ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В теперішній час перспективи розвитку аерокосмічної техніки обумовлені створенням високоефективних параболічних антенних систем.

Антени на космічних літальних апаратах повинні надійно працювати в умовах підвищеного рівня радіації, наявності мікрометеоритів, тривалого впливу ультрафіолетового сонячного випромінювання. Передавальні антени повинні володіти достатньою електричною міцністю для того, щоб незалежно від висоти польоту не виникали високочастотні розряди, що призводять до втрат потужності і спотворюють форму сигналу. Відбивна поверхня повинна бути виконана з матеріалу з високою провідністю. Для отримання високого коефіцієнта спрямованої дії і низького рівня бічних пелюсток форма дзеркала повинна відповідати певним допускам. Надійність є одним з найважливіших параметрів космічної антени. Так як витрати, пов'язані з виведенням космічного корабля настільки великі, що правильне функціонування всіх вузлів та елементів абсолютно необхідно. Обмеження за обсягом і вагою космічних пристроїв призводять зазвичай до того, що антени з великими розмірами виконують у вигляді конструкцій надувного або розсувного типу. Оскільки такі антени є напівжорсткими, робота в важких умовах космічного середовища ставить додаткові проблеми, пов'язані з матеріалами та електричними характеристиками антен. Однак, дзеркальні антени придатні для використання їх у вигляді складних конструкцій [1].

Складна космічна антена - це така антена, яка при прольоті атмосфери космічним літальним апаратом знаходиться в складеному стані і займає мало місця усередині нього, а при виході в космос по команді від програмно-часового пристрою розвертається і приймає необхідні для нормальної роботи форму, орієнтацію і розміри [6].

1. Актуальність теми

Актуальним є розробка складних конструкцій антен, які найчастіше виконують у вигляді конструкцій надувного або розсувного типу. Найчастіше застосовують дзеркальні антени, які придатні для використання їх у вигляді складних конструкцій. До таких конструкцій відноситься плоский зональний відбивач Френеля, в якому робоча поверхня плоского дзеркала складається з окремих частин - зон. Серед позитивних якостей притаманних зональному відбивача Френеля можна виділити висока технологічність виробництва, конформність, можливість виготовлення антен великих розмірів [7].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета дослідження: пошук оптимальної антеною конструкції, що відповідає сучасним критеріям, способу її складання та моделювання в програмному середовищі.

Задачі дослідження:

Об'єкт дослідження: складаний антенний відбивач Френеля.

Предмет дослідження: розгортувані антенні відбивачі.

У рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів: удосконалення конструкції антенного відбивача Френеля в якій за рахунок використання стільникового конструкції з функцією розкриття забезпечується зниження маси відбивача, зменшення його габаритів, а отже і витрат на транспортування, при збереженні тих же параметрів зональної антени Френеля, зокрема коефіцієнта посилення.

3. Загальний огляд розгорнутих антен

Таким чином, всі конструкції великих космічних відбивачів побудовані на основі тих чи інших принципів зміни геометрії структури, наприклад, таких, як механічне розгортання або висування стрижнів, наповнення повітрям компактно складених структур і натягування мембрани між елементами конструкції. Вибір способу розгортання антени залежить від розмірів відбивача, обмежень обсягу і необхідної довговічності антени в космічних умовах.

Одним із способів класифікацій складних антен є класифікація за коефіцієнтом розгортання. Коефіцієнт розгортання антени - це ставлення її розмірів у розгорнутому і складеному стані. Залежно від необхідного коефіцієнта розгортання можна застосувати антени, у яких зміна розмірів заснована на різних принципах. За цим принципами антени класифікують наступним чином:

  1.  Антени механічного розгортання;
  2.  Саморозгортаюча антена;
  3.  Надувні антени.

Також ефективність конструкції антени може оцінюватися за питомою масою її квадратного метра. Ефективними значеннями цих показників вважають:

Для досягнення таких показників важливу роль відіграють показник металотрикотажного полотна, використовуваного для поверхні антени, що відбиває.

Складані (трансформовані) антени зажадали створення гнучких радіовідбиваючих поверхонь з високим (97 ... 99%) коефіцієнтом радіовідбивання в робочому діапазоні частот, мінімальним зусиллям розтягування, високою стабільністю фізико-механічних і електрофізичних характеристик при зберіганні і тривалому терміні експлуатації.

