Лобкова Л М, Троїцький А В, Виголов С А, Білий А Л Севастопольський національний технічний університет Стрілецька бухта, м Севастополь, 99053, Україна тел: +380 (692) 235-233, e -mail: alex_troitsl

Анотація – Запропоновано бифилярно циліндричний спіральний опромінювач для сферичної дзеркальної антени Досліджено вплив геометричних параметрів опромінювача на його характеристики випромінювання Показана МОЖЛИВІСТЬ збільшення робочої області на сферичному дзеркалі при роботі із запропонованим облучателем

I                                        Введення

Перспективи подальшого розвитку супутникових телекомунікаційних систем повязані з освоєнням НИЗЬКИХ і середніх кругових орбіт В даний час на різних етапах формування та експлуатації перебувають близько двох десятків супутникових телекомунікаційних систем, з яких найбільш відомі Spaceway, Expressway, Cyberstar, Teledesic У таких системах супутники постійно переміщаються щодо кореспондента, тому для організації безперебійної звязку антенна система повинна забезпечувати супровід як мінімум двох супутників – висхідного і призахідного, і комутацію каналу звязку Для цього необхідні антени з ширококутним скануванням декількох променів

II                               Основна частина

Застосування антен з параболічним профілем для цілей широкоугольного сканування малоефективно: властивості параболи як фокусирующего елемента не допускають широкоугольного сканування Тому великий інтерес в даному випадку представляє використання сферичного дзеркала

[1] При цій схемі побудови антени сферичний рефлектор залишається нерухомим (Рис1), а сканування ДН здійснюється переміщенням легкого і компактного опромінювача за допомогою скануючого механізму

Рис 1 Сферична дзеркальна антена

Fig 1 Spherical reflector antenna

Однак, для досягнення високого значення КНД та ефективного використання поверхні сферичного рефлектора амплітудно-фазовий розподіл струму на дзеркалі повинно бути скориговано з урахуванням сферичної аберації Зазвичай для цієї мети використовується коригуюча лінза або допоміжне дзеркало спеціальної форми У даний роботі розглянуто інший спосіб корекції, заснований на використанні спеціального «Лінійного джерела» [1], в даному випадку – бифилярно циліндричного спірального опромінювача (Рис2), при цьому схема формування променя залишається гранично простий, а опромінювач виходить легким і компактним

Рис 2 Бифилярно циліндричний спіральний опромінювач (а) і ьогодні (Ь)

Fig 2 Bifilar cylindrical helical irradiator for spherical reflector antenna (a) and its far field patterns (b)

Ідея корекції фаз полягає в наступному Плоска хвиля, падаюча на сферичне дзеркало, фокусується на центральній лінії поблизу точки параксіального фокуса, створюючи тут поле змінної фази Тому, якщо розташувати уздовж фокальної осі лінійний опромінювач з розподілом фаз, що мають запізнювання в напрямку від полюса дзеркала до точки параксіального фокуса, окремі ділянки якого випромінюють в відповідних напрямках, то після відбиття від дзеркала утворюється плоска хвиля

Традиційно в якості лінійного випромінювача в техніці НВЧ розглядалися решітки на основі хвилеводу Конструкція опромінювача при цьому виходила ДОСИТЬ складною в налаштуванні і володіла вузькою смугою робочих частот Робота на кругової поляризації також викликала труднощі

У даний роботі в якості лінійного джерела розглянута бифилярно циліндрична спіраль В роботі [2] показано, що в такій спіралі хвиля може існувати в частотному діапазоні з коефіцієнтом перекриття по частоті порядку 2, при цьому ширина діаграми спрямованості (ДН) за рівнем -10 дБ складає близько 140 .. 160 °

Проведені авторами цієї роботи теоретичні та експериментальні дослідження дозволили виявити ряд особливостей поля випромінювання біфілярного циліндричної спіралі

По-перше, кут намотування циліндричної спіралі помітно впливає на форму ДН При куті намотування менше 18 .. 20 ° антена працює в режимі прямого осьового випромінювання Зі збільшенням кута намотування до 25 .. 30 ° в біфілярного спіралі встановлюється режим зворотного осьового випромінювання (рис 2Ь) При цьому ДН помітно розширюється, форма її наближається до секторної, причому коефіцієнт еліптичності зберігається досить високим (Більше 0,7) в межах ширини ДН за рівнем -10 дБ

По-друге, рівень бокового та заднього випромінювання істотно залежить від форми ділянки спіралі поблизу точки збудження Доповнення циліндричної спіралі ділянкою, розташованою на конічної поверхні, так, як це показано на рис 2а (вхідні затиски розташовані в площині ΧΟΥ), призводить до помітного зменшення бокового та заднього випромінювання При 2 .. 3 витках на конічної частини і повному вугіллі конусности 25 .. 30 ° рівень заднього випромінювання падає до -25 .. -30 дБ (рис 2Ь) Початковий радіус конічного ділянки вибирається виходячи з величини хвильового опору лінії живлення, при цьому вхідний опір антени стабілізується і набуває суто активний характер в смузі робочих частот з коефіцієнтом перекриття по частоті порядку 2 .. 2,5

