лекция 3_конспект

Лекция 3

Антенны КА

Основным инструментом космического аппарата информационного обеспечения является антенна радиопередатчика. Форма и размеры антенн могут быть различными, в

зависимости от назначения, требуемых технических характеристик и технических возможностей разработчиков полезной нагрузки космических аппаратов. Антенны используются в связных КА (обеспечение целевой функции – передачи данных между абонентами), навигационных КА (генерирование целевого навигационного сигнала),

геодезических КА (формирование сигнала для измерения высоты орбиты КА над уровнем океана; приём излучения поверхности Земли) и в КА ДЗЗ (сброс на Землю целевой

информации, полученной оптическими приборами; исследование рельефа Земли с помощью

радиолокаторов). Также антенны обеспечивают связь КА с Землёй по каналам управления.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

λ– длина волны;

θ– угол между электрической осью антенны и направлением распространения сигнала;

D –	коэффициент направленного действия антенны;
S –	эффективная площадь апертуры антенны;
ДН –	диаграмма направленности;
КА –	космический аппарат;
КНД –	коэффициент направленного действия антенны

1

Классификация антенн

ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ

	ЛИНЕЙНЫЕ				АПЕРТУРНЫЕ

Линейными антеннами называют антенны, у которых токи проходят по каналам с поперечными размерами, малыми по сравнению с продольными размерами и длиной волны. К

линейным относят как проводники с током, так и щелевые антенны.

Апертурные – это антенны, излучение волны в которых происходит через поверхность. К

таким антеннам относят спиральные, рупорные и зеркальные антенны.

ПО ТИПУ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ

ВСЕНАПРАВЛЕННЫЕ				НАПРАВЛЕННЫЕ
	ИЗОТРОПНЫЕ			ШИРОКОНАПРАВЛЕННЫЕ
	КВАЗИИЗОТРОПНЫЕ			УЗКОНАПРАВЛЕННЫЕ
				ОДНОЛУЧЕВЫЕ
				МНОГОЛУЧЕВЫЕ

2

Диаграмма направленности антенны

Диаграмма антенны определяется её радиотехническими характеристиками

обратное преобразование) приводит к частичным потерям мощности сигнала, которые характеризуется КПД антенныПреобразование в антенне электромагнитного сигнала в радиоволны (или

Поле излучения любой антенны характеризуется: амплитудой (интенсивностью), поляризацией и фазой

	АМПЛИТУДНАЯ ДН		ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ДН	ФАЗОВАЯ ДН
	F()		o		n0
	1,0		0
				O
		0,5
			o	n03	n01
	-180 -90 0 90	180	-90
	Прямоугольная система координат				n02
	F(θ)			O
				n03
					n01
				n011
	-90o		90 o	O1 O	0
	-90		90
					n	2
т	Полярная система координат			n03	n012
	Амплитудная	ДН характеризует зависимость амплитуды		напряженности	поля	(или

мощности), излучаемого антенной, от угловых координат. Амплитудная диаграмма

направленности определяет распределение потока мощности, излучаемого антенной

Поляризационная ДН – проекция траектории, описываемой концом вектора напряжённости электрического поля на картинную плоскость (плоскость, проходящую через векторы напряжённостей электрического и магнитного полей). Поляризационная ДН характеризуется коэффициентом эллиптичности, углом наклона поляризационного эллипса и направлением вращения вектора напряжённости электрического поля. Линейная поляризация означает, что вектор напряжённости электрического поля не вращается.

Фазовая ДН – распределение фазовых сдвигов фронта волны.

3

Абсолютные характеристики направленной антенны

АБСОЛЮТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ

Коэффициент направленного действия

Коэффициент усиления антенны

Ширина диаграммы направленности

по нулевому излучению θ0

по половинной мощности θ0,5

Поляризационные параметры

Коэффициент эллиптичности

Угол поляризации

Направление вращения

Коэффициент направленного действия (КНД) определяется как отношение мощности,

излучаемой антенной в выбранном направлении к мощности, излучаемой изотропной антенной в этом же направлении, при условии, что электрическая мощность, подводимая к этим антеннам, одинакова. Другими словами, КНД показывает выигрыш от «сужения» диаграммы направленности всенаправленной антенны.

Коэффициент усиления антенны – коэффициент, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида

энергии в другой, т. е. её КПД.

Ширина диаграммы направленности (по половинной мощности) – угол между электрической осью антенны и направлением внутри главного лепестка амплитудной ДН, в

котором плотность мощности сигнала составляет половину от максимального. То есть ширина ДН, в пределах которой мощность сигнала падает не более, чем в два раза.

4

Проектная оценка величины коэффициента направленного действия

	НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА				ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА

Всенаправленные антенны

Создать всенаправленную антенну с изотропной амплитудно-поляризационной диаграммой практически невозможно, поэтому реальную диаграмму оценивают по степени её приближения к изотропной диаграмме

		КОЭФФИЦИЕНТ		КОЭФФИЦИЕНТ
		ЗАПОЛНЕНИЯ ДН		ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
		КЗАП		КПЭ
	отношение площади сферической			отношение мощности радиосигнала
	поверхности с допустимым КНД
				в реальной радиолинии к мощности
		ко всей площади сферы, в
				радиосигнала с идеальным
	пределах которой ориентация
				согласованием по поляризации
		антенны равновероятна

Нормирование допустимых значений КЗАП и КПЭ осуществляется исходя из заданных требований по вероятности связи в условиях наличия или отсутствия вращения (разворотов) КА

5

Спиральные антенны

Спиральные антенны представляют собой проводник с током в виде плоской или трёхмерной спирали, излучающий волны с круговой поляризацией и способные принимать волны как с круговой, так и с любой линейной поляризации.

