Сподобаев Ю.М., Кубанов В.П. Основы электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

161

Таблица 7.2

Характеристика типового оборудования ТРРСП

№

пп

Тип

ТРРСП

Средняя

длина

волны, см

Мощность, Вт

и число

передатчиков

Тип антенны

Размер

апертуры,

КНД,

дБ

Горизонт-М

ТР-120

ДТР-12

3000х2

5000х2

10000х2

Несимметричная

параболическая

антенна

20х20

или

30х30

Большое ослабление сигнала компенсируется использованием мощных

радиопередатчиков, чувствительных радиоприемников, высокоэффектив-

ных антенн, специальных технологий приемопередачи. В ТРРСП широко

применяется способ передачи, когда одно и то же сообщение передается

одновременно двумя радиопередатчиками на двух различных частотах че-

рез две отдельные антенны. Антенны используются в основном несиммет-

ричные параболические однозеркальные с вынесенным облучением (рис.

7.7), что позволяет устранить влияние реакции зеркала на согласование,

уменьшить затенение раскрыва по сравнению осесимметричными антен-

нами.

Антенна

Облучатель

Диаграмма

направленности

Рис. 7.7. Принцип действия антенной системы ТРРСП

Антенны ТРРСП представляют собой сложные инженерные сооруже-

ния с раскрывом 20х20 м

при высоте подвеса нижней кромки над землей 8

м или 20 м и с раскрывом 30х30 м

при высоте нижней кромки 10 м и 20 м.

В качестве облучателя используется пирамидальный рупор с раскры-

вом 1х1 м

или 0,8х0,8 м

162

Спутниковые системы передачи

Принцип использования ССП схематично показан на рис. 7.8. По су-

ществу ССП является разновидностью РРСП ПВ, в которой промежуточ-

ная станция-ретранслятор находится на борту ИСЗ.

З С З С

И С З

О р б и т а

А н т е н н ы

Рис. 7.8. Принцип действия ССП

В основном применяются два вида орбиты ИСЗ: эллиптическая и гео-

стационарная. Однако в последнее время интенсивно разрабатываются

системы с низкими и средними круговыми орбитами. В качестве передаю-

щих антенн земных станций (ЗС) ССП чаще всего используются осесим-

метричные двухзеркальные параболические антенны. Диаметр большинст-

ва антенн лежит в пределах 7...32 м, а коэффициент усиления – в пределах

49...60 дБ [51, 52]. Направление максимального излучения составляет не

менее нескольких градусов по отношению к поверхности земли. В том

случае, когда ССП работает через ИСЗ, находящийся на эллиптической ор-

бите, используются поворотные антенны, обеспечивающие слежение за

спутником по мере его орбитального перемещения.

Некоторые частотные и энергетические характеристики радиопередат-

чиков земных станций ССП приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Характеристика типового оборудования земных станций ССП

№ пп Наименование Средняя длина волны, см

Мощность передатчика,

Вт

1 Градиент 4,9 3000 (10000)

2 Гравий 48,4 20

3 Геликон 4,9 4000

4 Грунт 4,9 200

5 Галактика-1 2,1 1500

6 Галактика-2 2,1 240

163

7.3. ТИПЫ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН

Апертурные антенны можно разделить на две больших группы. Первая

группа – это антенны с круглой апертурой, вторая – с прямоугольной. К

первой группе относятся одно- и двухзеркальные осесимметричные антен-

ны - параболоиды вращения (см. рис. 7.2 и рис. 7.3). Ко второй группе от-

носятся антенны в виде:

- симметричной вырезки из параболоида вращения (рис. 7.9);

- несимметричной вырезки из параболоида вращения (рис. 7.10);

- пирамидального рупора (рис. 7.11);

- параболического цилиндра (рис. 7.12).

Так же ко второй группе можно отнести рупорно-параболическую (см.

рис. 7.4) и перископическую антенны (см. рис.7.5).

