Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи

О.П. Фролов
В.П. Вальд






Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи








Москва
Горячая линия - Телеком 2012

УДК 621.396.67
ББК 32.845
   Ф91




      Фролов О. П., Вальд В. П.
Ф91 Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. -М.: Горячая линия-Телеком, 2012. - 496 с.: ил.
      ISBN 978-5-9912-7002-1.
         Изложены основные вопросы по проблематике зеркальных антенн для земных станций спутниковой связи (ЗССС): взаимосвязь параметров антенн и параметров систем спутниковой связи, методы расчетов зеркальных антенн, практически исчерпывающая информация об облучателях антенн, вопросы влияния конструктивных элементов антенны на ее характеристики излучения, оценка характеристик излучения зеркальных антенн в ближней зоне, методы измерения параметров антенн для ЗССС.
         Для специалистов по спутниковой связи и антенной технике, может быть полезна студентам и аспирантам, специализирующимся в области антенной техники.
ББК 32.845

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru

Справочное электронное издание

Фролов Олег Павлович, Вальд Валерий Павлович
ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
ДЛЯ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Редактор Ю. Н. Чернышов
Обложка художника В. Г. Ситникова Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышов

Подписано в печать 28.06.07. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 31. Изд. № 7002. Заказ № ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия - Телеком»




ISBN 978-5-9912-7002-1

         © О. П. Фролов, В. П. Вальд, 2008, 2012
         © Оформление издательства
«Горячая линия-Телеком», 2008, 2012

    Предисловие




    С момента выхода последней книги по тематике, обозначенной в названии, прошло около семи лет. Срок вполне достаточный, чтобы отследить как тенденции основных направлений исследований по данной проблематике, так и результаты последних практических реализаций. Анализ этих данных позволит, в свою очередь, прогнозировать направления дальнейших исследований и разработок на ближайший период. Критическое осмысление откликов на предыдущее издание позволило сформулировать требования, направленные как на целенаправленное видоизменение пропорций между объемами парциальных проблем, рассматриваемых в книге, так и включение в рассмотрение новых вопросов. Добавим, что отмеченные вариации в содержании обусловлены, в том числе, и расширением круга потенциальных читателей или, как это модно теперь говорить, пользователей новой монографии.
    Перечислим основных пользователей, которым будет полезна предлагаемая монография:
  • специалисты по системам спутниковой связи. Здесь отметим два момента:
      о монография в целом позволит уяснить нынешний уровень достигнутых результатов по выходным параметрам антенн и ожидаемые перспективы;
      о материалы книги, в которой рассматривается влияние параметров антенн на выходные параметры систем спутниковой связи, позволят более рационально выбирать параметры антенны для земной станции спутниковой связи (ЗССС);
  • специалисты фирм, связанных как с интегрированием аппаратуры для земных станций спутниковой связи, так и ее эксплуатацией. Приведенные материалы позволят:
      о на всех этапах работы над проектом полностью владеть информацией о нормах и рекомендациях на параметры приобретаемых антенн для ЗССС. Это необходимо, чтобы успешно осуществить вхождение в систему спутниковой связи и пройти сертификационные испытания;
      о изучив современные методы измерения параметров антенн земных станций, осознанно участвовать в приемочных испытаниях закупаемого антенного оборудования;
  • научный и инженерно-технический состав, специализирующийся в области исследований и разработок зеркальных антенн иного назначения. Эти специалисты смогут ознакомиться:
      о с практически энциклопедическими сведениями по теории и технике зеркальных антенн. Специалисты по антенной тема

