18075

АНТЕНИ СИСТЕМ СУПУТНИКОВОГО РАДІОЗВ’ЯЗКУ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЛЕКЦІЯ №2 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ ТЕМА 1: АНТЕНИ РТС ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ. ЗАНЯТТЯ 2: антенИ систем супутникового радіозв’язку 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ Вимоги до антен системи супутникового ра

Украинкский

2013-07-06

1.3 MB

15 чел.

PAGE  38

ЛЕКЦІЯ №2

з навчальної дисципліни

ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ

ТЕМА 1: АНТЕНИ РТС ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ.

ЗАНЯТТЯ 2: антенИ систем супутникового радіозв’язку


1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ

  1.  Вимоги до антен системи супутникового радіозв’язку.

2. Особливості конструкції та характеристики антен супутникового радіозв’язу.

II. НАВЧАЛЬНА ТА ВИХОВНА МЕТА

  1.  Вивчити вимоги до антен системи супутникового радіозв’язку.

  1.  Вивчити особливості конструкції та характеристики антен супутникового радіозв’язу.

III. ЛІТЕРАТУРА ТА НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

  1.  Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещения. – М.: Связь, 1987.
  2.   Кочержевский Г.Н. и др.. Антенно фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. 
  3.   Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч.П. Антенны. – М.: Радио и связь, 1983.
  4.   В. Рамзей . Частотно независимые антенны. М.: Мир 1968.
  5.    Найденко Є.П. Електродинаміка та техніка НВЧ, конспект лекцій. – Житомир: ЖВІРЕ, 1998.
  6.   Должиков В.В. и др. Активные передающие антенны. – М.: Радио и связь, 1984.
  7.   Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны-усилители. – М.: Радио и связь, 1980
  8.   Б.А.Панченко, Е.И. Нефёдов. Микрополосковые антенны. – М.: Радио и связь 1986. 
  9.   Проблемы антенной техники/ под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1989.
  10.   Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. – М.: Радио и связь, 1989.
  11.  Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе. MMANA. – М.: Радио, №6…9,2001.
  12.  В.И. Болшаченков, И.Д. Прилепский. Электродинамика и техника СВЧ.
  13.  Применение круговой диаграммы в технике СВЧ. – Житомир: ЖВУРЭ ПВО, 1986.
  14.  Діапозитиви.
  15.  Наочні посібники (буклеты, проспекты, рекламные материалы).
  16.  Технічні засоби навчання

1. Вимоги до антен системи супутникового радіозв’язку.

1.1. Організація космічних ліній зв’язку.

Космічна лінія зв'язку представляє сукупність земних станцій (ЗС), зв'язок між якими здійснюється через проміжний ретранслятор, розташований на штучному супутнику Землі (ШСЗ). Супутник, що рухається по навколоземній орбіті, одночасно спостерігається з декількох земних станцій. Останні найчастіше перебувають за межами прямої видимості.

Ретранслятор, розташовуваний на супутнику, здатний одночасно обслуговувати досить більшу територію. Так, трьох штучних супутників Землі досить для створення глобальної системи зв'язку. В інших випадках можна сконцентрувати електромагнітну енергію ретранслятора у вузькому тілесному куті відповідно до границь держави або обраного регіону обслуговування. Той або інший варіант забезпечується параметрами передавальної антени ретранслятора, і в першу чергу її габаритними розмірами.

Антена земної станції повинна бути увесь час спрямована на ШСЗ, що викликано необхідністю забезпечити безперервну в часі зв'язок. Тому переміщення супутника по орбіті вимагає

синхронного спостереження за ним антеною ЗС. Із цією метою антенні системи ЗС забезпечуються пристроями наведення й супроводу (ручного або частіше автоматичного), що забезпечують поворот антени одночасно з переміщенням супутника. Наявність таких пристроїв збільшує вартість антени ЗС, робить її більше складної в обслуговуванні, деякою мірою знижує надійність її роботи.

Супутники зв'язку роблять рух навколо Землі по замкнутих орбітах, площині яких проходять через центр земної кулі. Залежно від нахилення i, кута між площинами орбіти й земного екватора розрізняють 

полярні (i = 90°),

екваторіальні (i = 0°) і

похилі (0° < i < 90)° орбіти супутників. На рис. 1.1 -1—це орбіти /, 2 і 3 відповідно. Для зв'язку особливий інтерес представляє розміщення ШСЗ на так званій геостаціонарній орбіті — це кругова орбіта, що перебуває в площині екватора, 2 з радіусом 42164 км (35786 +Rз). Якщо напрямок руху супутника, що перебуває на геостаціонарній орбіті, збігається з напрямком обертання Землі, то з поверхні Землі він здається нерухливим. Це пояснюється тим, що такий супутник робить один оберт навколо Землі точно за одні земних діб. Антени земних станцій, що працюють із геостаціонарним супутником, практично не вимагають складних систем наведення й супроводу; у таких антенах передбачені пристрої для компенсації невеликих збурювань орбіти полями тяжіння Землі й Місяця.

Слід зазначити, що для приполярних областей Землі якість зв'язку через геостаціонарний супутник невисоке. Справа в тому, що для забезпечення зв'язку діаграма спрямованості антени ЗС повинна бути орієнтована під малим кутом місця до поверхні Землі. Таке положення антени супроводжується збільшенням її шумової температури за рахунок теплових шумів Землі, підвищується рівень перешкод від наземних радіотехнічних засобів. Зазначені недоліки можна усунути, якщо скористатися супутником, що рухається по похилій орбіті. У системах космічного зв'язку нашої країни й у системі «Интерспутник» широко використовується різновид похилої орбіти — висока еліптична орбіта. Така орбіта характеризується періодом обігу супутника навколо Землі, рівним 12 ч. Тому вона, як і геостаціонарна орбіта, синхронна із земними цілодобово. Висота апогею На 40 тис. км, перигею — Нп 550 км над північною й південною півкулями відповідно. Площина такої орбіти нахилена до площини екватора під кутом близько 63°. Траєкторія польоту ШСЗ повторюється зі збереженням апогею над певним меридіаном. Це дозволяє організувати сеанси зв'язку в те саме час доби й полегшує супровід супутника. Антена земної станції може бути й нерухливої, але в цьому випадку її діаграма спрямованості повинна бути досить широкої (20110°) для забезпечення тривалого сеансу зв'язку.

Рис.1

Супутникова лінія зв'язку з ретранслятором на борті ШСЗ являє собою лінію з активною ретрансляцією сигналу. У комплексі апаратури такої лінії антена є як на земній станції, так і на супутниковому ретрансляторі. Супутникова лінія може працювати також без апаратури на борті. Тоді вона являє собою лінію з пасивною ретрансляцією сигналу. Функції пасивної антени можуть виконувати спеціальні відбивачі, що розгортаються в космосі.

Розвиток космічного зв'язку викликало необхідність увести у вживання нові поняття. Зложилася й продовжує розширюватися спеціальна термінологія. Міжнародним документом, що дає однозначне визначення цих термінів, є Регламент радіозв'язку [10]. Нижче приводяться визначення деяких з них.

Космічний радіозв'язок — будь-який радіозв'язок, при якій використовується одна або кілька космічних станцій або один або кілька ретрансляційних супутників, або інші космічні об'єкти.

Фіксована супутникова служба — служба радіозв'язку між земними станціями, розташованими в певних фіксованих пунктах, при використанні одного або декількох супутників.

Рухома супутникова служба — служба радіозв'язку:

між рухомими земними станціями й однієї або декількома космічними станціями, або між космічними станціями, використовуваними цією службою; або

між рухомими земними станціями за допомогою однієї або декількох космічних станцій.

Радіомовна супутникова служба — служба радіозв'язку, у якій сигнали, передані або ретрансляційними космічними станціями, призначені для безпосереднього прийому населенням.

Служба космічних досліджень — служба радіозв'язку, у якій космічні кораблі або інші космічні об'єкти використовуються для наукових цілей або технічних досліджень.

Аматорська супутникова служба — служба радіозв'язку, що використовує космічні станції, установлені на супутниках Землі для тих же цілей, що й аматорська служба.

Активний супутник супутник, що несе станцію, призначену для передачі або ретрансляції сигналів радіозв'язку.

Супутник, що відбиває, - супутник, призначений для відбиття сигналів радіозв'язку. 

Геостаціонарний супутник супутник, що залишається приблизно нерухливим відносно Землі.

1.2. Діапазони частот  ліній космічного зв’язку.

Вибір діапазону частот для космічних ліній зв'язку визначається в першу чергу умовами поширення електромагнітних хвиль на цих трасах. До теперішнього часу визначались оптимальні висоти орбіт ШСЗ. Для зв'язних супутників вони складають 10000...40000 км. У цьому випадку електромагнітні хвилі проходять усю товщу атмосфери, вплив якої необхідно враховувати при виборі робочих частот. Особливо істотно на процеси поширення електромагнітних хвиль впливають діелектрична проникність (Гн) і провідність (н) іоносфери, що є функціями висоти іоносферного шару і частоти електромагнітних коливань. Вони викликають рефракцію, відображення і поглинання радіохвиль, а також роблять інші впливи на електромагнітну хвилю, що поширюється. Значення Гн і н іоносфери на досить високих частотах (f > 3 МГц) можуть бути знайдені з виразів [3]:

  (1.1)

де Ne — концентрація вільних електронів в іоносфері, 1/м3;

эф — ефективна частота зіткнень електронів з позитивними іонами і нейтральними частками, 1/з;

f — частота електромагнітних коливань, Гц.