Форма диаграммы направленности спиральной

антенны зависит от диаметра спирали: если диаметр

много меньше длины волны, спиральная антенна работает как штыревая квазиизотропная. При увеличении диаметра спирали до 0,225λ формируется широконаправленная ДН, дальнейшее увеличение диаметра приводит к тому, что ДН выглядит как конус, то есть вдоль оси спирали антенна не излучает, а излучает под углом к оси.

Различают однозаходные и многозаходные спирали, а также конические спиральные антенны.

6

Фазированная антенная решётка

Фазированная антенная решётка (ФАР) формируется на основе антенн с широконаправленной диаграммой.

Для управления лучом (сканирования) используются активные фазированные решётки (АФАР) двух типов: с плавным (регулирование фазы) или скачкообразным (переключатели) сканированием.

Фазированная антенная решётка позволяет сформировать очень узкую диаграмму направленности (а значит повысить пропускную способность и качество сигнала) с помощью довольно простых технических средств – спиральных или рупорных антенн.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ

ДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ОДНОГО ПЕРЕДАТЧИКА

КАЖДОМУ ИЗЛУЧАТЕЛЮ – СВОЙ ПЕРЕДАТЧИК

F(θ)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2	q = 20 дБ

θ

Диаграмма направленности фазированной антенной решётки содержит главный и боковые лепестки, при этом КНД всей антенной решётки выше КНД отдельных антенн решётки. Как видно из графика, геометрические размеры антенной решётки зависят от частоты, на которой осуществляется работа: так, для формирования ДН шириной 0,4° при работе в С- диапазоне требуется решётка размером 5-8 метров, в то время как при работе в Ku-диапазоне

– всего только 2-3 метра.

7

Рупорные антенны

Диаграммы направленности в диапазоне от 140° до 10°. Дальнейшее сужение ограничено резким увеличением длины рупора.

Высокий КПД (почти 100%)

ПРИМЕНЕНИЕ РУПОРНЫХ АНТЕНН

	САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ				ОБЛУЧАТЕЛЬ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ
	АНТЕННА				ЗЕРКАЛ

Длина рупора определяется из соотношений:

для конического рупора:

для пирамидального рупора:

Наименование параметра

Пирамидальный рупор

Конический рупор

Ширина диаграммы

в плоскости вектора Н

2 0,5

1,18

λ

2 0,5

1,23

λ

ap

2rp

в плоскости вектора Е

2 0,5

0,89

λ

2 0,5

1,05

λ

bp

2rp

Коэффициент направленного действия

D 0,64

4

a

b

D 0,64

4

π r 2

0p

λ2

p

p

0p

λ2

8

L

h

f

Стандартные

Зеркальные антенны

Геометрические характеристики зеркала определяются из следующих соотношений:

Ширина диаграммы и КНД зеркальной антенны:

где Kу – угловой коэффициент, Kу = 65°...80°;

qП – коэффициент использования поверхности, qП =0,7...0,8

	Низкие боковые	Многолучевые	Со сканированием
	лепестки

	Параболоид	С СВЧ	Многолучевая	Сферический
		поглотителем		рефлектор

	С вынесенным	Рупорно-	Многолучевая с	С двойной
			вынесенными
	облучателем	параболическая		кривизной
			облучателями

9

Многозеркальные антенны

	Система Грегори		Система Кассегрена

Принцип работы зеркальных антенн заключается в сужении диаграммы направленности облучателя (обычно в качестве облучателя используется рупорная антенна) за счёт отражения и фокусировки волн с помощью параболического зеркала. При этом характер отражения радиоволн идентичен характеру отражения световых волн, а ширина итоговой диаграммы направленности обратно пропорциональна фокусному расстоянию. Поэтому обычно облучатели и рефлекторы зеркальных антенн разносят на максимально возможное расстояние: облучатели закрепляют в верхней части КА, а рефлекторы – в нижней.

В случае, когда нет возможности обеспечить необходимое фокусное расстояние (например, антенны размещены на панели, ориентированной на Землю), либо при необходимости менять регион обслуживания, то есть поворачивать радиолуч, используют многозеркальные антенны.

Наиболее широкое распространение получила двухзеркальная система Грегори, где в качестве малого зеркала используется поверхность эллипсодальной формы. Такая конструкция позволяет исключить затенение сигнала частями антенны и улучшить поляризационные свойства антенны.

Система Кассегрена в качестве малого зеркала использует гиперболическую поверхность, что позволяет существенно сократить габариты системы.

Быстрое развитие технологий радиосвязи и значительное увеличение количества пользователей услуг спутниковой связи привело к необходимости формирования на поверхности Земли зон покрытия, отличных от конического сечения (например, зон, ограниченных пределами одного острова или небольшого государства, когда необходимо, чтобы сигналы антенн КА не мешали работе радиоустройств в соседних регионах). Появление таких зон также продиктовано возросшей коммерческой составляющей эксплуатации спутников: зачем распространять сигнал, тратить мощность передатчиков на, например, поверхность океана, где этот сигнал невозможно продать? Поэтому на КА активно используются зеркальные контурные антенны, представляющие собой антенну с рефлектором, форма которого повторяет контур необходимой зоны на Земле, либо поверхность рефлектора является не гладкой, либо сигнал формируется несколькими облучателями, направленными на рефлектор под разными углами и формирующими каждый свою узкую зону в пределах требуемого контура на Земле.

10