Параболические и рупорные антенны радиорелейных станций.

Радиорелейные линии большой емкости работают в сантиметровом диапазоне волн. Здесь, как правило, применяется двухчастотный план распределения частот. При этом на промежуточной станции передача в оба направления (прямое и обратное) ведется на одной частоте f₁, а прием с обоих направлений - на другой частоте f₂. Таким образом, антенна находится в поле действия двух сигналов, имеющих одинаковые несущие частоты f₂, но приходящие с противоположных направлений. Для снижения помех между прямым и обратным каналом связи КЗД антенны ξ_защ = ξ_обр/ξ_пр должен составлять не более -65...-70 дБ. Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее помехозащищенность при приеме и оказывающий существенное влияние на ЭМС при передаче, должен быть по возможности мал. Необходимое переходное затухание между трактами приема и передачи (отношение мощности, излучаемой передающей антенной, к мощности, просачивающейся в приемный тракт этой или рядом расположенной антенны) обеспечивается взаимно перпендикулярными поляризациями излучаемого и принимаемого антенной поля.

Однако вследствие того, что излучаемое параболической антенной поле кроме составляющей с основной поляризацией имеет также составляющие перпендикулярной ей поляризации, возможен переход мощности из канала передачи в канал приема. Во избежание связанных с этим искажений коэффициент поперечной поляризации поля антенны должен составлять -25...-30 дБ, что достигается выбором типа параболического зеркала и облучателя (рупора).

Отраженные волны в тракте питания приводят к нелинейности фазовой характеристики последнего, что вызывает появление шумов в телефонных каналах. Допустимое значение коэффициента отражения, вызванное рассогласованием волнового сопротивления линии и входного сопротивления антенны, для многоканальных систем не должно превышать 2…3% во всей рабочей полосе частот. Для этих систем полоса частот, удовлетворяющая данному требованию, составляет 10...15% несущей частоты высокочастотного сигнала.

Антенна должна иметь жесткую конструкцию, чтобы при порывах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину. Атмосферные осадки не должны попадать в тракт питания антенны, так как это приводит к увеличению затухания и рассогласованию тракта.

Зеркальные антенны, используемые в РРЛ, имеют ряд недостатков. Один из них - сложность получения в зеркале оптимального распределения амплитуды поля. Это обстоятельство, а также переливание поля облучателя за края зеркала и затенение его облучателем не позволяют добиться достаточно низкого УБЛ и высокого КЗД. Кроме того, недостатком этих антенн является плохое согласование облучателя с фидером, определяемое перехватом облучателем части отраженных от зеркала лучей. Для уменьшения бокового излучения и увеличения КЗД применяют различного рода защитные экраны. Для антенн с КУ, равным примерно 40 дБ, КЗД составляет – (45... 50) дБ, что недопустимо при использовании антенны на РРЛ, работающей по двухчастотному плану. У высококачественных антенн, снабженных защитными экранами, КЗД может быть снижен до - (55...70) дБ.

На рисунке 3 изображена двухзеркальная симметричная антенна со смещенной фокальной осью (АДЭ - антенна двухзеркальная со смещенной фокальной осью и с эллиптической образующей малого зеркала), в которой эффект затенения отсутствует.

В схеме такой антенны фокальная ось параболы, являющаяся образующей основного зеркала, не совпадает с осью симметрии. Фазовый центр 0 рупора, излучающего сферическую волну, расположен на оси симметрии антенны АА.

Фокальная ось ВВ параболы BQ с фокусом в точке F_n смещена параллельно оси АА на расстояниеd/2. Симметричная парабола В'Q' с фокусом в точке F'_n также смещена от оси симметрии на d/2. В пространстве фокусы параболы располагаются на фокальном кольце с диаметром d. Фокус параболы F_n и фазовый центр рупора 0 выбираются в качестве фокусов эллипса. Вращением отрезка этого эллипса вокруг оси симметрии АА образована поверхность малого зеркала антенны.

Рисунок 3. Двухзеркальная симметричная антенна со смещенной фокальной осью

Рассмотрим ход лучей в антенне. Лучи рупора, являющегося источником сферической волны, падая на поверхность малого зеркала, собираются в фокусах F_n и F'_n. Эти точки могут быть представлены как точечные источники, облучающие параболы BQ и B'Q'. Следовательно, в раскрыве большого зеркала образуется синфазный волновой фронт с направлением распространения, совпадающим с осью симметрии. Чтобы исключить возврат части лучей в рупор после их отражения от малого зеркала, размер его раскрыва следует ограничить диаметром d. В этом случае параболоид полностью освещается полем, отраженным от малого зеркала, от начального значения угла ѱ= 0 до предельного угла раскрыва ѱ = ѱ₀.

