Выбор конструкции антенны и антенной решетки. Принцип работы диэлектрической стержневой антенны

Введение

В настоящее время в телекоммуникационных системах большой популярностью пользуется спутниковая система вещания. Эта популярность стала настолько большой, что около Земли уже практически нет свободного места для других спутников. Для каждой страны выделено место и строго определено количество спутников, которое она может вывести на орбиту. Спутниковая система вещания – это такая телекоммуникационная система, связь между двумя наземными станциями которой происходит с помощью ретранслятора, находящегося на искусственном спутнике Земли. Данные системы работают на сверхвысоких частотах, обеспечивая связь на больших расстояниях. Без использования спутникового ретранслятора вести вещание в диапазоне СВЧ можно лишь в пределах прямой видимости либо с использованием многочисленных наземных ретрансляторов.

Объяснить большую популярность можно тем, что иногда запустить на орбиту спутник с ретрансляционной аппаратурой проще, быстрее и дешевле, чем проложить наземную линию станций. Также спутниковая система вещания охватывает большие площади обслуживания, чем наземная.

Все современные системы связи основаны на распространении электромагнитных волн в открытом пространстве или направляющих структурах. Для излучения и приема электромагнитных волн используют антенные устройства, соединяемые с приемно-передающей аппаратурой посредством фидеров. Антенны предназначены для согласования искусственной системы канализаций электромагнитных волн с окружающей естественной средой их распространения, т.е. улучшения качества связи без дополнительных затрат энергии. Для уменьшения мощности передатчика на передающей стороне антенна должна излучать ЭМВ в направлении потребителя. На приемной стороне антенна должна обеспечивать повышенную чувствительность к приходящим от передатчика электромагнитным волнам. Это все достигается применением высоконаправленных антенн тем самым, повышая достоверность передачи информации без повышения излучаемой мощности.

Сравнительная характеристика антенн

Типы антенн	Основные свойства
Зеркальные: - осесимметричные однозеркальные; - осесимметричные двухзеркальные; - осенесимметричные (офсетные); - рупорно-параболические; - перископические;	Могут обеспечить высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. На высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие. Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.
Рупорные: - Е-секториальные; - Н-секториальные; - пирамидальные; - конические;	Являются частью питающего волновода. Широкополосные устройства, с коэффициентом полезного действия около 100%. Но для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора, а этим ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Чтобы обеспечить круговую поляризацию, необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 900. Формируют ДН от 10 до 140 градусов.
Линзовые: - замедляющие; - ускоряющие;	Также обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы.
Спиральные: - цилиндрические; - конические; - плоские;	Основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности).
- плоские диэлектрические; - плоские ребристые; - плоские модулированные; - дисковые диэлектрические; - дисковые ребристые; - стержневые	Поперечные размеры незначительны, хорошие диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Большой уровень боковых лепестков, КПД – низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических рёбер).Стержневые. Просты в изготовлении. Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по ДН и входному сопротивлению. Недостаток: большой по сравнению с антеннами других типов уровень боковых лепестков, маленькое значение КПД (т.к. происходит поглощение в диэлектрике).
Волноводно-щелевые:	Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств;

заданного диапазона частот

Исходные данные варианта 0412

Тема 04. Антенная синфазная решетка диэлектрических стержневых излучателей для приемной VSАТ станции.

Орбита спутникового ретранслятора (СР)	Геостационарная, высота над экватором Земли 35875 км
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) СР	49,8 кВт
Средняя частота излучения СР	17,9 ГГц
Ширина спектра излучения СР	36 МГц
Поляризация излучения СР	круговая левого вращения
Угол места СР	34 град
Мощность сигнала на выходе антенны	0,19 пВт

Выбор конструкции антенны и антенной решетки. Принцип работы диэлектрической стержневой антенны

Диэлектрическая стержневая антенна относится к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (υ_ф<с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до10 Ггц

Наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны приведена на рисунке.

Рис. 1. Диэлектрическая стержневая антенна:

1 – диэлектиричекий стержень, 2 – возбуждающее устройство,

3 – возбудитель, 4 – питающий фидер

Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни. Наряду со стержнями могут использоваться диэлектрические трубки. Наиболее часто используют стержни с круглым поперечным сечением и это поперечное сечение, как правило, сужается к концу антенны, что приводит к некоторому повышению КНД и лучшему согласованию антенны с окружающей средой.

Электромагнитная волна, возбужденная в обойме, распространяется внутри стержня или трубки, отражаясь от их стенок, как и в волноводе. Однако, в отличие от волновода, здесь отражение неполное, частично энергия во всех точках поверхности стержня выходит наружу и излучается. Благодаря этому в стержне устанавливается бегущая волна, и сам он может рассматриваться как антенна бегущей волны. Диаграмма направленности стержневой антенны зависит от длины стержня l, площади поперечного сечения его в начале S₁ и конце S₂, от диэлектрической ε и магнитной m проницаемостей стержня.

С точки зрения распространения радиоволн стержни являются диэлектрическими волноводами, в которых могут распространяться волны различных типов. Наиболее благоприятным для излучения энергии является тип волны HЕ₁₁, конфигурация электрического поля для этого типа волн показана на рисунке:

Распределение поля волны HE₁₁

Рис.2

Фазовая скорость распространения волн вдоль стержня зависит от диэлектрической проницаемости материала, а также от соотношения между диаметром стержня и длиной волны. От этих же параметров зависит соотношение между величиной мощности переносимой внутри стержня и вне его. Так, при малом диаметре стержня фазовая скорость близка к скорости света в свободном пространстве. При этом большая часть всей мощности проходит вне стержня и его роль незначительна. Однако с диаметром стержня равным l₀ и больше, фазовая скорость волн заметно понижается и приближается к значению, соответствующему распространению волн в неограниченном диэлектрике. При увеличении диаметра увеличивается доля мощности, концентрирующаяся в стержне.

Однако увеличение сечения стержня создает условия для возбуждения волн высших типов, что нежелательно. Существует некоторый оптимальный диаметр, при котором для заданной длины получается максимальный КНД.

Помимо антенн со сплошными диэлектрическими стержнями, применяют антенны с полыми стержнями или диэлектрическими трубами. В отличие от сплошного диэлектрического стержня для диэлектрической трубы характерен сравнительно малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности (около 10% от уровня основного лепестка).