"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 3, 2015

оглавление

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛЯРНЫХ ФАЗОВЫХ ОШИБОК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕРКАЛЬНОЙ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ

 

Е. И. Лаврецкий 1, В. С. Чернышов 2

1 ОАО «МКБ Компас», Москва

2 ОАО НИИ Точных Приборов, Москва

 

Статья получена 11 марта 2015 г.

 

Аннотация. Разработана электродинамическая модель и проведено численное исследование приемной зеркальной антенны с коническим рупором, в котором распространяются основная и высшие моды. Получены графики зависимостей амплитуд и фаз волн , ,  и  при коническом сканировании вокруг фокальной оси как для рефлектора с профилем идеального параболоида вращения, так и для рефлектора с регулярными отклонениями отражающей поверхности от идеального параболоида. Показано, что нарушения фазового распределения в антенне приводят к осцилляциям амплитуд и фаз принимаемых волн и, в результате, к нарушениям пеленгационной характеристики антенны. Установлен уровень допустимой фазовой ошибки на краю раскрыва, соответствующий уменьшению амплитуд высших мод в некоторых угловых направлениях на ≈3 дБ. Рассчитано допустимое среднеквадратическое отклонение отражающей поверхности зеркала для антенны с электрическим сканированием.

Ключевые слова: зеркальная параболическая антенна, регулярные фазовые ошибки, электрическое сканирование, пеленгационная характеристика, конический рупор, высшие моды.

Abstract: The electrodynamic model was developed and the numerical investigation was performed for a receiving mirror antenna having a multimode conical horn as a fed. We obtained graphs of dependences of magnitudes and phases for circular horn modes , ,  and  during conical scanning around the antenna focal axis. Analysis was performed both for the reflector with a shape of an ideal paraboloid of revolution, and for the same paraboloid with regular surface distortions. It was shown that the phase distortions in antenna produce the oscillations of magnitudes and phases of received horn modes and, as a result, create the distortions of the bearing characteristic of the auto-tracking antenna. We found the maximum allowed level of the phase error giving the 3-dB decrease of the higher modes magnitudes for some angle directions. We estimated the maximum allowed root-mean square deviation of paraboloid reflector surface for using in the auto-tracking mirror antenna.

Key words: a mirror parabolic antenna, regular phase errors, auto-tracking, a circular conical horn, high-order modes.

 

1. Введение

         В земных станциях спутниковой связи в настоящее время широко используются зеркальные антенны с электрическим сканированием (с автоматическим сопровождением). На частотах ниже 10 ГГц эффект Фарадея в атмосфере приводит к существенному повороту плоскости поляризации волны, поэтому прием информации со спутника на этих частотах осуществляется, как правило, на круговой поляризации [1]. Круговая поляризация используется и для более высоких частот, в [2] сообщается о разработке облучателя зеркальной антенны с возможностью автосопровождения на круговой поляризации в Ка-диапазоне (≈32 ГГц). Распространенным типом облучающего устройства зеркальной антенны с электрическим сканированием является металлический рупор, в котором падающая волна возбуждает основную моду и несколько высших волноводных мод. Основная мода используется для формирования суммарной диаграммы направленности (ДН), одна или несколько высших мод используются для формирования разностной ДН [3-7]. Для осесимметричной зеркальной системы естественной формой рупора является круглый конический рупор, в котором основной модой является волна , а используемыми для формирования разностной ДН высшими модами являются волны ,  и . Волны  и  имеют по две ортогональных поляризации. При приеме круговой поляризации поля от вертикальной и горизонтальной поляризаций волны  объединяются в поляризаторе (или квадратурном мосте). В литературе описаны различные варианты выбора высших мод для создания облучателя антенны с электрическим сканированием ДН. Например, в [3-5] предложено использовать для формирования разностной ДН волну  (одной или двух поляризаций). Если электрическое сканирование осуществляется с помощью двух поляризаций волны , то они могут быть объединены с помощью квадратурного моста. В [6] запатентован облучатель, принимающий одновременно волны ,  и . В [7] сообщается о разработке облучателя зеркальной антенны, в котором используются для электрического сканирования волны  и . Способы формирования пеленгационной характеристики антенны и сигналов ошибки исходя из суммарной и разностной ДН подробно описаны в специальной литературе.

