Параметры антенн, определяющие электромагнитную

Развитие радиотехнических систем различного назначения сопровождается, как освоением новых диапазонов частот, так и предоставлением одной полосы частот нескольким радиослужбам. В результате основные спектры, излучаемые и принимаемые отдельными радиосредствами, оказы­ваются частично или полностью перекрывающимися, что приводит к увели­чению числа мешающих сигналов (неумышленные помехи) и снижению от­ношения сигнал/шум. Вопросы, связанные с изучением причин возникнове­ния и способов снижения неумышленных радиопомех, относятся к проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств. Среди возможных причин появления неумышленных помех следует различать помехи, прони­кающие в радиотехническую систему через антенну, и помехи, возникающие помимо антенны и обусловленные, в основном, электромагнитными связями между различными узлами данной системы или между элементами двух или более систем, размещенных близко друг от друга. Существенным фактором появления помех являются паразитные электромагнитные связи в антенно-фидерных линиях. Они существуют в системах, расположенных как на одном объекте, так и на далеко стоящих друг от друга. В современных радиосистемах основной причиной появления помех является прием антенной нежела­тельных мешающих сигналов. Пространственная и частотная избирательно­сти, присущие антенным системам, позволяют существенно улучшить элек­тромагнитную обстановку. Насколько велика роль антенн в обеспечении ЭМС, можно судить по тому факту, что из 30 основных параметров радиоэлектронного оборудования, влияющих на ЭМС, 12 параметров определяют­ся антенной системой. Совокупность характеристик антенны, существенных для обеспечения ЭМС, будем называть помехозащищенностью антенны. В ряде случаев требования к помехозащищенности разрабатываемых антенн оказываются столь жесткими, что их выполнение сопровождается некоторым снижением КУ, ухудшением согласования, сужением рабочего диапазона частот и т.д. Проблему ЭМС в рамках конкретной радиотехнической систе­мы решают двумя путями:

1) разрабатывают более помехозащищенные РТС;

2) проводят их оптимальное проектирование с точки зрения уменьшения создаваемых ими помех.

В последние годы разрабатывается новый класс антенн - так называемые адаптивные антенные системы, позволяющие производить подстройку под данную помеховую обстановку таким образом, чтобы свести влияние помех к минимуму. Основными характеристиками антенн, расположенных на большом расстоянии друг от друга (в зоне излучения) и способных влиятьна ЭМС, являются:

‑ направленные свойства в рабочем диапазоне (ширина главного лепестка ДН, КНД, КУ, УБЛ и др.);

‑ внеполосное излучение антенны (излучение в полосах частот, примыкающих к рабочей полосе, - результат модуляции);

‑ направленные свойства на частотах побочных излучений (излучения на гармониках, паразитные, комбинационные и интермодуляционные);

‑ поляризационные характеристики;

‑ искажение направленных свойств из-за влияния посторонних объектов;

‑ стабильность характеристик во времени и др.

Что касается внеполосных излучений, то антенная система совместно с линией питания является в какой-то мере фильтром этих излучений. Например, в волноводной линии антенны подавляются все частоты, являющиеся запредельными для данного сечения волновода. Для обеспечения ЭМС различных радиосистем ДН, как передающих, так и приемных антенн этих систем, должны обладать малым боковым и задним излучениями. Это объясняется тем, что нежелательные сигналы часто попадают на вход приемника через боковые и задние лепестки ДН антенны и оказывают на качество работы системы большое влияние. Такая ситуация создается в системах, работающих в условиях слабых полезных сигналов или при высоком уровне помех. В связи с этим снижение УБЛ во многом решило бы проблему ЭМС. Однако при этом должен быть соблюден определенный компромисс, связанный со снижением апертурного КИП антенны.

При работе антенны в реальных условиях возникают дополнительные причины, искажающие ее направленные свойства. Эти причины обусловлены влиянием размеров и формы конструкции, на которой расположена антенна, а также рядом расположенных других антенн и т.д. При оценке влияния направленных свойств антенны на уровень ЭМС необходимо учитывать все указанные факторы. Многие из них могут быть установлены только экспериментальным путем.

Рассмотрим влияние помехозащищенности в конкретном случае на примере собственных помех РРЛ, когда недостаточная пространственная избиратель­ность антенн приводит к ухудшению характеристик РРЛ. На рисунке 9.1 схематически показан участок РРЛ, включающий три ретрансляционных пункта А, В, С. Антенна В₁ станции В принимает кроме полезного сигнала от антенны А₂ станции А два мешающих сигнала от антенн A₁ и С₁.

