РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2017, том 4, выпуск 1, c. 40–45
РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
УДК 621.396.67
Построение облучателеймногодиапазонных
зеркальных антенн систем спутниковойсвязи
Д. Д.Габриэльян1,В.И.Демченко2, А.Е.Коровкин3,
Д. Я.Раздоркин4,Ю.А.Гвоздяков5,Ю.И.Полтавец6
1д. т. н., профессор, 2,5,6к. т. н.
1–4ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи»
5,6АО «Российские космические системы»
e-mail: rniirs@rniirs.ru
Аннотация. Цель настоящей статьи — обоснование подхода к оптимизации параметров облучателей МЗАна основе гофрированного
рупора для различных сочетаний совмещаемых диапазонов и их практическая реализация.
Рассмотрены вопросы построения облучающих систем на основе гофрированных рупоров для многодиапазонных приемопередающих
зеркальных антенн систем спутниковой связи. Проведенный анализ взаимосвязи показателей эффективности
системы спутниковой связи с энергетическими характеристиками радиоканала позволил обосновать показатель эффективности
многодиапазонной зеркальной антенны наземного пункта приема информации и облучателей, входящих в ее состав. Показатель
эффективности МЗАпредставлен в виде мультипликативной функции, учитывающей в каждом из совмещаемых диапазонов
частот шумовую добротность антенны и два сомножителя, определяющих снижение эффективной шумовой добротности из-за
эффектов деполяризации принимаемых сигналов и неточности наведения антенны при автосопровождении КА.
Использование гофрированного рупора в качестве облучателейМЗА, обеспечивающего возбуждение основной H11 ивысшей
моды H21, позволяет создавать облучатели многодиапазонных зеркальных антенн с различными функциональными возможностями,
в частности с режимами программного наведения и автосопровождения на основе экстремального и моноимпульсного методов.
Рассмотрены особенности построения облучателей для систем связи со спутниками на различных типах орбит.
Ключевые слова: многодиапазонная зеркальная антенна, гофрированный рупор, показатели эффективности многодиапазонной
зеркальной антенны
Building of Exciters of Multiband Mirror Antennas
for Satellite Communication Systems
D.D.Gabriel’yan1, V. I.Demchenko2, A.E.Korovkin3,
D.Ya.Razdorkin4, Yu. A.Gvozdyakov5, Yu. I.Poltavets6
1doctor of engineering science, professor, 2,5,6 candidate of engineering science
1–4Federal state unitary enterprise “Rostov-on-Don Research Institute of Radio Communications”
5,6Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: rniirs@rniirs.ru
Abstract. The objective of the paper is to justify the approach to optimization of the parameters of the corrugated horn based
exciters of multiband mirror antennas for different combinations of the overlapping bands and their realization in practice.
The issues of building the feed systems based on the corrugated horns for multiband transceiving mirror antennas of satellite
communication systems are studied. The conducted interrelation analysis of performance indicators of the satellite communication
system with energy characteristics of the radio channel enabled one to justify the performance indicator of the multiband mirror
antenna of the receiving ground station and its exciters. The performance indicator of the multiband mirror antenna is in the
form of a multiplicative function taking account of the antenna noise Q-factor in each of the overlapping bands, and two cofactors
determining the decrease in the effective noise Q-factor due to depolarization effects of the received signals and inaccuracy
in antenna pointing during autotracking of SC.
Employing a corrugated horn as exciters of multiband mirror antennas exciting the main H11 mode and the highest H21 mode
permits one to create exciters for multiband mirror antennas with different functional capabilities, in particular with the modes
of programmable guidance and autotracking based on the extreme and monopulse methods. The considerations of designing the
exciters for communication systems with satellites in various types of orbits are studied.
Keywords: multiband mirror antenna, corrugated horn, performance indicators of multiband mirror antenna
Стр.1
ПОСТРОЕНИЕ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН
Существующие в настоящее время тенденции
увеличения объемов передаваемой по спутниковым
каналам связи информации обусловливают необходимость
использования все более высокочастотных
диапазонов в системах спутниковой связи (ССС).
