Сравнение результатов восстановления диаграммы направленности конической рупорной антенны в дальней зоне по измерениям в зоне Френеля при различных положениях центра апертуры антенны относительно центра вращения опорно-поворотного устройства

Важнейшим этапом производства космических аппаратов (КА) является проведение наземной экспериментальной отработки (НЭО) как КА в полном сборе, так и отдельных его частей, в том числе и антенн. После прохождения антенной очередного этапа испытаний необходимо проверить соответствие ее радиотехнических характеристик (РТХ)

требованиям, заявленным в техническом задании (в технических условиях). Одной из важнейших характеристик любой антенны является её диаграмма направленности (ДН), или зависимость уровня напряженности электрического поля, излучаемого (ДН на передачу) или принимаемого (ДН на прием) антенной. Вопрос точного измерения ДН является очень важным, поскольку ДН определяет зону обслуживания антенны при ее установке на КА.

1.    Методика проведения измерений

В рамках работы был проведен эксперимент, заключающийся в следующем. На выбранной частоте производится измерение одного сечения ДН антенны в дальней зоне, после чего исследуемая и вспомогательная антенны смещаются на расстояние, соответствующее зоне Френеля. Это расстояние можно определить по формулам [2]:

«фр> 0,6D*jD/l(1)

«фр > 0,62 • (D3/2/Jfy(2)

«фр > D2/U(3)

«фр > 0,5 • (D4/3/A1/3),(4)

«фр> (D2/10^20A).(5)

Здесь D – наибольший размер (в данном случае – диаметр) апертуры исследуемой антенны, λ – длина волны, излучаемой исследуемой антенной, R _фр – расстояние измерений в зоне Френеля.

В то же время это расстояние должно быть меньше расстояния дальней зоны антенны [7, 8].

Далее снимается несколько сечений ДН в зоне Френеля, затем с помощью специального математического алгоритма восстанавливается ДН антенны в дальней зоне. При снятии сечений задается диапазон угловых перемещений ОПУ в азимутальной плоскости, в настоящей работе – от минус 50 до 50°. Перед началом измерений ОПУ устанавливается по углу места в самое дальнее отрицательное сечение (отрицательное – ниже центрального). Переход между сечениями осуществляется в угломестной плоскости до достижения самого дальнего положительного сечения (положительное – выше центрального). Центральное сечение соответствует плоскости 0°. При снятии сечения ОПУ перемещается до противоположной границы диапазона перемещений, останавливаясь в каждой измеряемой точке в соответствии с заданным при подготовке к измерению шагом по углу, по достижении правой границы переходит к следующему сечению и процесс повторяется в обратном направлении. В каждой точке сечения снимается один отсчет поля, представляющий собой два значения: амплитуда и фаза поля.

Минимально необходимое количество сечений определяется по формуле [1, 3, 9]:

R

2D2

>~.

^ min — ²

Для корректного выполнения измерений необходимо добиться совмещения фазового центра исследуемой антенны с осью вращения опорноповоротного устройства во избежание искажения фронта волны, приходящей на исследуемую антенну. Обычно у рупорных антенн фазовый центр расположен примерно в центре раскрыва [10], однако на практике необходимо получить точные значения его координат. Это можно сделать с помощью алгоритма, изложенного в [6]. С помощью данного алгоритма производится пересчет фазовых ДН (ФДН), измеренных относительно точки вращения опорно-поворотного устройства (ОПУ) к фазовому центру антенны.

тх2'

2AR

+ 1,

где T _x – наибольший линейный размер исследуемой антенны, R – расстояние между исследуемой и вспомогательной антеннами, λ – длина волны исследуемой антенны. Полученное значение округляется до ближайшего большего нечетного целого числа.

Измерения выполнялись для двух конфигураций положения антенны на ОПУ: с расстоянием от центра апертуры (ЦА) до азимутальной плоскости вращения ОПУ 0,5 метра (рисунок 1) и 0,15 метра (рисунок 2).

Характеристики эксперимента приведены в таблице 1.

Рисунок 1. Расположение антенны на ОПУ до коррекции положения ЦА

Том 9

Рисунок 2. Расположение антенны на ОПУ после коррекции положения ЦА

Характеристики эксперимента

Таблица 1

Параметр	Значение
Рабочая частота исследуемой антенны, ГГц	13
Диаметр раскрыва исследуемой антенны, м	0,17
Расстояние дальней зоны (ДЗ), м	2,56
Расстояние измерений в зоне Френеля, м	0,373 (до коррекции положения ЦА); 0,246 (после коррекции положения ЦА)
Количество измеряемых сечений в зоне Френеля	3
Сектор измерений, градус	±50

2.    Результаты измерений

Одним из важных параметров при обработке результатов измерений является область восстановления ДН (ОВДН). Это прямоугольная область вокруг апертуры антенны, по которой производится интегрирование поля при вычислении коэффициентов Фурье [1]. Согласно [1], для правильного восстановления ДН эта область должна полностью включать в себя апертуру антенны. Однако, как показано в [5], увеличение ОВДН до величины более 2–3 размеров апертуры приводит к появлению искажений на восстановленной ДН.

Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,189 на 0,189 метра приведены на рисунках 3–6.

Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,24 на 0,24 метра приведены на рисунках 7–10.

Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,263 на 0,263 метра приведены на рисунках 11–14.

Заключение

На основании представленных результатов можно сделать вывод о том, что коррекция ФДН имеет смысл, если ЦА рупорной антенны удален от точки пересечения осей вращения (далее – точка вращения) ОПУ более чем на 2–3 диаметра раскрыва. Если необходимо проводить измерения, сблизив ЦА и точку вращения, то коррекция ФДН приводит к появлению искажений на восстановленной ДН.

Влияние ОВДН было ранее рассмотрено в [5]. В данном случае стоит отметить лишь тот факт, что после уменьшения расстояния между центром апертуры антенны и точкой вращения ОПУ увеличение ОВДН вносит более заметное ухудшение качества восстановления ДН.

Рисунок 3. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,189, до коррекции положения центра апертуры

Рисунок 4. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,189, после коррекции положения центра апертуры

Рисунок 5. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,189, до коррекции положения центра апертуры

I/

ОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И

ТЕХНОЛОГИИ нш

Том 9

Рисунок 6. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,189, после коррекции положения центра апертуры

Рисунок 7. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,24, до коррекции положения центра апертуры

Рисунок 8. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,24, после коррекции положения центра апертуры

Рисунок 9. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,24, до коррекции положения центра апертуры

Рисунок 10. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,24, после коррекции положения центра апертуры

Рисунок 11. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,263, до коррекции положения центра апертуры

I/ I— ОСМИНЕСКИЕ АППАРАТЫ VI технологии вин

Том 9

Рисунок 12. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,263, после коррекции положения центра апертуры

Рисунок 13. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,263, до коррекции положения центра апертуры

Рисунок 14. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,263, после коррекции положения центра апертуры