Рисунок 9.1 – Схема РЛС с тремя ретрансляционными пунктами

При двухчастотном плане распределения частот передача на каждой стан­ции РРЛ в оба направления идет на одинаковых частотах, а частоты передатчиков повторяются через станцию. Поэтому все три сигнала, принимаемые антенной В₁, имеют одинаковые частоты и ослабление помех от антенн A₁ и C₁ может быть обеспечено только направленными свойствами антенн. Чтобы указанные помехи не оказывали заметного влияния на качественные показатели линии, необходимо, чтобы КЗД антенн РРЛ, т.е. уровень излучения антенн в направлении θ = 180°, по отношению к излучению в направлении θ = 0° не превышал -(65...70) дБ.

В ряде случаев для улучшения ЭМС применяется развязка антенн по поляризации электромагнитного поля. При этом две антенны работают с полями, поляризованными взаимно перпендикулярно, либо, если антенны с вращающейся поляризацией поля, направления вращения векторов электромагнитного поля у обеих антенн противоположны.

Иногда антенны располагаются на небольшом расстоянии друг от друга (в зоне ближнего поля). Это имеет место на KB, CB и ДВ радиоцентрах, при установке антенн ретрансляционных пунктов РРЛ на одних и тех же мачтах, а также при размещении антенн на ограниченной площади космического корабля или спутника. Из-за пространственной электромагнитной связи изменяются направленные свойства и входные сопротивления антенн, поэтому необходимо принимать специальные меры для увеличения переходного затухания между антеннами. К ним относятся рациональное размещение антенн относительно друг друга (например, взаимное влияние двух параболических антенн РРЛ уменьшается, если их установить не рядом, а «спина к спине»), включение в антенны реактивных развязывающих элементов и др.

Совместное использование одних и тех же полос частот различными спутниковыми и наземными радиослужбами, что допускается международными соглашениями (см., например, Регламент радиосвязи), усложняет электромагнитную обстановку.

Таким образом, возникает сложная проблема электромагнитной совместимости. Эта проблема касается обеспечения совместимости между спутниковыми системами и спутниковых систем с наземными службами. С целью соблюдения необходимых условий ЭМС в настоящее время принято сопоставлять ДН антенн спутниковой связи с так называемыми справочными ДН. Последние представляют собой графическое изображение огибающей рекомендуемой МККР ДН относительно изотропного излучателя (в децибе­лах). Следует отметить, что международные рекомендации периодически пе­ресматриваются. Это подтверждает тенденцию ужесточения требований к ДН антенн спутниковой связи с целью более полного удовлетворения требованиям ЭМС. Остановимся более подробно на вопросах ЭМС апертурных антенн.

9.2 Методы снижения бокового излучения апертурных антенн

Приведенные формулы ДН излучающих раскрывов достаточно точно характеризуют направленные свойства апертурной антенны в секторе главного и ближайших к нему боковых лепестков (в этом секторе можно пренеб­речь влиянием таких факторов, как излучение облучателя однозеркальной антенны за пределы зеркала, дифракционные эффекты на кромках зеркала и др.). Величина этого сектора определяется конкретной схемой выполнения антенны и может достигать ± 40° и более. Известно, что низкий УБЛ в данном секторе обеспечивается при спадающем к краям амплитудном распределении. Однако при этом получается низкий КИП.

Существует возможность резко снизить УБЛ, сохранив достаточно высокий КИП. Для этого используются различные специальные распределения (косинус-квадратное с пьедесталом, параболическое с пьедесталом, бесселево и др.).

В последнее время требования к УБЛ все чаще формулируются следующим образом: антенная система должна обеспечивать не только достаточно быстрое спадание УБЛ при отходе от главного направления, но и пониженный уровень первых боковых лепестков (УПБЛ).

Необходимость уменьшения УПБЛ объясняется в первую очередь тем, что первые боковые лепестки антенн имеют повышенный, по сравнению с дальними лепестками уровень и поэтому во многом определяют помехозащищенность и ЭМС радиосредств. Наиболее острой эта проблема является для земных станций спутниковой связи из-за возможных помех со стороны соседних, близкорасположенных на геостационарной орбите, спутников. Во многих практических случаях снижение ближнего бокового излучения должно быть обеспечено при сохранении высокой эффективности антенны. Таким образом, задачу можно сформулировать так: необходимо определить, а затем реализовать такое распределение возбуждающего поля в раскрыве апертурной антенны, при котором обеспечивается низкий УПБЛ при высоком апертурном коэффициенте использования раскрыва ( ). Стандартные распределения возбуждающего поля типа параболического на пьедестале и ему подобных не решают поставленной задачи. При допустимых значениях УПБЛ оказывается велик (около -20 дБ). Что касается распределений со слабым возбуждением периферии раскрыва типа , то они, обеспечивая низкий УПБЛ, имеют невысокую эффективность и трудно реализуемы. На основе анализа можно сформулировать основные требования к функциям распределения, решающим задачу обеспечения низкого УПБЛ при высокой апертурной эффективности и реализуемым практически в следующем виде:

1. Функция , должна быть монотонно убывающей ( ). В противном случае ее практическая реализация сильно усложняется.

2. Уровень поля на краю апертуры должен быть невелик. Это необходимо для обеспечения низкого уровня дальних боковых лепестков.

3. Первая производная функция возбуждения на краю апертуры должна быть отрицательной и небольшой по абсолютной величине. Другими словами, у края апертуры функция возбуждения должна уменьшаться медленно.

4. Вторая производная должна быть положительной и большой, т.е. кривизна функции возбуждения в центре раскрыва и на его краю должна иметь разные знаки. Отсюда следует, что функция возбуждения f(x) должна иметь на раскрыве точку перегиба, где .

Сформулированные таким образом основные требования к распределе­ниям в линейной апертуре остаются справедливыми и для круглой апертуры. Задача оптимизации апертурных распределений, удовлетворяющих этим требованиям, может быть сформулирована следующим образом: необходимо из класса распределений с заданным апертурным коэффициентом выделить распределение, обеспечивающее минимальную мощность излучения в секторе первых боковых лепестков.

Переходя к практическим вопросам, следует заметить, что затруднительно подобрать облучающую систему так, чтобы ее ДН с необходимой точностью обеспечивала в раскрыве антенны оптимальное при заданном КИП распределение. На практике разумнее подбирать ДН облучающей системы так, чтобы соответствующее распределение поля в раскрыве удовлетворяло сформулированным выше требованиям относительно поведения на краю раскрыва.

Оптимальная по помехозащищенности диаграмма направленности определяется конкретной помеховой обстановкой. В связи с этим в схеме антенны должна быть предусмотрена возможность управления распределением поля в раскрыве. Указанное управление может осуществляться способами, позволяющими, не изменяя основных узлов антенны, управлять ее ДН. Например, подавить излучение в каком-либо помехоопасном направлении можно затенением части раскрыва антенны дополнительными отражателями. Во всех случаях отражатели возбуждаются полем облучателя, а их размеры и местоположение подбираются опытным путем. Удобно указанные дополнительные отражатели устанавливать на кромке зеркала.

Снижение уровня дальнего бокового излучения антенны обеспечивается, прежде всего, спадом амплитуды возбуждающего поля к краям раскрыва. Можно найти амплитудное распределение поля в раскрыве антенны, для которого уровень дальних боковых лепестков убывает достаточно быстро. Для этого необходимо, чтобы все производные функции распределения поля обращались в нуль на краю раскрыва. К таким функциям, в частности, относится

,

где ρ ‑ расстояние от центра до произвольной точки в раскрыве;

b ‑ постоянный коэффициент.

Для нее выполняется условие .

Подбором постоянных параметров таких функций можно в широких пределах управлять видом возбуждающей функции. В частности, на большей части раскрыва они будут представлять распределение, близкое к равномерному. При этом уровень дальних боковых лепестков будет мал, а КИП антенны достаточно высок. Следует отметить, что данный метод может быть реализован только при очень больших апертурах.

Более сложной задачей, чем нахождение поля в области, примыкающей к направлению максимального излучения, является отыскание рас­пределения интенсивности излучения в области дальнего бокового излуче­ния, обусловленного дифракционными явлениями на краях антенны. Дело в том, что в этой области формирование поля в большой степени зависит от конкретной схемы антенны, особенностей ее конструктивного выполнения, близко расположенных тел, например зданий, сооружений и т.д. Интенсив­ность дифракционного поля может быть оценена с использованием метода геометрическойтеории дифракции (ГТД).

Другой путь снижения поля в заднем полупространстве состоит в использовании специальных экранов, ослабляющих рассеянное поле. Этот способ можно проиллюстрировать на примере рупорной антенны. В обычной конструкции рупора дифракция поля на кромках раскрыва рупора создает определенное излучение в заднем полупространстве антенны, как показано на рисунке 9.2,а. На рисунке 9.2,б показан тот же рупор со специальными экранами.

