Рупорнолинзовая антенна

Она представляет собой сочетание металлического рупора и специальной линзы, действие которой аналогично действию оптической линзы.

Принципиально возможно использование в качестве антенны только одного рупора без линзы. В этом случае сочетание рупора и питающего его волновода обеспечивается хорошее согласование, которое сохраняется в широкой полосе частот. Но, с другой стороны, в раскрыве рупора поле оказывается не синфазным, что является существенным недостатком рупорных антенн (это приводит к уменьшению эффективной площади раскрыва).

Допускается изменение фазы в отдельных точках до p/2, однако при этом используется 80% площади раскрыва и для получения G = 40 дБ длина рупора должна быть 20 ÷ 30 м в сантиметровом диапазоне.

Выровнять фазу сигнала на выходе рупорной антенны можно, либо использованием линз, либо применением сектора параболоида вращения.

В первом случае антенна будет рупорнолинзовая, во втором рупорно-параболическая.

В рупорнолинзовых антеннах применяют два типа линз – металлодиэлектрические и металлические.

Металлодиэлектрические линзы по существу мало отличаются от оптической линзы.

Металлодиэлектрик представляет собой среду, состоящую из металлических частиц, изолированных друг от друга и образующих пространственную решетку. Изолируют металлические частицы друг от друга при помощи твердого диэлектрика, которая не только изолирует металлические частицы друг от друга, но осуществляет крепление частиц.

При воздействии электромагнитного поля на металлодиэлектрик происходит явление, аналогичное поляризации диэлектрика. Путем соответствующего подбора размера, расположения и конфигурации металлических частиц получают металлодиэлектрическую линзу, по свойствам приближающуюся к оптической линзе.

Металлодиэлектрические линзы получили широкое применение в начальный период развития многоканальных РРЛ в США. Эти антенны при G >> 40 дБ имеют низкий по сравнению с другими антеннами уровень боковых лепестков

(Gзащ » 70 дБ), Gзам j=180°= 130 дБ и Gзам j=90°= 120 дБ.

Весьма ценным свойством рупорнолинзовой антенны является хорошее согласование с питающим фидером (коэффициент отражения 1,5 ÷ 2 %). Конструктивно такие антенны сложны и дороги, а также относительно громоздки. В последнее время они заменяются более простыми по конструкции рупорно-параболическими антеннами.

Металлические линзы, несмотря на то, что они более просты по конструкции и сравнительно дешевы, не получили широкого применения в антеннах многоканальных РРЛ, так как коэффициент преломления линзы сильно зависит от частоты, что и ограничивает полосу пропускания антенны.

Слабонаправленный рупор своим раскрывом направлен на зеркало. Энергия, отраженная от зеркала, в виде сферической волны падает на линзу, в виде параллельных пластин имеющие отверстия (обычно круглые) прозрачные для радиоволн. При проникновении волны через отверстие происходит изменение фазы поля волны, причем это изменение происходит в сторону опережения.

Подбором размеров и расположения отверстий на линзе выравнивают фазу сигнала на выходе антенны.

У этой антенны при G = 39 дБ Gj=90° > 50 дБ, коэффициент отражения 5 % в полосе 300 МГц со средней частотой 3640 МГц.

12.8. АНТЕННЫ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ СПУТНИКОВЫХ СВЯЗЕЙ

Ввиду большой протяженности линий спутниковой связи ан­тенны земных станций должны иметь высокий КУ, а следователь­но, и достаточно большие размеры. Из-за малой плотности потока радиоволны кроме полезного сигнала на выходе приемной антен­ны имеют место шумы. По аналогии с электрической цепью всю мощность шумов внешнего происхождения, воздействующих на. приемную антенну, можно выразить через так называемую экви­валентную шумовую температуру антенны:

T₃._a = P_ш/kΔf (12.15)

Здесь Рш.а — мощность шумов антенны; k=1,38-10~²³ Дж/ град — постоянная Больцмана; Δf—полоса частот, в которой оп­ределяется мощность шумов.

Чем меньше P_ш , тем меньше уровень шума и тем более сла­бые сигналы могут быть надежно приняты. Антенны с большими уровнями боковых лепестков и слабым защитным действием мо­гут принимать тепловое излучение Земли. Мощность шумов, а сле­довательно, и шумовая температура таких антенн выше.

Подразделяются на антенны земных станций и бортовые антенны.

Требования, предъявляемые к антеннам земных станций:

1. Так как бортовые антенны имеют широкую диаграмму направленности и соответственно малый G, а также благодаря большому удалению спутника от антенны земной станции, последние должны обладать весьма большими коэффициентами усиления (50 ÷ 55 дБ).

2. На космических линиях радиосвязи применяют высокочувствительные приемники с малошумящими входными устройствами. При этом шумы, создаваемые антенной и фидерным трактом, могут оказаться соизмеримыми с собственными шумами приемника или даже превосходить их. Поэтому антенная температура и шумовая температура фидерного тракта должны быть минимальными.

3. Антенны земных станций должны обеспечивать управление диаграммой направленности ИСЗ. С этой целью они должны снабжаться поворотными устройствами и системами управления ими.

Антенны земных станций для связи с ИСЗ и для космической радиосвязи являются сложными инженерными сооружениями. Примерно 50 % стоимости оборудования земной станции для связи через ИСЗ приходится на антенное устройство.

Антенная температура ТА растет при уменьшении Dмакс (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью). Из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и из-за приема шумов теплового излучения Земли. Кроме того, при малых углах Dмакс эффективная шумовая температура антенны может повышаться из-за приема антенной сигналов различных земных радиостанций, помех промышленного происхождения и волн, отраженных от различных местных предметов. По этим причинам при космической радиосвязи угол Dмакс должен быть не менее (7 ÷ 10)°.

Тракт питания антенны также вносит значительный вклад в суммарную шумовую температуру приемного устройства. В случае тракта с малым затуханием увеличение потерь в нем на 1 дБ эквивалентно увеличению шумовой температуры тракта на 70° К. При этом, однако, следует иметь в виду, что шумовая температура тракта не может превосходить температуру окружающего пространства.

Антенна для космической радиосвязи иногда защищает от чрезмерной ветровой нагрузки, от действия солнечных лучей, дождя, льда и снега колпаками, выполненными из радиопрозрачного материала. Однако радиопрозрачные укрытия увеличивают антенную шумовую температуру, что объясняется тепловыми потерями в нем, а также некоторым увеличением боковых лепестков. Особенно сильно возрастает антенная температура за счет радиопрозрачного укрытия при наличии осадков.

Основной характеристикой антенны земной станции системы связи через ИСЗ является величина отношения коэффициента усиления антенны (G) к антенной температуре (ТА). Современные антенны для двусторонней многоканальной связи с помощью ИСЗ имеет отношение G/ТА » 39 ÷ 41 дБ. Диаметр раскрыва этих антенн составляет D = 25 ÷ 28 м.

Антенны земных станций для односторонней связи через ИСЗ при D = 12 м имеют G/ТА =32 дБ. его длины, то стремятся сокращать длину волноводов, подводящих электромагнитную энергию от антенны к приемникам, и выполнять элементы тракта с учетом получения минимальных потерь. В результате этого потери в ВЧ тракте антенна-приемник составляет 0,1 ÷ 0,2 дБ.