АНТЕННЫ СВЧ

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АНТЕННАМ

Радиорелейные линии (РРЛ) являются одним из основных средств связи для передачи телевизионного и звукового вещания, многока­нальной телефонии и других сигналов. Различают РРЛ прямой видимости, тропосферные и спутниковые. Для РРЛ прямой ви­димости выделены полосы частот 1,75... 2,0; 3,4 ... 3,9; 5,67... 6,17; 7,9 ...8,4 и 10,7... 11,7 ГГц.

К антеннам РРЛ прямой видимости предъявляются следующие основные требования:

1. Высокий коэффициент усиления. Так, для диапазо­на 2 ГГц применяют антенны с КУ относительно изотропного из­лучателя 30 ... 35 дБ, для 4 ГГц— 39 ... 43 дБ и для 6 ГГц — 43 ... ... 46 дБ. Увеличение КНД и КУ осуществляется сужением харак­теристик направленности. Для антенн с относительно небольшим уровнем боковых лепестков КНД и ширина ДН по уровню 50% мощности в градусах в плоскостях Н и Е связаны соотношением D= (32000 ... 36000)/φН0, 5 φЕ0, 5 (12.1)

2. Высокое защитное действие антенны, малый уровень боковых лепестков (65…70 дБ) в интервале уг­лов 90.... 270°. В случае слабого защитного действия антенн на­блюдаются помехи от аналогичных и других радиосистем.

3. Малый уровень перекрестной поляризации. Антенна должна обеспечивать развязку но поляризации на 30...35 дБ.

4. Широкая полоса рабочих частот. Желательно одну антенну использовать на нескольких частотных диапазонах.

5. Хорошее согласование антенны с волноводом: Кбв>0,97. Наличие отраженных волн приводит к появлению паразитной модуляции по частоте, которая проявляется в форме шумов.

6. Устойчивость к внешним воздействиям. Конст­рукция должна исключать влияние порывов ветра, гололеда и осадков на параметры антенны.

В настоящее время на РРЛ прямой видимости применяются передатчики мощностью 2 ÷ 10 Вт и в последнее время даже 0,5 Вт и менее. Расстояние между промежуточными пунктами составляет 40 ÷ 60 км и высота мачт 50 ÷ 100 м. В городских условиях для организации связи между базовыми станциями сотовой связи дальность связи бывает до 0, 5 – 1,5 км. При этом, чем меньше расстояние, тем выше используется рабочая частота. Для устойчивой связи необходимо, чтобы коэффициент усиления антенны составляет 1000 ÷ 40000 (30 ÷ 46 дБ). Обычно антенны дециметровых волн обладают коэффициентом усиления примерно 30 дБ и антенны сантиметровых волн 40 ÷ 46 дБ.

На магистральных РРЛ большой емкости применяют, как правило, двухчастотную схему, которая, как известно, требует защитного действия антенн не менее 65 ÷ 70 дБ.

Для увеличения переходного затухания между трактами приема и передачи, излучаемое и принимаемое антенной поля должны иметь взаимно перпендикулярные поляризации. Для этого линии питания и облучатель антенны должны быть выполнены так, чтобы было можно одновременно передавать и принимать волны с различными поляризациями, и диаграмма направленности антенны должна быть осесимметричной.

Отраженные волны в тракте питания приводят к нелинейности фазовой характеристики последнего, что вызывает нелинейные искажения в сигнале. Допустимая величина коэффициента отражения, вызванного рассогласованием линии с антенной, для многоканальных систем не должна превышать 2 % во всей рабочей полосе частот. Для этих систем полоса частот, удовлетворяющая данному требованию, должна составлять 10 ÷ 15 % от несущей частоты высокочастотного сигнала.

Конструкция антенны должна быть жесткой, чтобы при порывах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину. Атмосферные осадки не должны попадать в тракт питания антенны, т.к. это приводит к увеличению затухания в тракте и к рассогласованию. Антенна должна иметь возможность поворота в небольших пределах с целью точной установки направления максимального излучения на корреспондента.