1*

Предисловие

        тике вполне могут рассматривать предлагаемую монографию как справочное пособие по тематикам как более узкой — антенны земных станций, так и более широкой — зеркальные антенны. Основание — более 400 ссылок на публикации, которые содержат исчерпывающую информацию;
      о с последними результатами, достигнутыми в этой области антенной техники;
  •  студенты высших учебных заведений радиотехнических специальностей, где в процесс образования включены курсы по антенной тематике, а так же аспиранты этих заведений, специализирующиеся в области теории и техники зеркальных антенн. Монографию можно рассматривать как пособие по соответствующим разделам курсов.
    Обширный опыт непосредственного общения с предполагаемыми пользователями книги убедили авторов в следующем.
    Специалистам по системам спутниковой связи, а тем более менеджерам, требуется несколько иное изложение материала, касающегося теоретических аспектов рассматриваемой проблемы, а именно более наглядная (или, простите за жаргон, — «метод объяснения на пальцах»), чем ранее использованная методика изложения, принятая в научнотехнических книгах.
    Однако сказанное выше не означает, что в книге не должны присутствовать и рассматриваться чисто теоретические антенные вопросы. Напротив, современный уровень предполагаемого читателя вполне адекватен восприятию практически любых по сложности теоретических вопросов. Но при их непосредственном изложении не стоит чураться простых физических моделей или аналогий, наглядно поясняющих излагаемый материал. В этой связи следует отметить, что очень полезен иллюстративный метод представления информации. Это обстоятельство в определенной степени может служить своего рода оправданием наличия в книге большого объема иллюстративного материала.
    Читатели заинтересованы в получении информации, которая позволяет им увереннее себя чувствовать при рассмотрении и принятии решения по всему спектру задач (в том числе и по антенным вопросам). В итоге это позволит им более осмысленно принимать необходимые практические решения в бизнесе.
    Специалисты-антеннщики, как правило, плохо представляют себе некоторые системные проблемы, успешное решение которых невозможно без решения чисто антенных задач. Надеемся, что приведенный материал сможет служить своеобразным катализатором, способствующим увеличению активности специалистов по антенной технике в решении обозначенных в книге системных проблем.

Глава 1

    ПАРАМЕТРЫ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН ЗССС






    В этой главе рассмотрены общие вопросы, касающиеся параметров зеркальных антенн земных станций спутниковой связи:
  •  взаимосвязь параметров антенн и выходных параметров систем спутниковой связи;
  •  требования, налагаемые на параметры антенн со стороны нормирующих документов;
  •  общие вопросы процедуры проверки параметров антенн ЗССС.


1.1.0 связи параметров антенн и параметров ЗССС

    В этом разделе рассмотрены вопросы, увязывающие связь выходных параметров земных станций спутниковой связи с электрическими характеристиками антенн, используемых в составе ЗССС [1.1, 1.2]. Рассмотрение этой проблематики достаточно важно уже хотя бы потому, что:
  • специалистам по антеннам позволит лучше уяснить круг проблем, которые требуют наиболее пристального внимания при проектировании антенн для ЗССС с точки зрения достижения наилучших параметров системы спутниковой связи в целом;
  • специалистам по системным вопросам позволит лучше представить себе возможности антенной техники как средства решения системных проблем.


1.1.1. Диаграмма направленности
    Существует достаточно много системных вопросов, в той или иной мере связанных с диаграммой направленности (ДН) антенны земной станции (ЗС). Все эти вопросы можно разделить на три группы:
  • взаимодействие ЗС с другими радиотехническими средствами, расположенными на Земле, а также другие «земные» проблемы;
  • прямое влияние на параметры ЗС спутниковой связи;
  • взаимодействие ЗС с другими системами спутниковой связи.
    Начнем с первой группы. Кратко обозначим основные «земные» проблемы, связанные с ДН антенны земной станции. Они могут быть систематизированы следующим образом.

