Антенны спутниковых систем связи: основные характеристики и требования к ним, методы обеспечения. Одномерные антенные решетки

Антенны ССС: основные характеристики и

требования к ним, методы обеспечения

Одномерные антенные решетки

 

Рис. 1. Геометрия расположения щелей в широкой стенке волновода

для волноводно-щелевой антенны

  Основная характеристика пространственно-развитой антенны - диаграмма направленности (ДН) - функция угловой координаты q=sinq^' , которая полностью определяется видом амплитудно-фазового распределения (АФР) токов возбуждения (поля)  по апертуре антенны

,                             (1)

где k_B=2p/l - волновое число,

L_x - длина раскрыва по оси x, xÎ[-L_x/2;L_x/2].     

Если пространственно-развитая антенна представляет собой эквидистантную (Dx = x_n+1 - x_n = Const £ l/2) решетку N_A однотипных элементов с всенаправленными излучателями (приемниками), то ДН определяется в виде

,                             (2)

где x_nÎ[-L_x/2; L_x/2] - координата n-го элемента антенной решетки (АР).

Если ½А(x_n, l)½=1,  x_nÎ[-L_x/2; L_x/2], то

G(q)=sin(pL_xq/l)/(pL_xq/l) = sinc(pL_xq/l)

Положение первого нуля ДН: pL_xq/l = p, то есть q₀ = l/L_x ; 

Рис. 2. Вид ДН для равноамплитудного распределения

Особенности этой ДН.

Основные параметры ДН пространственно-развитых антенн:

- ширина главного лепестка (ШГЛ) ДН, которую в большинстве случаев можно характеризовать для рассматриваемой плоскости либо параметром dq_0.5, т.е.  ШГЛ по уровню -3дБ от максимального значения ГЛ ДН, либо параметром dq₀, то есть шириной главного лепестка по нулям ДН;

- уровень максимального бокового лепестка (УМБЛ) ДН, определяемый амплитудой наибольшего максимума вне области ГЛ qÎ[-1; q₀₁[È]q₀₂; 1] для нормированных ДН G^H(q)=G(q)/G_max(q_гл)  (q₀₁ и q₀₂ определяют границы ГЛ по нулям, а q_гл - координату максимума ГЛ);

- соотношение энергии k в БЛ ДН к энергии, сосредоточенной в ГЛ ДН

     .                (3)

Кроме того, важными параметрами антенн и их ДН являются

-  коэффициент использования поверхности (КИП);

-  скорость спада боковых лепестков (ССБЛ);

-  коэффициент направленного действия (КНД)

Требования к характеристикам ДН

антенных систем ССС

1)  обеспечение малой ширины главного лепестка (ШГЛ) ДН (Примечание: параметры dq_0.5 и dq₀ обычно достаточно жестко связаны между собой);

2)  снижение уровня максимального бокового лепестка;

3)  уменьшение соотношения энергии k;

4)  увеличение коэффициента использования поверхности;

5)  обеспечение высокой скорости спада боковых лепестков;

6)  увеличение коэффициента направленного действия;

7)  минимизация размеров и массо-габаритных показателей антенных систем, обеспечение технологичности их изготовления; 

8)  обеспечение простоты аппаратурной или программно-алгоритмической реализации амплитудно-фазовых распредлелений, обеспечивающих желаемые характеристики ДН.

Метод улучшения характеристик ДН - использование аподизации или весовых окон. При этом следует учесть, что многие из перечисленных выше требований являются взаимно-противоречивыми, поэтому необходимо искать приемлемый для практических приложений компромисс.  

         Аподизация (взвешивание) осуществляются:

1)  путем подстройки коэффициентов усиления в каналах АР;

2)  конструктивно-технологическими методами;

3)  в цифровом виде (в АР с цифровой обработкой сигналов).

Оптимизационные задачи:

Обеспечить минимальный УМБЛ ДН при ШГЛ, не хуже заданной (или обеспечить минимальную ШГЛ при УМБЛ, не выше заданного). Решение - аподизирующие функции (весовые окна) Дольфа-Чебышева.

АФ Дольфа-Чебышева

ДН Дольфа-Чебышева

Основные достоинства и недостатки АФ и ДН Дольфа-Чебышева.

Оптимизационные задачи:

Обеспечить минимальное k при заданном УМБЛ ДН.

Решение - аподизирующие функции (весовые окна) Кайзера-Бесселя.

АФ Кайзера-Бесселя

ДН Кайзера-Бесселя

Основные достоинства и недостатки АФ и ДН Кайзера-Бесселя.

АФ с быстрым спадом боковых лепестков ДН

         Для обеспечения быстрого спада боковых лепестков ДН необходимо увеличивать номер производной АФ на краях раскрыва (при  x = ±L_x/2), которая равна 0. Примеры таких АФ - весовые окна семейства cos^a [(px/L_x)]. С увеличением a растет ССБЛ, при этом имеют место увеличение ШГЛ и уменьшение УМБЛ.  

АФ cos² [(px/L_x)]

ДН для АФ cos² [(px/L_x)]

Примеры других АФ

АФ ступенчатого типа

n

             0                                                           100                                                      200

Восьмиступенчатое ВО с равными амплитудами ступеней

 q

             0                                                                  0,25                                                                     0,5  

ДН для восьмиступенчатого ВО

Другие виды амплитудно-фазовых распределений

Гаусса (с варьируемым параметром  a_Г);