Дзеркальні параболічні антени супутникового радіозв’язку - Студопедія
Зв'язок між земними пунктами, що знаходяться на відстані від декількох тисяч до кількох десятків тисяч кілометрів один від одного, зручно здійснювати на сантиметрових хвилях за допомогою ШСЗ, що застосовуються як активні ретранслятори. Нині вважається, що з відстані між передаючими приймальними центрами понад 400. 500 км ретрансляція програм через ШСЗ стає вигідніше, ніж їх передача наземними каналами (кабельним і РРЛ). У важкодоступних місцевостях ця відстань може бути ще меншою.
Для збільшення пропускної здатності супутникових систем зв'язку крім частотного діапазону 4/6 ГГц, що використовується, в даний час все ширше освоюються нові діапазони 11/14 і 20/30 ГГц.
Обсяг і якість передачі багато в чому визначаються антенно-фидерным пристроєм системи супутникового зв'язку (ССС). З огляду на це основними вимогами до антенних пристроїв земних станцій є:
- Забезпечення високого КУ при досить великому КВП (0,6. 0,7) і якомога нижчі значення шумової температури та УБЛ;
- можливість наведення променя на ШСЗ за допомогою опорно-поворотного пристрою, а також систем програмного та ручного наведення та автоматичного супроводу;
- збереження електричних характеристик та надійної роботи у заданих кліматичних умовах.
Антени земних станцій супутникового зв'язку (ЗССС) та космічного радіозв'язку є складними пристроями, що мають великі габаритні розміри та масу. Вони працюють за умов впливу змінних вітрових навантажень, дощу, ожеледиці, сонячного нагріву. У цих кліматичних умовах мають бути забезпечені висока механічна міцність антеної системи та збереження з високоюточністю заданої форми поверхні дзеркала. З цією метою дзеркало антени забезпечується потужним каркасом, що спирається на платформу, що несе антенно-поворотного пристрою (рисунок 1).
Однією з найважливіших характеристик антен ЗС є величина відношення КУ антен (G) до сумарної температурі шуму (TΣ,) на вході приймального пристрою, виміряної в Кельвінах при куті місця 5° (шумова добротність). Сучасні дзеркальні антени ЗС діаметром 30 м мають G/T близько 42 дБ/К. Вочевидь, що з збільшення відносини G/Т слід збільшувати КУ антени і зменшувати сумарну шумову температуру . Тут Ту - шумова температура малошумного підсилювача (МШУ), до якого приєднана антена (зазвичай Ту = 40. 60 К); Ттр - шумова температура НВЧ тракту, що з'єднує антену з МШУ; ТА – еквівалентна шумова температура антени.
Малюнок 1. Дзеркальна параболічна антена
Температура ТА зростає при зменшенні кута місця (кут між напрямом максимального випромінювання та горизонтом) через збільшення поглинання радіохвиль у більшій товщі атмосфери Землі та прийому шумів теплового випромінювання Землі. При = 4. 5° рівень шумів Землі неприпустимо зростає, оскільки їх прийом відбувається через бічні пелюстки, близькі головному. Крім того, при зменшенні кута шлях від антени до ШСЗ, що проходить у щільних шарах атмосфери, подовжується, що веде до збільшення рівня шумів, що породжуються атмосферою. Мінімально допустимий кут місця у діапазоні 4/6 ГГц становить 5.7°. У діапазонах 11/14 і 20/30 ГГц через суттєве зростання втрат в атмосфері мінімально допустимий кут місця не повинен бути меншим за 10°.
У зв'язку із зростанням числа ШСЗ на геостаціонарній орбіті та зменшенням кутової відстані між ними на ЗС зростає небезпека перешкод від сусідніх ШСЗ.Тому антени ЗССС повинні мати низький УБЛ.
На ЗССС із малою пропускною спроможністю застосовуються однодзеркальні антени з КУ трохи більше 35 дБ і кілька багатоелементних директорних антен, які у паралель (система «Екран») з КУ приблизно 21. 28 дБ.
На ЗССС з великою пропускною здатністю використовуються переважно дводзеркальні модифіковані параболічні антени. Діаметри розкриття таких антен визначаються заданими значеннями робочої частоти, КУ, УБЛ і сягають 30. 32 метрів.
Для випромінювання та прийому сигналів використовується дводзеркальна параболічна антена Кассегрена з діаметром розкриття D = 4,8 м. Профіль малого дзеркала з діаметром d = 0,9 м модифікований з метою реалізації максимального КВП антени. Як опромінювач використовується спеціально розроблений конічний рупор, який у всьому робочому діапазоні антени формує осесиметричну ДН з практично незмінною шириною головної пелюстки. Діаметр розкриття опромінювача складає 0,18 метра.
Діаграми спрямованості такої антени на частоті передачі = 6,012 ГГц та прийому = 3,95 ГГц представлені на малюнку 2. Коефіцієнти посилення на частотах f1і f2 рівні відповідно 46,8 та 43,8 дБ, а УБЛ -12,9 та -13,9 дБ . Порівняно високий УБЛ обумовлений амплітудним розподілом поля у розкриві, близьким до рівномірного, та впливом затінення апертури антени малим дзеркалом. Поляризація поля - кругова: ліва поляризація при випромінюванні та права поляризація при прийомі.