Як відображають поверхонь складних антен, можна виділити:

Вибір матеріалу покриття залежить від їх здатності зменшувати контактний опір сітки, тобто збільшувати її відбивну здатність [8].

4.Принцип реалізації та роботи складного відбивача

Труднощі виготовлення параболічних відбивачів змусила шукати альтернативні конструкції антен, більш технологічних у виробництві і самостійному виготовленні. До таких конструкцій відноситься плоский зональний відбивач Френеля, в якому робоча поверхня плоского дзеркала складається з окремих частин - зон. До основних вимог антен виведених на орбіту відносять мінімальні массогабаріти і максимальна радіоотражающая здатність. Ці якості притаманні зональному відбивача Френеля, а також висока технологічність виробництва, конформність, можливість виготовлення антен великих розмірів.

Враховуючи переваги зонального відбивача Френеля і недоліки параболічної антени, зробили висновок, що розробка антен з зональної поверхнею є дуже перспективною.

Відомий антенний відбивач Френеля являє собою плоску радіопрозорі пластину з нанесеними на неї провідними концентричними кільцевими поверхнями, розташовані в одній площині. Опромінювач так само, як і у параболічної антени, знаходиться перед самою антеною, має місце явище дифракції, а не фокусрованіе в одну точку всіх хвиль, відбитих від поверхні антени. Це викликано тим, що під впливом падаючої хвилі електромагнітного поля, згідно принципу Гюйгенса-Френеля, кожне кільце стає джерелом вторинного випромінювання. Підбирають таку ширину кожного кільця зональної антени і відстані між ними, щоб сигнали вторинного випромінювання від середніх ліній кожного кільця в певній точці простору збігалися по фазі. Для цього достатньо щоб відстань між середніми лініями кілець становило Згідно принципу Гюйгенса-Френеля кільця які стають джерелом вторинного випромінювання фази сигналів, яких збігаються, тобто непарні кільця виконуються з провідного матеріалу, кільця, що відображають хвилі електромагнітного поля в протилежній фазі виготовлені з радіопрозорого матеріалу [3, 4].

Відомий антенний відбивач використовується в наземних радіоелектронних комплексах. Використання його в космосі не представляється можливим, тому що його маса і геометричні розміри роблять його економічно невигідним при транспортуванні на орбіту.

В основу даної роботи поставлена ​​задача удосконалення антенного відбивача Френеля в якій за рахунок використання стільникового конструкції з функцією розкриття забезпечується зниження маси конструкції, зменшення її габаритів, а отже і витрат на транспортування, при збереженні тих же параметрів зональної антени Френеля, зокрема коефіцієнта посилення.

Поставлена ​​задача вирішується завдяки тому, що антенний відбивач, що містить непарні провідні концентричні кільцеві поверхні, розташовані в одній площині на радиопрозрачной підставі причому, радіопрозорі основа виконана у формі стільникового конструкції, що складається із сукупності ідентичних призм і яка має функцію розкриття, при цьому внутрішній діаметр шестикутника стільникового призми складає менше половини довжини хвилі сигналу, а ширина сполучної поверхні граней призм дорівнює або більше 0,05 довжини хвилі сигналу і покрита проводять матеріалом [2].

Параметри антени:

Визначення фокусної відстані зональної антени

Рисунок 1 – Визначення фокусної відстані зональної антени

Відстані між краями кілець і фокусом:

где ln(n=1, 2, 3…) – відстань від фокуса до країв кіл,

f – відстань від фокуса до центру кільця,

rn - радіуси кілець,

 - довжина хвилі.

Радіус диска:

Аналогічно виходять співвідношення для радіусів кілець:

; ; ;         і т.д..

Або в загальному випадку:


Розфазовки між сигналами, випромінюваннями кромкою диска і його центром, а також кромками кілець і їх серединою складає всього чверть довжини хвилі.

Для отримання вузькосмугової антени, тобто з розфазовки менше, ніж /4 пропонується використовувати такі формули:

 - для парних значень n,

 - для непарних значень n [9, 11]. 

