Проектирование антенны для организации связи в Ка диапазоне частот на линии «Спутник-Земля» (Электрический и конструктивный расчет)

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

3.1 Расчет энергетических характеристик

К основным энергетическим характеристикам антенны относятся G - коэффициент усиления и КИП - коэффициент использования поверхности антенны. Рассчитаем коэффициент усиления:

         ,    (3.1)

где r – высота геостационарной орбиты в километрах;

      f – средняя частота заданного диапазона в мегагерцах;

      Р₁ – мощность передатчика установленного на КС (лежит в пределах 200÷500 Вт);

      η₁=1 дБ – потери в фидерном тракте ЗС;

      η₂=1дБ – потери в фидерном тракте КС;

      L_A – суммарные потери в атмосфере;

      G_ЗС – коэффициент усиления антенны земной станции (лежит в пределах 45÷50 дБ).

На практике коэффициент усиления антенн устанавливаемых на КС не превышает 30 дБ, что сравнимо с рассчитанным G_КС.

В последующих расчетах коэффициент усиления будет использоваться в разах:

Зная G_КС можно рассчитать коэффициент направленного действия (КНД):

                                                              ,                                                  (3.2)

где G_КС – коэффициент усиления антенны переведенный в разы;

КПД-коэффициент полезного действия СВЧ антенн (лежит в пределах 0,85÷0,9).

Величина коэффициента направленного действия определяет размеры раскрыва антенны. Площадь раскрыва излучающего раскрыва вычисляется по формуле:

                                         ,                                   (3.3)

где λ – длина волны соответствующая средней частоте рабочего диапазона;

      КИП_∑ – суммарный КИП, обычно не более 0,7÷0,75, для тщательно выполненных и спроектированных антенн КИП_∑=0,75, для среднего класса КИП_∑=0,6, зададимся значением КИП_∑=0,65.

Как видно из расчетов для обеспечения задаваемой мощности пердатчика и коэффициента усиления антенны ЗС, которыми мы предварительно задались, полученная

площадь раскрыва должна быть равна 200 см². Но рассчитанная ранее площадь равна S=64 см², то есть нужно увеличивать площадь, либо путем увеличивая расстояние между излучателями, либо увеличением самого количества излучателей, либо то и другое вместе. Но это невозможно из-за того, что увеличение расстояния между излучателями сверх заданного условием (2.5) приведет к появлению дифракционных максимумов, что ухудшит направленные свойства антенны. Увеличение количества излучателей тоже невозможно в силу схемотехнических особенностей антенны не основе ДОС Батлера, где число ее входов должно равняться числу ее излучателе. То есть можно сделать вывод о том, что нужно менять выбранные значения мощности передатчика P₁ и коэффициента усиления антенны ЗС G_ЗС.

Для оценки величин P₁ и G_ЗС произведем обратный расчет исходя из известного значения площади излучающего раскрыва. Вычислим КНД:

Откуда рассчитаем G_КС:

 

       

Для обеспечения рассчитанного коэффициента усиления необходимо и достаточно будет увеличить коэффициент усиления антенны ЗС c 45 дБ до величены  G_ЗС=50дБ. Для проверки используем формулу (3.1):

3.2 Расчет амплитудного распределения

В разрабатываемой многолучевой ФАР, при построении, за основу была принята линейная подрешетка на ДОС Батлера. Ее особенностью является невозможность формирования амплитудного распределения кроме, как равномерного или мало отличающимся от него.

В данной системе использование строго равномерного амплитудного распределения не только не ухудшает параметры всей антенны в целом, но и дает определенный выигрыш. При разработке схемы АР все НО были выбраны однотипными (3-х дБ). Если пытаться сформировать амплитудное распределение специальной формы то потребуется применение разнотипных НО. То есть с делением мощности  в разной пропорции, что значительно усложнит и повысит стоимость МАР.  Равномерное амплитудное распределение формируемое антенной изображено на рисунке 3.1.

3.3 Расчет диаграммы направленности

Диаграмма на направленности любой АР зависит от двух составляющих, ДН единичного излучателя, из которых состоит антенна и множителя системы. В общей форме это выглядит следующим образом:

В разрабатываемой системе за основу взят печатный изотропной излучатель ДН которого выражается соотношением:

                                                                                                                   (3.4)

Множитель системы:

                                                  ,                                 (3.5)

,где N – число каналов;

       – волновое число;

        θ – угол отсчитываемый от нормали к решетке;

        φ_n – разность фаз полей соседних излучателей при возбуждении n-го входа МАР:

                                             ,                                             (3.6)

где знак «+» соответствует лучам,  располагающимся справа от нормали решетки, а «-»

                         слева.

Результирующая ДН МАР будет выглядеть, как:

                                                                      (3.7)

Уровень пересечения соседних ДН – важная характеристика МА, определяющая падение КНД в пределах парциальной ДН антенны, ограниченной этим уровнем. Чем выше этот уровень, тем больше КНД в пределах парциальной ДН. Без учета направленных свойств одиночного излучателя при равномерно АФР поля решетки:

                                    

Рассчитаем разность фаз полей соседних излучателей при возбуждении n-го канала используя (3.6), сначала для лучей располагающихся справ, а потом слева от нормали: