Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ

Представлены методика расчета и результаты численного анализа параметров активной фазированной антенной решетки (АФАР) Гигантского украинского радиотелескопа (ГУРТ) декаметрового и метрового диапазонов волн, который сооружается в настоящее время вблизи г. Харькова на территории Радиоастрономической...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радиофизика и радиоастрономия
Date:	2015
Main Authors:	Токарский, П.Л., Коноваленко, А.А., Ерин, С.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2015
Subjects:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106380
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ / П.Л. Токарский, А.А. Коноваленко, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 142-153. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860264130352513024
author	Токарский, П.Л. Коноваленко, А.А. Ерин, С.Н.
author_facet	Токарский, П.Л. Коноваленко, А.А. Ерин, С.Н.
citation_txt	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ / П.Л. Токарский, А.А. Коноваленко, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 142-153. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Радиофизика и радиоастрономия
description	Представлены методика расчета и результаты численного анализа параметров активной фазированной антенной решетки (АФАР) Гигантского украинского радиотелескопа (ГУРТ) декаметрового и метрового диапазонов волн, который сооружается в настоящее время вблизи г. Харькова на территории Радиоастрономической обсерватории им. С. Я. Брауде Радиоастрономического института Национальной академии наук Украины. Методика базируется на матричной теории антенных решеток, сочетающей в себе электродинамический подход к анализу решетки излучателей с методами теории многополюсников СВЧ для описания фидерной схемы АФАР. Приведены и проанализированы результаты численного расчета эффективной площади АФАР и коэффициента передачи, который в случае пассивной ФАР ассоциируется с КПД, в широком секторе сканирования луча в диапазоне частот 10- 80 МГц. Надаються методика розрахунку та результати числового аналізу параметрів активної фазованої антенної решітки (АФАР) Гігантського українського радіотелескопу (ГУРТ) декаметрового та метрового діапазонів хвиль, що наразі споруджується поблизу м. Харкова на території Радіоастрономічної обсерваторії ім. С. Я. Брауде Радіоастрономічного інституту Національної академії наук України. Методика базується на матричній теорії антенних решіток, що поєднує електродинамічний підхід до аналізу решітки випромінювачів з методами теорії багатополюсників НВЧ для опису фідерної схеми АФАР. Наведені та проаналізовані результати числового розрахунку ефективної площі АФАР та коефіцієнту передачі, що в разі пасивної ФАР асоціюється з ККД, у широкому секторі сканування променя в діапазоні частот 10 - 80 МГц. The calculation technique results of numerical analysis of parameters of active phased antenna array (APAA) of the Giant Ukrainian Radio Telescope (GURT) of decameter and meter wavelengths which is being built now nearby Kharkiv at the area of S. Ya. Braude Radio Astronomy Observatory of the Institute of Radio Astronomy of the National Academy of Sciences of Ukraine are presented. The technique is based on the matrix theory of antenna arrays which combines an electromagnetic approach to analysis of radiators array with the methods of microwave multiport theory for the APAA feed network description. The results of numerical calculation of the APAA effective area and its gain, which in case of passive array is associated with its efficiency, are given and analyzed for a wide scan range within 10 to 80 MHz.
