Автореферат (УКВ антенны малых космических аппаратов)

На правах рукописиГаджиев Эльчин ВахидовичУКВ АНТЕННЫ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВСпециальность 05.12.07 – «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»Авторефератдиссертации на соискание учѐной степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре «Радиофизики, антенн и микроволновойтехники»Московскогоавиационногоинститута(национальногоисследовательского университета).Научный руководитель:Официальные оппоненты:Воскресенский Дмитрий Ивановичдоктортехническихнаук,профессор,заведующий кафедры «Радиофизики, антенн имикроволновойтехники»Московскогоавиационногоинститута(Национальногоисследовательского университета)Нечаев Евгений Евгеньевичдоктортехническихнаук,профессор,заведующий кафедры «Управления воздушнымдвижением» Московского государственноготехнического университета гражданской авиации(МГТУ ГА)Русов Юрий Сергеевичкандидат технических наук, доцент кафедры«Радиоэлектронных систем и устройств»Московского государственного техническогоуниверситета (МГТУ им.

Н.Э. Баумана)Ведущая организация:АО «Московский ордена Трудового КрасногоЗнамени научно-исследовательскийрадиотехнический институт» г. Москва(АО «МНИРТИ»)Защита состоится «6» декабря 2016 г. в 14:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институтепо адресу: 125993, г.

Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (125993, г. Москва, A-80, ГСП-3,Волоколамское шоссе, д. 4) и на сайте http://www.mai.ru.Автореферат разослан «___»2016г.Учѐный секретарьдиссертационного советаД. 212.125.03, д.т.н., профессорСычѐв М.И.2I. Общая характеристика работыАктуальность темы диссертацииОбеспечение обмена информацией между космическим аппаратом (КА) иназемными пунктами управления является одной из главных задач. От качестваи непрерывности сеансов связи КА с наземными службами зависит выполнениевозложенной целевой задачи на КА.К бортовым антенно-фидерным устройствам (АФУ) КА предъявляютсявесьма жѐсткие требования в виду того, что данный класс антенн обладаетспецификой, которая заключается: в определѐнном месте установки; вовлиянии корпуса самого КА и целевой аппаратуры на характеристикинаправленности и согласования бортовой антенны (коэффициент стоячейволны (КСВ), диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ));во влиянии космического пространства; во влиянии условий запуска КА; вуменьшении массогабаритных показателей.Существенно изменились приоритеты в разработке самих КА.

Видимоепреимущество по ряду направлений космической деятельности получилосоздание малых КА по сравнению с крупногабаритными и тяжѐлыми КА.Активный процесс миниатюризации космической техники неизбежнопривѐл и к миниатюризации всех бортовых систем и комплексов КА, в томчисле и бортовых АФУ.Традиционно, в качестве бортовых АФУ КА используют различные типыантенн: спиральные, вибраторные, рупорные, волноводы и др.

Однако приразработке антенной системы для малых КА необходимо учитывать следующиефакторы.Так как площадь поверхности КА предназначенной для установки всейбортовой целевой аппаратуры, в том числе и АФУ, как правило, составляетпримерно от 0,01 м2 до 1 м2 (в зависимости от габаритов малого КА), тонеобходимо использовать такой тип антенн, который удачно размещался бы натакой поверхности.3Несмотрянасовременнуютенденцию,котораязаключаетсявиспользовании высокочастотных бортовых антенн (2,4 ГГц, 5 ГГц, 8,2 ГГц,10 ГГц, 25,6 ГГц), в настоящий момент существует острая потребность вминиатюрных антеннах метрового и дециметрового диапазонов (145 МГц,435 МГц), т.е.

УКВ диапазон. Этот факт обусловлен тем, что ввидудоступности данного диапазона для потребителя (особенно при построенииантенн для научных комплексов и систем, радиолюбительских систем и т.д.),этот диапазон активно применяется как на борту малых КА, так и в наземныхпунктах приѐма.В тоже время, помимо жѐстких требований по массогабаритнымхарактеристикам и требований к невыступающей конфигурации антенн малыхКА, необходимо обеспечить приемлемые характеристики направленности исогласования (КСВ, ДН, КУ).

