Прогресс: X антенны

        Технический прогресс не всегда движется путями, которых мы от него ожидаем. Вот очень интересный тому пример. 90-дневный полет новых спутников серии ST5 позволил испытать целый ряд технических новинок, среди которых выделялись миниатюрные магнитометры, высоко-эффективные солнечные батареи и чрезвычайно странные на вид, но достаточно эффективные микроантенны, разработанные исключительно компьютерным интеллектом. Для связи с наземными станциями слежения каждый спутник был снабжен двумя антеннами X-типа, работающими в диапазоне до 10 ггц.. Имеющая необычную структуру антенна разрабатывалась таким образом, чтобы удовлетворять всем предъявленным требованиям. Прежде всего, антенна должна была иметь диаграмму направленности в виде полусферы, круговую поляризацию, неизменный импеданс в широкой полосе частот и конструктивно должна представлять собой единственный элемент-проводник. Для сравнения, при традиционном подходе, для выполнения поставленной задачи пришлось бы использовать спиральную или квадрифилярную антенну   (это мы уже знаем :-).

        Ручная разработка и оптимизация антенн – занятие долгое и трудоемкое, весьма дорогостоящее, требующее от конструкторов значительных знаний и опыта.   Ученые из группы Эволюционных систем одного из исследовательских центров NASA разработали компьютерную программу, отбирающую наиболее совершенные конструкции из множества сгенерированных образцов, и использующую их в качестве прототипов (родителей) для конструирования (развития) следующего поколения антенн.

          Программа, использующая эволюционные алгоритмы, выполнялась на тридцати пяти компьютерах, объединенных в сеть (кластер). Конструирование антенны ST5 началось со случайно выбранной конфигурации, последовательно улучшавшейся в процессе эволюции. За десять часов, которые потребовались кластеру компьютеров, чтобы завершить работу, было сгенерировано несколько сотен тысяч вариантов антенны. Вот варианты от начального до конечного (слева направо).

Частота передачи	8470  МГц
Частота приема	7209  Мгц
КСВ	менее 1.2 на частоте RX
	менее 1.5 на частоте TX
Диаграмма направленности	0 dBiC, 40° ≤ θ ≤ 80°, 0° ≤ φ ≤ 360°
Поляризация	Круговая
Входной импеданс	50 Ом
Диаметр	15.24 см
Высота	15.24 см
Масса антенны	165 г

Как видно из таблицы в части габаритов и массы, параметры разработанной антенны оказались на порядок лучше требований технического задания, сформулированного инженерами NASA на основании объективных требований и субъективного личного опыта разработки «классических» антенн.

   Остальные характеристики антенны также превзошли все ожидания. Для сравнения, можно взглянуть на Рисунок 10, на котором, приведенные к общему масштабу, изображены диаграммы направленности в плоскости  для обычной спиральной квадрифилярной антенны и антенны ST5-33-142-7. Сравнение диаграмм направленности: спиральной квадрифилярной антенны (зеленый) и антенны, разработанной для миссии ST5 (красный).    Разработанные для миссии ST5 антенны называются эволюционными. Справка: Эволюционные антенны - это антенны, полностью или частично сконструированные методами компьютерного проектирования с использованием алгоритмов, имитирующих процессы эволюции по Дарвину. Первые эволюционные антенны появились в середине 90-х годов прошлого века вследствие работ Michielssen, Altshuler, Linden, Haupt, и Rahmat-Samii. В большинстве случаев для разработки эволюционных антенн используются генетические алгоритмы. 

     Сконструированная антенна ST5-33-142-7 имеет совершенно парадоксальный внешний вид, как будто кто-то скрепку изогнул, однако, отличается исключительной функциональной эффективностью. (Обычная спиралька, по возвращению с Field Day :-)

      Во-первых, к этой антенне можно подводить меньшую мощность. Усиление антенны ST5-33-142-7 достигает 2-4 дБ в широком диапазоне углов возвышения. Это расширяет максимальную пропускную способность канала передачи данных. 

      Во-вторых, эволюционная антенна не нуждается ни в согласующих, ни в фазирующих цепях, исключая целых два этапа из процесса конструирования и изготовления антенны. Для согласования с антенной может использоваться простейшая линия передачи, хотя, как показывают результаты моделирования, никакой необходимости в ней нет.

     В-третьих, эволюционная антенна создает более однородную область покрытия, так как диаграмма направленности в направлении, представляющем наибольший интерес (между 40° и 80°), имеет гладкую форму с очень незначительными неровностями. Это обеспечивает надежную устойчивую работу при изменениях угла возвышения относительно земной поверхности.  Технология эволюционного синтеза имеет большой потенциал для того, чтобы разрабатывать антенны лучше, дешевле и быстрее, чем раньше. И, конечно, не только в диапазоне 10 гГц.   По материалам NASA, журнала Радиолоцман и с подачи Валерия UR3CAH. Спасибо ему.  :-)