Диссертация (УКВ антенны малых космических аппаратов), страница 10

КА «Ионосфера» ─ однотипные. КА «Зонд»создается на той же платформе, что и КА «Ионосфера». Задачи, решаемые ими, несколькоразличаются. КА «Ионосфера» предназначены для получения данных об околоземномпространстве, а КА «Зонд» для получения информации о состоянии Солнца. Отсюда и разныетребования к ориентации КА: у КА «Ионосфера» ─ орбитальная, а у КА «Зонд» ─ солнечная.КА «Зонд» располагается на эллиптической орбите с апогеем 1200 км, перигеем 400 км,причемнаклонениеплоскостиорбитыдолжнобытьтаким,чтобыобеспечивалосьмаксимальное время наблюдения северных широт (полярной «шапки» Земли»).Такое орбитальное расположение КА «Зонд» и КА «Ионосфера» (см.

рис. 2.9) позволяетвыполнять задачи контроля состояния верхней атмосферы, магнитосферы, озоносферы, а такжеобеспечивать получение регулярной и достоверной информации с помощью измеренийкосмическими средствами характеристик и параметров процессов и явлений в ионосфере,верхней атмосфере и магнитосфере в спокойный период и в условиях активных воздействийприродного и антропогенного характера.Технические характеристики КА «Ионосфера» и КА «Зонд» приведены в таблице 2.6.Таблица 2.6 Технические характеристики КА «Ионосфера» и КА «Зонд»ПараметрыТип орбитыПериод обращенияСредняя высотаНаклонениеМассаМасса целевой аппаратуры(с радиолинией)КА «Ионосфера»Солнечно-синхронная орбита≈101 мин820 км98,8 град≈ 400 кгдо 100 кгКА «Зонд»Солнечно-синхронная орбита98 мин650 км98 град≈ 400 кгдо 100 кг59Продолжение таблицы 2.6Габаритные размеры(транспортные), ммМощность солнечной батареиРасчётный САСВыведение1200×1200×800 мм1200×1200×800 ммне менее 700 Вт8 летПопутноне менее 700 Вт8 летПопутноВ [88] подробно представлен и описан состав целевой аппаратуры КА «Зонд» и КА«Ионосфера».Антенная система малого КА «Ионосфера» УКВ диапазона состоит из следующих антенн.Одна антенна предназначена для передачи данных с бортовой аппаратуры научнойинформации в составе радиолинии спутникового ионозонда «ЛАЭРТ» на рабочей частоте 137МГц для комплексного глобального зондирования Земли с борта КА.

А две другие антенныпредназначены для обеспечения функционирования бортового двухчастотного передатчика«МАЯК 150/400» с двумя независимыми каналами, который представлен на рисунке 2.11.Рисунок 2.11 – Внешний вид бортового двухчастотного передатчика «МАЯК 150/400»Передатчикпредназначендлявысокоточныхрадиотомографическихизмеренийрегулярной, волновой и стохастической структуры распределения электронной концентрации вподспутниковой толще ионосферной плазмы с целью выявления аномальных явлений ихарактерных признаков изменений в ионосфере, связанных с естественными и искусственнымивозмущениямиионосферы(вулканическая,сейсмическая,циклоническаяигрозоваяактивность, техногенные воздействия), а также для мониторинга ионосферы с целью изученияфизических процессов в ионосферной плазме и уточнения существующих моделей ионосферы.Технические характеристики передатчика приведены в таблице 2.760Таблица 2.7 Технические характеристики передатчика «МАЯК 150/400»Рабочая частота первого канала, МГц400 ± 2,7Рабочая частота второго канала, МГц150 ± 1Выходная мощность первого и второго канала, Дбм27Выходное сопротивление первого и второго канала, Ом50Мощность потребления в режиме передачи, Вт6Мощность потребления в режиме молчания, Вт0,7Габариты модуля передатчика, мм191×140×58Масса модуля передатчика, кг0,98Средняя наработка изделия на отказ, чне менее 10 000Срок службы, летне менее 3Допустимый срок хранения, летне менее 2К АФУ бортового ионозонда «ЛАЭРТ» предъявляются следующие требования:антенна должна обеспечивать передачу на наземные пункты научной информации сКА;вид поляризации правая круговая с коэффициентом эллиптичности не менее 0,2 пополю в пределах углов ±70 относительно оси антенны;КСВ антенны не более 1,4 при волновом сопротивлении тракта АФУ 50 Ом;КУ не менее 3 дБ по мощности в направлении центра Земли и не менее минус 1 дБ впределах ±70 от направления на центр Земли.К АФУ двухчастотного бортового передатчика «МАЯК 150/400» предъявляютсяследующие требования:антенны должны обеспечивать передачу на наземные пункты приёма сигналовбортового передатчика, обеспечивающих проведение измерений ионосферно–электромагнитным комплексом;вид поляризации антенн — линейная;ДН – имеет преимущественное направление на центр Земли в пределах 0°─45° отнадира и 0°─360° по азимуту;волновое сопротивление тракта 50 Ом при КСВ на входах АФУ ─ не более 2.Учитывая принятую общую компоновку КА «Ионосфера», а также возможные местарасположения антенн, параметры орбиты и ориентацию КА относительно Земли в полёте поорбите и технические требования к АФУ, для КА «Ионосфера» № 1, № 2 АО «НИИЭМ»г.

