная гармоника (волна T2), и ДН приобретает коническую (воронкообразную) форму, где угол раскрыва «воронки» зависит от относительного диаметра спирали.
На рисунке 2 представлены рассмотренные варианты ДН спиральных антенн в зависимости от отношения диаметра спирали и длины волны.
а) б) в)
Рисунок 2 - Режимы излучения цилиндрической спиральных антенн:
а) поперечное излучение при D<0,2^; б) осевое излучение при 0,25А,^<0,45А;
в) излучение ДН с воронкообразной формой при D>0,45^ Режим осевого излучения (0,25А,^<0,45А) когда длина провода витка спирали равна рабочей длине волны Ь«^, является основным режимом работы спиральных антенн.
АО «НИИЭМ» имеет более чем 55-летний опыт в разработке и изготовлении КА, а также отдельных бортовых служебных систем. За это время было разработано, изготовлено и успешно запущено более 35 КА метеорологического и научного назначения. В настоящее время АО «НИИЭМ» входит в состав АО «Корпорация «ВНИИЭМ» - ведущего российского производителя КА дистанционного зондирования Земли и активно участвует в создаваемых предприятием, как малых КА, так и больших КА (в том числе по созданию антенно-фидерных систем) [3].
Спиральные антенны бортовых систем и комплексов КА Для передачи данных с бортовой аппаратуры научной информации в составе радиолинии спутникового ионозонда «ЛАЭРТ» на рабочей частоте 137 МГц была разработана спиральная четырёхзаходная антенна, показанная на рисунке 3.
Рисунок 3 - Фото бортовой спиральной антенны
Антенна представляет собой резонансную, четырёхзаходную, полувитковую спираль, излучатели которой последовательно запитаны с фазовым сдвигом 90°, что обеспечивает излучение антенной поля с поляризацией близкой к круговой.
Направление намотки излучателей обеспечивает правостороннюю поляризацию.
Излучающие части спирали (витки) выполнены в виде изогнутых медных трубок.
Длины витков близки к Х/2. Питание витков спирали происходит с помощью
коаксиальных кабелей, проходящих внутри двух соседних витков спирали и
обеспечивающих питание двух пар противоположных витков спирали, что
позволяет получить широкополосное симметрирование токов, питающих витки
спирали. Фазовый сдвиг токов в кабелях 90°, что и обеспечивает питание
излучающих элементов спирали фазовым сдвигом 0°, 90°, 180°, 270°.
Разработанная спиральная антенна входит в состав антенной системы малого
КА «Ионосфера», размещение которой показано на рисунке 4 [17].
Рисунок 4 - Объёмная модель малого КА «Ионосфера» № 1, № 2: 1 - спиральная антенна, 2 - штыревая антенна, 3 - вибраторная антенна Более подробно характеристики и структура бортовой спиральной антенны, а также малого КА «Ионосфера» представлены в работе [18].
Для перспективного применения в составе АФУ телекомандной системы (ТКС) малых КА на базе космической платформы «Канопус-В» предложен вариант
спиральной антенны, представленной на рисунке 5 [19-22].
6
Рисунок 5 - Фото спиральной антенны дециметрового диапазона
для класса малых КА Данная антенна предложена как один из вариантов для построения АФУ ТКС. Стоит отметить ряд преимуществ данного варианта: при больших углах лучше коэффициента эллиптичности; конструкция данной антенны не требует обязательного наличия экрана по сравнению с применяемым аналогом в виде турникетной антенны [23].
На рисунке 6 представлены бортовые спиральные антенны класса больших КА серии «Метеор» [23-27].
а) б) в)
Рисунок 6 - Фото бортовых спиральных антенн: а) приёмной антенны бортовой аппаратуры КОСПАС-САРСАТ; б) передающая антенна аппаратуры метеонаблюдения; в) передающая антенна аппаратуры метеонаблюдения В качестве приёмной антенны дециметрового диапазона (406 МГц)
радиоканала сигналов бедствия от аварийных радиобуёв на КА предложен вариант
7
применения четырёхзаходной одновитковой спиральной антенны с круговой
поляризации правого направления вращения (см. рис. 6а)) [28].
Спиральная антенна (см. рис. 6б)) предназначена для передачи метеорологической информации низкого разрешения на рабочей частоте 137 МГц и входит в состав бортовой информационной системы метрового диапазона больших КА серии «Метеор-М».
Спиральная антенна (см. рис. 6в) предназначена для передачи метеорологической информации на рабочей частоте 465 МГц.
Стремительное развитие технологий производства интегральных схем привело к возможности построения ряда антенн с помощью применения печатных (планарных) технологий. Необходимо отметить ряд преимуществ, которыми обладают антенны, выполненные с помощью печатной технологии:
- высокая повторяемость размеров при серийном производстве;
- точность изготовления;
- малые масса и габариты;
- компланарная конструкция;
- технологичность;
- низкая стоимость при серийном выпуске и т.д.
Печатные технологии применяются при изготовлении и спиральных антенн.
