Особенности антенн для телевидения, радиорелейных линий и космической радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ АНТЕНН ДЛЯ ТЕЛЕВИДЕНИЯ, РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ И КОСМИЧЕСКОЙ РАДИОСВЯЗИ

1. Телевизионные антенны

1.1 Передающие телевизионные антенны

В настоящее время принято различать наземное и спутниковое телевизионное вещание (ТВ). Передающие антенны наземного ТВ располагаются на телевизионных башнях, а спутникового ТВ - на ИСЗ, через которые осуществляется ретрансляция телевизионных передач.

Рассмотрим передающие антенны наземного ТВ. Оно ведется на волнах метрового и дециметрового диапазонов. Для расширения зоны уверенного приема антенны передающих телецентров следует располагать на специальных башнях высотой в сотни метров. При этом увеличиваются механические нагрузки, создаваемые ветром, а также вероятность попадания в антенну грозовых разрядов. В связи с этим телевизионные передающие антенны должны иметь повышенную механическую и электрическую прочность. Желательно, чтобы напряженность поля во всех точках территории, обслуживаемой телецентром, была приблизительно одинаковой. Как правило, телецентр находится в центре обслуживаемой территории, поэтому антенна не должна обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости. В тех случаях, когда телецентр располагается ближе к краю обслуживаемого региона, передающая антенна может обладать такими свойствами. Однако и в данном случае ее ДН должна быть, как правило, довольно широкой. Сужение ДН антенны в вертикальной плоскости и, как следствие, увеличение напряженности поля на большом расстоянии от антенны достигаются увеличением вертикального размера антенны. Для снижения уровня помех при приеме желательно, чтобы излучаемые антеннами, электромагнитные волны имели горизонтальную поляризацию. В связи с этим для передачи и приема телевизионных сигналов применяют, как правило, горизонтальные вибраторные антенны. Передающая телевизионная антенна должна пропускать без заметных отражений всю рабочую полосу частот передаваемых телевизионных каналов. Наличие отражений в фидерном тракте приводит к повторным контурам изображений. Чтобы в необходимой полосе частот телевизионные антенны обладали почти чисто активным входным сопротивлением примерно постоянного значения и хорошо согласовывались с фидерными линиями, применяют вибраторы с пониженным волновым сопротивлением. При этом КБВ в питающей линии (в качестве фидеров обычно применяют коаксиальные линии) во всей полосе пропускания антенны должен быть не менее 0,9. Напряженность поля электромагнитной волны убывает пропорционально расстоянию, поэтому для равномерного облучения всей территории, обслуживаемой телецентром, необходимо, чтобы антенна в вертикальной плоскости имела ДН, обеспечивающую возрастание напряженности поля прямо пропорционально расстоянию (так называемую ДН косекансного вида F(?) = cosec?). На практике обычно ограничиваются формированием ДН, максимум которой в вертикальной плоскости составляет некоторый угол ?mах = 2°...3° с линией, параллельной линии горизонта. Ширина главного лепестка ДН должна быть достаточно узкой, чтобы ослабить излучение в полупространство выше линии горизонта. Регулирование направления максимального излучения можно осуществлять путем соответствующих сдвигов фаз между токами в различных этажах антенны. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности вибратор может быть не сплошным, а состоять из отдельных горизонтальных стержней. Существуют различные конструкции передающих телевизионных антенн. В отечественной технике используют, в основном, панельные антенны и антенны с радиальными штыревыми вибраторами. Многоэтажные турникетные антенны, базирующиеся на применении плоскостных Ж - образных вибраторов, использовались ранее в метровом диапазоне волн. Каждый этаж этой антенны выполнялся из двух таких взаимно перпендикулярных вибраторов высотой около 0,6?0 (?0 - средняя длина волны), что обеспечивало при питании вибраторов с фазовым сдвигом 90° почти круговую ДН в горизонтальной плоскости. Обычно неравномерность ДН в горизонтальной плоскости не превышала ±3 дБ. Каждый из вибраторов присоединялся накоротко к мачте как в точках В, В', так и в точках А, А'. Питание к вибратору подводилось в середине (точки С, С') с помощью коаксиальной линии и симметрирующего устройства, помещаемого внутри мачты. Антенны, выполненные из таких вибраторов, имели полосу пропускания примерно (15...20)% и позволяло одновременно работать на нескольких телевизионных каналах.

При больших размерах поперечного сечения опор, диктуемых механическими требованиями, применение турникетных схем, как правило, исключается. В этом случае наиболее целесообразно использовать кольцевые антенны. Излучатели в антенне располагаются вокруг опоры. Степень равномерности ДН в горизонтальной плоскости зависит от разноса между излучателями (чем больше, сечение опоры, тем сильнее неравномерность ДН при заданном числе излучателей).

