Виды спутниковых антенн и расчет их параметров

Содержание
Введение.............................................................................................................3
1. Зеркальные антенны…................................................................................4
2. Методы расчета направленных свойств зеркальных антенн…...............8
2.1. Определение поля в раскрыве параболоидного зеркала...........9
2.2. Определение поля параболоидного зеркала.............................10
2.3. Энергетические параметры........................................................11
2.4. Расчет двухзеркальной антенны................................................12
2.5. Токовый метод расчета зеркальных антенн..............................13
2.6. Особенности расчета направленных свойств антенн с коническим раскрывом..............................................................................14
2.7. Расчет шумовой температуры антенны.....................................15
2.8. Расчет рабочей поверхности зеркал антенны модифицированной формы.......................................................................15
3. Панельные антенны…...............................................................................18
Заключение.......................................................................................................19
Библиографический список............................................................................20

Введение
В настоящее время с увеличением числа спутников связи на стационарной орбите улучшена точность их удержания. Угловое расстояние между соседними спутниками может составлять на «плотных» участках орбиты менее 3 угловых градусов.
В связи с этим возникает возможность одновременного приема нескольких, отстоящих на небольщие углы друг от друга искусственных спутников земли (ИСЗ) связи на одну антенну, называемую многолучевой антенной (МЛА). Применение МЛА вместо нескольких однолучевых антенн целесообразно в том случае, когда общие габариты МЛА возрастают незначительно относительно габаритов однолучевой. Это достигается за счет многократного использования поверхности раскрыва основного зеркала при формировании лучей МЛА.
Так же находят применение спутниковые системы связи с формированием отдельных сотовых зон обслуживания.
...

1. Зеркальные антенны
Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в излучающем отверстии (раскрыве) формируется в результате отражения электромагнитной волны от проводящей поверхности рефлектора (зеркала) специальной формы. Источником электромагнитной волны, размещаемым в фокусе зеркала, является небольшая элементарная антенна с невысокой направленностью, называемая облучателем зеркала или просто облучателем.
Зеркало обычно изготавливается из стальных или алюминиевых сплавов, для уменьшения парусности зеркало может выполнятся в виде решетки. Рабочей поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая создание нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в форме параболоида вращения. Усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала.
...

2. Методы расчета направленных свойств зеркальных антенн
Методы расчетов направленности приемных антенн зеркального типа разработаны достаточно подробно. Рассмотрим особенности диаграмм направленности с точки зрения определения их влияния на шумовую температуру.
Задача определения направленности сводится к решению задачи внутренней и внешней. Во многих практических случаях точное решение этих задач невозможно, поэтому приходится прибегать к приближенным методам расчета.
Основным методом расчета зеркальных антенн является апертурный метод. При его использовании антенну заменяют плоским раскрывом такого же размера и формы, что и основное зеркало, с распределением амплитуд и фаз поля, определяемым в приближении геометрической оптики.
Апертурный метод обеспечивает высокую точность только в области основного и первых трех−пяти боковых лепестков диаграммы направленности.
При апертурном методе поле излучения зеркальной антенны находится по известному полю в ее раскрыве.
...

2.1. Определение поля в раскрыве параболоидного зеркала
Поле в раскрыве определяется методом геометрической оптики. Поскольку всегда выполняется условие f »λ, зеркало находится в дальней зоне и поле падающей от облучателя волны на участке от фокуса до поверхности зеркала можно считать полем сферической волны.
В такой волне амплитуда поля изменяется обратно пропорционально пройденному расстоянию. После отражения от поверхности зеркала волна становится плоской и амплитуда ее до раскрыва зеркала с растоянием не изменяется.
Нормированное значение амплитуды поля в раскрыве определяется выражением
где R' − нормированная координата точки раскрыва зеркала; Fобл(φ) − нормированная диаграмма направленности облучателя; φ − азимут, отсчитываемый от плоскости XOZ.
Это выражение позволяет рассчитать распределение поля в раскрыве антенны с учетом диаграммы направленности облучателя и формы поверхности зеркала.
...

2.2. Определение поля параболоидного зеркала
Раскрыв антенны представляет собой плоскую площадку круглой формы с полем, имеющем поляризацию, соответствующую поляризации поля облучателя. Фаза поля в пределах раскрыва постоянна, а амплитудное распределение описывается полиномом
Полное поле в дальней зоне в соответствии с принципом суперпозиции определяется суммой полей компонентов
где S − площадь раскрыва; Е0 − амплитуда напряженности электрического поля в центре площадки; u = kR0sinQ, Λn+1(u) − лабда−функция (n+1)−го порядка.
Выражение, определяемое суммой компонентов в последней формуле, представляет собой диаграмму направленности антенны:
Нормированная диаграмма направленности имеет вид
где fmax(Q) − максимальное излучение синфазной площадки, ориентированной в направлении Q = 0.
Это выражение определяет диаграмму направленности параболоидной однозеркальной антенны.
...

2.3 Энергетические параметры
Для вычисления коэффициента усиления антенны − основного энергетического параметра антенны определяется коэффициент передачи энергии от облучателя к зеркалу в режиме передачи или, что тоже самое, от зеркала к облучателю в режиме приема:
Апертурный коэффициент использования поверхности раскрыва определяется выражением
Результирующий коэффициент использования поверхности раскрыва антенны кип = ην. При оптимизации антенны на максимум коэффициента усиления при постоянном размере углового раскрыва зеркала можно манипулировать размерами раскрыва облучателя, изменяя тем самым шири ну и форму его диаграммы направленности. При постоянных размерах облучателя для достижения максимального коэффициента усиления антенны можно изменять угловой раскрыв зеркала при сохранении диаметра.
Поскольку площадь раскрыва антенны S = πD2/4, где D − диаметр зеркала антенны, а ηf − коэффициент передачи фидера, то коэффициент усиления антенны в децибелах

2.4.
...

2.5 Токовый метод расчета зеркальных антенн
Энергия электромагнитного поля облучателя наводит на поверхности зеркала СВЧ токи той же частоты. Каждый из таких токов на элементарной площадке поверхности является элементарным источником излучения опять таки электромагнитного поля с широкой диаграммой направленности. Благодаря свойствам параболоида при размещении точечного облучателя в фокусе параболоида, все элементарные токи на поверхности зеркала суммируют синфазно все излучаемые поля в дальней зоне в напрвлении фокальной оси. Амплитуда и направление поверхностных токов определяется выражением
где js − вектор плотности тока, наводимого в данной точке поверхности зеркала; Н − вектор напряженности магнитного поля облучателя, определяемого его диаграммой; n0 − орт нормали в данной точке к поверхности зеркала.
...

2.6. Особенности расчета направленных свойств антенн с коническим раскрывом
При освоении частот 20 ГГц и выше возможно применение в системах приема ИСЗ связи новых перспективных антенн. К таким устройствам, в частности, относится широкополосная конусная антенна с кольцевым параболическим отражателем, параболическая зеркальная антенна с кольцевым цилиндрическим отражателем, зеркально−рупорная антенна и всенаправленные облучатели к ним. Эти облучатели имеют коническую форму раскрыва, имеют воронкообразную форму диаграммы направленности и могут найти самостоятельное применение.
Известно, что даже раскрыв цилиндрической формы имеет диаграмму направленности с повышенным уровнем боковых лепестков, которые могут оказать существенное влияние на шумовую температуру.
...

2.7. Расчет шумовой температуры антенны
Для точного определения ШТ антенны должна быть известна ее полная (круговая) диаграмма направленности, а также диапазон рабочих частот, угол наклона антенны к горизонту, физическое состояние окружающей среды.
Диаграмма направленности антенны может быть получена расчетным путем, измерена при испытании моделей, определена при натурных испытаниях.
Расчеты ШТ проводятся в соответствии с формулой
где G0 − коэффициент усиления антенны в направлении максимума приема; α − угол наклона антенны к горизонту; Е2 (Q) − диаграмма антенны по мощности; Q − угол между направлением максимума приема и направлением, в котором определяется ДШТ среды; Та0, Та1,2 − ДШТ атмосферы в секторах 0 < Q < α и π − α < Q < π соответственно; ТВ,Г, ТВ0,ГО − ДШТ гладкой земной поверхности в секторах 0 < Q < π − α и π − α < Q < π соответственно;

2.8.
...

2.8. Расчет рабочей поверхности зеркал антенны модифицированной формы
Высокий КИП, близкий к единицы можно добиться при равномерном по амплитуде синфазном распределении поля в раскрыве. При использовании в зеркальных антеннах обычных синфазных рупорных облучателей имеет место высокий уровень облучения центра зеркала и малый уровень облучения его краев. Для увеличения уровня облучения края зеркала необходимо использовать расфазированный рупор с уменьшенным уровнем поля в направлении центра зеркала с увеличением этого уровня в направлении середины рупора и затем с уменьшением уровня на краю раскрыва.
При этом распределение поля приближается к равномерному, однако должен быть достигнут компромисс между увеличением апертурного КИПа и уменьшением коэффициента усиления из−за потерь энергии за краями раскрыва. Еще более равномерного по амплитуде распределения поля в раскрыве антенны можно добиться путем модификации формы гиперболоидного контррефлектора.
...

3. Панельные антенны
Наряду с параболическими применяются антенны еще одного типа, называе6мые планарными (панельными) и состоящие из множества маленьких отдельных антенн, которые включены в общую схему с помощью сети блоков−объединителей в сочетании с мало шумящим конвертером. Для приема сигналов со спутников DBS большой мощности достаточно располагать небольшой антенной. Панельные антенны левокруговой поляризации обеспечивают прием сигналов со спутников TV−Sat 2, Olympus и Tele−X на большей части Центральной Европы.
При габаритах 40×40 см такая антенна прекрасно вписывается в пространство жилого автофургона. Она характеризуется усилением до 30 дБ, коэффициентом шумов конвертера от 1,4 до 1,7 дБ и усилением за счет усилителя до 50 дБ.
Антенная решетка панельных антенн представляет собой набор диполей расположенных вертикально друг под другом. Обычно они размещаются в два столбца в левой и правой частях антенны. Тем самым реализуется пространственное горизонтальное разнесение.
...

Заключение
Для приема сигналов со спутниковых устройств важны следующие свойства антенн:
• высокое усилие;
• малые амплитуды боковых лепестков;
• низкий уровень собственных шумов;
• низкий уровень перекрестной поляризации.
Усиление. Здесь требуется усиление не менее 35 дБ, что соответстует решетке из 200 директорных антенн или ≈ 4000 вибраторов. Такое усиление реализуется только посредством зеркальной антенны с однородным покрытием (апертурой); оно будет расти с увеличением площади зеркала и убывать с квадратом длины волны излучения.
Боковые лепестки. При диаметре зеркала менее 1 м уже нельзя пренебрегать тем, что облучатель с его арматурой дают тень. Она и порождает боковые лепестки. В какой−то степени помогает применение несимметричных параболических антенн с внеосевым питанием (офсетных антенн). При меньшем затенении улучшается КПД поверхности. Недостаточно жесткие допуски на форму отражателя также способствуют увеличению боковых лепестков.
...