CC BY
24Формирование и усиление сигналов
УДК 621.396.67
РАЗРАБОТКА МАКЕТА МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ «ИОНОСФЕРА» Бочаров Владимир Семёнович
начальник лаборатории Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики»
Генералов Александр Георгиевич
начальник сектора Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики»
Гаджиев Эльчин Вахидович
научный сотрудник Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики»,
аспирант кафедры радиофизики, антенн и микроволновой техники МАИ (НИУ). E-mail: otd24@niiem.ru.
Адрес: 143502, Московская обл., г. Истра, ул. Панфилова, 11.
Аннотация: В данной работе рассмотрены основные тенденции проектирования космических аппаратов. Показан активный процесс по разработке и внедрению малых космических аппаратов вместо больших космических аппаратов. Процесс миниатюризации космических аппаратов приводит и к миниатюризации бортовой аппаратуры, в том числе и бортовых антенно-фидерных устройств. Таким образом, из-за особенностей бортовых антенно-фидерных устройств возникает актуальная задача по разработке малогабаритных, невыступающих, простых, надёжных и высокотехнологичных бортовых антенн широкого применения. В ходе анализа возможных вариантов путей решения данной задачи возник интерес к применению в качестве бортовых антенн микрополосковых (печатных) антенн. Такие антенны выполняются по интегральным технологиям и обладают низкой стоимостью, малой металлоёмкостью, небольшими габаритными размерами и массой, и т.д. Для практического применения рассмотрен вариант разработки антенной системы для малого космического аппарата «Ионосфера». Данная антенная система будет состоять из микрополосковых (печатных) антенн. Используя метод электродинамического подобия был разработан макет микрополосковой (печатной) антенны c рабочей частотой 150 МГц. В работе представлены результаты измерений диаграммы направленности макета. Полученные результаты удовлетворяют техническому заданию на антенную систему малого космического аппарата «Ионосфера».
Ключевые слова: антенно-фидерное устройство, космический аппарат, микрополосковая (печатная) антенна, диаграмма направленности.
Введение
С середины 90-х годов ХХ века существенно изменились приоритеты в разработке космических аппаратов (КА). Видимое преимущество по ряду направлений космической деятельности получило создание малых КА по сравнению с крупногабаритными и тяжёлыми КА. В результате начавшегося и интенсивно продолжающе-
гося процесса миниатюризации удалось снизить массы некоторых больших и тяжелых КА, и создать новые аппараты аналогичного назначения с массой в несколько сот килограмм [1-3].
Малые КА обладают рядом преимуществ перед тяжёлыми КА: технологичностью, отвечающей стратегии сокращения расходов и риска, возможностью быстрой модификации
для решения широкого круга задач с различным целевым назначением, сравнительно малым сроком разработки, удешевлением вывода на орбиту за счёт кластерных или попутных запусков и т.д.
Таким образом, наблюдается активный процесс перехода к разработке и внедрению малых КА вместо больших и тяжёлых, т.е. происходит процесс миниатюризации КА, что в свою очередь приводит и к миниатюризации бортовой аппаратуры.
Несомненно, процесс миниатюризации затронул и бортовые антенно-фидерные устройства (АФУ) КА. Отметим ряд особенностей бортовых АФУ, которые играют важную роль при их изготовлении и проектировании [4]:
- ограниченное и определённое место для установки АФУ на поверхности КА;
- в формировании диаграммы направленности (ДН) участвует не только собственно антенна, но и часть проводящей поверхности КА;
- специфичность работы антенн КА, заключающаяся в том, что им приходится работать с электронными приборами, рассчитанными на выполнения определённых функций в условиях наличия ионизации, перегрузки, вибраций, резких перепадов давления и температуры, и т.д.
Учитывая выше приведённые особенности бортовых АФУ КА и наблюдаемую тенденцию к переходу к малым КА, возникает актуальная задача по созданию малогабаритных невысту-пающих бортовых АФУ, т.е. по устранению недостатков в отношении массогабаритных характеристик и выступающей конфигурации, созданию простых, надёжных и высокотехнологичных антенн широкого назначения.
