Evaluation of radio-technical parameters of KU-band antenna in the nearand far-field measurement systems

Full Text

Инфокоммуникации являются одной из важных отраслей современной экономики ввиду непрерывного развития и совершенствования информационных и телекоммуникационных технологий, включающих в себя сбор, хранение и передачу информации. Для передачи информации потребителю широко используют спутники связи и ретрансляции. В состав полезной нагрузки космических аппаратов (КА) входят перспективные антенные системы, точность проектирования и изготовления которых должна постоянно расти. В этой связи, важны точность и эффективность наземной экспериментальной отработки, включающей измерения РТХ антенн. К настоящему времени довольно полно изучены методы измерения РТХ антенн в ближней и дальней зонах [1-2]. Кроме того, некоторые из них реализованы в промышленных измерительных комплексах [3-4]. В АО «ИСС» создана и успешно эксплуатируется мощная экспериментальная база, являющаяся неотъемлемой частью производства космических аппаратов (КА). В нее входят сверхширокополосные автоматизированные измерительно-вычислительные комплексы (СШП АИВК) ближнего поля (БП). Кроме того, в АО «ИСС» создан полигон для проведения измерений РТХ антенн в дальней зоне (ДЗ). Однако каждый измерительный комплекс по-своему уникален и имеет как достоинства, так и недостатки. Кроме того, результаты измерений на измерительных комплексах в БП и ДЗ могут отличаться для различных типов антенн и условий их измерения. Между тем в рамках предприятия АО «ИСС» сравнение РТХ антенн в БП и в ДЗ, применяемых для обеспечения космической связи, ранее не выполнялись. В этой связи актуально провести измерения и сравнительный анализ РТХ антенны в дальней и ближней зонах. Метод вышки является одним из традиционных методов измерения антенн в ДЗ. Антенны располагают высоко от земли, чтобы исключить ее влияние, в зоне прямой видимости друг напротив друга на большом расстоянии. При измерениях в ДЗ в состав оборудования входят: измеряемая антенна, вспомогательная антенна, генератор сигнала, векторный анализатор цепей. Исследуемая антенна антенна имеет круговую поляризацию, располагается на опорно-поворотном устройстве, с помощью которого осуществляется сканирование путем поворота антенны в плоскости азимута, после чего исследуемая антенна поворачивается на 90° по поляризации и вновь сканируется в плоскости азимута. В результате формируются две ДН, характерные для азимутальной и угломестной плоскостей исследуемой антенны. Вспомогательная антенна закрепляется неподвижно и, как правило, является передающей. В АО «ИСС» преобладают остронаправленные антенны, использующиеся на КА, поэтому полигон представляет собой две поднятые высоко над землей вышки с падающим рельефом между ними (см. схему на рис. 1) [5]. Такой полигон позволяет уменьшить нежелательные переотражения сигнала. В АО «ИСС» на полигоне для измерений в ДЗ расстояние между вышками для вспомогательной и исследуемой антенн составляет 2500 м. Рис. 1. Полигон с падающим рельефом [5] При определении главных сечений ДН измеряется комплексный коэффициент передачи высокочастотного тракта, включающего в себя измеряемую антенну. Она вращается в заданном секторе углов , а частота гармонического сигнала меняется в заданном диапазоне . Вспомогательная и измеряемая антенны устанавливаются так, чтобы измерять требуемую поляризационную компоненту поля в требуемой плоскости сечения. По окончании измерений накапливается массив измерительной информации в виде значений модуля и фазы комплексного коэффициента передачи по мощности на заданных частотах. Далее, для требуемой частоты определяется максимальное значение , соответствующее направлению главного максимума q 0, и вычисляется ДН: . Для сравнительного анализа двух измерительных комплексов проведены измерения двухзеркальной антенны Кассегрена Кu-диапазона в ДЗ на полигоне и на плоскости в БП в безэховой камере (БЭК) по методике описанной в [3; 6]. Антенна такого типа хорошо зарекомендовала себя и наиболее часто используется в полезной нагрузке перспективных космических аппаратов, поскольку позволяет добиться более высокой кросс поляризационной развязки, имеет более компактную схему построения, в результате чего упрощается подводка питания к облучателю. Результаты измерений представлены в виде сечений ДН в главных плоскостях (см. рис 2) и основных РТХ (см. таблицу 1). Рис. 2. Сравнительные сечения ДН в азимутальной (а) и угломестной (б) плоскостях Таблица 1. РТХ антенны при измерениях в ДЗ, БП № часто-ты Зона КНД ШДН (-3 дБ)° ШДН (-10 дБ)° Азимут Угол места Азимут Угол места 1 ДЗ 49,822 0,478 0,458 0,898 0,793 БП 50,063 0,475 0,455 0,890 0,791 2 ДЗ 49,654 0,481 0,473 0,909 0,826 БП 49,991 0,484 0,47 0,903 0,822 3 ДЗ 50,296 0,462 0,452 0,830 0,802 БП 50,567 0,462 0,456 0,825 0,800 4 ДЗ 50,366 0,451 0,442 0,857 0,769 БП 50,482 0,449 0,438 0,854 0,767 5 ДЗ 49,81 0,464 0,446 0,895 0,78 БП 50,111 0,466 0,45 0,890 0,776 Заключение Из рис. 2 следует, что максимальное расхождение ДН составляет 0,5 дБ вблизи уровня минус 27 дБ в азимутальной плоскости и 0,4 дБ в угломестной плоскости, что соответствует аппаратной погрешности комплексов (0,5 дБ для уровней ДН от минус 10 дБ до минус 30 дБ). Из таблицы 1 видно, что максимальное расхождение ШДН составляет 0,08º, что превышает погрешность измерений (0,02º для комплексов ДЗ и БП). Максимальное расхождение КНД составляет около 0,3 дБ, что незначительно превышает погрешность измерений (0,2 дБ для комплексов ДЗ и БП). Поскольку антенна измерялась в разных условиях (в БЭК для БП и на полигоне для ДЗ), сказывается влияние рабочего места, а именно, при измерениях на полигоне в ДЗ появляются мешающие переотражения сигнала от подстилающей поверхности. Поэтому заметен небольшой рост уровней боковых лепестков антенны при измерениях в ДЗ, что приводит к расширению ДН и спаду КНД. Однако, можно утверждать, что оба измерительных комплекса дают практически идентичные результаты при измерениях характеристик направленности антенн, и, соответственно, могут использоваться при наземной экспериментальной отработке антенн подобного типа. В перспективе предполагается провести сравнение результатов измерений РТХ нескольких типов антенных систем в ДЗ и БП.

About the authors

Alexandr Vasilevich Muhin

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: Pilot_06@inbox.ru

Sergey Konstantinovich Domanov

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: Serzh.domanov@mail.ru

Talgat Rashitovich Gazizov

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Email: talgat.tu@tusur.ru

References

Supplementary files