Высокоэффективные большие зеркальные лучеводные антенны АО «ОКБ МЭИ»

ТНА-1500

Антенны ДКС. ТНА-1500 в ЦКС «Медвежьи Озера»

схема антенны

Классическая схема антенны с лучеводом

рупорный гофрированный облучатель

Рупорный гофрированный облучатель (а); частотно-селективная поверхность с переменным размером ячейки (б); амплитуда основной составляющей поверхностного тока на главном зеркале (в)

3D-модель антенны

3D-модель спроектированной 32-метровой антенны (а); распространение электромагнитных волн основной и кроссполяризационной составляющих и лучеводе между облучателем и контррефлектором (б)

АО «ОКБ МЭИ» имеет большой опыт создания зеркальных антенн для задач дальней космической связи (ДКС) и радиоастрономии. В 70-х годах прошлого века была спроектирована и введена в строй 64-метровая антенна в ЦКС «Медвежьи Озера», в начале 1990-х – 64-метровая антенна в ЦКС «Калязин». Антенны спроектированы по двухзеркальной схеме с модифицированными профилями зеркал (главный рефлектор – квазипараболоид, а контррефлекторы имеют профили, отличные от эллипсоида и гиперболоида) и успешно применялись во многих советских и российских проектах. В середине 2000-х годов антенны были модернизированы для работы в нескольких диапазонах частот на примем и передачу. Помимо ТНА-1500, в СССР были созданы близкие по размерам и характеристикам антенны П-2500 с диаметром главного зеркала 70 метров. Эти антенны интересны тем, что имеют в своем составе двухзеркальный лучевод – квазиоптическую линию передачи СВЧ-сигнала от облучателя к контррефлектору посредством переотражения от цепочки зеркал. Такое решение позволило обеспечить независимую работу в нескольких диапазонах частот, однако в силу конструктивных ограничений имеет недостатки наличия искажений электромагнитных волн в лучеводе и большого затенения поверхности зеркала надзеркальной кабиной.

Последние десятилетия, после некоторого спада интереса к освоению дальнего космоса в конце прошлого века, тематика вновь становится все более актуальной. Важность задачи обусловлена новейшими открытиями в областях теоретической физики и астрономии, для дальнейшего развития которых необходимо освоение дальних рубежей космического пространства. В связи с этим активно развиваются техника и технологии систем дальней космической связи, важнейшим элементом которых являются антенны ДКС. Для связи на больших расстояниях необходимо наличие антенн, обеспечивающих очень высокую энергетическую эффективность, в связи с чем антенные системы – чрезвычайно сложные и дорогостоящие устройства, разработанные с применением современных технологий.

Развитие техники дальней космической связи в настоящее время идет по пути создания антенных полей, являющихся неэквидистантными антенными решетками из остронаправленных антенн среднего диаметра – от 12 до 35 метров. Для повышения эффективности таких антенн c 80-х годов прошлого века в СВЧ-тракте активно применяют многозеркальные полноповоротные лучеводы. Они позволяют обеспечить соответствующие условия эксплуатации приемопередающей аппаратуры, в т.ч. реализовывать криогенное охлаждение, упростить структуру и минимизировать потери в СВЧ-тракте.

В 2015 году в АО «ОКБ МЭИ» развернуты работы над проектированием 32-метровой антенной с полноповоротным лучеводом для работы в X- и Ka-диапазонах. Для этого был изучен опыт коллег из NASA и ESA – история, методы расчета и проектирования антенн с лучеводами, проблемы, возникающие при создании таких систем. К последним традиционно относятся сложность электродинамического расчета и моделирования в связи с объемом задачи; наличие искажений поля при отражении от несимметричных зеркал; сложность учета конструктивных элементов СВЧ-тракта (кожухи лучевода), элементов облучающей системы (гофрированные рупоры, частотно-селективные поверхности) и возможностей производства (неидеальностей юстировки зеркал и точности изготовления их радиоотражающей поверхности). Для решения выше- обозначенных проблем специалистами АО «ОКБ МЭИ» был проведены исследования и разработаны методы вычислительной электродинамики, позволившие выйти на принципиально новый уровень моделирования и проектирования лучеводных систем и больших зеркальных антенн.

В рамках решения первой проблемы был применен и развит перспективный малоисследованный подход электродинамики – представление электромагнитного поля векторами Римана-Зильберштейна, с помощью которых электродинамика согласуется с квантовомеханической теорией распространения фотонов, что дало возможность использовать эффективный математический аппарат. В результате стало возможным высокоточными методами с помощью обычных ЭВМ проводить расчеты задач рассеяния на электрически больших объектах (размерами в несколько сотен длин волн).

Для уменьшения искажений поля в СВЧ-тракте была разработана методика синтеза лучевода, обеспечивающая отсутствие кроссполяризационных искажений и сохранение симметрии поля в геометрооптическом приближении.

Для преодоления третьей проблемы был разработан и применен комплексный подход проектирования – разработаны методики учета кожухов лучевода и неидеальностей зеркал, определены рекомендации к производству для минимизации возникающих искажений. Была также разработана методика юстировки лучевода, что крайне важно для таких сложных систем.

Помимо этого, освоены и разработаны гофрированные рупорные облучатели, а также частотно-селективная поверхность с переменным размером ячейки, обеспечивающая оптимальную АЧХ. Профили зеркал двухзеркальной системы рассчитаны так, чтобы получить близкое к равномерному амплитудно-фазовому распределению поля в апертуре антенны, что позволяет максимизировать коэффициент использования поверхности.

Все это позволило спроектировать антенну, по своим расчетным значениям эффективности превосходящую мировые аналоги. При этом в связи с высокой точностью и большим количеством учитываемых факторов можно говорить о высокой достоверности расчета, что в конечном итоге уменьшает трудовые, временные и материальные затраты на создание антенных систем.

Разработанные и освоенные современные методы моделирования и проектирования в совокупности с большим опытом, наличии инженерной школы и техническими возможностями позволяют АО «ОКБ МЭИ» решать сложнейшие задачи во благо развития средств дальнего космоса ракетно-космической отрасли России.