а б

Рисунок 9.2 – Пример использования специальных экранов

Экраны выполнены в виде части поверхности параболического цилиндра, фокальные линии которого совмещены с кромками рупора. В такой схеме заметно снижается уровень излучения в заднем полупространстве, но конструкция получается слишком сложной.

В зеркальных антеннах могут быть использованы более простые плоские экраны, как показано на рисунке 9.3. Использование одного экрана позволяет уменьшать уровень поля в заднем полупространстве на 8...14 дБ. Два последовательно расположенных экрана обеспечивают, уменьшение уровня поля на 20...25дБ. Эти экраны могут выполняться из листового металла или густой проволочной сетки, причем жестких требований к точности выполнения и установки экранов не предъявляется.

а б

Рисунок 9.3 – Пример использования простых экранов

в зеркальных антеннах

Еще один путь снижения интенсивности дифракционных полей основан на деформации контура раскрыва антенны. Так, если контур раскрыва представляет окружность с центром, лежащим на фокальной оси параболоида, все точки контура возбуждаются синфазно, что обусловливает высокий уровень дифракционного поля в направлении . Для уменьшения уровня этого поля необходимо придать кромке параболоида такую форму, при которой парциальные дифракционные поля, возбуждаемые отдельными участками кромок, были бы расфазированы в направлениях, близких к . На рисунке 9.4 приведены различные типы расфазирующих кромок (спиральная, треугольная, лепестковая). Они уменьшают излучение в направлениях, близких к , на 5...6 дБ.

Рисунок 9.4 – Примеры различных типов расфазирующих кромок

Как известно, антенны, в раскрыве которых распределение поля спадает к краям до нуля, имеют пониженный УБЛ, в том числе лепестков в заднем полупространстве. Распределение поля в апертуре будет близко к распределению с нулем на краю зеркала, если периферийная часть отражающей поверхности антенн покрыта радиопоглощающим материалом. Однако отсутствие эффективных и недорогих поглощающих материалов не позволяет широко применять подобные устройства. В связи с этим легче добиться снижения дальнего бокового излучения антенны, которое связано с выполнением периферийной части поверхности антенны не из радиопоглощающего, а из частично радио прозрачного материала. Наиболее просто такой материал выполнить в виде металлического листа, поверхность которого перфорирована отверстиями. Изменяя размеры отверстий и их плотность расположения, можно добиться уменьшения интенсивности рассеянного поля.

Можно также отметить, что на дальнее боковое излучение антенн оказывает влияние наличие случайных ошибок амплитудно-фазового распределения, обусловленных, например, технологическими погрешностями выполнения профиля зеркала. Применяемые на РРЛ для спутниковой и космической радиосвязи осенесимметричные антенны, такие как рупорно-параболические (РПА), антенны с вынесенным облучателем (АВО), обладают достаточно хорошими защитными свойствами — хорошей ЭМС. Принятие дополнительных мер позволяет еще более усиливать защитное действие этих антенн. Один из способов заключается в создании в раскрыве РПА распределения поля, сильно спадающего к краям. Для этого необходимо изменить характеристики излучения питающего рупора.

Так, если в питающем квадратном волноводе, наряду с основной волной Н₁₀, возбудить две гибридные волны типа ЕН, то можно обеспечить в раскрыве седлообразное распределение поля с крутыми скатами на краях. К аналогичным результатам приводит использование вместо обычного облучающего рупора гофрированного рупора или рупора с изломом. Антенны с вынесенным облучателем, выполненные по закрытой схеме, защищены с боков, как и рупорно-параболическая антенна, экранирующими стенками. По помехозащищенности такие антенны примерно равнозначны РПА. Конструктивно проще антенны с вынесенным облучателем, сделанные по открытой схеме, как показано на рисунке 9.5,а, когда отсутствуют экранирующие боковые стенки и элементы защиты раскрыва от атмосферныхосадков.

а б

Рисунок 9.5 – Пример использования бленды

Помехозащищенность открытых антенн с вынесенным облучателем, в основном, определяется направленными свойствами облучателя и при рациональном проектировании может быть не меньше помехозащищенности рупорно-параболической антенны. Наилучшим облучателем для антенны с вынесенным облучателем является расфазированный рупор с изломом образующей, поворотом оси и косым срезом. Для уменьшения бокового излучения и увеличения защитного действия одно- и двухзеркальных осесимметричных антенн применяют различного рода защитные экраны. На рисунке 9.5,а показан установленный по контуру антенны цилиндрический экран (бленда), позволяющий существенно (на 5...10 дБ) снижать дальнее боковое излучение и излучение в заднем полупространстве. Длину экрана обычно подбирают так, чтобы уровень возбуждения его кромки был близок к нулю. Уменьшение излучения в задних квадрантах можно обеспечить также округлением периферийной части поверхности зеркала (рисунок 9.5,б).

