РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 580-586
АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ
УДК 621.396.677.49
АНТЕННА КАССЕГРЕНА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОБЛУЧАТЕЛЯМИ ДЛЯ ПАРЦИАЛЬНЫХ АДАПТИВНЫХ КАНАЛОВ
© 2004 г. Д. Д. Ганзий, М. М. Ганцевич, В. В. Касаткин, П. П. Матюшин
Поступила в редакцию 04.04.2003 г.
Рассмотрено размещение дополнительных облучателей в двухзеркальной антенне Кассегрена, предназначенных для образования парциальных каналов, обеспечивающих адаптивный прием в области ближних боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Приведен алгоритм расчета характеристик антенны с дополнительными облучателями. Даны примеры расчета координат и размеров дополнительных облучателей, которые обеспечивают необходимые характеристики парциальных каналов без ухудшения характеристик по основному каналу.
ВВЕДЕНИЕ
В земных станциях спутниковой связи (ЗССС), оснащенных остронаправленными зеркальными антеннами, возникает необходимость адаптации к помехам, находящимся в пространственном секторе шириной Д6 = (15.. .20)Д60 (Д60 - ширина луча антенны по уровню -3 дБ). Уровень боковых лепестков (Б Л) в этом секторе превышает -40 дБ. Для адаптации кроме основного канала антенны необходимо иметь дополнительные парциальные каналы (ДПК), формирующие диаграммы направленности (ДН), перекрывающие БЛ основной ДН с некоторым превышением, уровень которого определяется отношением чувствительно-стей основного и дополнительного каналов.
Ширина полосы адаптации обратно пропорциональна расстоянию между фазовыми центрами (ФЦ) облучателей основного и дополнительного каналов. Поэтому представляет интерес размещение парциальных облучателей адаптивных каналов непосредственно в зеркальной антенне вблизи основного облучателя.
Минимальное число дополнительных облучателей для каждого частотного диапазона равно четырем. Их ДН должны перекрывать сектор Д6. ДН антенны по каждому облучателю ДПК должна быть существенно шире Д60, иметь несимметричную форму, ее максимум должен быть отклонен от направления основного луча. Такая ДН в зеркальной антенне может быть получена путем смещения облучателей ДПК из фокуса антенны в поперечном и продольном направлениях. Фазовое распределение в раскрыве антенны будет иметь в этом случае линейную и квадратичную составляющие [1-3].
В данной работе исследуются ДН, формируемые вынесенными из фокуса облучателями ДПК, совместно с ДН основного канала. Рассматрива-
ется двухзеркальная антенна Кассегрена, широкое применяемая в ЗССС, с основным облучателем в фокусе антенны и с вынесенными из фокуса облучателями ДПК. В качестве облучателей применяются конические рупоры.
1. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
Схема антенны приведена на рис. 1. Вычисление характеристик антенны по основному каналу и по ДПК проводится по единому алгоритму. Значительный вынос облучателей ДПК из фокуса антенны предопределяет пространственный характер решаемой задачи. Расчет проводится ме-
< < (
1 л\ 5 4 3 2
\
Рис. 1. Схема антенны: 1 - параболический рефлектор; 2 - гиперболический контррефлектор; 3 - основной облучатель; 4 - облучатели ДПК (7.75 ГГц); 5 - облучатели ДПК (3.65 ГГц).
K(Xí, yK, zK)
N(Xn, yN, ZN)
Рис. 2. Используемые системы координат.
тодом геометрической оптики для линеинои поляризации.
В результате расчета определяются ДН и коэффициенты направленного действия (КНД) по основному каналу и по ДПК, нормированные к максимуму ДН основного канала. В алгоритме расчета учитываются следующие составляющие:
а) затенение раскрыва антенны контррефлектором по плоской и сферической волнам,
б) затенение облучателей ДПК облучателем основного канала,
в) переливание за края контррефлектора,
г) кроссполяризационная составляющая.
Затенение основного канала облучателями ДПК весьма невелико. Его оценка приводится отдельно.
