CC BY
32
УДК 621.396.67
ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ КВАЗИИЗОТРОПНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ НАНОСПУТНИКА
В. П. Кисмерешкин1, А. В. Васильева1, А. В. Колесников1, П. А. Зайдов2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-200-205
Аннотация - Особенностью данной работы является исследование возможности размещения антенн на малоразмерном космическом аппарате, называемом наноспутником. Цель: построение АФС для малогабаритного (нано-) спутника с квазиизотропной диаграммой направленности (ДН). В связи с широким освоением космического пространства с помощью наноспутниковых систем, проведение указанных работ, несомненно, актуально. Задача формирования квазиизотропной диаграммы направленности решена посредством амплитудно-фазового суммирования ряда простейших антенн, размещенных на наружной поверхности малого КА. Результаты экспериментальных исследований антенны на модели приближенной к реальной соответствуют результатам программного моделирования и говорят о возможности реализации квазиизотропной характеристики направленности.
Ключевые слова: антенная система наноспутника, Z-антенна, квазиизотропная диаграмма направленности.
I. Введение
Космическая связь занимает важное место в системах связи нашей страны и всего мира. Среди них - системы спутниковой навигации, использующие L-диапазон (от 1000 до 2000 МГц). В ряду космических аппаратов получили большое распространение малые космические аппараты (МКА), в том числе наноспутники, важнейшим узлом которых являются антенно-фидерные устройства (АФУ). В работах [1,2] рассмотрены возможные решения задачи построения малогабаритных, невыступающих, простых, надёжных и высокотехнологичных бортовых антенн МКА. Требования к специальным антеннам спутниковых исследовательских систем, такие как возможность приема и передачи информации в любом направлении с любой поляризацией, относительно широкий диапазон частот, минимум выступающих частей и другие, удовлетворяются далеко не полностью. В связи с этим была предпринята попытка разработки невыступающей конструкции, способной быть реализованной в частотном интервале (1200^1600 МГц).
II. Постановка задачи
Задача построения антенно-фидерной системы для малоразмерного спутника с квазиизотропной ДН решалась исходя из следующих требований: входное сопротивление базового излучателя должно быть (100^200) Ом; возможность приема и передачи информации в любом направлении с линейной поляризацией; возможность полоскового исполнения конструкции излучателя; минимальная электромагнитная связь между выбранными излучателями; относительно простое подключение к несимметричному кабелю.
III. Теория
Указанным свойствам удовлетворяет излучатель Z-антенны и его модификации, представленный на рис. 1 [3, 4].
Исторически данный излучатель появился в начале 60-х годов прошлого века. В тот период удалось разработать антенные устройства на базе указанного излучателя в частотном диапазоне в одну октаву. При этом был получен целый ряд конструктивных преимуществ, позволивших внедрить его в целый ряд разработок. По мере его освоения в практике разработок было получено на его модификации около десяти авторских свидетельств на изобретения. В этой связи для решения данной задачи была придумана очередная попытка использования диапазонной антенны.
Яе
А
В
5н
Рис. 1. 2-антенна
Отличительными особенностями указанных антенн являются [5]:
- наличие двух точек нулевого потенциала (А и В), что даст возможность оптимально развести питание с включением в тракт соответствующих трансформирующих звеньев;
- относительно высокое входное сопротивление (100^150 Ом), позволяющее установить рефлектор на минимальном расстоянии;
- слабая электромагнитная связь друг с другом, позволяющая получить практически независимые ДН;
- возможность питания полосковой линией;
- нет необходимости в симметрирующем устройстве;
- ДН симметричны;
- поляризация излучения - линейная;
- коэффициент усиления (КУ) порядка 5 дБ.
Проблемным является достижение квазиизотропной характеристики направленности. Её можно решить путем взаимно-ортогонального размещения однонаправленных излучателей на гранях куба. Особенностью подобного рода излучателей является их слабая взаимная связь в решетке как «Е», так и в «Н» плоскостях. Поэтому их размещение вблизи друг от друга слабо сказывается на характеристиках направленности и входном сопротивлении. Кроме того, данный излучатель испытывает минимальную реакцию рефлектора, устанавливаемого на расстоянии (0,15^0,25) Хтах, что существенно расширяет возможности его использования.
При этом размеры куба позволяют выбирать размеры излучателя, соответствующие частотам от 1200 МГц до 1600 МГц. Условие выбора размера:
В ходе поиска решения задачи по разработке малогабаритных невыступающих антенных систем малых КА (космических аппаратов) возник интерес к применению МПА (микрополосковых антенн). Это обусловлено простотой конструкции, малой массой, высокой технологичностью, относительно низкой стоимостью изготовления и пр.
Микрополосковая технология при конструировании 2-антенны хорошо сочетается с разработкой относительно широкополосных антенных систем небольших размеров. В частности, в полосковом исполнении может быть выполнен как сам излучатель, так и его питание. Прежде об излучателе. Как известно, он представляет собой плоскую структуру, состоящую из электрической комбинации щелевого и электрического вибраторов. Такая комбинация по своим свойствам близка к «двойственному аналогу», что подтверждается его диапазонными свойствами: входные и направленные свойства достигают коэффициента перекрытия в одну октаву. В заданном частотном диапазоне и размерах граней конструкция укладывается внутри них. В этой связи на каждой грани негативным способом размещается диапазонная антенна, а на расстоянии (0,15^0,2)Хтах с внутренней стороны рефлектор. Ширину полоска Ь токонесущих частей антенны выбирают исходя из соотношения Ь=(0,05^0,08)Хтах. Заметим, что критичным является зазор между проводниками в центральной части конструкции. Он должен также соответствовать рекомендации 1=(0,0Н0,02)Хтах.