Анализ возможных вариантов решения данной задачи показывает перспективность применения микрополосковых (печатных) антенн (МПА). Эти антенны находятся в фокусе внимания специалистов с 70-х годов ХХ века. МПА представляют собой многослойные конструкции, состоящие из проводящей подложки, одного или нескольких слоёв диэлектрика и помещённых на них плоских проводящих излучающих элементов. В некоторых случаях под-
ложка может частично или полностью отсутствовать, а излучающие элементы могут быть помещены между диэлектрическими слоями.
Такие антенны могут быть выполнены с высокой точностью, поскольку для их производства может быть использовано прецизионное оборудование, применяемое для производства печатных плат. Кроме этого, собственно излучающие элементы МПА могут быть функционально совмещены с линией питания, устройствами симметрирования и согласования сопротивлений, которые выполняются в этом случае на основе полосковых линий различных типов. МПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в одно-, двух- и многочастотных режимах, позволяют легко объединить несколько излучателей в антенную решётку и разместить их на поверхностях сложной формы.
В настоящий момент, МПА, обладающие такими свойствами, как высокая технологичность и повторяемость характеристик и размеров, низкая стоимость, малая металлоёмкость, габаритные размеры, масса и т.д., нашли широкое применение в системах сотовой связи, телекоммуникации, навигационных системах, системах позиционирования и т.д. [5, 6].
Для практического применения МПА рассмотрим вариант создания новой антенной системы малого КА «Ионосфера». КА «Ионосфера», входящий в состав космического комплекса (КК) «Ионозонд», создается во Всероссийском научно-исследовательском институте электромеханики» (ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»») по заказу Федерального космического агентства с целью получения регулярной и достоверной информации с помощью измерений космическими средствами характеристик и параметров процессов, явлений в ионосфере, верхних слоях атмосферы, околоземного космического пространства и магнитосферы.
К моменту создания КК «Ионозонд», представленного на рис. 1, орбитальная группировка должна включать в себя пять КА: четыре КА «Ионосфера» и один КА «Зонд». Ориенти-
X
КА «Ионосфера* J
| и
КА «Ионосфераа
КД «Зонд»
КА ^Ионосфера»
X
\ / /
iil
КД «ИпкаСферап
Рис. 1. Состав космического комплекса «Ионозонд»
ровочный срок развертывания КК «Ионозонд» — 2015 год.
Таким образом, в работе предложен вариант решения задачи по миниатюризации бортовых АФУ КА с помощью применения МПА. Представлен разработанный макет МПА метрового диапазона (рабочая частота 150 МГц) для перспективного использования в составе антенной системы КА «Ионосфера». Макет МПА разработан в масштабе 1:10 с помощью метода электродинамического подобия.
Исследование характеристик антенн на моделях
Основные уравнения электродинамики, так называемые уравнения Максвелла, устанавливающие зависимость между величинами электромагнитного поля в среде, обладают линейностью. Из этого свойства выведен принцип электродинамического подобия, который заключается в том, что при изменении некоторых параметров поля и среды в определённом соотношении, характеристики излучения, такие, как, например, ДН или сопротивление излучения, остаются без изменения [7]. Отсюда следует, что исследовать характеристики какой-либо электромагнитной системы, напри-
мер системы «антенна - летательный аппарат (ЛА)», можно на модели, которая в каком-то масштабе является подобием реальной системы.
Обычно в качестве материала для моделей используется медь. Когда требуется еще большая проводимость поверхности модели, её шлифуют или серебрят. В случае несоблюдения этих условий распределение токов по поверхности модели получается искажённым и ДН модели не соответствует ДН антенны реального объекта.
Моделирование особенно часто применяют в диапазонах средних и коротких волн, поскольку антенны на этих волнах сравнительно велики и имеется возможность изготовить точные модели.
Метод моделирования даёт достаточно точные представления о характеристиках реальных антенн. В особенности это относится к характеристикам направленности и поляризационным характеристикам антенн. Метод моделирования в основном и используется для их исследования.