first_indexed	2025-12-07T18:58:33Z
format	Article
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015142 Радиофизика и радиоастрономия. 2015, Т. 20, № 2, c. 142–153 © П. Л. Токарский, А. А. Коноваленко, С. Н. Ерин, 2015 П. Л. ТОКАРСКИЙ, А. А. КОНОВАЛЕНКО, С. Н. ЕРИН Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: p.tokarsky@rian.kharkov.ua ÀÍÀËÈÇ ÏÀÐÀÌÅÒÐÎÂ ÀÊÒÈÂÍÎÉ ÔÀÇÈÐÎÂÀÍÍÎÉ ÀÍÒÅÍÍÎÉ ÐÅØÅÒÊÈ ÐÀÄÈÎÒÅËÅÑÊÎÏÀ ÃÓÐÒ Представлены методика расчета и результаты численного анализа параметров активной фазированной антенной решетки (АФАР) Гигантского украинского радиотелескопа (ГУРТ) декаметрового и метрового диапазонов волн, который сооружается в настоящее время вблизи г. Харькова на территории Радиоастрономической обсерватории им. С. Я. Брауде Радиоастрономического института Национальной академии наук Украины. Методика базируется на матричной теории антенных решеток, сочетающей в себе электродинамический подход к анализу решетки излуча- телей с методами теории многополюсников СВЧ для описания фидерной схемы АФАР. Приведены и проанализированы результаты численного расчета эффективной площади АФАР и коэффициента передачи, который в случае пассивной ФАР ассоциируется с КПД, в широком секторе сканирования луча в диапазоне частот 10 80 МГц. Ключевые слова: активная фазированная антенная решетка, коэффициент передачи, коэффициент направленного действия, эффективная площадь, радиотелескоп УДК 621.396.677.494: 520.272.2 1. Ââåäåíèå Повышенный интерес к низкочастотной радио- астрономии [1], который наблюдается в послед- ние годы, стимулировал создание новых ги- гантских радиотелескопов для диапазона частот 10 80 МГц, среди которых следует назвать LOFAR [2], LWA [3], LSS/NenuFAR [4]. К ним следует также отнести радиотелескоп нового поколения ГУРТ (Гигантский украинский радио- телескоп) [5], который создается на основе круп- нейшего в мире радиотелескопа УТР-2 [6] де- каметрового диапазона волн. Антеннами во всех этих радиотелескопах служат активные фази- рованные антенные решетки (АФАР), состоящие из отдельных секций, разбросанных на большой площади, каждая из которых содержит от 19 до 256 элементов в зависимости от типа радио- телескопа. Корректная оценка параметров любого радио- телескопа практически невозможна без всесто- роннего анализа применяемых в них антенных систем. К настоящему времени уже появилось несколько публикаций, посвященных оценкам параметров АФАР некоторых из названных выше новых низкочастотных радиотелескопов (см., например, [7–9]), однако ввиду уникальнос- ти каждого из них эти данные не могут быть распространены на радиотелескопы других кон- струкций. В настоящей работе разработаны математи- ческая модель секции АФАР ГУРТ, работающей в приемном режиме, а также методика расчета основных ее параметров. Модель базируется на матричной теории антенных решеток, сочетаю- щей в себе электродинамический подход к ана- лизу решетки антенных элементов с метода- ми теории многополюсников СВЧ для описания фидерной схемы АФАР. Приведены результаты численного анализа эффективной площади сек- ции АФАР, которая является одним из основных параметров любой приемной антенны, а также коэффициента передачи (КП), который представ- ляет собой отношение мощности сигнала на ее выходе к мощности, отобранной у возбуждаю- щей плоской электромагнитной волны. 2. Ñòðóêòóðà ÀÔÀÐ Согласно принятой концепции построения нового радиотелескопа ГУРТ, его антенная система будет выполнена в виде АФАР, состоящей из от- дельных идентичных секций. Сигналы с выходов всех секций поступают на входы многоканально- го приемника с цифровой обработкой сигналов, где оцифровываются, обрабатываются и сохраняют- ся на носителях информации. На сегодняшний день построено уже 9 таких секций, и количество их предполагается довести до сотни по мере раз- вития проекта. Каждая секция представляет собой само- стоятельнуюАФАР, в состав которой входит 25-элементная антенная решетка и фидерная си- ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 143 Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ стема, выполняющая функции усиления, фази- рования и суммирования принятых сигналов. Антенная решетка состоит из идентичных эле- ментов, расположенных в узлах квадратной сет- ки с шагом 3.75d  м над поверхностью земли. Каждый элемент решетки состоит из двух плос- ких взаимно перпендикулярных диполей слож- ной формы с независимыми входами, что поз- воляет принимать падающие волны двух ор- тогональных линейных поляризаций раздельно. Схема расположения диполей в секции и геомет- рия диполя приведены на рис. 1, а и рис. 1, б соответственно. Высота точек питания диполей над поверхностью земли выбрана равной 1.6h  м, полная длина плеч диполей вдоль ли- нии АВС составляет 1.4 м. Ряды диполей распо- ложены вдоль линии Запад–Восток, а сами ди- поли повернуты относительно нее на угол 45 . Сигналы, переносимые волнами разных поляри- заций и принимаемые ортогональными диполя- ми, обрабатываются раздельно в двух идентич- ных трактах. Функциональная схема одного из них приведена на рис. 2, на котором видно, что сигналы, принятые диполями, поступают на вхо- ды высоколинейных малошумящих усилителей (МШУ) [5], а затем – на входы разветвленной фидерной схемы. Фидерная схема состоит из шести идентич- ных диаграммообразующих модулей ДМ-1, ..., ДМ-6 [10], которые выполняют функции сумми- рования и фазирования сигналов внутри секции по строчно-столбцевому принципу. Пять из них, ДМ-1, ..., ДМ-5, фазируют и суммируют сигналы внутри каждого ряда диполей, а шестой – сигна- лы с выходов предыдущих пяти модулей, что позволяет осуществлять как полное суммирова- ние принятых сигналов, так и управление лучом по двум координатам. Выход шестого модуля ДМ-6 является, по сути, выходом секции для сигнала, переносимого волной одной из двух ор- тогональных линейных поляризаций. Каждый диаграммообразующий модуль состоит из пяти- канального дискретного пятиразрядного фазов- ращателя на переключаемых отрезках линий вре- менной задержки и равноплечего сумматора 5:1, что обеспечивает равномерное амплитудное сло- жение сигналов и независимость направления главного максимума множителя решетки от ча- стоты. Данная схема позволяет формировать 17 17 двумерных линейных распределений вре- менных задержек в каналах элементов решетки, компенсирующих фазовые сдвиги между сигна- лами, которые переносятся 289 плоскими элект- ромагнитными волнами. Пространственно-угло- вой спектр этих волн характеризуется фиксиро- ванными направлениями их прихода , ,( , ;p q p q  , 8, 7, ..., 8),p q    которые и являются направ- лениями максимумов главных лепестков множи- теля решетки диаграммы направленности (ДН) секции АФАР. Эти направления можно наглядно представить в виде точек ,p qM на UV-плоскос- ти (рис. 3), где U и V – обобщенные угловые координаты, определяемые как sin sinU    и sin cos ,V    а индексы p и q указывают поло- Рис. 1. Размещение элементов в секции АФАР (а) и эскиз конструкции диполя (б) 144 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 П. Л. Токарский, А. А. Коноваленко, С. Н. Ерин жение максимума луча вдоль соответствующих координат. На рис. 3 видно, что точки ,p qM располагают- ся в узлах регулярной квадратной сетки, шаг которой определяется отношением U V    min ,cd где min – время пробега электромаг- нитной волны по отрезку линии задержки, соот- ветствующему младшему разряду фазовращате- ля; c – скорость распространения электромагнит- ной волны в свободном пространстве. В данном случае этот шаг равен 0.1216 [10]. Однако не все волны упомянутого спектра являются распрост- раняющимися, т. е. принадлежащими области реальных углов (области “видимости”), которая на UV-плоскости имеет форму круга единичного радиуса (рис. 3). В эту область, выделенную на рисунке белым цветом, попадают только 213 из 289 волн, соответствующих 213m  реальным лучам, которые могут быть сформированы сек- цией АФАР ГУРТ. Во время радиоастрономических наблюдений лучи ДН секции АФАР переключаются по задан- ной программе с помощью управляющего компь- ютера, который в реальном времени вычисляет пятиразрядный управляющий код и пересылает его на цепи управления соответствующих диаг- раммообразующих модулей. 3. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ñåêöèè ÀÔÀÐ Представим модель АФАР в виде каскадного соединения двух многополюсников (рис. 4), пер- вый из которых (МП-I) соответствует N-элемен- тной антенной решетке, а второй (МП-II) – ее фи- дерной схеме, которая включает в себя все МШУ и диаграммообразующие модули (см. рис. 2). Определим параметры этих многополюсников, и начнем с 2N-полюсника MП-I (рис. 4). Будем полагать, что N входов МП-I, расположенные в сечении “ ”, осуществляют связь антенной ре- шетки с внешним пространством, которое можно представить в виде набора N независимых кана- лов, где распространяются ортогональные сфе- рические электромагнитные волны (сходящиеся и расходящиеся), взаимодействующие с антен- ной решеткой [11]. Другие N входов МП-1, расположенные в сечении “ ”, соответствуютт реальным входным клеммам диполей, к которым подключены фидерные линии с заданными волно- выми сопротивлениями wnZ ( 1, ).n N Исходными данными для математического опи- сания многополюсника MП-I служат параметры антенной решетки, определяемые с помощью ее электродинамического моделирования. К таким параметрам относятся матрица собственных и взаимных импедансов Z антенной решетки, а также ее N векторных нормированных пар- циальных ДН ( , )nF    и N парциальных коэффи- циентов усиления (КУ) ,nG которые опреде- ляются при возбуждении входа n-го элемента Рис. 2. Функциональная схема секции АФАР ГУРТ Рис. 3. Расположение направлений фазирования луча сек- ции АФАР ГУРТ на UV-плоскости ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 145 Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ решетки в то время, как входы остальных ее эле- ментов ( 1, , , )m N m n  разомкнуты. Уравнение, связывающее нормированные ком- плексные амплитуды падающих ,iu iu и отра- женных ,ru ru волн на входах MП-I, запишем в следующем виде: . r i i r i i u u u u u u                                            S S S S S Здесь S – матрица рассеяния антенной решет- ки, которую можно определить как [12, 13] 1 1 * 1 1 1 ,t t t t               J AJ J J J A S AJ E A 12( ) , A z E где z – нормированная матрица импедансов, эле- менты которой связаны с элементами матрицы Z соотношением ;mn mn wm wnz Z Z Z E – единич- ная матрица N-го порядка; J – вспомогательная квадратная матрица N-го порядка, определяемая из матричного уравнения * ,t  J r J E  r – нормированная матрица сопротивлений излучения антенной решетки, элементы кото- рой определяются по формуле 4 d ,mn m nr f f          d – элемент телесного угла, ( , )nf     4 ( , ),n nn nG r F    Re( ).mn mnr z Здесь и далее для обозначения матриц используются следую- щие символы: B – квадратная матрица, b – мат- рица-столбец, b – матрица-строка, t и * – знаки транспонирования и комплексного сопряжения соответственно. Будем полагать, что антенная решетка рабо- тает в приемном режиме и единственным источ- ником ее возбуждения служит плоская электро- магнитная волна с напряженностью электричес- кого поля ,iE  приходящая из направления ( , ).  Тогда падающие волны iu  (рис. 4), создавае- мые этой плоской волной, будут определяться как 0 1 ( , ) , 2 i i tu j E f Z           J где  – длина волны в свободном пространстве, а 0Z – его характеристическое сопротивление. Найдем теперь параметры многополюсника МП-II, в состав которого входят МШУ, фазовра- щатели и сумматор. Рассмотрим по порядку эти устройства. МШУ представляет собой линейный усилитель на биполярных транзисторах, принципиальная электрическая схема которого приведена в [5], поэтому его матрицу рассеяния 11 12 22 22 y y y y y S S S S        S (1) легко определить, используя известные алгорит- мы компьютерного моделирования [14]. Матрица рассеяния фазовращателя, включен- ного в канал n-го антенного элемента, зависит от направления фазирования антенной решетки , , , , , , 0 , 0 n p q n p q j n p q j e e              S (2) где , , , , 2 ( ),n p q c n p q n q n pj x V y U          ( , )n nx y – координаты фазового центра n-го элемента, , ,n p q и c – длина отрезка линии задержки при форми- ровании ( , )p q -го луча секции и постоянная зату- хания волны в ней соответственно. Рис. 4. Блок-схема АФАР в виде соединения двух много- полюсников 146 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 П. Л. Токарский, А. А. Коноваленко, С. Н. Ерин Будем полагать, что равноплечий сумматор является идеальным и его матрица рассеяния имеет следующий вид: 11 . 