Диссертация (УКВ антенны малых космических аппаратов)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиГаджиев Эльчин ВахидовичУКВ антенны малых космических аппаратовСпециальность: Антенны, СВЧ-устройства и их технологииШИФР: 05.12.07Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наукНаучный руководитель: д.т.н., профессор Воскресенский Дмитрий ИвановичМосква – 20162ОглавлениеВведение ……………………………………………………………………………………………….5Актуальность темы диссертации ……………………………………………………………………..5Цель работы ……………………………………………………………………………………………8Основные задачи ………………………………………………………………………………………8Методы исследования …………………………………………………………………………………9Научная новизна ……………………………………………………………………………………….9Практическая значимость результатов работы ……………………………………………………...9Реализация и внедрение результатов работы ………………………………………………………10Достоверность полученных результатов …………………………………………………………...10Основные положения, выносимые на защиту ……………………………………………………...10Апробация результатов работы ……………………………………………………………………..10Публикации …………………………………………………………………………………………...12Личный вклад ………………………………………………………………………………………...14Объём и структура работы …………………………………………………………………………..14Глава 1.

Состояние и перспективы развития бортовых АФУ КА …………………………...161.1 Тенденция развития космической техники ………………………………………………...161.2 Постановка задачи ……………………………………………………………………………261.3 Специфика бортовых антенн КА ……………………………………………………………271.4 Варианты построения бортовых АФУ КА ……………………………………………….....281.4.1 Применение конструктивных решений …………………………………………….281.4.2 Применение печатных технологий при проектировании бортовых антенн ……..301.4.2.1 Спиральные антенны, выполненные по печатным технологиям ……………..301.4.2.2 Фрактальные антенны …………………………………………………………....311.4.2.3 Микрополосковые антенны ……………………………………………………...341.4.3 Другие варианты построения антенной системы КА ……………………………...361.5 Требования к характеристикам антенн малых КА …………………………………………371.5.1 Характеристики направленности …………………………………………………....381.5.2 Согласование …………………………………………………………………………391.5.3 Частотные характеристики …………………………………………………………..411.5.4 Массогабаритные требования ……………………………………………………….421.6 Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………433Глава 2.

Особенности построения малогабаритной, невыступающей антенной системымалых КА ………………………………………………………………………………………….....442.1 Условия работы бортовых антенн КА ………………………………………………………442.1.1 Механические воздействия …………………………………………………………..452.1.2 Температурные воздействия …………………………………………………………462.1.3 Воздействие космического пространства …………………………………………..472.2 Требования к конструкции и материалам антенн малых КА ……………………………...512.2.1 Требования к механическим воздействиям ………………………………………...512.2.2 Требования к температурным воздействиям ……………………………………….532.2.3 Требования к воздействиям космического пространства ………………………….542.3 Вариант построения малогабаритной, невыступающей бортовой антенной системымалых КА с помощью МПА ……………………………………………………....................552.4 Антенные системы КА «Ионосфера» ……………………………………………………….572.5 Основные соотношения построения МПА …………………………………………………632.6 Особенности построения УКВ МПА .……………………………………………………….652.6.1 Способы миниатюризации МПА …………………………………………………....682.6.2 Вариант миниатюризации УКВ МПА ………………………………………………662.7 Выбор диэлектрика подложки при построении миниатюрных УКВ МПА ……………...682.8 Выводы по главе 2 ……………………………………………………………………………73Глава 3.

Методика приближённого расчёта характеристик направленности бортовойМПА малых КА ……………………………………………………………………………………..743.1 Общая характеристика приближённых методов ...................................................................743.2 Приближенная методика расчёта характеристик направленности бортовых МПАмалых КА .................................................................................................................................753.3 Выводы по главе 3 ………........................................................................................................93Глава 4.Моделирование антенной системы класса малых КА ……………………………….944.1 Моделирование антенной системы малого КА «Ионосфера» …………………………….964.1.1 Варианты построения МПА с круговой поляризацией ……………………………964.1.2 Модель МПА 137 МГц ……………………………………………………………….984.1.3 Модель МПА 150 МГц ……………………………………………………………...1024.1.4 Модель МПА 400 МГц ……………………………………………………………...1054.1.5 Многодиапазонные МПА …………………………………………………………..1084.1.5.1 Способы построения многодиапазонных МПА …………………………..1084.1.5.2 Вариант построения многодиапазонных МПА ……………………………11044.1.5.3 Модель МПА 150/400 МГц …………………………………………………1114.2 Сравнение антенных систем малого КА «Ионосфера» …………………………………..1144.3 Моделирование антенной системы сверхмалых КА ……………………………………..1174.3.1 Моделирование антенной системы сверхмалого КА «CubeSat» ..............................1184.4 Экспериментальное исследование антенной системы класса малых КА ……………….1224.4.1 Схема измерительной установки …………………………………………………….1234.4.2 Измерение характеристик направленности бортовой МПА малых КА …………...1244.4.3 Измерение характеристик направленности бортовой МПА сверхмалых КА …….1284.4.4.

