Главная Радиорелейная связь



Антенные устройства РРЛ

Если диаграмму направленности антенны в сферической системе координат обозначить через F(9, ф), то коэффициент направленного действия D антенны в направлении 9], ф1 определится равенством

П= 4яЯ(91.Ф1)

2я Я/2

j J Я(9,ф)соз9494ф

о -я/2

В радиорелейной технике СВЧ диапазона в основном используются так называемые апертурные антенны, т. е. антенны, излучение которых определяется возбужденной каким-либо образом поверхностью. Для таких антенн

0 = 4яА„е„-. (2.11

где. S -площадь апертуры; Аисп - коэффициент использования. Из (2.1) в

частности видно, что коэффициент направленного действия антенны пропорционален площади ее апертуры (раскрыва).

Ориентировочно величина D может быть определена по формуле

50 625

0-йисп29о 5 2фо 5

где 2во,5 и 2фо,5 - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны, в градусах, в двух перпендикулярных плоскостях.

Экспериментальное определение КНД и коэффицента усиления (см. ниже) обычно проводится путем сравнения сигналов от испытуемой и эталонной антенн.

Коэффициентом полезного действия (КПД) передающей антенны называют отношение излученной мощности к мощности, подведенной к антенне. Этот коэффициент определяется омическими потерями в элементах антенн н для большинства применяемых на РРЛ антенн он близок к единице.

Коэффициентом усиления передающей антенны называют отношение мощности, подводимой к ненаправленной (изотропной) антенне с КПД, равным единице, к мощности, подводимой к данной антенне, прн условии одинаковой напряженности поля в месте приема:

G = D г], (2.2]

где G и г] - соответственно коэффициент усиления и КПД антенны.

В соответствии с принципом взаимности G н т] антенны одинаковы в режимах передачи и приема. Определение величин G и т] для приемной антенны приведено, например, в [1].

Применительно к радиорелейным антеннам требования на их основные параметры могут быть сформулированы следующим образом.

Коэффициент усиления антенны наряду с другими параметрами радиорелейного оборудования определяет энергетический потенциал системы, который должен обеспечивать выполнение соответствующих норм на уровень шумов. Обычно на РРЛ используются антенны с площадью раскрыва 2-15 м. Коэффициент усиления таких антенн в зависимости от нх размеров и рабочего диапазона составляет 30-45 дБ.

Ширина главного лепестка антенны в основном определяется ее КНД. Здесь следует иметь в виду следующее. В связи с наличием рефракции радиоволн (см. гл. 9), т. е. искривления пути распространения волны, недопустимо безграничное сужение главного лепестка антенны. Сказанное в основном относится к вертикальной плоскости, в горизонтальной плоскости рефракция радиоволн выражена значительно слабее. Ориентировочно можно считать, что для обеспечения устойчивости связи ширина главного лепестка в вертикальной плоскости по нулевому уровню 29о не должна быть менее 1-1,5°. С этой точки

Основные параметры антенн

зрения наилучшую устойчивость связи обеспечивают антенны с вытянутым в горизонтальной плоскости раскрывом, однако по ряду причин экономического и технического характера такие антенны пока не распространены.

Достаточно близкую к оптимальной диаграмме направленности обеспечивают кольцевые антенные директоры (см. § 2.11), у которых рост усиления происходит за счет сужения главного лепестка на высоких уровних при обеспечении достаточной ширины его по уровням - 10-j-20 дБ.

Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее помехозащищенность, определяется как электрической и конструктивной схемами выполнения антенны, так и влиянием побочных факторов (опора, оттяжкн и т. п.). Наилучшей помехозащищенностью обладают закрытые антенны, например рупорно-параболическая антенна. Для ориентировочной оценки уровня бокового излучения антенны в переднем полупространстве МККР (Отчет 614-1) дает следующую формулу для огибающей боковых лепестков относительно изотропного излучателя:

G(e) = 52-101g --251g9,

(2.31

где d -диаметр антенны: Я, -длина волны; 9 -угол, в градусах, отсчитываемый от направления максимального излучения. Формула справедлива для 61962. Угол 9] соответствует положению первого бокового лепестка диаг-

раммы и приблизительно равен: 8]» - ,

При углах 9>92 уровень боковых лепестков может быть принят равным О дБ, а при 9>90° уровень боковых лепестков снова увеличивается.

В приводимой ниже таблице, взятой из Отчета 614-1, даны величины в] н 62 для различных djX, а также приближенные величины усиления и ширины главного лепестка диаграммы 29о,5.

ТАБЛИЦА 2.1

Значения величин d/A., G, 9о,5, 9i, 92, взятых из отчета 614-1

С, дБ

290,5

36 .5

30

1 ,7

27,5

I ,4

1.25

Если диаметр антенны не известен, то можно вместо (2.3) применить формулу

0 (9) = 38 - 25 lg9 приГ<9<33°; 0(9) = О при9>33°.

