Введение

Введение

В настоящее время в телекоммуникационных системах большой популярностью пользуется спутниковая система вещания. Эта популярность стала настолько большой, что около Земли уже практически нет свободного места для других спутников. Для каждой страны выделено место и строго определено количество спутников, которое она может вывести на орбиту. Спутниковая система вещания – это такая телекоммуникационная система, связь между двумя наземными станциями которой происходит с помощью ретранслятора, находящегося на искусственном спутнике Земли. Данные системы работают на сверхвысоких частотах, обеспечивая связь на больших расстояниях. Без использования спутникового ретранслятора вести вещание в диапазоне СВЧ можно лишь в пределах прямой видимости либо с использованием многочисленных наземных ретрансляторов.

Объяснить большую популярность можно тем, что иногда запустить на орбиту спутник с ретрансляционной аппаратурой проще, быстрее и дешевле, чем проложить наземную линию станций. Также спутниковая система вещания охватывает большие площади обслуживания, чем наземная.

Все современные системы связи основаны на распространении электромагнитных волн в открытом пространстве или направляющих структурах. Для излучения и приема электромагнитных волн используют антенные устройства, соединяемые с приемно-передающей аппаратурой посредством фидеров. Антенны предназначены для согласования искусственной системы канализаций электромагнитных волн с окружающей естественной средой их распространения, т. е. улучшения качества связи без дополнительных затрат энергии. Для уменьшения мощности передатчика на передающей стороне антенна должна излучать ЭМВ в направлении потребителя. На приемной стороне антенна должна обеспечивать повышенную чувствительность к приходящим от передатчика электромагнитным волнам. Это все достигается применением высоконаправленных антенн тем самым, повышая достоверность передачи информации без повышения излучаемой мощности.

Сравнительная характеристика антенн

Типы антенн
Зеркальные: - осесимметричные однозеркальные; - осесимметричные двухзеркальные; - осенесимметричные (офсетные); - рупорно-параболические; - перископические;	Могут обеспечить высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. На высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие. Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.
Рупорные: - Е-секториальные; - Н-секториальные; - пирамидальные; - конические;	Являются частью питающего волновода. Широкополосные устройства, с коэффициентом полезного действия около 100%. Но для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора, а этим ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Чтобы обеспечить круговую поляризацию, необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 900. Формируют ДН от 10 до 140 градусов.
Линзовые: - замедляющие; - ускоряющие;	Также обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы.
Спиральные: - цилиндрические; - конические; - плоские;	Основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности).
- плоские диэлектрические; - плоские ребристые; - плоские модулированные; - дисковые диэлектрические; - дисковые ребристые; - стержневые	Поперечные размеры незначительны, хорошие диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Большой уровень боковых лепестков, КПД – низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических рёбер).Стержневые. Просты в изготовлении. Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по ДН и входному сопротивлению. Недостаток: большой по сравнению с антеннами других типов уровень боковых лепестков, маленькое значение КПД (т. к. происходит поглощение в диэлектрике).
Волноводно-щелевые:	Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств;

заданного диапазона частот

Исходные данные варианта 0412

Тема 04. Антенная синфазная решетка диэлектрических стержневых излучателей для приемной VSАТ станции.

Орбита спутникового ретранслятора (СР)	Геостационарная, высота над экватором Земли 35875 км
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) СР	49,8 кВт
Средняя частота излучения СР	17,9 ГГц
Ширина спектра излучения СР	36 МГц
Поляризация излучения СР	круговая левого вращения
Угол места СР	34 град
Мощность сигнала на выходе антенны	0,19 пВт

Выбор конструкции антенны и антенной решетки. Принцип работы диэлектрической стержневой антенны

Диэлектрическая стержневая антенна относится к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (υф<с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до10 Ггц

Наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны приведена на рисунке.

Рис. 1. Диэлектрическая стержневая антенна:

1 – диэлектиричекий стержень, 2 – возбуждающее устройство,

3 – возбудитель, 4 – питающий фидер

Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни. Наряду со стержнями могут использоваться диэлектрические трубки. Наиболее часто используют стержни с круглым поперечным сечением и это поперечное сечение, как правило, сужается к концу антенны, что приводит к некоторому повышению КНД и лучшему согласованию антенны с окружающей средой.

