Управление частотной настройкой космической антенной системы

Принимая во внимание изложенное, а также возрастающие требования к разрешающей способности и возможности выполнения гиперспектральной съемки, можно утверждать, что существует потребность в антенных системах, максимально удовлетворяющих совокупности перечисленных требований и ограничений.

В числе традиционно используемых на космических аппаратах дистанционного зондирования Земли антенных систем следует указать: зеркальные антенны различных модификаций и фазированные и активные фазированные антенные решетки (ФАР и АФАР) [17]. Такой выбор определен наличием у них очень ярко выраженных направленных свойств, а также отработанных технологий их доставки и развертывания в пункте назначения. Другие антенные системы с высоким коэффициентом усиления оказались востребованы значительно меньше по целому ряду причин. Например, линзовые антенны Люнеберга при всех своих достоинствах обладают достаточно большой массой, объемом и конструкцией, чувствительной к неравномерному прогреву составных частей. Многоэлементные фазированные антенные решетки, обладая большим коэффициентом направленного действия, отличаются значительными потерями в диаграммобразующих схемах. И даже широко применяемые активные фазированные антенные решетки отличаются значительной массой и объемом. Это вынуждает ограничивать количество элементов в них и препятствует росту усиления.

Другой вид антенных систем, которые называют «антеннами Френеля» или «зональными антеннами Френеля» (АФ) [6; 10], отличается невозможностью перестройки по частоте. Кроме того, антенны Френеля примерно вдвое уступают зеркальным параболическим антеннам аналогичного размера по значению коэффициента направленного действия (рис. 1) [14; 16].

С другой стороны, такая антенная система имеет простую и стабильную конструкцию. Масса экрана при изготовлении его из диэлектрической пленки с пленочным же проводящим покрытием очень мала. Благодаря этому становится возможным кратное увеличение его площади. Направленные свойства при сборе энергии электромагнитной волны сразу в обоих фокусах приближаются к значениям параболических антенн.

Перечисленные достоинства позволяют авторам сделать попытку преодоления главного недостатка антенны Френеля с целью улучшения диапазонных свойств и получения возможности электронного управления ее настройкой.

68 в ыпуск 3/2020

Рис. 1. Антенна Френеля:

а – устройство экрана; б – пояснение принципа действия, где F1 – фокус, в котором собираются синфазные ЭВМ, отраженные от проводящих поверхностей экрана; F2 – фокус, в котором собираются синфазные ЭВМ, прошедшие через радиопрозрачные поверхности экрана

Предложения по созданию узконаправленной антенной системы с управляемой частотой настройки

Высокий коэффициент направленного действия антенных систем достигается увеличением отношения размера раскрыва антенной системы к длине волны. Так, в зеркальных и линзовых антеннах для этого увеличивается диаметр фокусирующих элементов. В ФАР и АФАР включается большее количество активных элементов (излучателей), размещаемых на большей площади. Диапазонные свойства большинства антенных систем определяются в основном способностью излучателей работать на разных частотах.

Основной недостаток АФ связан с принципом ее действия. А именно, со способом создания в фокусах электромагнитного поля с постоянной фазой (см. рис. 1).

Рыжов М.В. и др. Управление частотной настройкой космической антенной системы 69

Для работы на заданной частоте необходимо точно выдержать их размеры

Pn =

где n - номер зоны Френеля; р n - внешний радиус n -й зоны Френеля; X - длина волны; F – расстояния от фокуса до экрана [7; 11]. При изготовлении проводящих элементов экрана по традиционной планарной технологии, такое возможно лишь на определенной частоте. Таким образом, в АФ экран является узкополосным частотным фильтром [2] и, следовательно, создание экрана с реконфигурируемыми проводящими поверхностями способно существенно улучшить ее диапазонные свойства.

проводники

Двойной Одинарный

Совокупность тонких проводников

Рис. 2. Изменение ширины и количества проводников в антенне Френеля

С целью получения возможности реконфигурации отражающих поверхностей в соответствии с рабочей частотой предлагается [1; 3; 12]:

• •    сплошные, широкие проводники заменить совокупностями тонких, повторяющих конфигурацию исходных (рис. 2- а );

• •    тонкими проводниками покрыть и радиопрозрачные участки поверхности экрана (рис. 1- а );

• •    тонкие проводники выполнить двухслойными, симметрично с обеих сторон диэлектрического основания (рис. 2- б );

• •    получившиеся проводники разделить на совокупность более коротких (рис. 3- а ), снабженных средствами коммутации (рис. 3- б ).