Данная антенна по сравнению с обычными двухзеркальными антеннами обладает рядом преимуществ:

- наличие конического острия на малом зеркале значительно ослабляет реакцию зеркала на облучатель и улучшает согласование антенны;

- появляется возможность существенно сократить расстояние между облучателем и малым зеркалом и тем самым уменьшить утечку энергии за это зеркало и упростить его крепление;

- вследствие того, что лучи, идущие через область центра раскрыва облучателя, переизлучаются малым зеркалом на периферию параболоида, а лучи, отраженные от точек, находящихся вблизи краев вспомогательного зеркала, попадают на участки поверхности параболоида, близкие к его вершине, обеспечивается большая равномерность амплитудного распределения поля в раскрыве антенны.

В последнее время значительно повысился интерес к антеннам с вынесенным облучателем (АВО) (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Однозеркальная антенна с вынесенным облучателем

Однозеркальная АВО (рисунок 4) содержит: отражающее зеркало 1, облучатель 2, в качестве которого используется расфазированный рупор с изломом образующей (рисунок 5); экран 3, увеличивающий ее КЗД. Оси малого 1 и основного 2элементов рупора (см. рисунок 5) развернуты на некоторый угол γ.

Рисунок 5. Расфазированный рупор с изломом образующей

Так как при этом углы, α₁ и α₂ оказываются различными, то вершина главного лепестка ДН рупора становится неосесимметричной. В перпендикулярной плоскости углы, аналогичные углам α₁ и α₂, остаются равными, а ДН симметричной. Срезав раскрыв основного рупора, не перпендикулярного его оси, можно устранить различную расфазировку поля в точках В и В', лежащих на границах раскрыва. Облучатель обеспечивает симметричное по главным осям возбуждение апертуры неосимметричной антенны при очень малом УБЛ.

Среди существующих антенн наименьшим боковым излучением обладают рупорно-параболические антенны (РПА). Такая антенна состоит из питаемого волноводом пирамидального или конического рупора и непосредственно присоединенного к нему зеркала, являющегося частью параболоида вращения (рисунок 6, а).

Фокус параболоида F совпадает с фазовым центром рупора, находящимся у вершины последнего.

Рисунок 6. Рупорно-параболическая антенна

Электромагнитные волны, исходя из рупора, отражаются от параболического зеркала (рисунок 6, б). Фронт отраженной от зеркала волны близок к плоскому, и поверхность раскрыва зеркала (поверхность АВ)является синфазной. В такой системе почти вся электромагнитная энергия облучателя попадает на зеркало, что резко уменьшает задние лепестки ДН. Облучатель (рупор) не затеняет поверхность зеркала, что приводит к уменьшению УБЛ. Так как отраженная от зеркала энергия не попадает в рупор, то отсутствует реакция зеркала на облучатель. Коэффициент защитного действия РПА равен - (65...70) дБ, КИП - около 0,65...0,75. Обычно углы раствора рупора в плоскостях Е и Н выбираются в пределах 30...50°, а площадь несимметричного параболоида (площадь апертуры антенны) составляет 5...15 м².

Антенна может быть использована одновременно для приема и передачи радиоволн с взаимно перпендикулярной поляризацией, а также для излучения и приема радиоволн с круговой поляризацией. Недостатками РПА являются значительные габаритные размеры и соответственно большая масса. Однако существует ряд модификаций РПА с уменьшенными габаритными размерами.

На радиорелейных линиях применяются также перископические антенные системы (рисунок 7), особенностью которых является отсутствие длинного фидера. В перископической антенной системе энергия передается с помощью беспроводной линии передачи, состоящей из нижнего зеркала с облучателем (излучателя), установленного у основания мачты, и верхнего зеркала (переизлучателя). Излучателями могут быть несимметричные, выполненные по схеме АВО, или эллипсоидальные зеркальные антенны. В перископической антенне, облучатель нижнего зеркала (рупор с изломом) устанавливается непосредственно в здании.

В качестве переизлучателя обычно применяется плоское зеркало. Излучатель и переизлучатель так ориентируются относительно друг друга, что волны, излученные нижним зеркалом, «перехватываются» верхним и переизлучаются в направлении на соседний ретрансляционный пункт.

