Моделирование и экспериментальное исследование процесса настройки двухзаходной конической логоспиральной антенны системы видеоконтроля

Бортовая аппаратура системы видеоконтроля (БА СВК) задумана как самостоятельный модуль, обеспечивающий пользователю возможность осуществлять дистанционные исследовательские операции, так называемое «интерактивное наблюдение», при отделении космических аппаратов от разгонных блоков. БА СВК включает в себя четыре различных подсистемы: блок системы видеоконтроля, блок обработки данных, высокочастотный блок и антенно-фи-

Рис. 1. Модель двухзаходной конической логоспиральной антенны дерное устройство (АФУ). АФУ состоит из двух антенн и фидерного тракта.

Важным узлом такого АФУ, определяющим его электродинамические характеристики, является широкополосная антенна, излучающая сигналы в дециметровом L-диапазоне частот (от 1010 до 1040 МГц). В качестве широкополосной антенны АФУ была выбрана двухзаходная коническая логоспиральная антенна с числом витков равным двум. Антенна представляет собой две металлические ленты, намотанные и закрепленные на диэлектрическом конусе. Такая форма спиральных лент обеспечивает широкую полосу, а так же широкую диаграмму направленности (ДН) и круговую поляризацию во всех направлениях полусферы. ДН логоспиральной антенны зависит от величины угла при вершине конуса и угла намотки спирали. Логарифмическая двухзаходная антенна с постоянным углом раскрывания в виде планарной спирали, обернутой вокруг диэлектрического конуса, была создана американским ученым Д. Дайсоном (Dyson) в 1958 г. [1].

Модель двухзаходной конической логоспиральной антенны дециметрового L-диапазона, реализованная в САПР «Аnsys HFSS» представлена на рис. 1 [2].

Рис. 2. Расчетное входное сопротивление модели двухзаходной конической логоспиральной антенны

Рис. 3. Расчет длины согласующего трансформатора по диаграмме Вольперта – Смитта

Для обеспечения допустимой нормы согласования общей схемы АФУ БА СВК при самых неблагоприятных сочетаниях входных сопротивлений приборов, входящих в данную схему, коэффициент стоячей волны (КСВ) двухзаход-ной конической логоспиральной антенны должен иметь значения в пределах от 1,05 до 1,35. Для этой цели в конструкцию двухзаходной конической логоспиральной антенны необходимо ввести элемент согласования [2]. Именно такой согласующий элемент получил название транс-

Рис. 4. Модель двухзаходной конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором

Рис. 5. Входное сопротивление двухзаходной конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором форматора сопротивлений, который широко используется в СВЧ-технике. В конструкции антенны предусмотрены два элемента настройки: последовательный согласующий трансформатор сопротивлений, симметрирующая щель λ /4.

В процессе отработки согласования антенны с линией передачи определяются:

– волновое сопротивление трансформатора;

– диаметр и длина трансформатора.

Основным элементом согласования является трансформатор сопротивлений.

Для определения параметров такого трансформатора необходимо располагать точными данными по входному сопротивлению Z _вх антенны, т. к. даже незначительная погрешность приводит к серьезным отклонениям от ожидаемого результата.

Расчетное входное сопротивление модели двухзаходной конической логоспиральной ан-

XY Plot 1                                                            HFSSDesignl A

Рис. 6. КСВ двухзаходной конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором

б )

Рис. 7. Экспериментальный образец конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором ( а ); КСВ экспериментального образца конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором ( б )

тенны представлено на рис. 2. Z _вх = R n + X _n =

= 0.053 + j 0.058.

Волновое сопротивление согласующего транс-

форматора определяется формулой [3]:

^р тр

W

1 - R n

R n   X n

Длина трансформатора L _т р = 74 ° или 0,197 1 = = 57.6 мм ( f = 1026.5 ± 4 МГц).

Таким образом, сопротивление на выходе согласующего трансформатора:

R _тр = N р _тр = 4.50 • 11.12 = 50.04 Ом.           (4)

Волновое сопротивление коаксиальной линии определяется выражением:

1 - 0.053

0.053 - 0.053² - 0.058²

= 11,12 Ом.

Р тр = 138 lg I D I . V d V

Определим длину трансформатора:

I 1-R

N = J -------= ⁴ ,50,                    (2)

22 nnn

Z _p = Z вх N = 0.238 + j 0.261.                    (3)

При внутреннем диаметре экрана коаксиальной линии D = 6 мм диаметр согласующего последовательного трансформатора составит: d = 4, 98 мм.

Именно на этой окружности лежит Z p (рис. 3).

Расчетные характеристики модели двухзаход-ной конической логоспиральной антенны с согласующим трансформатором представлены на рис. 4–6.

По результатам моделирования был создан опытный образец спиральной антенны (рис. 7, а ), согласующий последовательный трансформатор и проведена экспериментальная отработка, которая показала достаточно хорошее совпадение электрических характеристик (рис. 7, б ) с результатами моделирования.

Разработка принципов моделирования и алгоритмов расчета электрических характеристик позволит создавать новые оптимальные конструкции антенн и существенно снизить материально-временные затраты на опытное производство, экспериментальные исследования, конечную доводку и настройку антенн, разрабатываемых для различных частотных диапазонов радиотехнических систем космических аппаратов, ракет-носителей, разгонных блоков.