Орлов А.Г., Севастьянов Н.Н. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) спутника связи. Принципы работы, построение, параметры (2014) (1152061), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Для антенн с почти круговыми поляризациямиK 1  1 , K 2  1 и 22 1 . Вообще говоря,   1 справедливо для любогослучая точного совпадения поляризаций приемной антенны с поляризацией передающей антенны.С учетом этого формулу (5.29) можно преобразовать к видуPпрм P  G1  G2 4   R   2.(5.32)Иногда вводят понятия изотропной эффективной излучаемой мощности передающей антенны (EIRP), равной P  G 1 , и потери в свободном пространстве2 4   R Lсв   , тогда (5.30) можно представить в логарифмическом масштабе  в видеPпрм (дБВт)  ЭИИМ(дБВт)  L  G(дБ).98(5.33)5.6.

Антенны СВЧ, применяемые в БРКВ антенном комплексе БРК рассматриваемого типа в основном используются апертурные антенны, особенность которых состоит в том, что у них можновыделить плоскую поверхность раскрыва S, которая и формирует остронаправленное излучение. Среди апертурных антенн наиболее часто используются зеркальные и рупорные антенны. К.н.д. апертурных антенн можно представитьследующей формулой: 4   S D  K ип ,2 (5.34)где S – геометрическая площадь поверхности раскрыва; λ – длина волны;Кип  1 – коэффициент использования поверхности.Ширина луча апертурной антенны по уровню 3 дБ в плоскости, параллельной поверхности раскрыва, дается формулой 51       K рл , L (5.35)где L – максимальный линейный размер раскрыва; K рл – коэффициент расширения луча, зависящий от формы раскрыва и вида амплитудно-фазового распределения в раскрыве.Большое число апертурных антенн построено таким образом, что длина путимощности возбуждения к каждому элементу раскрыва от общего входа антенныв приближении геометрической оптики одинакова, создавая, таким образом, враскрыве синфазное возбуждение.

Поэтому определяющим фактором в величине к.н.д. является амплитудное распределение возбуждения.Однако в настоящее время при построении антенн БРК используются антенны с несинфазным возбуждением. Они дают возможность получения контурных ДН с более равномерным распределением к.н.д. внутри диаграммы.

Впервые в России такие антенны на базе профилированных зеркал были использованы в БРК КА «Ямал-200».5.7. Зеркальные параболические антенныЗеркальная параболическая антенна, выполненная в виде параболоида вращения, показана на рис. 5.6. Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (в микроволновом диапазоне, как правило, рупором, который помещается в фокусе зеркала).Благодаря геометрическим свойствам параболы лучи, исходящие из фокуса,после отражения параболическим зеркалом становятся параллельными оси иобразуют в раскрыве параболы синфазную поверхность.99xD3Ozfyx2 + y2 = 4f zРис. 5.6. Зеркальная параболическая антеннаТаким образом, длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыва одинакова и не зависит от угла θ, под которым из фокуса виден профиль параболы.

На рис. 5.7 более подробно показан профиль параболической антенны ссимметричным возбуждением. Различают длиннофокусные и короткофокусныепараболические антенны. В длиннофокусной антенне фокус находится за плоскостью раскрыва f D3, и угол раскрыва 2 max   . В короткофокусной ан4тенне фокус находится между зеркалом и плоскостью раскрыва и фокусное расстояние удовлетворяет условию f D3и 2 max   .4Как показывает электродинамический анализ параболических антенн, их параметры зависят от относительного фокусного расстояния f / D3 . ЗависимостьКИП антенны от фокусного расстояния показана на рис. 5.8. Если f / D3уменьшается по отношению к оптимальному значению, то ДН облучателя окажется меньше угла раскрыва зеркала и результирующий КИП уменьшится. Если, наоборот, f / D3 сильно возрастет, то часть мощности облучателя будет100«переливаться» за края антенны и поэтому не будет участвовать в формировании ДН антенны, в результате КИП антенны также упадет.Ход лучаρD3F2θmaxРис.

5.7. Зеркальная параболическая антенна1,0КантККИПип антКИПипоблобл(f / D3)оптРис. 5.8. Зависимость КИП антенны от фокусного расстояния101f / D3Расчетами установлено, что оптимальный уровень облучения краев зеркалаоблучателем должен составлять примерно –10 дБ относительно середины раскрыва. Ширина луча (в градусах) при этом составляет60  70 D3,(5.36)а уровень первого бокового лепестка – примерно (–22;–24) дБ.Если известно отношение f / D3 и требуемый спад амплитуды на краю антенны, то можно рассчитать ширину диаграммы облучателя по уровню 3 дБ. Нарис.

5.9 приведены кривые ширины ДН облучателя в зависимости от f / D3 дляпараболического зеркала со спадом амплитудного распределения на краях на 10и 20 дБ.Ширина ДН на уровне 3 дБ160140120Уменьшение амплитуды накраях апертуры на 10 дБ1008060Уменьшение амплитуды накраях апертуры на 20 дБ40200.2 0.4 0.6 0.8 1.0F/DРис. 5.9. Ширина ДН рупорного облучателя по уровню 3 дБ от отношения F/Dдля параболоидов с уменьшением амплитуды на 10 и 20 дБВыбор типа ДН облучателя может диктоваться, помимо амплитудного распределения, и другими соображениями. Например, для многих приемных антенн условия максимального к.н.д. и отсутствие заметного «переливания» энергии облучателем может оказаться важнее, чем малые боковые лепестки.