Выбор типа антенны для РРЛ в основном определяется рабочим диапазоном волн, емкостью линии, от которой зависит ширина полосы рабочих частот, а также схемой распределения частот (двухчастотная, четырехчастотная).

В диапазоне метровых волн, обычно используемых на линиях малой емкости, широко применяются многовибраторные синфазные антенны. На дециметровых волнах, а также на линиях малой емкости могут применяться антенны этих же типов, а также антенны зеркального (параболического) типа.

Параболические антенны широко применяют в дециметровом диапазоне на линиях средней емкости. В сантиметровом диапазоне волн на линиях малой и средней емкости применяются, главным образом, параболические антенны.

На магистральных РРЛ большой емкости и большой протяженности, работающих в сантиметровом диапазоне волн, применяют параболические, рупорно-параболические, параболические с вынесенным облучателем и двухзеркальные антенны. Как правило, одна антенна РРЛ используется одновременно для передачи и для приема.

1 2.2. Излучение поверхностных антенн

С увеличением частоты антенны с большим КНД выполнить в виде системы вибраторов затруднительно. Большое число виб­раторов и их малые размеры существенно усложняют систему пи­тания и не позволяют получить широкую полосу рабочих частот. В диапазонах дециметровых и более коротких волн широко рас­пространены антенны, выполненные в виде излучающих поверх­ностей—это рупорные и зеркальные антенны. Параметры антенн этого типа определяются площадью и формой излучающей поверхности (раскрыва), распределением амплитуд и фаз поля в раскрыве.

Рассмотрим излучение плоской поверх­ности прямоугольной формы, возбужден­ной в каждой точке поверхности полем одинаковых фаз и амплитуд. Для оп­ределения ДН в горизонтальной плоскости излучающую поверхность представим в виде суммы большого числа узких вертикальных полосок (рис.). Верти­кальный размер (высота) полоски на ДН в горизонтальной плос­кости влияния не оказывает. В этом случае множитель ДН F(φ)=Fсн(φ) F1(φ) Здесь F1(φ)=1+cosφ — множитель ДН элемен­та излучающей поверхности с малыми относительными размера­ми; Fсн(φ)—нормированный множитель системы. При равенст­ве амплитуд и фаз поля в раскрыва нормированный множитель системы является множителем синфазной решетки. В дан­ном случае число полосок велико (n→∞), а их ширина мала (d→0). Вместе с этим сумма всех полосок составляет длину раскры­ва, т. е. nd=L. Множитель 0,5kd=nd/λ, — мал, следовательно, в знаменателе функцию синуса можно заменить его аргументом. Произведя замены

nd = L, sin (0,5nkd sinφ) =sin(0,5kl sin (φ) и nsin (0,5kd sinφ)≈ 0,5kL sinφ, получим

Fсн(φ) =sin(0,5kL sinφ )/0,5kL sinφ . (12.2)

Для антенн с большим раскрывом (L>>λ) направленными свойствами F1(φ) можно пренебречь и учитывать только множитель системы. Исследуем его. В выражении (12.2) угол φ отсчитывается от нормали к излучающей плоскости. При φ = 0 выражение (12.2) имеет вид неопределенности типа 0/0. Раскрывая неопределенность заменой функции синуса его аргументом sinx=x при x→0, получаем Fсн(φ=0)=1, что соответствует максимуму излучения в направлении φ=0. Ширина главного лепестка ДН будет такая же, как и для синфазной решетки; sinφ0=λ/L. Для антенн с большими линейными размерами, когда ширину ДН определяют по упрощенным формулам: φ0 = λ/L, рад, или 57,3° λ/L и φ0,5=0,88 λ/L., рад, или 50,8°x/L. Уровни боковых лепестков определяются приближенным равенством KР = 2/(2р+1)π, где р — порядковый номер лепестка. Для первого бокового лепестка K1 =0,212 или —13,4 дБ.