Масштаб моделирования выбирается произвольно, исходя из условий работы и наличия требуемой электронной аппаратуры. Масштаб
Рис. 2. Модель КА «Ионосфера»: 1 - спиральная антенна; 2 - штыревая антенна;
3 - вибраторная антенна
моделирования в основном не сказывается на результатах измерений.
Поляризация излучения антенн ЛА должна быть известна, так же как и величина принимаемого сигнала. Моделирование является весьма полезным способом исследования антенн ЛА.
Но, несмотря на всю ценность этого способа, его возможности всё-таки ограничены.
Моделирование можно осуществить лишь для таких антенн, которые позволяют в силу своих сравнительно больших размеров изготовить с требуемой точностью геометрическое подобие реального устройства. Имитировать, например, антенные устройства, работающие в диапазоне СВЧ, на моделях практически очень трудно, а часто и не возможно.
Масштабы моделирования обычно берутся в пределах от 5 до 50.
Рис. 3. Штыревая антенна КА «Ионосфера»
Таблица 1. Характеристики штыревой антенны
Рабочий диапазон частот, МГц
Поляризация
Диаграмма направленности
Коэффициент стоячей волны (КСВ) в диапазоне рабочих частот
Выходная мощность передатчика
Рабочий диапазон температур
Масса, кг
Габариты, мм
150 ± 1,92
Линейная (вертикальная)
Преимущественно в направлении ± 45° от надира (ось «-2»
КА) и с нулевым провалом в направлении «-2»
не более 2,0
не более 1,0 Вт
от минус
50°С до +80°С
0,26
366x25x25
Разработка макета микрополосковой антенны метрового диапазона
В работе [8] представлена разработанная в ОАО «Научно-исследовательский институт электромеханики» (ОАО «НИИЭМ»), антенная система для малого КА «Ионосфера» №1 и №2, представленная на рис. 2.
Для обеспечения функционирования бортового двухчастотного передатчика «МАЯК 150/400» с двумя независимыми каналами была разработана штыревая антенна на рабочую частоту 150 МГц, представленная на рис. 3.
Антенна, характеристики которой приведены в таблице 1, выполнена в виде четвертьволнового несимметричного вибратора, установленного вертикально на панели корпуса КА, обращенной к Земле. Для уменьшения размеров антенны и согласования с входным сопротивлением питающего кабеля, вибратор имеет внутри короткозамкнутую коаксиальную линию и поднятую над основанием точку питания.
На рис. 4 показана связь антенны с системой координат при измерении её параметров.
* У
Антенна АФУ 137 МГц
Антенна АФУ ф
150 МГц
9 Антенна АФУ 400 МГц
Рис 4. Связь модели КА «Ионосфера» и антенн с системой координат при измерении ДН
На рис. 5 и 6 соответственно представлены ДН штыревой антенны, измерение которых были проведены в здании «Башни Д» антенного полигона лаборатории АФУ ОАО «НИИЭМ», являющейся аналогом безэховой камеры и используемой для проведения измерений параметров антенн.
В работе [9] был рассмотрен вариант построения МПА на рабочей частоте 150 МГц
для перспективного применения на КА «Ионосфера» №3 и №4. Был предложен вариант четвертьволновой МПА с применением фольги-рованного листового арилокса наполненного (ФЛАН) в качестве СВЧ диэлектрика подложки. Была предложена оптимальная диэлектрическая проницаемость ФЛАНа и оптимальная конструкция самой МПА для обеспечения удовлетворительных показателей по техническому заданию на данную антенну для КА «Ионосфера» и минимально возможных габа-зитов МПА на рабочей частоте 150 МГц.
270°
'ухЖШлху
210° [__ [ j ..-'-■" 150° 180°
Рис. 5. ДН штыревой антенны при ф=0°
270°
240'
Рис. 6. ДН штыревой антенны при ф=80°
В работе [10] представлены результаты моделирования МПА на рабочей частоте 150 МГц. Моделирование осуществлялось с помощью применения программного обеспечения
фирмы Agilent Electromagnetic Professional (EMPro) с применением метода конечных элементов [11]. Модель МПА на рабочей частоте 150 МГц была размещена на упрощённом варианте корпуса КА «Ионосфера», т.е. без учёта расположения на поверхности корпуса других бортовых устройств. Данное упрощение корпуса КА позволило более точно определить геометрические размеры модели МПА. Полученные результаты удовлетворяют заданным требованиям по техническому заданию по антенной системе КА «Ионосфера» [8].
