Антенно-фидерные устройства

. КЛАССИФ. АНТЕНН И ИХ ОСН. ХАР-КИ.

Свойства направленности антенны описывают характеристикой (диаграммой) направленности. Количественно эти свойства оценивают с помощью таких параметров, как ширина диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (КНД) и других, которые подробно рассматриваются в гл. 1. Важным параметром является входное сопротивление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление—величина комплексная: Zвх=Rвх+iXвх. Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

Мощность, излучаемая антенной P, связана с током в точках питания антенны соотношением P=Io2R0/2, где R0 — активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней (=1)—это сопротивление излучения. Данное определение относится к проволочным антеннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы антенны.

Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром. значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Очень часто таким параметром является входное сопротивление антенны. Изменение его при изменении частоты приводит к рассогласованию антенны с фидером. В ряде случаев ширина рабочего диапазона определяется ухудшением одного из параметров, характеризующих направленные свойства: изменением направления максимального излучения, расширением диаграммы направленности (ДН), уменьшением КНД и др. В зависимости от ширины рабочего диапазона антенны условно разбивают на:

а) узкополосные (настроенные), относительная рабочая полоса которых менее 10% номинальной частоты;

б) широкополосные, с рабочей полосой частот 10 … 50%;

в) диапазонные, коэффициент перекрытия которых (fmax/fmin) составляет примерно 2 … 5;

г) частотно-независимые (сверхширокополосные), с коэффициентом перекрытия, теоретически не зависящим от частоты (практически коэффициент перекрытия таких антенн больше пяти).

Векторы Е и Н излучаемого антенной электромагнитного поля определенным образом ориентированы в пространстве. Направление этих векторов определяется плоскостью поляризации электромагнитного поля. Существуют параметры, характеризующие поляризационные свойства антенны (см. § 1.3).

Еще одним параметром антенны является предельная мощность, которую можно подвести к антенне без опасности ее разрушения и не вызывая пробоя окружающей среды. Все упомянутые параметры подробнее рассматриваются в соответствующих главах.

КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН Антенны можно классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв—апертурные антенны, антенны поверхностных волн); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.). Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

В данном учебнике рассматриваются антенны следующих волновых диапазонов (названия диапазонов даются в соответствии с рекомендациями «Регламента радиосвязи»; в скобках указываются названия, широко распространенные в литературе по антеннофидерным устройствам): мириаметровые (сверхдлинные) волны (=10 … 100 км); километровые (длинные) волны (=1 … … 10 км); гектометровые (средние) волны (=100 … 1000 м); декаметровые (короткие) волны (=10 … 100 м); метровые волны (=1 … 10 м); дециметровые волны (=10 см … 1 м); сантиметровые волны (= 1 … 10 см); миллиметровые волны (=1 … 10 мм). Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием «ультракороткие волны» (УКВ).

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНИЙ СПУТНИКОВОЙ РАДИОСВЯЗИ В настоящее время спутниковые системы связи стали одним из основных видов дальней связи. Связь между земными пунктами осуществляется на сантиметровых волнах при помощи ИСЗ, применяемых в качестве активных или пассивных ретрансляторов. Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме ранее использовавшегося частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время осваиваются новые диапазоны 11/14, 12/18 и 20/30 ГГц.

Чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал-шум на входе приемника, антенны земных станций должны иметь высокий КУ (так, антенны, работающие в диапазоне 20/30 ГГц, имеют КУ до 70 дБ), чему соответствует малая ширина ДН (угловые минуты) и большие размеры.

Из-за малой ширины ДН при изменении положения ИСЗ или межпланетного корабля необходимо обеспечить весьма высокую точность наведения луча антенны на эти объекты и непрерывное сопровождение их. Для этого антенны снабжаются поворотными устройствами и системами управления ими.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) В качестве антенн ЗССС и космической связи используются в основном двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Обычно применяют антенны с круговой поляризацией поля. Антенны для ЗССС с малой пропускной способностью и станций телевизионного вещания, обслуживающих небольшой населенный пункт обычно бывают однозеркальные. С этой же целью применяют несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель. Размеры (диаметр раскрыва) антенн спутниковой связи колеблются в пределах от 1 … 2 м (антенны станций с малой пропускной способностью и станций телевизионного вещания) до примерно 32 м. Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения КУ антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T) на входе приемного устройства. Современные антенны для двухсторонней многоканальной связи (2Ro30 м) имеют G/T до 42 дБ; антенны земных станций для односторонней связи через ИСЗ при 2Rо=12 м имеют G/T до 32 дБ. Очевидно, что для увеличения отношения G/T (коэффициент шумовой добротности приемного устройства) следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру T==Tу+Tтр+Tа. Здесь Ту-шумовая температура малошумящего усилителя МШУ (обычно Tу40 … 60 К); Tтр-шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Tа — эквивалентная шумовая антенная температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа-Уменьшение Tтр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т. е. сокращая длину тракта питания антенны. Антенная температура Та растет при уменьшении угла места. А (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приема шумов теплового излучения Земли.

Имеются факторы, препятствующие увеличению КУ антенны путем увеличения ее размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка ДН и увеличение УБЛ, что приводит к снижению КУ, увеличению Tа и ухудшению помехозащищенности. Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять примерно 0,10.5. Для увеличения объема передаваемой информации разработаны системы спутниковой связи, в которых обеспечивается близкое к двухкратному использование рабочих частот благодаря развязке по поляризации.

В связи с непрерывным ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите и уменьшением углового разноса между ними для соседних земных станций появляется опасность взаимных помех. Поэтому ужесточаются требования к уровням побочных излучений антенн. Резкое уменьшение УБЛ обеспечивается несимметричными зеркальными антеннами с вынесенным облучателем (АВО).

Присоединение облучателя к приемно-передающей аппаратуре, осуществляется с помощью сравнительно длинного волноводного тракта, за счет потерь в котором увеличивается шумовая температура и ухудшается качество приема слабых сигналов. Этот недостаток можно уменьшить, применив беспроводную линию передачи или лучевод (система зеркал).

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕ.РЕШЁТОК.

Для получения высокой направленности излучения, часто требуемой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн, таких как вибраторы, щели, открытые концы волноводов, и других, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. B этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени — индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей.

К числу таких систем относят антенные решетки (АР). Обычно АР называется система идентичных излучающих элементов, одинаково ориентированных в пространстве и расположенных по определенному закону. В зависимости от расположения элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди которых наиболее распространены прямолинейные и плоские АР. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объекта, на котором расположена АР (конформная АР).

Простейшей является линейная АР, в которой излучающие элементы располагаются вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях друг от друга (эквидистантная АР). Расстояние, а между фазовыми центрами излучателей называют шагом решетки. Линейная АР помимо самостоятельного значения является часто основой при анализе других типов АР.