Основные параметры параболических антенн.

Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T_{ш }) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/T_ш следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру

T_ш = T_у + T_тр + T_а .

Здесь T_у - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно T_у ~ 40..60К);

Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ;

T _а - эквивалентная шумовая температура антенны.

Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T_ш при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие T_тр и T_а . Уменьшение T_тр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Эквивалентная шумовая температура T_а растёт при уменьшении угла места  (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при  = 5…7⁰ в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла  путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места увеличивается до 10^о .

Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путём увеличения её размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению T а и ухудшению помехозащищённости. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11/14 и 20/30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли мм, что соответствует относительному допуску 10^-4.. 10^-5 ). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от  до + .

Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять 0,1 . При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2R₀ следует выбирать из компромисса между технико-экономическими факторами, определяющими реализуемую точность наведения, и соответствующими этой точности потерям усиления.

Допуск на точность установки облучателя (рис.56) на оси зеркала должен соответствовать условию что отклонение от синфазного распределения не превышает . Это соответствует тому что | D Z | < l /8(1-cosy₀)).

 

 

Рисунок 56 – Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси.

Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещённым из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.

Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:

D = 4p kF/l²,

где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = pr₀². (r₀ - диаметр зеркала.)

Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида.

Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром d повышается при увеличении эффективной площади рефлектора S_эф и при уменьшении длинны волны l принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):

G = 4p S_эф / l²,

где S_эф = hp d ²/4,

h - коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель.

Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (l=7,5 см) и 12 ГГц (l= 2,5 см), будут отличаться в 9 раз. однако на самом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).

Затухание L₀ растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны l электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L₀ = 16p ²R² /l². Для диапазона 12 ГГц (l = 2,5 см) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L₀ достигает 3,25^. 10²⁰ (~203 дБВт).

В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.

Ширину диаграммы направленности (j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/D.

 

Пример 15. Расчет параболической антенны.

Рассмотрим два варианта параболической антенны с длинной волны [м] и [м].

15.1. Зададим параметры необходимые для расчета. Расчет будем вести для параболической антенны с КНД 1000 и 10000.

[м]; ; .

Площадь круга с радиусом раскрыва можно определить следующим образом

; [м²].

Тогда радиус раскрыва равен

; [м].

Аналогично получаем для КНД

; [м²]; ; [м].

Диаграмма направленности параболической антенны для первого и второго случая представим следующим образом

; .

На рисунке 57 представлена диаграмма направленности параболической антенны.

 

	Рисунок 57 – Диаграмма направленности параболической антенны с КНД =1000