Далее рассмотрим разработанные спиральные антенны с применением печатных технологий.
В качестве передающей антенны радиоканала КА - наземные приёмные
станции (КА-НПС) дециметрового диапазона (1544 МГц) предложен вариант
применения четырёхзаходной спиральной антенны с круговой поляризацией левого
направления вращения [28]. Излучатель и запитывающее устройство антенны
выполнены по печатной технологии [29].
Внешний вид антенны показан на рисунке 7.
Рисунок 7 - Фото передающей антенны бортовой аппаратуры КОСПАС-САРСАТ
На рисунке 8 представлена антенна дециметрового диапазона (1700 МГц) бортового информационного комплекса КА «Метеор-М».
(I
1
Рисунок 8 - Фото передающей спиральной антенны Представленная спиральная антенна (см. рис. 8) также была применена на
борту малого КА «Университетский-Татьяна-2», что отражено на рисунке 9
[30-32].
а)
б)
Рисунок 9 - Размещение спиральных антенна борту КА «Университетский-Татьяна-2»: а) объёмная модель; б) фото малого КА «Университетский-Татьяна-2» На рисунке 10 показано размещение рассмотренных ранее бортовых спиральных антенн КА серии «Метеор-М».
а)
б)
Рисунок 10 - Размещение спиральных антенна на борту КА серии «Метеор-М»: а) объёмная модель КА «Метеор - М» № 1; б) фото КА «Метеор - М» № 2-1 А на рисунке 11 представлены другие варианты спиральных антенн, выполненных с помощью печатных технологий.
а) б) в)
Рисунок 11 - Фото спиральных антенн, выполненных по печатной технологии: а) бортовая антенна спутниковой навигации; б) бортовая антенна телеметрической
бортовой системы; в) измерительная антенна
Для построения системы межспутниковой связи предложен вариант спиральной антенны, представленной на рисунке 12 [33].
Рисунок 12 - Фото лабораторного макета бортовой спиральной антенны дециметрового диапазона межспутниковой связи
Также нашли применения спиральные антенны и как излучатели антенных решёток.
На рисунке 13 представлено АФУ геостационарного КА «Электро». Устройство представляет собой группу антенных решёток дециметрового диапазона, расположенных на углепластиковой раме [34, 35].
а) б)
Рисунок 13 - Размещение антенной решётки из спиральных излучателей на борту КА «Электро»: а) фото КА «Электро»; б) фото антенной решётки
Антенные решётки содержат от четырёх до восьми спиральных излучателей из фольгированного стеклотекстолита, запитка которых осуществлена микрополосковыми линиями, формируются ДН шириной около 18° у четырёхэлементных решёток и (18*9)° у восьмиэлементной решётки. Они имеют эллиптическую поляризацию правого вращения. Высота излучателей - 500 мм, габариты рамы - 1700*1700 мм. Масса АФУ - 25 кг.
Заключение
В данной работе представлен и описан принцип построения класса спиральных антенн.
Подробно представлены разработанные и успешно применяемые в составе различных бортовых систем и комплексов как в составе больших, так и малых КА [36].
Библиографический список
1. Пригода Б.А., Кокунько В.С. Антенны летательных аппаратов. - М.: Воениздат, 1964. - 120 с.
2. Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С. Крупноапертурный излучатель для многолучевой антенны спутниковой связи // Труды МАИ. 2012. № 52. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29552
3. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev E.V. Antenna-feeder devices in the development of OJSC 'NIIEM' // 23rd International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Conference Proceedings, Istra, Moscow Region, 2013, pp. 46 - 47.
4. Банков С.Е., Давыдов А.Г., Папилов К.Б. Малогабаритные печатные антенны круговой поляризации // Журнал радиоэлектроники. 2010. № 8. С. 1 - 27.
5. Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Миниатюрны бортовые антенны // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2017. Т. 159. № 4. С. 31 - 41.
6. Кондратьева С.Г. Многофункциональная бортовая антенная решетка интегрированного радиоэлектронного комплекса // Труды МАИ. 2012. № 52. URL: http: //trudymai .ru/published.php?ID=29560
7. Ястребцова О.И. Условия отсутствия «ослепления» у микрополосковых антенных решеток // Труды МАИ. 2017. № 97. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=87318
8. Овчинникова Е.В., Рыбаков А.М. Печатная антенная решетка для бортовой
радиолокационной станции сантиметрового диапазона // Труды МАИ. 2012. № 52. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29558
9. Овчинникова Е.В., Соколов А.А. Двухдиапазонная антенная решётка с косеканской диаграммой направленности // Антенны. 2011. № 4. С. 14 - 20.
10. Измайлов А.А., Волков А.П. Низкопрофильная широкополосная антенная система с улучшенной формой диаграммы направленности на основе искусственного магнитного проводника конечного размера // Труды МАИ. 2017. № 94. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=81101
11. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарёв Л.И. Устройства СВЧ и антенны. - М.: Радиотехника, 2008. - 384 с.
12. Нефёдов Е.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. -М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 320 с.
