2-6. Принципы построения современных антенн СВЧ. Способы улучшения характеристик антенн. Юстировочные узлы.

Антенны предназначены для приема и передачи сигналов на интервалах радиорелейных систем, причем в соответствии с принципом взаимности параметры антенн в режимах приема и передачи одинаковы. . К важнейшему требованию, предъявляемому к антеннам радиорелейного оборудования, относится их направленное действие. Другими словами, антенна должна обеспечивать передачу и прием сигналов с определенного направления и подавлять сигналы по другим напралениям. Графически свойства антенн описываются диаграммой направленности. Пример реальной диаграммы направленности показан в левой части рис. 2-6-1. Видно, что в диаграмме присутствует лепесток по основному направлению, а также, боковые и обратные лепестки по другим направленниям. Боковые и задний лепестки сильно изрезаны. Изрезанность структуры определяется реакцией как конструкции антенны, так и влиянием антенной опоры, окружающих предметов и окружающей местности. Если измерить диаграмму направленности в других условиях, то общий характер останется без изменений, но структура лепестков может быть другой. Поэтому, на практике пользуются т.н. гарантированной диаграммой, которую предоставляет фирма-производитель оборудования. Пример такой диаграммы показан в правой части рис 2-6-1.Она показывает гарантированное ослабление сигнала под разными углами относительно основного направления.

Рис. 2-6-1

Основными антеннами в современном оборудовании радиорелейной связи, которое работает в диапазонах СВЧ, пока являются разнообразные параболические структуры. Очень упрощенную теорию применения параболических антенн можно описать следующим образом.

Представим себе, что сигнал с выхода радиопередающего устройства поступает в фидер - волновод (рис. 2-6-2-а). Что произойдет, если свободный конец волновода оставить открытым? Безусловно, какая-то энергия будет излучаться, но за счет разницы волновых сопротивлений волновода и окружающей среды, часть электромагнитной волны, проходящей по волноводу, будет отражаться от открытого конца и возвращаться обратно в передатчик. Другими словами, полного излучения мощности передатчика не будет. Для полного излучения электромагнитной 0дщволны необходимо согласовать сопротивления волновода и окружающей среды. В этом случае в волноводе обеспечивается режим бегущей волны и вся энергия радиопередатчика будет излучаться в пространство. Простейший способ согласования сопротивлений - это применение рупорного излучателя (рис 2-6-2-б).

Рис 2-6-2

Рупорный излучатель и представляет собой антенну СВЧ. Однако, в этой антенне фронт излучаемой радиоволны имеет сферическую форму и, поэтому, для целей связи в чистом виде такие антенны непригодны, поскольку в место приема фронт волны будет проходить не одномоментно, а с временной задержкой. Для превращения сферического фронта волны в плоский применяется переотражение излученного сигнала от параболической поверхности. Следовательно, простейшая параболическая антенна представляет собой комбинацию из рупорного излучателя и параболического отражателя. Известно, что направленные свойства параболических антенн во многом определяются размерами отражателя. Чем больше размер отражателя по сравнению с длиной волны радиоизлучения, тем уже основной лепесток диаграммы направленности можно получить. Приближенная величина коэффициента усиления параболической антенны находится по формуле

G = 20 lg(D) + 20 lg(f) +17.5, дБ , (1)

где D - диаметр параболического отражателя, м; f - рабочая частота, ГГц.

На рис. 2-5-3-а показан вариант антенны, в котором сделана попытка использовать всю поверхность параболического отражателя. Очевидно, что излучение рупора не имеет четко очерченных границ и часть рассеянной энергии булет проходить мимо отражателя, увеличивая боковые лепестки диаграммы направленности, а кромки отражателя, на которые попадает электромагнитный сигнал, переизлучают его в боковых и заднем направлениях, что также искажает диаграмму направленности. Поэтому поверхность отражателя приходится использовать не полностью. Практически, зона использования (рис. 2-5-3-б) не превышает 60% от диаметра параболоида. В формуле 1 третье слагаемое и учитывает это обстоятельство.

Для работы в современных плотных радиорелейных сетях решающее значение имеет малая величина боковых и задних лепестков диаграмм направленности антенн. Поэтому многие фирмы - производители антенн выпускают улучшенные варианты конструкций параболических антенн. Для этого параболический отражатель дополняется фартуком (обечайкой), покрытым внутри материалом, поглощающим радиоволны (рис. 2-5-3-в). При этом увеличивается зона использования и уменьшаются паразитные излучения. Структуры антенн, показанные на рис. 2-5-3-а,б,в обладают общим недостатком, который заключается в том, что в поле действия антенны находится фидерный волновод, который искажает поле излучения. В конструкции, которая часто используется на практике сигнал на облучатель подается по волноводу сзади антенны. При этом облучатель представляет собой диэлектрический рупор обратного излучения или комбинацию рупора и дополнительного отражателя.

Рис. 2-6-3

На рис. 2-6-4 представлен общий вид и внутреннее устройство улучшенной параболической антенны. Хорошо видно покрытие фартука, поглощающее паразитное радиоизлучение.

Рис. 2-6-4

Выигрыши в диаграммах направленности при использовании улучшенных антенн хорошо заметны на примерах рис. 2-6-1 и 2-6-5.

Рис. 2-6-5

Основным недостатком антенн улучшенной конструкции по сравнению с антеннами стандартного исполнения является повышенное ветровое сопротивление, что требует использовать более устойчивые, а значит и более дорогие антенные опоры.