Як видно з виразу (1.1), можна підібрати таку частоту f = f0, при якій Гн буде дорівнювати нулю. Рівність нулеві діелектричної проникності середовища означає неможливість поширення електромагнітних хвиль. При досягненні хвилею шаруючи іоносфери з Гн = 0 вона відбиває і не проходить у космічний простір. Вираз (1.1) визначає частоту відбитої хвилі f0 при вертикальному падінні на іоносферний шар. При похилому падінні від іоносфери відбивають хвилі з частотами

де о — кут падіння хвилі на нижню границю іоносфери, град.

Умови (1.1) і (1.3) визначають частоти, нижче яких їхнє використання на космічних лініях зв'язку неможливо.

Максимальні частоти радіохвиль, що відбивають від іоносфери при похилому падінні, лежать у межах 30...40 Мгц [3]. Таким чином, на космічних лініях зв'язку можуть використовуватися радіохвилі метрового, дециметрового, сантиметрового і міліметрового діапазонів або відповідно частоти 30 Мгц...300 Ггц. У зазначеному великому діапазоні частот окремі смуги перенасищені різними радіослужбами. Так, смуга частот 30 Мгц... 10Ггц інтенсивно використовується наземними службами. Тут існує підвищений рівень взаємних перешкод, знижується якість радіозв'язку.

1.3. Особливості поширення радіохвиль на КРЛ. Рекомендації регламенту радіозв’язку на вибір діапазонів частот у залежності від призначення КРЛ

Поширення радіохвиль в атмосфері Землі супроводжується

послабленням в атмосферних газах і в опадах,

змінюється поляризація хвилі за рахунок ефекту Фарадея,

виникають дисперсійні спотворення.

Розподіл смуг частот між різними службами радіозв'язку не тільки є важливою внутрішньодержавною задачею, але і здобуває міжнародний характер. Цими питаннями займається Міжнародний союз електрозв'язку (МСЕ). За результатами досліджень, проведених у країнах — членах МСЕ і представля Міжнародному консультативному комітетові з радіо (МККР), Всесвітня адміністративна конференція по радіо (ВАКР) виробляє визначені регламентуючі правила і процедури. Остання Всесвітня адміністративна радіоконференція відбулася в 1979 р. у м. Женева (ВАКР-79). Регламент радіозв'язку містить таблицю розподілу смуг частот різними службами, порядок координації систем, а також рекомендації зі зниження взаємних перешкод, правила реєстрації частотних присвоєнь у Міжнародному комітеті реєстрації частот (МКРЧ) і ряд інших матеріалів.

Усі супутникові служби поділяються на

«первинні»,

«дозволені» і

«вторинні».

Первинними і дозволені користуються рівними правами за винятком того, що при складанні частотних планів первинній службі в порівнянні з дозволеної надається пріоритетне право вибору частот. 

Станції вторинної служби не повинні створювати перешкоди станціям первинної або дозволеної служби, а також не можуть вимагати захисту від шкідливих перешкод з боку станцій первинної або дозволеної служби. У той же час вони можуть вимагати захисту від шкідливих перешкод з боку станцій тієї ж самої або іншої вторинної служби.

Про складності задачі по розподілу частот між супутниковими службами можна судити і по числу різних служб. Регламентом радіозв'язку визначені наступні служби на первинній основі:

фіксована супутникова,

радіомовна супутникова,

служба космічних досліджень,

супутникова служба дослідження Землі,

рухома супутникова,

служба космічної експлуатації,

метеорологічна супутникова,

радіонавігаційна супутникова,

морська рухома супутникова,

повітряна рухома супутникова,

аматорська супутникова й ін.

З метою підвищення ефективності використання всього частотного діапазону земна куля розділена на три РАЙОНИ.

РАЙОН 1 включає Європу, частина території СРСР, що лежить в Азії, територію Монгольської Народної Республіки й Африку.

РАЙОН 2 включає Північну й Південну Америку,

РАЙОН 3 - іншу територію земної кулі (рис. 1.2). У табл. 1.1 - 1.3 приводяться смуги частот, що відводяться відповідно до Регламенту радіозв'язку деяким супутниковим службам на первинній основі.

Фіксована супутникова служба

радіомовна супутникова

Аматорська супутникова

У сучасних супутникових системах фіксована супутникова служба найбільше інтенсивно використовує діапазони 4/6 і 11/14 Ггц. Згідно із прогнозом відбувається поступове насичення зазначених діапазонів. У цей час почато освоєння діапазонів 20/30 Ггц, які володіють рядом переваг:

широка смуга частот (не менш 2500 Мгц на прийом і передачу),

менша схильність перешкодам з боку існуючих систем.

Важливо й те, що в цих діапазонах легше вийде ДН із вузькими головними пелюстками для обслуговування тільки необхідних районів.

З іншого боку, на високих частотах сигнали більшою мірою піддані ослабленню в атмосферних опадах. Тому для впевненого прийому на таких частотах буде потрібно використовувати більші потужності передачі, методи рознесеного прийому й сполучення спеціального кодування сигналів і рознесеного прийому.

1.4. Вимоги до антен по параметрах електромагнітної сумісності

Розвиток супутникових систем зв'язку супроводжується зростаючим завантаженням діапазонів радіочастот. Спільне використання тих самих смуг частот різними супутниковими й наземними радіослужбами, що допускається Регламентом радіозв'язку, ускладнює електромагнітну обстановку. У такий спосіб виникає проблема електромагнітної сумісності (ЭМС). Ця проблема стосується забезпечення сумісності між супутниковими системами й сумісності супутникових систем з наземними службами.

При визначенні умов сумісності супутникових систем з наземними службами необхідно враховувати вплив перешкод у смугах частот для ліній Космос - Земля:

від передавачів космічних станцій приймачам наземних станцій;

від передавачів наземних станцій приймачам ЗС; у смугах частот для ліній Земля - Космос:

від передавачів наземних станцій приймачам ЗС;

у смугах частот для ліній Земля - Космос:

від передавачів ЗС приймачам наземних станцій.

У першому випадку при збігу смуг частот двох систем у напрямках Земля — Космос або Космос — Земля (лінії F1 і F2 на рис. 1.3, де а — при співпадаючих напрямках передачі; б — при реверсивному використанні смуг частот) ураховуються перешкоди:

Рис.2

а) створювані передавачем ЗС системи, що заважає, на бортовий прийомний пристрій системи, на яку впливає перешкода рис. (1.3, а, лінія 1);

б) від бортового передавача на прийомний пристрій земної станції іншої системи (рис. 1.3, а, лінія 2).

При реверсивному використанні частот, коли в одній системі смуга частот використовується для одного напрямку (наприклад, Земля - Космос), а в другій системі - для протилежного (Космос - Земля), перешкоди створюються:

а) передавачем ЗС системи, що заважає, прийомному пристрою ЗС системи, що піддається перешкоді (лінія 1 на рис. 1.3,в), і б) від бортового передавача системи, що заважає, на бортовий приймач іншої системи (лінія 2 на рис. 1.3,б).

Електромагнітна сумісність різних супутникових служб забезпечується накручено координацією, технічна частина якої складається в розрахунку взаємних перешкод між системами й у порівнянні отриманих результатів із установленими нормами. Якщо буде потреба розробляють заходу щодо зменшення створюваних перешкод і проводять повторну координацію. Потім треба реєстрація частотних присвоєнь у МКРЧ.

Проблему ЭМС у рамках конкретної супутникової служби вирішують двома шляхами:

1) розробляють більше перешкодозахищені радіотехнічні системи;

2) проводять їхнє оптимальне проектування з погляду зменшення створюваних перешкод.

Передумови для рішення проблеми ЭМС створюють відомі просторова й частотна вибірковості антен. При аналізі діаграми спрямованості апертурних антен, широко застосовуваних у супутниковому зв'язку, прийнято виділяти три просторово-кутові області.

Перша область містить головний і трохи перших бічних пелюстків. Тут діаграма спрямованості (ДН) в основному визначається струмами на випромінюючій поверхні. Для розрахунку ДН у цій області використовують апертурний або фотополяриметр методи.

У другій області (область далекого бічного випромінювання) ДН антени визначається як струмами на випромінюючій поверхні, так і прямим полем опромінювача. Помітний вплив на рівень далекого бічного випромінювання робить випромінювання струмів, що наводяться на елементи кріплення антени, і струмів, що затікають на тіньову сторону дзеркала. Для розрахунку ДН у цій області використовують дифракційні методи, в основному метод геометричної теорії дифракції.

У третій області, до якої ставиться область заднього випромінювання, ДН в основному визначається дифракційними явищами на крайках антени й елементах її конструкції. Тут вона розраховується також методом геометричної теорії дифракції.