13. Kilgus C.C. Shaped-Conical Radiation Pattern Performance of the Backfire Qudrifillar Helix // IEEE Trans on Antennas and Propagation, 1975, no. 23(3), pp. 392 -397.
14. Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. - М.: Радиотехника, 2009. - 720 с.
15. Виноградов А.Ю., Кабетов Р.В., Сомов А.М. Устройства СВЧ и малогабаритные антенны. - М.: Горячая линия - Телеком, 2012. - 440 с.
16. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Особенности бортовых антенно-
фидерных устройств космических аппаратов // Научно-технический семинар
«Перспективы развития антенно-фидерных устройств летательных аппаратов»:
Тезисы докладов. - Истра: НИИЭМ, 2013. С. 55 - 58.
17. Захаренко А.Б., Федотов А.Ю., Морозов И.И., Чуянов Д.О. Выбор материала вибраторов антенны для космического ионозонда // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2016. Т. 154. № 5. С. 25 - 31.
18. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Антенная система космического аппарата «Ионосфера» // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2012. Т. 131. № 6. С. 11 - 14.
19. Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» с космическим аппаратом «Канопус-В» № 1. -М.: ВНИИЭМ, 2011. - 110 с.
20. Белорусский космический комплекс дистанционного зондирования Земли. -М.: НПП ВНИИЭМ, 2011. - 88 с.
21. Двуреченский В.Д., Телепнев П.П., Федотов А.Ю. Спиральные антенны радиотехнических систем космических аппаратов ДМ-диапазона волн // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2015. Т. 146. № 3. С. 24 - 29.
22. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Салихов Р.С., Ходненко В.П. КА «Канопус-В» № 1 - первый российский малый космический аппарат высокодетального дистанционного зондирования земли нового поколения // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2017. Т. 156. № 1. С. 2 - 11.
23. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Результаты лётных испытаний антенно-фидерных устройств телекомандной системы КА «Канопус-В» №1 и
Белорусского КА и пути усовершенствования их характеристик // Радиотехнические
и телекоммуникационные системы. 2014. № 4 (16). С. 5 - 12.
24. Космический комплекс гидрометеорологического и океанографического обеспечения «Метеор-ЗМ» с космическим аппаратом «Метеор-М» № 2. - М.: Корпорация «ВНИИЭМ, 2014. - 158 с.
25. Космический комплекс гидрометеорологического и океанографического обеспечения «Метеор-ЗМ» с космическим аппаратом «Метеор-М» № 2-1. - М.: Корпорация «ВНИИЭМ, 2017. - 156 с.
26. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Чуркин А.Л., Ходненко В.П. Запуск первого российского метеорологического КА нового поколения "МЕТЕОР-М" № 1 - начало воссоздания отечественной метеорологической орбитальной группировки // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2018. Т. 165. № 4. С. 46 - 60.
27. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Салихов Р.С., Ходненко В.П. Космический аппарат "Метеор-М" № 2 // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2018. Т. 166. № 5. С. 36 - 48.
28. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Антенная система для бортовой аппаратуры КОСПАС-САРСАТ // Радиотехника. 2018. № 8. С. 204 - 211. DOI 10.18127/j00338486-201808-38.
29. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev E.V. Application of printing technologies to design on-board antenna systems of spacecrafts // 40th COSPAR Scientific Assembly, Moscow, C0.3-0014-14.
30. Экспериментальный научно-исследовательский малый космический аппарат
«Университетский - Татьяна-2»: справочные материалы. - М.: ВНИИЭМ, 2009. - 32 с.
31. Волков С.Н., Макриденко Л.А., Ходненко В.П. Малые космические аппараты НПП ВНИИЭМ. От концепции до воплощения в «металле» // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2011. Т. 121. № 2. С. 3 - 8.
32. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Кожевников В.А., Ходненко
B.П. Малый космический аппарат "Университетский - Татьяна-2" // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2017. Т. 160. № 5. С. 45 - 54.
33. Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Бортовая антенна для построения систем связи и межспутниковой связи // Конференция «Иосифьяновские чтения-2017». Тезисы докладов. - Истра: НИИЭМ, 2017. С. 262 - 265.
34. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Ходненко В.П. История создания, задачи и особенности разработки геостационарного гидрометеорологического космического аппарата «ЭЛЕКТРО» № 1 // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2016. Т. 154. № 5. С. 43 - 50.
35. Макриденко Л.А., Волков С.Н., Горбунов А.В., Ходненко В.П. Итоги разработки и основные результаты лётных испытаний опытной эксплуатации КА "ЭЛЕКТРО" №1 // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2016. Т. 155. № 6.
C. 39 - 46.
36. Гаджиев Э.В., Туманов М.В., Генералов А.Г. Применение спиральных антенн для бортовых систем и комплексов // 17-я Международная конференция «Авиация и
космонавтика - 2018». Тезисы докладов. (Москва, 19 - 23 ноября 2018). - М.: Люксор, 2018. С. 248 - 249.