Электромагнитная волна, возбужденная в обойме, распространяется внутри стержня или трубки, отражаясь от их стенок, как и в волноводе. Однако, в отличие от волновода, здесь отражение неполное, частично энергия во всех точках поверхности стержня выходит наружу и излучается. Благодаря этому в стержне устанавливается бегущая волна, и сам он может рассматриваться как антенна бегущей волны. Диаграмма направленности стержневой антенны зависит от длины стержня l, площади поперечного сечения его в начале S1 и конце S2, от диэлектрической ε и магнитной m проницаемостей стержня.

С точки зрения распространения радиоволн стержни являются диэлектрическими волноводами, в которых могут распространяться волны различных типов. Наиболее благоприятным для излучения энергии является тип волны HЕ11, конфигурация электрического поля для этого типа волн показана на рисунке:

Распределение поля волны HE11

Рис.2

Фазовая скорость распространения волн вдоль стержня зависит от диэлектрической проницаемости материала, а также от соотношения между диаметром стержня и длиной волны. От этих же параметров зависит соотношение между величиной мощности переносимой внутри стержня и вне его. Так, при малом диаметре стержня фазовая скорость близка к скорости света в свободном пространстве. При этом большая часть всей мощности проходит вне стержня и его роль незначительна. Однако с диаметром стержня равным l0 и больше, фазовая скорость волн заметно понижается и приближается к значению, соответствующему распространению волн в неограниченном диэлектрике. При увеличении диаметра увеличивается доля мощности, концентрирующаяся в стержне.

Однако увеличение сечения стержня создает условия для возбуждения волн высших типов, что нежелательно. Существует некоторый оптимальный диаметр, при котором для заданной длины получается максимальный КНД.

Помимо антенн со сплошными диэлектрическими стержнями, применяют антенны с полыми стержнями или диэлектрическими трубами. В отличие от сплошного диэлектрического стержня для диэлектрической трубы характерен сравнительно малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности (около 10% от уровня основного лепестка).

Выбор типа диэлектрического стержня

Для получения сравнительно малого уровня боковых лепестков было бы целесообразно выбрать диэлектрический стержень в виде диэлектрической трубы. Кроме того, при этом виде стержня был бы достигнут минимальный вес системы.

Однако применение диэлектрических труб предполагает существование двух границ раздела диэлектрик – воздух, что существенно усложняет их изучение. Поэтому в настоящее время при проектировании таких антенн основываются на результатах экспериментальных исследований. Получение требуемых характеристик антенны будет связано со значительными затратами на исследования. К тому же стоимость изготовления диэлектрического стержня в несколько раз превосходит стоимость изготовления сплошного стержня. Использование диэлектрических стержней с практической точки зрения имеет также ряд недостатков. Например, то, что при выпадении осадков полость диэлектрических стержней будет их накапливать, что приведет к потере связи.

Таким образом, в силу приведенных аргументов, диэлектрический стержень проектируемой антенны будет выбран сплошным.

На практике чаще других применяют сплошные диэлектрические стержни цилиндрической и конической формы.

В диэлектрической антенне из цилиндрического стержня на конце антенны возникают отраженные волны, что приводит к увеличению боковых лепестков и соответственно ухудшает направленные свойства антенны.

Для уменьшения отражения от конца стержня и соответственно снижения уровня боковых лепестков выберем коническую форму диэлектрического стержня. Кроме того, для еще большего уменьшения отражения от конца стержня, на конце стержня скруглим его кромки.

Расчет параметров и характеристик антенны.

Расчет минимально допустимого КНД

Для выбора типа антенны необходимо определить КНД антенны – исходя из энергетических параметров линии связи: мощности излучения в направлении приемника и затухания в линии связи.

Определим общую длину трассы луча и длину трассы в пределах слоя тропосферы.

Расположение спутника и Земли

Рис.3

По теореме косинусов запишем:

Решив данное уравнение относительно Rc и выбрав действительный корень получим:

Rc=41363 км.

Для расчета затухания в атмосфере воспользуемся той же формулой, но вместо h подставим высоты расположения дождя, водяных паров и кислорода.

Известно, что дождевые облака не поднимаются выше 6 – 8 км, водяные пары и кислород находятся в тропосфере не выше 15 км. Примем:

Rдождя = 7 км,

= 15 км

=15 км

Тогда:

Решив эти уравнения получим:

Множитель ослабления определим по формуле:

(дБ)

где , , - погонные поглощения в парах воды, кислороде и осадках.