Зазначені методи дозволяють визначати спрямовані властивості будь-яких апертурних антен. При цьому, як правило, уводяться певні відступи від реальної антени й розглядається ідеалізована схема. Діаграма спрямованості реальної антени із цієї причини, а також через погрішності виготовлення й взаємного розташування елементів антени буде відрізнятися від результатів розрахунку. При практичному використанні антени виникають додаткові причини, що спотворюють її спрямовані властивості. Ці причини обумовлені впливом розмірів і форми конструкції, на якій розташована антена, впливом поруч розташованих інших антен і т.п. Як відзначається [13], при оцінці впливу спрямованих властивостей антени на рівень ЭМС необхідно враховувати всі ці фактори. Багато хто з них можуть бути визначені тільки експериментальним шляхом.

З метою дотримання необхідних умов ЭМС у цей час прийнято порівнювати ДН антени супутникового зв'язку з так званою довідковою діаграмою спрямованості. Остання являє собою графічне зображення огинаючої що рекомендується ДН щодо ізотропного випромінювача (у децибелах).

Розглянемо довідкові діаграми спрямованості антен земних станцій фіксованої супутникової служби, пропоновані документами МККР.

Для координації й оцінки взаємних перешкод у діапазоні частот 2...30 Ггц рекомендовані наступні вирази довідкових діаграм спрямованості [10, 18, 21]:

а) для антен ЗС із D/> 100, де D — діаметр розкриву антени;  — довжина хвилі,

 1.4

де G ()огинаюча діаграми спрямованості, дБ;

— кутова координата, град;

б) для антени ЗС із D/<100 пропонується використовувати довідкову ДН, аналогічну довідкової ДН для радіорелейних ліній зв'язку:

 1.5

Кут 1 відповідає напрямку максимуму першого бічного пелюстка діаграми спрямованості (1100 /D); кут 2напрямку, починаючи з якого приймається G () =— 10 дБ.

Якщо відсутні дані про реальні діаграми спрямованості антен ЗС, то Регламентом радіозв'язку рекомендовано користуватися іншими довідковими діаграмами:

а) для антен ЗС із D/100

1.6

де Gмaкс — коефіцієнт підсилення антени в головному напрямку, дБ; G1 =2+15 D/- коефіцієнт підсилення антени в напрямку першого бічного пелюстка, дБ

б) для антен з D/<100

1.7

Довідкові діаграми (1.4), (1.5) при D/ = 65 показані на рис. 1.4 (криві 1 і 2 відповідно), а діаграми (1.6), (1.7) — на рис. 1.5 (крива 1 для D/=150, крива 2 для D/, = 40).

 Рис.1.4

 Рис.1.5

Для бортових антен фіксованої супутникової служби довідкова діаграма спрямованості має вигляд:

1.8

де  0,5 — половина ширини головного пелюстка за рівнем 3 дБ;

1, — кут, при якому G ()= — 10 дБ.

Довідкова діаграма, що відповідає (1.8), у відносному масштабі G () -Gмaкс представлена на рис. 1.6.

 Рис.1.6

Довідкові діаграми призначені для використання при розрахунку очікуваних перешкод, однак вони не відбивають спрямованих властивостей антен. Виключення представляє довідкова діаграма, наведена в Рекомендації 580 МККР, прийнятої в 1982 р., для встановлюваних послу 1987 р. антен ЗС із відношенням D/100. Такі антени повинні забезпечувати діаграму, 90% бічних пелюстків якої не перевищують рівня, певного наступним виразу:

Це вимога повинне виконуватися для будь-яких напрямків у межах ±3° від напрямку на геостаціонарну орбіту.

До спрямованих властивостей антен радіомовної супутникової служби Регламентом радіозв'язку пред'являються більше тверді вимоги. Огинаючі довідкових діаграм спрямованості тут є обов'язковими, тому що перевищення рівня бічних пелюстків приведе до порушення критерію припустимих перешкод. У бортових передавальних антен діаграми спрямованості повинні задовольняти вимогам:

для основної поляризації:

б) для перехресної поляризації

Значення 0,5 визначається розмірами зони обслуговування. У Плані ВАКР-77 0,5хв =0,6°. Огинаючі діаграми спрямованості передавальних антен ШСЗ показані на рис. 1.7, де по осі абсцис відкладені значення /0,5 -

 Рис 1.7

Для прийомних антен ЗС огинаючі діаграм спрямованості визначені міжнародними документами у вигляді наступних функцій:

а) для індивідуального прийому на основній поляризації

де кут, відлічуваний від напрямку максимуму прийому. (У Плані ВАКР-77 величина 0,5 для індивідуального прийому прийнята рівної 2°);

б) для колективного прийому на основній поляризації

(Значення 0,5 для колективного прийому прийнято рівним 1°.)

в) для індивідуального й колективного прийому з перехресною поляризацією

Графіки (1.13), (1.14) представлені на рис. 1.8, де по осі абсцис відкладені значення /0,5 -

Для прийомних антен ШСЗ і передавальних антен ЗС є аналогічні рекомендації.

Слід зазначити, що міжнародні рекомендації періодично переглядаються. Це підтверджує тенденцію жорсткості вимог до діаграм спрямованості антен супутникового зв'язку.

 Рис.1.8

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

  1.  Які види орбіт супутників використовують у космічному зв'язку?
  2.  У чому складається принцип активної й пасивної ретрансляції у супутникових системах зв'язку?
  3.  Приведіть відмінні риси фіксованих, радіомовних і аматорської супутникових служб.
  4.  Чим визначаються діапазони частот ліній космічного зв'язку?
  5.  Які явища в атмосфері Землі впливають на поширення радіохвиль супутникових ліній зв'язку?
  6.  Який порядок використання радіочастот різними супутниковими службами?
  7.  У чому складається сутність проблеми електромагнітної сумісності  (ЕМС)?
  8.  Роль прийомних і передавальних антен у рішенні проблеми ЭМС.
  9.   Що являють собою довідкові діаграми спрямованості антен космічного зв'язку?

2. Особливості конструкції та характеристики антен супутникового радіозв’язу.

2.1. Електричні параметри, що характеризують якість приймально-передавальних антен

У супутниковій системі зв'язку антени є важливою складовою частиною як земної станції, так і бортового ретранслятора. Їхні властивості характеризуються рядом радіотехнічних параметрів.

Коефіцієнт підсилення антени — відношення потужності на вході еталонної антени до потужності, що підводиться до входу розглянутої антени, за умови, що обидві антени створюють у даному напрямку на однаковій відстані рівні значення напруженості поля або такої ж щільності потоку потужності.

Коефіцієнт спрямованої дії антени — відношення квадрата напруженості поля, створюваною антеною в даному напрямку, до середнього значення квадрата напруженості поля в усіх напрямках.

Коефіцієнт корисної дії антени — відношення потужності радіовипромінювання, створюваного антеною, до потужності радіочастотного сигналу, що підводиться до антени.

Головним фактором, що визначає вимоги до зазначених параметрів антен земних станцій (ЗС), є значна, у кілька десятків тисяч кілометрів, довжина лінії космічного зв'язку.

Додатковим фактором є обмеження припустимого рівня радіовипромінювання бортовою антеною в напрямку Землі, що диктується вимогами електромагнітної сумісності космічних і наземних радіотехнічних систем.

Забезпечити необхідне відношення сигнал-шум на вході приймача в цих умовах можливо лише, застосовуючи антени з високим коефіцієнтом підсилення й використовуючи приймачі з малошумящими вхідними пристроями. А оскільки відношення сигнал-шум пропорційно відношенню коефіцієнта підсилення антени (G) до сумарної шумової температури антени а), фідера (Тф) і вхідних ланцюгів приймача (Тпр), то

відношення G/T, де Т = Та + Тф + Тпр— сумарна шумова температура, уважається також важливим параметром антени. Назвемо зазначене відношення коефіцієнтом якості антени й проаналізуємо причини, що визначають його значення. Прагнучи реалізувати більші значення коефіцієнта якості, необхідно забезпечити

високий коефіцієнт підсилення і

рисе значення сумарної шумової температури.

Розглянемо коефіцієнт підсилення (КП). Чим вище його значення, тим менше повинна бути ширина головного пелюстка; діаграми спрямованості антени. У сучасних антен земних станцій вона складає одиниці градусів і навіть десятки кутових хвилин. Останнє відповідає великим значенням коефіцієнта спрямованої дії (КНД).

де — коефіцієнт використання поверхні антени (КВП);

 — довжина хвилі;

S — площа розкриву антени.

Як видно з (2.1), КНД антени прямо пропорційний площі розкриву антени. У широко застосовуваних на земних станціях супутникового зв'язку дзеркальних антенах максимальний діаметр розкриву досягає 25 і навіть 32 м.

Наявність у діаграмі спрямованості антени бічних пелюстків впливає на КНД антени: зменшує його. Однак головна причина, що змушує приділяти особливу увагу бічним пелюсткам в антенах ЗС, складається в іншому. Справа в тім, що бурхливий розвиток супутникових систем зв'язку що використовують, зокрема, геостаціонарну орбіту, істотно ускладнює електромагнітну обстановку в ефірі, підвищуючи рівень перехресних перешкод між земними станціями і ретрансляторами ШСЗ. Зниження рівня бічних пелюстків є одним з важливих способів підвищення просторової вибірковості при випромінюванні і прийомі радіохвиль. Саме тому вводяться міжнародні обмеження на рівень діаграми спрямованості, що обгинає, антен земних станцій [див., наприклад, вираження довідкових діаграм (1.4) і (1.9)]. Важливо також і те, що радіосигнали, що приходять на вхід приймача через бічні пелюстки, значною мірою визначають рівень власних шумів антени.

