Реферат: Выголов Сергей Севастопольский национальный технический университет

Выголов Сергей

Севастопольский национальный технический университет

(Инженерия, энергетика и электронная техника)


МНОГОЛУЧЕВАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА


Введение. Перспективы развития спутниковых телекоммуникационных систем связаны с освоением низких и средних круговых орбит. Такие системы обеспечивают лучшие характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям:

они имеют большие углы радиовидимости

в зоне радиовидимости находится большее число спутников

задержка при проведении сеансов связи составляет не более 130 мс.

В настоящее время на разных этапах формирования и эксплуатации находятся около трех десятков спутниковых телекоммуникационных систем, из которых наиболее известны Globalstar, Iridium, ICO,Ellipso, Гонец и др.

Одно из важнейших направлений совершенствования современных радиотехнических систем связано с созданием антенных устройств, позволяющих в комплексе всей системы обеспечивать высокие требования к скорости передачи информации, эффективности использования частотного спектра за счет пространственного разноса и поляризационного разделения диаграмм направленности (ДН) отдельных лучей, к шумовым характеристикам системы и электромагнитной совместимости.

Существующие многолучевые антенны (МЛА) ретрансляторов современных спутниковых систем связи строятся, в основном, на базе параболических зеркал, а в качестве элементов облучающей антенной решетки как в фазированных антенных решетках, так и в гибридно-зеркальных антеннах (ГЗА) чаще всего используются рупорные излучатели. При этом требования к характеристикам ДН антенны обеспечиваются за счет сложной, громоздкой и дорогостоящей диаграммо-образующих схем (ДОС) и других вспомогательных технических средств. В результате, полоса рабочих частот таких антенн не превосходит 3-5%, КПД не превышает 50%, угол отклонения луча в ГЗА – не более 15о.

Таким образом, разработка эффективной многолучевой широкополосной зеркальной антенны, увеличение допустимого сектора разнесения лучей является важной практической задачей.

^ Основная часть. Данная работа посвящена исследованию и разработке многолучевой широкополосной ЗА с увеличенным сектором разнесения лучей. Поставленная задача решается путем использования сферического зеркала в сочетании с малоэлементными решетками из спиральных облучателей.

Этим достигаются значительное увеличение допустимого сектора разнесения отдельных лучей по сравнению с ГЗА на основе параболических зеркал и упрощается ДОС; спиральные облучатели, обладая всеми достоинствами скалярных рупоров, позволяют уменьшить затенение и реакцию зеркала, увеличить поляризационную развязку.

Такая антенна незаменима при формировании многолучевой ДН с широкоугольным разнесением лучей, например, для многоканального обмена информацией с несколькими спутниками связи, отстоящими друг от друга на значительные угловые расстояния. Сферическая форма зеркала позволяет предельно просто осуществить качание групповой ДН относительно зеркала, в частности, для стабилизации направления луча в пространстве при размещении станции спутниковой связи на подвижных объектах.

Учитывая специфику работы МЛА, в частности, перекрытие смежных рабочих зон, исследование проводилось токовым методом с использованием соотношений [1]. Расчет характеристик излучения облучателей в зоне Френеля проводился методом векторного потенциала по распределению тока, рассчитанному обобщенным методом наводимых ЭДС [2]. В качестве облучателя полусферического зеркала диаметром 2,1 м использовался двухзаходный сфероцилиндрический облучатель, параметры которого выбирались на основании результатов, полученных ранее [3].

Результаты расчета характеристик излучения представлены в табл. 1, теоретически рассчитанный коэффициент усиления — на рис. 1. Прежде всего, для сравнения основных характеристик исследуемой антенны с известными образцами антенной техники для систем спутниковой связи (ССС) необходимо обозначить некоторые общие критерии. Для ССС однозначным критерием отбраковки антенн является формализованное требование Рекомендации [4], которое звучит следующим образом:

Имеется заданная кривая ^ G_ITU(), определенная в угловой области 

Разрешается 10% превышение КУ испытуемой антенны антенны над кривой G_ITU() по критерию

,

где n – угловая ширина n–го лепестка ДН антенны, в пределах которой имеется превышение указанным лепестком кривой G_ITU().

Как видно из рис. 1, для антенны с диаметром апертуры м наблюдается некоторое превышение кривой G_ITU() в области дальних боковых лепестков. Дело в том, что приведенные в [4] нормы распространяются на антенны с диаметром апертуры , в то время как для исследуемой антенны диаметр эффективной апертуры составляет .

Сравнение с близкой по электрическим размерам антенной земной станции ССС С-диапазона [5], выпускаемой фирмой Andrew, показывает, что все важнейшие параметры сравниваемых антенн (см. табл. 1) практически идентичны, при этом антенна фирмы Andrew прошла все необходимые испытания и имеет сертификат Intelsat Type Approval. Из этого можно заключить, что на практике для антенн с применяются другие, более мягкие требования.

Таблица 1 — Параметры сравниваемых антенн

Параметры антенн

выпускаемая фирмой ANDREW

исследуемая

Усиление, дБи, на частоте,

МГЦ:

4000

8000



41,1

 



 

46

Ширина ДН, град,

на уровне, дБ:

-3

-15



1,40

3,12



1,40

3,00

Поляризация

круговая

круговая

Аксиальное отношение, дБ

1,58

0,09

КСВН

1,3

1,1

Как видно из табл. 1, сферическая зеркальная антенна с выбранным спиральным облучателем (рис.2) по всем основным характеристикам не уступает, а по величине поляризационной развязки превосходит лучшие мировые образцы параболических антенн и может использоваться в земных станциях ССС.

Большой интерес для разработчиков антенной техники представляет оценка потенциально возможных характеристик МЛА на основе сферического зеркала. В первую очередь, к таким параметрам относится допустимый угол разнесения крайних лучей. На основании анализа распределения плотности тока на поверхности зеркала было установлено, что диаметр рабочей зоны на поверхности зеркала для выбранного спирального облучателя составляет около 1,05 м. Допустимый угол разнесения крайних лучей определяется из условия размещения всей рабочей зоны на поверхности зеркала и в данном случае составляет 120о.

Как видно из рис. 3, при разнесении лучей в этом секторе все параметры характеристик излучения для центрального и смещенного лучей практически совпадают. Увеличение угла разнесения сверх указанного приводит к нарушению симметрии отклоненного луча относительно его оси, а также к росту ширины ДН и уровня бокового излучения в плоскости сканирования.

В отличие от крайних лучей, разнесенных на максимальный угол, для смежных лучей рабочие зоны перекрываются, поэтому при определении минимально возможного угла между смежными лучами большое значение имеет как расстояние между элементами, так и взаимная ориентация точек питания. Следовательно, анализ характеристик излучения МЛА в многолучевом режиме необходимо проводить не для 2, а для 4 элементов, образующих элементарную ячейку (рис. 4), на основе которой строится ДОС.


При согласной ориентации облучателей, в центре области, освещаемой решеткой, происходит сложение токов от разных облучателей и на зеркале образуется дополнительная область с бегущей волной тока, формирующая дополнительный лепесток в центре групповой ДН с тем же направлением вращения вектора поляризации, что и у облучателей. Его уровень зависит от углового расстояния между облучателями и для угла разноса соседних облучателей 7,07о (10о между диагональными облучателями) составляет -15 дБ (рис. 5а).

В случае встречной ориентации облучателей, два из них, расположенные по диагонали рассматриваемой четырехэлементной решетки, развернуты на 180о по сравнению с первым случаем. В этом случае происходит компенсация токов в крестообразной зоне между облучателями. Это, в свою очередь, приводит к провалу в групповой ДН. При численном моделировании установлено, что для угла разноса соседних облучателей 7,07о (10о между диагональными облучателями) глубина провала в групповой ДН составляет около -30 дБ (рис. 5б).

Незначительное сближение облучателей по сравнению с рассмотренным выше случаем приводит к исчезновению провала и слиянию отдельных лучей групповой ДН в случае согласного расположения облучателей, при этом в случае встречной ориентации облучателей (либо переполюсовки входных клемм для двухзаходной спирали) провал в ДН составляет около -26 дБ.

Выводы. Рассмотренный в работе способ формирования ДН позволяет реализовать адаптивную ДН путем переполюсовки клемм двухзаходных спиральных облучателей. Необходимая начальная фазировка элементов осуществляется их механическим вращением вокруг собственной оси. В этом случае из ДОС могут быть исключены управляемые фазовращатели. По сравнению с остальными элементами ДОС они являются наиболее дорогими, сложными и технически несовершенными. Их исключение из ДОС позволяет значительно снизить стоимость МЛА, расширить диапазон рабочих частот до 25 – 30%, увеличить надежность и продолжительность безотказной работы всей МЛА.

^ Библиографический список.
Лобкова Л.М., Редин М.И., Троицкий А.В. Анализ характеристик излучения двухлучевой сферической зеркальной антенны.// Электроника и связь, 2005.-№27.-С.84-89.

Кляцкин И.Г. Основы теории линейных антенн./И.Г. Кляцкин. – Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1966. — 64с.

Разработка математической модели поля излучения многолучевой антенны на основе сферического зеркала: Отчет о НИР (промежуточный)/ СНТУ, Руководитель Л.М. Лобкова. №ГР0101U001101. Севастополь, 2005. — 151с.

Rec. ITU-R S.580-5 Radiation diagrams use as objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites.

Фролов О.П. Антенны Земных станций спутниковой связи. — М.: Радио и связь, 2000. — 375с.

Севастопольский национальный технический университет

Факультет радиоэлектроники, кафедра радиотехники.


МНОГОЛУЧЕВАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА


Конкурсант: Выголов Сергей Александрович,

5 курс, магистратура,

г. Севастополь, бухта Стрелецкая, общежитие №4, комната 320(2)


Научный руководитель: Лобкова Любовь Михайловна, д.т.н., профессор, действительный член Нью-Йоркской академии наук.