На частоте 17.9 ГГц эти параметры имеют следующие значения :

дБ/км

дБ/км

дБ/км – для умеренного дождя - 4 ¸ 5 мм/час. Выберем дБ/км

Получаем:

Переведя в разы, получим:

раза

Теперь, найдя затухания в тропосфере, можно найти необходимый КНД.

Определим вектор Пойнтинга – плотность потока мощности, которую создает в точке приема спутниковый ретранслятор:

где – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность СР.

Так как в условии необходимо получить на выходе антенны мощность 0.19 пВт, то требуется следующее значение эффективной площади антенны:

КПД антенны примем равным 0.81.

Коэффициент направленного действия антенны:

,

где - длина волны,

Подставив численные значения величин, получим:

Расчет излучающего элемента решетки

Расчет антенны начинается с выбора материала диэлектрического стержня. Выбор диэлектрика зависит от величины x, тангенса угла потерь и конструктивных сообраежний

Исходя из оптимального соотношения величины диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, для проектируемой антенны выберем в качестве материала полистирол.

Полистирол обладает следующими характеристиками: ε =2,5¸2,56, tgd=0,0001¸0,0009.

На частоте излучения (17,9 ГГц) тангенс угла потерь диэлектрика равен tgd=0,0003, а диэлектрическая проницаемость полистирола ε = 2.5.

Длина волны, соответствующая средней частоте излучения, определяется по формуле:

, где с – скорость света; f-средняя частота излучения

Согласно варианту 0412:

Для определения оптимальных значений максимального и минимального диаметра конических стержней будем использовать следующие формулы, которые получены на основании опытных данных.

(5.2)

dmin = 0,63dmax (5.3)

Рассчитаем размеры поперечного сечения диэлектрического стержня используя формулы (5.2) и (5.3):

Средний диаметр определим по формуле:

(5.4)

Используя зависимость фазовой скорости волны TE01 в диэлектрическом стержне от , определим .

Далее из графика [рис. 8.4 [1]] найдем коэффициент замедления :

= 0,96

Тогда коэффициент замедления равен

Для нахождения длины стержня Lопт воспользуемся формулой, которая позволяет получить максимальный коэффициент направленности:

.

Значит, ;

Определим критическую длину волны в круглом волноводе используя таблицу 8.2 [л1]

(5.6)

Тогда длина волны H11 в волноводе, заполненном диэлектриком, определяется по формуле:

(5.7)

Найдем КНД:

Как известно из теории КНД диэлектрической стержневой антенны определяется выражением:

Определяя КНД, будем использовать формулу:

Ширина главного лепестка по уровню половины мощности:

Согласно полученным данным диэлектрический стержень имеет вид:

Схематическое изображение стержня

Рис.4

Для уменьшения отражений с внутренней стороны антенны (со стороны волновода) необходимо плавно уменьшить сечение диэлектрика до нуля. Длина плавного уменьшения должна быть кратной нечетному числу четвертей длин волн (для компенсации отраженных волн). Возьмем ее равной

Для построения диаграмм направленности диэлектрической стержневой антенны воспользуемся зависимостью:

- в Н-области

- в Е-области

Подставив численные значения, получим:

Диаграмма направленности диэлектрической стержневой антенны

в полярной системе координат

рис.5

Диаграмма направленности диэлектрической стержневой антенны

в прямоугольной системе координат

рис.6

Расчет волноводов

Так как относительная ширина полосы частот мала, то размеры волновода можно корректно найти, опираясь на среднюю частоту рабочего диапазона.

Для существования в прямоугольном волноводе единственного типа волны Н10 размеры волновода выбирают так, чтобы выполнялось неравенство:

Берем стандартный волновод с размерами мм, мм.

Длина волны в волноводе:

Для существования в круглом волноводе единственного типа волны Н11 размеры волновода выбирают так, чтобы выполнялось неравенство:

где а – внутренний радиус волновода.

Берем стандартный волновод диаметром

Длина волны в волноводе:

Т. к. основным волноводом будет прямоугольный (круглый для принятия сигнала, его деполяризации и передачи в прямоугольный волновод), то рассчитаем затухания в нем и его волновое сопротивление.

Затухание энергии в волноводе обусловлено потерями на сопротивлении в металле стенок волновода, поэтому металл стенок должен иметь высокую проводимость. Обычно волновод делают из меди. Ее проводимость См/м.

