Моделирование антенной решетки из волноводных излучателей на основе септум-поляризаторов

Е.В. Овчинникова¹; С.Г. Кондратьева²; П.А. Шмачилин³; Нгуен Динь То; Э.В. Гаджиев; А.О. Перфилова

doi:10.18127/j00338486-202104-12

Моделирование антенной решетки из волноводных излучателей на основе септум-поляризаторов

Е.В. Овчинникова¹¹, С.Г. Кондратьева²², П.А. Шмачилин³³, Нгуен Динь То⁴, Э.В. Гаджиев⁵, А.О. Перфилова⁶

научная статья УДК 621.396.6 Страницы: 108-118 doi.org/10.18127/j00338486-202104-12

⁵ АО «Корпорация «ВНИИЭМ» (Москва, Россия)
⁶ ООО «Инспайдер» (Москва, Россия)

Ключевые слова: Антенны малых космических аппаратов антенные решетки системы спутниковой связи волноводные септум-поляризаторы с линейной перегородкой диафрагменные поляризаторы волноводные антенные решетки

Аннотация

Постановка проблемы. Благодаря электрической прочности, высокой надежности и технологичности рупорные и волноводные антенны широко применяются в различных отраслях радиотехники. Особенно они востребованы в бортовых радиосистемах, так как сохраняют работоспособность при механических нагрузках и высоком перепаде температур. Поэтому разработка таких антенн является актуальной задачей.

Цель. Обосновать выбор элемента бортовой антенной системы, обеспечивающего значение коэффициента эллиптичности не ниже 0,7 в секторе углов ±70°, а также провести моделирование антенной решетки из волноводных элементов на основе септум-поляризаторов с коэффициентом усиления не ниже 15 дБ в рабочей полосе частот.

Результаты. Представлены результаты моделирования антенной решетки из волноводных излучателей с эллиптической поляризацией для систем спутниковой связи. Определены характеристики направленности, частотные и поляризационные характеристики. Показано влияние взаимодействия излучателей в антенной решетке на поляризационные характеристики. Практическая значимость. Полученные модели антенных решеток позволяют провести оптимизацию конструкций и расчет характеристик направленности, а также определить влияние погрешностей изготовления элементов на частотные и поляризационные характеристики.

Поступила: 01.02.2021
Одобрена: 17.02.2021
Принята: 26.01.2021

Для цитирования

Овчинникова Е.В., Кондратьева С.Г., Шмачилин П.А., Нгуен Динь То, Гаджиев Э.В., Перфилова А.О. Моделирование антенной решетки из волноводных излучателей на основе септум-поляризаторов // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 4. С. 108−118. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202104-12

Список источников

Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия. 1973. 439 с.
Крылов Ю.В. Широкополосные частотно-поляризационные селективные устройства антенн космических аппаратов: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. Красноярск. 2018.
Ming Chen, Tsandoulas G. A wide-band square-waveguide array polarizer // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1973. V. 21. № 3. Р. 389–391.
Дёмин Д.А., Чубинский Н.П. Облучатель с двумя ортогональными круговыми поляризациями // Журнал радиотехники. 2014. № 6.
Фам Ван Винь. Моделирование антенных систем спутникового телевидения // Труды Междунар. молодежной науч. конф. «Гагаринские чтения» (17−20 апреля 2018 г.). М.: МАИ. С. 223−224.
Simmons A.J. Phase shift by periodic loading of waveguide and its application to broad-band circular polarization // IRE Trans. Microwave Theory Tech. 1955. V. 3. № 6. P. 18−21.
Соловьянова И.П., Наймушин М.П., Шабунин С.Н. Методические указания к лабораторным работам 3, 4 по курсам «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Электромагнитные поля и волны». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ. 2006. 37 с.
Rebollar J. Broad-band corrugated polarisers using different kinds of corrugations // IEEE AP-S Int. Symp.: digest. Vancouver. 1985. P. 639−642.
Virone G., Tascone R., Baralis M., et al. A novel design tool for waveguide polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2005. V. 53. № 3. P. 888−894.
Virone G., Tascone R., Peverini O.A., et al. Combined-phase-shift waveguide polarizer // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2008. 18. № 8. P. 509−511.
Tucholke U., Arndt F., Wriedt T. Field theory design of square waveguide iris polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1986. V. 34. № 1. P. 156−160.
Liu Y., Li F., Li X., He H. Design and optimization of wide and dual band waveguide polarizer // Global Symp. Millimeter Waves: symp. proc. Nanjing. 2008. P. 384−386.
Rebollar J.M., de Frutos J. Dual-band compact square waveguide corrugated polarizer // IEEE AP-S Int. Symp.: symp. digest. Orlando. 1999. P. 962−965.
Рудь Л.А., Шпаченко К.С. Электродинамическая модель и характеристики поляризаторов на отрезках квадратного волновода с диагонально расположенными квадратными выступами // Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17). № 1. С. 3−10.
Toyama N. A cross-shaped horn and a square waveguide polarizer for a circularly polarized shaped beam antenna for a broadcasting satellite // IEEE MTT-S Int. Symp.: symp. digest. Washington. 1980. P. 299−301.
Levy R. The relationship between dual mode cavity crosscoupling and waveguide polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1995. V. 43. № 11. P. 2614−2620.
Мануилов М.Б. Электродинамический анализ конечных волноводных антенных решеток, частотно-селективных и распределительных устройств на гребневых и прямоугольных волноводах: Автореф. дисс. … докт. физ.-мат. наук. Ростов-наДону. 2007.
Фролов О.П., Вальд В.В. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. M.: Горячая линия − Телеком. 2008. 496 с.
Septum Polarizers and Feeds: Paul Wade, W1GHZ ©2003
Kim I., Kovitz J.M., Rahmat-Samii Y. Enhancing the power capabilities of the stepped septum using an optimized smooth sigmoid profile // IEEE Antennas and Propagation Magazine. Oct. 2014. V. 56. № 5. P. 16−42. DOI: 10.1109 / MAP.2014.6971913.
Двуреченский В.Д., Телепнев П.П., Федотов А.Ю. Спутниковая антенна с эллиптической поляризацией // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2013. Т. 134. № 3. С. 27–30.

[1] Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия. 1973. 439 с.

[2] Крылов Ю.В. Широкополосные частотно-поляризационные селективные устройства антенн космических аппаратов: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. Красноярск. 2018.

[3] Ming Chen, Tsandoulas G. A wide-band square-waveguide array polarizer // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1973. V. 21. № 3. Р. 389–391.

[4] Дёмин Д.А., Чубинский Н.П. Облучатель с двумя ортогональными круговыми поляризациями // Журнал радиотехники. 2014. № 6.

[5] Фам Ван Винь. Моделирование антенных систем спутникового телевидения // Труды Междунар. молодежной науч. конф. «Гагаринские чтения» (17−20 апреля 2018 г.). М.: МАИ. С. 223−224.

[6] Simmons A.J. Phase shift by periodic loading of waveguide and its application to broad-band circular polarization // IRE Trans. Microwave Theory Tech. 1955. V. 3. № 6. P. 18−21.

[7] Соловьянова И.П., Наймушин М.П., Шабунин С.Н. Методические указания к лабораторным работам 3, 4 по курсам «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Электромагнитные поля и волны». Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ. 2006. 37 с.

[8] Rebollar J. Broad-band corrugated polarisers using different kinds of corrugations // IEEE AP-S Int. Symp.: digest. Vancouver. 1985. P. 639−642.

[9] Virone G., Tascone R., Baralis M., et al. A novel design tool for waveguide polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2005. V. 53. № 3. P. 888−894.

[10] Virone G., Tascone R., Peverini O.A., et al. Combined-phase-shift waveguide polarizer // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2008. 18. № 8. P. 509−511.

[11] Tucholke U., Arndt F., Wriedt T. Field theory design of square waveguide iris polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1986. V. 34. № 1. P. 156−160.

[12] Liu Y., Li F., Li X., He H. Design and optimization of wide and dual band waveguide polarizer // Global Symp. Millimeter Waves: symp. proc. Nanjing. 2008. P. 384−386.

[13] Rebollar J.M., de Frutos J. Dual-band compact square waveguide corrugated polarizer // IEEE AP-S Int. Symp.: symp. digest. Orlando. 1999. P. 962−965.

[14] Рудь Л.А., Шпаченко К.С. Электродинамическая модель и характеристики поляризаторов на отрезках квадратного волновода с диагонально расположенными квадратными выступами // Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17). № 1. С. 3−10.

[15] Toyama N. A cross-shaped horn and a square waveguide polarizer for a circularly polarized shaped beam antenna for a broadcasting satellite // IEEE MTT-S Int. Symp.: symp. digest. Washington. 1980. P. 299−301.

[16] Levy R. The relationship between dual mode cavity crosscoupling and waveguide polarizers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1995. V. 43. № 11. P. 2614−2620.

[17] Мануилов М.Б. Электродинамический анализ конечных волноводных антенных решеток, частотно-селективных и распределительных устройств на гребневых и прямоугольных волноводах: Автореф. дисс. … докт. физ.-мат. наук. Ростов-наДону. 2007.

[18] Фролов О.П., Вальд В.В. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. M.: Горячая линия − Телеком. 2008. 496 с.

[19] Septum Polarizers and Feeds: Paul Wade, W1GHZ ©2003

[20] Kim I., Kovitz J.M., Rahmat-Samii Y. Enhancing the power capabilities of the stepped septum using an optimized smooth sigmoid profile // IEEE Antennas and Propagation Magazine. Oct. 2014. V. 56. № 5. P. 16−42. DOI: 10.1109 / MAP.2014.6971913.

[21] Двуреченский В.Д., Телепнев П.П., Федотов А.Ю. Спутниковая антенна с эллиптической поляризацией // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2013. Т. 134. № 3. С. 27–30.