|
| |
|
Слаботочка Книги атмосферу Юпитера и Сатурна оптимальными длинами волн будут: для линии OA-СА (Юпитера) 30... 40 см, для линии СА- OA (Юпитера) - 20 см и СА-OA (Сатурна) - 50 ...75 см. Одной из проблем обеспечения устойчивой и надежной связи с КА, находящимся в атмосфере или иа поверхности планеты, является обеспечение коро-ноустойчивости его антенной системы, работающей в СВЧ диапазоне при повышенных уровнях мощности излучения. Опасность коронообразоваиня может возникнуть на участках спуска, либо иа поверхности планеты при давлении газа, соответствующем критическому для соответствующей частоты и мощности сигнала. Сверхвысокочастотиый пробой приводит к полной или частичной потере связи с КА, расстройке высокочастотного тракта, термомеханическнм нарушениям конструкции АФС и аппарата в целом. Знание состава атмосферы планеты и ее параметров является необходимым условием при построении АФС, способной обеспечить надежную работу, а также при выборе мер защиты излучающих элементов антенн и корпуса носителя [8]. Процесс лавинообразной ионизации под действием электрического поля антенны возникает при соблюдении условия равенства частоты возбуждающего поли и частоты столкновения электронов с атомами газа, окружающего антенну, которая определяется давлением в окружающей среде. Так, для атмосферы Марса, давление на поверхности которого составляет примерно 7 мм рт. ст., критические частоты соответствуют дециметровой части радиодиапазоиа. В зависимости от типа антенны, диапазона частот, внешних условий и излучаемой мощности картина высокочастотного разрида может меняться в больших пределах. Так, при исследовании штыревой антенны в условиях, приближающихся к условиям на поверхности Марса, при изменении длины штыря / от 0,19доО,31Я (см. рис. 11.15; / -/ = 0,3а, 2 -/=0,25?., 5 -/ = 0,19Я, /=1 ГГц) мощность пробои монотонно возрастает. Это происходит нз-за уменьшения плотности электрического поля по длине вибратора, а также за счет увеличения эквивалентной индуктивности. При исследовании зависимости пробойных характеристик от давления отмечен факт перемещения места локализации разряда по длине вибратора: так, при давлении более 1 мм рт. ст. для частоты 1000 МГц свечение короны в момент пробоя наблюдается на конце вибратора, затем при понижении давления свечение постепенно распространяется на всю длину вибратора и, наконец, при давлении менее 0,5 мм рт. ст. плазменное облако локализуется около узла возбуждения вибратора, что может быть объяснено повышенной скоростью десорбции газов с поверхности под действием разряда и повышением давления в слое. Десорбция способствует переходу разряда в область узла возбуждения антенны, кроме того, если в результате диффузии заряженных частиц разряд, возникнув на конце штыря, охватит области, расположенные ближе к точке запитки, это приведет к уменьшению поля в участках, примыкающих к концу штыря, и соответственно к увеличению его в участках ближе к узлу возбуждения. Все это способствует перелокализации плазменного облака к узлу возбуждения, где разряд обладает большей устойчивостью.  W° мм рт.ст. -i Ю Рис. 11.13 / - эбояит: г - текстолит; 3 - фтор-п.таст; 4 - оргстекло Рнс. 11.14 -/ .- титан; 2 - алюминий; 3 - медь; 4 - серебро  да мм рт. ст. Ю Загрязнение поверхности антенны, вызванное адсорбцией и другими причинами, так- до же оказывает существенное влияние на коронообразование. . Температура газа, окружающего антенну, существенно влия-  70 ----- 10 J> Рис. 11.15 / - 0.31л; г -0,25Л; 3 -0,!9Л: /= I ГГц ет на среднюю энергию электронов н электрическую прочность антенны. При разработке конструкции антенны АКС, а также средств защиты ее от короны необходимо учитывать и такое явление, как возможное газовыделение с поверхности АКС в условиях разреженной среды, которое усугубляет возможность появления разряда. На рис. 11.13-11.15 приведены некоторые характеристики штыревой антенны, полученные в условиях коронообразоваиня. 