Рівень бічних пелюстків істотно залежить від розподілу амплітуди поля в розкриві антени. Звичайне зниження рівня бічних пелюстків досягається зменшенням амплітуди поля в напрямку від центра до краю розкриву антени.

Слід, однак, відзначити, що зазначений нерівномірний розподіл амплітуд супроводжується деяким зменшенням апертурного коефіцієнта використання поверхні антени (КВП) a. Для антени з круглим синфазно збудженим розкривом апертурний КВП

де Е( ,) — функція розподілу амплітуди поля в розкриві антени;

Roрадіус розкриву;

, — поточні координати розкриву.

Оскільки в більшості практичних випадків розподіл поля в розкриві антени можна вважати синфазним і вісьсиметричним, то вираз (2.2) прийме вид:

Вплив реальних амплітудних розподілів на величину апертурного КВП, на рівень першого бічного пелюстка й інші параметри антен із круглим розкривом можна оцінити, наприклад, по табл. 7.1 [1]. Важливо відзначити, що

a приймає максимальне значення, рівне одиниці, тільки у випадку синфазного розкриву з рівномірним розподілом амплітуди поля.

Отже, звертаючи до формул (2.1) і (2.3), слід зазначити, що реалізувати антену з високим значенням КНД і низьким рівнем бічних пелюстків можна збільшенням площі розкриву S. Тут необхідно додати, що чисельне значення сумарного КВП визначається не тільки законом розподілу амплітуди поля по розкриву антени, але і поруч інших факторів, обумовлених конструкцією антени. До цих факторів відносяться:

витік частини потужності опромінювача за краї дзеркала (y),

затінення частини розкриву антени опромінювачем (3),

інтерференція поля антени і поля опромінювача (і),

несинфазність збудження розкриву антени через неточність виготовлення профілю дзеркала (H),

неточність суміщення фазового центра опромінювача з фокусом дзеркала (vф),

астигматизм опромінювача (0),

втрати на кросполяризацію (k) і деякі інші. 

З урахуванням перерахованих факторів КВП антени

Максимально можливі значення окремих співмножників у виразі (2.4) у реальній антені виявляються несумісними. Наприклад, максимальний коефіцієнт підсилення дзеркальної антени відповідає рівномірному розподілові поля в розкриві (a = l), а відсутність витоку потужності опромінювача за межі дзеркала антени практично неможливо при a = 1. Тому для досягнення максимально можливої ефективності приходиться іти на компроміс, що, як відомо, полягає в тому,

що краї антени збуджуються приблизно на 10 дБ нижче, ніж її центр. При цьому добуток ay = = 0,7...0,8. Якщо ж у порівнянні з максимумом КНД більш важливою вимогою є забезпечення високої перешкодозахищеності, то варто опромінювати дзеркало полем, що спадає до країв до нуля. Така ситуація всі частіше виникає останнім часом у зв'язку з ростом числа різних радіослужб. Це змушує пред'являти до антен жорсткі вимоги по побічному випромінюванню, що є в ряді випадків визначальними при виборі типу і схеми антени.

Розглянемо вплив амплітудного розподілу поля в круглому синфазно збудженому розкриві на форму діаграми спрямованості.

Як показують розрахунки, для рівномірного розподілу поля

у головному пелюстку за рівнем -3 дб (20,5) міститься 47% випромененої потужності, а

по нульовому рівні (20)—84%.

У перших трьох бічних пелюстках випромінюється відповідно 7,2; 2,8 і 1,4% потужності.

У багатьох практичних випадках розподіл поля в розкриві досить добре апроксимується параболічним розподілом на п'єдесталі

де = Екр0;

Екр, Е0 поле на краю й у центрі розкриву;

— поточна радіальна координата розкриву.

Для цього розподілу

Характеристики антен з нерівномірним розподілом

Чисельні значення основних характеристик антен при різних представлені в табл. 2.2. Для часто зустрічається на практиці розподілу з п'єдесталом — 10 дб 

у головному пелюстку за рівнем —3 дб міститься 53%, а по

нульовому рівні 95,5% випромененої потужності.

У перших трьох бічних пелюстках випромінюється відповідно 2,3; 0,8 і 0,4% потужності.

Особливий інтерес представляє так зване Бесселевий розподіл на п'єдесталі f(r) = (1)J0(ar)+, де r = /Rо, а — постійна величина. Бесселевий розподіл забезпечує істотне зниження рівнів декількох найближчих до головного бічних пелюстків.

Звичайно в якості а вибирається або нуль функції J0(a)= 0, або нуль її першій похідної J0(ar) = 0. Якщо, наприклад, а = 3,832 (перший нуль функції J0(ar)= 0), то в цьому випадку f(r) = + (1 — ) Jo (3,832r), а рівень поля на краю f(1) = = —0,4027 + 1,4027. Для такого розподілу

Підбором п'єдесталу , а отже, і постійної  можна забезпечити істотне зниження рівня перших бічних пелюстків. На рис. 2.1 приведені залежності рівня чотирьох перших бічних пелюстків від величини [13].

Рис.2.1

Як видно з графіків, при   0,06...0,07 перші бічні пелюстки досить малі. На рис. 2.2 приведений розподіл f(r) = 1/3 + 2 Jo (3,832r)/3, що відповідає = 0,065.

 Рис. 2.2

У цьому випадку апертурний КВП a = 0,607. Діаграма спрямованості, що відповідає такому розподілові, представлена на рис. 2.3.

Як видно, тут при досить високому КВП (a = 0,607) різко знижений рівень перших семи бічних пелюстків (ki,< —46 дБ).

Знизити рівень перших бічних пелюстків можна і при інших представленнях поля в апертурі. Зведення про них приведені, наприклад, у [9, 13, 14].

Вибором закону розподілу збуджуючого поля можна вирішувати й інші практично цікаві задачі. Наприклад,

знайти розподіл поля в розкриві дзеркальної антени, при якому забезпечується мінімум потужності, випромененою антеною в секторі кутів, більшому деякого заданого. Рішення такої задачі виникає при роботі з геостаціонарним ретранслятором з метою зменшення міжсистемних перешкод.

Якщо ж напрямок приходу перешкоди відомо з досить високою точністю (перешкоди з боку визначеного супутника, розташованого на геостаціонарній орбіті), то вирішується задача інтенсивного придушення бічного випромінювання в заданому напрямку й у його околицях. Практичний інтерес можуть представляти антени з низьким рівнем бічних пелюстків у визначеному секторі кутів.

З ростом числа ШСЗ, що знаходяться на геостаціонарних орбітах, можливість взаємних перешкод між системами зв'язку усе більш зростає. Тому підвищені вимоги пред'являють і у відношенні подавлені далеких бічних пелюстків антен земних станцій. Як випливає з вищевикладеного, їхнє зниження може бути забезпечено 

спадом амплітуди збудження розкриву антени. Але існують і інші фактори, що впливають на далеке бічне випромінювання, серед яких найбільш істотні — «перелив» випромінювання опромінювача і дифракція на краях основного дзеркала. Найбільш ефективний і простий спосіб ослаблення впливу цих факторів

використання циліндричних екранів (бленд). Вони розміщаються по контурі розкриву дзеркала (рис. 2.4, а) і дозволяють знизити далеке бічне випромінювання на 5...10 дБ. Подовжній розмір екрана підбирають так, щоб рівень збудження його країв був близький до нуля. Для зменшення бічних пелюстків у передньому півпросторі внутрішню поверхню екрана іноді покривають поглинаючим матеріалом.

Дифракційні поля, що виникають на краю розкриву антени  будучи синфазними, створюють високий рівень поля в напрямку, протилежному головному. Для зниження цього рівня можна дати краям спеціальну форму, при якій дифракційні поля від окремих ділянок країв будуть розфазовані в напрямку, близькому до заднього.

 Рис.2.4

На рис. 2.5 показані можливі форми розфазуючих країв. Аналогічного ефекту можна домогтися застосуванням скошених бленд (див. рис. 2.4, б).

 Рис.2.5

Дифракційне випромінювання країв може бути істотно зменшено, якщо периферійну область дзеркала зробити напівпрозорої. Це досягається її перфорацією рядами отворів, діаметр яких зростає в міру наближення до крайки, як показано на рис. 2.6.

