Параболические и рупорные антенны радиорелейных станций.

Радиорелейные линии большой емкости работают в сантимет­ровом диапазоне волн. Здесь, как правило, применяется двухчастот­ный план распределения частот. При этом на промежуточной станции передача в оба направления (прямое и обратное) ведется на одной ча­стоте f₁, а прием с обоих направлений - на другой частоте f₂. Таким образом, антенна находится в поле действия двух сигналов, имеющих одинаковые несущие частоты f₂, но приходящие с противоположных направлений. Для снижения помех между прямым и обратным кана­лом связи КЗД антенны ξ_защ = ξ_обр/ξ_пр должен составлять не более -65...-70 дБ. Уровень боковых лепестков антенны, характеризующий ее помехозащищенность при приеме и оказывающий существенное влия­ние на ЭМС при передаче, должен быть по возможности мал. Необхо­димое переходное затухание между трактами приема и передачи (от­ношение мощности, излучаемой передающей антенной, к мощности, просачивающейся в приемный тракт этой или рядом расположенной антенны) обеспечивается взаимно перпендикулярными поляризация­ми излучаемого и принимаемого антенной поля.

Однако вследствие того, что излучаемое параболической антен­ной поле кроме составляющей с основной поляризацией имеет также составляющие перпендикулярной ей поляризации, возможен переход мощности из канала передачи в канал приема. Во избежание связан­ных с этим искажений коэффициент поперечной поляризации поля антенны должен составлять -25...-30 дБ, что достигается выбо­ром типа параболического зеркала и облу­чателя (рупора).

Отраженные волны в тракте питания приводят к нелинейности фазовой характеристики последнего, что вызывает появление шумов в телефонных каналах. Допустимое значение коэффициента отражения, вызванное рассогласованием волнового сопротивления линии и входного сопро­тивления антенны, для многоканальных систем не должно превышать 2…3% во всей рабочей полосе частот. Для этих систем полоса частот, удовлетворяющая данному требованию, составляет 10...15% несущей частоты высокочастотного сигнала.

Антенна должна иметь жесткую конструкцию, чтобы при поры­вах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину. Атмосферные осадки не должны попадать в тракт питания антенны, так как это приводит к увеличению затухания и рассогласо­ванию тракта.

Зеркальные антенны, используемые в РРЛ, имеют ряд недостатков. Один из них - сложность получения в зеркале оптимального распределения амплитуды поля. Это обстоятель­ство, а также переливание поля облучателя за края зеркала и затенение его облучателем не позволяют добиться достаточно низкого УБЛ и высокого КЗД. Кроме того, недостатком этих антенн является плохое согласование облучателя с фидером, определяемое перехватом облу­чателем части отраженных от зеркала лучей. Для уменьшения боково­го излучения и увеличения КЗД применя­ют различного рода защитные экраны. Для антенн с КУ, равным при­мерно 40 дБ, КЗД составляет – (45... 50) дБ, что недопустимо при использовании антен­ны на РРЛ, работающей по двухчастотно­му плану. У высококачественных антенн, снабженных защитными экранами, КЗД может быть снижен до - (55...70) дБ.

На рисунке 3 изображена двухзер­кальная симметричная антенна со смещенной фокальной осью (АДЭ - антенна двух­зеркальная со смещенной фокальной осью и с эллиптической образующей малого зер­кала), в которой эффект затенения отсут­ствует.

В схеме такой антенны фокальная ось параболы, являющаяся образующей ос­новного зеркала, не совпадает с осью сим­метрии. Фазовый центр 0 рупора, излуча­ющего сферическую волну, расположен на оси симметрии антенны АА.

Фокальная ось ВВ параболы BQ с фокусом в точке F_n смещена параллельно оси АА на расстояниеd/2. Симметричная парабола В'Q' с фокусом в точке F'_n так­же смещена от оси симметрии на d/2. В пространстве фокусы парабо­лы располагаются на фокальном кольце с диаметром d. Фокус парабо­лы F_n и фазовый центр рупора 0 выбираются в качестве фокусов эл­липса. Вращением отрезка этого эллипса вокруг оси симметрии АА образована поверхность малого зеркала антенны.

Рисунок 3. Двухзер­кальная симметричная антенна со смещенной фокальной осью

Рассмотрим ход лучей в антенне. Лучи рупора, являющегося источником сферической волны, падая на поверхность малого зерка­ла, собираются в фокусах F_n и F'_n. Эти точки могут быть представлены как точечные источники, облучающие парабо­лы BQ и B'Q'. Следовательно, в раскрыве большого зеркала образует­ся синфазный волновой фронт с направлением распространения, со­впадающим с осью симметрии. Чтобы исключить возврат части лучей в рупор после их отражения от малого зеркала, размер его раскрыва следует ограничить диаметром d. В этом случае параболоид полнос­тью освещается полем, отраженным от малого зеркала, от начального значения угла ѱ= 0 до предельного угла раскрыва ѱ = ѱ₀.