Рис. 7.9. Симметричная вырезка из параболоида вращения

Рис. 7.10. Несимметричная вырезка из параболоида вращения

Апертура

)

Зеркало

блучатель

Oблучатель

Зеркало

Апертура (

164

Рис. 7.11. Пирамидальный рупор Рис. 7.12. Параболический цилиндр

7.4. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ

ВБЛИЗИ АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН – ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Выражение для расчета ППЭ апертурной антенны в произвольной

точке пространства в рамках энергетического подхода к решению задачи

можно представить в следующем виде:

прдифоблa

Π+Π+Π+Π=Π

∑

, (7.1)

где

– апертурная составляющая;

обл

– составляющая, определяемая излучением облучателя;

диф

– составляющая, обусловленная токами, протекающими по

кромке зеркала (дифракционными токами);

пр

– составляющая, возникающая в результате прохождения энергии

сквозь основное зеркало антенны, если оно имеет решетчатую структуру.

Все пространство вблизи антенны можно условно разделить на три ха-

рактерные области (рис. 7.13). Для определения продольных границ сани-

тарно-защитных зон наибольший интерес представляет область I. В теории

антенн эту область принято называть областью главного и ближних боко-

вых лепестков. Значение ППЭ здесь определяется, в основном, апертурной

составляющей и составляющей от облучателя.

165

В заднем полупространстве антенны расположена область II. В этой

области поле обусловлено только дифракционными эффектами первичного

поля облучателя на кромке основного зеркала. Если зеркало выполнено в

виде решетчатой структуры, то к дифракционному полю добавится поле,

прошедшее в область II сквозь ячейки.

Рис. 7.13. Области анализа ППЭ

В области III необходимо учитывать и апертурную составляющую, и

составляющую от облучателя, и дифракционную составляющую.

Условимся, что область I имеет границы

≤≤

, область II –

πθψπ

≤<−

, область III –

ψπθ

−≤<

Для решения задач электромагнитной экологии используется понятие

усредненной модели апертурной антенны. Такая модель впервые предло-

жена авторами [55] и базируется на ряде допущений:

- амплитудное распределение поля по апертуре задается в виде:

( )

























−+=

1684,0316,0

, (7.2)

где: r – текущее значение координаты на диаметре апертуры, d – диаметр

апертуры;

- облучатель и антенна имеют характеристики направленности с осевой

симметрией относительно направлений их максимального излучения;

- характеристика направленности облучателя однозеркальной антенны

или системы «облучатель - вспомогательное зеркало» двухзеркальной ан-

I область

III область

II область

Фокус

Зеркало

антенны

θ = 0

θ =

−

θ =

166

тенны вне сектора углов перехвата энергии основным зеркалом считается

неизменной и равной 0,316 (по напряженности поля);

- апертура имеет затенение (рис. 7.14), характеризуемое коэффициен-

том затенения

1,0=

(

– диаметр «теневого диска»,

– диаметр

апертуры).

Рис. 7.14. Амплитудное распределение поля по апертуре

7.5. МЕТОД РАСЧЕТА ППЭ В ОБЛАСТИ I

7.5.1. Основы расчета

Плотность потока энергии апертурной антенны в расчетной точке М

представим в виде двух составляющих:

облa

Π+Π=Π

∑

где

Π – апертурная составляющая ППЭ (рис. 7.15, а);

обл

Π – составляющая ППЭ, определяемая непосредственно излучени-

ем облучателя (рис. 7.15,б).

В предположении осевой симметрии характеристик направленности

облучателя и антенны составляющие ППЭ будут иметь вид:

( ) ( )

RFRBD

=Π , Вт/м

; (7.3)

Амплитудное

распределение с

учетом центрального

затенения

Теневой

диск

167

( )

облоблобл

=Π

, Вт/м

, (7.4)

где

– мощность, излучаемая антенной, Вт;

– КНД антенны в направлении максимального излучения в дальней

зоне;

(

)

– функция, учитывающая изменение КНД по мере перехода

расчетной точки из ближней зоны в дальнюю (волновую);

(

)

RF ,

– нормированная характеристика направленности антенны по

мощности;

– сферические координаты расчетной точки;

обл

– КНД облучателя в направлении его максимального излучения;

(

)

обл

– нормированная характеристика направленности облучателя

по мощности (угол

θγ

−=

180

Существенно отметить, что КНД и характеристика направленности

апертуры являются функциями расстояния R, а те же параметры облучате-

= 0,316

{

}

(

)

обл

(

)

обл

{

}

{

}

Рис. 7.15. К расчету апертурной составляющей ППЭ (а)

и составляющей ППЭ облучателя (б)

б)

а)

168

ля не зависят от R – считается, что расчетная точка по отношению к облу-

чателю всегда находится в дальней зоне.