Глава 1

1.1.1.1. Диаграмма направленности и проблема экологической чистоты ЗССС
    Земные станции, излучающие достаточно значительный уровень мощности СВЧ энергии, автоматически становятся источниками экологического загрязнения окружающей среды. Потерпевшей стороной такого загрязнения могут стать как обслуживающий персонал ЗС, так и жители ближайших населенных пунктов, а также лица, случайно оказавшиеся в зоне недопустимо больших уровней негативного воздействия СВЧ излучения. Существуют нормы на допустимый уровень воздействия СВЧ излучения на человека. Эти нормы учитывают как продолжительность вредного воздействия, так и его численную характеристику, определенную через плотность потока мощности.
    Укажем, что последний параметр, т.е. поток плотности мощности излучения, напрямую связан с ДН антенны ЗС. При этом следует иметь в виду, что в данной ситуации под ДН антенны понимается угловое распределение мощности излучения в ближней или сверхближней зоне относительно антенны ЗС. Здесь же укажем, что эти характеристики направленности имеют, как правило, совершенно иной характер углового распределения по сравнению с ДН антенны в дальней зоне. В качестве примера оценим плотность потока мощности в раскрыве антенны диаметром D = 11 м с излучающей мощностью Pₒ = 1 кВт.
    При условии равномерности распределения плотности мощности в раскрыве
p = P₀/Sₐ = 4P₀/nD²,                (1.1.1)

где Sₐ — площадь раскрыва антенны.
    Для указанных значений параметров Pq и D плотность мощности в раскрыве антенны около 1000 мкВт/см². Численные результаты данного примера могут быть пролонгированы следующим образом. Учитывая, что распределение излучения в сверхближней зоне от раскрыва антенны представляет собой так называемый прожекторный луч, можно полагать, что после перехода границы прожекторного луча плотность потока мощности резко уменьшается и уже становится значительно ниже предельно допустимого уровня.
    1/1 еще одно соображение по затронутой тематике. Ужесточающиеся с каждым годом нормы на экологическую чистоту ЗС требуют от проектировщиков все более тщательной проработки этой проблемы еще на этапе проектирования станции. К сожалению, успешное решение этой проблемы, связанное как с разработкой достоверного метода расчета характеристик направленности антенн ЗС в ближней и сверхближней зонах, так и с принятием эффективных мер по снижению уровней излучения антенны ЗС в указанных областях, далеко до

своего завершения.

Параметры зеркальных антенн ЗССС

7

1.1.1.2. Диаграмма направленности как важный фактор во взаимодействии антенн ЗС в условиях единого центра спутниковой связи
    Достаточно нередки ситуации, когда внутри ограниченной области размещены многочисленные ЗС, объединенные, например, в состав единого центра спутниковой связи. В этой ситуации, т.е. в ситуации, характеризуемой достаточной скученностью близко расположенных антенн ЗС, могут возникнуть (и как показывает опыт, возникали) нежелательные воздействия различных систем друг на друга. Существуют три схемы такого взаимодействия:
  • в основном — за счет прямого воздействия передатчиков одной ЗС на приемные устройства другой ЗС. Для его оценки необходимо привлекать знания о ДН обеих взаимодействующих антенн в ближней и сверхближней зонах;
  • в некоторых частных случаях — за счет прямого влияния второй гармоники основной частоты излучения ЗС, работающей в С-диапазоне, на приемные устройства ЗС, работающих в Ки-диапа-зоне. Для оценки таких взаимодействий дополнительно потребуются знания о ДН антенн на гармониках;
  • иногда — из-за радиопомех, создаваемых электрическими агрегатами (например, двигателями приводных систем) одной станции на приемные устройства других ЗС.

1.1.1.3. Диаграмма направленности как решающий фактор во взаимодействии ЗС с другими радиотехническими средствами
    Частотные диапазоны, отведенные для систем спутниковой связи, совпадают с частотными диапазонами, отведенными для других служб, в частности для радиорелейных систем связи. Разрешение на работу в частотном диапазоне, отведенном ранее только для радиорелейных линий (РРЛ), позднее получили и средства спутниковых систем связи. И, естественно, сразу же возникли проблемы нежелательного взаимодействия обеих систем связи.
    Приведем основные схемы нежелательных взаимодействий применительно к ЗС, работающих в частотном диапазоне 6/4 ГГц:
  • РРЛ, работающие в диапазоне 4 ГГц, напрямую воздействуют на приемные устройства ЗС;
  • ЗС напрямую воздействуют на приемные устройства РРЛ, работающие в диапазоне 6 ГГц.
    Мешающее воздействие по первой схеме можно оценить следующим образом. Если Рррл — мощность излучения антенны РРЛ, а Сррл — усиление антенны РРЛ в направлении на ЗС, т.е. в направлении 0ррл-ЗС, то плотность мощности излучения сигнала РРЛ, являющегося помехой для ЗС, в окрестности этой станции определяется соотношением

Рп = РррлСррл(#ррл-зс)/(4пДрРЛ_зс),        (1.1.2)

Глава 1

где Дррл-зс — расстояние между станцией РРЛ и ЗС.
    Мощность помехи, наведенной излучением от станции РРЛ, на выходе антенны ЗС

РП = Рп^аэф,

(1.1.3)

где Раэф — эффективная площадь антенны ЗС для направления 9зС-РРЛ,
Sa эф = SₐG₃c(93C-PPJl)/G3c(0).
Здесь Sₐ — площадь раскрыва антенны; Сзс(9зс-ррл) — усиление антенны ЗС в направлении на станцию РРЛ; Сзс(О) — усиление антенны ЗС в направлении 9 = 0°, Сзс(0) = 4nSₐ/A² (А — длина волны электромагнитного излучения).
    Учитывая приведенные соотношения, находим, что мощность помехи, наведенной излучением от станции РРЛ, на выходе антенны ЗС, определяется выражением
      Рп = РррлС(9ррл-зс)С(9зс-ррл)А²/(4пДррл-зс)².       (1.1.4)
    Аналогичным образом можно получить выражение для определения взаимодействия по второй схеме. В этом случае мощность помехи, наведенной излучением от ЗС, на выходе антенны станции РРЛ определяется выражением
       Рп = РзсС(9зс-ррл)С(9ррл-зс)А²/(4лДррл-зс)².       (1.1.5)
    Как видно из приведенных формул, мощность сигнал-помеха напрямую зависит от направленных свойств антенны ЗС в детерминированном направлении #зс-РРЛ
1.1.1.4. Диаграмма направленности и индустриальные помехи
    Кроме упомянутого ранее, существует еще один механизм стороннего воздействия на ЗС. Речь пойдет о воздействии так называемых индустриальных помех на приемные устройства ЗС. Под индустриальными помехами следует понимать излучения, образованные в результате действия электрических приборов и агрегатов, обладающих прерывистыми изменениями тока потребления. Это в итоге эквивалентно излучению широкого спектра электромагнитного колебания, в том числе и частично совпадающего с рабочим диапазоном частот ЗС в режиме приема. Ясно, что и для этой ситуации мощность помехи на выходе антенны ЗС определяется через ДН антенны (в режиме приема). Однако здесь имеется определенная тонкость. Дело в том, что угловая область воздействия промышленной помехи, как показывает опыт, имеет некоторую угловую протяженность Д9. Поэтому негативное влияние этой помехи определяется интегральным эффектом типа

Рп

[    Сзс(9)7(9)<
Je--e₂

(1.1.6)

Параметры зеркальных антенн ЗССС

9

где 7(0) — угловое распределение плотности индустриальных помех. В этой ситуации для снижения данного негативного фактора требуется целенаправленно видоизменять форму ДН антенны (в режиме приема) в детерминированной угловой области Оу — 63.

1.1.1.5. Несколько общих замечаний
    Вначале одно общее замечание, касающееся «земных» взаимодействий ЗС и других радиотехнических систем. Речь пойдет о двух возможных подходах к постановке и решению задач по данной проблематике.
    Первый подход рассмотрен ранее и сводится к тому, что уже заранее известна помеховая обстановка вокруг ЗССС и нужно принимать конкретные целенаправленные действия по снижению уровня помехи за счет коррекции ДН антенны ЗС.
    Второй подход отличается от предыдущего иной исходной постановкой проблемы, а именно помеховая ситуация вокруг ЗС недермини-рована. Поэтому здесь требуется принимать и реализовывать другое решение, адекватное новой постановке задачи, а именно создавать антенны ЗС с такой формой ДН, при которой минимизировалось бы вредное взаимодействие ЗС с иными радиотехническими средствами при достаточно произвольном положении последних относительно ЗС.
    И последнее соображение. Ясно, что успешное решение проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), частные реальные задачи которой только что рассматривались, невозможно осуществить без некоторого ухудшения других параметров антенны ЗС. Это общий принцип — за все надо платить. И это должны ясно понимать как специалисты-системщики, так и специалисты-антеннщики. Последние должны разрабатывать такие технические решения, которые потребовали бы «минимальную плату» в смысле минимального ухудшения других параметров антенн ЗС.
    Перейдем ко второй группе рассматриваемой проблематики — оценке прямого влияния ДН антенны на параметры ЗС спутниковой связи.