(2.3al

Подробней вопрос помехозащищенности антенн РРЛ рассмотрен ниже.

Кросс-поляризационная защита антенны, т. е. ослабление поля перекрестной поляризации при приеме с главного и близких к нему направлений, характеризует уровень взаимных помех между стволами при увеличенном числе стволов (шесть - восемь). Соотношение сигналов двух ортогональных полири-заций на входе приемника определяется не только кросс-поляризационной защитой антенны, но и деполяризацией поля на интервале между станциями и кросс-поляризационной характеристикой волповодного тракта. С учетом ска-



занного требования к кросс-поляризацнонной защите антенн должны составлять примерно 20-30 дБ, причем следует отметить, что в РРЛ с увеличенным числом стволов целесообразно юстировать антенны не по максимуму сигнала, а по минимуму кросс-поляризационной составляющей.

Защитное действие антенны, т. е. уровень приема антенны в заднем полупространстве относительно приема в главном направлении, характеризует возможность использования на РРЛ двухчастотного плана. На каждую антенну А линии кроме полезного сигнала / от антенны В (рис. 2.2) поступают также сигналы помех 2 и 3, определяемые излучением в заднее полупространство антенны С и приемом сзади антенны А. При использовании на РРЛ двухчастотного плана ослабление этих помех обеспечивается только направленными свойствами антенн.

Анализ показывает, что в случае, если на всех пролетах РРЛ уровень входных сигналов примерно одинаков, а защитное действие антенн не хуже -65 дБ, прирост шумов в канале за счет приема сзади невелик и не превосходит нескольких пнковатт на пролет. Сказанное относится к нормальным условиям распространения. Во время замираний сигнала влияние приема сзади даже прн высоком защитном действии антенн может стать значительным. Поэтому при глубоких замираниях могут наблюдаться всплески шумов как теплового, так и нелинейного характеров.

Обеспечение защитного действия не хуже - 65 дБ является сложной технической задачей. На практике для повышения защитного действия обычно используется ортогональность поляризаций приема с разных направлений. В за-внднмости от типа антенны это позволяет получить дополнительный выигрыш от 3 дБ и более.

Согласование антенны с фидерным трактом. Уровень переходных шумов ири передаче сигналов многоканальной телефонии во многом определяется согласованием антенно-волповодного тракта с антенной и аппаратурой. Для линий со средней емкостью телефонных стволов необходимо обеспечить суммарный коэффициент отражения «сверху» не выше 2,5-3,5% (см. гл. 3).

Настройка и юстировка антенны должны в первую очередь обеспечить реализацию коэффициента усиления антенны. В ряде случаев, например в вось-миствольной системе, необходимо при настройке антенны обеспечить необходимое подавление кросс-поляризационной составляющей.

Прн нспользованнн в качестве фндеров многоволновых волноводов требования к точности юстировки антенны возрастают. В диапазоне 4 ГГц прн неточной настройке антенны в питающем круглом волноводе диаметром 70 мм наряду с волной Я,, возбуждается паразитная волна £oi. На рис. 2.3 прнве-



Рис. 2.4. Излучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода

Рис. 2.3. Диаграмма направленности по волиан Ни и £п

дены диаграммы направленности в горизонтальной плоскости прн горизонтальной поляризации рупорно-параболнческой антенны (угол раствора рупора - 32°, фокусное расстояние - 2,643 мм, if = 3,95 ГГц) по волнам На и £oi (2]. Из рисунка видно, что только при абсолютно точной настройке антенны паразитная волна foi не возбуждается. В противном случае в волноводиом тракте

энергия будет распространяться двумя видами колебаний, .поэтому, если в. тракте произойдет обратное преобразование волны £oi в Ни, будет наблюдаться ухудшение равномерности группового времени запаздывания. Из рисунка также видно, что при ошибке в настройке, приводящей к уменьшению усиления антенны только на 1 дБ, в тракте возбуждается волна £о!, амплитуда которой лишь иа 10 дБ меньше амплитуды основного сигнала. Отсюда следует, что при использовании многоволновых волноводов необходима особо тщательная юстировка антенны. В ряде случаев может оказаться целесообразным проводить окончательную юстировку антенны, добиваясь максимальной равномерности группового времени запаздывания (ГВЗ).

2.2. ВОЛНОВОДНЫЕ И РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

Антенны в виде открытого конца волновода или волновода с рупорной насадкой широко используются в качестве облучателей зеркальных антенн и элементов антенных решеток. Эти антенны используются также в качестве эталонных при измерениях коэффициента уснлеиня.

