РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2018, том 5, выпуск 1, c. 58–64
РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
УДК 621.396.677
Исследование частотных характеристик облучателя
четырехдиапазонной антенны
на основе гофрированного рупора
Д. Д.Габриэльян, д.т.н., профессор, rniirs@rniirs.ru
ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация
В. И.Демченко, к.т.н., rniirs@rniirs.ru
ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация
А. Е.Коровкин, rniirs@rniirs.ru
ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация
Д. Я.Раздоркин, rniirs@rniirs.ru
ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация
А. В.Шипулин, rniirs@rniirs.ru
ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи», Ростов-на-Дону, Российская Федерация
Ю.И.Полтавец, к.т.н., rks0901@yandex.ru
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация
Аннотация. Цель статьи — исследование частотных характеристик облучателя на основе гофрированного рупора для четырехдиапазонной
антенны спутниковой связи.
Рассмотрены вопросы построения гофрированного рупора как основы облучающей системы четырехдиапазонной зеркальной
антенны спутниковой связи с совмещением C-, X-, Ku-и Ka-диапазонов частот. Проведенный анализ взаимосвязи характеристик
многодиапазонной зеркальной антенны с характеристиками облучающей системы позволил определить совокупность
требований к параметрам гофрированного рупора, на основе которого формируется облучающая система.
Разработан гофрированный рупор, обеспечивающий требуемые характеристики в C-, X-, Ku-и Ka-диапазонах частот.
Проанализированы диаграммы направленности гофрированного рупора в указанных диапазонах частот и частотные зависимости
модового преобразователя, обеспечивающего согласование рупора с круглым питающим волноводом. Экспериментальная
проверка показала, что в полосах частот C-, X-, Ku-, Ka-диапазонов среднее значение КСВН не превышает 1,12,
а максимальное значение составляет 1,15 на частоте.
Ключевые слова: многодиапазонная зеркальная антенна, гофрированный рупор, показатели эффективности облучающей системы
и рупорного облучателя
Стр.1
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2018, том 5, выпуск 1, c. 58–64
РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
The Research of Exciter Frequency Characteristics
of a Quad-Band Antenna Based on a Corrugated Horn
D.D.Gabriel’ean, Dr. Sci. (Engineering), rniirs@rniirs.ru
FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation
V. I. Demchenko, Cand. Sci. (Engineering), rniirs@rniirs.ru
FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation
A. E. Korovkin, rniirs@rniirs.ru
FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation
D.Ya. Razdorkin, rniirs@rniirs.ru
FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation
A.V. Shipulin, rniirs@rniirs.ru
FSUE “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”, Rostov-on-Don, Russian Federation
Yu. I. Poltavets, Cand. Sci. (Engineering), rks0901@yandex.ru
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation
Abstract. The objective of the paper is to study the frequency characteristics of the exciter based on a corrugated horn for
a quad-band antenna for satellite communications.
The problems of the construction of the corrugated horn as the basis for the radiating system of the quad-band reflector
antenna for satellite communications with overlapping of C-, X-, Ku-, and Ka-bands are considered. The conducted analysis of
the interrelation of the characteristics of the multiband reflector antenna with the characteristics of the radiating system permits
defining a set of the requirements to the parameters of the corrugated horn, which is the base of a radiating system.
The corrugated horn, which provides the required characteristics in C-, X-, Ku-and Ka-bands, is developed.
The radiation pattern of the corrugated horn within the specified bands and the frequency dependences of the mode converter
providing the interface of the horn with a circular feed waveguide are analyzed. The experimental checking proved that within C-,
X-, Ku-, and Ka-bands, an average value of the VSWR does not exceed 1.12, and the maximum value makes 1.15 at the frequency.
Keywords: multiband reflector antenna, corrugated horn, performance indicators of the radiating system and feed horn
Стр.2
60
Д. Д.ГАБРИЭЛЬЯН, В. И.ДЕМЧЕНКО, А. Е.КОРОВКИН, Д. Я. РАЗДОРКИН И ДР.
Введение
Одним из путей повышения пропускной способности
линий связи, объема получаемой разведывательной
информации при перехвате сигналов
в спутниковых линиях связи (СЛС) является
одновременное использование нескольких частотных
диапазонов. Так как в СЛС широко применяются
зеркальные антенны, то работа в нескольких
частотных диапазонах может быть обеспечена
использованием или нескольких однодиапазонных
зеркальных антенн, или одной многодиапазонной
зеркальной антенны (МЗА), не уступающей
по своим характеристикам излучения однодиапазонным
антеннам в каждом из частотных диапазонов.
Последнее является более предпочтительным,
поскольку позволяет существенно снизить затраты
при организации и обслуживании линий связи
и приема информации.