При квадратной форме поперечного сечения опоры удобно применять панельные антенны. Основным элементом такой антенны является блок (панель). Панель антенны, состоящая из двух одноволновых вибраторов цилиндрической формы, расположенных над апериодическим рефлектором, имеющим решетчатую конструкцию. Вибраторы укорочены и соединены между собой симметричной линией, к центру которой подключается симметрирующее устройство. в приведена панель из двух полуволновых вибраторов, выполненных из стальных оцинковых полос. Симметричная двухпроводная линия с WСЛ = 150 Ом выполняется из труб диаметром 20...35 мм. Расстояние между вибраторами берут равным 0,5?. Согласование осуществляется подбором расстояний от вибраторов до короткозамыкающих мостико. Симметрирующее устройство выполнено в виде согнутой четвертьволновой приставки. Панели крепятся параллельно граням опоры в несколько этажей, расстояние между которыми берется близким к ?0/2, где ?0 -средняя длина волны рабочего диапазона частот. Для получения ненаправленной ДН в горизонтальной плоскости при размерах сечения опор, обычно применяемых на практике, ограничиваются четырьмя излучателями. Для реализации круговой ДН в горизонтальной плоскости все четыре панельных вибратора каждого этажа должны питаться синфазно. Часто для достижения высокого уровня согласования между парами вибраторов одного этажа обеспечивают сдвиг фаз 90°. В этом случае при питании двух одинаковых нагрузок разветвляющимся фидером из-за взаимной компенсации их реактивных сопротивлений улучшается согласование антенны. Одновременно происходит некоторый рост неравномерности ДН по сравнению с синфазным питанием. При синфазном возбуждении согласование может быть улучшено за счет междуэтажной компенсации, осуществляемой введением фазовых сдвигов между токами в соседних этажах. Эти же фазовые сдвиги используются одновременно для создания нужного наклона ДН в вертикальной плоскости. При круглой форме опоры более удобно применение радиальных вибраторов, установленных непосредственно на опоре. При размещении на круглой опоре диаметром 0,7?0 восьми штыревых вибраторов (в плоскости поперечного сечения), питаемых по схеме вращающегося поля (ток в каждом следующем вибраторе сдвинут относительно предыдущего по фазе на 45°), в горизонтальной плоскости обеспечивается достаточно равномерное излучение. Для наклона ДН в вертикальной плоскости вниз применяется расфазировка питания вибраторов по этажам. Спутниковое ТВ, в отличие от наземного, ведется чаще всего в сантиметровом диапазоне волн.

1.2 Приемные телевизионные антенны

Приемные телевизионные антенны, как и передающие, должны быть хорошо согласованы с линией питания в требуемой полосе частот. Так как телевизионные сигналы приходят с определенного направления, то приемная антенна должна обладать направленными свойствами как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. При этом максимум ДН должен быть ориентирован на передающий телецентр. Выбор типа приемной антенны зависит от расстояния между пунктом приема и передающим центром, чувствительности телевизионного приемника и мощности передатчика. На близких расстояниях от телецентра могут применяться комнатные антенны в виде симметричных вибраторов. По мере удаления от телецентра приемные антенны усложняются и увеличивается их высота подвеса. Наиболее широко используются директорные антенны с числом элементов от трех до семи. На больших расстояниях от телецентра число элементов директорной антенны и высота подвеса должны возрастать. Антенны выполняются из стальных или дюралевых труб диаметром 6...22 мм и жестко крепятся к поддерживающим опорам. На метровых волнах (каналы с 1-го по 12-й) чаще всего применяются антенны типа «волновой канал» (трех-, пяти- и семиэлементные).На дециметровых волнах (каналы с 21-го по 40-й) используются более направленные многоэлементные антенны того же типа. Необходимость применения в дециметровом диапазоне антенн с большим КНД объясняется следующими обстоятельствами. При фиксированной напряженности поля в точке приема с уменьшением длины волны уменьшается мощность, выделяемая в нагрузке антенны.Следовательно, при одинаковом числе элементов в вибраторной антенне мощность, выделяемая на входе телевизионного приемника, на дециметровых волнах меньше, чем на метровых. Проигрыш этот можно скомпенсировать, если применить на дециметровых волнах многовибраторные антенны с большим числом элементов, что и принято на практике. В качестве активного вибратора, с которого снимается сигнал, идущий к приемнику, обычно используется петлевой вибратор. Его, как известно, удобно крепить к несущей стреле без изоляторов. Рефлектор может быть как одиночным, так и сдвоенным.

Последний представляет собой два вибратора, разнесенных в вертикальной плоскости симметрично по отношению к плоскости антенны. Сдвоенный рефлектор по сравнению с одиночным снижает уровень задних и дальних боковых лепестков и расширяет полосу частот, в которой антенна сохраняет, направленные свойства. Подбором длин директоров и расстояний между ними обеспечиваются оптимальные электрические параметры антенны. Трехэлементные антенны, работающие в метровом диапазоне волн, обеспечивают ширину главного лепестка 2?0 = 60...66°, УБЛ = -(15...17) дБ, коэффициент усиления G = 5...6,5 дБ. У пятиэлементных антенн аналогичные параметры составляют: 2?0 = 48...54°, УБЛ = -(16...18) дБ; G = 8...9 дБ. Подключение кабеля снижения с ZB = 75 Ом к петлевому вибратору производится через согласующую схему типа “U-колено”. Основными параметрами, характеризующими работу антенны в системе коллективного приема телевидения, являются: КУ, ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости, уровень боковых и задних лепестков, КБВ в фидере. Коэффициент усиления антенны определяет мощность, выделяемую антенной во входном сопротивлении приемника, а также отношение мощности полезного сигнала к мощности случайных помех, приходящих с произвольных направлений. Он должен быть достаточно постоянным в рабочей полосе частот. Неравномерность КУ в рабочей полосе частот серийно выпускаемых антенн не более 1 дБ. Уровень боковых и задних лепестков ДН характеризует степень защиты антенны от приема отраженных сигналов, создаваемых объектами, находящимися сбоку и сзади антенны, и должен быть не более -(12...16) дБ. Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости определяет область, из которой могут быть приняты мешающие отраженные сигналы. Уменьшение ширины главного лепестка в горизонтальной плоскости существенно улучшает защиту от отраженных сигналов при условии достаточно малого УБЛ. Прием наряду с основным сигналом, пришедшим непосредственно от антенны передающего центра, сигнала, отраженного от какого-либо объекта (например, стоящего сбоку здания), приводит к искажению изображения на телевизионном экране. Оно проявляется обычно в повторе изображения, смещенного по горизонтали. Кроме способов, указанных выше, ослабить прием отраженных сигналов можно дополнительной юстировкой антенны, совместив направление минимума, приема антенны с направлением прихода отраженного сигнала. Для этого достаточно повернуть антенну на небольшой угол; в данном случае незначительно снижается уровень основного сигнала. Высокое качество телевизионного приема в условиях одного многоквартирного дома обеспечивается системой коллективного приема телевидения. Система состоит из одной антенны типа «волновой канал», кабеля снижения, антенного усилителя, с выхода которого начинается магистральная линия. Эта линия проходит через распределительные коробки, расположенные на лестничных клетках каждого этажа. Из распределительной коробки часть мощности телевизионного сигнала ответвляется в абонентские линии. К выходу магистральной линии из распределительной коробки первого этажа подключено нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению магистральной линии 75 Ом. В сопротивлении поглощается оставшаяся часть мощности телевизионного сигнала, благодаря чему в магистральной линии обеспечивается режим бегущей волны. В данном режиме в магистральной линии отсутствуют отраженные волны, что исключает возможность искажения телевизионного сигнала и обеспечивает высокое качество телевизионного приема. Однако появление волн, отраженных от различных элементов распределительной сети, полностью не исключается. Поэтому для хорошего качества телевизионного изображения абонентские отводы связаны с магистральной линией через направленные ответвители, предотвращающие проникновение в отвод волны, двигающейся от магистральной линии к антенне (отраженной волны). Рассмотренная схема в идеальном случае полностью защищает абонентский отвод от обратных волн в магистрали, исключая потерю мощности полезного сигнала, и обеспечивает согласование на всех частотах как в абонентском отводе, так и в магистрали. На расстояниях от телецентра 50...60 км и более большое распространение в качестве индивидуальных приемных антенн получили так называемые зигзагообразные антенны. Они представляют собой широкополосную антенну, состоящую из двух разнесенных по вертикали и параллельно включенных рамочных антенн. Каждая из двух рамок образует квадрат с общей длиной всех четырех сторон, равной длине волны принимаемого сигнала. Эту конструкцию можно рассматривать как синфазную антенну, состоящую из четырех полуволновых вибраторов . Ток в каждой точке провода можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Вертикальные составляющие тока оказываются попарно противофазными, и их излучения в направлении нормали к плоскости рамки взаимно компенсируются (в режиме приема антенна не воспринимает поле вертикальной поляризации). Горизонтальные составляющие тока синфазны и создают максимальные поля в направлении нормали (в режиме приема с этого направления обеспечивается максимальное усиление). Коэффициент усиления антенны примерно равен коэффициенту усиления синфазной антенны, состоящей из четырех полуволновых вибраторов. Его можно увеличить на 2...3 дБ, если установить полотно рефлектора, состоящего, например, из ряда разнесенных по вертикали параллельных горизонтальных проводов.

В последние годы все большее распространение получают системы непосредственного спутникового ТВ. Для этого используются спутники геостационарной орбиты, поскольку период их обращения равен земным суткам. Такой, спутник как бы «висит» над определенной точкой Земли, что позволяет жестко фиксировать положение приемной телевизионной антенны. Для спутникового ТВ Регламентом радиосвязи выделен ряд поддиапазонов. Из них в настоящее время широко используются поддиапазоны 4...6 и 11...14 ГГц. В этих диапазонах для приема спутникового телевидения наиболее эффективными являются зеркальные антенны. Одна из антенн, изготавливаемых и серийно выпускаемых в СНГ, представляет собой двухзеркальную антенну, выполненную по схеме Кассегрена. Профили большого и малого зеркал этой антенны оптимизированы. В качестве основного требования к оптимизации профилей зеркал в процессе синтезирования принято обеспечение максимального значения КИП антенны. Геометрия антенной системы дана, где представлены профили зеркал и облучателя. Диаметр большого зеркала равен 2 м, малого зеркала-0,388м. Облучателем служит конический рупор с диаметром раскрыва 0,071 м. На частоте 11,3 ГГц коэффициент усиления G = 46,86 дБ. Ширина главного лепестка 2?0 = 0,7°, уровень первого бокового лепестка составляет-15дБ. ДН соответствует требованиям Международного Консультативного Комитета по Радио (МККР). Антенна рассчитана для работы на двух ортогональных (линейных или круговых) поляризациях поля. Переключение поляризации обеспечивается дистанционно с тюнера с помощью ферритового переключателя. Для снижения потерь в фидере в антенне имеется конвертор, преобразующий принимаемую частоту диапазона 10,9...11,7 ГГц в диапазон 0,9…1,5 ГГц. Сигнал от антенны к приемнику подводится коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением ZB=75 Ом.

2. Антенны радиорелейных линий

2.1 Антенны радиорелейных линий прямой видимости

К антеннам радиорелейных линий (РРЛ) прямой видимости предъявляются следующие основные требования:

1. Коэффициент усиления антенны, позволяющий использовать передатчики небольшой мощности, компактную и экономичную аппаратуру, должен быть 30...45 дБ.

2. Рабочая полоса частот антенно-фидерной системы должна обеспечить многоствольный режим работы, в котором на каждой станции на различных частотах работают несколько приемопередатчиков на общую антенну. Это повышает экономическую эффективность радиорелейной системы, так как стоимость антенных опор башен или мачт нередко превышает стоимость приемопередатчиков.

3. Коэффициент защитного действия антенны (отношение E?=180o/E? = 0o) должен быть равен -(60...70) дБ, что обусловлено при двухчастотной системе, применяемой на современных радиорелейных линиях, требованием высоких защитных свойств антенн от приема сигналов с обратного направления.

4. Для снижения уровня переходных шумов согласование антенны с фидерным трактом должно быть высоким; коэффициент отражения в тракте не должен превышать 2,5...3,5%.

5. Кроссполяризационная защита антенны, т.е. ослабление поля перекрестной поляризации при приеме с главного направления должна составлять 20...30дБ.

6. Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее помехозащищенность, определяется как электрической и конструктивной схемами выполнения антенны, так и влиянием дополнительных факторов (опоры, оттяжки и т.п.).

Для ориентировочной оценки уровня бокового излучения антенны в переднем полупространстве МККР дает следующую формулу для огибающих боковых лепестков G(?) = 52 - 10lg(D/?) - 25lg?, где D - диаметр антенны; ? - длина волны; ? - угол, отсчитываемый от направления максимального излучения, град. Радиорелейные линии занимают важное место в системах связи. Их протяженность в стране достигает тысячи километров, при этом расстояние между соседними станциями составляет в основном 40...70 км и каждая станция снабжена приемопередающей аппаратурой и антеннами. Тип антенн для РРЛ в основном определяется рабочим диапазоном частот и емкостью линии (числом телефонных или телевизионных каналов). На РРЛ прямой видимости, работающих в дециметровом диапазоне волн, в основном, применяются спиральные антенны, которые обеспечивают требуемые электрические характеристики, достаточно просты в изготовлении и испытывают небольшие ветровые нагрузки. При этом для увеличения КУ используются антенны, состоящие из двух или четырех параллельно включенных спиральных излучателей. При расстоянии между соседними ретрансляционными пунктами 40...70 км для устойчивой связи необходимо, чтобы КУ антенны составлял 30...48 дБ. Площадь излучающего раскрыва таких антенн составляет 2...15 м2. Ширина ДН 2?0,5 находится в пределах от 5° (при G = 30 дБ) до 0,7° (при G = 48 дБ). Радиорелейные линии большой емкости работают в сантиметровом диапазоне волн. Здесь, как правило, применяется двухчастотный план распределения частот. При этом на промежуточной станции передача в оба направления (прямое и обратное) ведется на одной частоте f1, а прием с обоих направлений - на другой частоте f2. Таким образом, антенна находится в поле действия двух сигналов, имеющих одинаковые несущие частоты f2, но приходящие с противоположных направлений. Для снижения помех между прямым и обратным каналом связи КЗД антенны ?зaщ = Еoбр / Епр должен составлять не более -(65...70) дБ. Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее помехозащищенность при приеме и оказывающий существенное влияние на ЭМС при передаче, должен быть по возможности мал. Необходимое переходное затухание между трактами приема и передачи (отношение мощности, излучаемой передающей антенной к мощности, просачивающейся в приемный тракт этой или рядом расположенной антенны) обеспечивается взаимно перпендикулярными поляризациями излучаемого и принимаемого антенной поля. Однако вследствие того, что излучаемое параболической антенной поле кроме составляющей с основной поляризацией имеет также составляющие перпендикулярной ей поляризации, возможен переход части мощности из канала передачи в канал приема. Во избежание связанных с этим искажений коэффициент поперечной (кросс) поляризации поля антенны должен составлять -(25...30)дБ, что достигается выбором типа параболического зеркала (лучше длиннофокусного) и облучателя (например, рупора). Отраженные волны в тракте питания приводят к нелинейности фазовой характеристики последнего, что вызывает искажения изображения при передаче телевидения, и появлению шумов в телефонных каналах. Допустимое значение коэффициента отражения, вызванное рассогласованием волнового сопротивления линии и входного сопротивления антенны, для многоканальных систем не должно превышать 2...3% во всей рабочей полосе частот. Для этих систем полоса частот, удовлетворяющая данному требованию, составляет 10...15% несущей частоты высокочастотного сигнала. Антенна должна иметь жесткую конструкцию, чтобы при порывах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину. Атмосферные осадки не должны попадать в тракт питания антенны, так как это приводит к увеличению затухания и рассогласованию тракта. Обычные одно- и двухзеркальные антенны, используемые в РРЛ, имеют ряд недостатков. Один из них - сложность получения в их раскрыве оптимального распределения амплитуды поля. Это обстоятельство, а также переливание поля от облучателя за края зеркала и затенение раскрыва облучателем не позволяют добиться достаточно низкого УБЛ и высокого КЗД. Кроме того, недостатком этих антенн является плохое согласование облучателя с фидером, определяемое перехватом облучателем части отраженных от зеркала лучей. Для уменьшения бокового излучения и увеличения КЗД применяют различного рода защитные экраны. Для антенн с КУ, равным примерно 40 дБ, КЗД составляет -(45...50) дБ, что недопустимо при использовании антенны на РРЛ, работающей по двухчастотному плану. У высококачественных антенн, снабженных защитными экранами, КЗД может быть снижен до -(55...70) дБ. На рис.12.8 изображена двухзеркальная симметричная антенна со смещенной фокальной осью (АДЭ - антенна двухзеркальная со смещенной фокальной осью и с эллиптической образующей малого зеркала), в которой эффект затенения отсутствует. В схеме такой антенны фокальная ось параболы, являющаяся образующей основного зеркала, не совпадает с осью симметрии. Фазовый центр 0 рупора, излучающего сферическую волну, расположен на оси симметрии антенны АА. Фокальная ось ВВ параболы BQ с фокусом в точке Fn смещена параллельно оси АА на расстояние d/2. Симметричная парабола B'Q' с фокусом в точке F'n также смещена от оси симметрии на d/2. В пространстве фокусы параболы располагаются на фокальном кольце с диаметром d. Фокус параболы Fn и фазовый центр рупора 0 выбираются в качестве фокусов эллипса. Вращением отрезка этого эллипса вокруг оси симметрии АА образована поверхность малого зеркала. Рассмотрим ход лучей в антенне. Лучи рупора, являющегося источником сферической волны, падая на поверхность малого зеркала, собираются в фокусах Fn и F'n. Эти точки могут быть представлены как точечные источники (в плоскости рисунка), облучающие параболы BQ и B'Q'. Следовательно, в раскрыве большого зеркала образуется синфазный волновой фронт с направлением распространения, совпадающим с осью симметрии. Чтобы исключить возврат части лучей в рупор после их отражения от малого зеркала, размер его раскрыва следует ограничить диаметром d. В этом случае параболоид полностью освещается полем, отраженным от малого зеркала, от начального значения угла ? = 0 ° до предельного угла раскрыва ? = ?0. Данная антенна по сравнению с обычными двухзеркальными антеннами обладает рядом преимуществ:

1) наличие конического острия на малом зеркале значительно ослабляет реакцию зеркала на облучатель и улучшает согласование антенны;

2) появляется возможность существенно сократить расстояние между облучателем и малым зеркалом и тем самым уменьшить утечку энергии за это зеркало и упростить его креплени

3) вследствие того, что лучи, идущие через область центра раскрыва облучателя (которым соответствует наибольшая плотность энергии), переизлучаются малым зеркалом на периферию параболоида, а лучи, отраженные от точек, находящихся вблизи краев вспомогательного зеркала (им соответствует меньшая плотность энергии), попадают на участки поверхности параболоида, близкие к его вершине, обеспечивается большая равномерность амплитудного распределения поля в раскрыве антенны (более высокий апертурный КИП). В последнее время значительно повысился интерес к антеннам с вынесенным облучателем (АВО). Однозеркальная АВО содержит: отражающее зеркало, представляющее собой вырезку из параболоида вращения цилиндром, ось которого смещена на некоторое расстояние относительно фокальной оси исходного параболоида; облучатель, в качестве которого используется расфазированный рупор с изломом образующей, поворотом оси и косым срезом раскрыва (РРИП); экран, увеличивающий ее КЗД. Оси малого и основного элементов рупора развернуты на некоторый угол ?. Так как при этом углы ?1 и ?2 оказываются различными, то вершина главного лепестка ДН рупора становится неосесимметричной. В перпендикулярной плоскости углы, аналогичные углам ?1 и ?2, остаются равными, а ДН симметричной. Срезав раскрыв основного рупора, не перпендикулярного его оси, можно устранить различную расфазировку поля в точках В и В', лежащих на границах раскрыва. Облучатель типа РРИП обеспечивает симметричное по главным осям возбуждение апертуры неосесимметричной антенны при очень малом УБЛ. Среди существующих антенн наименьшим боковым излучением (наилучшей помехозащищенностью) обладают рупорно-параболические антенны (РПА). Такая антенна состоит из питаемого волноводом пирамидального или конического рупора и непосредственно присоединенного к нему зеркала, являющегося частью параболоида вращения. Фокус параболоида F совпадает с фазовым центром рупора, находящимся у вершины последнего. Электромагнитные волны, исходя из рупора, отражаются от параболического зеркала. Фронт отраженной от зеркала волны близок к плоскому, и поверхность раскрыва зеркала (поверхность АВ) является синфазной. В такой системе почти вся электромагнитная энергия облучателя попадает на зеркало, что резко уменьшает задние лепестки ДН. Облучатель (рупор) не затеняет поверхность зеркала, что приводит к уменьшению УБЛ. Так как отраженная от зеркала энергия не попадает в рупор, то отсутствует реакция зеркала на облучатель. При использовании достаточно длинных рупоров, присоединяемых к волноводу с помощью плавных переходов, высокое согласование рупора и волновода обеспечивается в двухкратном диапазоне частот. В этом диапазоне может быть получен КБВ, равный, примерно 0,98. Коэффициент защитного действия РПА равен примерно -(65...70) дБ, КИП - около 0,65...0,75, коэффициент поперечной поляризации поля антенны в главном направлении составляет -(36...42) дБ. Обычно углы раствора рупора в плоскостях Е и Н выбираются в пределах 30...50°, а площадь раскрыва несимметричного параболоида (площадь апертуры антенны) составляет 5...15м2. Антенна может быть использована одновременно для приема и передачи радиоволн с взаимно перпендикулярной поляризацией, а также для излучения и приема радиоволн с круговой поляризацией (при соответствующих схемах возбуждения и приема). Недостатками РПА являются значительные габаритные размеры (вертикальный размер) и соответственно большая масса. Однако существует ряд модификаций РПА с уменьшенными габаритными размерами конструкции. Это, например, РПА с инверсированным рупорным облучателем, трижды сложенная РПА и другие. На РРЛ применяются также перископические антенные системы, особенностью которых является отсутствие длинного фидера (в описанных ниже схемах длина фидера достигает 100 м). В перископической антенной системе энергия передается с помощью беспроводной линии передачи, состоящей из нижнего зеркала с облучателем (излучателя), установленного у основания мачты, и верхнего зеркала (переизлучателя). Излучателями могут быть несимметричные, выполненные по схеме АВО, или эллипсоидальные зеркальные антенны. В перископической антенне, выполненной по так называемой трехэлементной схеме облучатель нижнего зеркала (например, рупор с изломом) устанавливается непосредственно в техническом здании. В качестве переизлучателя обычно применяется плоское зеркало. Излучатель и переизлучатель так ориентируются относительно друг друга, что волны, излученные нижним зеркалом, «перехватываются» верхним и переизлучаются в направлении на соседний ретрансляционный пункт. Фокусирующее действие нижнего зеркала сужает поток энергии, распространяющийся от него к верхнему зеркалу. Это приводит к увеличению КПД передачи энергии от нижнего зеркала к верхнему (отношение мощности, принятой переизлучателем, к мощности, излученной нижним зеркалом). Однако часть энергии все же переливается через края верхнего зеркала. Выгоднее использовать верхний плоский переизлучатель не с прямоугольным, а с эллиптическим контуром обреза, имеющим в плоскости, перпендикулярной распространению волны, круглую поверхность раскрыва, так как при этом увеличивается КПД беспроводной линии передачи и уменьшается УБЛ ДН верхнего зеркала.

2.2 Пассивные ретрансляторы РРЛ

С целью совершенствования и повышения рентабельности РРЛ необходимо уменьшать затраты на строительство и эксплуатацию линий, особенно в условиях сильно пересеченной местности. Одним из способов решения этой задачи является замена части ретрансляторов РРЛ пассивными приемопередающими станциями, называемыми пассивными ретрансляторами. На таких станциях отсутствует приемопередающая аппаратура, а ретрансляция осуществляется особым образом выполненными антенными системами. Пассивные ретрансляторы преломляющего типа можно реализовать в виде двух антенн, соединенных линией питания и ориентированных одна на предыдущий, а вторая на последующий ретрансляционные пункты. Пассивные ретрансляторы типа препятствия (предложены в 1954г. Г.З.Айзенбергом и А. М. Моделем) в отличие от отражающих и преломляющих являются высокоэкономичными, поскольку не требуют точного выполнения рабочей поверхности и ее юстировки в пространстве. Это, в свою очередь, позволяет сооружать ретрансляторы с эффективной поверхностью в сотни квадратных метров при минимальных затратах. Рассмотрим подробнее принцип действия пассивного ретранслятора типа препятствия. Ретранслятор представляет собой металлическую поверхность П, расположенную между двумя радиорелейными пунктами А и В, находящимися вне прямой видимости друг от друга. Появление напряженности поля в пункте В при установке на пути распространения волны препятствия П объясняется следующим образом. При отсутствии препятствия (ретранслятора П) в плоскости Q передающая антенна пункта А создает электромагнитное поле. Напряженность поля в пункте В определяется интерференцией полей от всех элементов этой возбужденной поверхности (плоскости Q). Распределение возбуждающего поля на плоскости Q таково, что при отсутствии прямой видимости между пунктами А и В напряженность результирующего поля в пункте В равна нулю. Другими словами, ДН возбужденной плоскости Q такая, что излучение в направлении пункта В отсутствует. Установка в плоскости Q непроницаемого для электромагнитных волн препятствия приводит к тому, что на части плоскости Q, закрытой металлической поверхностью П, напряженность поля становится равной нулю. Таким образом, изменяется амплитудно-фазовое распределение возбуждающего поля, что приводит к изменению ДН возбужденной плоскости Q и появлению излучения в направлении пункта В. Возбужденное падающей волной препятствие П является вторичным излучателем, и при рациональном выборе его формы и размеров интенсивность вторичного поля в пункте В может оказаться значительной. Форма препятствия выбирается так, чтобы обеспечить минимальную расфазировку поля в точке приема В. показано препятствие в виде части кольца, верхняя и нижняя кромки которого совпадают с границами зоны Френеля. Это обеспечивает синфазность поля в точке приема от сектора ?? при любом ?. В вертикальной плоскости расфазировка поля дуг различного радиуса r определяется разностью хода соответствующих лучей от пункта А к пункту В. По этим причинам угловой размер препятствия по координате ? и соответствующий линейный размер 2а имеют важное значение для формирования поля в точке В; они ограничиваются, в основном, только конструктивными соображениями. Пассивные ретрансляторы типа препятствия в отличие от ретрансляторов отражающего и преломляющего типов не требуют жесткой фиксации в пространстве и точности обработки поверхности, так как их роль заключается только в создании на фронте падающей волны участка с нулевой напряженностью поля (темное пятно). Отсутствие требований к жесткости конструкции позволяет выполнять полотно в виде проволочной сетки и подвешивать его на легких опорах. Антенны пассивных ретрансляторов любого вида должны обладать значительно большими КУ, чем антенны активных ретрансляционных пунктов, что объясняется усилением приходящего сигнала исключительно за счет направленности антенн, так как усилительная аппаратура на пассивном пункте отсутствует. Поэтому площадь пассивных ретрансляторов должна быть значительно больше площади раскрыва антенны активного ретранслятора (в 50...60 раз). Коэффициент усиления таких пассивных ретрансляторов типа препятствия достигает 60...70 дБ. Пассивный ретранслятор типа препятствия может быть использован на РРЛ с прямой видимостью для увеличения КУ антенны без увеличения размеров ее поверхности. Такой ретранслятор называется антенным директором. Особенно целесообразно применять антенные директоры на РРЛ, работающих в диапазонах 8 и 11 ГГц, где благодаря небольшому расстоянию между активными пунктами (25...35 км) высота антенных опор обычно невелика. При строительстве РРЛ в горной или сильно пересеченной местности возможно использовать пассивные ретрансляторы отражающего типа. Обычно они выполняются из одного или двух плоских зеркал. Однозеркальный пассивный ретранслятор применяется при угле ?>45...60°, а двухзеркальный ретранслятор, состоящий из двух близкорасположенных зеркал - при ? = 35...60°. Схема расположения зеркал в ретрансляторе на.б называется ?-конфигурацией. Она характерна тем, что зеркало Р2 и пункт приема В расположены по разные стороны от направления AP1. Такое построение пункта ретрансляции становится нецелесообразным при малых углах ?. Это связано с тем, что зеркала Р1 и Р2 необходимо устанавливать на большом расстоянии друг от друга, чтобы избежать их взаимной экранировки. При этом увеличивается рассеяние энергии на участке P1P2. На.в показана другая возможная схема расположения зеркал двухзеркального ретранслятора, известная как Z - конфигурация. В данном случае зеркало Р2 и пункт В расположены по одну сторону от направления АР1. Практически Z - конфигурацию целесообразно использовать при 0°<?<40°, при этом зеркала Р1 и Р2 можно расположить близко друг к другу, что весьма удобно на практике. Необходимость применения двухзеркального ретранслятора объясняется тем, что коэффициент использования поверхности однозеркального ретранслятора остается достаточно высоким до тех пор, пока угол падения волны на зеркало невелик.

2.3 Антенны тропосферных РРЛ

антенна ретранслятор радиорелейный спутниковый

Наряду с РРЛ прямой видимости возможна и практически реализована на УКВ передача многоканальных сообщений на большие расстояния с использованием эффекта дальнего тропосферного распространения (ДТР) радиоволн. Поскольку приемная антенна улавливает только небольшую часть энергии, переизлученной рассеивающим объемом, для устойчивой связи необходимо, чтобы передающая и приемная антенны имели большой КУ (около 45 дБ). Поэтому площади излучающих поверхностей антенн могут достигать нескольких сотен квадратных метров. Следует также иметь в виду, что КУ как передающей, так и приемной антенны тропосферной линии растет не прямо пропорционально поверхности ее раскрыва, а медленнее, что можно объяснить уменьшением объема рассеяния тропосферы при сужении ДН антенны. При этом чем больше расчетный КУ антенны, тем значительнее уменьшение ее реального КУ. Данное явление называется «потерей усиления» антенн. На тропосферных РРЛ, работающих в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, в основном, применяются однозеркальные осесимметричные и неосесимметричные антенны, осесимметричные двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, а также рупорно-параболические антенны. Расчетный коэффициент усиления у вышеперечисленных антенн составляет 41...43,5 дБ. На пунктах тропосферных РРЛ нет необходимости поднимать антенны на большую высоту. Обычно нижняя часть антенны находится на расстоянии 8...20 м над поверхностью Земли. Для увеличения КЗД и помехозащищенности антенн применяют различного рода экраны и защитные устройства. Уровень сигнала на пролете тропосферной РРЛ можно повысить с помощью антенных директоров. Особенно целесообразна установка антенных директоров на трассах, имеющих близкорасположенные перед антенной препятствия, что позволяет существенно снизить их затеняющее действие. В заключение рассмотрим основные параметры антенн действующей тропосферной РРЛ «Горизонт», работающей в диапазоне 790 МГц. Антенны выполнены по однозеркальной параболической схеме с вынесенным облучателем, что позволяет устранять влияние реакции зеркала на согласование тракта, уменьшать затенение раскрыва, а также зону биологической опасности по сравнению с осесимметричными антеннами. На каждом ретрансляционном пункте устанавливаются четыре антенны (по две в каждом направлении). Раскрыв зеркала 20 м на 20 м при высоте нижней кромки над землей 8 или 20 м. Зеркало выполнено из плоских металлических листов размером 22 м, укрепленных на несущей ферме. В качестве облучателя используется пирамидальный рупор с раскрывом 1 м на 1 м и длиной 3 м. Для защиты от осадков в раскрыве рупора сделан косой срез, который закрывается пластмассовой крышкой. Коэффициент усиления антенны G=42,4 дБ, ширина главного лепестка 2?0,5 =1°16', УБЛ не более -(20...25) дБ. Для ослабления поля помех с боковых направлений и поля в секторе углов, близких к 180°, используются специальные вынесенные экраны и щелевые защитные устройства.

3. Антенны для спутниковой и космической радиосвязи

Связь между земными пунктами, находящимися на расстояниях от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, удобно осуществлять на сантиметровых волнах с помощью ИСЗ, применяемых в качестве активных ретрансляторов. В то же время специалисты, занимающиеся вопросами создания телекоммуникационных сетей, считают, что, например, в частности, для центральной части России (или Узбекистана) при расстоянии между передающими и приемными центрами более 400...500 км ретрансляция программ через ИСЗ становится выгоднее, чем их передача по наземным каналам (кабельным и РРЛ). В труднодоступных местностях (в пустынях, в горных ущельях) это расстояние может быть еще меньше. Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме используемого частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время все шире осваиваются новые диапазоны 11/14 и 20/30 ГГц. Объем и качество передачи информации во многом определяются антенно-фидерным устройством системы спутниковой связи (ССС). С учетом этого сформулируем основные требования к антенным устройствам ССС.

Антенны земных станций ССС. К указанным антеннам предъявляются следующие основные требования:

1) обеспечение высокого КУ при достаточно большом КИП (0,6...0,7) и как можно более низких значениях шумовой температуры и УБЛ;

2) возможность наведения луча на ИСЗ с помощью опорно-поворотного устройства, а также систем программного и ручного наведения и автоматического сопровождения;

3) сохранение электрических характеристик и надежной работы в за данных климатических условиях, особенно при предельных скоростях ветра;

4) соответствие ДН антенны справочной диаграмме, рекомендуемой МККР (с целью обеспечения условия электромагнитной совместимости). Справочная диаграмма представляет собой графическое изображение (или аналитические выражения) огибающей рекомендуемой ДН относительно изотропного излучателя.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) и космической радиосвязи являются сложными устройствами, имеющими большие габаритные размеры и массу. Они работают в условиях воздействия переменных ветровых нагрузок, дождя, гололеда, солнечного нагрева и т.д. В этих трудных климатических условиях должны быть обеспечены высокая механическая прочность антенной системы и сохранение с высокой точностью заданной формы поверхности зеркала. С этой целью зеркало антенны снабжается мощным каркасом, опирающимся на несущую платформу антенно-поворотного устройства. Одной из важнейших характеристик антенн ЗС является величина отношения КУ антенн (G) к суммарной шумовой температуре (Т?) на входе приемного устройства, измеренной в Кельвинах при угле места 5° (шумовая добротность). Современные зеркальные антенны ЗС с диаметром раскрыва 30 м имеют G/T около 42 дБ/К. Очевидно, что для увеличения отношения G/T следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру T?=Ty+Tтp+TА. Здесь Ту - шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Ту = 40 ... 60 К); Ттр-шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; ТА-эквивалентная шумовая температура антенны. Температура ТА растет при уменьшении угла места ? (угол между направлением максимального излучения и горизонтом) из-за увеличения, поглощения радиоволн в большей толще атмосферы Земли и приема шумов теплового излучения Земли. При ? = 4...5° уровень шумов Земли недопустимо возрастает, так как их прием происходит через боковые лепестки, близкие к главному. Кроме того, при уменьшении угла ? путь от антенны до ИСЗ (или космического объекта), проходящий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению уровня шумов, порождаемых атмосферой. Минимально допустимый угол места в диапазоне 4/6 ГГц составляет 5...7°. В диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимально допустимый угол места ? не должен быть менее 10°. В связи с ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите, уменьшением углового расстояния между ними, на ЗС возрастает опасность помех от соседних ИСЗ. Поэтому антенны ЗССС должны иметь низкий УБЛ. На ЗССС с малой пропускной способностью и станциях телевизионного вещания, обслуживающих небольшие населенные пункты, применяются однозеркальные антенны с КУ не более 35 дБ и несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель (система «Экран») с КУ примерно 21...28 дБ. На ЗССС с большой пропускной способностью используются, в основном, двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Диаметры раскрыва таких антенн определяются заданными значениями рабочей частоты, КУ, УБЛ и доходят до 30...32 м.

В качестве примера рассмотрим антенну ЗССС, обеспечивающую телефонную, телефаксную связь и передачу данных в диапазоне 4/6 ГГц между абонентами, расположенными на территории Узбекистана, а также зарубежных стран Европы, Азии, Америки. Для излучения и приема сигналов используется двухзеркальная параболическая антенна Кассегрена с диаметром раскрыва D = 4,8 м. Профиль малого зеркала с диаметром d = 0,9 м модифицирован с целью реализации максимального КИП антенны. В качестве облучателя используется специально разработанный конический рупор, который во всем рабочем диапазоне антенны формирует осесимметричную ДН с практически неизменной шириной главного лепестка. Диаметр раскрыва облучателя составляет 0,18м. Коэффициенты усиления на частотах 6,012 ГГц и 3,95 ГГц равны соответственно 46,8 и 43,8 дБ, а УБЛ -12,9 и -13,9 дБ. Сравнительно высокий УБЛ обусловлен амплитудным распределением поля в раскрыве, близким к равномерному, и влиянием затенения апертуры антенны малым зеркалом. Поляризация поля-круговая: лево-поляризованная при излучении и правополяризованная при приеме. Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ - произведение подводимой к антенне мощности на КУ антенны) составляет 60 дБВт. Шумовая добротность (отношение КУ антенны к эквивалентной шумовой температуре приемной системы) равна 17 дБ/К.

Сигналы, приходящие от космических кораблей или отраженные от планет при радиоастрономических исследованиях, также весьма слабы из-за очень большой удаленности указанных источников. В этих условиях для того, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал-шум на входе приемника, антенны ЗС должны иметь очень высокий КУ (от 65...70 дБ), чему соответствуют большие размеры антенн и малая угловая ширина главного лепестка ДН.

Бортовые антенны ССС. Бортовые антенны ИСЗ обеспечивают приём и передачу по спутниковой линии связи сигналов связных, вещательных, телевизионных, телеметрических и других систем. Уровень излучения в сторону Земли антеннами ИСЗ ограничен энергетикой станции космического аппарата (КА) и недопустимостью излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам. В этой связи антенные системы современных ИСЗ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать эффективное облучение только заданной области земной поверхности; допускать повторное (многократное) использование рабочих частот за счет пространственного разноса ДН и поляризационного разделения; ослаблять излучение вне зоны обслуживания для того, чтобы уровни поля при основной поляризации и кроссполяризации не превышали установленных международных норм. На протяжении существования ИСЗ антенна должна: сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, воздействия теплового и радиоизлучений Солнца, ионизирующей радиации; выдерживать действие больших ускорений и вибрационных нагрузок во время запуска; учитывать технические ограничения, накладываемые на размеры и массу антенны. Принимая во внимание условия работы бортовых антенн, для их изготовления применяют такие материалы, как алюминий, беррилий, инвар, магний и титан. В последнее время все больше используются композиционные материалы, такие как углепласты (графито-эпоксидная композиция). Углепласты имеют значительно лучшие, чем у вышеназванных материалов, механические и температурные свойства: близкий к нулю коэффициент линейного расширения, малую удельную массу и большую жесткость. Тип приемопередающей антенны, устанавливаемой на космическом аппарате - бортовую антенну выбирают с учетом требований, связанных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями работы в космосе, стабилизацией ИСЗ и т.д. На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогабаритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 18°, применялись антенны с КУ примерно 6...17 дБ (антенные решетки из 16 элементов, небольшие параболические антенны и др.). На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5...10 тыс. км), применялись почти ненаправленные (изотропные) антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые). Недостаточное усиление бортовых антенн компенсировалось использованием больших наземных антенн с высоким КУ. С увеличением общих размеров и массы ИСЗ появилась возможность применять более направленные антенны с КУ 30...35 дБ и более. К таким антеннам относят параболические (одно- и двухзеркальные), РПА и антенные решетки. Особый интерес представляют складные антенны, раскрывающиеся после вывода космического аппарата на орбиту. В последнее время проявляется значительный интерес к бортовым многолучевым антеннам. Обеспечивая большое усиление, эти антенны позволяют значительно снижать мощность бортовых передатчиков космических аппаратов. В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркальные антенны (обычно неосесимметричные), фазированные антенные решетки и некоторые другие типы антенн. Основными преимуществами зеркальных многолучевых антенн являются их сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая масса, простота конструкции. Коэффициент усиления таких антенн лежит в интервале от 27...30 дБ в диапазоне 4/6 ГГц (при диаметре раскрыва 1...2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц. Во многих случаях ДН антенн космических аппаратов должны быть сформированы таким образом, чтобы их контур (уровень постоянного КУ) повторял границу государства (в пределах которого обеспечивается подача телевизионной программы), видимую с геостационарной орбиты. Подобные антенны получили название антенн с контурным лучом. Контурная форма луча снижает потери излучаемой мощности за пределами границы обслуживаемого региона, а также, что не менее важно, уровень нежелательного облучения сопредельных территорий. Наиболее популярны три способа формирования контурной ДН, первый из которых связан с применением параболического рефлектора, облучаемого системой облучателей; второй - плоской фазированной антенной решетки и третий - параболического рефлектора специальной формы, облучаемого одиночным облучателем.

Принцип формирования контурного луча в первых двух случаях условно. Здесь изображены три узких луча, поля которых, складываясь, образуют один широкий луч со сравнительно плоской верхней частью и крутыми скатами. Достоинство этих способов заключается в возможности менять форму контурного луча в ходе эксплуатации. Недостатки связаны со сложностью конструирования и настройки системы формирования лучей, а также с ростом радиочастотных потерь при увеличении частоты. Третий способ рассчитан на фиксированную форму контура, зато свободен от недостатков, указанных выше. Правда, сложность расчета и изготовления рефлектора специальной формы пока сдерживает широкое распространение систем этого типа.