Раздел 3. Спутниковые и радиорелейные системы радиосвязи

• Название: Спутниковые и радиорелейные системы радиосвязи
• Дата: 13.12.2022
• Размер: 1.35 Mb.
• Имя файла: Раздел 3.docx
• Тип: Документы; #843934
• страница: 4 из 4

Параболические антенны (ПА). В симметричной ПА (рисунок 3.36а,б) форма отражателя симметрична относительно фокальной оси. Облучатель оказывается в поле плоской волны. Часть энергии последней возвращается к облучателю, попадает в волновод и нарушает его согласование с антенной. Кроме того, облучатель и волновод затеняют раскрыв антенны, снижая ее КИП и ухудшая ее направленные свойства. Для улучшения согласования ПА устанавливают металлический диск 5 (рисунок 3.36б) на некотором расстоянии r от зеркала 1. Диаметр диска d и расстояние r подбирают такими, чтобы волны, переизлученные диском и зеркалом, у облучателя оказались в противофазе и компенсировали друг друга. Такая компенсация возможна только в узкой полосе частот, в пределах 0,1f, так как d и r зависят от f. Угол раскрыва параболического зеркала 2Y ₀ (рисунок 3.36б) выбирают близким к p , что позволяет реализовывать k_з(q ) = 45…50дБ. При меньших углах раскрыва возрастает излучение рупора за кромку зеркала и падает k_з. Его повышают, устанавливая металлические защитные экраны 4 (рисунок 3.36б) в виде цилиндрических насадок на кромку зеркала. В таких улучшенных антеннах получают k_з(q ) = 55…70дБ. Коэффициент использования поверхности ПА около 0,5; диаметр зеркала 1…5м. Осесимметричные ПА достаточно просты в изготовлении и сравнительно недороги.

Отражатель неосесимметричной ПА (рисунок 3.36в) не имеет симметрии относительно фокальной оси MN. Рупор оказывается вне поля плоской волны, переизлученной зеркалом. Поэтому у такой антенны согласование облучателя с волноводом много лучше, чем у осесимметричной и она имеет более широкий диапазон. Угол раскрыва зеркала неосесимметричной ПА не велик. Это снижает ее защитное действие. Для повышения kз устанавливают дополнительные экраны. На отечественных РРЛ применяют неосесимметричные антенны с круглым раскрывом диаметром 1,1 и 1,5 м типа АНК-1,1 и АНК-1,5. Зеркало представляет собой вырезку из параболоида вращения цилиндром. К нижней части зеркала присоединен металлический экран, улучшающий защитное действие антенны. Облучатель выполнен на основе рупора с изломом образующей и закрыт крышкой из радиопрозрачного материала. Для каждого рабочего диапазона антенну комплектуют своим облучателем. Коэффициент усиления АНК-1,1 меняется от 31 (4ГГц) до 40,6дБ (11ГГц); для АНК-1,5 соответственно от 33,6 до 43 дБ; КИП составляет 0,6…0,7. Защитное действие в диапазонах 4 и 11 ГГц в секторе углов180± 45⁰ не хуже 53 и 70 дБ. Благодаря наклону зеркала на рабочей поверхности почти не скапливаются осадки. Поэтому антенны можно эксплуатировать без чехла для укрытия зеркала. Эти антенны при соизмеримых с осесимметричными ПА габаритах, массе и стоимости имеют более низкий уровень гарантированных огибающих боковых лепестков.

Двухзеркальныеантенны. У них облучатель состоит из двух элементов (рисунок 3.37) рупора 1 и вспомогательного зеркала 2 (контррефлектора). Фазовый центр рупора совмещен с одним из фокусов F₁ контррефлектора, а фокус параболического отражателя 3 – со вторым его фокусом F₂. Параболическое зеркало излучает так, будто облучатель расположен в фокусе F₂.

Антенна двухзеркальная гиперболическая (АДГ) имеет гиперболическое вспомогательное зеркало (рисунок 3.37а). Хотя рупор и вынесен из поля плоской волны, но часть лучей, отражаясь от гиперболического зеркала, возвращается в рупор. Это ухудшает согласование рупора с фидером и снижает диапазон АДГ, хотя и в меньшей степени чем ПА. Кроме того, контррефлектор и элементы его крепления затеняют раскрыв и снижают КИП. В АДГ получают k_и = 0,45…0,5 и k_з(q )= 65дБ при углах раскрыва 180⁰.




Рисунок 3.37 – Схемы двухзеркальных антенн с гиперболическим (а)

