Бортовые и наземные антенны спутниковых систем подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бортовые и наземные антенны спутниковых систем подвижной радиосвязи

1. Антенны для спутниковой и космической радиосвязи

Связь между земными пунктами, находящимися на расстоянии от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, удобно осуществлять на сантиметровых волнах с помощью ИСЗ, применяемых в качестве активных ретрансляторов. В то же время специалисты, занимающиеся вопросами создания телекоммуникационных сетей, считают, что, например, для центральной части России при расстоянии между передающими приемными центрами более 400.. .500 км ретрансляция программ через ИСЗ становится выгоднее, чем их передача по наземным каналам (кабельным и РРЛ). В труднодоступных местностях (в болотистых, в горных ущельях) это расстояние может быть еще меньше.

Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме используемого частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время все шире осваиваются новые диапазоны 11/14 и 20/30 ГГц.

Объем и качество передачи информации во многом определяются антенно-фидерным устройством системы спутниковой связи (ССС). С учетом этого сформулируем основные требования к антенным устройствам ССС.

Антенны земных станций ССС. К указанным антеннам предъявляются следующие основные требования:

· обеспечение высокого КУ при достаточно большом КИП (0,6...0,7) и как можно более низких значениях шумовой температуры и УБЛ;

· возможность наведения луча на ИСЗ с помощью опорно-поворотного устройства, а также систем программного и ручного наведения и автоматического сопровождения;

· сохранение электрических характеристик и надежной работы в заданных климатических условиях, особенно при предельных скоростях ветра;

· соответствие ДН антенны справочной диаграмме, рекомендуемой МККР (с целью обеспечения условия электромагнитной совместимости). Справочная диаграмма представляет собой графическое изображение (или аналитические выражения) огибающей рекомендуемой ДН относительно изотропного излучателя.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) и космической радиосвязи являются сложными устройствами, имеющими большие габаритные размеры и массу. Они работают в условиях воздействия переменных ветровых нагрузок, дождя, гололеда, солнечного нагрева и т.д. В этих трудных климатических условиях должны быть обеспечены высокая механическая прочность антенной системы и сохранение с высокой точностью заданной формы поверхности зеркала. С этой целью зеркало антенны снабжается мощным каркасом, опирающимся на несущую платформу антенно-поворотного устройства.

Одной из важнейших характеристик антенн ЗС является величина отношения КУ антенн (G) к суммарной шумовой температуре (Т_У) на входе приемного устройства, измеренной в Кельвинах при угле места 5° (шумовая добротность). Современные зеркальные антенны ЗС с диаметром раскрывания 30 м имеют G/T около 42 дБ/К. Очевидно, что для увеличения отношения G/T следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру

.

Здесь - шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Т = 40.. .60 К); - шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; - эквивалентная шумовая температура антенны.

Температура растет при уменьшении угла места Д (угол между направлением максимального излучения и горизонтом) из-за увеличения поглощения радиоволн в большей толще атмосферы Земли и приема шумов теплового излучения Земли. При Д = 4.. .5° уровень шумов Земли недопустимо возрастает, так как их прием происходит через боковые лепестки, близкие к главному. Кроме того, при уменьшении угла Д путь от антенны до ИСЗ (или космического объекта), проходящий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению уровня шумов, порождаемых атмосферой. Минимально допустимый угол места в диапазоне 4/6 ГГц составляет 5.. .7°. В диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимально допустимый угол места Д не должен быть менее 10°.

В связи с ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите и уменьшением углового расстояния между ними на ЗС возрастает опасность помех от соседних ИСЗ. Поэтому антенны ЗССС должны иметь низкий УБЛ.

На ЗССС с малой пропускной способностью и станциях телевизионного вещания, обслуживающих небольшие населенные пункты, применяются однозеркальные антенны с КУ не более 35 дБ и несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель (система «Экран») с КУ примерно 21.. .28 дБ.