Для реализации конструкции 2-антенны целесообразно из областей нулевого потенциала проложить шины, обеспечивающие прокладку вдоль них полосковой линии питания без заметного ухудшения симметрии. Что касается питания излучателя, то оно осуществляется дополнительной полосковой линией передачи, проложенной около токонесущих проводников антенны: из точки нулевого потенциала, далее по токонесущим провод-
(1)
никам к центру. После чего конец этой линии соединяют с противоположной точкой <Ю», как показано на рис. 2.
токононесущии проводник
Рис. 2. Схема запитывания 2-антенны
В работе были рассчитаны и оценены габаритные размеры и электрические характеристики МПА на рабочей частоте 1400 МГц.
Так как предполагается работать в условиях космоса, то необходимо при выборе диэлектрического материала МПА учитывать влияние космического излучения - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой Земли. Наиболее оптимальным материалом является фольгированный армированный фторопласт ФАФ-4 со следующими параметрами: е = 2,6 и tgБ = 0,001.
Конструкция однонаправленного антенного элемента представляет собой экран с расположенным около него излучателем.
Предполагаемые линейные размеры наноспутника вписываются в объем 15*15x15 см3.
Таким образом, X = 0,214 м; 8Н = Х/2 = 107 мм, 8В = Х/4 = 53,5 мм.
IV. Результаты экспериментов
В результате моделирования были исследованы характеристики однонаправленного излучателя с рефлектором в свободном пространстве. Общий вид модели изображен на рис. 3.
Питание 2-излучателя осуществляется полосковой линией с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Согласование питающей линии и антенны осуществляется посредством четвертьволнового трансформатора.
По результатам моделирования была построена трехмерная ДН антенны (рис. 3).
Коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения составляет 9 дБи.
Рис. 3. Общий вид одной грани модели и ее диаграмма направленности
На рис. 4 изображен график КСВ антенны в заданном диапазоне частот. КСВ во всем диапазоне находится в пределах 2, что является относительно хорошим показателем. Минимальное значение КСВ = 1.0359 на частоте 1.58 ГГц, максимальное - 2.0692 на частоте 1.2 ГГц.
Рис. 4. КСВ 2-антенны
По результатам предварительных расчетов был создан макет 2-излучателя. Антенна выполнена на фольги-рованном диэлектрике. Питание диапазонной антенны подводится через 50-омный кабель. Согласование питающей линии с антенной выполнено с помощью четвертьволнового трансформатора, изготовленного на 50-омном кабеле путем удаления экранирующей оболочки на длине I, равной:
I =
X
(2)
ДН 2-излучателя, построенные по результатам измерений макета в Е- и Н-плоскостях, представлены на рис. 5.
Рис. 5. ДН 2-излучателя, построенные по результатам измерений макета
Ширина ДН диапазонной направленной антенны по уровню половинной мощности в Н-плоскости составляет 52°; в Е-плоскости - 60°.
Как видно из рис. 4, результаты экспериментальных исследований соответствуют результатам моделирования.
Общий вид АФУ наноспутника и результат моделирования ДН с предполагаемой изотропной характеристикой направленности изображен на рис. 6.
Максимальное усиление системы антенн наноспутника составляет 3.57 дБ.
Рис. 6. Общий вид АФУ наноспутника и его ДН
IV. Обсуждение результатов
Представленные в результате программного моделирования ДН рассчитаны для свободного пространства, т.е. без учета влияния на антенну поверхности КА. По полученному результату можно сделать вывод, что диапазонная направленная антенна обеспечит необходимые требования по ДН и КУ.
Т.к. связи между излучателями АФУ наноспутника минимальны, суммарная ДН образуется практически наложением ДН субантенн (излучатель +рефлектор), т.е. имеет место аддитивное сложение.
Результат программного моделирования свидетельствует о возможности реализации квазиизотропной направленности.
V. Выводы и заключение
Результаты экспериментальных исследований антенны на модели, приближенной к реальной, соответствуют результатам программного моделирования. Проблема формирования квазиизотропной диаграммы направленности решена посредством амплитудно-фазового суммирования ряда простейших антенн, размещенных на наружной поверхности наноспутника. Минимальный вес, отсутствие невыступающих частей способствует увеличению полезного объема аппаратного пространства. Также видится реальная возможность получения хорошего согласования по входному сопротивлению без настройки в широкой полосе частот. Удалось выявить, что увеличение размера SH не влияет на ДН антенны. Это позволяет проектировать конкурентоспособные нано-спутниковые системы, расширять их возможности в части диапазона частот.
Список литературы
1. Бочаров В. С., Генералов А. Г., Гаджиев Э. В. Разработка прямоугольной микрополосковой антенны метрового диапазона (150 МГц) для применения на космическом аппарате «Ионосфера» // Вопросы электроники. 2013. Т. 136. С. 15-18.
2. Гаджиев Э. В. Пути построения малогабаритных, невыступающих бортовых антенно-фидерных систем космических аппаратов // Труды МАИ. 2014. Вып. 76. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=50113.
3. А. с. 138277 Российская Федерация, МПК H 01 Q 9/16. Диапазонная направленная антенна / К. П. Харчен-ко. № 670320; заявл.16.06.1960; опубл. 01.02.1961
4. А. с. 191647 Российская Федерация, МПК F 01 L 1/04. Диапазонная направленная антенна / К. П. Харчен-ко, П. П. Мартынов, В. П. Кисмерешкин. № 1057654; опубл. 01.02.1967.
5. Кисмерешкин В. П. Телевизионные антенны для индивидуального приема. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1982. 89 с.