По-третє, при роботі біфілярного спіралі в режимі зворотного осьового випромінювання розподіл фази поля випромінювання на сфері з центром в точці харчування опромінювача має вигляд квадратичної залежності Шляхом деякого зміщення такого опромінювача з точки параксіального фокуса можливо компенсувати квадратичну фазову помилку, виникає через сферичного профілю дзеркала В результаті досліджень, проведених із залученням математичної моделі [3], було встановлено, що площа робочої області на поверхні сферичного дзеркала може бути збільшена в 2 .. 3 рази в порівнянні з допустимою для опромінювача без фазової корекції, або зменшений діаметр дзеркала без погіршення спрямованих властивостей

III                                  Висновок

Проведені авторами роботи дослідження дозволили виявити взаємозвязок між геометричними параметрами бифилярно циліндричного спірального опромінювача і його характеристиками випромінювання Показана можливість збільшення робочої області на сферичному дзеркалі при роботі із запропонованим облучателем Отримані результати можуть бути використані при створенні простих і ефективних сферичних дзеркальних антен з ширококутним скануванням декількох променів

IV                           Список літератури

[1] Кюн Р Мікрохвильові антени Л: Суднобудування, 1967

[2] Nakano Н, Але S, Yamauchi J Frequency characteristics of tapered backfire helical antenna with loaded termination, IEEE Proc, Vol 131, Pt H, No 3, 1984, pp 147-152

[3] Лобкова Л М, Редін М І, Троїцький А В Аналіз характеристик випромінювання двопроменевий сферичної дзеркальної антени / / Електроніка і звязок, 2005 – № 27-С84-89

BIFILAR CYLINDRICAL HELICAL IRRADIATOR FOR SPHERICAL REFLECTOR ANTENNA

L M Lobkova, A V Troitsky, S A Vigolov, A L Belly Sebastopol National Technical University Streletskaya buhta, Sebastopol, 99053, Ukraine Ph: +3 8 (0692) 23 52 33, e-mall: alex_troltsky@landru

Abstract – In this paper the bifilar cylindrical helical irradiator for spherical reflector antenna is presented The dependence of irradiator radiation pattern upon its geometrical parameters is examined One possibility to increase the operation area on spherical mirror surface under operation with irradiator proposed is shown

I                                        Introduction

Today about two tens of satellite communication systems are at different phases of their design and exploitation The most familiar to us are Spaceway, Expressway, Cyberstar, and Teledesic systems

In the systems of such kind, satellites are permanently in motion relatively the correspondent, so to provide continuous communications an antenna system should provide tracking of no less than two satellites – with ascent and descending flight paths, and also perform switching the communication channel

II                                       Main Part

To achieve efficient beam scanning within very wide angular range, the fixed spherical reflector with a moveable irradiator has been known as alternative to a scanned parabolic reflector With this antenna design (Fig 1), the primary reflector remains fixed beam scanning is performed by displacement of a small and lightweight irradiator using a compact scanning mechanism However to achieve high directivity and for effective use of spherical reflector surface amplitude-phase field distribution on reflector surface should be corrected taking into account spherical aberrations Usually this problem is solved by either correcting lens or auxiliary reflector with special shape In the paper another way of correction is considered based on special «linear excitation source» [1], namely in the form of bifilar cylindrical helical irradiator (Fig2), whereas the beamforming network remains extremely simple and irradiator is lightweight and compact It is shown in [2] that in the spiral under consideration T-1 mode exists with frequency overlap ratio about 2 and the – 10 dB beamwidth is about 140..160 Theoretical and experimental investigations reveal several features of radiation field from bifilar cylindrical helical

First, It has been revealed that winding angle of the helix substantially effects the radiation pattern shape When wounding angle is less than 18..20° spiral antenna provides forward endfire radiation When wounding angle increases up to

25.        30° spiral antenna provides backward endfire radiation (FI

Second, sidelobe level of both forward and backward radiation essentially depends upon the spiral shape in the vicinity of excitation point Addition of conical subsurface as shown in Fig2a, leads to remarkable decrease of sidelobe level and backward radiation When conical subsurface with cone angle about 25..30° contains 2..3 wounds then the level of backward radiation drops to -25..-30 dB (Fig2 b)

Third, when bifilar spiral operates in the backward endfire mode phase distribution on spherical surface centered at excitation point has quadratic form By certain shift of this irradiator from paraxial focal point quadratic phase error, arising due to spherical reflector profile, could be compensated

III                                      Conclusion

The results obtained revealed the relationships between geometry of bifilar cylindrical irradiator and its radiation pattern characteristics These results will be used for design simple and efficient spherical reflector antennas with wide angle scanning of multiple beams

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р