Очевидно, решение задачи создания МЗА связано
прежде всего с разработкой первичных многодиапазонных
облучателей. В соответствии с этим
цель статьи заключается в исследовании частотных
характеристик облучателя на основе гофрированного
рупора для четырехдиапазонной антенны
спутниковой связи.
Решаемые задачи:
1. Установление взаимосвязи характеристик
облучающей системы с характеристиками МЗА.
2. Разработка и выбор параметров гофрированного
рупора для построения облучающей системы
четырехдиапазонной зеркальной антенны.
3. Экспериментальное исследование характеристик
излучения макета разработанного рупора.
Взаимосвязь характеристик
облучающей системы
с характеристиками МЗА
Показатель эффективности МЗА может быть
представлен следующим соотношением [1]:
ЭМЗА =
где H(0)
jJ
=1
2
i=1 H(0)
j,i K(1)
j,i K(2)
j,i mj,i
,(1)
j,i — шумовая добротность МЗА в j-м диапазоне
частот при приеме сигналов i-й поляризации;
K(1)
j,i — коэффициент, учитывающий снижение отношения
сигнал/шум (ОСШ) из-за эффектов деполяризации
в антенно-волноводном тракте антенны
(АВТ); K(2)
j,i — коэффициент, учитывающий снижение
шумовой добротности из-за ошибок наведения
луча антенны.
Шумовая добротность определяется следующим
соотношением [2]:
H(0)
j,i = 4πS
λ2
j · ηj,i,(2)
где S —площадь основногозеркала; ηj,i —
коэффициент использования поверхности (КИП)
в j-м диапазоне частот для сигналов i-й поляризации;
λj — длина волны излучения в j-м диапазоне
частот.
Значение КИП η(j,i) с учетом согласования облучателя
с фидерным трактом в случае МЗА на основании
работы [2] может быть представлено следующим
образом:
ηj,i = η(j,i)
1
· η(j,i)
2
· η(j,i)
3
· η(j,i)
4
· η(j,i)
5
· η(j,i)
6
· η(j,i)
7 . (3)
Частные показатели КИП определяются следующими
соотношениями:
– апертурный коэффициент использования
η(j,i)
1 = 2 ctg2 θ0
2 ×
Ч θ0
– коэффициент, обусловленный перехватом чаθ0
0
|F(j,i)
E |2 + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
сти потока энергии контррефлектором
η(j,i)
2 = θ0
0 |F(j,i)
– коэффициент, учитывающий неравномерπ
0
|F(j,i)
3 = θ0
0 (F(j,i)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 5 вып. 1 2018
θ0
0 |F(j,i)
E |2 + |F(j,i)
H |2 · tg(θ/2) dθ
E + F(j,i)
H ) · tg(θ/2) dθ
E |2 + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
ность фазового распределения в раскрыве
η(j,i)
2
2,(6)
E |2 + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
,(5)
0 |F(j,i)
E | + |F(j,i)
H | · tg(θ/2) dθ
2
,(4)
Стр.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЛУЧАТЕЛЯ
61
– коэффициент, учитывающий переход части
излученной энергии в кросс-поляризованнуюкомпоненту
η(j,i)
флектора
контррефлектором
η(j,i)
4 = θ0
θ0
5 = θ0
θB
– коэффициент, учитывающий ошибки изготовления
рефлектора
η(j,i)
θ0 |F(j,i)
0 |F(j,i)
E |2 + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
E | + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
6 =exp⎡⎣−4πε
λj -2⎤⎦,(9)
0 |F(j,i)
E | + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
2
– коэффициент, учитывающий перекрытие ре0
|F(j,i)
E |2 + |F(j,i)
H |2 · sin θdθ
2
2,(8)
2,(7)
Разработка и выбор параметров
гофрированного рупора
для построения облучающей
системы четырехдиапазонной
зеркальной антенны
В качестве первичных облучателей МЗА широкое
применение находят разновидности гофрированных
(ребристых) конических рупоров с питающим
круглым волноводом. Наибольшая эффективность
гофрированных конических рупоров
обеспечивается путем возбуждения гибридной моды
HE11, имеющей наименьшуюкритическуюдлину
волны и подавления высших мод в требуемых
диапазонах волн. Последнее достигается реализацией
условий возбуждения «быстрых» волн в данных
диапазонах [2].
Поле моды HE11 в раскрыве гофрированного
ходимо учитывать согласование облучателя с АВУ,
определяемое КСВН или коэффициентом отражения
Γj,i в сечении сопряжения облучателя с АВУ
в виде сомножителя:
η(j,i)
7 = 1 −|Γj,i|2.
связь эффективности МЗА с параметрами первичного
облучателя.