11.4. ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АНТЕНН АКС Сложная конфигурация корпуса АКС затрудняет расчет характеристик излучения антенн, особенно малонаправленных, где влияние корпуса весьма заметно. В общем случае учет отражающих экранов конечных размеров и элементов конструкции носителя, расположенных вблизи антенн, при представлении их в виде проволочных сеточных моделей в строгой постановке гранич- ной антенной задачи на базе метода интегральных уравнений (ИУ) приводит к системе ИУ Поклннгтона [4-6] 2 f In(s)Kmn{s, s)ds= -i - E,{s), m=l,2,...,N, (11.4) d-Gmnis, s) dsds - ядра соответствующих ИУ, учитывающих взаимодействие -го элемента эквивалентной излучающей системы антенна - корпус АКС с т-м элементом. Алгоритм численного решения этой системы ИУ в рамках общепринятого метода моментов представляет собой процедуру сведения их к матричным уравнениям (МУ) с неизвестными коэффициентами разложения в ряд искомой функции тока /n(s) по системе Мп линейно независимых базисных функций Фг(5) в области интегрирования: /n(s)= 2/пеФе(0. (11-5) где Ini - неизвестные коэффициенты, подлежащие определению. Используя систему весовых функций в виде б-функций [5], а в качестве базисных - кусочно-постоянные функции подобластей, сводим уравнение (11.4) к виду Е Е Г rnniSK, s)ds= -j ЕМ (И-6) п=1 i=l (1-1) As ° т= 1, 2, N; к= 1, 2,..., М , или в матричной форме [](/) = (х). (11-7) где [К] - матрица обобщенных сопротивлений; (/) (Е. ) - векторы обобщенных токов и напряжений. Поле излучения в дальней зоне такой обобщенной проволочной системы с известным распределением осевых компонентов комплексных токов / (s), полученных из решения МУ (И.7), определяется векторизованной формулой Кирхгофа -Котлера и может быть представлено в виде суммы составляющих £ф и £е (рис- 1115): Еф = ]Е, Е E/r.iexp[/ft(Z iCose-f p iSine)][S, ..©°] Д5 г; n=l 1=1 Eq = j £о Е Е т ехр ijk {Znt cos О -1 pni sin 0)J [ S. e°] Д s i; n=l 1=1 (11.8) где Eo= expi-jkRo); бФ-угловые координаты точки наблюдения в даль-ней зоне. Поле (11.8) может быть представлено в виде (11.9) £ф (9, Ф) = £ ф (О, Ф) ехр [; 1)ф (9, Ф)]; £е(е. Ф) = £ое(9. Ф)ехр[/г;д(е, Ф)], где E(Q, Ф) и fgg (6, Ф)-ДН системы антенна - корпус АКС ; (&, Ф) и i5g(6, Ф) - фазовые диаграммы излучения системы. Из (11.9) легко могут быть получены все характеристики излучения системы: КНД, входное сопротивление Zb%, коэффициент эллиптичности по известным формулам [7]: - КНД::- [0Фшах + £9п.ах] 2я 2я j l[El + Ele]smQdQdO Up 1(0) (11.11) где Uo-напряжение в зазоре б-генератора, возбуждающего антенну ;[4]; (11.12) l-f т2 -f У(1 -f m2)2 4m2 со52ф 0 6(9- ; ф = фф(е, Ф)-г;0(е, Ф). в настоящее время широко применяются численные методы анализа при поиске оптимальных конструкций антенн с учетом влияния корпуса носителя и выработаны соответствующие алгоритмы и практические рекомендации по аппроксимации реальных структур ячеистыми проволочными моделями. Для получения удовлетворительной сходимости результатов расчета с экспериментом необходимо соблюдать следующие условия: размер ячеек должен быть в пределах (0,03... 