Однако и ранее освоенные в системах спутниковой
связи диапазоны остаются полностью загруженными.
Использование в указанных условиях в наземном
сегменте ССС однодиапазонных зеркальных
антенн приводит к увеличению количества последних
в составе комплексов приема информации
и, как следствие, к увеличению стоимости
комплексов при вводе и последующей эксплуатации.
Наиболее целесообразно в указанных условиях
построение многодиапазонных зеркальных антенн
(МЗА), обеспечивающих прием в нескольких
диапазонах частот сигналов требуемых поляризаций.
Параметры
движения космических аппаратов
(КА) в составе ССС на геостационарных, высокоэллиптических
и низких круговых орбитах известны.
В то же время высокая угловая скорость движения
КАи возникающие под действием различных
факторов отклонения параметров орбиты, в первую
очередь для КАна низких круговых орбитах, не
позволяют использовать простые методы сопровождения
(метод экстремального наведения) для сохранения
устойчивости радиолинии, что требует
применения в антенных системах режима автосопровождения
повышенной точности (моноимпульсного
метода). Таким образом, построение МЗАсистем
спутниковой связи сопряжено с использованием
моноимпульсного режима автосопровождения
водном илинескольких диапазонахчастот. Втаких
МЗАоблучатель должен обеспечивать формирование
суммарной и разностной ДН, позволяющих
добиться наибольшего отношения сигнал/шум
(ОСШ) на выходе антенны с учетом точности наведения
антенны на КА.
Целью настоящей статьи является обоснование
подхода к оптимизации параметров облучателей
МЗАна основе гофрированного рупора
для различных сочетаний совмещаемых диапазонов
и их практическая реализация.
В статье решаются следующие задачи:
1. Обоснование критерия эффективности облучателя
МЗАССС.
41
2. Реализация облучателей МЗАна основе
гофрированных рупоров.
3. Выбор оптимальных параметров облучателей
МЗАв виде гофрированного рупора при различных
сочетаниях совмещаемых диапазонов частот.
Критерийэффективности
облучателя МЗА ССС
Рассмотрим зеркальную антенну с диаметром
рефлектора D0, обеспечивающую прием сигналов
заданных поляризаций в J диапазонах частот.
Выбор показателя эффективности МЗАнапрямую
связан с показателем эффективности ССС, в качестве
которого для современных ССС с цифровыми
сигналами, например с манипуляцией вида
M-QAM, M-QPSK, M-APSK (M — число элементов
пространства сигналов при цифровой манипуляции),
может быть выбрана вероятность битовой
ошибки pb(Qj,i), напрямую связанная с отношением
сигнал/шум на выходе антенной системы [1].
Для ССС представим показатель эффективности
в виде
Э =
j=1
J
i=1
4
pb(Qj,i),(1)
где j — номер частотного диапазона, а i —номер
поляризации принимаемого сигнала.
При записи соотношения учтена независимость
событий правильного приема сигналов различных
поляризаций в J диапазонах частот. С учетом
монотонной зависимости pb(Qj,i) перейдем
от выражения (1) к мультипликативной функции
взвешенных значений ОСШ на выходе антенны для
сигналов заданных поляризаций в требуемых диапазонах
частот:
Э =
j=1
J
i=1
4
Qmj
j,i,(2)
где mj,i — весовой коэффициент, учитывающий
различные значения ОСШ в зависимости от требуемой
вероятности битовой ошибки, вида используемой
модуляции и энергетические параметры радиоканала
j-го диапазона частот.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.2
42
Д. Д.ГАБРИЭЛЬЯН, В.И.ДЕМЧЕНКО, А.Е.КОРОВКИН, Д. Я.РАЗДОРКИН И ДР.