1 0N         0 S Учитывая схему соединения этих устройств (рис. 4) и используя формулы, определяющие па- раметры составного многополюсника [15], можно определить матрицу рассеяния pS всего MП-II , , , , , , 12 11 , 221 22 1 , n p q n p q n p q j y y p q N j jy y n S S e N S S e e NN                      E S (3) зависящую от состояния фазовращателей, опре- деляющих направление ( , )p q -го луча ДН секции. Теперь, когда мы определили параметры обоих многополюсников, входящих в блок-схему (рис. 4), нетрудно найти матрицу рассеяния ,p qS объединенного многополюсника, эквивалентного всей АФАР, также воспользовавшись формулами из [15]. В этой матрице, которая имеет вид , , , , , , p q p q p q p q p q S S S            S S нам понадобится лишь один блок , ,p qS необхо- димый для расчета амплитуды волны , ,r p qu бе- гущей в сторону нагрузки: , , , 0 ( , ) . 2 i r p q p q i ep q E u S u j i f Z                (4) Здесь ,j21 1 , 11[ ( ) ]n p qy e p q y S i j e S N         E E A A (5) матрица-строка, определяющая эквивалентное распределение тока на входах элементов АФАР в режиме приема ( , )p q -м лучом. При записи выражения (4) предполагалось, что поляризация падающей плоской волны и поляризация элемен- тов решетки совпадают. Из (5) нетрудно получить ( , )p q -ю нормиро- ванную ДН АФАР: , , , max , max ,( , ) ( , ) ( , ) ,p q ep q ep q p q p qF i f i f           где max , max ,( , )p q p q  – направление ее главногоо максимума. Из (5) можно также найти мощность в наг- рузке АФАР в режиме приема ( , )p q -м лучомм как [13] 2 22 , , , ( , ) ,i p q r p q e p qP u S i f        (6) где iS – плотность потока мощности падающей плоской волны. Запишем выражение (6) в следующем виде: 2 , , ( , ), 4 i p q e p qP S G      (7) где 2 , ,( , ) 4 ( , )e p q e p qG i f         (8) интегральный параметр АФАР, который в [16] на- зван эквивалентным КУ, а в стандарте IEEE [17] – реализованным КУ (realized gain). Он является самодостаточным в том смысле, что позволяет од- нозначно определить мощность на выходе антен- ной решетки без привлечения каких-либо других ее параметров, если известны параметры падаю- щей на нее плоской волны. Наряду с эквивалентным КУ (8) иногда полез- но знать и другие параметры приемной АФАР, такие как – КНД 2 , , , , 4 ( , ) ( , ) ; e p q p q e p q e p q i f D i i           r (9) – эффективная площадь 222 , , , , , ( , ) ( , ) ( , ) ; 4 e p q eff p q p q e p q e p q i f A D i i               r (10) – КУ антенной решетки (абсолютный) 2 , , , , , , 4 ( , ) ( , ) ( , ) ; e p q p q p q p q e p q e p q i f G D i i              r (11) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 147 Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ где ,p q – КПД антенной решетки, обусловлен- ный наличием потерь в материале, из которого изготовлены ее элементы, а также в земле, , , , , , . e p q e p q p q e p q e p q i i i i          r r (12) Все параметры АФАР, определенные выраже- ниями (9)–(12), однозначно связаны с эквивален- тным КУ соотношениями , , , , , , ,2 , 4 , p q p q e p q p q p q eff p q p q p q G G D A        (13) в которые входит коэффициент , , , ,p q e p q e p qi i    r (14) заслуживающий особого внимания, поскольку устанавливает взаимно однозначное соответст- вие между эквивалентным КУ АФАР и ее КНД. Установим его физический смысл, для чего еще раз перепишем мощность на выходе АФАР (6) с учетом (7) и (10) в следующем виде: , , , , , ,i p q eff p q p q p q p qP S A P     (15) где , , i p q eff p qP