Раздел 1. Распространение радиоволн на спутниковых и радиорелейных линиях связи. Антенно-фидерные устройства спутниковых и радиорелейных систем передачи данных

Лекция 5. Антенны радиорелейных линий радиосвязи

1. Требования, предъявляемые к антеннам радиорелейных станций. Директорные антенны.

2. Параболические и рупорные антенны радиорелейных станций.

1. Требования предъявляемые к антеннам радиорелейных станций. Директорные антенны

К антеннам радиорелейных линий (РРЛ) предъявляются следующие основные требования:

1. Коэффициент усиления антенны, позволяющий использовать передатчики небольшой мощности, должен быть 30...45 дБ.

2. Рабочая полоса частот антенно-фидерной системы должна обеспечить многоствольный режим работы, в котором на каждой стан­ции на различных частотах работают несколько приемопередатчиков на общую антенну. Это повышает экономическую эффективность ра­диорелейной системы, так как стоимость антенн (опор-башен или мачт) нередко превышает стоимость приемопередатчиков.

3. Коэффициент защитного действия антенны (отношение Е_{θ = 180°}/Е_θ=0°) должен быть равен -60...-70 дБ, что обусловлено при двухчастотной системе, применяемой на современных радиорелейных линиях, требованием высоких защитных свойств антенн от приема сигналов с обратного направления.

4. Для снижения уровня переходных шумов согласование антен­ны с фидерным трактом должно быть высоким; коэффициент отраже­ния в тракте не должен превышать 2,5...3,5 %.

5. Кроссполяризационая защита антенны, т. е. ослабление поля перекрестной поляризации при приеме с главного направления долж­на составлять порядка 20...30 дБ.

6. Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее по­мехозащищенность, определяется как электрической и конструктив­ной схемами выполнения антенны, так и влиянием дополнительных факторов (опоры, оттяжки). Для ориентировочной оценки уров­ня бокового излучения антенны в переднем полупространстве МККР дает следующую формулу для огибающих боковых лепестков:

где D - диаметр антенны; λ - длина волны; θ - угол, отсчитываемый от направления максимального излучения, град.

Радиорелейные линии занимают важное место в системах свя­зи. Их протяженность в стране достигает многих тысяч километров, при этом расстояние между соседними станциями составляет в основ­ном 40...70 км и каждая станция снабжена приемопередающей аппа­ратурой и антеннами.

Тип антенн для PPJI в основном определяется рабочим диапазо­ном частот и емкостью линии (числом телефонных или телевизион­ных каналов). На PPJI прямой видимости, работающих в дециметро­вом диапазоне волн, в основном применяются спиральные антенны, которые обеспечивают требуемые электрические характеристики, до­статочно просты в изготовлении и испытывают небольшие ветровые на­грузки. При этом для увеличения КУ используются антенны, состоящие их двух или четырех параллельно включенных спиральных излучателей.

При расстоянии между соседними ретрансляционными пункта­ми 40...70 км для устойчивой связи необходимо, чтобы КУ антенны составлял 30...48 дБ. Площадь излучающего раскрыва таких антенн составляет 2...15 м². Ширина ДН 2θ_0,5 находится в пределах от 5° (при G = 30 дБ) до 0,7° (при G = 48 дБ).

В радиорелейных станциях широко используются директорные антенны с чис­лом элементов от трех до семи. На больших расстояниях число элементов директорной антенны и высота подвеса должны возрастать. Антенны выполняются из стальных или дюралевых труб диаметром 6...22 мм и жестко крепятся к поддерживающим опорам.

На метровых волнах приме­няются антенны типа «волновой канал» (трех-, пяти- и семиэлемент­ные). На дециметровых волнах используются более направленные многоэлементные антенны того же типа.