 

 Новим у технічному рішенні є:

  •  Радіопрозорі основа виконана у формі стільникового конструкції;
  •  Стільникова конструкція складається із сукупності ідентичних призм;
  •  Стільникова конструкція має функцію розкриття;
  •  Внутрішній діаметр шестикутника стільникового становить менше половини довжини хвилі сигналу;
  •  Ширина сполучної поверхні граней призм дорівнює або більше 0,05 довжини хвилі сигналу;

Зазначені ознаки визначають сутність роботи наведеного на рисунку 1, де показана схематична конструкція антенного відбивача, виконаного на основі стільникової конструкції, де 1 - радіопрозора основа, 3 - провідні кільця, 2 - центральний диск. На рисунку 2 показана стільникова конструкція в збільшеному вигляді, де 4 - сполучна поверхня стільника 5 в розкритому вигляді.

Радіопрозора основа 1 виконана у формі стільникової конструкції, що дозволяє складатися і розкладатися антенному відбивачу, що суттєво зменшує його масу і габарити. Причому внутрішній діаметр шестикутника стільникової призми складає менше половини довжини хвилі сигналу, а ширина сполучної поверхні стільників 5 дорівнює або більше 0,05 довжини хвилі сигналу і покрита матеріалом, що проводять, тому що внаслідок невиконання цих умов будуть отримані значно погіршені параметри, зокрема: спотворена діаграма спрямованості, дуже малі відношення сигнал/шум і коефіцієнт підсилення, що економічно не вигідно. На радиопрозорій основі 1 знаходяться центральний диск 2 - основа відбиваючої поверхні і непарні концентричні кільцеві поверхні, які проводять 3, що відображають сигнал з такою ж фазою, що і центральний диск тим самим забезпечуючи звуження діаграми спрямованості. При розрахунку було визначено, що обсяг конструкції в стислому вигляді становитиме близько 60% від обсягу в розкритому вигляді.

Схематическое изображение складного антенного отражателя

Рисунок 2 – Схематичне зображення складного антенного відбивача (1 - радіопрозора основа, 2 - кільцева концентрична поверхня, 3 - центральний диск)

Сотовая конструкция в увеличенном виде

Рисунок 3 – Стільникова конструкція в збільшеному вигляді (4 - сполучна поверхня, 5 – стільник)

 При розрахунку було визначено, що обсяг конструкції в стислому вигляді становитиме близько 60% від обсягу в розкритому вигляді [2].

Висновки

Таким чином, використання даного антенного відбивача на основі стільникового конструкції дозволяє знизити металоємність і масогабарити, а отже й економічні витрати при транспортуванні [2].


При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Збірник тез "Людина і космос" XII Міжнародна молодіжна науково-практична конференція – Дніпропетровськ – 2010 – с. 225.
  2. Патент № 96352, Україна, МПК (2011) H01Q15/00. Антенний відбивач. Донецький національний технічний університет. Паслен В.В, Зайцева Ю.І., Мельник І.В., Іваніцін В.Є., Вахнова Е.Е. Публ. – 25.10.2011. Бюл. № 20  – 4 стор.
  3. Рудольф Кюн "Мікрохвильові антени" Переклад з німецької Тарабарина В.І. і  Лабецкого Е.В. під редакцією проф.  Долуханова М.П. Суднобудування, 1967. – 517 с.
  4. Нікітін В.А., Соколов Б.Б., Щербаков В.В., ТВ, РВ, Сі-Бі антени. "100 і одна конструкція, нові і старі варіанти". – М.: Символ – Р, 1997 р.
  5. Журнал "Теле-Супутник" 6 (32) червня 1998 стор. 68.
  6. Зайцева Ю.І. Антенний відбивач. /  Зайцева Ю.І.,  Мельник І.В.,  Паслен В.В. / / Збірник тез "Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ – 2010". – Севастополь 2010. – с. 206.
  7. Матеріали XV міжнародного молодіжного форуму "Радіоелектроніка та молодь XXI" – Харків – 2011 – с. 18 – 19.
  8. Igor V. Minin, Oleg V. Minin "Basic Principles of Fresnel Antenna Arrays" Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008, p. 71 – 80.
  9. Праці міжнародної наукової конференції "Випромінювання і розсіювання електромагнітних хвиль" – Таганрог – 2011 – с. 218 – 220. 
  10. Колоколов А.А. "Формули Френеля і принцип причинності" УФН 169 1025 – 1034 (1999).
  11. H11. Y.Jay Guo, Stephen K.Barton "Fresnel Zone Antenna" Kluwer Academic Publishers, Boston/Dordrecht/London, 2002, p. 9 – 21.