Рисунок 7. Перископическая антенная система

Фокусирующее действие нижнего зеркала сужает поток энергии, распространяющийся от него к верхнему зеркалу. Это приводит к увеличению передачи энергии от нижнего зеркала к верхнему. Однако часть энергии все же переливается через края верхнего зеркала.

Выгоднее использовать верхний плоский переизлучатель не с прямоугольным, а с эллиптическим контуром обреза, имеющим в плоскости, перпендикулярной распространению волны, круглую поверхность раскрыва, так как при этом увеличивается КПД беспроводной линии передачи и уменьшается УБЛ ДН верхнего зеркала.

С целью совершенствования и повышения рентабельности РРЛ необходимо уменьшать затраты на строительство и эксплуатацию радиорелейных линий, особенно в условиях сильно пересеченной местности. Одним из способов решения этой задачи является замена части ретрансляторов РРЛ пассивными приемопередающими станциями - пассивными ретрансляторами. На таких станциях отсутствует приемопередающая аппаратура, а ретрансляция осуществляется особым образом выполненными антенными системами.

Пассивные ретрансляторы преломляющего типа можно реализовать в виде двух антенн, соединенных линией питания и ориентированных одна на предыдущий, а вторая на последующий ретрансляционные пункты.

Пассивные ретрансляторы типа препятствия в отличие от отражающих и преломляющих являются высокоэкономичными, поскольку не требуют точного выполнения рабочей поверхности и ее юстировки в пространстве. Это, в свою очередь, позволяет сооружать ретрансляторы с эффективной поверхностью в сотни квадратных метров при минимальных затратах.

Рассмотрим принцип действия пассивного ретранслятора типа препятствия. Ретранслятор представляет собой металлическую поверхность П, расположенную между двумя радиорелейными пунктами А и В, находящимися вне прямой видимости друг от друга (рисунок 8).

Появление напряженности поля в пункте В при установке на пути распространения волны препятствия П объясняется следующим образом. При отсутствии препятствия (ретранслятора П) в плоскости Q передающая антенна пункта В создает электромагнитное поле.

Рисунок 8. Пассивный ретранслятор типа препятствия

Напряженность поля в пункте В определяется интерференцией полей от всех элементов этой возбужденной поверхности. Распределение возбуждающего поля на плоскости Q таково, что при отсутствии прямой видимости между пунктами А и В напряженность результирующего поля в пункте В равна нулю. Другими словами, ДН возбужденной плоскости Q такая, что излучение в направлении пункта В отсутствует. Установка в плоскости Q непроницаемого для электромагнитных волн препятствия приводит к тому, что на части плоскости Q, закрытой металлической поверхностью П, напряженность поля становится равной нулю. Таким образом, изменяется амплитудно-фазовое распределение возбуждающего поля, что приводит к изменению ДН возбужденной плоскости Q и появлению излучения в направлении пункта В. Возбужденное падающей волной препятствие П является вторичным излучателем, и при рациональном выборе его формы и размеров интенсивность вторичного поля в пункте В может оказаться значительной.

Форма препятствия выбирается так, чтобы обеспечить минимальную расфазировку поля в точке приема В. На рисунке 9 показано препятствие в виде части кольца, верхняя и нижняя кромки которого совпадают с границами зоны Френеля. Это обеспечивает синфазность поля в точке приема от сектора Δφ при любом φ.

Рисунок 9. Препятствие в виде части кольца

В вертикальной плоскости расфазировка поля дуг различного радиуса r определяется разностью хода соответствующих лучей от пункта А к пункту В. По этим причинам угловой размер препятствия по координате φ и соответствующий линейный размер 2a имеют важное значение для формирования поля в точке В; они ограничиваются в основном только конструктивными соображениями. Пассивные ретрансляторы типа препятствия в отличие от ретрансляторов отражающего и преломляющего типов не требуют жесткой фиксации в пространстве и точности обработки поверхности, так как их роль заключается только в создании на фронте падающей волны участка с нулевой напряженностью поля. Отсутствие требований к жесткости конструкции позволяет выполнять полотно в виде проволочной сетки и подвешивать его на легких опорах.

Антенны пассивных ретрансляторов любого вида должны обладать значительно большими КУ, чем антенны активных ретрансляционных пунктов, что объясняется усилением приходящего сигнала исключительно за счет направленности антенн, так как усилительная аппаратура на пассивном пункте отсутствует. Поэтому площадь пассивных ретрансляторов должна быть значительно больше площади раскрыва антенны активного ретранслятора (в 50...60 раз). Коэффициент усиления таких пассивных ретрансляторов типа препятствия достигает 60...70 дБ.