В этомслучае может потребоваться, чтобы ДН облучателя давала более равномерноеосвещение апертуры и меньший спад амплитуды на краях.Назовем наиболее важные факторы, влияющие на КИП антенны.– вид амплитудного распределения в раскрыве, определяющий соответствующий вид КИПа;102– эффективность облучателя КИПобл определяет долю мощности излучения,попадающего на зеркало. Его можно определить с помощью формулы:КИП обл  max0F2 ( )  sin( ) d /  F2 ( )  sin( )d ,(5.37)0где F ( ) – амплитудная ДН облучателя, обладающая симметрией относительно оси вращения;– затенение части поверхности раскрыва зеркала облучателем и его конS  Sт, где S – общая плострукцией.

Величина затенения определяет КИП т Sщадь раскрыва, Sт – площадь затенения;– ответвление электрических токов на теневую поверхность зеркала. Соответствующий КИПдф рассчитывается методом теории дифракции;– влияние кроссполяризации. Учитывается множителем КИП;– фазовые ошибки в распределении эквивалентных поверхностных токов враскрыве, которые вызываются систематическими и случайными причинами.Систематические причины вызваны несферичностью фазовых характеристикДН облучателя, неточностью установки в фокусе. Случайные ошибки вызываются неточностью изготовления профиля зеркала, температурными и временными деформациями зеркала;– омические потери в отражающих поверхностях и неидеальных диэлектриках, влияющие на к.п.д.

антенны  a ;В результате воздействия указанных факторов результирующий КИП параболических антенн составляет 0,5  0,65 достигая в лучших образцах 0,75.Важным структурным элементом зеркальных антенн является облучатель.Он должен соответствовать следующим требованиям:1.

Его амплитудная ДН должна обеспечивать выбранное амплитудное распределение в раскрыве с минимальным побочным излучением.2. Фазовая характеристика векторной ДН должна иметь фазовый центр, совпадающий с фокусом антенны.3. В осесиммметричных антеннах размер облучателя не должен даватьбольшую площадь затенения раскрыва антенны.4. Облучатель должен обладать достаточной электрической прочностью илинейностью в диапазоне подводимых мощностей.5. Широкополосность облучателя должна соответствовать рабочей полосеантенной системы в целом.Наибольшее распространение в антеннах БРК получили рупорные облучатели.1035.8. Рупорные антенныРупорные антенны в технике БРК широко применяются в качестве самостоятельных бортовых антенн, облучателей бортовых зеркальных антенн и антеннназемного контрольно-измерительного комплекса.

На рис. 5.10 приведен примерконфигурации пирамидального рупора. В этом рупоре на выходе образуется сферическая волна с фазовой скоростью, приближающейся к скорости света. Вследствие этого отражение волны от открытого выхода незначительно и рупор как бысогласовывает возбуждающий прямоугольный волновод с открытым пространством. Для оптимизированного рупора с допустимым уровнем неравномерностиамплитудного распределения и квадратичных фазовых искажений КИП составляет примерно 0,5. Наряду с рупорами с прямоугольным сечением широко используются рупоры с круглым сечением раскрыва (конические рупоры).ybH10xaРис. 5.10.

Пирамидальный рупорКонические рупоры, по существу, представляют расширение открытого концакруглого волновода, возбуждаемого волной H11. Излучение конического рупорааналогично возбуждению пирамидального, он также имеет оптимальные размеры.В качестве облучателей зеркальных антенн рупорные антенны с прямоугольным раскрывом используются редко, так как они не обеспечивают осесиметричные ДН и из-за искривленности силовых линий электрического и магнитного полей в раскрыве обладают значительными кроссполяризационнымиискажениями.Наибольшее применение в качестве облучателей получили рупорные облучатели конического типа с внутренней гофрированной поверхностью(рис.

5.11). Кольцевые азимутальные канавки в нем имеют глубину 4и шагне более 0,1   . Электродинамический анализ показывает, что в такой структуре возбуждается волна Н11, силовые линии которой почти не искривляются впространстве. Это обеспечивает симметричность ДН и отсутствие кроссполяризационных искажений. Частотные свойства гофрированного облучателя слабозависят от внутреннего диаметра 2  a . По данным расчетов и экспериментов,даже при 50%-ном изменении частоты ширина ДН рупора меняется примернона 3  7 %.104EHабРис. 5.11. Гофрированный рупорный облучатель: а – осевой разрез;б – распределение полей E и H в поперечном сеченииС использованием оптимизированного гофрированного рупора можно получить КИП зеркальной антенны до 0,9 и выше.5.9.

Типы применяемых зеркальных антеннПри создании антенных систем БРК стремятся максимально оптимизироватькак электрические, так и конструктивные параметры антенн.Для повышения КИП зеркальных антенн за счет уменьшения потерь на затенение основного рефлектора облучателем и его конструкцией используютсяантенны с облучателем, вынесенным из прожекторной части поля излучениярефлектора, – офсетные антенны.

Оптическая схема однозеркальной офсетнойантенны, выполненной на базе неосесимметричной вырезки из параболоидавращения, использованной в БРК «Ямал-300К» для АФУ С-диапазона, показанана рис. 5.12.Рис. 5.12. Оптическая схема 2-фидерной офсетной однозеркальной антенны С-диапазона105Рис. 5.13. Оптическая схема 2-зеркальной антенныДля повышения эффективности излучения основным рефлектором антенныи уменьшения размеров в направлении фокуса широко используются 2-зеркальные антенны Грегори.

Характеристики

Список файлов книги