Орлов А.Г., Севастьянов Н.Н. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) спутника связи. Принципы работы, построение, параметры (2014) (1152061), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

Поляризационные характеристики антеннЭлектромагнитное поле любой антенны в дальней зоне можно представить вследующем виде:E  A  F  ,  exp  j  R ,R(5.13)где А – некая константа, зависящая от характеристического сопротивления среды, частоты, мощности, конфигурации антенны.Величина F  ,   является комплексной векторной нормализованной диаграммой направленности, характеризующей угловое распределение поля, поля-ризационные и фазовые характеристики. В общем виде F  ,   можно представить следующим образом:F  ,   F ( , ) P  ,  e j ,  ,(5.14)где F  ,   , P ,  , Ф  ,   – соответственно амплитудная, поляризационнаяи фазовая характеристики антенны.Далее остановимся на наиболее употребляемых в технике рассматриваемыхБРК характеристиках ДН – амплитудной и поляризационной.Амплитудная ДН F  ,   представляет вещественную положительнуюфункцию, нормируемую так, что max F  ,   = 1.

Квадрат F  ,   дает угловоераспределение вектора Пойтинга. Существует множество различных форм ДН –от простых форм типа круговой или эллиптической до сложных, определенныхкаким-либо контуром. Амплитудная ДН изображается путем сечения в выбранных плоскостях. На рис. 5.3 изображены различные представления ДН в полярных, декартовых координатах и картографической форме.Векторный сомножитель в (5.14) отображает поляризационную характеристику антенны. Еe можно представить в виде единичного вектора, разложенного по базисным ортам сферической системы координат в виде  P  ,   i P  ,   i P  ,  .91(5.15)абвРис.

5.3. Формы представления диаграмм антенн:а – полярная; б – декартова; в – картографическая92При этом 2  2P  ,   1 , P  P  1 .Полный вектор поляризации в плоскости, касательной сферическому фронтуволны, совершает полный оборот за период колебаний несущей частоты. В общем случае траектория движения конца вектора поляризации представляет эллипс, частным случаем которого является прямая линия или окружность. В зависимости от траектории движения вектора говорят об эллиптической, круговой и линейной поляризациях. Вид поляризационного эллипса представлен нарис. 5.4.Pθ1√1-α2βα 1PφPРис. 5.4. Вид поляризационного эллипсаДля количественной характеристики поляризационного эллипса вводят следующие параметры:1) коэффициент эллиптичности r, равный отношению малой оси эллипса кбольшой, очевидно r1;2) угол ориентации большой оси .Кроме того, должно быть определено направление вращения вектора поляризации (правое или левое).

Как правило, его определяют по отношению кнаблюдателю, смотрящему вслед уходящей волне.93В теории антенн показано, что поляризационный вектор можно раскладывать в различных ортогональных базисах. Это означает, что любая эллиптически поляризованная волна может быть представлена в виде суммы волн с линейной или круговой поляризацией.Обычно один из компонентов (в общем случае комплексных) поляризационного вектора выбирается в качестве главного, при этом 2-й компонент будетпредставлять паразитную кроссполяризационную составляющую поляризации.В этом случае поляризационный вектор можно представить в следующем виде(5.16)P  ,    iгл  ,    iпз 1   2 e   ,  ,где iгл – базисный орт главной поляризации;   ,   – вещественная положи-тельная функция; iпз – базисный орт паразитной поляризации;   ,   – фазовый угол между составляющими.Очевидно, величина  2  1 показывает долю плотности потока мощности внаправлении главной поляризации, а величина 1   2 – долю плотности мощности паразитной модуляции.5.4.

Вторичные параметры антенныСтепень концентрации излучения антенн в направлении максимума ДН характеризуется коэффициентом направленного действия (к.н.д). Как правило, вкачестве такой величины берут отношение модуля вектора Пойтинга в направлении максимального излучения антенны на большом удалении R к модулювектора Пойтинга от изотропной антенны на сферической поверхности того жерадиуса, т.е.Dmax = Пmax/Пизотр при Rconst  .(5.17)Нетрудно показать, чтоDmax 4F 2  , d ,(5.18) 4где  – телесный угол, d  sin dd .Направленные свойства антенны можно оценивать также углом раствораглавного лепестка ДН в выбранной плоскости по заданному уровню сниженияотносительной мощности. Этот угол называют шириной луча.

В качестве уровня относительного изменения мощности часто используют величину 3 дБ (уровень 0,707 по полю или 0,5 по мощности).Важным параметром антенн является уровень боковых лепестков. Его определяют, как правило, по отношению к значению главного лепестка.94По отношению к остронаправленным антеннам с игольчатой ДН можно получить из соотношения (5.18) много полезных для приложений формул. Так,можно показать, что общий к.н.д. D можно представить в видеD  D(1 б ) ,(5.19)где D представляет к.н.д. по главному лепестку ДН;D  4 / F  , dΩ;2(5.20) глб – коэффициент рассеяния, показывающий относительную мощность излучения, приходящуюся на задние и боковые лепестки;б 24 F 2  , d  /  F  ,  dΩ.4В большинстве реальных антенн обычно уровень боковых лепестков быстроснижается.

