Функциональная схема ретранслятора с многолучевой антенной.

Ретрансляторы с многолучевой антенной обычно применяются в системах связи, использующих малогабаритные земные терминалы, например, в подвижной спутниковой службе или спутниковых системах персональной связи со стационарными ультрамалыми терминалами USAT (см. раздел 6). Такие терминалы имеют антенны с низким коэффициентом усиления, поэтому для обеспечения необходимой энергетики на линии связи ретранслятор должен обладать высокой ЭИИМ. Одним из способов повышения ЭИИМ является увеличение коэффициента усиления антенны путём сужения диаграммы направленности. В этом случае зону обслуживания КА разбивают на соты, каждую из которых обслуживает узкий луч с высокой ЭИИМ - рис. 4.5.

Рис.4.5. Разбиение зоны обслуживания КА на соты.

На ретрансляторе используют многолучевую антенну с числом лучей т =100¸200, которые создаются, например, с помощью т специальных облучателей, смещенных относительно фокуса крупноапертурного отражателя, или с помощью фазированной антенной решетки.

Многолучевая антенна спутника INMARSAT

Узкий луч ретранслятора накрывает и соседние соты, поэтому для устранения взаимных помех сигналы в соседних сотах или лучах должны разделяться по частоте, времени или кодам.

Наиболее простым, а потому и часто встречающимся, является частотное разделение. В этом случае группы соседних лучей, отличающихся частотами, объединяют в кластер, который может содержать 3, 4 или 7 лучей – рис.4.6. Далее эти кластеры повторяются, заполняя всю зону обслуживания. Повторяющиеся кластеры лучей используют одни и те же полосы частот, что позволяет значительно увеличить пропускную способность

Рис. 4.6. Кластеры: а – из трёх лучей; б – из четырёх лучей;

в – из семи лучей.

спутниковой системы связи при ограниченной общей полосе частот, выделенной системе связи. Например, если k_кл — число лучей в кластере; Df — полоса частот, выделяемая для заданной зоны обслуживания КА; т — число лучей в зоне обслуживания (см. рис. 4.5.), то Df/k_кл — полоса частот, отводимая для работы в одном луче, и тDf/k_кл — результирующая полоса частот, используемая для передачи информации в многолучевой системе и получаемая за счет повторного использования частот в повторяющихся кластерах лучей.

Таким образом, в спутниковой системе связи с т-лучевой приемопередающей антенной ретранслятора по сравнению со случаем широкой однолучевой антенны ретранслятора обеспечивается выигрыш:

•по энергетике радиолиний примерно в т раз, что позволяет использовать земные терминалы с меньшими размерами антенн;

•по используемой полосе частот в т/k_кл раз, что позволяет в такое же число раз повысить пропускную способность спутниковой системы связи.

Минимальное значение k_кл = 3 предъявляет наиболее жесткие требования к уровню боковых лепестков спутниковой многолучевой антенны.

В простейшем варианте построения спутниковой сотовой системы связи с многолучевой антенной ретранслятора в каждом узком луче имеются одна базовая станция и малогабаритные терминалы, которые по спутниковым каналам связи связываются с базовой станцией (см. рис.1.4,г). Все базовые станции в разных лучах связаны между собой высокоскоростными каналами связи и имеют выход в наземную телекоммуникационную сеть общего пользования.

Функциональная схема ретранслятора с многолучевой антенной при прямой ретрансляции сигналов приведена на рис. 4.7.

Рис.4.7. Функциональная схема ретранслятора с многолучевой

антенной для абонентских радиолиний

Ретранслятор имеет, как минимум, две антенны. Антенна фидерной линии связи (фидерными линиями связи называются радиолинии "Базовая станция - КА" и "КА - базовая станция") имеет один зоновый приемопередающий луч, который покрывает всю зону обслуживания, в которой находятся стационарные базовые станции системы и координирующая станция, управляющая трафиком сети связи. Абонентские линии связи ("Терминал - КА" и "КА - терминал") используют многолучевую антенну.

Абонентские радиолинии работают в полосах частот, выделенных для спутниковой мобильной связи (дециметровый диапазон волн) или USAT (20/30 ГГц). Фидерные линии связи используют полосы частот фиксированной спутниковой службы в диапазонах 4/6, 7/8, 11/14 ГГц и др.

