Антенно-фидерные устройства космических

Радиолиний дециметрового диапазона

Общие положения

В диапазоне дециметровых радиоволн работают метеорологические низкоорбитальные спутники и системы непосредственного приема сигналов стационарных спутников наземными приемными устройствами без предварительной ретрансляции.

Как было указано выше, в этом диапазоне радиоволн на линиях космической связи используются антенные решетки, элементом которых служат антенны вибраторного типа. Примером служит отечественная система «Экран», работающая в диапазоне 700 МГц. В качестве элемента решетки используются либо директорные антенны, либо спирали. Последние предпочтительнее, так как спираль обладает существенно более широкой полосой пропускания по сравнению с директорной антенной и эффективнее работает в условиях поляризационных замираний. Как правило, используемые антенные решетки являются плоскостными, синфазными, равноамплитудными и эквидистантными.

Количество элементов решетки определяется коэффициентом усиления антенны, необходимым для обеспечения заданного уровня мощности сигнала на входе приемного устройства.

 

Расчет электрических характеристик приемной антенны

Земной станции

 

Одиночная спираль (рис.4.1) не может обеспечить требуемый коэффициент усиления, так как для этого потребуется ее большая длина за счет увеличения количества витков. В действительности рабочими оказываются только несколько первых витков, остальные витки практически не участвуют в работе антенны. Это легко объяснить, воспользовавшись принципом взаимности. Пусть спираль работает в режиме излучения. Тогда основная доля мощности излучения приходится на первые витки спирали, расположенные ближе к генератору. А остальные витки возбуждаются токами достаточно малой амплитуды.

Расчет электрических характеристик антенны обычно начинается с определения требуемого коэффициента усиления по формуле (3.6), учитывая что . Затем определяется размер спирали nd, учитывая, что из формулы:

(4.1)

 

где ℓ - длина витка, n-количество витков спирали, d- шаг спирали. Обычно длина витка спирали выбирается равной .

Рис.4.1. Спиральная антенна

Тогда

 

, или . (4.2)

 

Шаг спирали выбирается из условия

 

. (4.3)

 

Как правило, размер спирали оказывается слишком большим, и, чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления антенны, спираль «разрезают» на ряд коротких спиралей с количеством витков 3-7, и из них формируют синфазную решетку. Количество элементов решетки определяют ориентировочно и затем уточняют после вычисления коэффициента усиления решетки по диаграммам направленности в двух главных плоскостях. Конфигурация антенной решетки должна быть согласована со схемой питания решетки, которая должна быть максимально простой и обладать необходимыми диапазонными свойствами. Последнее предполагает, что расстояние от главного фидера до каждой спирали должно быть одинаковым для всех спиралей. Шаг решетки обычно выбирается равным 0.5λ.

 

4.3 Расчет схемы питания антенны

Питание спиральной решетки осуществляется системой распределительных фидеров, состоящих из отрезков коаксиального кабеля. Нужно так построить систему питания антенны, чтобы ее входное сопротивление равнялось волновому сопротивлению магистрального фидера (W_ф = 50 Ом).

Для этой цели в качестве согласующих устройств применяют трансформаторы в виде четвертьволновых отрезков коаксиального кабеля. Пример построения схемы питания синфазной решетки из 4-х спиралей приведен на рис.4.2.

Входное сопротивление одиночной спирали определяется по формуле:

Рис. 4.2. Схема питания антенны из четырех спиралей

 

, Ом, (4.4)

где: ℓ - длина витка.

При длине отрезка кабеля входное сопротивление спирали пересчитывается в точку В с коэффициентом трансформации n = 1,

где e - относительная диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего кабель (e = 2,2 – 2,4).

Поэтому общее сопротивление 4х спиралей в точке В. Ом.

Для согласования с магистральным фидером необходим четвертьволновый - трансформатор с волновым сопротивлением Ом.

В этом случае можно использовать типовой кабель с волновым сопротивлением W_т = 50 Ом.

Питание синфазной решетки из спиралей можно организовать по какой – либо другой схеме. Автору проекта предоставляется решить эту задачу самостоятельно.