Приведенные соотношения показывают, что
первичные облучатели высокоэффективных МЗА,
применяемых в СЛС, во всех частотных диапазонах
должны иметь:
– осесимметричнуюамплитуднуюдиаграмму
направленности (ДН) в пределах рабочего углового
сектора;
– низкий уровень боковых лепестков вне рабочего
углового сектора;
– квазистационарное (слабо зависящее от частоты)
положение фазового центра;
– низкий уровень кросс-поляризационного излучения
(КПР);
– высокий уровень согласования с питающим
волноводом.
(10)
Соотношения (1)–(10) определяют взаимоEx
= A1J0 ν11
R · r−
где ε — среднеквадратическое отклонение поверхности
рефлектора от заданной формы.
Кроме того, при определении КУ МЗА необрупора
волновода определяется следующими компонентами:
где
J0(·), J2(·) — функции Бесселя первого рода
нулевого и второго порядков соответственно; k —
Ey = A2J2 ν11
R · r · sin(2ϕ) · X − Y
k · R ,
волновое число свободного пространства; A1, A2 —
амплитуды составляющих, определяемые параметрами
рупора; X и Y — нормированные импеданс
и проводимость гофрированной структуры; ν11 —
корень функции Бесселя нулевого порядка.
На стенках рупора при r = R нормированные
импеданс и проводимость гофрированной структуры
могут быть представлены следующим образом:
X = −iZ−1
0 Eϕ/Hz,
Y = iZ0Hϕ/Ez.
(12)
При выполнении условия X = Y = 0 поле волны
HE11 в раскрыве рупора не зависит от угла ϕ
и Ey = 0, что определяет отсутствие кросс-поляризационной
составляющей и осесимметричность
поля излучения. Указанное условие, называемое
условием баланса гибридных волн, соответствует
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 5 вып. 1 2018
−A2J2 ν11
R · r · cos(2ϕ) · X − Y
k · R ,
(11)
Стр.4
62
Д. Д.ГАБРИЭЛЬЯН, В. И.ДЕМЧЕНКО, А. Е.КОРОВКИН, Д. Я. РАЗДОРКИН И ДР.
определенному соотношениюпродольных составляющих
электрического и магнитного полей.
Можно считать, что в гофрированном рупоре
X ≈ 0. Условие баланса для гибридной моды
HE11 и минимальный уровень преобразования
вмоду EH12, вносящей наибольший вклад в кроссполяризационное
излучение, достигается при близкой
к нулюна границе гофрированной поверхности
рупора проводимости. Таким образом, для выполнения
условия баланса гибридных волн необходимо
обеспечить Y ≈ 0. Выполнение этого условия
достигается при следующих параметрах гофрированной
структуры [2]:
На рис. 1 приведено распределение напряженt<λ/10,
1 −t<λ/10.
ности электрического поля в раскрыве гофрированного
рупора для значений соотношения ξ = A2(X−
− Y )/(kA1R),равных0,0,1 и0,2 соответственно.
Рис. 2. Форма канавки в многомодовом преобразователе
для многомодового преобразователя (рис. 2). Кроме
того, такой выбор с учетом требований допусков
удовлетворяет требованием технологичности.
Образец предложенного рупорного облучателя
разработан для полосы частот C, X, Ku, Ka.
Размер круглого волновода, с которым согласуется
рупор, равен 0,7C{λ0} [3, 4]. Излучатель для
с постоянным периодом. Профиль перехода начинается
с диаметра 1,4C{λ0} и кончается диаметром
облегчения веса выполнен полностьюиз алюминиевого
сплава. Рупор имеет раскрыв 3C{λ0} идли0,9C{λ0}
на длине 0,8C{λ0}. Многомодовый прену
1,8C{λ0}. Глубина канавки рупора — 0,24C{λ0}
образователь выполнен для обеспечения простоты
технической реализации в виде набора колец одинаковой
толщины с выборками, показанными на
рис. 2, и имеет длину 1,5C{λ0}.
Для использования в составе высокоэффективной
МЗА, выполненной по двухзеркальной схеме,
излучатель, обеспечивающий наилучший КИП в соответствии
с (2)–(9), целесообразно выполнять
из описанного гофрированного рупора, многомодовый
преобразователь которого создает необходимуюрасфазировку
поля в излучателе. Это позволяет
обеспечить незначительное изменение ширины
ДН такого рупора с изменением частоты.
Экспериментальное исследование
характеристик излучения макета
разработанного рупора
Экспериментальные ДН гофрированного рупоРис.
1. Линии напряженности электрического поля
в раскрыве гофрированного волновода: а) ξ = 0,
б) ξ =0, 1, в) ξ = 0, 2
Проведенные исследования показали, что наилучшие
в полосе частот согласование для основной
ивысшеймодыв рупоре,стабильностьДНобеспечиваются
при использовании канавок трапецеидального
сечения для рупора и сложного сечения
ра в E-и H-плоскостях приведены на рис. 3. Ширина
ДН по уровню −15 дБ на средней частоте каждого
из совмещаемых диапазонов составляет соответственно
58◦ в E-плоскости и 60◦ в H-плоскости.