Системы координат, используемые в расчете, приведены на рис. 2. В сферической системе координат углы 6х, фх задают луч, исходящий из фазового центра облучателя и падающий на контррефлектор. ФЦ облучателя задают координаты х30, у30, г30 в системе координат х3, у3, г3. Смещение облучателя ДПК из фокуса антенны определяется двумя величинами: = г30 + с (вдоль фокальной оси) и Ьх = х30 перпендикулярно фокальной оси). Система координат х2, у2, z2 повернута относительно системы хх, ух, zх на угол ах вокруг оси ух(у2). Ось zх направлена в центр контррефлектора. Направляющие косинусы падающего на контррефлектор луча имеют вид
Vz 1 = cos 01; Vx1 = sin 61cos ф1; Vx 1 = sin 61sin ф1 в системе координат xx, yx, zx;
Vz2 = Vx 1sin a1 + Vz1cos a1;
Vx2 = Vxi cos ai + Vzisin ai, Vy2 = Vyi в системе координат x2, y2, z2;
Vz3 = Vz2, Vx3 = Vx 2, Vy 3 = Vy2
в системе координат x3, y3, z3.
Точка пересечения луча (xk3, yk3, zk3) с контррефлектором определяется системой уравнений
22 zk3 xk3
= 1,
22 xk 3 — xk 3 Zk3 — z30
V
x3
V
(X)
z3
22 yk3 - xk3 Zk3 - z30
V
x3
V
z3
где a, b - геометрические параметры гиперболического контррефлектора,
,2 2 2 b = c - a .
y
b
a
Нормаль к поверхности контррефлектора в точке пересечения с ним луча имеет составляющие [4]
П хэ = —
a x,
k 3
Пуэ =
2
a yk3
Пгэ =
2
b zk э
4, 2
4 2
где ^ = ^а (Xkъ + Уkз) + Ь Zkз.
Направляющие косинусы отраженного от контррефлектора луча в системе координат x3, у3, z3 имеют вид
%x3 = ^хЗ- PlПхЗ. %уЗ = УуЗ- Р1Пу3.
%гз = ^з- Pl п 3.
где pl = 2(п xз К з + Пуз ^ з + з). в системе координат x, у, z - вид
% x = %х 3. % у = %у3, %г = %г3.
Координаты xp, ур, zp точки пересечения отраженного от контррефлектора луча с параболическим рефлектором определяются системой уравнений
zp =
22 xp + yp
4 f
Xp xk
zp - zk
(2)
yp - yk zp - zk
x3 — х,
k 3
Уз - ykэ
z3 - zk3
х30 - xk3 y30 - yk3 z30 zk3
(3)
где x30, y30, z3o - задаваемые координаты ДЦ облучателя ДПК.
Координаты точки (x300, у300, z300) пересечения луча с плоскостью раскрыва основного облучателя определяются путем подстановки в (3) z3 = z300, величина z300 - задана. Точка на контррефлекторе K(xk3, ук3, zk3), удовлетворяющая условию x200 +
+ у200 < , где £0 - радиус основного облучателя, является затененной.
Вторая тень возникает на рефлекторе: раскрыв основного облучателя затеняет часть отраженных от контррефлектора лучей. Алгоритм определения конфигурации второй тени аналогичен.
ДН антенны вычисляется по формуле
F (а) = ехр Г-;' у (11 + 12 + 1З ) ds.
> ) > > »
где Is = 2[n х H ] = Ixi + Iyj + Izk - плотность тока на рефлекторе [6],
k xk - x0 )2 + (yk - У0 )2 + (zk- - z0)2,
Л xp - xk)2 + (yp - yk) 2 + (zp - zk)2,
где хк = xk3, Ук = Уk3, Zk = Zk3 + / - С/- фокусное расстояние параболического рефлектора.
Решение систем уравнений (1), (2) сводится к поиску корня квадратного уравнения, который определяется численным методом [5]. Для дальнейших расчетов используются точки на рефлекторе, координаты которых удовлетворяют условию
хр + Ур < Я2,
где Я - радиус параболического рефлектора.