и эллиптическим (б) контррефлекторами

Антенна двухзеркальная эллиптическая (АДЭ) имеет вспомогательное зеркало 2 в форме конуса, образующая которого представляет собой часть эллипса (рисунок 3.37б). Один из фокусов эллипса F₁ лежит на оси симметрии антенны АВ. Геометрическое место фокусов F₂ образует фокальное кольцо диаметром d. Параболическое зеркало состоит из двух симметричных частей. Их фокальные оси MN смещены относительно АВ на 0,5d. Вершина конуса 2, фокус F₂ и точки кромки зеркала 3 лежат на одной прямой. Лучи, отраженные от эллиптического зеркала, на попадают в рупор, что обуславливает широкий диапазон АДЭ. Эллиптическое зеркало направляет центральные лучи рупора на периферию параболического отражателя, а крайние лучи (их амплитуды ниже) – к центру. Распределение амплитуды поля в раскрыве антенны становится более равномерным, чем у АДГ. Это позволяет получить k_и = 0,6…0,65. Повышению КИП способствует отсутствие металлических тяг крепления конррефлектора. Последний соединяют с рупором в неразборный герметический блок путем заливки пространства между ними пенополиуретаном, который также предохраняет облучатель от осадков. Высокое защитное действие (не хуже 65 дБ) обеспечивают выбором Y 0 =210⁰ и установкой дополнительных экранов. К кромке зеркала крепят цилиндрическую насадку, внешний срез которой меняется по специальному закону. Кроме того, ставят металлические кольца с тыльной стороны отражателя. При одинаковом с РПА усилении антенны типа АДЭ имеют меньшую массу и габаритные размеры. Так, например, антенна диаметром 3,5 м (АДЭ-3,5) в диапазоне 6 ГГц обеспечивает g=43,5 дБ, но имеет массу в 3 раза меньшую, чем РПА-2п-2. Ее высота с экраном 3736 см. Применен расфазированный рупор с плавным переходом, обеспечивающий работу АДЭ-3,5 в смежных диапазонах 4 и 6 ГГц, и сменный облучатель для диапазона 2 ГГц. Промышленность выпускает ряд двухзеркальных эллиптических антенн: АДЭ-1; АДЭ-3,5; АДЭ-5; АМД-2,5 и др.

На радиорелейных и спутниковых линиях связи применяют приемопередающие направленные антенны. Поле излучения антенны формируется в пространстве на некотором расстоянии от антенны, в так называемой дальней зоне. В этой зоне амплитуды векторов электрического Е и магнитного полей Н убывают пропорционально расстоянию от антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны равен отношению квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном направлении, к среднему квадрату напряженности поля по всем направлениям. Обычно антенну характеризуют значением КНД в главном направлении D. Если приводят значения КНД в других направлениях, то их записывают вместе с указанием угла q , т.е. в виде D(q). Угол q отсчитывают относительно главного направления. Нормированный КНД


Квадрат напряженности поля антенны пропорционален мощности излучения, следовательно, (q) характеризует угловое распределение этой мощности.

Диаграмма направленности (ДН) антенны – это графическое представление F(q) в заданной плоскости. Для антенн измеряют ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью вектора Е поля излучения, а другая – с плоскостью вектора Н. Такая пара ДН дает полное пространственное представление о направленных свойствах антенны. Лепесток ДН, соответствующий q =0, называют главным, лепесток в направлении q =180° – задним, остальные – боковыми. Приближенно ДН оценивают шириной главного лепестка по половинной мощности 2q _0,5 (уровень минус 3 дБ) и шириной по минимуму поля 2q ₀.

Коэффициент полезного действия антенны h _А равен отношению мощности излучения к мощности радиочастотного сигнала, подводимого к антенне. Для антенн СВЧ диапазона h _А»1

Коэффициент усиления антенны G показывает, во сколько раз придется увеличить подводимую мощность, если данную направленную передающую антенну заменить ненаправленной, при условии, что напряженность поля в точке приема не изменится. Коэффициент усиления характеризует способность передающей антенны сконцентрировать основную часть излучаемой мощности в главном направлении, которая получила название эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ)
,
где Р_п – мощность передатчика; h _п – КПД передающего фидера.

Принято указывать коэффициент усиления в децибелах, т.е. g = 10lgG. Коэффициент усиления антенны в любом направлении, отличном от главного, приводят вместе с указанием угла ДН, т.е. в виде g(q ).

Эффективная площадь приемной антенны S_э равна отношению максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной в согласованную нагрузку, Р_А к плотности потока мощности сигнала у антенны w , т.е. S_э=Р_А w. Эффективная площадь характеризует способность антенны принять основную часть приходящей мощности, в то время как коэффициент усиления характеризует аналогичное качество передающей антенны. Эти передающей антенны. Эти величины связаны между собой соотношением
G=4π S_э/λ ² ,
где λ - длина волны.

В диапазоне СВЧ применяют антенны, в которых поле излучения формирует отражающая поверхность (например, параболическое зеркало). Для таких антенн

S_э=Sk_н
где S – площадь раскрыва (апертуры); k_н– коэффициент использования поверхности (КИП); у лучших антенн КИП около 0,7.

Защитное действие антенны k_з характеризует ее способность ослаблять помеху с частотой сигнала, приходящую с направлений под углами q =90…270° , т.е. с заднего полупространства. Защитное действие антенны при q =180° оценивают по уровню заднего лепестка k_з = g-g( 180° ). При других значениях q - по уровням боковых лепестков k_з(q ) = g-g(q _б), где q _б – угол, соответствующий максимуму бокового лепестка ДН. По значениям k_з(q ) строят гарантированную огибающую боковых лепестков ДН. Антенны РРЛ, работающие по двухчастотному плану, принимают с заднего полупространства сигнал соседней станции, который может вызвать переходные шумы в каналах. Чтобы обеспечить незначительную мощность этих шумов необходимы антенны у которых k_з(q ) 65 дБ.

Диапазон антенны – это диапазон частот, в котором параметры антенны остаются в заданных пределах. Для антенн магистральных РРЛ он должен составлять 400…500 МГц, поскольку на одну антенну часто работают все четные (нечетные) стволы системы. В некоторых случаях антенны могут работать в смежных диапазонах частот, например 4 и 6 ГГц.