Порівняно простий спосіб подавлення дифракційного поля в задніх квадрантах полягає у використанні додаткових екранів. Форма і число екранів можуть бути всілякими. На рис. 2.7 показані перетини параболічних дзеркал з екранами. В усіх випадках поле в задньому півпросторі формується за рахунок дифракції поля опромінювача на краях екранів. Використання одиночного плоского екрана дозволяє зменшити рівень поля в задньому півпросторі на 8...14 дб, а двох екранів — на 20...25 дб. При цьому точність виконання й установки екранів можуть бути невисокими. Зменшення дифракційної здатності країв дзеркала може бути досягнуто й іншими способами, найбільше повно представленими в [13, 14]

  Рис.2.6

У супутникових системах зв'язку особливу важливість мають поляризаційні властивості дзеркальних антен. Це зв'язано насамперед з можливістю дворазового використання частот, що дозволяє подвоїти число каналів зв'язку, використовуючи в кожній смузі частот хвилі з взаємно ортогональною поляризацією. Умова ортогональності реалізується або у виді двох взаємно перпендикулярних лінійно поляризованих радіохвиль, або у виді двох хвиль із круговою поляризацією: право поляризованої і лівополяризованої. У кожному з цих двох випадків поява кросполяризаційного сигналу буде створювати перехідні перешкоди між сигналами, розділеними по поляризації.

Поляризаційні характеристики поля, випроміненого антеною, знаходяться при аналізі розподілу поля по апертурі. Аналіз показує, що кросполяризаційна складова тим більше, чим менше відношення фокусної відстані до діаметра розкриву рефлектора дзеркальної антени. У будь-якому випадку в двох головних площинах кросполяризаціоні складові поля випромінювання мінімальні. Максимум кросполяризаційного поля має місце в площинах, повернених на 45° до осі симетрії апертурного розподілу. У дзеркальних антен з рупорним або хвильовим опромінювачем кросполяризаційні складові невеликі. Через відсутність симетрії рівень кросполяризаційного поля для дзеркала зі зміщеним опромінювачем відносно високий.

У кращих зразках сучасних вісьсиметричних дзеркальних антен кросполяризація складає —38... — 42 дб.

Дані поради можна використовувати як загальні рекомендації. При проектуванні більшості антенних систем необхідно експериментально визначати рівень кросполяризації.

Можливість дворазового використання частот на основі розв'язки по поляризації обмежена деполяризуючими факторами середовища поширення унаслідок впливу дощу й іоносферних шарів атмосфери. Для хвиль з ортогональними поляризаціями краплі дощу, що мають сплюснену форму, обумовлюють різні ефективні довжини шляхів, що впливає на рівень породжуваного ними кросполяризаційного випромінювання. В іоносфері відбувається поворот площини поляризації лінійно поляризованої хвилі, викликаний ефектом Фарадея. Це приводить до поляризаційних втрат, обумовленим неузгодженістю поляризацій прийнятого поля і прийомної антени.

В антеною системі земної станції забезпечити необхідну розв'язку по поляризації можна, наприклад, за допомогою адаптивної компенсації погіршення розв'язки, викликаної впливом дощу й іоносфери.

2.2. Типи антен земних станцій

Однодзеркальні антени

Вибір типу антени земної станції супутникової системи зв'язку визначається основними вимогами, що полягають у наступному:

мати високий коефіцієнт підсилення (45...55 дБ) при досить великому коефіцієнті використання поверхні (0.6..0,7);

мати мале значення шумової температури ТА = = 20...50 К и низьким рівнем бічних пелюстків, наприклад -25...-30 дб;

забезпечувати наведення лучачи на ИСЗ за допомогою опорно-поворотного пристрою і систем програмного і ручного наведення й автоматичного супроводу;

конструкція антени повинна забезпечувати збереження електричних характеристик і надійну роботу в заданих кліматичних умовах.

Враховуються й інші вимоги, такі, як

необхідність забезпечення низького рівня кросполяризації,

узгодження з трактом живлення в діапазоні робочих радіочастот і т.п.

Найбільше повно всім перерахованим вимогам відповідають дзеркальні антени. Широко відомий і найбільш простий тип дзеркальних антен — вісьсиметричний параболічний рефлектор з розташуванням в його фокусі опромінювачем. На базі такої класичної однодзеркальної антени розроблені різні модифікації, деякі з яких показані в табл. 2.3. У ній представлені приклади симетричних (I) і асиметричних (II) однодзеркальних антен. Зниження бічного випромінювання в антені можна забезпечити, розмістивши по периферії поверхні, що відбиває, поглинаючий матеріал (схема б, табл. 2.3). При цьому розподіл амплітуди поля в апертурі близько до розподілу з нулем на краю дзеркала, що сприяє зниженню рівня бічних пелюстків. Антену з декількома головними пелюстками можна реалізувати, змістивши фазові центри декількох опромінювачей з фокуса параболічного дзеркала перпендикулярно його фокальної лінії (схема в). Як відомо, невеликий зсув опромінювача дозволяє змінити напрямок максимального випромінювання без помітного спотворення діаграми спрямованості. Антена із ширококутовим скануванням без спотворення діаграми спрямованості реалізується на базі дзеркальної антени з сферичним рефлектором (схема г).

Несиметричні типи однодзеркальних антен представлені в табл. 2.3, II антеною з винесеним опромінювачем (схема д), рупорно-параболічною антеною (схема е) і багатопроменевих антен (схема ж, з). Їх загальною позитивною особливістю є більш високе узгодження з трактом живлення. Воно досягається виносом опромінювача з поля відбитої хвилі. Поряд з цим несиметричні типи дзеркальних антен мають підвищений рівень кросполяризації в порівнянні із симетричними, що при роботі на ортогональних поляризаціях є джерелом додаткових перешкод.

Двох дзеркальні антени

В останні роки на земних станціях супутникового зв'язку замість однодзеркальних стали застосовувати двох дзеркальні антени. Такі антени мають ряд достоїнств у порівнянні з однодзеркальними, основними з яких є:

підвищення коефіцієнта використання поверхні розкриву (КВП) за рахунок наявності другого дзеркала, що полегшує оптимізацію, розподілу амплітуд у розкриві основного дзеркала;

зменшення довжини тракту живлення між приймально-передавальною апаратурою й опромінювачем, наприклад, шляхом розміщення апаратури за основним дзеркалом поблизу його вершини;

зниження шумової температури антени за рахунок підвищення ККД тракту зі зменшенням його довжини;

поліпшення конструкції антени, зокрема скорочення подовжніх розмірів, спрощення кріплення лінії живлення й опромінювача;

оптимізація антени за допомогою модифікації форм поверхні дзеркал, що забезпечують близьке до рівномірного розподіл поля в розкриві двох дзеркальної антени при заданої ДС опромінювача.

Двох дзеркальна антена може бути обладнана променевідом, що у високочастотних діапазонах додатково знизить втрати в тракті. Варто мати на увазі і ту особливость двох дзеркальної антени, що зв'язана з «переливом» енергії опромінювача за краї дзеркала. У двох дзеркальній антени він спрямований убік неба, тоді як в однодзеркальної — убік Землі. Це додатково знижує шумову температуру антени.

Як відомо, класичні двох дзеркальні вісьсиметричні антени будують по схемах Кассегрена (рис. 2.8) і Грегори (рис. 2.9).

  Рис.2.8

  Рис.2.9

Принцип дії таких антен полягає в тому, що по методу геометричної оптики сферична хвиля, випромінювана джерелом з фазовим центром, що збігається з одним з фокусів гіперболоіда (або еліпсоїда), у результаті перевідображення від нього перетвориться знову в сферичну хвилю, але з фазовим центром, що збігається з іншим фокусом. Дія параболічного дзеркала полягає в тому, що при збігу його фокуса з фокусом гіперболоіда (або еліпсоїда) сферична хвиля після відображення перетвориться в плоску. Плоский хвильовий фронт перпендикулярний фокальної лінії параболоїда, і, отже, його розкрив збуджений синфазно.

Відзначимо, що антени, побудовані по схемах Кассегрена і Грегорі, при однакових опромінювачах, рівних значеннях D, d, o, 2 (див. рис. 2.10), мають однакові діаграми спрямованості.

Розрахунок двох дзеркальних антен складається з наступних етапів:

1. По заданих параметрах антени визначають геометричні розміри системи й опромінювача.

2. По діаграмі спрямованості опромінювача і геометричним параметрам системи розраховують розподіл поля в розкриві великого дзеркала.

3. По розподілу поля в розкриві великого дзеркала визначають діаграму спрямованості антени й інших електричних параметрів.

Звичайно заданими параметрами можна вважати коефіцієнт спрямованої дії антени і вимоги до бічних пелюстків. Площа розкриву великого дзеркала, а отже, і його діаметр можна визначити з формули (2.1).

Коефіцієнт використання площі розкриву [( виразі (2.1)] у попередніх розрахунках, якщо не обговорено особливих вимог до першого від головного бічним пелюсткам, можна прийняти рівним 0,6...0,7.

Для антен, побудованих за схемою Кассегрена, положення фокуса великого дзеркала вибирають або в площині розкриву, або, якщо потрібно забезпечити мале паразитне випромінювання в напрямку за антену, усередині параболоїда, тобто дзеркало вибирають короткофокусним. Таким чином, о90° (див. рис. 2.10). Відношення діаметра малого дзеркала до великого d/D вибирають приблизно 0,1, виходячи з компромісу між дією допоміжного дзеркала, що затінює, і його впливом на формування необхідної ДН антени.