         Погрешности выполнения отражающих поверхностей зеркальных антенн приводят к нарушениям амплитудно-фазового распределения в раскрыве и влияют на их характеристики излучения. Эти погрешности могут носить как статистический, так и детерминированный характер [8,9]. В литературе проведено исследование влияния погрешностей на такие параметры ДН антенны, как коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и кроссполяризационного излучения. При этом обычно всегда рассматривалась диаграмма направленности типа суммарной ДН, имеющая один главный лепесток. В известной авторам литературе отсутствует систематическое исследование влияния погрешностей рефлектора на характеристики зеркальной антенны с электрическим сканированием, имеющей суммарную и разностную ДН.

         Разработчик антенной системы при выборе рефлектора обычно задает допустимую фазовую ошибку, которая является главной причиной снижения коэффициента усиления. Например, в [10] указано, что при определении точности изготовления зеркала исходят из допустимой фазовой ошибки в раскрыве, равной . Априори неясно, можно ли использовать такое зеркало в антенне с электрическим сканированием или должны быть предъявлены более жесткие требования. В данной статье в рамках математической модели было проведено исследование влияния регулярных фазовых ошибок на амплитуды и фазы волн, возбуждаемых в многомодовом коническом рупоре облучателя зеркальной антенны. Фазовая ошибка в раскрыве зеркала была транслирована в искажения отражающей поверхности рефлектора. Антенна анализировалась в приемном режиме, когда на нее падала волна от источника в дальней зоне при коническом сканировании вокруг фокальной оси зеркала.

 

2. Математическая модель

         Характеристики направленности антенны при наличии регулярных отклонений отражающей поверхности рефлектора могут быть напрямую определены прямыми вычислениями интеграла Кирхгофа, в фазовой функции которого учтены регулярные фазовые ошибки [9], что является исследованием антенны в режиме передачи. Для антенны с электрическим сканированием в таком подходе потребовалось бы проводить раздельные расчеты при каждом виде возбуждения в облучателе (разными модами), а затем каким-то способом комбинировать результаты. Поэтому представляется удобнее рассмотреть антенну с электрическим сканированием в режиме приема, как она работает в реальности, когда на антенну падает плоская волна (поле от источника в дальней зоне), чтобы получить результаты по всем интересующим нас модам облучателя одновременно.

         На рисунке 1 показана геометрия рассматриваемой приемной зеркальной антенны и система мод рупора. Антенна имеет металлический рефлектор в виде параболоида вращения с диаметром D и фокусным расстоянием F. В фокусе рефлектора установлен облучатель в виде конического рупора с диаметром раскрыва Dfed, в котором могут распространяться волны , ,  и . В качестве стороннего источника был рассмотрен сферический источник в дальней зоне антенны, расположенный в окрестности фокальной оси рефлектора. Источник вращался по кругу вокруг фокальной оси под углом α.

 

 

 

 

Рис.1- Геометрия приемной зеркальной системы и система мод рупора

 

 

         Для анализа данной структуры использовалась математическая модель на основе метода физической оптики. Поле стороннего источника возбуждает поверхностный электрический ток на металлическом рефлекторе антенны , где  – нормаль к поверхности рефлектора. Электрический ток на рефлекторе возбуждает поперечное поле  в раскрыве рупора облучателя. В приближении отсутствия отражений в раскрыве рупора мощности принятых волн можно записать в виде

                             , для  – волн                         (1)

                            , для  – волн,

 

фазы принятых волн можно записать в виде

                            ,        для  – волн,                          (2)

                            ,        для  – волн,

 

где  – скалярные произведения между поперечным магнитным полем в раскрыве рупора  и ортонормированными функциями разложения поперечного магнитного поля ;  Ом- волновое сопротивление свободного пространства, λ- длина волны в вакууме, λg – длина волны в волноводе, диаметр которого равен раскрыву рупора. Скалярные произведения  и  могут быть рассчитаны численным интегрированием по апертуре.

         Ортонормированные функции разложения поперечного магнитного поля для  и  -волн в волноводе круглого сечения имеют вид [11]:

  ,        (3)

 ,