Для определения взаимосвязи ОСШ с параметрами
облучателя используем уравнение радиосвязи,
которое позволяет определить ОСШ при
приеме сигнала i-й поляризации j-го диапазона частот
следующим образом:
Qj,i = Bj,iH(0)
j,i F1(σ2
j,i)F2(Kj,i),(3)
где Bj,i — коэффициент, учитывающий мощность
передатчика, КУ передающей антенны, параметры
трассы распространения для сигналов i-й поляризации
в j-м диапазоне частот; H(0)
j,i —шумовая
добротность МЗАдля сигналов i-й поляризации
в j-м диапазоне частот; F1(σ2
тывающий среднее снижение ОСШ из-за неточности
наведения антенны; σ2
поляризации сигнала на трассе распространения
и в тракте МЗАи определяемый коэффициентом
поляризационной развязки Kj,i (КПР).
Для гофрированного рупора последний сомножитель
можно считать равным единице, что позволяет
исключить его из рассмотрения показателя
эффективности облучателя. Таким образом, показатель
эффективности облучателя на основе круглого
гофрированного волновода может быть представлен
следующим образом:
Э =
j=1
J
i=1
4
H(0)
j,i F1(σ2
j,i)mj
.
(4)
Как следует из соотношения (4), ОСШ на выходе
антенны пропорционально шумовой добротности
МЗА. В то же время сомножитель F1(σ2
лее сложным образом связан с параметрами облучателя.
Так, средняя мощность принимаемого сигнала
с учетом неточности наведения антенны можно
представить выражением:
j,i) боF1(σ2
j,i)=
4kσ2
j,i +1−0,5
Φ(18kσ2
= 2H(0)
j,i +4,5),(5)
где k = 2 ln 2 — коэффициент, используемый
для представления суммарной ДН [2]; σ2
−1
j,i · µj,i
; µj,i —крутизнапеленгационной
характеристики; Φ[•] — интеграл вероятностей.
j,i =
j,i) — множитель, учиj,i
— дисперсия ошибки
наведения антенны на КА; F2(Kj,i) — множитель,
учитывающий снижение ОСШ из-за эффектов дегде
F(j,i)
Сигнал на выходе системы автосопровождения
при отклонении КАот равносигнального направления
в одной из плоскостей при формировании
парциальных ДН с использованием мод H11 и H21
многомодового рупора для сигналов соответствующих
поляризации и частотного диапазона определяется
следующим выражением:
ν = 20 lg
F(j,i)
F(j,i)
Σ +pj,i · F(j,i)
Σ −pj,i · F(j,i)
формируемые в соответствующей плоскости для
сигналов i-й поляризации в j-м диапазоне частот;
Σ , F(j,i)
∆ — суммарная и разностная ДН,
pj,i — коэффициент усиления в тракте формирования
разностной ДН, определяемый из условия
пересечения парциальных ДН по уровню −3дБ;
n(j,i)
в суммарном и разностном каналах соответственно.
Ξ и n(j,i)
Реализация облучателейМЗА
на основе гофрированных рупоров
Построение гофрированного рупора обеспечивается
использованием вставок с одно-, двухи
трехступенчатыми канавками, показанными на
рис. 1 [3].
