Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.3.3

Главныйлепестокхарактеризуетсяобычноширинойпополовинноймощности

5.0

Q иширинойпонулям

Q .Ширина

5.0

Q определяетсяизДНнауровне0,707(или

науровне —3дБ,..еслипоследняяпостроенавлогарифмическоммасштабе).Уро

веньотсчетавзятисходяизтого,чтомощностьнауровне0,5инапряженностьполя

науровне0,707связанымеждусобойсоотношением 5.0//

2

max

2

707.0max5.0

= = EEPP .Зна

чения

Q и

5.0

Q показанынарис3.4

Рис.3.4

Коэффициентнаправленного действия КНД    характеризует    способность

антенныконцентрироватьизлученноеэлектромагнитноеполевкакомлибонаправ

лении,представляетсобойотношениеплотностипотокамощности,излучаемогоан

теннойвданномнаправлении,кусредненнойповсемнаправлениямплотностипо

токамощности.

Другимисловами,приопределенииКНДданнаяантеннасравниваетсясвооб

ражаемой абсолютно ненаправленной или изотропной (точечной) антенной, излу

чающейтужемощность,чтоирассматриваемая.Очевидно,чтодляизотропнойан

тенны

)*4/(

2

rPП

=

,где

S

P –излучаемаямощность,r–расстояниедоантенны.

Заметим,чтоКНДтембольше,чемужеглавныйлепестокДНичемменьше

относительныйуровеньбоковыхлепестков.Дляапертурныхантенн

2

.

/4

l p



aиспдн

Skk =

(3.3)

гдеS

a

—площадьраскрываантенны;

исп

k коэффициентиспользованияизлучаю

щейповерхностиКИП.

ЗнаяКНД,можноориентировочноопределитьширинуглавноголепесткаан

тенны.Убольшинстваантеннрадиорелейныхиспутниковыхсистемпередачиши

ринаДНпополовинноймощности ввертикальнойплоскостипримерноравнаши

ринедиаграммывгоризонтальнойплоскостии

днисп

kk

.5.0

/225 » Q

(3.4)

ПосколькуКНДнеучитываетКПДреальнойантенны,напрактикепользуют

ся параметром, называемымкоэффициентом усиления КУ,который связан с КНД

соотношением

днa

kG

= . Здесь

 =

S

P /

0

P – КПД антенны; P

0

подводимая к ней

мощность.

Коэффициентусиления показывает,во сколькоразследует уменьшитьмощ

ность,подводимуюкантеннепосравнениюсмощностью,подводимойкто

чечной  (абсолютно   ненаправленной), КПД которой считается равным единице,

чтобынапряженностьполявточкеприемаоставаласьнеизменной.Таккаквдиапа

зонесантиметровыхволн 1 »

 точастопринимают

дн

kG

= .Отсюдакоэффициент

усилениядляантеннагентурноготипаможнорассчитатьпо(3.3)

КоэффициентзащитногодействияКЗДвводитсядляхарактеристикистепени

ослабленияантеннойсигналов,принятыхспобочныхнаправлений,ирассчитывает

сяпоформуле

побдз

GGK /

max.

=

,гдеG

max

иG

поб

—коэффициентыусиленияантен

нывнаправленииглавноголепесткаДНивпобочномнаправлении.Прииспользо

ваниинаРРЛдвухчастногопланатребуетсяК

з.д

³65...70дБ.ТакжеваженКЗДдля

обеспеченияэлектромагнитнойсовместимостирадиосистем.

Антеннаможетприниматьколебанияивтомслучае,когдаееполяризацияне

совпадаетсполяризациейпередающей.Нарис.3.4показанаштриховойлиниейти

пичная кроссполяризационная (т. е. по перекрестной поляризации) ДН. Разность

между коэффициентами усиления в децибелах в направлении главного лепестка

диаграммыантенныприрабочейиортогональнойполяризацияхназываетсяполяри

зационной развязкой. Ослабление поля перекрестной поляризации при приеме с

главногои близкихкнемунаправленийутиповыхантенн составляетнеменее22

дБ,достигая30дБ.

Подполосойпропусканияилирабочимдиапазономантенныпонимаютинтер

валчастот,вкоторомширинаглавноголепесткаДНиуровнибоковыхневыходят

из заданных пределов, коэффициент усиленияостаетсядостаточно высоким, а со

гласованиесфидернымтрактомсущественнонеухудшается.Так,всантиметровом

диапазоневолнполосапропусканияантенны15...20%отсреднейчастоты.

Длясниженияпереходныхшумоввканалахиззаналичияпопутногопотокав

АФТкоэффициентотражениявточкесоединенияантеннысфидеромдолженбыть

мал.В современных системах передачи стараются получитькоэффициент стоячей

волныКСВниже1,1...1,2.