Проводится учет затенения основным облучателем, который два раза появляется на пути лучей облучателей ДПК. Первая тень возникает на контррефлекторе при падении лучей от ДПК. Уравнение падающих лучей в системе координат х3, у3, z3 имеет вид
N(xN, yN, zN) - точка наблюдения, xN = D sin a, yN = 0, zN = D cos a, D - расстояние от начала системы координат x, y, z до точки N, a - угол наблюдения ДН,
x0 = x30, y0 = y30, z0 = z30 + f - c•
Коэффициент направленного действия (КНД) равен 4 п S
КНД = -2-" КаКтКпКк,
Г
где
К =
^^Is^S
- апертурный коэффициент,
s££>I2 ds
£ - площадь раскрыва рефлектора; Кт - коэффициент, учитывающий потери затенения; Кп - коэффициент, учитывающий потери переливания за край контррефлектора; Кк - коэффициент, учитывающий потери кроссполяризации.
Кроссполяризационная составляющая поля вычисляется на эквивалентном параболическом рефлекторе с фокусным расстоянием
f экв f
е + 1
е-1'
2
0
0
0
s
2
3
z
x
z
y
2
s
0 -4 -8 а, град
Рис. 3. Диаграммы направленности антенны; 1 - по основному облучателю; 2 - по облучателю ДПК. Частота 3.65 ГГц, диаметр контррефлектора 0.85 м, смещение облучателя ДПК Ь1 = 0.4 м, Ьх = 0.3 м, КНД по основному облучателю 50 дБ.
а, град
0 -4 -8 -х2
Рис. 4. Диаграммы направленности антенны; 1 - по основному облучателю; 2 - по облучателю ДПК. Частота 3.65 ГГц, диаметр контррефлектора х.2 м, смещение облучателя ДПК Ьг = 0.3 м, Ьх = 0.4 м, КНД по основному облучателю 49.92 дБ.
а, град
0 -2 -4 -6
Рис. 5. Диаграммы направленности антенны; 1 - по основному облучателю; 2 - по облучателю ДПК. Частота 7.25 ГГц, диаметр контррефлектора 0.85 м, смещение облучателя ДПК Ь1 = 0.2 м, Ьх = 0.2 м, КНД по основному облучателю 56.26 дБ.
а, град
0 -2 -4 -6
Рис. 6. Диаграммы направленности антенны; 1 - по основному облучателю; 2 - по облучателю ДПК. Частота 7.25 ГГц, диаметр контррефлектора х.2 м, смещение облучателя ДПК Ьг = 0.2 м, Ьх = 0Л5 м, КНД по основному облучателю 56.04 дБ.
Рис. 7. Вид засвеченной части рефлектора облучателем ДПК; 1 - первая тень, 2 - вторая тень.
где 8 - эксцентриситет контррефлектора. При этом определяется суммарная кроссполяризаци-онная составляющая поля рефлектора и контррефлектора [3].
ДН рупорного облучателя вычисляется в точке наблюдения на контррефлекторе:
£ 2 п
Е (К) = Л Е (г,ф 2) ехр у (/4 + /5)) гйтйф 2,
0 0
2
г
где Е(г, ф2) = \--2, £ - радиус раскрыва рупора,
£
/4 = 7г2 + г2
- расстояние от горла рупора до точки в раскры-
В^ 15 = ( ( гС08 ф2 + х30 - хк3 )2 + ( г ф2- Ук3 )2 +
+ (z30 + р^ - zk3)2 )х/2 - расстояние от точки в рас-крыве рупора до точки наблюдения.
В отличие от [7] расстояния /4, /5 вычисляются точно, без разложения в ряд.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
При помощи компьютерной программы, реализующей представленный выше алгоритм, проведены расчеты ДН и КНД антенны Кассегрена с диаметром параболического рефлектора !2 м и
фокусным расстоянием / = 3 м, что соответствует размерам широко используемой в ЗССС антенны ТНА-57. Проведен расчет для основного канала и одного из симметрично расположенных облучателей ДПК. ДН определяли в диапазоне углов, в котором уровень БЛ по основному каналу превышает -50
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.