Основные параметры

Основные параметры.

Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T_S) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/T_S (коэффициент шумовой добротности приёмного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру

T_S = T_у + T_тр + T_а.

Здесь T_у - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно T_у~ 40..60К); Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; T_а- эквивалентная антенная шумовая температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношенияG/T_S при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие T_тр и T_а. Уменьшение T_тр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Антенная температура T_а растёт при уменьшении угла места D (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при D = 5…7⁰ в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла D путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места D увеличивается до 10^о.

Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путём увеличения её размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению Tа и ухудшению помехозащищённости. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11/14 и 20/30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли мм, что соответствует относительному допуску 10^-4 .. 10^-5). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от -p/4 до +p/4 .

Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять 0,1Dq_0,5 . При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2R₀ следует выбирать из компромисса между технико-экономическими факторами, определяющими реализуемую точность наведения, и соответствующими этой точности потерям усиления.

Допуск на точность установки облучателя на оси зеркала должен соответствовать условию что отклонение от синфазного распределения не превышает p /4 . Это соответствует тому что | DZ | < l /8(1-cosy₀ ).

Рис.6. Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси. Таким образом, при постоянном диаметре зеркала с ростом фокусного расстояния что приводит к уменьшению угла y₀ , требуемая точность в установке облучателя снижается. Такой вывод имеет важное значение для практики, если речь идёт, например, об установке облучателя, который не имеет фазового центра.

Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещённым из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.

Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:

D = 4p kF/l²,

где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = pr₀². (r₀ - диаметр зеркала.)

Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида. На рис.7 дана зависимость k от r₀/f ( f - фокусное расстояние ), рассчитанная в предположении, что облучателем является элементарный вибратор с рефлектором.

Рис.7. Зависимость коэффициента использования поверхности от r₀/ f. Как видно, имеется оптимальное отношение r₀/ f = 1,3 при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При r₀/ f = 1,3, величина k равна 0,83. Оптимальное значение r₀ / f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы облучателя и от отношения r₀ / f. При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения r₀ / f (рис.8).

Рис.8. Оптимальная форма диаграммы облучателя. Это обстоятельство приводит к уменьшению коэффициента k по мере уменьшения отношения r₀/f. Однако с другой стороны уменьшение отношения r₀/ f сопровождается увеличением равномерности облучения зеркала, что сопровождается увеличением коэффициента k. В результате действия двух указанных факторов получается оптимальное соотношение r₀/ f,

которое в случае элементарного вибратора с рефлектором равно 1,3.

Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром D повышается при увеличении эффективной площади рефлектора S_эф и при уменьшении длинны волны l принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах): G = 4p S_эф/ l² , где S_эф= hpD²/4,

h - коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель. Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (l=7,5 см) и 12 ГГц (l= 2,5 см), будут отличаться в 9 раз. однако на сомом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн,определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).

Затухание L₀растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны l электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L₀ = 16p ²R² /l² . Для диапазона 12 ГГц ( l = 2,5 см ) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L₀ достигает 3,25^.10²⁰ ( ~203 дБВт ).

В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.

Ширину диаграммы направленности (j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/D .

На предыдущую страницу. На стартовую страницу. На следующую страницу.