Необходимость применения в дециметровом диапазоне антенн с большим КНД объясняется следующими обстоятельствами. При фиксированной напряженности поля в точке при­ема с уменьшением длины волны уменьшается мощность, выделяе­мая в нагрузке антенны. Следовательно, при одинаковом числе эле­ментов в вибраторной антенне мощность, выделяемая на входе приемника, на дециметровых волнах меньше, чем на мет­ровых. Проигрыш этот можно скомпенсировать, если применить на дециметровых волнах многовибраторные антенны с большим числом элементов, что и принято на практике.

Схемы расположения вибраторов в антенне показаны на рисунке 1. В качестве активного вибратора (А), с которого снимается сигнал, иду­щий к приемнику, обычно используется петлевой вибратор. Его, как известно, удобно крепить к несущей стреле без изоляторов. Рефлектор (Р) может быть, как одиночным, так и сдвоенным.

Рисунок 1. Расположения вибраторов в антенне волновой канал

Сдвоенный рефлектор пред­ставляет собой два вибратора, разнесенных в вертикальной плоскости симметрично по отношению к плоскости антенны. Сдвоенный реф­лектор по сравнению с одиночным снижает уровень задних и дальних боковых лепестков и расширяет полосу частот, в которой антенна со­храняет направленные свойства.

Подбором длин директоров (Д₁, Д₂...) ирасстояний между ними обеспечиваются оптимальные электрические параметры антенны. Трех­элементные антенны, работающие в метровом диапазоне волн, обеспе­чивают ширину главного лепестка 2 ₀ = 60...66°, УБЛ = - (15...17) дБ, коэффициент усиления G = 5...6,5 дБ. У пятиэлементных антенн ана­логичные параметры составляют: 2 _о =48...54°, УБЛ составляет -(16...18) дБ; G = 8...9 дБ. Подключение кабеля снижения с Z_л = 75 Ом к петлевому вибра­тору производится через согласующую схему U-колено.

Основными параметрами, характеризующими работу антенны, являются: КУ, ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости, уровень боковых и задних лепестков, КБВ в фидере. Коэффициент усиления антенны определяет мощность, выделя­емую ею во входном сопротивлении приемника, а также отношение мощности полезного сигнала к мощности случайных помех, приходя­щих с произвольных направлений. Он должен быть достаточно посто­янным в рабочей полосе частот. Неравномерность КУ в рабочей поло­се частот составляет не более 1 дБ. Уровень боковых и задних лепестков ДН характеризует степень защиты антенны от приема отраженных сигналов, создаваемых объек­тами, находящимися сбоку и сзади антенны, и должен быть не более - (12...16) дБ. Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости оп­ределяет область, из которой могут быть приняты мешающие отра­женные сигналы. Уменьшение ширины главного лепестка в горизон­тальной плоскости существенно улучшает защиту от отраженных сиг­налов при условии достаточно малого УБЛ.

В качестве приемных антенн могут использоваться зигзагооб­разные антенны. Они пред­ставляют собой широкополос­ную антенну, состоящую из двух разнесенных по вертика­ли и параллельно включенных рамочных антенн (рисунок 2, а).

Рисунок 2. Зигзагооб­разные антенны

Каждая из двух рамок образу­ет квадрат с общей длиной всех четырех сторон, равной длине волны принимаемого сигнала.

Эту конструкцию можно рас­сматривать как синфазную ан­тенну, состоящую из четырех полуволновых вибраторов (рисунок 2, б). Ток в каждой точке провода можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Вертикальные составля­ющие тока оказываются попарно противофазными, и их излучения в направлении нормали к плоскости рамки взаимно компенсируются (в режиме приема антенна не воспринимает поле вертикальной поляри­зации). Горизонтальные составляющие тока синфазны и создают мак­симальные поля в направлении нормали (в режиме приема с этого на­правления обеспечивается максимальное усиление). Коэффициент уси­ления антенны примерно равен КУ синфазной антенны, состоящей из четырех полуволновых вибраторов. Его можно увеличить на 2...3 дБ, если установить полотно рефлектора, состоящего, например, из ряда разнесенных по вертикали параллельных горизонтальных проводов.