5.8Активные фазированные антенные решетки (афаРы)

В настоящее время для индивидуального приема применяются и так называемые активные фазированные решетки (АФАРы). Принцип их работы основан на использовании фазовращателей, подключаемых к элементарным излучателям. Если в цепях питания элементарных излучателей включить фазовращатели, то, изменяя фазу в каждом излучателе, можно добиться усиления излучения в заданном направлении. Фазовращатели управляются микропроцессорами по определенно заданной программе. В результате при изменении фазы некоторых элементарных излучателей изменяются фазовые соотношения составляющих в основном лепестке диаграммы направленности, и он поворачивается в заданном направлении. Так, система из 12 фазовращателей обеспечивает поворот основного луча диаграммы направленности в угловом секторе +8', а система из 24 фазовращателей — в секторе 24'. Это дает возможность осуществлять электронное сканирование, что позволяет быстро, в доли секунды, и с высокой точностью изменять положение основного лепестка диаграммы направленности и перенаправлять его с одного спутника на другой (в определенном угловом секторе) без механического поворота антенны. В этом главное преимущество АФАРов перед другими приемными антеннами СВЧ.

Надо полагать, что в недалеком будущем громоздкие массогабаритные параболоидные антенные системы с электромеханическим наведением на спутники уступят место АФАРам с электронным наведением. Однако, несмотря на свои неплохие характеристики, из-за высокой стоимости АФАРы пока не нашли широкого применения для индивидуального приема, но в будущем, вероятно, все изменится.

5.9Сферические антенные системы

Сферические антенные системы представляют собой шар из диэлектрического материала с облучателями, расположенными на обруче, удаленном от шара на некоторое расстояние. Основа такой антенны — фокусирующая диэлектрическая линза. В качестве диэлектрического материала для изготовления линзовых антенн широко используются полиэтилен и полистирол, коэффициент преломления которых равен соответственно 1,5 и 1,6, тангенсы угла потерь 0,0003 и 0,0002. Коэффициент преломления у них n = больше единицы, т.е. скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике меньше скорости света в n раз.

В параболоидных антеннах получение синфазного излучения обусловлено отражением электромагнитных волн от поверхности параболоида, а в линзовых — преломлением волн в линзе. Устройство линзовой антенны показано на рис. 5.15.

Сферические волны, создаваемые точечным первичным облучателем, первыми достигают поверхности линзы в ее вершине, (точка O), а к остальным точкам приходят они тем позже, чем дальше эти точки удалены от вершины линзы. Электромагнитные волны вдоль оси будут проходить более длинный путь в диэлектрике, в котором их скорость меньше, чем в воздухе.

Вследствие этого время распространения электромагнитной волны в линзе увеличивается по мере приближения к ее оси. При гиперболической форме преломляющей поверхности линзы в плокости раскрыва формируются синфазные волны, что и требуется для получения острой направленности антенны.

Линзовые антенны по сравнению с параболоидными имеют ряд преимуществ:

- при изготовлении линз требуется точность в четыре раза ниже, чем при изготовлении параболоидных антенн такого же диаметра. Причина в том, что неточность профиля зеркальных антенн сказывается дважды: при падении электромагнитной волны на поверхность и при отражении от нее. А неточность профиля линзы

сказывается только раз: при прохождении электромагнитных волн через освещаемую поверхность линзы;

- очень важным достоинством линзовых диэлектрических антенн является то, что можно относительно легко управлять их диаграммой направленности. И это находит широкое применение в так называемых сферических антенных системах, состоящих из нескольких сферических линзовых антенн. Устройство и принцип работы такой системы показаны на рис. 5.16.

Сферическая линзовая антенна представляет собой шар, изготовленный из диэлектрика с показателем преломления, уменьшающимся непрерывно (плавно или ступенчато) от центра шара к поверхности по закону:

n=

где n — показатель преломления в точке сферы, удаленной от центра на расстояние r; d — диаметр шара.

В центре (r = О), показатель преломления n =, а на ее поверхности (r = d/2) он равен единице, что обеспечивает согласование линзы со свободным пространством. Примерно также будет изменяться показатель преломления п, если сферу изготовить из полистирола, плотность которого возрастает к центру сферы. Наименее плотный слой имеет n = 1,015, что весьма близко к показателю преломления воздуха.

Облучатель линзы точечный и на практике представляет небольшой рупор. На обруче, охватывающем шар и смещенном относительно его экватора на угол места, размещаются первичные облучатели, положение которых на обруче соответствует координатам спутников. Облучателей может быть столько, сколько спутников, с которых ведется прием. Такая антенная система может принимать одновременно сигналы со всех спутников, находящихся в "видимой" части неба, и независимо фокусировать эти сигналы с противоположной стороны шара на определенном расстоянии от его поверхности.

У сферической антенны отсутствует опорно-поворотное устройство, нет актуатора и нет необходимости в механическом повороте антенны с одного спутника на другой. Главное достоинство сферических антенных систем — это возможность одновременного приема с нескольких спутников независимо друг от друга. Такие антенные системы способны заменить 7...8 параболоидных антенн, правда, стоимость их пока довольно высокая. Внешний вид сферической антенной системы показан на рис. 5.17.

Основным недостатком сферических антенн является их более низкий к.п.д., чем у параболоидных и, соответственно, более низкий коэффициент усиления, обусловленный потерями на отражение и поглощение электромагнитных волн СВЧ в материале диэлектрика.

Вести прием с такими антеннами можно только с мощных спутников — ретрансляторов, создающих высокий уровень плотности потока мощности или эквивалентной изотропной излучаемой мощности, что возможно в центре Европы, так как там сконцентрировано значительное количество спутников, ретранслирующих огромное количество телевизионных программ значительной ППМ (ЭИИМ).