pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-3-233-242pimi-449Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsРазработка внефокусного облучателя на основе фазированной антенной решетки для параболической зеркальной антенны космической связиDevelopment of an out-of-Focus Irradiator Based on a Phased Antenna Array for a Space Communications' Parabolic Reflector AntennaДовкшаД. B.DoukshaD. V.

Address for correspondence: D.V. Douksha – Belarusian State University, Kurchatova str., 5, Minsk 220045, Belarus    e-mail: d.dovksha@gmail.com

d.dovksha@gmail.comЛешкевичС. В.LiashkevichS. V.

Kurchatova str., 5, Minsk 220045, Belarus

СаечниковВ. А.SaetchnikovV. A.

Kurchatova str., 5, Minsk 220045, Belarus

Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus201909092019103233242Copyright © Довкша Д.B., Лешкевич С.В., Саечников В.А., 20192019Довкша Д.B., Лешкевич С.В., Саечников В.А.Douksha D.V., Liashkevich S.V., Saetchnikov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/449

В настоящее время в системах спутниковой и космической связи и радиоастрономии широко используются зеркальные антенные системы. Развитие данных отраслей требует разработки новых эффективных антенных систем. Возможным техническим решением для создания эффективной зеркальной антенны является «гибридная» схема, когда адаптивная фазированная антенная решетка используется в качестве облучателя. Данная работа посвящена разработке внефокусного облучателя на основе фазированной антенной решетки для параболической зеркальной антенны космической связи. Целью работы являлась разработка оптимальной конструкции облучателя с выбором элемента решетки и проведением экспериментальных исследований выбранного конструктивного элемента.

В качестве инструмента выбора конфигурации облучателя использован метод восстановления волнового фронта. Идея его использования заключается в воспроизведении облучателем электромагнитного поля падающей плоской волны с целью равномерного засвета апертуры зеркала антенны.

Для выбора конструктивного элемента облучателя рассмотрены несколько антенн: патч-антенна, плоская спиральная антенна, коническая спиральная антенна. Определены требования к элементу фазированной антенной решетки. Проведено моделирование облучателя на основе перечисленных конструктивных элементов и проведена оптимизация геометрии облучателя по критерию максимального усиления.

Максимальное усиление достигнуто конструкцией облучателя на основе конических спиральных антенн и составило 30,8 дБ, что для рассматриваемого раскрыва зеркала 2,4 м близко к традиционным фокусным схемам. Полученные результаты позволяют создать адаптивную антенную систему с возможностью компенсировать отклонения формы зеркала от теоретического профиля, а также фазовые искажения в атмосфере изменением весовых коэффициентов решетки.

Mirror antenna systems are widely used in satellite and space communication systems and radio astronomy. Development of these areas requires new efficient antenna systems' design. Possible technical solution for creating an effective mirror antenna is a “hybrid” scheme, when an adaptive phased antenna array is used as an irradiator. This paper is devoted to the development of an out-of-focus irradiator based on a phased antenna array for a space communications' parabolic reflector antenna. The aim of the work is to develop an optimal design of the irradiator with the choice of the structural element of the antenna array and experimental studies of the selected structural element.

The wavefront recovery method was used as a tool for selecting the irradiator configuration. The idea of this method use is to reproduce the electromagnetic field of an incident plane wave with an irradiator in order to uniformly illuminate the aperture of the antenna mirror.

In order to select the structural element of the irradiator several antennas were considered: a patch antenna, a flat spiral antenna, a conical spiral antenna. The requirements for the phased antenna array element were defined. The irradiator based on the above mentioned was simulated and the irradiator geometry was optimized according to the maximum gain criterion.

The maximum gain was achieved for the irradiator based on conical spiral antennas and amounted to 30.8 dB, which for the considered mirror aperture of 2.4 m is close to traditional focal schemes. The results obtained make it possible to create an adaptive antenna system able to compensate for the deviations of the mirror's shape from the theoretical profile, as well as phase distortions in the atmosphere by changing the lattice weights coefficients.