Сигнали, що надходять від ШСЗ або відбиті від планет при радіоастрономічних дослідженнях, також дуже слабкі через велику віддаленість зазначених джерел.
Малюнок 2. ДН дводзеркальна параболічна антена Кассегрена
У цих умовах для того, щоб забезпечитинеобхідне відношення сигнал - шум на вході приймача, антени ЗС повинні мати дуже високий КУ (від 65. 70 дБ), чому відповідають великі розміри антени та мала кутова ширина головної пелюстки ДН.
Бортові антени ШСЗ забезпечують прийом та передачу супутникової лінії зв'язку сигналів зв'язкових, телевізійних, телеметричних та інших систем. Рівень випромінювання у бік Землі антенами ШСЗ обмежений енергетикою станції космічного апарату (КА) та неприпустимістю випромінювання у цьому напрямку потужних сигналів, які можуть створити перешкоди іншим радіотехнічним системам.
Антенні системи сучасних ШСЗ повинні відповідати таким вимогам:
- Забезпечувати ефективне опромінення тільки заданої області земної поверхні;
- допускати повторне (багаторазове) використання робочих частот за рахунок просторового рознесення ДН та поляризаційного поділу;
- послаблювати випромінювання поза зоною обслуговування для того, щоб рівні поля не перевищували встановлені норми.
У процесі експлуатації ШСЗ антена повинна:
- зберігати працездатність в умовах глибокого вакууму, впливу теплового та радіовипромінювань Сонця, іонізуючої радіації;
- витримувати дію великих прискорень та вібраційних навантажень під час запуску;
- враховувати технічні обмеження, що накладаються на розміри та масу антени.
Враховуючи умови роботи антен, встановлених на супутниках, їх виготовлення застосовують такі матеріали, як алюміній, берилій, інвар, магній і титан. Останнім часом все більше використовують композиційні матеріали, такі як вуглепласти. Композиційні матеріали мають значно кращі, ніж у вищезгаданих матеріалів, механічні та температурні властивості: близький до нуля коефіцієнтлінійного розширення, малу питому масу та велику жорсткість.
Бортову антену вибирають з урахуванням вимог, пов'язаних із побудовою та енергетичним потенціалом лінії зв'язку, діапазоном робочих частот та смугою пропускання, умовами роботи в космосі, стабілізацією ШСЗ.
На перших ШСЗ використовувалися слабоспрямовані малогабаритні антени. На ШСЗ, виведених на геостаціонарну орбіту, з якою кутовий розмір Землі становить приблизно 18°, застосовувалися антени з КУ приблизно 6. 17 дБ (антенні решітки з 16 елементів, невеликі параболічні антени). На ШСЗ, що знаходяться на орбіті середньої висоти (5. 10 тис. км), застосовувалися майже ненаправлені антени з круговою поляризацією поля (турнікетні, спіральні, щілинні).
Недостатнє посилення бортових антен компенсувалося використанням великих наземних антен із високим КУ. Зі збільшенням загальних розмірів та маси ШСЗ з'явилася можливість застосовувати більш спрямовані антени. До таких антен відносять параболічні (одно- і дводзеркальні), РПА та антенні решітки, застосовуються доладні антени, що розкриваються після виведення ШСЗ на орбіту.
Останнім часом виявляється значний інтерес до бортових багатопроменевих антен. Забезпечуючи велике посилення, ці антени дозволяють значно знижувати потужність бортових передавачів космічних апаратів. Як бортові багатопроменеві антени застосовуються дзеркальні антени, фазовані антенні решітки. Основними перевагами дзеркальних багатопроменевих антен є порівняно невисока вартість, простота опромінювальної системи, невелика маса, простота конструкції. Коефіцієнт посилення таких антен лежить в інтервалі від 27. 30 дБ у діапазоні 4/6 ГГц (при діаметрі дзеркала 1. 2,5 м) до 45 дБ у діапазоні 30 ГГц.
В багатьох випадкахДН антен ШСЗ повинні бути сформовані таким чином, щоб їхній контур повторював кордон держави, видиму з геостаціонарної орбіти. Подібні антени отримали назву антен із контурним променем. Контурна форма променя знижує втрати випромінюваної потужності за межами кордону регіону, що обслуговується, а також рівень небажаного опромінення суміжних територій.
Найбільш популярні три способи формування контурної ДН, перший з яких пов'язаний із застосуванням параболічного рефлектора, що опромінюється системою опромінювачів; другий - плоскої фазованої антеної решітки і третій - параболічного рефлектора спеціальної форми, що опромінюється одиночним опромінювачем.
Принцип формування контурного променя в перших двох випадках умовно показаний на малюнку 3. Тут зображені три вузькі промені, поля, яких, складаючись, утворюють один широкий промінь з порівняно плоскою верхньою частиною та крутими схилами.
Перевага цих способів полягає в можливості змінювати форму контурного променя в ході експлуатації. Недоліки пов'язані зі складністю конструювання та надбудови системи формування променів, а також зі зростанням радіочастотних втрат зі збільшенням частоти.
Рисунок 3. Принцип формування контурного променя
Третій спосіб розрахований на фіксовану форму контуру, проте вільний від недоліків, зазначених вище. Щоправда, складність розрахунку та виготовлення рефлектора спеціальної форми поки що стримує широке поширення систем цього типу.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: