Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2014

Угловой разнос максимумов смежных лучей составляет 2 θ 2 = θ min и суще- ственным образом зависит от уровня облучения края зеркала (T) [17]. Тра- диционными способами обеспечить высокий уровень пересечения лучей в многолучевой антенне, созданной по принципу “один рупор – один луч", невозможно без существенного увеличе- ния уровня облучения края зеркала. В [18] анализируется минимально возможный угловой разнос смеж- ных лучей в предположении Гаус- сова пучка. Минимальный разнос θ min , нормированный к ширине ДН неотклоненного луча 2 θ 0,5 , зависит от ряда антенных параметров, в том числе и от уровня облучения края зеркала (3) где ξ = (1,02 + 0,0135T) – коэффи- циент, определяющий изменение ширины диаграммы направленности луча в зависимости от уровня (абсо- лютное значение T, дБ) облучения края зеркала; k ~ cos 2 ( σ /2) – коэффициент обычно близкий к единице ( σ – угол между линией, соединяющей фокус с центром рефлектора, и на- правлением луча антенны, для сим- метричной антенны σ = 0). В [18] представлен вывод о том, что уровень пересечения смежных лучей, формируемых в одном рас- крыве, примерно равен значению уровня облучения края зеркала. В [19] рекомендуется уровень облу- чения -4…-6 дБ. В [20] предлагается еще более радикально переоблучить зеркало до уровня -2...-4 дБ, но за счет этого сократить число много- лучевых антенн на спутнике до двух, необходимых для создания рабочей зоны с провалами (пере- сечение лучей) не более 3 дБ. Соот- ветственно такие решения заметно уменьшают эффективность антенны (КИП снижается почти до 0,3– 0,35). В обзоре [21] представлены графи- ческие данные, которые показы- вают, что минимально достижимый уровень пересечения лучей в много- лучевой антенне при максимальной ее эффективности составляет при- мерно 9–10 дБ. При этом в [21], ве- роятно, ошибочно указано на то, что при этом разнос лучей состав- ляет 0,6–1,2 ширины его ДН (это, видимо, угловое расстояние от мак- симума до точки пересечения лучей). В действительности следует указанное значение умножить на 2, то есть разнос лучей 1,2–2,4 ши- рины ДН. В качестве примера в табл. 2 по данным [21] приведены параметры антенных многолучевых систем в проектах 1980-х гг., в ко- торых использован принцип “один луч – один излучатель". Анализ данных табл. 2 показывает, что нормированный угловой разнос смежных лучей в проекте США меньше, но достигнуто это (предпо- ложительно) за счет снижения уси- ления в лучах (очевидно, что при указанных размерах антенн усиле- ние в максимуме должно быть более указанного примерно на 3,5 дБ (Япония) и 6,6 дБ (США)). Если бы было возможно создать сверхнаправленный облучатель, то есть иметь усиление значительно большее, чем возможно достичь при заданном его физическом раз- мере раскрыва d, то проблем с до- стижением высокого уровня пере- сечения смежных лучей не было бы. Однако это недостижимо или по крайней мере ограничено эф- фектом взаимного влияния излуча- телей (“эффект решетки"). В [22, 47] показано, что любой тип облу- чателя ограничен по усилению и со- ответственно по ширине ДН, фор- мируемой его раскрывом. В [22] приведена оценка усиления (D) облучателя в предположении ап- проксимации его ДН функцией (cos θ ) q и предположении симметрии в плоскостях Е и Н: D = 2 (2q+1), (4) где q = 2,07 · (d/ λ ) 2 - 0,5 для кони- ческого рупора с круглым раскры- вом; (5) q = 1,39 (d/ λ ) 2 - 0,5 для пирами- дального рупора с квадратным рас- крывом. (6) При этом ширина ДН облучателя по уровню -3 дБ примерно равна: 2 θ 0,5 = 2 arc cos [10 -(0,15/q) ]. (7) Отсюда следует, что для создания облучателя многолучевой антенны выгоднее использовать облучатели с круглым раскрывом. Поскольку они при том же размере раскрыва d поз- воляют получить более узкую ДН. Следует отметить, что облучатели в виде прямоугольного раскрыва или облучатели на основе эффектов по- верхностной волны здесь непри- годны, поскольку требуется полу- чить круговую поляризацию, обяза- тельную для спутников HTS. М аксимальный угловой разнос лучей Очевидно, что при увеличении от- клонения луча от его центрального направления происходит снижение усиления, изменение формы луча и рост боковых лепестков. Оценка снижения усиления (дБ) для однозеркальной антенны представ- лена в [17]: GL = 5{1 -cos[2 π· ( θ ск /(2 θ 05 ))/(190k · (F/D)]}, (8) где F – фокусное расстояние обра- зующей параболы; D – диаметр образующей параболы; θ ск /(2 θ 05 ) – отклонение луча, нор- мированное к его ширине ДН в не- отклоненном состоянии; k = 1 - exp[-0,12 · (D 1 / λ ) 0,5 ], при этом D 1 / λ – нормированный к длине волны диаметр вырезки из параболоида (диаметр апертуры ан- тенны). Из данных, приведенных в [11], следует простая формула для оценки снижения усиления в макси- муме луча при его отклонении (при 58 Страна, диапазон Рабочая Угловой разнос Число Размер Усиление Угловой разнос смежных лучей, Tx/Rx зона, смежных лучей, лучей антенны, м антенны Tx, нормированный относительно ширины ДН град. град. макс./мин., дБ Tx Rx Япония 20/30 3х0,708 0,708 4 1,8 46/40,5 1,31 1,96 США 12/14 2х3 0,75 26 2,4 39/35 1,11 1,30 Примечание: Усиление антенны дано на краю рабочего контура луча А нтенные системы проектов многолучевых спутников 1980-х гг. (по данным из [21]) Таблица 2