Данная антенна по сравнению с обычными двухзеркальными антеннами обладает рядом преимуществ:

- наличие конического острия на малом зеркале значительно ослабляет реакцию зеркала на облучатель и улучшает согласование антенны;

- появляется возможность существенно сократить расстояние между облучателем и малым зеркалом и тем самым уменьшить утечку энергии за это зеркало и упростить его крепление;

- вследствие того, что лучи, идущие через область центра рас­крыва облучателя, переизлучаются малым зеркалом на периферию параболоида, а лучи, отраженные от точек, находящихся вблизи краев вспомогатель­ного зеркала, попада­ют на участки поверхности параболоида, близкие к его вершине, обес­печивается большая равномерность амплитудного распределения поля в раскрыве антенны.

В последнее время значительно повысился интерес к антеннам с вынесенным облучателем (АВО) (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Однозеркальная антенна с вынесенным облучателем

Однозеркальная АВО (рисунок 4) содержит: отражающее зеркало 1, облучатель 2, в качестве которого используется расфазированный рупор с изломом образующей (рисунок 5); экран 3, увеличивающий ее КЗД. Оси малого 1 и основного 2элементов рупора (см. рисунок 5) развер­нуты на некоторый угол γ.

Рисунок 5. Расфазированный рупор с изломом образующей

Так как при этом углы, α₁ и α₂ оказываются различными, то вершина главного лепестка ДН рупора становится неосесимметричной. В перпендикулярной плоскости углы, аналогич­ные углам α₁ и α₂, остаются равными, а ДН симметричной. Срезав раскрыв основного рупора, не перпендикулярного его оси, можно уст­ранить различную расфазировку поля в точках В и В', лежащих на гра­ницах раскрыва. Облучатель обеспечивает симметричное по главным осям возбуждение апертуры неосимметричной антенны при очень малом УБЛ.

Среди существующих ан­тенн наименьшим боковым из­лучением обладают рупор­но-параболические антенны (РПА). Такая антенна состоит из питаемого волноводом пирами­дального или конического рупо­ра и непосредственно присоеди­ненного к нему зеркала, являю­щегося частью параболоида вра­щения (рисунок 6, а).

Фокус па­раболоида F совпадает с фазо­вым центром рупора, находя­щимся у вершины последнего.

Рисунок 6. Рупор­но-параболическая антенна

Электромагнитные волны, исходя из рупора, отражаются от параболического зеркала (рисунок 6, б). Фронт отраженной от зеркала волны близок к плоскому, и поверхность рас­крыва зеркала (поверхность АВ)является синфазной. В такой системе почти вся электромагнитная энергия облучателя попадает на зеркало, что резко уменьшает задние лепестки ДН. Облучатель (рупор) не зате­няет поверхность зеркала, что приводит к уменьшению УБЛ. Так как отраженная от зеркала энергия не попадает в рупор, то отсутствует реакция зеркала на облучатель. Коэффициент защитного действия РПА равен - (65...70) дБ, КИП - около 0,65...0,75. Обычно углы раствора рупора в плоскостях Е и Н выбираются в пределах 30...50°, а площадь несимметричного параболоида (площадь апертуры антенны) составляет 5...15 м².

Антенна может быть использована одновременно для приема и передачи радиоволн с взаимно перпендикулярной поляризацией, а также для излучения и приема радиоволн с круговой поляризацией. Недостатками РПА являются значительные габаритные разме­ры и соответственно большая масса. Однако существует ряд модификаций РПА с уменьшенными габаритными раз­мерами.

На радиорелейных линиях применяются также перископические антенные систе­мы (рисунок 7), особенностью которых является отсутствие длинного фидера. В перископической антенной системе энергия передается с помощью беспроводной линии передачи, состоящей из нижнего зеркала с облу­чателем (излучателя), установленного у основания мачты, и верхнего зеркала (переизлучателя). Излучателями могут быть несимметричные, выполненные по схеме АВО, или эллипсоидальные зеркальные антен­ны. В перископической антенне, облучатель нижнего зеркала (рупор с изломом) устанавливается непосредственно в здании.

В качестве переизлучателя обычно применяется плоское зер­кало. Излучатель и переизлучатель так ориентируются относительно друг друга, что волны, излученные нижним зеркалом, «перехватывают­ся» верхним и переизлучаются в направлении на соседний ретран­сляционный пункт.