Для волны Н10 затухание определяется формулой:

Волновое сопротивление волновода:

Ом

Глубина проникновения поля в стенки волновода:

Для уменьшения отражений с внутренней стороны антенны (со стороны волновода) необходимо плавно уменьшить сечение диэлектрика до нуля. Длина плавного уменьшения должна быть кратной нечетному числу четвертей длин волн (для компенсации отраженных волн). Возьмем ее равной

Обеспечение круговой поляризации левого вращения

Для полного использования потребителем мощности, пришедшей к нему с входа антенны, необходимо чтобы волна была линейно поляризована. Для этого необходимо деполяризовать пришедшую волну.

Круговая поляризация правого вращения: если смотреть в направлении распространения волны, то горизонтальная составляющая опережает вертикальную на 900. Необходимо “затормозить” эту горизонтальную составляющую на 900 градусов. В этом случае обе составляющие будут синфазны и получится наклонная линейная поляризация. Дальше необходимо развернуть наклонную поляризацию на 450 и получить вертикальную линейную поляризацию.

“Тормозится” горизонтальная составляющая путем введения в горизонтальную плоскость диэлектрической пластины какой то определенной длины. При выходе из пластинки фаза горизонтальной составляющей должна совпадать с вертикальной.

Расчет длины пластины:

,

где и фазовая скорость в пластине и вне пластины

где и путь, который волна прошла в пластине и вне пластины.

Так как сдвиг фазы на 900 соответствует четверти длины волны то:

Откуда получаем требуемую длину пластины:

Выбрав диэлектриком полистирол, и учтя, что деполяризатор устанавливается в круглом волноводе, получим:

Для уменьшения отражений от пластины ее необходимо сделать V-образной с величиной прогиба кратной нечетному числу четвертей длин волн (для компенсации отраженных волн). Возьмем ее равной

Схематический вид диэлектрической пластины:

Рис.7

После того как мы получили наклонную поляризацию (под углом 450 к вертикальной составляющей по часовой стрелке, если смотреть по направлению распространения волны) необходимо перейти от круглого волновода к прямоугольному, который расположен под углом 450 к вертикальной составляющей, т. е. чтобы в нем наклонная поляризация распространялась как вертикальная

Расчет антенной решетки

Так как КНД решетки и излучателя известны, то можно найти число излучателей:

излучателей

Так как при вычислении N были произведены округления, пересчитаем КНД:

Коэффициент усиления:

раз или

Для отсутствия побочных главных максимумов в треугольной решетке должно выполнятся следующее неравенство:

где d – расстояния между соседними излучателями

- максимальный угол сканирования равный в нашем случае нулю.

Тогда:

Так как эта решетка синфазная и элементы питаются от прямоугольного волновода, в котором длина волны равна 1.9 см, то расстояние d следует выбрать равным длине волны в волноводе, т. е. 1.9 см. Это не вызовет появления побочных главных максимумов.

Топология решетки

Топология антенной решетки

Рис.8

Диаграмма направленности решетки определяется:

где - множитель элемента решетки

- множитель решетки

Диаграмма решетки будет определятся как:

- в Н-области

- в Е-области

Подставив численные значения получим:

Вид диаграмм направленности:

Диаграмма направленности решетки

в полярной системе координат

рис.9

Диаграмма направленности решетки

в прямоугольной системе координат

рис.10

Диаграммы направленностей в Е и Н плоскостях практически совпадают.

Из последнего графика можно найти

Расчет питания антенной решетки

Питающий волновод прямоугольного сечения

Мощность от антенны в волновод переходит с помощью Е–тройника.

Питающий волновод имеет форму змеевика, изгибаясь по узким стенкам. В его широкой стенке прорезаются прямоугольные отверстия согласно топологии решетки.

Питающий волновод

Рис.11

Е–тройник имеет подстроечно-согласующий винт для согласования линии и подстройки синфазного питания. После окончания настройки антенны все подстроечные винты заливаются краской.

Расчет изгиба волновода

Т. к. угол поворота волновода достаточно велик, то для компенсации отражений используют волноводные уголки в Н–плоскости с компенсацией.

Рис.12

Т. к. , то по таблице [Л.4 табл. 9-28] определяем для коэффициента отражения равного 0 и угла поворота - 900 отношение . Откуда

Для обеспечения синфазного питания необходимо чтобы в месте поворота расстояние между элементами было кратно целому числу длин волн. Минимально подходящим для таких размеров волноводов является длина . В углах так же есть подстроечные винты.

Последний элемент решетки должен находится на расстоянии кратном от закороченного конца волновода. Выберем его равным длине волны, т. е. 1.9 см.