Особенности антенн для телевидения, радиорелейных линий и космической радиосвязи

4. Питание антенн радиорелейной, спутниковой и космической радиосвязи

Для передачи электромагнитной энергии от передатчика к антенне и от антенны к приемнику используются коаксиальные линии (в дециметровом диапазоне), волноводные линии и лучеводы (в сантиметровом диапазоне). В некоторых случаях (например, для питания антенны тропосферных линий связи) даже в дециметровом диапазоне волн с целью снижения потерь предпочтительнее использовать волноводные линии. Фидерные тракты радиорелейных линий и систем спутниковой связи должны обеспечивать хорошее согласование тракта с входными сопротивлениями антенны, передатчиков и приемников. Отдельные элементы тракта также должны быть согласованы друг с другом. Допустимая величина коэффициента отражения от антенны и элементов волноводного тракта для многоканальных систем составляет 2...3%. Коэффициент отражения от мест сочленения (стыков) элементов тракта не должен превышать 0,1 %. Коэффициент полезного действия антенно-волноводного тракта должен быть достаточно высоким. Потери в стенках волноводов приводят к ослаблению передаваемых и принимаемых сигналов, вследствие чего возрастает влияние собственных флуктуационных шумов приемной аппаратуры. В тракте с малым затуханием увеличение потерь на 1 дБ эквивалентно увеличению шумовой температуры тракта Ттр на 70 К. Поэтому стремятся сократить длину волноводов (или применяют лучеводы). Для предотвращения просачивания энергии из тракта должна быть обеспечена электрогерметичность фланцевых соединений. Просачивание электромагнитной энергии приводит к дополнительным потерям и искажению ДН антенны. При большой мощности передатчиков (антенны для космической радиосвязи, тропосферных линий связи) даже в случае незначительного просачивания энергии вблизи тракта может возникнуть недопустимо высокая напряженность поля. Тракт питания должен обладать необходимой электрической прочностью. Если приемопередающая антенна работает на передачу с одной поляризацией поля, а на прием - с другой, то для ее питания часто используют два прямоугольных волновода. Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода выбирают из условия существования основной волны Н10 и отсутствия волн высших типов. На РРЛ, работающих в сантиметровом диапазоне волн, а также в трактах питания земных станций спутниковой связи используются фидерные тракты, выполненные из круглых и эллиптических волноводов. Достоинством фидерного тракта, из круглых волноводов является возможность одновременной передачи и приема на волнах с ортогональной поляризацией поля по одному фидеру. Для этого используется основной тип волны Н11. Волноводный тракт собирается из медных или биметаллических труб (стальная труба с внутренним медным покрытием). Для ослабления затухания в тракте увеличивают диаметр поперечного сечения круглого волновода. При этом, например, в широко используемом волноводе диаметром 70 мм на частотах, превышающих 4 ГГц, наряду с основным типом волны Н11 (?кр = 3,41 а, где а - радиус волновода) возможно распространение волны высшего типа Е01 (?кр=2,61а) и других более высоких типов волн. Другими словами, волновод работает в многоволновом режиме. При этом ужесточаются требования к однородности волноводов, так как в местах ее нарушения происходят преобразование основного типа волны в волны высших типов и обратное преобразование волн высших типов в основной тип волны, что приводит к искажению передаваемых по тракту сигналов. Биметаллические волноводы обладают большей однородностью и меньшим коэффициентом отражения от стыков волноводных секций, чем медные.

Наряду с жесткими волноводными линиями в качестве самостоятельных фидеров или вставок для соединения отдельных частей фидерных трактов с высокочастотной аппаратурой широко используются гибкие гофрированные волноводы эллиптического сечения. Геометрические размеры поперечного сечения эллиптического волновода выбираются так, чтобы обеспечить существование в волноводе электромагнитной волны только основного типа, обозначаемого Нс11. Коэффициенты ослабления в этих волноводах весьма близки соответствующим им значениям для стандартных волноводов прямоугольного сечения. Применение гибких гофрированных эллиптических волноводов позволяет создавать длинные фидерные тракты без промежуточных секций. Эллиптическая форма поперечного сечения дает возможность сохранять положение плоскости поляризации поля в волноводе по отношению к сечению независимо от трассировки тракта. Эти волноводы выпускаются в виде отрезков длиной 100 м и более.

Волноводные плавные переходы используют для соединения между собой волноводов с различными размерами поперечного сечения, а также прямоугольных волноводов с круглыми. В зависимости от характера изменения образующей плавные переходы подразделяются на квазиэкспоненциальные, полиномиальные, линейные. Эти переходы должны обеспечивать хорошее согласование соединяемых волноводов, поэтому длина их должна быть большой. Так, для соединения отрезка прямоугольного волновода, идущего от РПА, с круглым волноводом длина перехода составляет 50 см. При этом обеспечивается также низкий уровень возбуждения паразитных волн высших типов. Сохранение высоких электрических параметров волноводных трактов требует защиты внутреннего волноводного объема от попадания атмосферных осадков. Эта задача реализуется герметизацией стыков всех волноводных элементов и применением герметизирующих волноводных вставок, устанавливаемых в месте соединения волновода с аппаратурой и в верхней части тракта, если антенна не является герметичной. Герметизирующая секция, устанавливаемая вблизи антенны, должна иметь сливные отверстия для удаления влаги из антенны. Для обеспечения в круглом волноводе циркуляции осушенного воздуха используется секция круглого волновода со штуцером для присоединения воздухопровода и с отверстиями для подачи в волновод осушенного воздуха. Фильтр поглощения волн высших типов предназначен для уменьшения в круглом многоволновом волноводе уровня паразитных волн Е01 и E11, которые возбуждаются на несимметричных неоднородностях (сдвиг осей волноводов, изгиб волновода и др.), переходных секциях между волноводами разных диаметров, в герметизирующих вставках и т.д. Поглощение волны Е01, имеющей интенсивную продольную составляющую электрического поля, достигается установкой в волноводе параллельно его оси стержня из материала с низкой проводимостью. Обычно поглотитель представляет собой пенопластовый вкладыш в форме челнока. Вдоль продольной оси челнока имеется отверстие, в котором установлен стеклянный стержень. Поверхностный слой стержня покрыт окислом металла, обладающим свойством полупроводника. Аналогично подавляется волна Е11, имеющая две области с максимальной напряженностью продольной составляющей электрического поля. Как отмечалось, вследствие некоторой эллиптичности поперечного сечения волновода, линейно поляризованная волна на выходе волновода преобразуется в эллиптическую, что приводит к уменьшению поляризационной развязки между каналами приема и передачи. Причиной возникновения волны с поперечной поляризацией (кроссполяризацией) является разность фазовых скоростей ортогональных составляющих электромагнитного поля в волноводе, приводящая к появлению фазового сдвига между этими составляющими. Компенсация этого сдвига и получение линейной поляризации поля в волноводе осуществляются с помощью корректора эллиптичности, включаемого в круглый волновод и представляющего собой отрезок эллиптического волновода с плавными переходами к круглому сечению по концам. Размеры корректора должны обеспечивать дополнительный сдвиг фаз между составляющими электромагнитного поля после их прохождения по корректору, равный по величине и противоположный по знаку фазовому сдвигу между этими составляющими в круглом волноводе. Целесообразно, чтобы фазовый сдвиг между ортогональными составляющими поля в корректоре эллиптичности заведомо превышал фазовый сдвиг в круглом волноводе. В этом случае путем выбора взаимного расположения эллипсов поперечного сечения корректора эллиптичности круглого волновода может быть обеспечена линейная поляризация поля в волноводе (строго вертикальная или горизонтальная). Назначение поляризационного селектора - разделение волн различной поляризации. Он представляет собой два перехода с прямоугольного волновода к круглому, развернутых друг относительно друга на 90°. Передатчики, работающие на частотах f1...f4, через поляризационный селектор направляют в круглый волновод волны одной поляризации. Сигналы, принимаемые на частотах f5...f8, имеют поляризацию, повернутую на 90°. Эти сигналы через поляризационный селектор направляются к приемникам. По аналогичной схеме собирается антенно-волноводный тракт земной станции спутниковой связи. Для удобства рассмотрения весь тракт принято разделять на три участка: совмещенный тракт, тракт передачи и тракт приема. Совмещенный тракт начинается герметизирующей секцией, отделяющей внутренность фидерного тракта от антенны и внешнего пространства, далее следует поляризационный блок, обеспечивающий разделение сигналов приема и передачи. Элементы этой части тракта выполнены на базе волновода круглого сечения и работают одновременно в разнесенных диапазонах частот передачи и приема. Тракт приема соединяет один из выходов поляризационного блока с приемной аппаратурой. Он состоит из элементов, защищающих входные цепи приемника от возможного попадания сигналов передатчика, а также элементов, обеспечивающих вращение антенны по азимуту и углу места. Герметизирующая секция, включаемая в эту часть тракта, отделяет наружную часть тракта от негерметизированной, расположенной в помещении. Все элементы, тракта приема соединяются между собой отрезками прямоугольного волновода и угловыми переходами в плоскостях Е и Н. Тракт передачи подключается ко второму выходу поляризационного блока через плавный переход от волновода круглого сечения к прямоугольному. Основные элементы тракта передачи - это угломестное и азимутальное вращающиеся сочленения, герметизирующая секция, устройство сложения сигналов нескольких передатчиков, фильтр гармоник, ферритовый вентиль и др. Передающий, а также совмещенный тракты рассчитаны на передачу высокого уровня мощности. В трактах предусмотрена система защиты от СВЧ пробоя, для чего в некоторые угловые переходы вмонтированы датчики, реагирующие на световой поток, возникающий при появлении дуги в случае пробоя в тракте. Сигналы от этих датчиков используют для выключения передатчиков. Антенно-фидерные тракты, построенные по такой схеме, используют на земных станциях системы связи «Интерспутник». Тракт приема обеспечивает работу в диапазоне частот 3400...3900 МГц, тракт передачи - в диапазоне частот 5700...6200 МГц. Переходное затухание между выходами передатчиков и входами приемников не менее 130 дБ. Для снижения потерь в приемной части тракта на некоторых земных станциях приемное оборудование либо располагают в специальных кабинах, вращающихся вместе с антенной вокруг вертикальной оси, либо подключают непосредственно к выходу поляризационного блока. При этом существенно сокращается длина приемного тракта и исключается одно (или оба) вращающееся сочленение. Такие модифицированные фидеры применяют на некоторых земных станциях системы «Орбита». Дальнейшее снижение потерь можно обеспечить в фидерном тракте с лучеводами. В таких трактах отсутствуют приемные и передающие вращающиеся сочленения, длины трактов могут быть сделаны сравнительно небольшими с минимальным числом изгибов. Важным преимуществом лучеводов являются повышенные линейность фазовых характеристик трактов и надежность.

Фидерный тракт с лучеводом состоит из большого и малого параболических зеркал (фокусы зеркал совпадают) и системы вспомогательных зеркал, создающих беспроводную линию передачи между облучателем - рупором (Р) и малым зеркалом. Заметим, что рупор находится на довольно большом расстоянии от малого зеркала (десятки метров) не в фокусе последнего. Используя представления геометрической оптики, принцип действия лучевода можно пояснить следующим образом. Сферическая волна, излучаемая коническим рупором, падает на плоское вспомогательное зеркало, составляющее угол 45° с осью симметрии системы, и преобразуется им в сферическую волну с виртуальным фазовым центром в точке О' (зеркальное изображение фазового центра рупора). Эта волна облучает несимметричное вспомогательное зеркало («вырезка» из параболоида вращения), фокус которого совмещен с точкой О' ; ось симметрии О'А параллельна оси симметрии рупора, совмещенной с осью симметрии системы. Поэтому падающая на зеркало сферическая волна трансформируется в плоскую, распространяющуюся параллельно оси симметрии параболоида. Эта плоская волна, падающая под углом 45° на плоские зеркала направляется на малое параболическое зеркало двухзеркальной антенны. После отражения от малого зеркала сферическая волна падает на большое зеркало, трансформируется им в плоскую и направляется на корреспондента.

Размещено на Allbest.ru