Анализ полученных результатов ……………………………………………………1314.5 Выводы по главе 4 .…………………………………………………………………............134Заключение …………………………………………………………………………………………135Список сокращений ……………………………………………………………………………….137Список литературы ……………………………………………………………………………….1385ВведениеАктуальность темы диссертацииЧеловечество начало осваивать космическое пространство с 1957 года, когда СССР вывелпервый искусственный спутник Земли. С того момента уже прошло более полувека и освоениекосмоса шагнуло далеко вперёд.

На сегодняшний день уже невозможно представитьсовременноетехнологическоеобществобезиспользованиясведенийиданныхсметеорологических, связных, навигационных, телекоммуникационных и других спутниковыхсистем и комплексов. При этом очевидно, что развитие космической индустрии продолжитсяактивными темпами и в дальнейшем, причём всё больше и больше стран вступают в клуб«космических держав».Обеспечение обмена информацией между космическим аппаратом (КА) и наземнымипунктами управления является одной из главных задач.

От качества и непрерывности сеансовсвязи КА с наземными службами зависит выполнение возложенной целевой задачи на КА [1].К бортовым антенно-фидерным устройствам (АФУ) КА предъявляются весьма жёсткиетребования в виду того, что данный класс антенн обладает спецификой [2], котораязаключается:в определённом месте установки антенн на поверхности КА;во влиянии корпуса самого КА и целевой аппаратуры на характеристикинаправленности бортовой антенны (коэффициент стоячей волны (КСВ), диаграмманаправленности (ДН), коэффициент усиления (КУ) и др.), которое приводит к ихухудшению;во влиянии космического пространства, которое снижает работоспособностьбортовых антенн (радиационное излучение, резкий перепад температур при движенииКА по целевой орбите и т.д.);во влиянии условий запуска КА, так как при запуске бортовые антенны подвергаютсяжёстким механическим нагрузкам (вибрация, удары).В настоящее время помимо указанных выше требований также предъявляются требованияи по массогабаритным показателям бортовых АФУ.

Данные требования обусловленыследующим фактором.Существенно изменились приоритеты в разработке самих КА. Видимое преимущество поряду направлений космической деятельности получило создание малых КА по сравнению скрупногабаритными и тяжёлыми КА [3–10].6Благодаря ряду преимуществ, например, малый срок разработки (около трёх лет),достаточно низкая стоимость разработки (по сравнению с большими КА) и возможностькластерного выведения на орбиту (не менее четырёх малых КА за один запуск), малые КАстремительно «завоёвывают» космический сектор. Особенно эффективно применение малыхКА в составе космических комплексов или систем (в составе четырёх–пяти КА), например,«Канопус–В», «Ионозонд» и др.

[11]. Таким образом, появился новый класс КА – малые КА[12]. Причём спектр выполняемых задач данным классом КА весьма широкий: дистанционноезондирование Земли (ДЗЗ), мониторинг чрезвычайных ситуаций, метеонаблюдение, связь,навигация и т.д., что в свою очередь свидетельствует о том, что данный класс КА можетвыполнять те же целевые задачи, что и крупногабаритные и тяжёлые КА.Учитывая явные преимущества применения малых КА, ведущие отечественные изарубежные предприятия активно освоили разработку и внедрение малых КА. Данный процессв настоящее время приобретает всё большую силу, а тенденция разработок малых КА сводитсяк значительному уменьшению стартовой массы (100 кг и меньше).Активный процесс миниатюризации космической техники неизбежно привёл и кминиатюризации всех бортовых систем и комплексов КА, в том числе и бортовых АФУ [13].Традиционно, в качестве бортовых АФУ КА используют различные типы антенн:спиральные, вибраторные, рупорные, волноводы и др.