Методика расчета характеристики направленности предполагает ис-

пользование переменных u и x. Переменная u – обобщенная угловая коор-

дината, переменная х – относительное расстояние. Они записываются в

виде:

(

)

λθπ

/sindu =

; (7.5)

гр

RRx = , (7.6)

где d – диаметр апертуры, м;

– длина волны, м;

гр

= – граничное расстояние, начиная с которого можно счи-

тать, что расчетная точка находится в дальней зоне.

С учетом введения обобщенных координат выражение (7.3) принимает

вид:

(

)

( )

xuF

=Π

, Вт/м

. (7.7)

Перевод размерности ППЭ Вт/м

в мкВт/см

осуществляется в (7.7)

умножением на 100.

Переход от абсолютных значений величины ППЭ к относительным

(децибелам относительно 1 мкВт/см

) позволяет записать последнее выра-

жение следующим образом:

+=Π

lg10

(

)

( )

3,lg20lg20lg10













+ xuF

, дБ, (7.8)

где:

(

)

– функция, учитывающая изменение КНД в зависимости от от-

носительного расстояния х;

(

)

xuF ,

– нормированная характеристика направленности в обобщен-

ных координатах u, x.

Расчетная точка всегда будет находиться вне секторов углов перехвата

энергии облучателя основным зеркалом

ψγ

≤≤

(здесь и ниже секторы

углов по

или

записаны для верхнего или нижнего полупространства

относительно оси симметрии антенны). В соответствии с концепцией ус-

редненной модели антенны в секторе углов

πγψ

≤≤

(

)

316,0=

обл

, а

(

)

1,0

обл

, и выражение (7.4) при переходе к относительным значениям

(децибелам относительно 1 мкВт/см

) сводится к виду:

10lg10

lg10

++=Π

облобл

, дБ. (7.9)

169

7.5.2. ФУНКЦИЯ B(x)/x

Аналитическое выражение функции B(x)/x для круглой апертуры с ам-

плитудным распределением типа (7.2) имеет вид:

( )

2/1

cos2

sin2

























−













−

cbb

ππ

, (7.10)

где:

;

21 cbb ++=

;

cbb +=

;

−

0 0,05 0,1 0,15 0,2

20lg[B(x)/x], дБ

Рис. 7.16. Функция 20 lg [B(x)/x]

0 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

20lg[B(x)/x], дБ

Рис. 7.17. Гарантированная огибающая для функции 20 lg [B(x)/x] (круглая апертура)

170

Расчет и исследование этой функции (рис. 7.16) показывают, что в об-

ласти

105,0

она осциллирующая, а в области

105,0

– изменяется

монотонно. Ввиду специфики задачи оценки электромагнитной обстановки

осциллирующую часть функции можно заменить огибающей ее максиму-

мов. График гарантированной огибающей функции приведен на рис. 7.17.

В области

≥

справедливо соотношение

(

)

lg20lg20 −=













7.5.3. Характеристики направленности F (u, x)

На рис. 7.18 показана круглая апертура с центральным затенением. За-

тенение моделируется отсутствием элементов Гюйгенса в центре апертуры

светлый круг. Поле в точке М является суперпозицией полей элементов

Гюйгенса

∆

, расположенных на поверхности раскрыва (апертуре).

В самом общем виде напряженность электрического поля, создаваемая

в точке М всей совокупностью элементов Гюйгенса, находящихся в апер-

туре, определяется следующей формулой:

∫∫

∆=

dsEE

, (7.11)

где

(

)

( )

jkr

sss

eSrE

−

∆

−=∆

ϕθ

sincos1

; (7.12)

684,01)(













−=

rE . (7.13)

∆

Рис. 7.18. К расчету функции F (u,x)