0,12)Л, толщина провода (0,004... ...0,02)Л, кроме того, для сокращения машинного времени необходимо, чтобы элементарные отрезки ячеек сходились в узлах, а не пересекались [5, 6]. Этими условиями в итоге определяется число элементарных проводников и порядок МУ. С учетом этих условий для объектов, представляющих собой осесимметричные тела вращения, выбирались радиально-кольцевые схемы разбиения. При этом, например, для описания антенны посадочного аппарата АКС Венера-12 вместе с парашютным отсеком и тормозным щитком потребовалось 554 элемента разбиения. Время решения задачи на ЭВМ ЕС-1035 составило 5 ч 30 мин. Соответственно для ОНА АКС Луноход-2 (спирально-дисковая структура) размер матрицы получился 1092 элемента, а время решения на ЭВМ ЕС-1060 составило 6,5 ч. Учитывая, что в последнем слу-9-178 257 чае необходимо достаточно строго исследовать поле в осевом направлении и в меньшей степени в области бокового и заднего излучений, стало возможным отражающий экран заменить бесконечным металлическим экраном. При этом, учитывая зеркальную симметрию относительно бесконечного экрана, порядок матрицы взаимных сопротивлений удалось понизить до М-763, что позволило соответственно сократить и время обращения матрицы и решения всей задачи. Сравнение результатов расчета для М-1092 и М-763 с экспериментом показало, что в пределах основного и первых боковых лепестков ДН имеет место хорошее совпадение. На рис. 11.16,а, б иоказана антенна радиоинтерферометрической системы АКС проекта Вега . Она представляет собой однозаходную регулярную цилиндрическую спираль с соосно расположенным внутри металлическим цилиндром, который гальванически соединен с металлическим диском, служащим отражающим-экраном. При использовании ИУ магнитного и электрического типов была проведена оптимизация геометрических размеров этой антенны по признаку максимизации КНД вычислительными методами. При этом удалось получить эффект сверхнаправленности по сравнению с обычными неоптимизированными ЦСА: при общей длине спиральной структуры L=1,58A, (рис. 11.16,6) коэффициент усиления составил более 20,0 с учетом всех видов потерь. Данные эксперимента Б наземных и условиях реального полета АКС Вега хорошо совпали с результатами расчета (рис. 11.17). Использование методов численного решения электродинамических задач совместно со средствами контроля и поддержания точности обеспечивает получение достоверных результатов для МУ высокого порядка (более 1000) на ЕС ЭВМ, описывающих антенны АКС с учетом влияния корпуса носителя с использованием ячеистой аппроксимации их поверхностей.   Рис. 11.16   При создании антенн АКС большой интерес представляет синтез ДН заданной формы. Его можно осуществить либо обеспечением необходимого распределения тока по активной поверхности излучающей системы антенна - носитель , либо выбором формы токонесущей поверхности, числа и мест установки излучателей, обеспечивающих формирование требуемого распределения поля в дальней зоне. При этом полезен набор статистики о характе
Рис. 11.17 pe излучения с поверхностей различных форм и выбор практических рецептов возбуждения этих поверхностей. Математически задача синтеза криволинейного проволочного излучателя с учетом влияния подложки формализуется в виде системы из двух ИУ, из которых одно устанавливает связь поля антенны в дальней зоне и распределения тока в нем, а другое - связь между возбуждающим первичным полем фидера и током на антенне: f(e, ф)=р(01/(е. ф. т, (11.13) При решении системы (11.13) учитывается, что результирующее поле антенны, возбуждаемой N возбудителями, £реэ(0. ф)= а £(е, ф). где а - комплексные весовые коэффициенты. Тогда задача синтеза сводится к минимизации функционала вида /2Я Я /(а) = -pea (6, Ф) £рв8 max И позволяет отыскать вектор коэффициентов a(ai, аг, .... Cjv), приближающий свойства антенны к заданным. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 11 1. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств.- М.: Радио н связь, 1987. -432 с. 2. Вуд П. Анализ и проектирование зеркальных аитени. - М.: Радио и связь. 19 84. -208 с. 9* 259 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 [43] 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||