Корпус КА оказывает влияние на ДН бортовойантенны вследствие эффекта дифракции, вызванного протеканием токов наповерхности КА, т.е. ухудшаются характеристики направленности бортовыхантенн.С учѐтом выше изложенного можно сформулировать основные цели изадачи диссертационной работы.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы является изыскание путей построения,методики проектирования и расчѐта малогабаритной, невыступающей антеннойсистемы класса малых КА широкого профиля.В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе былирешены следующие задачи: проведение аналитического обзора научно–технической литературы,посвящѐнной построению малогабаритной, невыступающей антеннойсистемы для малых КА; исследованиевлияниякорпусанаправленности бортовых антенн;4носителянахарактеристики изучениепараметровсуществующихиприменяемыхСВЧ–диэлектриков; изыскание путей построения миниатюрных УКВ микрополосковыхантенн; поиск технических решений и разработки малогабаритных, бортовыхУКВ микрополосковых антенн; разработка приближѐнной методики оценки влияния поверхности КАна характеристики направленности бортовых микрополосковых антенн; определение и исследование направленных свойств и частотныххарактеристик бортовых микрополосковых антенн; предложение технических решений и разработка бортовой, планарной,многодиапазонноймикрополосковойантенны(метровогоидециметрового диапазонов) для построения антенной системы малыхКА; экспериментальноеисследованиехарактеристикнаправленностибортовой микрополосковой антенны и проведение сравнительногоанализа,полученногопутѐмстрогогочисленногоэлектродинамического моделирования.Методы исследованийПриисследованиииспользовалиськаквычислительныеметодыэлектродинамики и теории антенн и устройств СВЧ на ЭВМ, так и известныеобщие методы решения волновых уравнений.Научная новизна работы заключается в следующем:предложеналгоритмоценкивлияниякорпусамалогоКАнахарактеристики направленности бортовой антенны малого КА;определенытребованиякхарактеристикамнаправленности,согласованию, частотным свойствам и массогабаритным параметрам,конструкции,космическогоприменяемымпространства,материаламвследствиемеханического5ивоздействияклиматическоговоздействия, обусловленных также спецификой запуска и эксплуатациибортовых антенн малых КА;предложен ряд бортовых, многочастотных, с круговой поляризацией,высокотехнологичных микрополосковых антенн для малых КА.Практическая значимость результатов работы1.РазработанаизапатентованаУКВмикрополосковаяантенна,обладающая в 2–2,5 раза меньшими габаритами по сравнению сприменяемыми антеннами на борту КА.2.Предложена УКВ микрополосковая антенна круговой поляризации,обладающаяболеепростымспособомполучениякруговойполяризации по сравнению с применяемыми антеннами на борту КА.3.Предложена многодиапазонная микрополосковая антенна в планарномисполнении, позволяющая уменьшить занимаемый объѐм.Реализация и внедрение результатов работыОсновные результаты диссертационной работы использованы и внедреныв ОКР АО «Научно-исследовательского института электромеханики» (АО«НИИЭМ»), а также внедрены в учебный процесс кафедры 406 МАИ (НИУ).Акты о внедрении приведены в приложении к диссертации.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов обусловлена использованиемобщеизвестных методов решения волновых уравнений, а также совпадениемполученных результатов с экспериментально измеренными характеристиками.Апробация результатов работыРезультаты доложены и опубликованы в 30 тезисах научно–техническихконференций, в том числе десяти международных, двух всероссийских иодиннадцати молодѐжных.6ПубликацииПо основным результатам выполненных исследований опубликовано 30тезисов научно–технических конференций, тринадцать научных статей, трипатента.Основные положения, выносимые на защитуПредложена конструкция малогабаритной, невыступающей антеннойсистемымалыхКАсиспользованиеммалогабаритныхУКВмикрополосковых антенн, соответствующих предъявляемым требованиямк антенной системе малых КА.Разработаналгоритмнаправленностинахожденияслабонаправленныхизмененийбортовыххарактеристикантеннотявлениядифракции на поверхности малого КА, позволяющий на начальнойстадии проектирования определить необходимые антенные устройства.Созданы миниатюрные УКВ микрополосковые антенны, применяемые всистеме связи, метеонаблюдения, в научных задачах и др., позволяющиеуменьшить в 2–2,5 раза габариты по сравнению с применяемымибортовыми антеннами на борту при тех же характеристиках.Объѐм и структура работыДиссертационная работа состоит из введения, четырѐх глав, заключения,списка сокращений, списка использованной литературы.

Работа изложена на152 страницах машинописного текста. Список литературы включает 165наименований на 15 страницах. Работа содержит 87 рисунков и 16 таблиц.Личный вкладВсепредставленныеэкспериментальныеданныевдиссертацииполученырезультатыличнонепосредственном участии.7авторомисследованийлибоприиегоII. Краткое содержание работыВведениеВо введении показано обоснование актуальности темы диссертационнойработы, сформулирована цель работы, перечислены основные положения,выносимыеназащиту.Приведенаструктурадиссертации,апробациярезультатов и результатов внедрения.Глава 1.

Состояние и перспективы развития бортовых АФУ КАВ первой главе проведѐн обзор состояния и тенденций развития бортовыхантенныхсистемКА.Показанаактивнаятенденцияминиатюризациикосмической техники, которая привела к появлению нового класса КА – малыхКА. Представлена классификация малых КА. Приведѐн обзор отечественных изарубежных малых КА.

Выявлена необходимость создания бортовых антенндля малых КА, а именно построение малогабаритной, невыступающейантенной системы малых КА. Показана специфика класса бортовых антенн КА.Рассмотрены применяемые в настоящее время варианты построения бортовыхантенных систем, а именно с помощью применения конструктивных решений,применения печатных технологий при проектировании антенн, примененияразличных типов антенн. Сформулированы требования к характеристикамнаправленности (ширина ДН ± 180° в случае неориентированного полѐта КА и± 60° в случае ориентированного полѐта КА, КУ не менее минус 1 дБ в рабочемсекторе углов, излучение поля с линейной и круговой поляризацией),согласованию (для связных антенн КСВ не более 1,35; для передающих,приѐмных, антенн научных комплексов и систем КСВ не более 2), частотнымхарактеристикам (одночастотные (метровый, дециметровый диапазоны) илимногочастотные (метровый и дециметровый диапазоны) с узкой (3%) и/илиширокой(10%)полосойрабочихчастот),атакжемассогабаритнымпоказателям (не более 10×10 см для сверхмалых КА (стартовой массой менее10 кг, например, КА «CubeSat») и не более 30×30 см для малых КА (стартовоймассой от 10 кг до 500 кг)) бортовых антенн малых КА.8Глава 2.