Параметрыпередающейантеннымогутбытьотносительнопростовычислены

илиизмерены.Дляопределенияосновныхсвойствприемныхантеннобычнополь

зуютсяпринципомвзаимности,которыйпозволяетопределитьпараметрыприемной

антенны, если известны параметры при работе этой же антенны в качестве пере

дающей. Сущность принципа взаимности заключается в следующем. Радиоканал,

состоящийизпередающейантенны,трактараспространения(прилинейностииизо

тропностисреды)иприемнойантенны,можнорассматриватькакпассивныйлиней

ныйчетырехполюсник.Если втаком четырехполюсникепоменять местами источ

никЭДСинагрузку,т.е.сделатьприемнуюантеннупередающей,апередающую—

приемной,топараметрысистемынеизменятся.

3.3.Антенныеустройства

Общиесведения.Врадиорелейныхсистемахпрямойвидимости,тропосфер

ныхиспутниковыхсистемахпередачииспользуетсядостаточнообширныйпаркан

тенн.Применяемыевэтихсистемахантенныможноподразделитьнаапертурныеи

осевогоизлучения.Капертурнымотносятсяоднозеркальныеидвухзеркальныепа

раболические,рупорнопараболическиеирупорнолинзовыеантенны,перископиче

скиеантенныесистемыипассивныеретрансляторы.Кантеннамосевогоизлучения

относятсядиректорныеиспиральныеантенны.

Параболическая антенна ПА состоит из облучателяи выполненного из алю

миниевыхсплавов(либоизметаллизированногостеклопластика)отражателявфор

мепараболоидавращения(илиегочасти).Вкачествеоблучателейобычноисполь

зуютсярупоры (приподаче питанияповолноводу)либо полуволновыевибраторы

(прикоаксиальнойфидернойлинии).

Рис.3.5

Конструкцияоблучателятакова,чтоонизлучаетволны,формафронтакото

рых близка к сферической. Параболический отражатель преобразует сферический

фронт волны в плоский, что предопределяет узкую ДН антенны. Существуют ан

тенныдвухвидов:осесимметричныеиосенесимметричные.Схемаустройстваосе

симметричнойПАпоказанарис.3.5.Здесь1—параболическоезеркалодиаметром

D;2—излучающийрупор;3—волновод;Офокуспараболоидавращения;

Á

–фо

кусноерасстояние.Идущая всторонузеркаласферическаяволнаотражаетсявна

правлениираскрываантенны.Посколькуфокуспараболоидасовпадаетсоблучате

лем, расстояния, проходимые составляющими волнами, одинаковы

(ОАВ=OA

=…=OA

) и на выходе антенны получается синфазный (плоский)

фронтволны.ЧембольшедиаметрDотражателяпосравнениюсдлинойволны,тем

вышенаправленностьантенны.Приэтомширинадиаграммынаправленности,град:

D/70

5.0

» Q . Коэффициент усиления антенны может быть рассчитан пo (3.3), где

дляПАберетсяk

исп

=0,5...0,7.

Рис.3.6

ДостоинствомПАявляютсяотносительнаяпростотаималаястоимость.Кне

достаткамотносятсянизкийКЗД(30...48дБ),сложностьполученияхорошегосогла

сованиясфидером,атакжетрудностьиспользованияихдлясовместнойработыне

скольких систем.Согласование с фидером и КИП антенны можно повысить, если

вынестиоблучатель2запределыраскрываотражателя1,какпоказанонарис.3.6В

этомслучаеоблучательифидернезатеняютотражающегозеркала.Такаяантенна

называетсяосенесимметричнойПА.

Осенесимметричные ПА в основном нашли применение на тропосферных

РРЛ. Отражающее зеркало у таких антенн по конструктивным соображениям вы

полненоввидеусеченного параболоидавращениясосторонами20X20или30X30

м,приподнятогонадповерхностьюЗемлина10...20м.Вдиапазонечастотоколо1

ГГцониимеюткоэффициентыусиления,соответственноравные44и47дБ.

Впоследнеевремятакиеантеннынашлиприменениевспутниковыхсистемах

передачи.

ДляулучшениянаправленныхсвойствиувеличенияКЗД(до55..70дБ)впа

раболическихантеннахприменяютсяцилиндрическиеэкраны,устанавливаемыепо

периметруотражателя,иулучшаютсяпараметрыоблучателя.

Прииспользованииволнсортогональнойполяризациейоблучающийрупордолжен

иметьквадратноесечение.Есливкачествеоблучателейприменяютсяполуволновые

вибраторы,тоонирасполагаютсяперпендикулярнодругкдругу.

Двухзеркальная антеннаДЗАсостоитизосновного параболическогои вспо

могательного зеркал и излучающего рупора. Существуют два основных варианта

ДЗА:простыеисосмещеннойфокальнойосью.

Рис.3.7

ПрипростойДЗА (рис.3.7)в качествепромежуточногоиспользуетсяги

перболическоезеркало3,откоторогоотражаютсяволны,исходящиеизру

пора2,внаправлениипараболическогорефлектора 1.Такаяантеннаполу

чила  названиеантенна двухзеркальнаяс гиперболическиммалым зеркалом

АДГ.Гиперболическоезеркалоимеетдвафокуса

Á и

Á .Антеннавыполняетсята

кимобразом,чтобыфокус

Á совпалсфокусомпараболическогорефлектораО,а

мнимыйфокус

Á —сцентромизлучающегорупора.Приэтом,какивПА,врас

крывеантенныобразуется:волнасплоскимфронтом(

Á ABC=…=

Á A

).Такую

антеннуиногданазываютантеннойКассегрена.ДостоинствомАДГпасравнениюс

обычной ПА является несколько большее значение КЗД и лучшее согласование с

фидером.Достоинствомантенныявляетсятакжеудобствоподключенияеекаппа

ратуреназемныхстанцияхспутниковыхсистемпередачи.

Взависимостиототношениядиаметроввспомогательногоиосновногозер

калКИПсоставляет0,5...0,6.Обычноберется

Dd 1.0 »

.

Болеесложнойявляетсяантеннасосмещеннойфокальнойосью,котораяпо

лучила название антенна двухзеркальная с эллиптическим малым зеркалом АДЭ,

посколькувнейиспользуетсявкачествепромежуточногозеркалаконуссповерхно

стью,изменяющейсяпоэллиптическомузакону(рис.3.8)ФазовыйцентрОрупор

ногооблучателя2расположеннаосисимметрииантенны.Противрупорапомеща

етсяэллиптическийконус3.Фокусамиэллиптическойобразующейконусаявляются

точки0и Á .Первыйсовпадаетсфазовымцентромизлучающегорупора,авторой

смещенотносительнаосиантеннынаd/2.Уэллипсоидавращенияфокусобразует

узкоефокальное кольцодиаметромd.Фокальная осьпараболы,образующейпара

болоидвращения,смещенаотносительноосиантеннытакженаd/2.Такимобразом,

окружностьдиаметраdявляетсягеометрическимместомфокусовпараболоидаиэл

липтического конуса. Проходимое волной расстояниеотфокуса 0 доповерхности

отражающегоконусаидалеедофокуса Á будетодинаковымдлялюбогонаправ

ления.Отсюдафазавсехсоставляющихвточкебудетоднаитаже.Посколькуфо

куспараболысовпадаетс Á ,тоотраженныеотосновногозеркала1лучиобразуют

навыходеантенныволнусплоскимфронтом.ДостоинствомАДЭявляетсято,что

отраженные лучи не попадают обратно в рупорный облучатель, благодаря чему

улучшаетсясогласованиесфидером.ДляэтойантенныКИПдостигает0,65...0,7при

высокомКЗД(нехуже65дБ).Такиеантеннынашлиширокоеприменениеврадио

релейныхсистемахпередачи.Выпускаютсяонидиаметромот1до5мипредназна

чены для работы в диапазонах 2...11 ГГц. Например, типовая антенна ДЗЭ3,5 с

диаметромпараболическогозеркала3,5м,вдиапазонечастот2...6ГГцимееткоэф

фициентусиления35...44,8дБ

РупорнопараболическаяантеннаРПА(рис.3,9)представляетсобойчастный

случайосенесимметричнойпараболическойантенны,укоторойизлучающийрупор

2увеличенвразмерахиобъединенвединуюконструкциюсотражающимзеркалом

1,являющимсячастьюпараболоидавращения.Питаниеврупорподаетсячерезвол

новод3.Ходлучатакойже,какивантеннерис.3,6Закрытаяконструкцияпозволя

етполучитьисключительнонизкийуровеньбоковогоизлучения(приема)посрав

нению с другими типами антенн и высокий КЗД (65...75 дБ). Для улучшения на

правленныхсвойствантеннаснабжаетсяэкранами,расположенныминабоковыхи

верхнейкромкахеераскрыва.Дляпредотвращенияпопаданияпылииатмосферных

осадковвовнутрьантенныееапертуразакрываетсякрышкойизпенопласта.Рупор

наяантеннаимеетКИП0,6...0,7.