Для остронаправленных антенн с эффективностью главного лепестка, равного 1– б , составляющего не ниже 0.8, к.н.д. можно оценивать по простой инженерной формулеD32 000  36 000,( )(5.21)где  ,   – ширины главного лепестка антенны в градусах в каждой из двухортогональных плоскостей по уровню половинной мощности.Для антенны, работающей в режиме передачи вектору электрического поляE , можно поставить в соответствие вектор интенсивности излучения Ee2Z c, квадрат модуля которого точно равен модулю вектора Пойтинга.Для вектора e справедливо следующее соотношение:e R, ,    e  j А Pc DF  ,  exp  jR  ,4R(5.22)где Рс – полная мощность излучения.Вводя коэффициент полезного действия (к.п.д.)  через соотношениеPcРс,Pвх Рс  Pпот95(5.23)где Рвх – мощность на входе антенны; Рпот – мощность омических потерь,Pc – мощность излучения, преобразуем соотношение (5.23) к видуe  R, ,   e  jc Pвх D4F  ,  exp  j  RR.(5.24)Произведение к.н.д.

на к.п.д. называют коэффициентом усиления антеннG  D . Очевидно, коэффициент усиления антенны показывает, во сколькодолжна быть увеличена входная мощность в выбранном сечении АФУ при замене реальной антенны на идеальную изотропную для сохранения в точкенаблюдения модуля вектора Пойтинга.Передающая антенна характеризуется также параметрами согласованияв выбранном сечении с подводящей линией передачи – коэффициентом отражения  или КСВН.С учетом как омических, так и потерь на отражение мощности коэффициентусиления антенны можно представить в виде2(5.25)Gэкв  D   (1   ).Передающие антенны характеризуются рабочей полосой частот, при которых ее параметры не выходят за границы заданных значений, а также предельной рабочей мощностью, при которой не возникает электрических пробоев илипроявлений нежелательных нелинейных процессов.Все антенные системы, при отсутствии в них намагниченных гиротропныхсредств, подчиняются фундаментальному закону электродинамики – принципувзаимности.

Согласно этому принципу для описания приемной антенны пригодны параметры, определенные в режиме передачи, а именно комплексная ДНF ( ,) , коэффициент усиления G  D  , условия согласования.Следует иметь ввиду, что принимаемую мощность антенны в нагрузке с коэффициентом отражения ρн можно представить в виде222(5.26)Pc  e  S эфф  F 2 ( ,  )     (1   н ),2где e – модуль вектора Пойтинга падающей волны, η – к.п.д. приемного тракта, 2– поляризационный коэффициент передачи по мощности, а величинаSэфф 2  D4 (5.27)называется эффективной поверхностью антенны.Соотношение между эффективной поверхностью и к.н.д. является фундаментальным в теории антенн. Как будет показано для рассматриваемых далееапертурных антенн (зеркальных, рупорных), эффективная площадь антенны96связана с размерами раскрыва и обычно не превышает ее геометрической площади.5.5.

Энергетическое взаимодействиепространственно разнесенных антеннРассмотрим часто встречающуюся в космических радиолиниях связи задачувзаимодействия двух пространственно разнесенных антенн (например, взаимодействие антенн ЗС с антеннами БРК на линиях земля – КА, КА – земля).Условно это взаимодействие представлено на рис. 5.5.Рис. 5.5. Взаимодействие приемной и передающей антеннНа указанном рисунке антенна А1 работает в режиме передачи с коэффициентом усиления G1 на эллиптически-поляризованной волне, имеющей коэффициент эллиптичности К1.

Антенна возбуждается мощностью Pпрд. Антенна А2работает в режиме приема с коэффициентом усиления G2 и коэффициентом эллиптичности К2. Расстояние между антеннами R(м) соответствует дальней зоне,и обе антенны отъюстированы в направлениях максимального излучения.Определим уровень сигнала на выходе приемной антенны А2.Очевидно, передающая антенна создает в раскрыве антенны плотность потока мощностиP  G14   R2 Вт м 972(5.28)Уровень принятого приемной антенной сигнала согласно (5.26) будет:Pпрм P  G12 Sэфф   ,24  R(5.29)где Sэфф – эффективная площадь антенны, равная согласно (5.27)Sэфф 2  G2;4 (5.30)2 – поляризационный коэффициент передачи по мощности, связанный с несогласованностью поляризаций. Известно, что величина этого коэффициентамежду двумя антеннами с коэффициентами эллиптичности К1 и К2 и разностьюуглов поляризации  соответствует выражению21 4 K  K(1  K 2 )  (1  K 2 )1212 cos(2  )  .   1 2222(1  K )  (1  K ) (1  K )  (1  K 2 )1212(5.31)Для случая антенн с точно согласованными линейными поляризациями2K 1  0 , K 2  0 ,   0 ,   1 .

Характеристики

Список файлов книги