Пассивный ретранслятор типа препятствия может быть использован на РРЛ с прямой видимостью для увеличения КУ антенны без увеличения размеров ее поверхности. Такой ретранслятор называется антенным директором.

Особенно целесообразно применять антенные директоры на РРЛ, работающих в диапазонах 8 и 11 ГГц, где благодаря небольшому расстоянию между активными пунктами (25...35 км) высота антенных опор обычно невелика.

При строительстве РРЛ в горной или сильно пересеченной местности возможно использовать пассивные ретрансляторы отражающего типа. Обычно они выполняются из одного или двух плоских зеркал (рисунок 10). Однозеркальный пассивный ретранслятор применяется при угле β > 45...60° (рисунок 10, а), а двухзеркальный ретранслятор, состоящий из двух близкорасположенных зеркал в ретрансляторе на рисунке 17, б - при β = 35...60°.

Рисунок 10. Пассивные ретрансляторы отражающего типа

Схема расположения зеркал в ретрансляторе на рисунке 10, б называется Δ-конфигурацией. Она характерна тем, что зеркало Р₂и пункт приема В расположены по разные стороны от направления АР₁. Такое построение пункта ретрансляции становится нецелесообразным при малых углах β. Это связано с тем, что зеркала Р₁ и Р₂необходимо устанавливать на большом расстоянии друг от друга, чтобы избежать их взаимной экранировки. При этом увеличивается рассеяние энергии на участке Р₁Р₂.

На рисунке 10, в показана другая возможная схема расположения зеркал двухзеркального ретранслятора, известная как Z-конфигурация. В данном случае зеркало Р₂и пункт В расположены по одну сторону от направления АР₁. Практически Z-конфигурацию целесообразно использовать при 0° < β < 40°, при этом зеркала Р₁и Р₂ можно расположить близко друг к другу, что весьма удобно на практике. Необходимость применения двухзеркального ретранслятора объясняется тем, что коэффициент использования поверхности однозеркального ретранслятора остается достаточно высоким до тех пор, пока угол падения волны на зеркало невелик.

Наряду с РРЛ прямой видимости возможна и практически реализована на УКВ передача многоканальных сообщений на большие расстояния с использованием эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн.

Поскольку приемная антенна улавливает только небольшую часть энергии, переизлученной рассеивающим объемом (CDD₁C₁ рисунок 11), для устойчивой связи необходимо, чтобы передающая и приемная антенны имели большой КУ (около 45 дБ). Поэтому площади излучающих поверхностей антенн могут достигать несколько сотен квадратных метров.

Следует также иметь в виду, что КУ как передающей, так и приемной антенны тропосферной линии растет не прямо пропорционально поверхности ее раскрыва, а медленнее, что можно объяснить некогерентностью объема тропосферы при сужении ДН антенны.

Рисунок 11. Принцип дальнего тропосферного рассеяния

При этом, чем больше расчетный КУ антенны, тем значительнее уменьшение ее реального КУ. Данное явление называется потерей усиления антенн. На тропосферных линиях, работающих в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, в основном применяются однозеркальные осесимметричные и неосесимметричные антенны, осесимметричные двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, а также рупорно-параболические антенны. Расчетный коэффициент усиления у вышеперечисленного антенн составляет 41...43,5 дБ. На тропосферных РРЛ нет необходимости поднимать антенны на большую высоту. Для увеличения КЗД и помехозащищенности антенн применяют различного рода экраны и защитные устройства.

Уровень сигнала на пролете тропосферной РРЛ можно повысить с помощью антенных директоров. Особенно целесообразна установка антенных директоров на трассах, имеющих близкорасположенные перед антенной препятствия, что позволяет существенно снизить их затеняющее действие.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите требования, предъявляемые к направленным свойствам антенн РРЛ с учетом обеспечения помехозащищенности и ЭМС.

2. Какова роль модифицированных поверхностей зеркальной антенны по сравнению с не модифицированными?

3. Перечислите способы устранения затенения апертуры антенн облучателем. Поясните на примере какой-либо схемы.

4. Изобразите схему АДЭ и объясните принцип ее действия.

5. Изобразите схему РПА и объясните ее основные достоинства.

6. Схемы и принцип действия пассивных ретрансляторов отражающего, преломляющего типов и типа «препятствие».

7. Принцип действия и область применения антенных директоров на трассе РРЛ связи.

8. Какие виды разнесенного приема используются на ТРРЛ и за счет чего обеспечивается высокая устойчивость их работы?