Рассмотрены особенности расчёта направленных свойств, шумовой температуры и шумовой добротности зеркальных антенн, лучеводов, антенных решёток. <...> Шумовая температура окружающей среды определяется в той же
системе координат, что и диаграмма направленности антенны. <...> Особенностями спутниковой связи являются низкий уровень сигналов, принимаемых от ИСЗ, наличие помех в виде тепловой радиации внешней среды, влияние конструкций помещения телепорта и радиопрозрачного укрытия (РПУ) при размещении в нём антенн, поэтому приёмные системы земных станций должны обладать повышенной
эффективностью, определяемой шумовой добротностью [1, 2]. <...> Наиболее эффективными типами антенн, используемых в составе земных
4
Введение
станций спутниковой связи, являются зеркальные антенны различного конструктивного оформления: одно- и двухзеркальные, с коаксиальной симметрией (осесимметричные) и с облучателем, вынесенным
из центра зеркала (осенесимметричные типа офсет). <...> Для достижения максимума шумовой добротности должны быть
учтены такие факторы [11–14], как:
• затенение части раскрыва антенны [15–17];
• поляризация принимаемого сигнала [7, 18, 19];
• точность изготовления поверхности зеркал [20, 21];
• амплитудные и фазовые распределения поля в раскрыве [2, 5];
• дифракция поля на кромках зеркал [22–24];
• электрические затухания в РПУ [25] и фидерном тракте [2];
• воздействие тепловых шумов окружающей среды. <...> Характеристики излучения шума
Электромагнитное излучение нагретых тел является одним из основных источников тепловых шумов в системах связи. <...> .
Спектральная интенсивность электромагнитного излучения нагретого тела в радиочастотном диапазоне определяется по формуле
Релея–Джинса через яркостную температуру Tя как
2kTя
,
λ2
где k — постоянная Больцмана; λ — длина радиоволны теплового излучения; Tя — яркостная температура источника теплового радиоизлучения, определяется как абсолютная температура абсолютно чёрного тела <...>
Расчет_антенн_земных_станций_спутниковой_связи.pdf
Расчет_антенн_земных_станций_спутниковой_связи_(1).pdf
УДК 621.396.67
ББК 32.845
С61
Сомов А. М.
С61 Расчёт антенн земных станций спутниковой связи. Учебное пособие
для вузов. — М.: Горячая линия–Телеком, 2010. — 290 c.; ил.
ISBN 978-5-9912-0158-2.
Изложены методы расчёта и оптимизации шумовой добротности антенн
земных станций спутниковой связи. Рассмотрены особенности расчёта направленных
свойств, шумовой температуры и шумовой добротности зеркальных
антенн, лучеводов, антенных решёток. Для повышения точности расчетов
вместо яркостной шумовой температуры используется её действующее
значение. Шумовая температура окружающей среды определяется в той же
системе координат, что и диаграмма направленности антенны. Обсуждаются
пути повышения эффективности зеркальных антенн спутниковой связи.
Разработанные автором и представленные в книге соотношения, выводы, рекомендации,
программы могут быть использованы при работе над курсовыми
и дипломными проектами, при подготовке диссертаций, разработке,
промышленном производстве зеркальных антенн спутниковой связи, а также
усовершенствовании готовых антенн, находящихся в эксплуатации.
Для студентов и слушателей, обучающихся по специальности 090106 —
«Информационная безопасность телекоммуникационных систем», будет полезна
специалистам в области спутниковой связи и антенной техники.
ББК 32.845
ISBN 978-5-9912-0158-2
⃝ Издательство «Горячая линия–Телеком», 2010
c
⃝ А. М. Сомов, 2010
c
Стр.2
Введение
Антенно-фидерные устройства СВЧ диапазона в настоящее время
применяются не только в профессиональных нуждах в земных
станциях спутниковых систем связи, но также используются во всё
возрастающих масштабах в быту для приёма ретранслируемых геостационарными
спутниками отечественных и зарубежных телепрограмм.
В связи с этим необходимо расширять подготовку специалистов,
которые могли бы выполнять проектирование, техническое обслуживание
и модернизацию антенно-фидерных устройств. А это, в
свою очередь, возможно при наличии учебных пособий по расчету и
проектированию подобных устройств.
