БИФИЛЯРНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ СПИРАЛЬНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

February 18, 2013 by admin Комментировать »

Лобкова Л. М., Троицкий А. В., Выголов С. А., Белый А. Л. Севастопольский национальный технический университет Стрелецкая бухта, г. Севастополь, 99053, Украина тел.:+380(692) 235-233, e-mail: alex_troitsl<y@land.ru

Аннотация – Предложен бифилярный цилиндрический спиральный облучатель для сферической зеркальной антенны. Исследовано влияние геометрических параметров облучателя на его характеристики излучения. Показана ВОЗМОЖНОСТЬ увеличения рабочей области на сферическом зеркале при работе с предложенным облучателем.

I.                                        Введение

Перспективы дальнейшего развития спутниковых телекоммуникационных систем связаны с освоением НИЗКИХ и средних круговых орбит. В настоящее время на разных этапах формирования и эксплуатации находятся около двух десятков спутниковых телекоммуникационных систем, из которых наиболее известны Spaceway, Expressway, Cyberstar, Teledesic. В таких системах спутники постоянно перемещаются относительно корреспондента, поэтому для организации бесперебойной связи антенная система должна обеспечивать сопровождение как минимум двух спутников – восходящего и заходящего, и коммутацию канала связи. Для этого необходимы антенны с широкоугольным сканированием нескольких лучей.

II.                               Основная часть

Применение антенн с параболическим профилем для целей широкоугольного сканирования малоэффективно: свойства параболы как фокусирующего элемента не допускают широкоугольного сканирования. Поэтому большой интерес в данном случае представляет использование сферического зеркала

[1]     . При этой схеме построения антенны сферический рефлектор остается неподвижным (Рис.1), а сканирование ДН осуществляется перемещением легкого и компактного облучателя при помощи сканирующего механизма.

Рис. 1. Сферическая зеркальная антенна.

Fig. 1. Spherical reflector antenna

Однако, для достижения высокого значения КНД и эффективного использования поверхности сферического рефлектора амплитудно-фазовое распределение тока на зеркале должно быть скорректировано с учетом сферической аберрации. Обычно для этой цели используется корректирующая линза либо вспомогательное зеркало специальной формы. В настоящей работе рассмотрен другой способ коррекции, основанный на использовании специального «линейного источника»[1], в данном случае – бифилярного цилиндрического спирального облучателя (Рис.2), при этом схема формирования луча остается предельно простой, а облучатель получается легким и компактным.

Рис. 2. Бифилярный цилиндрический спиральный облучатель (а) и егоДН (Ь).

Fig. 2. Bifilar cylindrical helical irradiator for spherical reflector antenna (a) and its far field patterns (b)

Идея коррекции фаз заключается в следующем. Плоская волна, падающая на сферическое зеркало, фокусируется на центральной линии вблизи точки параксиального фокуса, создавая здесь поле переменной фазы. Поэтому, если расположить вдоль фокальной оси линейный облучатель с распределением фаз, имеющих запаздывание в направлении от полюса зеркала к точке параксиального фокуса, отдельные участки которого излучают в соответствующих направлениях, то после отражения от зеркала образуется плоская волна.

Традиционно в качестве линейного излучателя в технике СВЧ рассматривались решетки на основе волновода. Конструкция облучателя при этом получалась ДОВОЛЬНО сложной в настройке и обладала узкой полосой рабочих частот. Работа на круговой поляризации также вызывала затруднения.

В настоящей работе в качестве линейного источника рассмотрена бифилярная цилиндрическая спираль. В работе [2] показано, что в такой спирали волна может существовать в частотном диапазоне с коэффициентом перекрытия по частоте порядка 2, при этом ширина диаграммы направленности (ДН) по уровню -10 дБ составляет около 140… 160°.

Проведенные авторами настоящей работы теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить ряд особенностей поля излучения бифилярной цилиндрической спирали.

Во-первых, угол намотки цилиндрической спирали заметно влияет на форму ДН. При угле намотки менее 18…20° антенна работает в режиме прямого осевого излучения. С увеличением угла намотки до 25…30° в бифилярной спирали устанавливается режим обратного осевого излучения (рис. 2Ь). При этом ДН заметно расширяется, форма ее приближается к секторной, причем коэффициент эллиптичности сохраняется достаточно высоким (более 0,7) в пределах ширины ДН по уровню -10 дБ.

Во-вторых, уровень бокового и заднего излучения существенным образом зависит от формы участка спирали вблизи точки возбуждения. Дополнение цилиндрической спирали участком, расположенным на конической поверхности, так, как это показано на рис. 2а (входные зажимы расположены в плоскости ΧΟΥ), приводит к заметному уменьшению бокового и заднего излучения. При 2…3 витках на конической части и полном угле конусности 25…30° уровень заднего излучения падает до -25…-30 дБ (рис. 2Ь). Начальный радиус конического участка выбирается исходя из величины волнового сопротивления линии питания, при этом входное сопротивление антенны стабилизируется и приобретает чисто активный характер в полосе рабочих частот с коэффициентом перекрытия по частоте порядка 2…2,5.

В-третьих, при работе бифилярной спирали в режиме обратного осевого излучения распределение фазы поля излучения на сфере с центром в точке питания облучателя имеет вид квадратичной зависимости. Путем некоторого смещения такого облучателя из точки параксиального фокуса возможно компенсировать квадратичную фазовую ошибку, возникающую из-за сферического профиля зеркала. В результате исследований, проведенных с привлечением математической модели [3], было установлено, что площадь рабочей области на поверхности сферического зеркала может быть увеличена в 2…3 раза по сравнению с допустимой для облучателя без фазовой коррекции, либо уменьшен диаметр зеркала без ухудшения направленных свойств.

III.                                  Заключение

Проведенные авторами работы исследования позволили выявить взаимосвязь между геометрическими параметрами бифилярного цилиндрического спирального облучателя и его характеристиками излучения. Показана возможность увеличения рабочей области на сферическом зеркале при работе с предложенным облучателем. Полученные результаты могут быть использованы при создании простых и эффективных сферических зеркальных антенн с широкоугольным сканированием нескольких лучей.

IV.                           Список литературы

[1]  Кюн Р. Микроволновые антенны. Л.: Судостроение, 1967.

[2]  Nakano Н., Но S., Yamauchi J. Frequency characteristics of tapered backfire helical antenna with loaded termination, IEEE Proc., Vol. 131, Pt. H, No. 3, 1984, pp. 147-152.

[3]  Лобкова Л. М., Редин М. И., Троицкий А. В. Анализ характеристик излучения двухлучевой сферической зеркальной антенны.// Электроника и связь, 2005.-№ 27.-С.84-89.

BIFILAR CYLINDRICAL HELICAL IRRADIATOR FOR SPHERICAL REFLECTOR ANTENNA

L. M. Lobkova, A. V. Troitsky, S. A. Vigolov, A. L. Belly Sebastopol National Technical University Streletskaya buhta, Sebastopol, 99053, Ukraine Ph.: +3 8 (0692) 23 52 33, e-mall: alex_troltsky@land.ru

Abstract – In this paper the bifilar cylindrical helical irradiator for spherical reflector antenna is presented. The dependence of irradiator radiation pattern upon its geometrical parameters is examined. One possibility to increase the operation area on spherical mirror surface under operation with irradiator proposed is shown.

I.                                        Introduction

Today about two tens of satellite communication systems are at different phases of their design and exploitation. The most familiar to us are Spaceway, Expressway, Cyberstar, and Teledesic systems.

In the systems of such kind, satellites are permanently in motion relatively the correspondent, so to provide continuous communications an antenna system should provide tracking of no less than two satellites – with ascent and descending flight paths, and also perform switching the communication channel.

II.                                       Main Part

To achieve efficient beam scanning within very wide angular range, the fixed spherical reflector with a moveable irradiator has been known as alternative to a scanned parabolic reflector. With this antenna design (Fig. 1), the primary reflector remains fixed; beam scanning is performed by displacement of a small and lightweight irradiator using a compact scanning mechanism. However to achieve high directivity and for effective use of spherical reflector surface amplitude-phase field distribution on reflector surface should be corrected taking into account spherical aberrations. Usually this problem is solved by either correcting lens or auxiliary reflector with special shape. In the paper another way of correction is considered based on special «linear excitation source» [1], namely in the form of bifilar cylindrical helical irradiator (Fig.2), whereas the beamforming network remains extremely simple and irradiator is lightweight and compact. It is shown in [2] that in the spiral under consideration T-1 mode exists with frequency overlap ratio about 2 and the – 10 dB beamwidth is about 140…160. Theoretical and experimental investigations reveal several features of radiation field from bifilar cylindrical helical.

First, It has been revealed that winding angle of the helix substantially effects the radiation pattern shape. When wounding angle is less than 18…20° spiral antenna provides forward endfire radiation. When wounding angle increases up to

25..        .30° spiral antenna provides backward endfire radiation (FI

Second, sidelobe level of both forward and backward radiation essentially depends upon the spiral shape in the vicinity of excitation point. Addition of conical subsurface as shown in Fig.2a, leads to remarkable decrease of sidelobe level and backward radiation. When conical subsurface with cone angle about 25…30° contains 2…3 wounds then the level of backward radiation drops to -25…-30 dB (Fig.2. b).

Third, when bifilar spiral operates in the backward endfire mode phase distribution on spherical surface centered at excitation point has quadratic form. By certain shift of this irradiator from paraxial focal point quadratic phase error, arising due to spherical reflector profile, could be compensated.

III.                                      Conclusion

The results obtained revealed the relationships between geometry of bifilar cylindrical irradiator and its radiation pattern characteristics. These results will be used for design simple and efficient spherical reflector antennas with wide angle scanning of multiple beams.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты