Способ синтеза формы отражающей поверхности антенной системы зеркального типа

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в подвижных системах радиосвязи и радиолокации. Технический результат - повышение эффективности задания необходимой формы отражающей поверхности антенной системы (АС) зеркального типа (ЗТ). Для этого внешний контур задают в виде выпуклого многогранника, содержащего N вершин; в плоскость которого вводят N-мерную барицентрическую систему координат; определяют число и положение точек деформации, устанавливают соответствующее число деформационных устройств, выполняют аппроксимацию отражателя, вводят весовые коэффициенты, с учетом сформированной аппроксимации отражающей поверхности и заданных требований по ориентации главного максимума и формы ДН формируют нелинейную оптимизационную задачу по критерию минимума среднеквадратического отклонения между реализуемой ДН и требуемой ДН; выполняют решение сформированной экстремальной задачи численными методами оптимизации с изменением значения сформированной целевой функции путем вариации величины весовых коэффициентов аппроксимации отражающей поверхности; в соответствии с рассчитанными значениями весовых коэффициентов переключающим устройством выполняют деформацию отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора. 8 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиотехническим системам (PC) СВЧ/КВЧ диапазона, оборудованным антенными системами зеркального типа и обеспечивающим формирование диаграммы направленности (ДН) с изменяемой ориентацией главного максимума и(или) формой, и предназначено для использования преимущественно в подвижных системах радиосвязи и радиолокации.

Известны устройства и технические решения антенных систем, обеспечивающие изменение ориентации и(или) формы ДН волн (RU 2130674 20.05.1999; RU №2181519 20.04.2002; RU 2461929 20.09.2012; KR 20130122242 07.11.2013).

Однако эффективность подобных антенных систем при изменении ориентации и(или) формы ДН снижается из-за отсутствия технических решений, направленных на изменение формы отражающей поверхности.

Из известных решений наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является система привода для зеркальной антенны с деформируемой отражающей поверхностью (патент ES 2433007 05.12.2013), в которой предложена антенная система, оборудованная рефлектором, включающим в себя шасси и гибкую мембрану с отражателем, сформированным нанесением металлических частиц на поверхность гибкой мембраны, закрепленной на периферии к вышеупомянутому шасси. Также рефлектор вышеупомянутой антенной системы содержит: корпус, прикрепленный к шасси под гибкой мембраной; переключающее устройство; устройство привода; набор деформационных устройств, деформирующих гибкую мембрану отражателя в различных точках, называемых точками деформации. Деформационные устройства прикреплены к корпусу под сторону гибкой мембраны, противоположной отражающей поверхности. Каждое из вышеупомянутых деформационных устройств состоит из: фиксирующей конструкции; стержня; пары шкивов, соединенных приводным ремнем; резьбовой муфты; подшипника. Вышеупомянутый стержень соединен со вторым из пары шкивов устройства деформации и закреплен на фиксирующей конструкции через резьбовую муфту. Первый из пары шкивов устройства деформации закреплен на фиксирующей конструкции через подшипник для вращения шкива вокруг своей оси. Свободный конец стержня деформирующего элемента предназначен для контакта с гибкой мембранной в точке деформации для изменения ее формы. Переключающее устройство прикреплено фиксирующей конструкцией к корпусу рефлектора и содержит опорный рычаг и электрический мотор. Переключающее устройство предназначено для приведения в действие через опорный рычаг устройства привода по отношению к каждому из устройств деформации таким образом, чтобы устройство привода через свою управляющую часть было способно управлять стержнем выбранного устройства деформации. Управление стержнем выбранного устройства деформации производится путем вращения управляющей части устройства привода, соединенной с первым шкивом, вокруг своей оси с передачей вращающегося движения системе, включающей соединенные ремнем привода пары шкивов устройства деформации.

Недостаток данного изобретения заключается в отсутствие технического решения, направленного на синтез формы отражающей поверхности гибкой мембраны, реализующей требуемую ориентацию главного максимума и(или) форму ДН, с заданием рациональных положений стержней деформирующих устройств относительно деформируемой поверхности. Последнее приводит к усложнению конструкции антенной системы, а также усложнению системы управления формой деформируемой отражающей поверхности.

Задачей изобретения является создание способа синтеза формы отражающей поверхности антенной системы зеркального типа, позволяющего с минимальным числом деформирующих элементов эффективно задавать необходимую форму отражающей поверхности антенной системы зеркального типа, реализующей требуемую ориентацию главного максимума и(или) форму ДН.

Эта задача решается тем, что способ синтеза формы отражающей поверхности антенной системы зеркального типа, оборудованной рефлектором, включающим в себя шасси, корпус, набор устройств деформации, устройство привода, переключающее устройство, систему управления переключающим устройством, гибкую мембрану с отражателем, сформированным нанесением металлических частиц на поверхность гибкой мембраны, отличается тем, что в системе управления переключающим устройством внешний контур, ограничивающий отражающую поверхность гибкой мембраны рефлектора, задают в виде выпуклого многогранника, содержащего N вершин, в плоскости заданного N-мерного многогранника вводят N-мерную барицентрическую систему координат [см. Александров П.С. Лекции по аналитической геометрии. - М.: Наука, 1968. - 912 с., стр. 352], на основе представления вышеупомянутого многогранника в TV-мерной барицентрической системе координат определяют число K и положение i-x точек деформации и устанавливают соответствующее число деформационных устройств путем задания порядка аппроксимации m, для заданного порядка аппроксимации m выполняют аппроксимацию отражающей поверхности гибкой мембраны рациональной N-угольной поверхностью Безье [см. Голованов, Н.Н. Геометрическое моделирование. - М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2002. - 472 с., стр. 176] с введением i-x весовых коэффициентов w_i, соответствующих определенным i-м точкам деформации, при этом величина весового коэффициента w_i в конкретной точке деформации в сравнении с другими определяет степень близости прохождения отражающей поверхности к ней, для значений введенных весовых коэффициентов w_i ставят в соответствие положение стержней в устройствах деформации, с учетом сформированной аппроксимации отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора и заданных требований по ориентации главного максимума и(или) формы ДН формируют нелинейную оптимизационную задачу по критерию минимума среднеквадратического отклонения (СКО) между реализуемой ДН деформируемой антенной системой и требуемой ДН, выполняют решение сформированной экстремальной задачи численными методами оптимизации [см. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. - М.: Наука, 1980. - 520 с.] с изменением значения сформированной целевой функции путем вариации величины весовых коэффициентов аппроксимации отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора, в соответствии с рассчитанными значениями весовых коэффициентов переключающим устройством выполняют деформацию отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность синтеза формы отражающей поверхности гибкой мембраны, реализующей требуемую ориентацию главного максимума и(или) форму ДН, с заданием рациональных положений стержней деформирующих устройств относительно деформируемой поверхности.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 - пример представления внешнего контура, ограничивающего отражающую поверхность гибкой мембраны рефлектора, в виде выпуклого многогранника, содержащего N вершин;

на фиг. 2 - графическая интерпретация процедуры перевода из прямоугольных координат в барицентрические на примере шестиугольника;

на фиг. 3 - пример задания точек деформации для круглой отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора, представленной тринадцатиугольником при m=2;

на фиг. 4 - блок-схема способа управления формой отражающей поверхности антенной системы зеркального типа;

на фиг. 5 - диаграмма направленности в Е и Н плоскостях, формируемых облучателем однозеркальной антенны;

на фиг. 6 - срез для ξ=0° диаграммы направленности, формируемой исходной параболической однозеркальной антенной;

на фиг. 7 - срез для ξ=0° диаграммы направленности, формируемой итоговой однозеркальной антенной, синтезированной по заявленному способу;

на фиг. 8 - изменение формы исходной параболической однозеркальной антенны при ее деформации по заявленному способу.

В общем случае заявленный способ синтеза формы отражающей поверхности антенной системы зеркального типа заключается в решении задачи структурного синтеза антенной системы и сводится к двум основным этапам.

Первый этап - параметризация гибкой отражающей поверхности гибкой мембраны рассматриваемой деформируемой антенной системы зеркального типа. При этом первый этап предполагает последовательное выполнение следующих действий:

1) внешний контур 1 (см. фиг. 1), ограничивающий отражающую поверхность гибкой мембраны 3 (см. фиг. 1) рефлектора, представляется в виде выпуклого многогранника 2 (см. фиг. 1), содержащего N вершин. При этом вышеупомянутый внешний контур 1 (см. фиг. 1) представляется множеством $$P=\left\{{\overrightarrow{P}}_1,{\overrightarrow{P}}_2,\dots ,{\overrightarrow{P}}_n,\dots ,{\overrightarrow{P}}_N\right\}$$ из N точек. Каждая n-я точка представлена двухмерным вектором , определяющим ее положение в системе координат OXY;

2) для множества точек $$P=\left\{{\overrightarrow{P}}_1,{\overrightarrow{P}}_2,\dots ,{\overrightarrow{P}}_n,\dots ,{\overrightarrow{P}}_N\right\}$$ , определявших вершины N-мерного выпуклого многоугольника в плоскости OXY (см. фиг. 1), ввести N-мерную барицентрическую систему координат ζ₁, ζ₂, …, ζ_N, такую, что 0≤ζ_n≤1; $${\displaystyle \sum _{n=1}^N{\zeta }_n=1}$$ ; $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ . Правило перехода от барицентрической системы координат ζ₁, ζ₂, …, ζ_N в прямоугольную x, y определяется отношением:

Для обратного перевода координат произвольной точки в барицентрические применяется обобщение для N-мерного случая через так называемые Wachspress координаты [см. Wachspress Е.L. A Rational Finite Element Basis. Academic Press, New York, 1975. - 216 p.]:

где $$S_{\Delta }({\overrightarrow{P}}_{n-1},{\overrightarrow{P}}_n,{\overrightarrow{P}}_{n+1})$$ определяет площадь треугольника, вершины которого заданы набором точек $${\overrightarrow{P}}_{n-1},{\overrightarrow{P}}_n,{\overrightarrow{P}}_{n+1}$$ . Графическая интерпретация процедуры перевода из прямоугольных координат в барицентрические на примере шестиугольника представлена на фиг. 2;

3) определить порядок аппроксимации m отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора и для заданного m сформировать упорядоченное множество M_m мультииндексов i, такое, что

где Z_≥0 - множество целых положительных чисел [см. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1975. - 871 с.].

Общее количество сформированного множества мультииндексов определяет число точек деформации K=|M_m| (оператор |·| определяет мощность множества), а положение i-х точек деформации $${\overrightarrow{P}}_i^{д}={\left(x_i^{д}{y}_i^{д}\right)}^{Т}$$ в системе координат OXY c учетом соотношений (1) задается по правилу

Пример задания точек деформации для круглой отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора, представленной тринадцатиугольником для порядка аппроксимации m=2, представлен на фиг. 3;

4) для определенного набора координат точек деформации $${\overrightarrow{P}}_i^{д}$$ задать число и исходные значения положения стержней $$Z_i^{д}$$ в системе координат OXYZ отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора (см. фиг. 1), по сути характеризующих исходную форму отражателя, например, заданную в виде параболоида вращения с фокусным рассеянием f.

С учетом рассчитанных значений $$Z_i^{д}$$ задать аппроксимацию отражающей поверхности рациональной N-угольной поверхностью Безье, по существу определяющее соответствие положение стержней в устройствах деформации:

где i - мультииндекс (4); w_i - весовые коэффициенты, соответствующие определенным i-м точкам деформации $${\overrightarrow{P}}_i^{д}$$ , при этом величина весового коэффициента w_i в конкретной точке деформации в сравнении с другими определяет степень близости прохождения отражающей поверхности ней; $$B_i^m(x,y)$$ - полином Бернштейна, определяемый отношением [см. Loop, С.Т. A Multisided Generalization of Bezier Surfaces / Charles T. Loop, Tony B. DeRose // ACM Transactions on Graphics. V. 8. 1989. - P. 204-234]:

В выражении (8) ζ₁(x, y), ζ₂(x, y),…, ζ_N(x, y) - барицентрические координаты, соответствующие произвольной точке $$\overrightarrow{P}={(xy)}^T$$ и определяемые по правилу (2), (3).

Второй этап - определение формы отражающей поверхности с учетом заданных требований к ориентации максимумов и(или) форме ДН путем нахождения соответствующих значений вектора весовых коэффициентов $$\overrightarrow{W}={(w_i)}_{M_m}$$ . При этом второй этап предполагает последовательное выполнение следующих действий:

1) с учетом сформированной аппроксимации (7) отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора и заданных требований по ориентации главного максимума и(или) формы ДН сформировать нелинейную оптимизационную задачу по критерию минимума среднеквадратического отклонения ДН между реализуемой деформируемой антенной системой и требуемой ДН:

где R - множество действительных чисел; θ и ξ - зенитный и азимутный углы соответственно сферической системы координат рефлектора в направлении на произвольную точку наблюдения Q (см. фиг. 1); $${\dot{F}}_E(\overrightarrow{W},\theta ,\xi )$$ - формируемая комплексная ДН антенной системы зеркального типа для основного вида поляризации в направлении (θ, ξ); $${\dot{F}}_{E_{тр}}(\theta ,\xi )$$ - требуемая комплексная ДН антенной системы зеркального типа в направлении (θ, ξ); [θ_min; θ_max], [ξ_min, ξ_max] - сектор углов, в которых определяется соответствие формируемой и требуемой ДН. Значение $${\dot{F}}_E(\overrightarrow{W},\theta ,\xi )$$ в заданном направлении (θ, ξ) может определяться токовым методом [см. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ. В 2 ч. Ч. 1. - Москва: Связь, 1977. - 381 с.];

2) выполнить решение сформированной экстремальной задачи (9) численными методами оптимизации [см. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. - М.: Наука, 1980. - 520 с.] с изменением значения сформированной целевой функции путем вариации величины весовых коэффициентов аппроксимации отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора $$\overrightarrow{W}=\underset{w_i\in R}{\arg \min }\left(f(\overrightarrow{W})\right)$$ ;

3) в соответствии с рассчитанными значениями весовых коэффициентов $$\overrightarrow{W}$$ в точках деформации $${\overrightarrow{P}}_i^{д}$$ задать итоговые положения стержней, используя аппроксимацию (7).

Рассмотрим реализацию заявляемого способа на ЭВМ на примере решения задачи по деформации формы отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора однозеркальной параболической антенны при формировании максимума излучения антенны в направлении θ=10°, ξ=0°. Параметры синтезируемой антенной системы при длине волны λ=0,05 м: отношение диаметра рефлектора к длине волны D/λ=20, отношение фокусного расстояния рефлектора к его диаметру f/D=0,5. Облучатель размещен в фокусе антенны. Диаграмма направленности, формируемая облучателем рассматриваемой однозеркальной антенны, в Е и Н плоскостях представлена на фиг. 5.

В результате решения рассматриваемой задачи по заявленному способу при задании внешнего контура, ограничивающего поверхность отражателя, тринадцатиугольником и указании порядка аппроксимации m=2 сформирована отражающая поверхность, реализующая ДН, представленную на фиг. 7 в сечении по углу ξ=0°. Исходная ДН параболической однозеркальной антенны в сечении по углу ξ=0° представлена на фиг. 6. На фиг. 8 представлено изменение формы исходной параболической однозеркальной антенны при ее деформации по заявленному способу.

Результат изменения ориентацией главного максимума с одновременным сохранением симметричности формируемой отклоненной ДН при деформации ее рефлектора деформирующими устройствами по заявленному способу обеспечивает возможность с наименьшим минимальным числом деформирующих элементов эффективно задавать необходимую форму отражающей поверхности антенной системы зеркального типа, реализующей требуемую ориентацию главного максимума и(или) форму ДН.

Таким образом, предлагаемый способ синтеза формы отражающей поверхности можно рассматривать как новый способ структурного синтеза антенных систем зеркального типа, обеспечивающий изменение ориентации и(или) формы ДН волн. Следует понимать, что не обязательно все аспекты или преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты при формировании экстремальной задачи вида (9), поскольку настоящий способ предполагает использование различных критериев синтеза: максимум коэффициента использования поверхности, максимум коэффициента направленного действия, коэффициента полезного действия антенны; коэффициента усиления в заданном(ых) направлении(ях) и др. при учете всевозможных ограничений.

Способ управления формой отражающей поверхности антенной системы зеркального типа, оборудованной рефлектором, включающим в себя шасси, корпус, набор устройств деформации, устройство привода, переключающее устройство, систему управления переключающим устройством, гибкую мембрану с отражателем, сформированным нанесением металлических частиц на поверхность гибкой мембраны, отличающийся тем, что в системе управления переключающим устройством внешний контур, ограничивающий отражающую поверхность гибкой мембраны рефлектора, задают в виде выпуклого многогранника, содержащего N вершин, в плоскости заданного N-мерного многогранника вводят N-мерную барицентрическую систему координат, на основе представления вышеупомянутого многогранника в N-мерной барицентрической системе координат определяют число К и положение i-x точек деформации и устанавливают соответствующее число K деформационных устройств путем задания порядка аппроксимации m, для заданного порядка аппроксимации m выполняют аппроксимацию отражающей поверхности гибкой мембраны рациональной N-угольной поверхностью Безье с введением i-x весовых коэффициентов w _i, соответствующих определенным i-м точкам деформации, при этом величина весового коэффициента w _i в конкретной точке деформации в сравнении с другими определяет степень близости прохождения отражающей поверхности к ней, для значений введенных весовых коэффициентов w _i ставят в соответствие положение стержней в устройствах деформации, с учетом сформированной аппроксимации отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора и заданных требований по ориентации главного максимума и (или) формы диаграммы направленности (ДН) формируют нелинейную оптимизационную задачу по критерию минимума среднеквадратического отклонения между реализуемой ДН деформируемой антенной системой и требуемой ДН, выполняют решение сформированной экстремальной задачи численными методами оптимизации с изменением значения сформированной целевой функции путем вариации величины весовых коэффициентов аппроксимации отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора, в соответствии с рассчитанными значениями весовых коэффициентов, переключающим устройством выполняют деформацию отражающей поверхности гибкой мембраны рефлектора.