Необходимо также учитывать, что продолжают успешно развиваться
системы спутниковой связи, через которые передаются большие
объемы информации в цифровой форме. Спутники-ретрансляторы
таких систем располагаются на геостационарной орбите, включая
её районы над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами. Информация,
передаваемая этими спутниками, может приниматься и
передаваться потребителям при помощи телепортов, работающих как
в режиме передачи, так и в режиме приёма.
Ретрансляторы обеспечивают глобальное обслуживание всей видимой
со спутника земной поверхности благодаря бортовым антеннам
с широкой диаграммой направленности, а также зональное обслуживание
при помощи узконаправленных антенн с более высокой плотностью
потока мощности.
Необходимость приёма и последующей передачи информации от
спутниковых систем связи требуют создания и совершенствования
технических средств, используемых для этой цели. Эффективность
применяемого оборудования в большой степени зависит от эффективности
применяемых в его составе антенных устройств.
Особенностями спутниковой связи являются низкий уровень сигналов,
принимаемых от ИСЗ, наличие помех в виде тепловой радиации
внешней среды, влияние конструкций помещения телепорта и радиопрозрачного
укрытия (РПУ) при размещении в нём антенн, поэтому
приёмные системы земных станций должны обладать повышенной
эффективностью, определяемой шумовой добротностью [1, 2]. Наиболее
эффективными типами антенн, используемых в составе земных
Стр.3
4
Введение
станций спутниковой связи, являются зеркальные антенны различного
конструктивного оформления: одно- и двухзеркальные, с коаксиальной
симметрией (осесимметричные) и с облучателем, вынесенным
из центра зеркала (осенесимметричные типа офсет).
К настоящему времени достаточно подробно исследованы вопросы
повышения коэффициента использования поверхности (КИП) [3]
осесимметричных [4–6] и неосесимметричных [7–10] зеркальных антенн
земных станций спутниковой связи. Эти особенности известны и
обычно учитываются при расчёте электрических параметров антенн
земных станций спутниковой связи в режиме передачи. Однако такой
путь максимизации КИП не является оптимальным с точки зрения
обеспечения максимальной шумовой добротности, имеющей существенное
значение в режиме приёма при заданных размерах антенны.
Для достижения максимума шумовой добротности должны быть
учтены такие факторы [11–14], как:
• затенение части раскрыва антенны [15–17];
• поляризация принимаемого сигнала [7, 18, 19];
• точность изготовления поверхности зеркал [20, 21];
• амплитудные и фазовые распределения поля в раскрыве [2, 5];
• дифракция поля на кромках зеркал [22–24];
• электрические затухания в РПУ [25] и фидерном тракте [2];
• воздействие тепловых шумов окружающей среды.
Для оптимизации шумовой добротности необходим метод расчёта
шумовой температуры антенны повышенной точности, который и
предлагается к рассмотрению и освоению в представленном учебном
пособии, в противовес ранее используемым известным оценочным методам
[26, 27]. Таким образом, предлагаемый труд посвящается методам
расчёта антенн земных станций спутниковой связи в режиме
приёма.
Разработанные автором и представленные ниже соотношения,
выводы и рекомендации могут быть использованы при работе над
курсовыми и дипломными проектами, при подготовке диссертаций,
разработке, промышленном производстве зеркальных антенн спутниковой
связи, а также усовершенствовании готовых антенн, находящихся
в эксплуатации.
Стр.4
Оглавление
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Характеристики излучения шума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Базовые формулы для расчета интенсивности теплового излучения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5
5
8
1.3. Различие подходов при разработке методов расчета шумов параметров
радиотелескопов и антенн спутниковых систем связи 11
1.3.1. Особенности расчёта радиотелескопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2. Особенности расчета антенн спутниковой связи . . . . . . . . 13
1.4. Температура шума приёмной антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Шумовые параметры согласованного фидера . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6. Шумовая температура несогласованного фидера. . . . . . . . . . . . . 17
1.7. Шумовая температура собственного теплового излучения антенны
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8. Тепловое радиоизлучение космических тел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Глава 2. Влияние окружающей среды на шумовую температуру
антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1. Яркостная шумовая температура окружающей среды. . . . . . . . 22
2.2. Учет воздействия шумов окружающей среды на шумовую температуру
антенн. Действующая шумовая температура среды 25
2.3. Возможность упрощения расчета теплового излучения
среды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4. Усреднение ДШТ среды по пространству . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5. Шумовая температура для «неровной диффузной» почвы . . . 48
Вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Глава 3. Особенности расчета направленных свойств зеркальных
антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1. Методы расчета направленных свойств зеркальных антенн . . 51
3.2. Уточнение методов расчета зеркальных антенн . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3. Учет дифракционных эффектов на кромках зеркал антенны. 59
3.4. Особенности расчета направленных свойств антенн с коническим
раскрывом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5. Особенности конструкции антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6. Диаграмма направленности рупорного облучателя. . . . . . . . . . . 72
3.7. Расчет рабочей поверхности зеркал антенны модифицированной
формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
75
Глава 4. Направленные свойства антенны и шумовая температура
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Стр.287
288
Оглавление
4.1. Шумовая температура антенн с осесимметричной диаграммой
направленности. Метод фрагментации окружающего пространства
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2. Шумовая температура антенн при различии диаграмм направленности
в ортогональных наклонных плоскостях. . . . . . . . . . . . 82
4.3. Шумовая температура приемных антенн СВЧ, расположенных
над водной поверхностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
4.4. Шумовая температура антенн с квадратной формой
раскрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5. Шумовая температура антенн с прямоугольной формой раскрыва
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.6. Расчет шумовой температуры антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Вопросы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Глава 5. Расчет шумовой температуры антенн на основе действующей
шумовой температуры окружающей среды
и коэффициентов передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1. Вывод общих соотношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2. Влияние апертурной части диаграммы направленности на шумовую
температуру антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3. Влияние коэффициентов передачи на шумовую температуры
антенны с осесимметричной диаграммой направленности . . . . 129
5.4. Учет влияния на ШТ антенны дополнительных факторов . . 136
5.5. Результаты расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Вопросы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Глава 6. Влияние условий размещения антенн на шумовые
параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1. Особенности размещения антенных устройств в жилых помещениях
и телепортах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2. Влияние теплового радиоизлучения окружающих предметов
на шумовую температуру антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.3. Влияние радиопрозрачного укрытия на шумовую температуру
антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4. Влияние силовых конструкций РПУ на электрические параметры
антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.5. Соотношения для расчета шумовой температуры антенны,
размещаемой в помещении с радиопрозрачным укрытием. . . . 154
6.6. Расчет шумовой добротности при размещении антенны в
помещении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Вопросы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Глава 7. Оптимизация шумовой добротности земных
станций спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1. Основные параметры, влияющие на шумовую добротность . . 163
7.2. Оптимизация шумовой добротности земной станции с однозеркальной
антенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Стр.288
Оглавление
289
7.3. Оптимизация шумовой добротности земной станции с двухзеркальной
антенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4. Оптимизация шумовой добротности приемника ЗС при размещении
антенны в помещении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Вопросы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Глава 8. Особенности расчета и оптимизации фазированных
антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.1. Требования, предъявляемые к антеннам, размещаемым в телепортах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.2. Особенности применения и расчета фазированных антенных
решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.3. Особенности построения волноводных трактов фазированных
антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.4. Шумовая добротность типовых фазированных антенных решеток
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Вопросы к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Глава 9. Увеличение эффективности антенн земных станций
спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.1. Возможности увеличения шумовой добротности земных
станций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.2. Применение экранов и лучеводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
9.3. Увеличение шумовой добротности при размещении антенн в
помещении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.4. Размещение антенных устройств на раздельных опорно-поворотных
устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Вопросы к главе 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Глава 10. Перспективные виды антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
10.1. Антенны на основе отражателей с линейной образующей . . . . 224
10.2. Антенны с кольцевым контррефлектором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.3. Многолучевые антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Вопросы к главе 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Глава 11. Результаты проверки разработанных методов расчёта
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.1. Конструктивные особенности антенн земных станций . . . . . . . 249
11.2. Результаты измерений основных параметров антенн земных
станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.3. Результаты измерений основных параметров макетов антенн
земных станций, размещаемых в помещениях . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Стр.289