Для магистральных радиорелейных систем старой компоновки наиболее часто применяются рупорно-параболические антенны (РПА). Эти антенны представляют собой единую закрытую конструкцию из рупора и параболического отражателя. Рупор имеет значительную длину и обеспечивает очень хорошее согласование с волноводом, который подает энергию снизу антенны. Рупорно-параболические антенны обладают очень хорошим защитным действием (ослабление заднего излучения может достигать 70 дБ). Основная область применения - это диапазоны частот 4 - 6 ГГц. Коэффициент усиления составляет 39 - 43 дБ, но при этом габариты и вес таких антенн весьма значительны. Высота антенны типа РПА-2П достигает 7 м, а масса около 900 кг. Более компактными являются двухзеркальные параболические антенны, но характеристики их существенно хуже, чем у РПА. В некоторых старых конструкциях радиорелейных станций применяются антенны перископического типа. Основное достоинство таких антенн - малые потери а фидере-волноводе, поскольку он имеет небольшую длину при условии расположения приемо-передатчиков на поверхности земли.

Рис. 2-6-6

Хорошей альтернативой рупорно-параболическим антеннам являются антенны ракушечного типа (Shell-антенны). Ниже показана фотография одной из конструкций ракушечных антенн. Эти антенны при лучших показателях (рис. 2-6-7) имеют вес в несколько раз меньший, чем у антенн РПА.

Рис. 2-5-7

В оборудовании радиорелейных систем, работающих в диапазонах частот выше 8 ГГц в основном используются параболические антенны в стандартном или улучшенном исполнении, имеющие диаметры от 0.3 до 1.5 м и обладающие защитным действием в 55 - 60 дБ. На рис. 2-5-8 показаны диаграммы направленности антенн радиорелейного оборудования Pasolink для разных рабочих диапазонов.

Рис 2-5-8

В последние годы в микроволновом оборудовании начинают применяться планарные антенны, представляющие собой фазированные антенные решетки. Эти антенны состоят из матрицы элементарных излучателей сформированных на плоской подложке. Каждый излучатель соединен с выходным разъемом антенны таким образом, чтобы сигналы суммировались в фазе.

Рис. 2-5-9

Примеры оборудования с планарными антеннами представлены на рис. 2-5-10. Наряду с конструктивными достоинствами такие антенны обладают рядом недостатков. Во-первых, по сравнению с параболическими антеннами, они узкополосны, во-вторых имеют меньшие коэффициенты усиления. Кроме того, трудно обеспечить температурную стабильность плоскости антенны. Однако эти недостатки вполне устранимы в будущем. Для расширения полосы частот и увеличения коэффициентов усиления технологически возможно создавать многослойные структуры фазированных решеток, в которых вместо элементарных излучателей применяются более сложные структуры (к примеру, в виде логопериодических антенн). Технически решается и задача снабжения элементов антенны индивидуальными усилителями, получая таким образом активную антенну. Важным достоинством планарных антенн является возможность получения электронного сканирования диаграммы направленности, путем применения управляемых фазовращателей (рис. 2-5-9).

Рис. 2-5-10

В связи с развитием систем распределения информации и спутниковых систем связи разрабатываются антенны с многолепестковой диаграммой направленности. В частности существуют антенны, выполненные в виде диэлектрического объема, представляющего собой шарообразную или полушарообразную линзу с несколькими облучателями (рис. 2-5-11). Количество облучателей определяет количество главных лепестков диаграмм направленности в разных направлениях.

Рис. 2-5-11

К очень важным элементам радиорелейной системы относятся антенные опоры. Существует две основные разновидности опор, такие как, антенна-башня и антенна-мачта (рис. 2-5-12). Антенна-башня представляет собой самостоятельно стоящую конструкцию с достаточно широкой опорной поверхностью. Антенна-мачта выполняется в виде метеллической фермы квадратного или треугольного сечения, которая поддерживается в вертикальном положении при помощи одного или нескольких ярусов оттяжек. Независимо от конструкции, антенные опоры должны быть устойчивыми к ветровым нагрузкам, обладать температурной стабильностью, иметь надежный фундамент и противостоять скручивающим нагрузкам.

Рис. 2-5-12

В следствии малого веса и габаритов современного радиорелейного оборудования в ряде случаев специальные антенные опоры могут не применяться, а аппаратура устанавливается на различных сооружениях, имеющих достаточную высоту. Это могут быть здания, опоры линий электропередач, дымовые трубы и пр. Иногда аппаратура может быть установлена на специальные конструкции -триподы, которые свободно устанавливаются на крыше здания, как показано на рис.2-5-13. Безусловно, такие структуры могут быть применены при небольшой протяженности пролетов (несколько километров).

Рис. 2-5-13

Для обеспечения надежной связи антенны, расположеные на разных концах радиорелейного пролета, должны быть точно направлены друг на друга. Это весьма тонкая и ответственная операция, о которой подробно будет рассказано в последующих главах учебных материалов. Для проведения настройки используются специальные юстировочные устройства, встроенные в узлы крепления оборудования. Юстировочные устройства должны обеспечивать грубое и точное изменение положения антенн по азимуту и углу места. Кроме того они должны надежно удерживать неизменное полложение оборудования после настройки. На рис. 2-5-14 показан один из вариантов устройства для крепления и юстировки радиорелейного оборудования.

Рис. 2-5-14

Далее...