Приемник ретранслятора фидерной линии содержит т фильтров с полосой каждого фильтра Df₁, где Df₁ - полоса частот, используемая в узком луче абонентской линии связи. Если число лучей в кластере есть k_кл, то общая полоса частот, занимаемая абонентскими линиями связи в эфире, Df= k_кл Df₁, а полоса частот, занимаемая фидерной линией, Df_фид = mDf₁.

Для того чтобы сигнал базовой станции был направлен в узкий луч ретранслятора номер i, синтезатор частот базовой станции должен установить частоту несущей, которая попадает в фильтр Ф_i приемника ретранслятора, а приемник базовой станции должен быть настроен на частоту несущей, которая проходит фильтр Ф_ni ретранслятора на передачу по фидерной линии.

Изложенный выше принцип организации многостанционного доступа с использованием многолучевой антенны называется многостанционным доступом с частотной адресацией лучей. Набор фильтров Ф_i...Ф_n и Ф_n1... Ф_nm на борту ретранслятора образует маршрутизатор сигналов, использующий частотный признак сигналов для их маршрутизации.

Ретрансляторы с многолучевой антенной относятся к многоствольным ретрансляторам. Здесь стволом можно считать один луч.

4.3. Антенны земных станций ССП.

Антенны многих радиосистем часто полностью определяют их предельно достижимые характеристики, такие, как дальность действия, широкополосность, точность определения координат, разрешающую способность и т.д. в ряде случаев антенна может сочетать в себе также и функции приемника и передатчика – это так называемые активные антенны. Разнообразие типов антенн применяемых в ССП в настоящее время чрезвычайно велико, однако наиболее распространенными являются зеркальные антенны.

Зеркальные антенны – наиболее часто применяемый тип остронаправленных антенн в диапазоне СВЧ. Широкое распространение зеркальных антенн объясняется главным образом принципиальной простотой радиотехнического устройства, возможностью получения высокой направленности, сохранением направленных свойств в широкой полосе частот, малыми активными потерями, простотой конструкции и т. д. Зеркальные антенны позволяют удобно формировать диаграммы направленности различной формы и управлять ими. Простейшие однозеркальные антенны выполняются обычно в форме параболоида вращения (вырезки из параболоида) или параболического цилиндра. Облучатель находится в фокусе параболического зеркала, которое преобразует сферический фронт волны, создаваемый облучателем, в плоскую волну. Параболический цилиндр трансформирует цилиндрическую волну, формируемую линейным источником, расположенным вдоль фокальной линии, также в плоскую волну. В тех случаях, когда требуется создать диаграмму направленности специальной формы, применяются зеркальные антенны с зеркалами, отличными от параболических.

Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: осесимметричными и офсетные (рис.4.8)

а б

Рис. 4.8. Внешний вид конструкции осесимметричной параболической антенны-а и офсетной параболической антенны -б.

Основой осесимметричной параболической антенны служит металлическое зеркало (рефлектор). Действие параболического рефлектора при передаче основано на том, что расходящиеся лучи электромагнитной энергии (радиоволны, свет), идущие от источника (облучателя), находящегося в фокусе, после отражения от поверхности рефлектора становятся параллельными. При приеме падающие на зеркало параллельные лучи электромагнитной энергии фокусируются на облучателе.

Офсетная антенна является вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. Облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, что увеличивает устойчивость антенны при ветровых нагрузках.

Каждая антенна описывается рядом характеристик, которые являются общими для всех антенн. Особое значение имеют характеристики направленности. Именно благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового вещания.

Представление о распределении энергии волн дает амплитудная характеристика направленности. Характеристика направленности приемной антенны определяется величиной наводимой в ней электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от направления в пространстве (или от угла падения приходящей волны). Направление определяется азимутальным j и меридиональным q, углами сферической системы координат (рис.4.9). При этом поле измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предполагается, что потери отсутствуют.

Рис. 4.9. Сферические координаты точки наблюдения.

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности, которая определяется зависимостью напряжённости поля или плотности потока мощности от направления в пространстве.На рис.4.10 представлены нормированные (F = f (j,q) / f_макс (j,q)) диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат. Область 1 называют основным (главным) лепестком, области 2 – заднего и боковыми лепестками. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень заднего и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.