Изнедостатковантенныследуетвпервуюочередьотметитьбольшиегабари

тыимассу,атакжезначительнуюветровуюнагрузку,которуюонииспытываютпри

эксплуатациипосравнениюсосесимметричнымипараболическимиантеннами ПА

иДЗЭстакимжекоэффициентомусиления.

НаРРЛширокоприменяютсяантеннаРПА2ПиеемодернизацииРПА2П2с

площадьюраскрыва7,5м

2

.Используетсяонадляработывдиапазонах4и6ГГци

имеетсоответственнокоэффициентусиления39и43дБ.

Антенныосевогоизлученияприменяютсявдециметровомдиапазоневолн.В

системахрадиосвязивосновномиспользуютсядватипаантенн:директорнаяиспи

ральная. Устройство директорией антенны (часто называемой антенной волновой

Рис.3.8 Рис.3.9

канал)показанонарис3.10Онасостоитизактивного(вданномслучаепетлевого)

вибратора АВ, получающегопитание по фидеру Ф, рефлектора Р, нескольких(до

десятииболее)директоровДиштангиШ,накоторойкрепятсявсеэлементы.Рас

стояниемеждуактивнымвибраторомирефлекторомберетсяпримерно(0,15...0,25)



,амеждудиректорами(0,15...0,35)



.Рефлекторимеетдлинунесколькоболь

шуюполволны(обычно0,525

).Сопротивлениеегоиндуктивное.Волна,распро

страняющаясяотактивноговибраторавсторонурефлектора,наводитвпоследнем

ЭДС. Изза индуктивного характера сопротивления ток в рефлекторе отстает от

ЭДСивозникающеевокругнегополеотличаетсяпофазеотполяактивноговибра

тора. Результирующее поле, образованное системой АВ—Р, представляет собой

суммусоставляющихполейсучетомфаз,определяемыхкакразностьюходалучей,

такиразностьютоковввибраторах.

Рис.3.10

Внаправлении Мполя,создаваемыеАВиР,находятсявпротивофазе ина

пряженностьрезультирующегополяблизкакнулю.ВнаправленииN,напротив,их

полясовпадаютпофазе,чтоприводитквозрастаниюсуммарногополя.

Находящиесявправо от АВдиректоры обеспечивают повышение направлен

ностиполявсторонуN.Директоримеетдлинунесколькоменьшеполовиныволны

(0,4...0,47)



,поэтомуегосопротивлениеноситемкостныйхарактер.РазмерыДи

егорасстояниеотАВвыбираютсятакими,чтобыфазыполейотнихсовпадали.Та

кимобразом,внаправленииNполяотактивноговибратора,рефлектораидиректо

ров,совпадающиепофазе,складываются,чтоприводитквозрастаниюКНДантен

ны.

Достоинствами антенны являются относительная простота конструкции, ма

лаяветроваянагрузка,высокаянадежность.КнедостаткамотносятсянизкийКЗД,

сложностьнастройкиприизготовлении,узкополосность.Приработесиспользова

нием волнвертикальнойигоризонтальнойполяризацийнеобходимы двеантенны,

повернутыеотносительнодругдругана90°.Элементыэтихантеннкрепятсянаоб

щейштанге.

Для увеличения коэффициента направленности применяются антенные ре

шеткитипаволновойканалВК.Например,антеннапрофессиональнойземнойстан

цииспутниковойтелевизионнойсистемы«Экран»содержит32полотнаВК,каждой

изкоторыхимеетпо32вибратора.Усилениетакойантенныначастоте700МГцсо

ставляет28дБ.

Рис.3.11

Спиральнаяантенна(рис.3.11)нашлаосновноеприменениенамалоканальных

РРЛ.вдиапазоне400МГц.Онасостоитизалюминиевойтрубки, свернутой вспи

раль3иукрепленной посредствомдиэлектрическихподпорок5 напластмассовом

стержне4,отражающегоэкрана2,выполненногоизметаллическойсетки.Внешний

проводниккоаксиальногофидера1подсоединенкэкрану,авнутренний—кначалу

спирали. Экран служит для обеспечения излучения электромагнитных волн в на

правленииразомкнутогоконцаспирали.Диаметрэкранаберетсяравным(0,8...1,5)L,

гдеL—длинаспирали.Максимальноеизлучениевдольосиспиралинаблюдается

придиаметрепоследней(0,25...0,45).Коэффициентусилениязависитотдлиныи

шагаспирали,числаидиаметравитков.Электромагнитноеполеантенныимееткру

говуюполяризацию.Дляулучшениянаправленныхсвойствприменяютсяантенны,

состоящие . из двух или более параллельно включенных спиральных антенн. На

пример,односпиральнаяантенна,используемаявдиапазоне400МГц,имееткоэф

фициентусиления13дБ,аКЗДоколо20дБ.

3.4Фидерныетракты