Истра была разработана следующая антенная система, представленная на рисунке 2.12 [88].61а)б)в)Рисунок 2.12 – Антенная система малого КА «Ионосфера» № 1, № 2:а) спиральная антенна; б) штыревая антенна; в) вибраторная антеннаДля передачи данных с бортовой аппаратуры научной информации в составе радиолинииспутникового ионозонда «ЛАЭРТ» на рабочей частоте 137 МГц была разработаначетырёхзаходная спиральная антенна (см. рис.2.12а)).Антенна представляет собой резонансную, четырехзаходную, полувитковую спираль,излучатели которой последовательно запитаны с фазовым сдвигом 90°, что обеспечиваетизлучение антенной поля с поляризацией, близкой к круговой.

Направление намоткиизлучателей обеспечивает правостороннюю поляризацию. Излучающие части спирали (витки)выполнены в виде изогнутых медных трубок. Длины витков близки к λ/2.Питание витков спирали происходит с помощью коаксиальных кабелей, проходящихвнутри двух соседних витков спирали и обеспечивающих питание двух пар противоположныхвитков спирали. Данная схема питания позволяет получить широкополосное симметрированиетоков, питающих витки спирали. Фазовый сдвиг токов в кабелях 90°, что и обеспечиваетпитание излучающих элементов спирали фазовым сдвигом 0°, 90°, 180°, 270° [89].Для обеспечения функционирования бортового двухчастотного передатчика «МАЯК150/400» с двумя независимыми каналами были разработаны штыревая (рабочая частота 150МГц) и вибраторная антенны (рабочая частота 400 МГц).Антенна (см. рис.

2.12б)) выполнена в виде четвертьволнового несимметричноговибратора, установленного вертикально на панели корпуса КА, обращенной к Земле. Дляуменьшения размеров антенны и согласования с входным сопротивлением питающего кабеля,вибратор имеет внутри короткозамкнутую коаксиальную линию и поднятую над основаниемточку питания.Антенна (см. рис. 2.12в)) представляет собой полуволновый симметричный вибратор,установленный параллельно панели КА, обращенной к Земле.В таблице 2.8 приведены характеристики указанных выше бортовых УКВ антенн малогоКА «Ионосфера» № 1, № 2.62Таблица 2.8 Характеристики УКВ антенн малого КА «Ионосфера» № 1, № 2№Характеристикип/п1РабочийТип антенныСпиральная антеннаШтыревая антеннаВибраторная антенна137 ± 0,1 МГц150 ± 1,92 МГц400 ± 5,12 МГцне более 1,4не более 2,0не более 2,0Преимущественно вПреимущественно вПреимущественно внаправлении ± 45° отнаправлении ± 45° отнаправлении ± 45° отнадира и 360° понадира (ось «Z» КА)надира (ось «Z» КА)азимутуи с нулевым проваломдиапазон частот2КСВ вдиапазонерабочих частот3ДНв направлении «Z»45КУПоляризация2,0 дБ в направленииКУ не менее 3,5 дБ сКУ не менее 3,5 дБ соси «Z» КА и ненеравномерностью ненеравномерностью неменее 1,0 дБ в конусеболее 6 дБ в конусеболее 6 дБ в конусерабочих углов 60орабочих углов ±45° отрабочих углов ±45° ототносительно оси «надира и 360° понадира и 360° поZ»азимутуазимутуЭллиптическая,ЛинейнаяЛинейнаяне более 1,0 Втне более 1,0 Втправого направлениявращения6Выходнаямощностьне более 20 Втпередатчика7Рабочийдиапазонот минус 50°С до плюс 80°Стемператур8Масса9Габариты1,64 кг0,26 кг0,5 кг1031×96×96 мм366×25×25 мм346×244×35 ммОбщий вид антенной системы КА «Ионосфера» представлен на рисунке 2.13.63Рисунок 2.13 – Объёмная модель малого КА «Ионосфера» № 1, № 2:1 – спиральная антенна, 2 – штыревая антенна, 3 – вибраторная антеннаТаким образом, для КА «Ионосфера» №1, № 2 УКВ антенная система сформирована израссмотренных выше антенн.2.5Основные соотношения построения МПАУчитывая конфигурацию малого КА «Ионосфера» (см.