Лінійний розмір опромінювача вибирають звичайно рівним діаметрові малого дзеркала. По діаграмі спрямованості опромінювача визначають кут 0 з умови

Якщо діаграма спрямованості опромінювача не має осьову симетрію, то це співвідношення виконується в тій площині, де ширина пелюстка опромінювача максимальна.

Тому що профіль більшого дзеркала щодо фокуса визначається рівнянням (2.8)   ,

то D, 0 і F будуть зв'язані співвідношенням (2.13)

По рівнянню (2.8) з врахуванням (2.13) будується профіль параболічного рефлектора.

Рівняння профілю гіперболічного дзеркала щодо фокуса О (див. рис. 2.10):

Рівняння того ж профілю щодо фокуса О1 буде мати вигляд:

де е — ексцентриситет, а р — фокальний параметр гіперболи:

Для радіуса розкриву гіперболічного дзеркала відповідно до рис. 2.10

звідки з врахуванням (2.14) і (2.15) ексцентриситет е виражається через кути розкриву о і 0 у такий спосіб:

Система приведених формул дозволяє визначити всі геометричні розміри двох дзеркальної антени.

Якщо важливою вимогою до діаграми спрямованості антени є низький рівень бічних пелюстків, то до країв параболічного рефлектора необхідно забезпечити більш різкий спад поля, чим це визначається виразом (2.12). Це досягається звуженням діаграми спрямованості опромінювача або зменшенням фокусної відстані параболічного дзеркала.

ОПТИМІЗОВАНІ  Двох дзеркальнІ АНТЕНИ

Вище було відзначено, що для досягнення максимальної ефективності дзеркальної антени потрібно, з одного боку, забезпечити амплітудний розподіл у розкриві, можливо близько до рівномірного, а з іншого боку — різкий спад амплітуди поля на краю дзеркала, щоб зменшити витік потужності, що приводить до втрати підсилення. Близьке до такого розподілу поле може бути отримано двома способами:

1.Доданням діаграмі спрямованості опромінювача спеціальної форми, наприклад додатковим збудження у ньому спеціально підібраних по амплітуді і по фазі хвиль вищих типів, розфазуванням поля в розкриві опромінювача і т.п.

2.Модифікацією поверхні дзеркал: гіперболічного — з метою підйому випромінювання убік країв основного дзеркала; параболічного — з метою компенсації виникаючих при цьому фазових перекручувань.

Найбільше застосування знайшов другий метод. Двухзеркальная антена з модифікованим основним дзеркалом і контрефлектором є основним типом антени, застосовуваним на земних станціях.

Зменшення рівня основного пелюстка поля, випромінюваного апертурою з затіненням у головному напрямку, може бути оцінене за допомогою наступної емпіричної формули:

Погіршення ефективності антени через затінення її розкриву може бути значно. Зниження коефіцієнта спрямованої дії антени досягає 30% і більш. Енергія, розсіяна що затінюють розкривши предметами, направляється в сектор бічного випромінювання і значно погіршує загальну перешкодозахищеність антени. Підвищення рівня бічного випромінювання може скласти 10...20 дБ і більш.

Коефіцієнт підсилення антени G = D. Прийнявши в увагу, що ККД дзеркальних антен досить високий (1), розглянемо коефіцієнт спрямованої дії D. Для двохдзеркальної антени

де S = D0/4 — площf розкриву, v — КВП антени; у децибелах

КВП двох дзеркальної антени визначають аналогічно формулі (2.4) як добуток ряду співмножників, кожний з яких враховує вплив одного якого-небудь фактора: = ay 3 H... .

Крім цього, результуючий КВП двох дзеркальної антени визначають співмножники, що враховують втрати підсилення внаслідок переходу частини випромененої енергії в кросполяризовану складову поля к, втрати внаслідок дифракційного розсіювання поля джерела на крайках дзеркал і на елементах їхнього кріплення va, неточності установки в антені опромінювача і малого дзеркала між собою і щодо великого дзеркала c і ряд інших причин.

Сумарні втрати в коефіцієнті підсилення двох дзеркальних антен відповідають звичайно 0,5...0,6. Методи оптимізації параметрів антен, описані вище, дозволяють помітно збільшити a і n і тим самим підняти до 0,7...0,75.

двох дзеркальні антени , що опромінюються системою дзеркал

Для спостереження за ИСЗ, що знаходиться на еліптичній орбіті, антена земної станції повинна переміщатися по азимуті і куту місця. До останнього часу це забезпечувалося обертанням антени. При цьому передавач залишався нерухомим, а кабіна для приймача жорстко кріпилася до основного дзеркала і поверталася разом з антеною. Зі збільшенням обсягів переданої інформації істотно збільшився обсяг прийомної апаратури станції, розміщення якої в кабіні, що переміщається разом з антеною при її поворотах, стало недоцільно. Крім того, хвильовідні тракти, що з'єднують антену з передавальною апаратурою, вносили значні втрати. Тому останнім часом розробляються антени земних станцій, у яких відсутні довгі хвильовидні тракти. Такі антени обладнають променевідом — системою, що складається з опромінювача і декількох дзеркал, що перевідбивають. Приймально-передавальна апаратура розміщається в нерухомій апаратній під антеною.

Розглянемо принцип роботи променевіда, використовуючи закони геометричної оптики. На рис. 2.12 схематично зображений один з можливих варіантів виконання такої антени. Первинний опромінювач, наприклад рупор Р, установлюється на твердій опорі. Система дзеркал, побудована по перископічному принципі, складається з трьох плоских дзеркал 1,3,4 і невісьсиметричної вирізки з параболоїда обертання 2. Два конфокальних параболічних дзеркала — велике і мале — утворять дзеркальну антену, побудовану за схемою Кассегрена. Сферична хвиля, випромінювана рупором з фазовим центром у крапці О, падає на плоске дзеркало 1 і перетворюється їм знову в сферичну хвилю з фазовим центром у крапці О'. Параболоїд обертання 2 побудований і розташований таким чином, що його фокус збігається з крапкою О', а фокальна вісь О'А рівнобіжна осі симетрії антени ОВ. Звідси випливає, що хвиля, що направляється дзеркалом 1 на параболоїд 2, перетвориться їм у плоску хвилю, що опромінює дзеркало 3. а потім і дзеркало 4. Це останнє дзеркало перископічної системи направляє плоску хвилю на мале дзеркало антени, що у даному випадку має параболічну форму. Відбита від поверхні малого дзеркала хвиля виявляється сферичної з мнимим фокусом у крапці F; ця хвиля трансформується великим параболічним дзеркалом знову в плоску і випромінюється.

  Рис.2.12

У режимі прийому всі описані процеси відбуваються в зворотній послідовності. При обертанні антени навколо азимутальної осі ОВ усі чотири дзеркала променевіда повертаються як єдиний блок, не змінюючи свого взаємного розташування. Оскільки центри плоских дзеркал 1 і 4 розташовані на азимутальній осі і дзеркала нахилені до неї на кут 45°, то при обертанні по азимуті умови опромінення дзеркал перископічної системи й антени не міняються.

Кутомісна вісь проходить через середину дзеркал 3 і 4, а самі дзеркала нахилені на кут 45° до цієї осі. При поворотах антени по куту місця разом з основними дзеркалами повертається тільки дзеркало 4. Тому в даному випадку також зберігаються умови опромінення параболічних дзеркал антени. Таким чином, лучевід при всіх положеннях антени виконує функції хвильовидного тракту. При належному виборі форм, розмірів дзеркал і ретельної їх юстировці втрати, внесені променевідом, малі і не перевищують десятих часток децибела. Для одержання максимально можливого коефіцієнта підсилення антени діаграма спрямованості рупора повинна бути вісьсиметричною.

Аналогічна схема може бути реалізована з використанням антени Кассегрена, у якій мале дзеркало має гіперболічний профіль. У цьому випадку одне з дзеркал 3 або 4 повинно мати параболічний профіль.

Розглянемо основні характеристики двох дзеркальної антени з променевідом «Марко-IV» [15].

Діаметр основного дзеркала 32 м, контррефлектора 2,8 м.

Робочий діапазон 4/6 ГГц. Поляризація поля кругова.

Відношення F/D приблизно 0,35 (кут розкриву близько 140°).

Затінення розкриву основного дзеркала контррефлектором і його опорами 2%.

Коефіцієнт підсилення на частоті 4 ГГц більш 60,5 дБ.

Коефіцієнт якості (G/Т) на частоті 4 ГГц і при куті місця 5° більш 42 дБ.

Межі поворотів антени ±170° по азимуті і 0...900 по куті місця.

Середньоквадратичне відхилення форми поверхні при нормальних робочих умовах (швидкість вітру до 48 км/ч) з поривами до 72 км/год менш 4 10-5 гранично припустима швидкість вітру 193 км/ч. Блокування антени повинне, вироблятися при швидкості вітру 129 км/ч.

Маса на кутомісній осі 121 т, сумарна маса на рейках 243 т. Навколишня температура —30...+50°. Відносна вологість 0... 100%.

Припустимі опади: дощ 100 мм/год; сніг 10 см/год, 30 см/день. Особлива увага приділена матеріалам і обробці поверхонь конструкцій антени для захисту від корозії в зазначених кліматичних умовах з метою досягнення максимального терміну служби.