Рис. 4.10. Диаграммы направленности.

Направленное действие антенны оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы.

Под шириной 2q_0,5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.4.8), а поток мощности соответственно уменьшается вдвое.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД). КНД (D)– это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения

Рис.4.11. Диаграмма направленности приемной антенны

антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих условиях):

D =P_S0 / P_S,

где P_S0 – мощность излучения направленной антенны; P_S - мощность излучения ненаправленной антенны.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных потерь в антенне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД h:

G=Dh.

На коэффициент усиления влияет ширина диаграммы направленности. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления G и, как следствие, падению мощности сигнала на выходе приемника.

К уменьшению G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников – ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т. д. – см.рис.4.12.

Рис. 4.12.Влияние боковых лепестков диаграммы направленности на помехозащищенность приемной установки

Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки. Именно поэтому вводятся международные нормы на уровень огибающей диаграммы направленности. Важно и то, что радиосигналы, приходящие на вход приемника через боковые лепестки, в значительной мере определяют уровень собственных шумов антенны.

Если известны геометрические размеры антенны, то коэффициент усиления можно найти

G = (pd_a/ l)² k_исп,

где d_a – диаметр раскрыва антенны, k_исп - коэффициент использования поверхности антенны.

Важными характеристиками антенн космической связи явля­ются также шумовая температура и «шумовая добротность», равная отношению коэффициента усиления G антенны к полной (суммарной) шумовой температуре антенны и приемного устройства T, измеренной в Кельвинах при угле места 5°. Величина отношения G/T выражается в децибелах. Сформулируем основные требования к антеннам ЗССС:

· Высокий коэффициент усиления при достаточно высоком коэффициенте использования поверхности.

· Низкий уровень боковых лепестков.

· Малое значение шумовой температуры.

· Динамические характеристики и конструкции антенны, обеспечивающие сохранение электрических характеристик и надежную работу в заданных климатических условиях.

Помимо однозеркальных антенн в области космической связи получили большое распространение двухзеркальные антенны.

Основными достоинствами осесимметричных двухзеркальных антенн по сравнению с однозеркальными являются:

1. Улучшение электрических характеристик, в частности повы­шение коэффициента использования поверхности раскрыва антен­ны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию рас­пределения амплитуд по поверхности основного зеркала.

2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.

3.Уменьшение длины волноводных трактов между приемо­передающим устройством и облучателем, например, путем разме­щения приемного устройства вблизи вершины основного зеркала.

Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

Осесимметричные двухзеркальные антенны строятся по схеме Кассегрена и Грегори.

Принцип их работы пояс­няется на основе законов геометрической оптики.

Схема Кассегрена [9] используется при построении антенных устройств в диапазоне СВЧ при достаточно большом отношении диаметра раскрыва антенны к длине волны. Основное зеркало в схеме Кассегрена (рис.4.13) является симметрично усеченным параболоидом вращения.

Рис. 4.13. Схема КассегренаРис.4.14. Схема Грегори

Вспомогательное зеркало в схеме Кассегрена — симметрично усеченный гиперболоид вращения. Гиперболоид софокусен пара­болоиду. Фокальные оси гиперболоида и параболоида совпадают. Второй фокус гиперболоида находится на оси сим­метрии и обычно расположен вблизи вершины параболоида. В последнее время часто применяются антенны Кассегрена в офсетном варианте.

В схеме Грегори основное зеркало в антенне, как и в схеме Кассегрена, является симметрично усеченным параболоидом. Вспомогательное зеркало (рис.4.14) - симметрично усеченный эллип­соид вращения, конфокальный параболоиду с фокаль­ной осью, совпадающей с фокальной осью параболоида. Вто­рой фокус эллипсоида O лежит на оси параболоида и обычно располагается вблизи вершины параболического зеркала. С этим фокусом совмещается фазовый центр источника.

По схеме Грегори реализуются только длинно­фокусные антенны.

Для приема ТВ программ со спутников используются также так называемые фазированные антенные решетки (ФАРы) и активные фазированные антенные решетки (АФАРы) [7,10]. Однако из-за своей высокой стоимости они не нашли пока широкого применения, но в недалеком будущем громоздкие массогабаритные параболоидные антенные системы с электромеханическим наведением на спутники уступят место АФАРам с электронным наведением.