На ЗССС с большой пропускной способностью используются в основном двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Диаметры раскрыва таких антенн определяются заданными значениями рабочей частоты, КУ, УБЛ и доходят до 30.. .32 м.

1.1 Бортовые антенны ССС

Бортовые антенны ИСЗ обеспечивают прием и передачу по спутниковой линии связи сигналов связных, вещательных, телевизионных, телеметрических и других систем. Уровень излучения в сторону Земли антеннами ИСЗ ограничен энергетикой станции космического аппарата (КА) и недопустимостью излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам.

В этой связи антенные системы современных ИСЗ должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать эффективное облучение только заданной области земной поверхности;

- допускать повторное (многократное) использование рабочих частот за счет пространственного разноса ДН и поляризационного разделения;

- ослаблять излучение вне зоны обслуживания для того, чтобы уровни поля при основной поляризации и кроссполяризации не превышали установленных международных норм.

На протяжении существования ИСЗ антенна должна: сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, воздействия теплового и радиоизлучений Солнца, ионизирующей радиации; выдерживать действие больших ускорений и вибрационных нагрузок во время запуска; учитывать технические ограничения, накладываемые на размеры и массу антенны.

Принимая во внимание условия работы бортовых антенн, для их изготовления применяют такие материалы, как алюминий, беррилий, инвар, магний и титан. В последнее время все больше используются композиционные материалы, такие как углепласты (графитоэпоксидная композиция). Углепласты имеют значительно лучшие, чем у вышеназванных материалов, механические и температурные свойства: близкий к нулю коэффициент линейного расширения, малую удельную массу и большую жесткость.

Тип приемопередающей антенны, устанавливаемой на космическом аппарате, - бортовую антенну выбирают с учетом требований, связанных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями работы в космосе, стабилизацией ИСЗ и т. п.

На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогабаритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 18°, применялись антенны с КУ примерно 6... 17 дБ (антенные решетки из 16 элементов, небольшие параболические антенны и др.). На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5... 10 тыс. км), применялись почти ненаправленные (изотропные) антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые).

Недостаточное усиление бортовых антенн компенсировалось использованием больших наземных антенн с высоким КУ. С увеличением общих размеров и массы ИСЗ появилась возможность применять более направленные антенны с КУ 30...35 дБ и более. К таким антеннам относят параболические (одно- и двухзеркальные), РПА и антенные решетки. Особый интерес представляют складные антенны, раскрывающиеся после вывода космического аппарата на орбиту.

В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркальные антенны (обычно неосесимметричные), фазированные антенные решетки и некоторые другие типы антенн. Основными преимуществами зеркальных многолучевых антенн являются сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая масса, простота конструкции. Коэффициент усиления таких антенн лежит в интервале от 27...30 дБ в диапазоне 4/6 ГГц (при диаметре раскрыва 1.. .2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц.

Во многих случаях ДН антенн космических аппаратов должны быть сформированы таким образом, чтобы их контур (уровень постоянного КУ) повторял границу государства (в пределах которого обеспечивается подача телевизионной программы), видимую с геостационарной орбиты. Подобные антенны получили название антенн с контурным лучом. Контурная форма луча снижает потери излучаемой мощности за пределами границы обслуживаемого региона, а также, что не менее важно, уровень нежелательного облучения сопредельных территорий.

2. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны

антенна спутниковый связь зеркальный

Зеркальными называют антенны, у которых поле формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра - линейным. Наряду с однозеркальными антеннами применяются и двухзеркальные.

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В раскрыве антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается выражением

,

где - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны:

Рис. 1 - Зеркальная антенна

1 - зеркало,

2 - облучатель,

3 - сферический фронт волны облучателя,

4 - плоский фронт волны облучателя,

5 - диаграмма направленности облучателя,

6 - диаграмма направленности зеркала.

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую волну, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный. Этим достигается формирование острой диаграммы направленности.

Литература

1. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. радио, 1974.-536с.

2. Козырев Н.Д. Антенны космической связи. - М.: Энергия, 1973. - 336 с.

3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru