Антенно-фидерные устройства.

. КЛАССИФ. АНТЕНН И ИХ ОСН. ХАР-КИ. Свойства направленности антенны описывают характеристикой (диаграммой) направленности. Количественно эти свойства оцени¬вают с помощью таких параметров, как ширина диаграммы на¬правленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направ¬ленного действия (КНД) и других, которые подробно рассматри¬ваются в гл. 1. Важным параметром является входное сопротив¬ление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отно¬шение напряжения между точками питания антенны (зажимы ан¬тенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникаю¬щими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротив¬ление—величина комплексная: Zвх=Rвх+iXвх. Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны. Мощность, излучаемая антенной P, связана с током в точках питания антенны соотношением P=Io2R0/2, где R0 — активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней (=1)—это сопротивление излучения. Данное опре¬деление относится к проволочным антеннам. Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабо¬чей полосы могут быть различными; они зависят от условий рабо¬ты антенны. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром. значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Очень часто таким параметром является входное сопротивление антенны. Изменение его при изменении ча¬стоты приводит к рассогласованию антенны с фидером. В ряде слу¬чаев ширина рабочего диапазона определяется ухудшением одного из параметров, характеризующих направленные свойства: изменением направления максимального излучения, расширением диа¬граммы направленности (ДН), уменьшением КНД и др. В зависи¬мости от ширины рабочего диапазона антенны условно разбивают на: а) узкополосные (настроенные), относительная рабочая поло¬са которых менее 10% номинальной частоты; б) широкополосные, с рабочей полосой частот 10 ... 50%; в) диапазонные, коэффици¬ент перекрытия которых (fmax/fmin) составляет примерно 2 ... 5; г) частотно-независимые (сверхширокополосные), с коэффициен¬том перекрытия, теоретически не зависящим от частоты (практи¬чески коэффициент перекрытия таких антенн больше пяти). Векторы Е и Н излучаемого антенной электромагнитного поля определенным образом ориентированы в пространстве. Направле¬ние этих векторов определяется плоскостью поляризации электро¬магнитного поля. Существуют параметры, характеризующие поля¬ризационные свойства антенны (см. § 1.3). Еще одним параметром антенны является предельная мощ¬ность, которую можно подвести к антенне без опасности ее разру¬шения и не вызывая пробоя окружающей среды. Все упомянутые параметры подробнее рассматриваются в соответствующих главах. КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН Антенны можно классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (ан¬тенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв—апертурные антенны, антенны по¬верхностных волн); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовеща¬ния, телевизионные и др.). Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими эле¬ментами, однако конструктивное выполнение их различное; значи¬тельно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним. В данном учебнике рассматриваются антенны следующих вол¬новых диапазонов (названия диапазонов даются в соответствии с рекомендациями «Регламента радиосвязи»; в скобках указыва¬ются названия, широко распространенные в литературе по антеннофидерным устройствам): мириаметровые (сверхдлинные) волны (=10 ... 100 км); километровые (длинные) волны (=1 ... ... 10 км); гектометровые (средние) волны (=100 ... 1000 м); декаметровые (короткие) волны (=10 ... 100 м); метровые волны (=1 ... 10 м); дециметровые волны (=10 см ... 1 м); санти¬метровые волны (= 1 ... 10 см); миллиметровые волны (=1 ... 10 мм). Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием «ультракороткие волны» (УКВ). 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНИЙ СПУТНИКОВОЙ РАДИОСВЯЗИ В настоящее время спутниковые системы связи стали одним из основных видов дальней связи. Связь между земными пунк¬тами осущест¬вляется на сантиметровых волнах при помощи ИСЗ, применяемых в качестве активных или пассивных ретрансляторов. Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме ранее использовавшегося частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время осваиваются новые диапазоны 11/14, 12/18 и 20/30 ГГц. Чтобы обеспечить необ¬ходимое отношение сигнал-шум на входе приемника, антенны земных станций должны иметь высокий КУ (так, антенны, ра¬ботающие в диапазоне 20/30 ГГц, имеют КУ до 70 дБ), чему соответствует малая ширина ДН (угловые минуты) и большие размеры. Из-за малой ширины ДН при изменении положения ИСЗ или межпланетного корабля необходимо обеспечить весьма высокую точность наведения луча антенны на эти объекты и непрерыв¬ное сопровождение их. Для этого антенны снабжаются поворот¬ными устройствами и системами управления ими. Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) В качестве антенн ЗССС и космической связи используются в основном двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Обычно применяют антенны с круговой поляризацией поля. Антенны для ЗССС с малой пропускной способностью и станций телевизионного вещания, обслуживающих небольшой населенный пункт обычно бы¬вают однозеркальные. С этой же целью применяют несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель. Размеры (диа¬метр раскрыва) антенн спутниковой связи колеблются в преде¬лах от 1 ... 2 м (антенны станций с малой пропускной способ¬ностью и станций телевизионного вещания) до примерно 32 м. Одной из важнейших характеристик наземных антенн яв¬ляется величина отношения КУ антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T) на входе приемного устройства. Современные антенны для двухсторонней многоканальной связи (2Ro30 м) имеют G/T до 42 дБ; антенны земных станций для односторон¬ней связи через ИСЗ при 2Rо=12 м имеют G/T до 32 дБ. Очевидно, что для увели¬чения отношения G/T (коэффи¬циент шумовой добротности при¬емного устройства) следует уве¬личивать КУ антенны и умень¬шать суммарную шумовую температуру T==Tу+Tтр+Tа. Здесь Ту-шумовая температура малошумящего усилителя МШУ (обычно Tу40 ... 60 К); Tтр-шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Tа — эквивалентная шумовая антенная температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T при заданном значении G (а значит, и раз¬мере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа-Уменьшение Tтр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т. е. сокращая длину тракта питания антенны.Антенная температура Та растет при уменьшении угла места. А (угол между направлением максимального излучения и гори¬зонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приема шумов теп¬лового излучения Земли. Имеются факторы, препятствующие увеличению КУ антенны путем увеличения ее размеров. Это, во-первых, влияние случай¬ных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка ДН и увеличение УБЛ, что при¬водит к снижению КУ, увеличению Tа и ухудшению помехоза¬щищенности. Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять примерно 0,10.5. Для увеличения объема передаваемой информации разра¬ботаны системы спутниковой связи, в которых обеспечивается близкое к двухкратному использование рабочих частот благо¬даря развязке по поляризации. В связи с непрерывным ростом числа ИСЗ на геостационар¬ной орбите и уменьшением углового разноса между ними для соседних земных станций появляется опасность взаимных помех. Поэтому ужесточаются требования к уровням побочных излу¬чений антенн. Резкое уменьшение УБЛ обеспечивается несим¬метричными зеркальными антеннами с вынесенным облучателем (АВО). Присоединение облучателя к приемно-передающей аппарату¬ре, осущест¬вляется с помощью сравнительно длинного волноводного тракта, за счет потерь в котором увеличивается шумовая температура и ухудшается качество приема слабых сигналов. Этот недостаток можно уменьшить, применив беспроводную линию передачи или лучевод(система зеркал). 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕ.РЕШЁТОК. Для получения высокой направленности излучения, часто требуе¬мой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн, таких как вибраторы, щели, открытые концы волноводов, и других, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. B этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени — индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей. К числу таких систем относят антенные решетки (АР). Обычно АР называется система идентичных излучающих элементов, одинаково ориентированных в пространстве и расположенных по определенному закону. В зависимости от расположения элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди которых наиболее распространены прямолинейные и плоские АР. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объекта, на котором расположена АР (конформная АР). Простейшей является линейная АР, в которой излучающие элементы располагаются вдоль прямой, назы¬ваемой осью решетки, на равных рас¬стояниях друг от друга (эквидистант¬ная АР). Расстояние а между фазо¬выми центрами излучателей называ¬ют шагом решетки. Линейная АР по¬мимо самостоятельного значения яв¬ляется часто основой при анализе других типов АР.

6. ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

ТРЕБОВАНИЯ К ШАГУ РЕШЕТКИ

Фазовый способ электрического сканирования реализуется в антеннах, получивших название фазированных антенных решеток (ФАР). Наиболее распространены ФАР на основе линейных и пло-ских решеток. Возможности линейных ФАР более ограничены, так как сканирование здесь может осуществляться только в одной плоскости, прохо-дящей че¬рез ось решетки. Плоские ФАР позволяют сканировать в простран¬ственном секторе углов относительно нормали к плоскости решет¬ки (реаль-но в секторе углов, не превышающем ±60°). Одно-на¬правленность излучения достигается, как отмеча-лось, применением экранов или элементов с одно-направленным излучением. Кроме линейных и плоских используются также цилиндрические (вклю¬чая кольцевые и дуговые), конические, сферические и другие ти¬пы выпуклых ФАР, позво-ляющие осуществить сканирование в бо¬лее широ-ком секторе углов и обладающие рядом дополни-тельных преимуществ.

*