Поверхню основного дзеркала набирають із трапецієподібних або п’ятикутних панелей, що закріплені на форменому каркасі. Панелі виконані з аркушів алюмінієвого сплаву товщиною 1,6 мм і посилені ребрами жорсткості. Кожна панель має Середньоквадратичне відхилення поверхні не більш 0,5 мм. Зразкові габаритні розміри панелей 1,8X3,3 м.

Контррефлектор має форму модифікованого параболоїда і виконаний з посиленого пластиком фибергласа. Робоча поверхня металізована напилюванням. Опорна конструкція контррефлектора складається з трипоида — трьох сталевих штанг, закріплених на силовому каркасі. Для забезпечення необхідного робочого положення контррефлектора є можливість його поперечних, подовжніх переміщень і нахилу.

Чотирьох дзеркальний променевід складається з ребристого рупора, двох плоских і двох квазіпараболічних дзеркал, що забезпечують опромінення розкрива контррефлектора плоскою хвилею.

Основний опромінювач — ребристий рупор — випромінює вісьсиметричну хвилю зі сферичним фронтом. Перше дзеркало — плоске, воно повертає хвилю на кут 90°, друге — квазіпараболоїдне, забезпечує опромінення розкрива третього (також квазіпараболоїдного) дзеркала сферичною хвилею. Третє дзеркало опромінює розкрив контррефлектора променем із плоским фронтом хвилі. Використання четвертого плоского дзеркала дозволяє одержати симетричну ДН незалежно від робочого кута місця антени. У системі, що опромінює, з променеводом застосовані квазіпараболоїдні дзеркала з відповідним чином підібраною комбінацією їх профілів. Це зроблено для того, щоб кросполя-ризація, породжувана одним з них, компенсувалася іншим. Кросполяризація, породжувана кривизною дзеркала, залежить від його радіуса: чим більше радіус, тим менше кросполяризація. Тому радіуси кривизни двох квазіпараболоїдних дзеркал обрані досить великими, щоб опромінювач міг бути використаний для роботи з розв'язкою по поляризації. Дзеркала променевода виконані з алюмінію; Середньоквадратична помилка виконання поверхні кожного дзеркала щодо розрахункової 0,2 мм.

Ребристий рупор випромінює вісьсиметричний промінь з дуже малими бічними пелюстками. Це дозволяє забезпечити високу ефективність і низьку шумову температуру антени.

Антену з променеводом, зображену на рис. 2.12, можна назвати схемою з «верхнім» розташуванням кутомірній вісі. Якщо ж ця вісь проходить через середину дзеркал 1 і 2, то таку схему називають антеною з «нижнім» розташуванням кутомірній вісі. Для зниження втрат в антені переважніше нижнє розташування кутомірній вісі. У цьому випадку можливі два варіанти компонування: з розташуванням фокальної осі основного дзеркала в площині променевода (рис. 2.13, а) і перпендикулярно до неї (рис. 2.13, б). Другий варіант забезпечує більш компактну конструкцію і має трохи менше вітрове навантаження на кутомістну вісь.

РІЗНОВИДи ДВоХдЗЕРКАЛЬНиХ СИМЕТРИЧНИХ АНТЕН

Крім розглянутих вище перспективних схем двох дзеркальних антен у практиці космічного зв'язку знаходять застосування ряд інших схем. Розглянемо деякі з них [14, 22].

Антена Кассегрена з опромінювачем у виді рупорно-параболічної антени (рис. 2.14). Антена являє собою схему, утворену двома конфокальними параболоїдами 1 і 2, що опромінюються плоскою хвилею, створюваною рупорно-параболічною антеною. Плоска хвиля, відбита допоміжним дзеркалом, виявляється сферичної з мнимим фокусом у крапці ПРО, сполученим з фокусом основного параболоїда. Це дзеркало перетворює сферичну хвилю в плоску і формує діаграму спрямованості антени. Діаметр апертури рупорно-парабо-лического опромінювачя такої антени великий у порівнянні з довжиною хвилі, а допоміжне дзеркало розташоване в ближній зоні опромінювачя. З цієї причини така антена іноді називається антеною Кассегрена з малим дзеркалом у ближній зоні випромінювача.

 Рис.2.14

Такі антени широко застосовують у супутниковому зв'язку, тому що за допомогою обертового зчленування, розташованого в центральної частини рупорно-параболічного опромінювачя, легко забезпечується рухливість антени щодо будинку, у якому розміщене устаткування.

Антена Кассегрена, що харчується складною рупорно-параболічною антеною. Цей тип антени (рис. 2.15) був розроблений для розміщення малошумящих приймачів і іншого устаткування в стаціонарному положенні. Круглий хвилевід, встановлений у підставі рупорного випромінювача, працює в многомодовом режимі. Поява небажаних вищих типів хвиль у такому хвилеводі може привести до погіршення діаграми спрямованості антени.

 Рис.2.15

Обидві антени використовують на земних станціях супутникового зв'язку Японії, ФРН, Мексики й інших країн.

Антена Кассегрена, що харчується двухрефлекторным променевим хвилеводом (рис. 2.16). У цьому типі антени променевий хвилевід із двома фокусирующими рефлекторами і конічним рупором використовують як випромінювач для одержання поліпшених робочих характеристик, без погіршення діаграми спрямованості через появу вищих типів хвиль у вигині круглого хвилеводу, використовуваного в попередній схемі.

 Рис.2.16

Як видно з рис. 2.16, ця антена має несиметричну форму стосовно азимутальної осі. Таку антену невигідно використовувати з апертурою великого діаметра, тому що через асиметрію виникає механічна незбалансованість. Антена такого типу встановлена на експериментальній станції супутникового зв'язку в Японії.

Конструктивна асиметрія антени легко усувається застосуванням променевіда з чотирма рефлекторами (див. рис. 2.12). У двухрефлекторной схемі променевіда обоє дзеркала можуть бути параболоидными або — одне параболоидное, а інше плоске; у четырехрефлекторной схемі — два дзеркала параболоидные і два плоскі або одне параболоидное і три плоскі. У залежності від цього контррефлектор опромінюється або сферичної, або плоскою хвилею і має форму гиперболоида або параболоїда.

Дзеркальна антена з подвійною кривизною (тороидальная антена). Така антена діє за принципом, що відрізняється від принципів дії всіх розглянутих вище антен. На рис. 2.17 показана схема тороидальной антени. Форма рефлектора являє собою так називаний «тор», тобто перетин антени в площині, що проходить уздовж геостаціонарної дуги, являє собою дугу окружності, у той час як поперечний переріз в ортогональній площині — парабола. У такій схемі положення лучачи при зв'язку із супутником, що знаходиться на геостаціонарній орбіті, змінюється переміщенням тільки активного опромінювачя без повороту основного рефлектора, подібно тому, як це відбувається в сферичній дзеркальній антені. Антена призначена для спостереження за квазістаціонарними супутниками, що знаходяться на екваторіальних орбітах, і легко забезпечує переключення лінії зв'язку з одного супутника на інший, поруч розташований.

 Рис.2.17

Двухзеркальная антена з розташуванням малого дзеркала в ближнім полі випромінювача. Усі розглянуті симетричні схеми двухзеркальных антен відрізняються тим, що у фідерному тракті, що з'єднує антену з апаратурою, не забезпечується режим хвилі, що біжить. Це відбувається через те, що частина перевідбитого контррефлектором поля перехоплюється опромінювачем і у виді відбитої хвилі надходить у тракт. Від цього недоліку вільна антена, схема якої отримана шляхом послідовної трансформації профілю рупорно-параболиче-ской антени до симетричної схеми (рис. 2.18). В остаточному варіанті схеми (рис. 2.18, г) у вершині допоміжного дзеркала встановлюється конус. Підбором його геометрії (кута розчину, подовжнього розміру) можна помітно послабити відбиту від малого дзеркала хвилю, що попадає в опромінювачь, і тим самим поліпшити узгодження. Одночасно трохи зростає апертурний КВП. Антени, виконані за такою схемою, звичайно робляться короткофокусними.

 Рис.2.18

Двухзеркальная антена зі зміщеною фокальною віссю. Попередня антена є узкополосной або вимагає ускладнення схеми компенсації відображень при розширенні робочої смуги частот. Як показує аналіз [14], можна побудувати двухзеркальную симетричну антену, у якій ефект затінення буде відсутній. У схемі такої антени фокальна вісь параболи, що є утворюючого основного дзеркала, не збігається з віссю симетрії. Аналогічно двом класичним схемам (Кассегрена і Грегори) можна побудувати дві основні схеми антен зі зміщеною фокальною віссю.

