4.3. Антенны земных станций ссп.

Антенны многих радиосистем часто полностью определяют их предельно достижимые характеристики, такие, как дальность действия, широкополосность, точность определения координат, разрешающую способность и т.д. в ряде случаев антенна может сочетать в себе также и функции приемника и передатчика – это так называемые активные антенны. Разнообразие типов антенн применяемых в ССП в настоящее время чрезвычайно велико, однако наиболее распространенными являются зеркальные антенны.

Зеркальные антенны – наиболее часто применяемый тип остронаправленных антенн в диапазоне СВЧ. Широкое распространение зеркальных антенн объясняется главным образом принципиальной простотой радиотехнического устройства, возможностью получения высокой направленности, сохранением направленных свойств в широкой полосе частот, малыми активными потерями, простотой конструкции и т. д. Зеркальные антенны позволяют удобно формировать диаграммы направленности различной формы и управлять ими. Простейшие однозеркальные антенны выполняются обычно в форме параболоида вращения (вырезки из параболоида) или параболического цилиндра. Облучатель находится в фокусе параболического зеркала, которое преобразует сферический фронт волны, создаваемый облучателем, в плоскую волну. Параболический цилиндр трансформирует цилиндрическую волну, формируемую линейным источником, расположенным вдоль фокальной линии, также в плоскую волну. В тех случаях, когда требуется создать диаграмму направленности специальной формы, применяются зеркальные антенны с зеркалами, отличными от параболических.

Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: осесимметричными и офсетные (рис.4.8)

а б

Рис. 4.8. Внешний вид конструкции осесимметричной параболической антенны-а и офсетной параболической антенны -б.

Основой осесимметричной параболической антенны служит металлическое зеркало (рефлектор). Действие параболического рефлектора при передаче основано на том, что расходящиеся лучи электромагнитной энергии (радиоволны, свет), идущие от источника (облучателя), находящегося в фокусе, после отражения от поверхности рефлектора становятся параллельными. При приеме падающие на зеркало параллельные лучи электромагнитной энергии фокусируются на облучателе.

Офсетная антенна является вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. Облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, что увеличивает устойчивость антенны при ветровых нагрузках.

Каждая антенна описывается рядом характеристик, которые являются общими для всех антенн. Особое значение имеют характеристики направленности. Именно благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового вещания.

Представление о распределении энергии волн дает амплитудная характеристика направленности. Характеристика направленности приемной антенны определяется величиной наводимой в ней электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от направления в пространстве (или от угла падения приходящей волны). Направление определяется азимутальным  и меридиональным , углами сферической системы координат (рис.4.9). При этом поле измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предполагается, что потери отсутствуют.

Рис. 4.9. Сферические координаты точки наблюдения.

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности, которая определяется зависимостью напряжённости поля или плотности потока мощности от направления в пространстве.На рис.4.10 представлены нормированные (F = f (,) / f_макс (,)) диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат. Область 1 называют основным (главным) лепестком, области 2 – заднего и боковыми лепестками. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень заднего и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.

Рис. 4.10. Диаграммы направленности.

Направленное действие антенны оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы.

Под шириной 2_0,5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.4.8), а поток мощности соответственно уменьшается вдвое.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД). КНД (D) – это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения

Рис.4.11. Диаграмма направленности приемной антенны

антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих условиях):

D =P_0 / P_ ,

где P_0 – мощность излучения направленной антенны; P_ - мощность излучения ненаправленной антенны.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных потерь в антенне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД :

G=D.

На коэффициент усиления влияет ширина диаграммы направленности. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления G и, как следствие, падению мощности сигнала на выходе приемника.

К уменьшению G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников – ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т. д. – см.рис.4.12.

Рис. 4.12. Влияние боковых лепестков диаграммы направленности на помехозащищенность приемной установки

Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки. Именно поэтому вводятся международные нормы на уровень огибающей диаграммы направленности. Важно и то, что радиосигналы, приходящие на вход приемника через боковые лепестки, в значительной мере определяют уровень собственных шумов антенны.

Если известны геометрические размеры антенны, то коэффициент усиления можно найти

G = (d_a/ )² _исп,

где d_a – диаметр раскрыва антенны, _исп - коэффициент использования поверхности антенны.

Важными характеристиками антенн космической связи явля­ются также шумовая температура и «шумовая добротность», равная отношению коэффициента усиления G антенны к полной (суммарной) шумовой температуре антенны и приемного устройства , измеренной в Кельвинах при угле места 5°. Величина отношения G/ выражается в децибелах. Сформулируем основные требования к антеннам ЗССС:

• Высокий коэффициент усиления при достаточно высоком коэффициенте использования поверхности.

• Низкий уровень боковых лепестков.

• Малое значение шумовой температуры.

• Динамические характеристики и конструкции антенны, обеспечивающие сохранение электрических характеристик и надежную работу в заданных климатических условиях.

Помимо однозеркальных антенн в области космической связи получили большое распространение двухзеркальные антенны.

Основными достоинствами осесимметричных двухзеркальных антенн по сравнению с однозеркальными являются:

1. Улучшение электрических характеристик, в частности повы­шение коэффициента использования поверхности раскрыва антен­ны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию рас­пределения амплитуд по поверхности основного зеркала.

2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.

3.Уменьшение длины волноводных трактов между приемо­передающим устройством и облучателем, например, путем разме­щения приемного устройства вблизи вершины основного зеркала.

Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

Осесимметричные двухзеркальные антенны строятся по схеме Кассегрена и Грегори.

Принцип их работы пояс­няется на основе законов геометрической оптики.

Схема Кассегрена 9 используется при построении антенных устройств в диапазоне СВЧ при достаточно большом отношении диаметра раскрыва антенны к длине волны. Основное зеркало в схеме Кассегрена (рис.4.13) является симметрично усеченным параболоидом вращения.

Рис. 4.13. Схема Кассегрена Рис.4.14. Схема Грегори

Вспомогательное зеркало в схеме Кассегрена — симметрично усеченный гиперболоид вращения. Гиперболоид софокусен пара­болоиду. Фокальные оси гиперболоида и параболоида совпадают. Второй фокус гиперболоида находится на оси сим­метрии и обычно расположен вблизи вершины параболоида. В последнее время часто применяются антенны Кассегрена в офсетном варианте.

В схеме Грегори основное зеркало в антенне, как и в схеме Кассегрена, является симметрично усеченным параболоидом. Вспомогательное зеркало (рис.4.14) - симметрично усеченный эллип­соид вращения, конфокальный параболоиду с фокаль­ной осью, совпадающей с фокальной осью параболоида. Вто­рой фокус эллипсоида  лежит на оси параболоида и обычно располагается вблизи вершины параболического зеркала. С этим фокусом совмещается фазовый центр источника.

По схеме Грегори реализуются только длинно­фокусные антенны.

Для приема ТВ программ со спутников используются также так называемые фазированные антенные решетки (ФАРы) и активные фазированные антенные решетки (АФАРы) [7,10]. Однако из-за своей высокой стоимости они не нашли пока широкого применения, но в недалеком будущем громоздкие массогабаритные параболоидные антенные системы с электромеханическим наведением на спутники уступят место АФАРам с электронным наведением.