Для улучшения ЭМС рассматриваемых антенн применяются также расфазировки кромочных токов. Заметное снижение помехозащищенности зеркальных антенн обусловлено уровнем кроссполяризационного излучения. Наибольший уровень этого излучения наблюдается в диагональных плоскостях, составляющих угол 45° с главными плоскостями Е и Н. Уровень кроссполяризационного излучения может быть ослаблен выбором типа облучателя, а также - подавлением перекрестной составляющей после ее излучения. Для этого используются зеркала в виде однолинейной проволочной сетки, наклеенной на поглощающий материал, благодаря чему подавляется поперечная кроссполяризационная составляющая поля антенны. Провода однолинейной сетки могут располагаться в этом раскрыве зеркала перпендикулярно основной поляризации; в этом случае их целесообразно выполнять из поглощающего материала. Такая сетка может затенять только те участки зеркала, которые максимально возбуждают кроссполяризационное излучение (участки под углом 45° к плоскости подавления, занимающие примерно одну треть площади раскрыва).

Для увеличения помехозащищенности применяемых на РРЛ перископических антенн кроме мер, указанных ранее, следует так подбирать размеры излучателя (при заданных высоте опоры и диаметре переизлучателя), чтобы обеспечивалась малая утечка энергии на участке излучатель - переизлучатель. Дополнительное повышение помехозащищенности может быть обеспечено при отнесении излучателя от основания опоры. При этом возбуждается только часть опоры, непосредственно примыкающая к верхнему зеркалу. Определенное влияние на помехозащи­щенность оказывает тип опоры. Наименьшее влияние оказывает опора в виде сплошной круглой гладкой трубы. Решетчатая опора представляет собой периодическую решетку, что при скользящем падении электромагнитной волны приводит к формированию интенсивного излучения самой опоры. Ослабление излучения антенн в одном или нескольких заранее известных направлениях возможно с помощью вынесенных защитных экранов. Они располагаются перед антенной по направлению мешающего сигнала.

Различают простые, фигурные (односвязные) и многосвязные защитные экраны. К простым экранам можно отнести кольцевые и секторные, как показано на рисунке 9.6.

а б в г

Рисунок 9.6 – Примеры используемых экранов

При использовании кольцевых экранов поле в точке приема имеет три слагаемых: прямое поле источника, поле дифракции на внутренней кромке кольца и поле дифракции на внешней кромке. При внутреннем радиусе кольца, равном радиусу первой зоны Френеля, и внешнем ‑ радиусу второй зоны (рисунок 9.6,а), кольцевой экран может существенно усилить поле в направлении оси системы «источник излучения - кольцевой экран». При других размерах экрана можно получить обратный эффект - глубокое подавление излучения. Сумма трех указанных выше полей, имеющих равную амплитуду, при разности фаз между ними в 120° равна нулю. Радиус секторного экрана должен, быть равным радиусу первой зоны Френеля. Экраном нужно затенить половину первой зоны Френеля, чтобы получить нулевое значение результирующего поля на оси системы. Этот результат имеет ясное физическое толкование. Суммарное поле излучения всех зон Френеля, начиная со второй, вносит вклад, равный - Е₀, а вклад первой зоны Френеля равен +2Е₀. Поэтому достаточно затенить половину первой зоны, чтобы получить нулевое значение результирующего поля на оси системы. При этом форма секторального экрана может быть различной (см. рисунок 9.6,б-г).

Использование вышеперечисленных экранов позволяет существенно снижать уровень побочного излучения антенны, но все они обладают тем недостатком, что сектор подавления излучения сравнительно невелик. Для расширения сектора подавления излучения используют многосвязные экраны. На рисунке 9.7 показаны соответственно многокольцевой и многощелевой защитные экраны.

а б

Рисунок 9.7 – Примеры многокольцевого и многощелевого экранов

Следует отметить, что в многосвязных экранах существует некоторая свобода выбора геометрических параметров (например, радиусов колец). Это может использоваться для расширения сектора подавления либо оптимизации системы, например обеспечения заданной формы ДН в теневой области за экраном.