Рисунок 7. Перископическая антенная систе­ма

Фокусирующее действие нижнего зеркала сужает поток энер­гии, распространяющийся от него к верхнему зеркалу. Это приводит к увеличению передачи энер­гии от нижнего зеркала к верхнему. Одна­ко часть энергии все же переливается через края верхнего зеркала.

Выгоднее использовать верхний плоский переизлучатель не с прямоугольным, а с эллиптическим контуром обреза, имеющим в плоскости, перпендикулярной распространению волны, круглую по­верхность раскрыва, так как при этом увеличивается КПД беспровод­ной линии передачи и уменьшается УБЛ ДН верхнего зеркала.

С целью совершенствования и повышения рентабельности РРЛ необходимо уменьшать затраты на строительство и эксплуатацию радиорелейных ли­ний, особенно в условиях сильно пересеченной местности. Одним из способов решения этой задачи является замена части ретрансляторов РРЛ пассивными приемопередающими станциями - пас­сивными ретрансляторами. На таких станциях отсутствует приемо­передающая аппаратура, а ретрансляция осуществляется особым об­разом выполненными антенными системами.

Пассивные ретрансляторы преломляющего типа можно реали­зовать в виде двух антенн, соединенных линией питания и ориентиро­ванных одна на предыдущий, а вторая на последующий ретрансляци­онные пункты.

Пассивные ретрансляторы типа препятствия в отличие от отражаю­щих и преломляющих являются высокоэкономичными, поскольку не требуют точного выполнения рабочей поверхности и ее юстировки в пространстве. Это, в свою очередь, позволяет сооружать ретрансля­торы с эффективной поверхностью в сотни квадратных метров при минимальных затратах.

Рассмотрим принцип действия пассивного ретранс­лятора типа препятствия. Ретранслятор представляет собой металли­ческую поверхность П, расположенную между двумя радиорелейны­ми пунктами А и В, находящимися вне прямой видимости друг от дру­га (рисунок 8).

Появление напряженности поля в пункте В при установке на пути распространения волны препятствия П объясняется следующим обра­зом. При отсутствии препятствия (ретранслятора П) в плоскости Q передающая антенна пункта В создает электромагнитное поле.

Рисунок 8. Пассивный ретранс­лятор типа препятствия

Напряженность поля в пункте В определяется интерференцией полей от всех элемен­тов этой возбужденной поверхности. Распределение возбуж­дающего поля на плоскости Q таково, что при отсутствии прямой видимости между пунктами А и В напряженность результирующего поля в пункте В рав­на нулю. Другими словами, ДН возбуж­денной плоскости Q такая, что излуче­ние в направлении пункта В отсутству­ет. Установка в плоскости Q непроница­емого для электромагнитных волн пре­пятствия приводит к тому, что на части плоскости Q, закрытой метал­лической поверхностью П, напряженность поля становится равной нулю. Таким образом, изменяется амплитудно-фазовое распределение возбуждающего поля, что приводит к изменению ДН возбужденной плоскости Q и появлению излучения в направлении пункта В. Возбуж­денное падающей волной препятствие П является вторичным излуча­телем, и при рациональном выборе его формы и размеров интенсив­ность вторичного поля в пункте В может оказаться значительной.

Форма препятствия выбирается так, чтобы обеспечить минималь­ную расфазировку поля в точке приема В. На рисунке 9 показано препятствие в виде части кольца, верхняя и нижняя кромки которого со­впадают с границами зоны Френеля. Это обеспечивает син­фазность поля в точке приема от сектора Δφ при любом φ.

Рисунок 9. Препятствие в виде части кольца

В вертикальной плоскости расфазировка поля дуг различного радиуса r опре­деляется разностью хода соответствующих лучей от пункта А к пункту В. По этим причинам угловой размер препятствия по координате φ и соответствующий линейный размер 2a имеют важное значение для формирования поля в точке В; они ограничиваются в основном только конструктивными соображениями. Пассивные ретрансляторы типа препятствия в отличие от рет­рансляторов отражающего и преломляющего типов не требуют жес­ткой фиксации в пространстве и точности обработки поверхности, так как их роль заключается только в создании на фронте падающей вол­ны участка с нулевой напряженностью поля. Отсут­ствие требований к жесткости конструкции позволяет выполнять по­лотно в виде проволочной сетки и подвешивать его на легких опорах.

Антенны пассивных ретрансляторов любого вида должны обла­дать значительно большими КУ, чем антенны активных ретрансляци­онных пунктов, что объясняется усилением приходящего сигнала ис­ключительно за счет направленности антенн, так как усилительная аппаратура на пассивном пункте отсутствует. Поэтому площадь пас­сивных ретрансляторов должна быть значительно больше площади раскрыва антенны активного ретранслятора (в 50...60 раз). Коэффициент усиления таких пассивных ретрансляторов типа препятствия достигает 60...70 дБ.