С увеличением частоты или размера излучающей поверхности ДН антенны сужается.

В общем случае для излучающей поверхности произвольной формы с различными амплитудным и фазовым распределениями поля на этой поверхности ДН определяется суммой полей, создан­ных элементарными участками излучающей поверхности.

Множи­тель ДН, например, прямоугольной поверхности, возбужденной синфазно, но с амплитудами поля, максимальными в центре и спадающими до нуля на его краях

по закону Е(х) =E₀sin(πx/L), определяется формулой

F(φ) = F1(φ)cos (0,5kLsin φ)/((0,5π)²— (0,5kL sin φ)²).

Ширина ДН в этом случае φ₀= 1,5 λ/L, рад, или 86°λ/L и φ_0,5 = 1,2 λ/L, рад, или 69° λ/L. Уровни боковых лепестков опреде­ляются уравнением К_Р = 1/(4(р+1)²— 1). Для первого бокового лепестка р = 0 и K₁=0,067 или —23 дБ.

В антеннах с неравномерным амплитудным распределением участки раскрыва с малыми амплитудами поля вносят соответ­ственно и малый вклад в создание поля излучения в главном на­правлении. Уменьшение амплитуд поля от центра к краям рас­крыва приводит к расширению ДН. В этом случае менее эффек­тивно используется поверхность раскрыва антенны, уменьшается КНД, но вместе с этим понижаются уровни боковых лепестков.

Характеристика направленности и КНД существенно зависят от распределения фаз поля в раскрыве антенны. При синфазном возбуждении в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва поля, созданные отдельными участками раскрыва складыва­ются синфазно и результирующее поле оказывается максималь­но возможным для данной антенны. При наличии фазовых иска­жений в раскрыве в этом направлении результирующее поле ос­лаблено и направленные свойства антенны ухудшаются. Откло­нение поля в раскрыве от синфазного может быть вызвано конст­рукцией антенны и, как следствие, недостаточно точным ее изго­товлением или специально заданным, например, для управле­ния ДН.

Любое распределение фаз вдоль линии раскрыва, например в направлении оси х (рис. 12.1), можно представить в виде степен­ного ряда: Ф(х)=Ф₀+Ф₁х+Ф₂х²+Ф_зх³+... При этом распреде­ление фазы поля характеризуют средней фазой Ф₀, соответствую­щей полю в центре, и отклонениями фаз от Ф₀ в других точках. Эти отклонения называются фазовыми искажениями. В соответ­ствии с приведенной выше формулой различают фазовые искаже­ния линейные, когда Ф(х)=Ф₁х, квадратичные, соответствующие распределению Ф₂х², кубичные и т. д. Влияние на ДН антенны удобно рассматривать раздельно для линейных, квадратичных, кубичных и других фазовых искажений. Как указывалось, при синфазном возбуждении направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости фронта волны (рис. 12.2,а). При линейном изменении фаз происходит наклон фронта излуча­емой волны, а, следовательно, и отклонение главного излучения от нормали к плоскости раскрыва в сторону запаздывающих фаз (рис. 12.2,б). При квадратичных фазовых искажениях (рис. 12.2,б) направление максимального излучения совпадает с нормалью к плоскости раскрыва, так как симметричному распределению фаз соответствует и симметричная ДН. При квадратичных искажени­ях вместо нулей в ДН образуются минимумы, которые с ростом Ф₂ увеличиваются и сливаясь с основным лепестком, расширяют его. При максимальной разности фаз, большей π, наблюдается раздвоение главного лепестка с сохранением его симметрии. При кубических искажениях (рис. 12.2,г) происходит отклонение глав­ного лепестка ДН от нормали к излучающей поверхности в сто­рону запаздывающих фаз. Одновременно увеличиваются уровни боковых лепестков, смещенных в сторону запаздывающих фаз.