О формировании излучающими элементами АФАР размещаемой на космическом аппарате эллиптической поляризации поля

Аннотация

Т.Р. Сабиров

Дата поступления статьи: 02.04.2013

Рассмотрены методики формирования диаграммы направленности щелевой антенной решеткой с изменяемой поляризацией. Приведены результаты расчета характеристик излучения для решётки размерностью 4х4 элементов.

Ключевые слова: АФАР, микрополосковые антенны, космический аппарат, дистанционное зондирование земли

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

В активных фазированных антенных решётках (АФАР) бортовых радиолокационных комплексов (БРЛК) космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) в настоящее время требуется излучающий элемент с изменяемой поляризацией поля. В статье приводится методика формирования диаграммы направленности щелевой антенной решеткой с изменяемой поляризацией, позволяющая обеспечить заданный режим для БРЛК КА ДЗЗ.
Для обеспечения радиолокационного зондирования земли в различных режимах вне зависимости от положения требуется построение излучающего полотна АФАР радиолокатора с возможностью приема и излучения радиоволн с линейной или левой/правой эллиптической поляризаций [1,2,3].

Рис. 1 АР разной размерности

На рис.1 показан излучающий элемент, представляющий собой антенную решётку (АР) размерностью 2x1 и состоящий их двух обычных кольцевых щелей выполненных в полосковом исполнении и рассчитанных на частоту 1275 МГц. Щель вытравлена на материале FR-4 с относительной диэлектрической проницаемостью, еr = 4,4 и тангенсом угла диэлектрических потерь δ = 0,02. В качестве основной возбуждается волна TM11, соответствующее уравнение для определения резонансной частоты [4,5,6], которой можно определить исходя из:

где  — радиусы, показанные на рис.1.

Для формирования диаграмм направленности приведём методику, которая представляет собой изменение фазового сдвига на входах портов P1, P2, P3 и P4, что позволяет менять параметры излучающей системы следующим образом

1. Для получения линейной вертикальной поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1 и P2 (таблица 1, вид поляризации V);
2. Для получения линейной горизонтальной поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P3 и P4 (таблица 1, вид поляризации H);
3. Для получения эллиптической (левого направления вращения) поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1, P2, P3 и P4 с фазами P1, P2 – 90⁰, P3 – 0⁰, P4 - 180⁰ (таблица 1, вид поляризации VH);
4. Для получения эллиптической (левого направления вращения) поляризации поля излучаемой антенной требуется задействовать одновременно порты P1, P2, P3 и P4 с фазами P1, P2 – 0⁰, P3 – 90⁰, P4 - 270⁰ (таблица 1, вид поляризации HV).

Таблица №1

На рис.2 показаны нормированные диаграммы направленности одиночного элемента из рассматриваемой системы 2х1 в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла  при размерах щели  и подачи энергии на порт №1.

Рис.2 ДН одиночной щели

Так как расчёт и синтез представленных в статье электродинамических структур труднореализуем при использовании стандартных подходов или требует несоизмеримого с реальной обстановкой трудоемкости работ и времени их выполнения, все проведённые расчёты выполнялись в системах автоматизированного проектирования с применением современных вычислительных систем способных работать в кластерном режиме [7,8,11]. В основе решения задачи лежит метод конечных элементов - область, в которой ищется решение дифференциальных уравнений, разбивается на конечное количество элементов. Итоговое количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями вычислительной системы [9,10].
На рис.3 показаны нормированные диаграммы направленности антенной решётки размерностью 4x4 (рис.1) в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла  при различных размерах .

Рис. 3 ДН АР 4x4. Луч по нормали к плоскости решётки

Как видно из рисунков 3 а, б изменение размера щели при неизменном шаге решётки  играет роль в области дальних боковых лепестков. Уровень первого бокового лепестка составляет минус 16дБ от максимума ДН.
На рисунках 4 а, б показаны нормированные диаграммы направленности антенной решётки 4x4 из рассматриваемой системы в плоскостях Y0Z () и X0Z () от угла  при различных размерах  при наличии фазовых сдвигов на входах излучающих элементов. В приведённом примере луч решётки отклоняется на 130 от нормали. Уровень первого бокового лепестка составляет минус 13дБ от максимума ДН, при этом происходит значительный всплеск обратного излучения.

Рис.4 ДН АР 4x4. Луч отклонён от нормали к плоскости решётки на 130

Таким образом, в результате проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
-рассмотренный излучающий элемент 2x1 может быть применен как одиночный излучатель, так и как элемент фазированной антенной решётки размерностью NxM элементов;
-рассмотренная методика возбуждения решетки позволяет сформировать диаграмму направленности антенной решётки с требуемой поляризацией излучаемого поля;
-ширина диаграммы направленности синтезированного излучающего раскрыва по уровню половинной мощности составляет 21,8 градусов в плоскостях X0Z и Y0Z.

Литература:

1. Сабиров Т.Р. Характеристики излучения передающей АФАР при отказах каналов усиления [Текст] // Материалы докладов 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». М.: Издание JRE - ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Том 2. 2012. С.133-135.
2. Сабиров Т.Р. Синтез числа излучателей АФАР космического базирования [Текст] // Сборник докладов научно-технической конференции «Новые технологии в перспективных системах обнаружения, навигации и радиоуправления». Москва: Изд-во ОАО «Концерн «Вега». 2012. C.71-72.
3. Сабиров Т.Р. Излучающий элемент для АФАР L-Диапазона бортового радиолокационного комплекса КА ДЗЗ [Текст] // материалы 9-й Международной молодёжной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013». 2013г. Севастополь. Украина.
4. R. Azim, M.T. Islam, and N. Misran / Compact Tapered Shape Slot Antenna for UWB Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 10, 2011, pp. 1190-1193.
5. P. R. Urwin-Wright, G.S.  Hilton, I. J.  Craddock, and P. N. Fletcher / An electrically-small annular slot operating in the 'DC' mode // Twelfth International Conference on Antennas and Propagation, vol. 2, pp. 686 – 689, April 2003.
6. Tong C.E. and Blundell R. / An annular slot antenna on a dielectric half-space // IEEE Trans. Antennas and Propagation vol 2, no.7, pp.967 – 974, July 1994.
   Morishita H., Hirasawa K, Fujimoto K. / Analysis of a cavity-backed annular slot antenna with one point shorted // Antennas and Propagation, IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol.39, no.10, pp.1472 – 1478, October 1991.
7. Мушников, В.В. Электродинамические модели и исследование фар из комбинированных микрополосковых излучателей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2008, №2. – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2008/65 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Середа А.Ю., Детюк К.В. Бортовой информационно-навигационный комплекс КА «Глонасс-К» [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/906 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
   Kharakhili F.G., Fardis M., Dadashzadeh G. and Ahmadi A. / Circular slot with a novel circular microstrip open ended microstrip feed for UBW application // Progress In Electromagnetics Research, PIER 68, 161–167, 2007.
9. Сабиров Т.Р. Излучающий элемент АФАР L-диапазона на основе полосковых структур сложной формы для космического аппарата [Текст] // Научно-технический журнал «Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2013г. №1. С. 34-37.