Указанный уровень облучения определяется достижением
наиболее высокой эффективности зеркальной
системы [1,4]. В X-, Ku-, Ka-диапазонах частот
наблюдается монотонное уменьшение ширины ДН,
которая соответственно составляет 54◦ в обеих
плоскостях для X-диапазона, 47◦ в E-плоскости
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 5 вып. 1 2018
Стр.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЛУЧАТЕЛЯ
63
Рис. 3. Диаграммы направленности гофрированного рупора: а) С-диапазон, б) X-диапазон, в) Ku-диапазон,
г) Ka-диапазон
и48◦ в H-плоскости для Ku-диапазона, 34◦
в E-плоскости и 35◦ в H-плоскости для Ka-диапазона.
Такое изменение ширины ДН обеспечивает
максимальнуюэффективность многодиапазонной
облучающей системы в соответствии с показателем
(3). Кроме того, формируемые ДН имеют
практически одинаковую ширину в E-и в Hплоскостях
и низкий уровень бокового излучения,
что определяет высокуюосесимметричность ДН
и высокий КПР.
Измеренный КСВН такого рупорного излучателя
в полосе частот C, X, Ku, Ka приведен на рис. 4.
Среднее значение КСВН в полосе частот каждого
из совмещаемых диапазонов не превышает 1,12 при
максимальном значении 1,15 на частоте C{λ0}.
Таким образом, использование рассматриваемого
четырехдиапазонного рупора позволяет
добиться наиболее высокой осесимметричности ДН
в пределах рабочего сектора углов, низкий уровень
боковых лепестков вне рабочего углового сектора,
высокий уровень согласования с питающим
волноводом и высокий коэффициент поляризационной
развязки ортогональных линейных поляризаций
облучателя, что обеспечивает высокуюэффективность
МЗА в целом.
Выводы
1. Проведенные исследования позволили установить
взаимосвязь характеристик облучающей системы
с характеристиками МЗА и обосновать
требования, предъявляемые к облучающей системе.
Показано, что наиболее полно всей совокупности
требований, предъявляемых к облучающей
системе МЗА, удовлетворяет гофрированный рупор
при выполнении условия баланса гибридной
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 5 вып. 1 2018
Стр.6
64
Д. Д.ГАБРИЭЛЬЯН, В. И.ДЕМЧЕНКО, А. Е.КОРОВКИН, Д. Я. РАЗДОРКИН И ДР.
Рис. 4. Частотные зависимости КСВН четырехдиапазонного гофрированного рупора: а) С-диапазон, б) X-диапазон,
в) Ku-диапазон, г) Ka-диапазон
моды HE11 и минимального уровня преобразования
в моду EH12.
2. Разработан четырехдиапазонный гофрированный
рупор с согласованием на круглый волновод,
содержащий оригинальный многомодовый
преобразователь типов волн, прилегающий через
радиальный переход к гофрированному рупору.
На основе математического моделирования выбраны
параметры гофрированного рупора и модового
преобразователя.
3. Экспериментальная проверка показала, что
в полосах частот C-, X-, Ku-, Kа-диапазонов среднее
значение КСВН не превышает 1,12, а максимальное
значение составляет 1,15 на нижней частоте
C-диапазона и на частоте, равной 1,2 нижней
частоты Ка-диапазона. Диаграммы направленности
облучателя имеют высокую осесимметричность.
Список литературы
1. Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е.,
Раздоркин Д. Я. Выбор показателей и критерия
эффективности облучателя многодиапазонной зеркальной
антенны системы спутниковой связи //
IX Всероссийская научно-техническая конференция
«Радиолокация и радиосвязь», Москва, 23–25 ноября
2015 г.: сборник докладов. М.: ИРЭ РАН, 2015.
С. 52–57.
2. Clarricoats P. J. B., Olver A. D. Corrugated horns for
microwave antennas (Electromagnetic waves series: 18).
Peter Peregrinus Ltd., 1984. 232 p.
3. Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е.,
Раздоркин Д. Я., Шипулин А. В.Исследование частотных
зависимостей компонентов векторной диаграммы
направленности гофрированного рупора //
V Всероссийская микроволновая конференция, Москва,
29 ноября–1 декабря 2017 г.: Cб. докладов. М.:
ИРЭ РАН, 2017. С. 57–61.
4. Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е.,
Раздоркин Д. Я., Гвоздяков Ю. А., Полтавец Ю. И.
Построение облучателей многодиапазонных зеркальных
антенн систем спутниковой связи // Ракетнокосмическое
приборостроение и информационные системы,
2017, т. 4, вып. 1. С. 40–45.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 5 вып. 1 2018
Стр.7