S A  – мощность, отбираемая АФАР у возбуждающей ее плоской электромаг- нитной волны, которую можно трактовать как входную мощность приемной АФАР. Из равенства (15) следует, что величина ,p q является коэффи- циентом передачи приемной АФАР по мощности, количественно описывающим преобразование входной мощности , ,p qP перехваченной АФАР из внешнего пространства, в выходную мощность , ,p qP отдаваемую в линию передачи, соединяю- щую ее выход с приемником. Очевидно, что ана- логом КП АФАР в пассивной ФАР является эквивалентный КПД ,e связывающий между собой ее эквивалентный КУ и КНД e eG D  и учитывающий тепловые потери энергии и потери на отражение. Из выражений (14) и (5), положив в них 1,N  нетрудно получить выражение для расчета КП одиночного элемента АФАР 1, который можно разделить на несколько сомножителей, 2 1 1 1 ,yK      (16) где 1 r r    – КПД элемента решетки;  – КПД фазовращателя; 2 2 21 2 111 y y y S K S   – КУ МШУ по мощности; 2 11 1 11 1 4 ( 1) ( 1) y y S r z S z       – коэффи- циент рассогласования импедансов элемента ре- шетки и МШУ; z, r и r – нормированный входной импеданс элемента решетки, его реальная часть и сопротивление излучения соответственно. Кроме того, следует заметить, что АФАР, у которой взаимные связи между элементами ре- шетки пренебрежимо малы, имеет такой же КП, как у одиночного элемента. Это достаточно про- сто доказать, если в выражения (14) и (5) подста- вить диагональные матрицы сопротивлений ,zz E .r   r E 4. ×èñëåííûé àíàëèç ïàðàìåòðîâ ñåêöèè ÀÔÀÐ Описанная модель АФАР была использована для расчета энергетических параметров секции ГУРТ, а также ее ДН для всех 213m  дискретных по- ложений луча, покрывающих бóльшую часть вер- хней полусферы. При этом предполагалось, что антенная решетка состоит из 25 плоских параллель- ных диполей, поляризация которых совпадает с по- ляризацией падающей плоской волны. Матрицы импедансов антенной решетки для секции АФАР ГУРТ и ее парциальные ДН вы- числялись с помощью известной программы NEC-2 [18], позволяющей выполнять электро- динамическое моделирование проволочных ан- тенн произвольной геометрии, расположенных вблизи реальной земли, относительная диэлект- рическая проницаемость r и удельная проводи- мость  которой принимались такими: 10r  и 0.025  См/м. Методика вычислений парамет- ров антенной решетки подробно описана в [19]. Расчет матрицы рассеяния многополюсника МП-II (рис. 4) выполнялся по формуле (3), а вхо- дящие в нее элементы матрицы рассеяния МШУ (1) определялись методами компьютерного схе- мотехнического моделирования [14], для чего использовалась принципиальная схема МШУ, при- веденная в [5], и SPICE-модели включенных в нее транзисторов. Матрицы рассеяния фазовра- щателей , ,n p qS рассчитывались с помощью вы- 148 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 2, 2015 П. Л. Токарский, А. А. Коноваленко, С. Н. Ерин ражения (2), в которое подставлялись параметры коаксиального кабеля RG58U, применяющегося для изготовления линий временной задержки в фидерной системе секции АФАР ГУРТ [5, 10]. При этом было учтено, что полная длина отрез- ка кабеля, соединяющего выход МШУ цент- рального элемента решетки с сумматором, рав- на 35 м и она не изменяется при переключении луча АФАР [10]. Разработанная модель секции АФАР ГУРТ была использована для всестороннего анализа ее энергетических параметров и характеристик на- правленности в диапазоне частот 10 80 МГц при дискретном сканировании луча в верхней полусфере. Ниже приведены результаты чис- ленного анализа эффективной площади секции (10) и ее КП (14). В процессе анализа были рассчитаны 213m  угловых зависимостей эффективной площади сек- ции АФАР , ( , ),eff p qA   каждая из которых соот- ветствует ( , )p q -му направлению луча. На рис. 5 показаны трехмерные поверхности ( , ),effA U V которые являются огибающими семейства глав- ных лепестков ДН эффективных площадей , ( , ),eff p qA U V нормированные на каждой частоте на свои максимальные значения ( , ) ( , ) max( ).eff eff effA U V A U V A Графики рассчитаны для восьми частот в диа- пазоне 10 80f   МГц. Все они обладают двой- ной симметрией относительно плоскостей E и H, обозначенных на рис. 3 сплошной и пунктирной линией соответственно. На рис. 5, а–з хорошо видно, как на каждой частоте изменяется эффективная площадь решет- ки при переходе с одного дискретного луча на другой и каковы провалы effA в промежутках между максимумами соседних лучей. Здесь же можно проследить, как изменяется профиль effA на UV-плоскости при переходе с одной частоты на другую. Здесь видно также, что провалы effA между максимумами соседних лучей с ростом частоты постепенно углубляются: если на час- тоте 10 МГц они практически незаметны и по- верхность effA выглядит вполне гладкой, то на частоте 70 МГц эти провалы доходят до значе- ния –3 дБ по отношению к максимальному уров- ню смежных лучей. Несмотря на высокую информативность гра- фиков, изображенных на рис. 5, они не дают ответа на главный вопрос – каковы абсолют- ные значения ,eff p qA и как они изменяются с частотой? Поэтому на рис. 6 приведены зависи- мости эффективной площади секции АФАР от угла прихода волны  в плоскости E (рис. 6, а) и плоскости H (рис. 6, б) для сетки частот в диа- пазоне 10 80 МГц. Эти кривые, по сути, яв- ляются сечениями поверхностей, аналогичных изображенным на рис. 5, однако построенных для ненормированных значений ( , ).effA   Боль- шинство кривых имеют многоэкстремальный характер, который возникает из-за плавного пе- рехода направления прихода волны с вершины одного луча на вершину смежного. При этом форма кривой, иллюстрирующая поведение эффективной площади решетки при отклонении направления прихода волны от зенита, замет- но зависит от частоты. Так, например, ( )effA  на частоте 40 МГц, на которой расстояния между излучателями равны половине длины волны, уменьшается с ростом  примерно так же, как проекция геометрической площади решет- ки ( ) cosg x yS Nd d   на направление прихода волны. Такое совпадение, в принципе, закономер- но, поскольку плоская эквидистантная решетка с полуволновым шагом по своим направленным свойствам близка к равномерно возбужденной апертуре, которую и представляет кривая ( ).gS  Похожее поведение ( )effA  имеет место и на частотах выше 40 МГц. Иной характер зависимости ( )effA  мы наблю- даем на частотах ниже 20 МГц. При отклонении луча от нормали эффективная площадь решетки вначале растет, а затем, пройдя максимум, зна- чение которого может более чем на 2 дБ превы- шать значение в зените, быстро падает до нуля с приближением  к 90 . Такое аномальное по- ведение ( )effA  объясняется тем, что отклоне- нию луча решетки от нормали препятствует ДН одиночного элемента, ширина которой на этих частотах сравнима с шириной луча решетки, в результате чего последний деформируется, за- метно сужаясь при этом. Сужение луча решетки приводит к росту ее КНД и увеличению эффек- тивной площади. При дальнейшем отклонении от нормали главный луч решетки начинает все силь- нее подавляться ДН элемента, в результате чего его уровень падает, а вместе с ним и ,effA при-
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106380
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1027-9636
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:58:33Z
publishDate	2015
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
record_format	dspace
spelling	Токарский, П.Л. Коноваленко, А.А. Ерин, С.Н. 2016-09-27T07:57:34Z 2016-09-27T07:57:34Z 2015 Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ / П.Л. Токарский, А.А. Коноваленко, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 2. — С. 142-153. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106380 621.396.677.494: 520.272.2 Представлены методика расчета и результаты численного анализа параметров активной фазированной антенной решетки (АФАР) Гигантского украинского радиотелескопа (ГУРТ) декаметрового и метрового диапазонов волн, который сооружается в настоящее время вблизи г. Харькова на территории Радиоастрономической обсерватории им. С. Я. Брауде Радиоастрономического института Национальной академии наук Украины. Методика базируется на матричной теории антенных решеток, сочетающей в себе электродинамический подход к анализу решетки излучателей с методами теории многополюсников СВЧ для описания фидерной схемы АФАР. Приведены и проанализированы результаты численного расчета эффективной площади АФАР и коэффициента передачи, который в случае пассивной ФАР ассоциируется с КПД, в широком секторе сканирования луча в диапазоне частот 10- 80 МГц. Надаються методика розрахунку та результати числового аналізу параметрів активної фазованої антенної решітки (АФАР) Гігантського українського радіотелескопу (ГУРТ) декаметрового та метрового діапазонів хвиль, що наразі споруджується поблизу м. Харкова на території Радіоастрономічної обсерваторії ім. С. Я. Брауде Радіоастрономічного інституту Національної академії наук України. Методика базується на матричній теорії антенних решіток, що поєднує електродинамічний підхід до аналізу решітки випромінювачів з методами теорії багатополюсників НВЧ для опису фідерної схеми АФАР. Наведені та проаналізовані результати числового розрахунку ефективної площі АФАР та коефіцієнту передачі, що в разі пасивної ФАР асоціюється з ККД, у широкому секторі сканування променя в діапазоні частот 10 - 80 МГц. The calculation technique results of numerical analysis of parameters of active phased antenna array (APAA) of the Giant Ukrainian Radio Telescope (GURT) of decameter and meter wavelengths which is being built now nearby Kharkiv at the area of S. Ya. Braude Radio Astronomy Observatory of the Institute of Radio Astronomy of the National Academy of Sciences of Ukraine are presented. The technique is based on the matrix theory of antenna arrays which combines an electromagnetic approach to analysis of radiators array with the methods of microwave multiport theory for the APAA feed network description. The results of numerical calculation of the APAA effective area and its gain, which in case of passive array is associated with its efficiency, are given and analyzed for a wide scan range within 10 to 80 MHz. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ Аналіз параметрів активної фазованої антенної решітки радіотелескопу ГУРТ Analysis of Active Phased Antenna Array Parameters for the GURT Radio Telescope Article published earlier
spellingShingle	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ Токарский, П.Л. Коноваленко, А.А. Ерин, С.Н. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
title	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ
title_alt	Аналіз параметрів активної фазованої антенної решітки радіотелескопу ГУРТ Analysis of Active Phased Antenna Array Parameters for the GURT Radio Telescope
title_full	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ
title_fullStr	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ
title_full_unstemmed	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ
title_short	Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ
title_sort	анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа гурт
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106380
work_keys_str_mv	AT tokarskiipl analizparametrovaktivnoifazirovannoiantennoirešetkiradioteleskopagurt AT konovalenkoaa analizparametrovaktivnoifazirovannoiantennoirešetkiradioteleskopagurt AT erinsn analizparametrovaktivnoifazirovannoiantennoirešetkiradioteleskopagurt AT tokarskiipl analízparametrívaktivnoífazovanoíantennoírešítkiradíoteleskopugurt AT konovalenkoaa analízparametrívaktivnoífazovanoíantennoírešítkiradíoteleskopugurt AT erinsn analízparametrívaktivnoífazovanoíantennoírešítkiradíoteleskopugurt AT tokarskiipl analysisofactivephasedantennaarrayparametersforthegurtradiotelescope AT konovalenkoaa analysisofactivephasedantennaarrayparametersforthegurtradiotelescope AT erinsn analysisofactivephasedantennaarrayparametersforthegurtradiotelescope

Анализ параметров активной фазированной антенной решетки радиотелескопа ГУРТ

Institution

Similar Items