рис. 2.13), определим структуруМПА.Как уже отмечено (см. 1.2.2.3), МПА, как правило, состоят из излучателя, расположенногона диэлектрическом слое с проводящей подложкой. В связи с этим необходимо при разработкеустройства определить форму излучателя, конфигурацию подстилающей диэлектрическойструктуры, тип используемого СВЧ–диэлектрика, а также геометрические размеры МПА. Нарисунке 2.14 представлены существующие варианты излучателей [44].Рисунок 2.14 – Элементарные микрополосковые излучатели: а), б) прямоугольные; в) круглые;г), и) секторные; д) эллиптический; е) ромбовидные; ж) кольцевые; з) полый прямоугольник; к)треугольный; л) в виде части кольца; м) щелевой64На рисунке 2.15 представлены возможные варианты подстилающей поверхности [44], накотором .

1 – излучатель, 2 – диэлектрическое основание , 3– экран.Рисунок 2.15 – Виды подстилающей диэлектрической структуры: а) диэлектрическаяпластина, б) диэлектрическая экранированная подложка, в) экранированная подвешеннаяподложка, г) многослойная структураУчитывая общую компоновку КА «Ионосфера», а именно прямоугольную форму самогоспутника,предложенапрямоугольнаяформаизлучателяМПАидиэлектрическаяэкранированная подложка в качестве подстилающей поверхности.Предложенный вариант подстилающей поверхности и формы излучателя позволятобеспечить простую конструкцию антенны, и в тоже время надёжную и легко устанавливаемуюна поверхности КА «Ионосфера». В качестве экрана используется также поверхность самогоКА.После выбора формы излучателя и подстилающей диэлектрической поверхности,необходимо оценить геометрические параметры разрабатываемой бортовой МПА, используяследующие соотношения [47].Ширина излучателя w определяется по следующей формуле:wc2 fр2,(  1)(2.3)где с – скорость света; fр – резонансная частота излучения; ε – диэлектрическая проницаемостьподложки.Длина излучателя L определяется по следующей формуле:Lc2fр эфф,(2.4)где εэфф – эффективная диэлектрическая проницаемость.Эффективная диэлектрическая проницаемость εэфф определяется по следующей формуле:65h 12 эфф   1  (  1)(1  10 ) 2 ,w(2.5)где h – толщина подложки.При выборе толщины подложки h нужно исходить из предъявляемых требований кбортовым АФУ по электрическим и механическим параметрам [51].Особенности построения УКВ МПА2.6При разработке МПА сантиметрового диапазона волн (0,1 м < λ< 0,03 м), габариты такихантенн приемлемы для их применения в качестве бортовых антенн КА (примерно от 0,03 м до0,015 м при построении МПА квадратной формы), в виду того, что используемые рабочиечастоты достаточно высоки, а влияние используемого диэлектрика с любым значениемдиэлектрической проницаемости ε на габариты антенн минимально (см.