Основные параметры параболических антенн.
Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (Tш ) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/Tш следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру
Tш = Tу + Tтр + Tа .
Здесь Tу - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно Tу ~ 40..60К);
Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ;
Tа - эквивалентная шумовая температура антенны.
Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/Tш при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа . Уменьшение Tтр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.
Эквивалентная шумовая температура Tа растёт при уменьшении угла места 
(угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при = 5…70 в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места увеличивается до 10о .
Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путём увеличения её размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению Tа и ухудшению помехозащищённости. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11/14 и 20/30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли мм, что соответствует относительному допуску 10-4 .. 10-5 ). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от 
до + 
.
Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять 0,1 
. При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2R0 следует выбирать из компромисса между технико-экономическими факторами, определяющими реализуемую точность наведения, и соответствующими этой точности потерям усиления.
Допуск на точность установки облучателя (рис.56) на оси зеркала должен соответствовать условию что отклонение от синфазного распределения не превышает . Это соответствует тому что | DZ | < l /8(1-cosy0 )).
|
Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещённым из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.
Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:
D = 4p kF/l2,
где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = pr02. (r0 - диаметр зеркала.)
Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида.
Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром d повышается при увеличении эффективной площади рефлектора Sэф и при уменьшении длинны волны l принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):
G = 4p Sэф / l2 ,
где Sэф = hp d 2/4,
h - коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель.
Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (l=7,5 см) и 12 ГГц (l= 2,5 см), будут отличаться в 9 раз. однако на самом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).
Затухание L0 растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны l электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L0 = 16p 2R2 /l2 . Для диапазона 12 ГГц ( l = 2,5 см ) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L0 достигает 3,25 . 1020 ( ~203 дБВт ).
В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.
Ширину диаграммы направленности(j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/D .
Пример 15. Расчет параболической антенны.
Рассмотрим два варианта параболической антенны с длинной волны 
[м] и 
[м].
15.1. Зададим параметры необходимые для расчета. Расчет будем вести для параболической антенны с КНД 1000 и 10000.
[м]; 
; 
.
Площадь круга с радиусом раскрыва 
можно определить следующим образом
; 
[м2].
Тогда радиус раскрыва равен
; 
[м].
Аналогично получаем для КНД 
; 
[м2]; 
; 
[м].
Диаграмма направленности параболической антенны для первого и второго случая представим следующим образом
; 
.
На рисунке 57 представлена диаграмма направленности параболической антенны.
|