Рис. 7. Макет МПА на частоте 150 МГц
Был разработан макет МПА в масштабе 1:10, представленный на рис. 7.
На разработанном макете КА «Ионосфера» в масштабе 1:10 (рис. 8) были получены ДН макета МПА, которые представлены на рис. 9.
Полученные ДН удовлетворяют требованиям, предъявляемым к антенне по техническому заданию, а именно: ДН макета МПА имеет преимущественное направление на центр Земли в пределах 0°-45° от надира и 0°-360° по азимуту.
Заключение
Показано возможное решение задачи создания малогабаритных, невыступающих бортовых антенн для малых КА благодаря использованию МПА на примере разработки модели и макета МПА на рабочей частоте 150 МГц для перспективного использования на КА «Ионосфера».
Полученные результаты в ходе макетирования МПА (ДН, КСВ) удовлетворяют заданным требованиям по техническому заданию на проектирование бортовых АФУ для двухчастотно-го бортового передатчика «МАЯК 150/400» КА «Ионосфера» и подтверждают результаты, полученные в ходе электродинамического моделирования.
Рис. 9. ДН макета микрополосковой антенны метрового диапазона: а) при ф =0°, б) при ф =90°
Литература
1. Макриденко Л.А., Боярчук К.А. Микроспутники. Тенденция развития. Особенности рынка и социальное значение // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. - 2005. - т. 102. - С. 12-27.
Поступила 12 мая 2014 г.
2. Севастьянов Н.Н, Бранец В.Н., Панченко В.А., Казинский Н.В., Кондранин Т.В., Негодяев С.С. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли. // Сборник статей МФТИ. 2009, т. 1. №3. -С.14-22;
3. Гершензон В., Карпенко С. Малые спутники-провокация или перспективное направление? // Экология и жизнь, №12 (121), 2011. -С.51-57.
4. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Особенности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов. / Перспективы развития антенно-фидерных устройств космических аппаратов, г. Истра, 25 сентября 2013 года. // Сборник тезисов докладов научно-технического семинара. - Истра: ОАО «НИИЭМ». - С.55-58.
5. Панченко Б.А., Нефёдов Е.И. Микрополоско-вые антенны. - М.: Радио и связь, 1986. - 144 с.
6. Виноградов А.Ю., Кабетов Р.В., Сомов А.М. Устройства СВЧ и малогабаритные антенны. - М.: Горячая линия-Телеком, 2012. - 440 с.
7. Пригода Б.А., Кокунько В.С. Антенны летательных аппаратов. -М.: Воениздат, 1964. -120 с.
8. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Антенная система космического аппарата «Ионосфера» / Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2012. том 131, №6. -С.11-14.
9. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Разработка прямоугольной микрополосковой антенны метрового диапазона (150 МГц) для применения на космическом аппарате «Ионосфера». / Первая молодежная конференция «Инновационная деятельность в науке и технике», г. Истра, 1 ноября 2012 года. // Сборник тезисов докладов. - Истра: ОАО «НИИЭМ». -С.23-24.
10. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Разработка модели микрополосковой антенны метрового диапазона (150 МГц) для перспективного применения на КА «Ионосфера». // Труды международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы построения систем и комплексов землеобзора, дозора и управления и комплексов с беспилотными летательными аппаратами»: в 2 т. - М.: ОАО «Концерн «ВЕГА», т. 2, 2013. - С.78-85.
11. Гаджиев Э.В. Моделирование бортовых антенн СВЧ космических аппаратов. / Антенны. Выпуск 9 (196), 2013. -С.65-68.
English
Development of VHF micro-strip antenna model for advanced application on the "Ionosphera" space vehicle
Vladimir Semyonovich Bocharov - laboratory chief of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering».
Alexander Georgiyevich Generalov - Sector chief of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering».
Elchin Vakhidovich Gadzhiev - research assistant of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering» Post-graduate student Department of Radio physics, antennas and microwave engineering MAI (NIU).
E-mail: otd24@niiem.ru.
Address: 143502, Mos. region, Istra, ulitsa Panfilova, 11.
Abstract: The paper considers the main trends of engineering space vehicles. The active process of development and implementation of small-size space vehicles instead of large-size space vehicles is shown. Miniaturization of space vehicles also leads to miniaturization of onboard equipment, including on-board antenna feeder system. Thus, peculiarities of on-board antenna feeder devices cause the necessity of development of small-size, non protruding, simple, reliable and high-tech airborne antennas with wide range application. The analysis of possible ways of solution the problem led to the idea of application of micro-strip (printed) antennas as on-board antennas. Such antennas are produced with the help of integrated engineering and have low cost, small metal consumption, small overall sizes and weight, etc. The development version of antenna system for small space vehicle "Ionosphera" is considered for practical application
This antenna system will consist of the micro-strip (printed) antennas. Using the method of electrodynamic similarity, the model of micro-strip (printed) antenna at an operating frequency of 150 MHz was developed. The observed data of the directional diagram of the prototype is presented in the paper. The received results meet the requirement specification of an antenna system of a small space vehicle "Ionosphera".
Key words: antenna feeder device, space vehicle, the micro-strip (printed) antenna, directional diagram.
References
1. Makridenko L.A., BojarchukK.A. Microsputniki.Trends of development. Peculiarities of the market and social importances. Voprosy jelektromehaniki. Trudy NPP VNIIJeM. 2005, Vol. 102. P. 12-27.
2. Sevastjanov N.N., Branets V.N., Panchenko V.A., Kazinsky N.V., Kondranin T.V., Negodjaev S.S. Analysis of modern development capabilities of small-size space vehicles for remote sensing the Earth. Sbornik statej MFTI. 2009, Vol.1. №3.P.14-22;
3. Gershenzon V., Karpenko S. Small satellites - provocation or a perspective direction? Jekologija i zhizn, №12 (121), 2011. P.51-57.
4. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev Je. V. Peculiarities of on-board antenna feeder devices of space vehicles. Technological seminar «Prospects for the development of antenna feeder devices of space vehicles», Istra, on September 25, 2013. Sbornik tezisov dokladov. Istra: JSC «NIUeM». P.55-58.
5. Panchenko B.A., Nefyodov E.I. Micro-strip antennas. M.: Radio i svjaz, 1986. 144 p.
6. VinogradovA.Ju., Kabetov R.V., SomovA.M. Microwave frequencies and small-size antennas. M.: Gorjachaja linija - Telekom, 2012. 440 p.
7. Prigoda B.A., Kokunko V.S. Antennas of flight vehicles. M.: Voyenizdat, 1964. 120 p.
8. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev Je.V. Antenna system of the space vehicle "Ionosphera". Voprosy jelektromehaniki. Trudy VNIIJeM. 2012. Vol 131, №6. P.11-14.
9. Bocharov V.S, Generalov A.G., Gadzhiev Je.V. Development of the rectangular VHF micro-strip antenna (150 MHz) for application on the space vehicle "Ionosphere". Youth conference "Innovative activity in science and engineering", Istra, November 1, 2012. Collection of works. Istra: JSC «NIIJeM». P.23-24.
10. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev Je.V. Model development of the VHF micro-strip antenna (150 MHz) for advanced application on space vehicle "Ionosphera". Works of the international technological conference «Technological engineering problems of systems and complexes of land observation, patrol and control and complexes with unmanned aerial vehicles»: in 2 Vol. M.: JSC "Trust "VEGA", Vol. 2, 2013. P.78-85.
11. Gadzhiev Je.V. Simulation of on board microwave antennas of space vehicles. Antennas. Issue 9 (196), 2013. P.65-68.
