Зеркальные параболические антенны спутниковой радиосвязи.

Связь между земными пунктами, находящимися на расстоянии от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, удобно осуществлять на сантиметровых волнах с помощью ИСЗ, применяемых в качестве активных ретрансляторов. В настоящее время считается, что при расстоянии между передающими приемными центрами более 400...500 км ретрансляция программ через ИСЗ становится вы­годнее, чем их передача по наземным каналам (кабельным и РРЛ). В труднодоступных местностях это расстояние может быть еще меньше.

Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме используемого частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время все шире осваиваются новые диапазоны 11/14 и 20/30 ГГц.

Объем и качество передачи информации во многом определяют­ся антенно-фидерным устройством системы спутниковой связи (ССС). С учетом этого основными требованиями к антенным уст­ройствам земных станций являются:

- обеспечение высокого КУ при достаточно большом КИП (0,6...0,7) и как можно более низкие значения шумовой температу­ры и УБЛ;

- возможность наведения луча на ИСЗ с помощью опорно-по­воротного устройства, а также систем программного и ручного наве­дения и автоматического сопровождения;

- сохранение электрических характеристик и надежной работы в заданных климатических условиях.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) и космичес­кой радиосвязи являются сложными устройствами, имеющими боль­шие габаритные размеры и массу. Они работают в условиях воздейст­вия переменных ветровых нагрузок, дождя, гололеда, солнечного нагре­ва. В этих климатических условиях должны быть обеспе­чены высокая механическая прочность антенной системы и сохране­ние с высокой точностью заданной формы поверхности зеркала. С этой целью зеркало антенны снабжается мощным каркасом, опирающимся на несущую платформу антенно-поворотного устройства (рисунок 1).

Одной из важнейших характеристик антенн ЗС является вели­чина отношения КУ антенн (G)к суммарной шумовой температуре (T_Σ,) на входе приемного устройства, измеренной в Кельвинах при угле места 5° (шумовая добротность). Современные зеркальные антенны ЗС с диаметром 30 м имеют G/T около 42 дБ/К. Очевидно, что для увеличения отношения G/Т следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру . Здесь Т_у - шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к ко­торому присоединена антенна (обыч­но Т_у = 40...60 К); Т_тр - шумовая тем­пература СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Т_А - эквивалентная шумовая температура антенны.

Рисунок 1. Зеркальная параболическая антенна

Температура Т_А растет при уменьшении угла места (угол меж­ду направлением максимального из­лучения и горизонтом) из-за увеличения поглощения радиоволн в боль­шей толще атмосферы Земли и при­ема шумов теплового излучения Земли. При = 4...5° уровень шумов Земли недопустимо возрастает, так как их прием происходит через боковые лепестки, близкие к главному. Кроме того, при уменьшении угла путь от антенны до ИСЗ, проходя­щий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению уровня шумов, порождаемых атмосферой. Минимально допустимый угол места в диапазоне 4/6 ГГц составляет 5...7°. В диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере ми­нимально допустимый угол места не должен быть менее 10°.

В связи с ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите и уменьше­нием углового расстояния между ними на ЗС возрастает опасность помех от соседних ИСЗ. Поэтому антенны ЗССС должны иметь низкий УБЛ.

На ЗССС с малой пропускной способностью применяются однозеркальные антенны с КУ не более 35 дБ и несколь­ко многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель (система «Экран») с КУ примерно 21...28 дБ.

На ЗССС с большой пропускной способностью используются в основном двухзеркальные модифицированные параболические антен­ны. Диаметры раскрыва таких антенн определяются заданными значе­ниями рабочей частоты, КУ, УБЛ и доходят до 30...32 метров.

Рассмотрим антенну ЗССС, обеспечивающую телефонную связь и передачу данных межмашинного обмена в диапазоне 4/6 ГГц между абонентами, расположенными на терри­тории России, а также зарубежных стран Европы, Азии, Америки.

Для излучения и приема сигналов используется двухзеркальная параболическая антенна Кассегрена с диаметром раскрыва D = 4,8 м. Профиль малого зеркала с диаметром d = 0,9 м модифицирован с це­лью реализации максимального КИП антенны. В качестве облучателя используется специально разработанный конический рупор, который во всем рабочем диапазоне антенны формирует осесимметричную ДН с практически неизменной шириной главного лепестка. Диаметр рас­крыва облучателя составляет 0,18 метра.

Диаграммы направленности такой антенны на частоте передачи = 6,012 ГГц и приема = 3,95 ГГц представлены на рисунке 2. Ко­эффициенты усиления на частотах f₁и f₂равны соответственно 46,8 и 43,8 дБ, а УБЛ -12,9 и -13,9 дБ. Сравнительно высокий УБЛ обуслов­лен амплитудным распределением поля в раскрыве, близким к равно­мерному, и влиянием затенения апертуры антенны малым зеркалом. Поляризация поля - круговая: левая поляризация при излучении и правая поляризация при приеме.

Сигналы, приходящие от ИСЗ или отражен­ные от планет при радиоастрономических исследованиях, также весь­ма слабы из-за большой удаленности указанных источников.

Рисунок 2. ДН двухзеркальная параболическая антенна Кассегрена

 

В этих условиях для того, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал - шум на входе приемника, антенны ЗС должны иметь очень высокий КУ (от 65...70 дБ), чему соответствуют большие размеры антенны и малая угловая ширина главного лепестка ДН.

Бортовые антенны ИСЗ обеспечива­ют прием и передачу по спутниковой линии связи сигналов связных, телевизионных, телеметрических и других систем. Уро­вень излучения в сторону Земли антеннами ИСЗ ограничен энергети­кой станции космического аппарата (КА) и недопустимостью излуче­ния в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать по­мехи другим радиотехническим системам.

Антенные системы современных ИСЗ должны удов­летворять следующим требованиям:

- обеспечивать эффективное облучение только заданной области земной поверхности;

- допускать повтор­ное (многократное) использование рабочих частот за счет простран­ственного разноса ДН и поляризационного разделения;

- ослаблять из­лучение вне зоны обслуживания для того, чтобы уровни поля не превышали установлен­ных норм.

В процессе эксплуатации ИСЗ антенна должна:

- сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, воздействия теплового и радиоизлучений Солнца, ионизирующей ра­диации;

- выдерживать действие больших ускорений и вибрационных нагрузок во время запуска;

- учитывать технические ограничения, на­кладываемые на размеры и массу антенны.

Учитывая условия работы антенн, установленных на спутниках, для их изготовления применяют такие материалы, как алюминий, бериллий, инвар, магний и титан. В последнее время все больше использу­ются композиционные материалы, такие как углепласты. Композиционные материалы имеют значительно лучшие, чем у вышеназванных материалов, механические и температурные свойства: близкий к нулю коэффициент линейного расширения, малую удель­ную массу и большую жесткость.

Бортовую антенну выбирают с учетом требований, свя­занных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями рабо­ты в космосе, стабилизацией ИСЗ.

На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогаба­ритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 18°, применялись антенны с КУ примерно 6...17 дБ (антенные решетки из 16 элементов, небольшие параболические антенны). На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5...10 тыс. км), применялись почти ненаправ­ленные антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые).

Недостаточное усиление бортовых антенн компенсировалось использованием больших наземных антенн с высоким КУ. С увеличе­нием общих размеров и массы ИСЗ появилась возможность приме­нять, более направленные антенны. К таким антеннам относят параболические (одно- и двухзеркальные), РПА и антенные решетки, применяются складные антен­ны, раскрывающиеся после вывода ИСЗ на орбиту.

В последнее время проявляется значительный интерес к борто­вым многолучевым антеннам. Обеспечивая большое усиление, эти антенны позволяют значительно снижать мощность бортовых пере­датчиков космических аппаратов. В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркаль­ные антенны, фазированные антенные решетки. Основными преиму­ществами зеркальных многолучевых антенн являются сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая мас­са, простота конструкции. Коэффициент усиления таких антенн лежит в интервале от 27...30 дБ в диапазоне 4/6 ГГц (при диаметре зеркала 1...2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц.

Во многих случаях ДН антенн ИСЗ должны быть сформированы таким образом, чтобы их контур повторял границу государства, видимую с геостационарной орбиты. Подобные антенны получили название антенн с контурным лучом. Кон­турная форма луча снижает потери излучаемой мощности за пределами границы обслуживаемого региона, а также уровень нежелательного облучения сопредельных территорий.

Наиболее популярны три способа формирования контурной ДН, первый из которых связан с применением параболического рефлекто­ра, облучаемого системой облучателей; второй - плоской фазирован­ной антенной решетки и третий - параболического рефлектора специ­альной формы, облучаемого одиночным облучателем.

Принцип формирования контурного луча в первых двух случаях условно показан на рисунке 3. Здесь изображены три узких луча, поля, которых, складываясь, образуют один широкий луч со сравнительно плоской верхней частью и крутыми скатами.

Достоинство этих спосо­бов заключается в возможности ме­нять форму контурного луча в ходе эксплуатации. Недостатки связаны со сложностью конструирования и надстройки системы формирования лучей, а также с ростом радиочас­тотных потерь при увеличении час­тоты.

Рисунок 3. Принцип формирования контурного луча

Третий способ рассчитан на фиксированную форму контура, зато свободен от недостатков, указанных выше. Правда, сложность расчета и изготовления рефлектора специальной формы пока сдерживает широ­кое распространение систем этого типа.