В процессе эксплуатации отражающие поверхности создаются коммутацией тонких коротких проводников в кольца, соответствующие зонам Френеля на заданной частоте. Оставшиеся незадействованными проводники, в силу малости длины по сравнению с длиной волны, значительного влияния на прохождение ЭМВ не оказывают.

Дробление длинных проводников и возможность перенаправления токов между слоями, а также возможность составления отрезков нужной протяженности потенциально позволяет формировать отраженную волну с требуемым профилем фронта. Таким образом появляется возможность получения более ровного фазового распределения отражения от проводящих поверхностей экрана, соответствующих заданной частоте.

70 в ыпуск 3/2020

Рис. 3 . Изменение протяженности проводников в антенне Френеля и варианты их совместного использования

Затенение тылового облучателя, расположенного в фокусе F2 (см. рис. 1), оставшимися незадействованными отрезками проводников, может быть скомпенсировано формированием из них отражателей, обеспечивающих сдвиг фазы, более чем на ±π/2. Таким образом, радиопрозрачные области экрана превращаются в отражающие поверхности с управляемой фазой отраженной ЭМВ. Так как отраженная ЭМВ будет формироваться всей поверхностью экрана, а ее фронт станет близким к плоскому, реализация описанного в пределе увеличивает мощность ЭМВ во фронтальном фокусе F1 (см. рис. 1) вдвое, приближая АФ по эффективности к параболической зеркальной. Кроме того, полное отражение экраном падающей волны делает бессмысленным наличие облучателя в тыловом фокусе, а заодно с ним и сопутствующего фазовращателя.

Фазосдвигающие отражатели могут выполняться:

• •    подбором протяженности проводников (рис. 4- а ; рис. 3- б – «сдвиг фазы на 180°» и «удлинение проводника»);

• •    формированием путей протекания токов в отражателях через сочетания проводников на фронтальной и тыльной сторонах экрана (рис. 4- б ).

Рис. 4 . Изменение протяженности проводников в антенне Френеля и варианты их совместного использования

Поворот фазы также может выполняться включением простых и составленных из более коротких отрезков проводников в режиме короткого замыкания либо обрыва (рис. 3- б – «короткое замыкание/обрыв»). Возможность реализации описанного способа формирования, близкого к плоскому фронта ЭМВ, подтверждается приведенными на рисунке 5 зависимостями [11].

Рыжов М.В. и др. Управление частотной настройкой космической антенной системы

Рис. 5. Зависимость фазы коэффициента отражения ЭМВ от электрической длины отражателя l / λ и его ширины w

Проблема подбора средства оперативной коммутации коротких отрезков проводников может разрешаться различными средствами. При их выборе приходится руководствоваться требованиями по затуханию электрических колебаний, возможности электронного управления ими, малоразмерности относительно рабочей длины волны, низкого энергопотребления и устойчивости к неблагоприятным факторам космического пространства. Совокупности перечисленных требований для диапазона СВЧ наиболее полно соответствуют микроэлектромеханические коммутаторы [4; 5; 15], пример характеристик которых приведен на рисунке 6.

Рис. 6. Частотные характеристики МЭМС-ключа RMSW100 компании Radant MEMS

72 в ыпуск 3/2020

Заключение

При проектировании космических аппаратов, в зависимости от задач, решаемых с помощью их бортовых антенных систем [9], приходится делать непростой выбор. Особенности назначения, траекторий полета и многое другое определяют его. Неизменным является требование обеспечения необходимого энергетического потенциала радиолиний в любое время [18]. Ввиду наличия различных недостатков у традиционно используемых антенных систем существует необходимость в их совершенствовании либо других антенных системах [8], максимально удовлетворяющих совокупности предъявляемых требований и ограничений [13]. В их числе АФ. Как показано, такая антенна обладает важными достоинствами, а также значительными возможностями по устранению имеющихся недостатков. Особую привлекательность ей придает возможность существенного повышения потребительских свойств посредством внедрения электронного управления ее электрическими характеристиками – ее частотной настройкой.