параболическая зеркальная антеннафазированная антенная решеткаметод восстановления волнового фронтапатч-антеннаспиральная антеннаparabolic mirror antennaphased antenna arraywavefront recovery methodpatch antennaspiral antenna.ReferencesГалимов, Г.К. Антенны радиотелескопов, систем космической связи и РЛС / Г.К. Галимов. – М.: Адвансед Солюшнз. – 2013. – 392 с.Galimov G.K. Аntenny radioteleskopov, sistem kosmicheskoj svyazi i RLS [Radiotelescope antenna, space communication systems and radar]. Galimov, Moscow, Advansed Solyushnz Publ., 2013, 392 p.W.A. van Cappellen. APERTIF: Phased array feeds for the wester-bork synthesis radio telescope / W.A. van Cappellen, L. Bakker // 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. – Waltham, MA. – 2010. – P. 640–647. DOI: 10.1109/ARRAY.2010.5613297W.A. van Cappellen, L. Bakker. APERTIF: Phased array feeds for the wester-bork synthesis radio telescope // 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, 2010, pp. 640– 647. DOI: 10.1109/ARRAY.2010.5613297Ivashina, M.V. Off-axis beam performance of Focal Plane Arrays for the Westerbork Synthesis Radio Telescope – Initial results of a prototype system / M.V. Ivashina [et al.] // 2009 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. – Charleston, SC. – 2009. – P. 1–4. DOI: 10.1109/APS.2009.5171751Ivashina M.V., Iupikov O.A., Maaskant R., W.A. van Cappellen, Bakker L., Oosterloo T. Off-axis beam performance of Focal Plane Arrays for the Westerbork Synthesis Radio Telescope – Initial results of a prototype system // 2009 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Charleston, SC, 2009, pp. 1–4. DOI: 10.1109/APS.2009.5171751Гиммельман, В.Г. Система адаптации панелей зеркала космического телескопа / В.Г. Гиммельман, Я.Ю. Федоров, С.С. Щесняк // Сибирский государственный университет науки и технологий. Решетневские чтения. – 2016. – № 20. – C. 98–100.Gimmelman V.G., Fedorov I.I., Shchesniak S.S. [Adaptation system for space telescope surface boards] Sibirskij gosudarstvennyj universitet nauki i tekhnologij. Reshetnevskie chteniya. [Reshetnev Siberian State University of Science and Technology], 2016, no. 20, pp. 98– 100 (in Russian).Ермолаева, Е.В. Адаптивная оптика / Е.В. Ермолаева, В.А. Зверев, А.А. Филатов // СПб: НИУ ИТМО. – 2012. – 297 с.Еrmolaeva Е.V., Zverev V.A., Filatov A.A. Аdaptivnaya optika [Adaptive optics]. St. Petersburg: NIU ITMO Publ., 2012, 297 p.Robert A. Monzingo. Introduction to Adaptive / R.A. Monzingo, T.W. Miller // SciTech Publishing. – 2004. – 543 p.Robert A. Monzingo, Thomas W. Miller Introduction to Adaptive Arrays. SciTech Publishing, 2004, 543 p.Allen Ben. Adaptive Array Systems: Fundamentals and Applications / Ben Allen, M. Ghavamiu // London: John Wiley & Sons. – 2005. – 290 p.Allen Ben, Ghavamiu M. Adaptive Array Systems: Fundamentals and Applications. London, John Wiley & Sons Publ., 2005, 290 p.Пистолькорс, А.А. Введение в теорию адаптивных антенн / А.А. Пистолькорс, О.С. Литвинов. – М.: Наука. – 1991. – 200 с.Pistolkors A.A., Litvinov O.S. Vvedenie v teoriyu adaptivnykh antenn [Introduction to the adaptive arrays theory], Moscow, Nauka Publ., 1991, 200 p.Летунов, А.А. Синтез гибридной зеркальной антенны для систем наземной спутниковой связи / А.А. Летунов [и др.] // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2015. – № 4. – С. 107–113. DOI: 10.17277/voprosy.2015.04.pp.107-113Letunov A.A., Belousov O.A., Kolmykov R.Yu., Kolmykova A.S., Kurnosov R.Yu. [Synthesis of Hybrid Reflector Antenna for Terrestrial Satellite Communication System]. Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. Universitet im. V.I. Vernadskogo [Tambov State Technical University], 2015, no. 4(58), pp. 107–113 (in Russian). DOI: 10.17277/voprosy.2015.04.pp.107-113Тяпкин, В.Н. Алгоритмы адаптации многолучевых антенн, построенных на базе гибридно-зеркальных антенн / В.Н. Тяпкин, Д.Д. Дмитриев, А.С. Першин // Сибирский федеральный университет. – 2013. – № 6(7). – C. 835–844.Tyapkin V.N., Dmitriev D.D., Pershin A.S. [The Adaptive Algorithm Multibeam Antenna, Built on the Hybrid-Reflector]. Sibirskij federal'nyj universitet [Antenna. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies], 2013, no. 6(7), pp. 835–844 (in Russian).Пономарев, О.П. Гибридные зеркальные антенны на основе зеркал с круговым профилем для многофункциональных радиолокационных станций / О.П. Пономарев, Н.Н. Смирнов, С.М. Клишин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. – 2010. – № 2(97). – C. 23–30.Ponomarev O.P., Smirnov N.N., Klishin S.M. [Hibrid antennas based on circular refl for the multifunction radars]. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. Informatika. Telekommunikatsii. Upravlenie [Journal of the St. Petersburg Polytechnic University/Scientifi and technical statements. Series “Computer science. telecommunications. controlˮ], 2010, no. 2(97), pp. 23–30 (in Russian).Зельчан, А.Д. Оценка эффективности применения фазированной решетки в качестве облучателя зеркальной антенны, предназначенной для приема сигналов студенческого спутника / А.Д. Зельчан [и др.] / Минск: VII Белорусский космический конгресс. – 2017. – T. 2. – C. 118–121.Zelchan A.D., Zolotova A.V., Leshkevich S.V., Saechnikov V.A. Evaluation of the effectiveness of the use of a phased array as an irradiator of a mirror antenna designed to receive signals from a student satellite. VII Belarusian Space Congress. Minsk-2017, vol. 2, pp. 118– 121 (in Russian).Дмитриев, В.Г. Нелинейная оптика и обращение волнового фронта / В.Г. Дмитриев. – М.: Физматлит. – 2003. – 256 с.Dmitriev V.G. Nelinejnaya optika i obrashhenie volnovogo fronta [Nonlinear optics and wavefront reversal]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003, 256 p.Хашимов, А.Б. Регуляризирующие схемы в задачах восстановления поля излучения антенн по измерениям в ближней зоне / А.Б. Хашимов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». – 2014. – Т. 14, № 2. – С. 70–80.Khashimov A.B. [Regularization techniques for reconstruction of antenna radiated field by near field measurements]. Vestnik YUUrGU. Seriya “Komp'yuternye tekhnologii, upravlenie, radioehlektronika” [Bulletin of the South Ural State University Series “Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics”], 2014, vol. 14, no. 2, pp. 70–80 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.