У схемі з еліптичної утворюючого малого дзеркала (рис. 2.19) фазовий центр Об рупори, що випромінює сферичну хвилю, розташований на осі симетрії антени АА. Фокальна вісь ВВ параболи BQ, що утворить поверхня основного дзеркала, зміщена паралельно осі АА. Параболі BQ з фокусом у крапці Fn противолежит така ж симетрична парабола В'' з фокусом у крапці F'n. У просторі фокуси парабол розташовуються на фокальному кільці з діаметром d. Слід цього кільця в площині малюнка позначений крапками Fn і F'n. Фокус параболи Fn і фазовий центр рупора Про вибираються як фокуси еліпса, обертанням відрізка якого навколо осі симетрії утворена поверхня малого дзеркала (еліпс показаний штриховою лінією). З усіх можливих еліпсів у якості утворюючий профіль малого дзеркала береться такий, у якого крапка перетинання з віссю симетрії Т лежить на одній прямій з фокусом параболи Fn і краєм основного дзеркала Q. Цьому еліпсові відповідає визначене значення ексцентриситету е при заданому положенні крапки О.

Побудовані в такий спосіб поверхні основного і допоміжного дзеркал являють собою частини конфокальних поверхонь обертання. Сполучені фокальні кільця цих поверхонь мають внутрішній діаметр d, що збігається з діаметром малого дзеркала. На осі симетрії мале дзеркало має злам типу конічного вістря.

  Рис.2.19

Розглянемо хід променів в антені. Промені рупора, що є джерелом сферичної хвилі, падаючи на поверхню малого дзеркала, збираються у фокусах Fn і F'n. Ці крапки можуть розглядатися як крапкові джерела (у площині малюнка), що опромінюють параболи з фокальними осями ВВ і В'В' відповідно. Отже, у розкриві великого дзеркала утвориться синфазний хвильовий фронт із напрямком поширення, що збігає з віссю симетрії. Щоб виключити повернення частини променів у рупор після їхнього відображення від малого дзеркала, його

розмір варто обмежити діаметром d. У цьому випадку параболоїд плоностью висвітлюється полем, відбитим від малого дзеркала, від початкового кута г|з = Про до граничного кута розчину \|) = фо- Описана схема скорочено позначається АДЭ (антена двухзеркальная з еліптичної утворюючого малого дзеркала і зміщеною параболічною віссю великого).

Розглянуті особливості схеми АДЭ обумовлюють наступні позитивні властивості таких антен:

усунення реакції опромінювачя на перевідбите малим дзеркалом поле внаслідок розташування опромінювачя в необлуча-емой області (Слід зазначити, що через дифракційні ефекти на вістрі і крайках малого дзеркала повного усунення реакції не відбувається, однак кількісний внесок цих ефектів істотно менше, ніж у звичайних антенах Кассегрена і Грегори.);

відсутність енергії, що вдруге попадає на мале дзеркало після відображення від великого, зменшує втрати на затінення, принаймні вдвічі в порівнянні з класичними схемами;

внаслідок інверсії поля в результаті відображення від еліптичного контррефлектора забезпечується перекидання енергії з відповідної центральної частини діаграми спрямованості первинного випромінювача на периферію основного дзеркала і навпаки, що веде до підвищення рівномірності амплітуди поля в розкриві і більш крутому спадові на його крайці;

можливість близького взаємного розташування рупора і малого дзеркала дозволяє зменшити діаметр останнього і спростити конструкцію його кріплення;

застосування расфазированного рупора, що має мало мінливу зі зміною частоти діаграму спрямованості, забезпечує роботу антени в широкому діапазоні частот при збереженні високого КВП.

Аналогічно будують антену зі зміщеною фокальною віссю, у якої утворюючого малого дзеркала є гіпербалу. Вона позначається АДГ. Слід зазначити, що в антені АДГ, на відміну від антени АДЭ, не забезпечується істотного поліпшення розподілу амплітуд у розкриві великого дзеркала. Крім того, антена АДГ у значно меншому ступені зменшує неузгодженість з живильним хвилеводом. Ці особливості схеми АДГ роблять її трохи менш перспективної в порівнянні зі схемою АДЭ.

АСИМЕТРИЧНІ ДЗЕРКАЛЬНІ АНТЕНИ

Асиметричні дзеркальні антени реалізуються як антени з винесеним опромінювачем. У такій схемі усувається затінення контррефлектором, опромінювачем і опорами, що принципово забезпечує при великому КВП низькі рівні далеких бічних пелюстків ДН. У таких антенах відсутні обмеження розмірів контррефлектора, що дозволяє сформувати ДН системи, що опромінює, із крутими спадами в напрямках на краї основного дзеркала.

Початком створення антен з винесеним опромінювачем можна вважати розробку відкритої антени Кассегрена. Вона дозволяє уникнути втрат енергії випромінювання через затінення апертури допоміжним відбивачем, як це має місце в звичайній антені Кассегрена. Як видно з рис. 2.20, особливістю цієї антени був опорно-поворотний пристрій (ОПУ) з неортогональними осями поворотів: площина обертання регулювання кута узвишшя нахилена під кутом 45° до обрію. При малих кутах узвишшя схема забезпечує низький рівень шуму, тому що енергія, що не перехоплюється малим дзеркалом, направляється в область великих кутів узвишшя.

  Рис.2.20

Удалим варіантом антени з винесеним опромінювачем є рупорно-параболічна антена (РПА). Антена (рис. 2.21) являє собою несиметричну вирізку трапецеидальной форми з параболоїда обертання, що опромінюється рупором. Рупор і дзеркало утворять єдину конструкцію. У РПА відбиті від дзеркала хвилі не розсіюються на опромінюваче й елементах його кріплення, не попадають у живильну лінію. Єдина конструкція антени до того ж багато в чому усуває істотний недолік параболічних антен, що полягає в тім, що частина енергії опромінювачя проходить повз дзеркало і зменшує їхня ефективність.

Рекомендації з вибору конструктивних розмірів і формули для розрахунку електричних характеристик можна знайти в [13, 14].

Основний конструктивний недолік РПАвеликі габаритні розміри. Існує ряд модифікацій антени зі зменшеними розмірами конструкції. На рис. 2.22 показана РПА з інверсованим рупорним опромінювачем. Тут завдяки додаванню допоміжного рефлектора фокус рупорного випромінювача переміщається в центр основного рефлектора. Антени цього типу з 14- метровим діаметром розкриву використовують у деяких проектах NASA земних станцій «Аполлон». Іншою модифікацією є тричі складена РПА, схема якої показана на рис. 2.23. При порівняно компактних габаритах така антена за счет багаторазових відображень має досить високий рівень бічних пелюстків. Цей тип антени практично не використовується на ЗС.

  Рис.2.22

Серед двухзеркальных систем зі зміщеним опромінювачем у


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69364. Економічна інформація та засоби її формалізації 70.5 KB
  Характеристика засобів формалізованого опису економічної інформації До числа основних засобів формалізованого опису елементів економічної інформації в ІС відносяться класифікація і кодування означених номенклатур по яким здійснюється упорядкування пошук та логічна обробка...
69365. Характеристика технологічних операцій та технологічних процесів оброблення економічної інформації 56.5 KB
  Методи контролю достовірності набору інформації. Головне для розподілу дій на окремі операції це їх логічне завершення яке веде до конкретного результату: нового носія інформації нового масиву файлу змінах у значеннях окремих атрибутів і т.
69366. Логика, краткий конспект лекций 863 KB
  Мышление неразрывно связано с познанием, которое представляет собой процесс приобретения человеком в ходе общественно-исторической практики истинных знаний об объективном мире. Познание как отражение действительности - весьма сложное многогранное явление.
69367. Безопасность жизнедеятельности, краткий курс лекций 1.15 MB
  Изучение дисциплины «Безопасность жизнедеятельности» обусловлено наличием непрерывного воздействия на человека внешних потоков веществ, энергии и информации, которые часто превышают допустимые уровни. Каждый специалист должен уметь идентифицировать опасные и вредные факторы, знать нормативную базу и возможные средства защиты.
69368. Учение о наказании, курс лекций 1.01 MB
  В работе изложены основные определения и категории Общей части уголовного права, относящиеся к понятиям наказания и системы наказаний, целям наказания, отдельным видам наказаний, видам исправительных учреждений для лишенных свободы, общим началам и отдельным правилам назначения наказания
69369. Муниципальное право России, курс лекций 1.68 MB
  Муниципальное право – динамично развивающаяся отрасль российского права. Реформа местного самоуправления, проводимая в настоящее время в Российской Федерации, требует постоянного внимания к изменениям законодательства и практики совершенствования муниципальной системы.
69370. Електронні обчислювальні машини (ЕОМ), курс лекцій 612.5 KB
  Мета дисципліни - дати студенту знання принципів конструювання, засобів виробництва і рішення основних завдань конструювання ЕОМ, прищепити студенту навики розробки конструкції і технології її виготовлення на основі процедур синтезу, аналізу і оптимізації. Конструювання є завершальним етапом процесу проектування ЕОМ і полягає в фізичній реалізації прийнятих схемотехнічних рішень.
69371. Формообразование изделий из металлических порошков 204.5 KB
  Проблема нерівномірності розвитку країн світу. Під глобалізацією світового господарства розуміють процес посилення взаємозв’язку національних економік країн світу що знаходить своє вираження в утворенні світового ринку товарів і послуг фінансів; становленні глобального...
69372. Исследование работы ЖГДМ 114.55 KB
  Накопители информации - устройство записи, воспроизведения и хранения информации, а носитель информации - это предмет, на который производится запись информации (диск, лента, твердый носитель). Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.