Пассивный ретранслятор типа препятствия может быть исполь­зован на РРЛ с прямой видимостью для увеличения КУ антенны без увеличения размеров ее поверхности. Такой ретранслятор называется антенным директором.

Особенно целесообразно применять антенные директоры на РРЛ, работающих в диапазонах 8 и 11 ГГц, где благодаря небольшому рас­стоянию между активными пунктами (25...35 км) высота антенных опор обычно невелика.

При строительстве РРЛ в горной или сильно пересеченной мес­тности возможно использовать пассивные ретрансляторы отражаю­щего типа. Обычно они выполняются из одного или двух плоских зеркал (рисунок 10). Однозеркальный пассивный ретранслятор применяет­ся при угле β > 45...60° (рисунок 10, а), а двухзеркальный ретрансля­тор, состоящий из двух близкорасположенных зеркал в ретрансляторе на рисунке 17, б - при β = 35...60°.

Рисунок 10. Пассивные ретрансляторы отражаю­щего типа

Схема расположения зеркал в рет­рансляторе на рисунке 10, б называется Δ-конфигурацией. Она харак­терна тем, что зеркало Р₂и пункт приема В расположены по разные стороны от направления АР₁. Такое построение пункта ретрансляции становится нецелесообразным при малых углах β. Это связано с тем, что зеркала Р₁ и Р₂необходимо устанавливать на большом расстоянии друг от друга, чтобы избежать их взаимной экранировки. При этом увеличивается рассеяние энергии на участке Р₁Р₂.

На рисунке 10, в показана другая возможная схема расположения зеркал двухзеркального ретранслятора, известная как Z-конфигурация. В данном случае зеркало Р₂и пункт В расположены по одну сторону от направления АР₁. Практически Z-конфигурацию целесообразно ис­пользовать при 0° < β < 40°, при этом зеркала Р₁ и Р₂ можно располо­жить близко друг к другу, что весьма удобно на практике. Необходи­мость применения двухзеркального ретранслятора объясняется тем, что коэффициент использования поверхности однозеркального ретран­слятора остается достаточно высоким до тех пор, пока угол падения волны на зеркало невелик.

Наряду с РРЛ прямой видимости возможна и практически реа­лизована на УКВ передача многоканальных сообщений на большие расстояния с использованием эффекта дальнего тропосферного рас­пространения радиоволн.

Поскольку приемная антенна улавливает только небольшую часть энергии, переизлученной рассеивающим объемом (CDD₁C₁ рисунок 11), для устойчивой свя­зи необходимо, чтобы передаю­щая и приемная антенны имели большой КУ (около 45 дБ). По­этому площади излучающих поверхностей антенн могут до­стигать несколько сотен квад­ратных метров.

Следует также иметь в виду, что КУ как передающей, так и приемной антенны тропосферной линии растет не прямо пропорционально поверхности ее раскрыва, а медленнее, что можно объяснить некогерентностью объема тропосферы при сужении ДН антенны.

Рисунок 11. Принцип дальнего тропосферного рассеяния

При этом, чем больше расчетный КУ антенны, тем значительнее уменьшение ее реального КУ. Данное явление называется потерей усиления антенн. На тропосферных линиях, работающих в диапазонах дециметро­вых и сантиметровых волн, в основном применяются однозеркальные осесимметричные и неосесимметричные антенны, осесимметричные двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью, а также ру­порно-параболические антенны. Расчетный коэффициент усиления у вышеперечисленного антенн составляет 41...43,5 дБ. На тропосферных РРЛ нет необходимости поднимать антенны на большую высоту. Для увеличения КЗД и помехозащищенности антенн применяют различного рода экраны и защитные устройства.

Уровень сигнала на пролете тропосферной РРЛ можно повысить с помощью антенных директоров. Особенно целесообразна установ­ка антенных директоров на трассах, имеющих близкорасположенные перед антенной препятствия, что позволяет существенно снизить их затеняющее действие.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите требования, предъявляемые к направленным свойствам антенн РРЛ с учетом обеспечения помехозащищенности и ЭМС.

2. Какова роль модифицированных поверхностей зеркальной антенны по сравне­нию с не модифицированными?

3. Перечислите способы устранения затенения апертуры антенн облучателем. По­ясните на примере какой-либо схемы.

4. Изобразите схему АДЭ и объясните принцип ее действия.

5. Изобразите схему РПА и объясните ее основные достоинства.

6. Схемы и принцип действия пассивных ретрансляторов отражающего, прелом­ляющего типов и типа «препятствие».

7. Принцип действия и область применения антенных директоров на трассе РРЛ связи.

8. Какие виды разнесенного приема используются на ТРРЛ и за счет чего обеспе­чивается высокая устойчивость их работы?