1.1.1.6.  Влияние ДН на добротность ЗС
     Диаграмма направленности антенны ЗС во многом определяет так называемую шумовую температуру антенны, о чем будет подробное изложено в пп. 1.1.1.7-1.1.1.9. Здесь же ограничимся предварительными соображениями. Отметим, что высокий уровень боковых лепестков ДН антенны, ориентированных на поверхность Земли, приводит к росту шумовой температуры антенны и, как следствие, к снижению добротности ЗС. Аналогичный эффект возникает и при высоком уровне боковых лепестков ДН, ориентированных вдоль поверхности Земли или под очень небольшими углами к ней. Разработка методов коррекции формы ДН антенны ЗС по указанным направлениям (без заметного ухудшения других параметров антенны) достаточно серьезная задача. Особенно актуальна она для ЗС, работающих в диапазоне 6/4 ГГц. Дело в том,

Глава 1

что для указанного частотного диапазона вклад остальных шумовых компонент антенны (в том числе вклад шумовой температуры малошумящего устройства и шумовой компоненты, обусловленной омическими потерями в облучающем устройстве), относительно невелик по сравнению с диапазоном 14/11 ГГц. Поэтому «улучшение» формы ДН по указанным направлениям может привести к заметному росту добротности ЗС.


1.1.1.7. Влияние ДН на возможность работы ЗС в режиме поляризационного уплотнения
    Естественное желание повысить вдвое пропускную способность систем спутниковой связи привело к тому, что современные системы используют так называемый режим поляризационного уплотнения. Здесь используется возможность передачи (приема) различных информационных потоков в двух независимых между собой каналах передачи (приема) на двух ортогональных поляризациях. Напомним, что под поляризацией понимается пространственная ориентация вектора напряженности электрического поля Е, излучаемого (принимаемого) антенной. Если исходная поляризация линейная, то ортогональными поляризациями являются любые две поляризации, угол пространственного разнесения которых 90°, в частном случае — горизонтальная и вертикальная. Если же исходная поляризация круговая, то ортогональными являются круговые поляризации правого и левого направлений вращения вектора Е; обычно используется более короткий термин — круговые поляризации правого и левого направления вращения.
    Принципиальная возможность организации работы ЗС в режиме поляризационного уплотнения определяется степенью поляризационной чистоты излучаемого (принимаемого) сигнала. Например, если вместо чисто круговой поляризации излучается (принимается) эллиптическая поляризация, то при значительном отклонении формы эллипса от круга работа ЗС в режиме поляризационного уплотнения становится невозможной из-за сильного уровня паразитной взаимной связи между двумя каналами излучения (приема).
    Количественная оценка чистоты ортогональных каналов определяется как формой ДН антенны по кроссполяризации, так и отношением между максимальными уровнями ДН по основной и кроссполяризациям.
    Теперь перейдем к третьей группе вопросов, в которых решающую роль играет ДН антенны ЗС, а именно взаимодействие ЗС с другими системами спутниковой связи.


1.1.1.8. Влияние ДН на

взаимодействие спутниковых

систем связи

    Итак, рассмотрим вопрос о том, как ДН антенны ЗС влияет на работу других систем спутниковой связи. Начнем с самой простой модели [1.3] и обратимся к рис. 1.1.1, где схематично показаны две земные станции (3Ci и ЗС2), работающие со «своими» ретрансляторами Pi и Р2