Простейший излучатель, представляющий собой открытый конец волновода прямоугольного сечения, возбужденного волной Нои показан на рис. 2.4. Экспериментальные диаграммы направленности такого волновода при a=0,7R, h = = 0,32Х в плоскостях £ (точки) и Н (кружки) показаны на рнс. 2.5. Если раз-

0,4 0,2

>

-о-<

о 20 W ВО 80 WD 120 1W №0г

Рис. 2.5. Экспериментальные диаграммы направленности открытого конца прямоугольного волновода


0,9 aj%

Рис. 2.6. Зависимость коэффициента отражения Г от открытого конца прямоугольного волновода (а-2,ЗЬ)

меры раскрыва волновода достаточно велики (практически при h>0,5K а>0,6Х), для расчета его направленных свойств можно воспользоваться приближенными формулами: в плоскости £

F (6) = cos2

sin -J- sin ej

It- sin

(2.4>

в плоскости Н

f (9)=cos2 -

;os it - sin QJ

(2.5)

Эти формулы обеспечивают удовлетворительную точность только в переднем полупространстве. Для КНД при 6>0,5Х, а>0,бХ



Антенные устройства РРЛ

Вояноводные н рупорные антенны

D«10.2- ,

Более точные формулы для КНД приведены в [1].

Естественное согласование открытого конца волновода невысоко (рис 2 6) Приведенные результаты характеризуют согласование волновода без фланца-наличе фланца обычно приводит к некоторому уменьшению коэффициента от-

Р&ЖбНИЯ 1.

Fie)

0,8 0,5

-0,F

150 т 30 60 W J0 60 90 i20 тгрд

>

0,1 0,8 0,9 1,0 1,1

Рис. 2.7. Диаграммы направленности открытого конца круглого волновода для волны Я, (3d = 4)

Рис. 2.8. Зависимость КНД открытого конца круглого "олновода от отношения d/J,

0,5 0,3 0,2

0,05 0,0S 0,02

>

0,6 0,7


1,0 1,1

Рис. 2.9. Коэффициент отражения воли Нм и £о от открытого конца круглого волновода

Рис. 2.10. Простейшие рупорные излучатели

На рис. 2.7 приведены диаграммы направленности открытого конца круглого волновода диаметром d, а на рис 2.8 - зависимость КНД от отношения dIX. Коэффициенты отражения волны Нц и £oi приведены на рис. 2.9.

На практике в основном используются пирамидальные рупоры, питаемые прямоугольным волноводом, и конические рупоры, питаемые круглым волноводом (рис. 2.10).

Распределение амплитуды поля в раскрыве рупорной антенны приближенно считается таким же, как и в раскрыве питающего волновода, а фазовое распределение определяется разностью хода лучей от точки F (рис. 2.11) до текущей точки в раскрыве М. Фазовое распределение

Ф (X) = Р[Г (X) - Г] = р (V х-п- Л «Р.

Если рупор достаточно длинен, а расфазировка в его раскрыве мала (практически меньше 45°), для определения направленных свойств пирамидального рупора можно пользоваться формулами (2.4) и (2.5), где а и ft - размеры раскрыва рупора в плоскостях Н и Е соответственно. В случае коническо-

го рупора можно пользоваться следующими формулами: в плоскости £

I d Л я- sin е

л ).

f(e) = cosY а

я --- sin е

в плоскости Я F (6) = cos

1- 0,543 я -sinOJ

При наличии заметной расфазировки в раскрыве рупора диаграмма направленности его искажается: расширяется главный лепесток, растет уровень боковых лепестков, заплывают минимумы и т. п.

Коэффициент направленного действия синфазного пирамидального рупора может быть определен по (2.1). При наличии заметной расфазировки в раскрыве

D = 10,2 - cos» 0,3 ф£ cos* 0,21 ф,,.

где фЕ и фя - фазовые искажения в раскрыве в плоскостях Е и соответственно. Этой формулой можно пользоваться, если фя, фя 140-7-180 .


1,0 0,8

>

80 80 30 Ш 150 граВ

Рис. 2.11. К определению фазового распределения в раскрыве рупорной антенны

Для конического рупора уменьшение

Рис. 2.12. К расчету КНД конического рупора

)=8,2-J2 *(ф), где й(ф) - коэффициент, усиления рупора при его расфазнровке

характеризующий (рис. 2.12).

Согласование рупорных антенн определяется отражениями от области перехода волновода в рупор Гпер и отражениями от раскрыва Гр. Коэффициент Гпер тем меньше, чем дальше сечение волновода от критического и меньше углы раствора рупора. На рис. 2.13 приведены графики Гпер для пирамидального рупорного излучателя прн одинаковых углах раствора рупора р в плоскостях £ и Я и для конического рупора ,

Отражения от раскрыва синфазного или близкого к синфазному рупора больших размеров могут быть оценены по следующим формулам:

дли пирамидального Гр~ 0,079 -;



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69


0.0292