В статье рассматриваются двух-, трех- и четырехдиапазонный
рупоры, применяемые в составе
МЗАССС. В частности, основное внимание уделяется
построению многодиапазонных гофрированных
рупоров с совмещением различных частотных диапазонов:
а — C/Ku-диапазонов, б — X/Ku-диапазонов
(с возбуждением моды H21), в — C/X/Ku-диапазонов,
г — C/X/Ku/Ka-диапазонов. Особенностью
разработанных облучателей является то,
что требуется только небольшое изменение их
параметров при установке в МЗАс различным
диаметром основного зеркала. При этом
необходимо изменить длину рупора, модового
трансформатора и параметры вставок с канавками.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
∆ +n(j,i)
∆ +n(j,i)
Ξ +pj,i · n(j,i)
Ξ +pj,i · n(j,i)
∆
∆
(6)
,
∆ — шумовая составляющая сигналов
Стр.3
ПОСТРОЕНИЕ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН
43
Рис. 1. Гофрированный рупор: а) общая структура рупора; б, в, г)вставки с одно-,двух- итрехступенчатыми
канавками соответственно
Оптимизация параметров
облучателейМЗА в виде
гофрированного рупора
при различных сочетаниях
совмещаемых диапазонов частот
В случае пренебрежимо малого уровня шумов
и малого уровня высших мод по отношению к моде
H21 соответствующего диапазона на выходе облучателя
выбор требуемого значения коэффициента
pj,i может быть проведен при любом соотношении
максимумов F(j,i)
чае конечного значения ОСШ в каналах формирования
суммарной и разностной ДН возбуждение
Σ и F(j,i)
∆ .Однаков слумоды
H21 малой амплитуды связано с увеличением
амплитуды pj,i и соответственно с увеличением
шумовой составляющей в парциальных ДН. Таким
образом, выбор параметров гофрированного рупора
определяется из условия достижения максимума
показателя Э при заданном диаметре зеркала,
уровне облучения края рефлектора (контррефлектора),
соотношении амплитуд мод H11 и H21 вкаждом
из диапазонов частот для сигналов требуемых
поляризаций.
Выбор параметров рупора в первом случае
(рупоры а, в и г) направлен на обеспечение максимальной
амплитуды моды H11. Во втором случае
(рупор на рис. 1, б) выбор параметров обеспечивает
максимально возможные уровни двух мод H11, H21
и соотношение между ними для пересечения парциальных
ДН по уровню, близком к −3дБ.
Результаты исследований характеристик созданных
рупоров приведены на рис. 2. На указанных
рисунках показаны частотные зависимости
КСВН в каждом из совмещаемых диапазонов:
а — сплошной и штриховой линиями для
C-и Ku-диапазонов соответственно;
б — сплошной и штриховой линиями для моды
H11, X-и Ku-диапазонов соответственно;
в — штрихпунктирной и точечной линиями
для моды H21, X-и Ku-диапазонов соответственно;
г — сплошной, штриховой, штрихпунктирной
и точечной линиями для C-, X-, Ku-и Ka-диапазонов
соответственно.
Приведенные зависимости показывают, что варьирование
параметров облучателя, в частности
угла раскрыва и длины рупора, числа вставок
и параметров канавок во вставках, обеспечивает
как эффективное возбуждение только моды H11
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.4
44
Д. Д.ГАБРИЭЛЬЯН, В.И.ДЕМЧЕНКО, А.Е.КОРОВКИН, Д. Я.РАЗДОРКИН И ДР.
Рис. 2. Частотные зависимости КСВН многодиапазонных гофрированных рупоров с совмещением различных частотных
диапазонов: а — C/Ku-диапазонов, б — X/Ku-диапазонов (с возбуждением моды H21), в — C/X/Kuдиапазонов,
г — C/X/Ku/Ka-диапазонов
для облучателей МЗАбез автосопровождения КА,
так и возбуждение мод H11 и H21 для облучателей
МЗАс автосопровождением. Возможность управления
данными параметрами определяет возможность
достижения высокой эффективности МЗА.
Выводы
1. Проведенный анализ взаимосвязи показателей
эффективности системы спутниковой связи
с энергетическими характеристиками радиоканала
позволил обосновать показатель эффективности
многодиапазонной зеркальной антенны наземного
пункта приема информации и облучателей, входящих
в ее состав. Показатель эффективности МЗА
представлен в виде мультипликативной функции,
учитывающей в каждом из совмещаемых диапазонов
частот шумовую добротность антенны и два
сомножителя, определяющих снижение эффективной
шумовой добротности из-за эффектов деполяризации
принимаемых сигналов и неточности наведения
антенны при автосопровождении КА.
Последующая декомпозиция указанного показателя
эффективности показала, что в качестве показателя
эффективности облучателя МЗАнеобходимо
использовать только уровень сигналов, формируемых
в основном канале для антенн с автосопровождением
на основе экстремального метода
и в суммарном и разностном каналах для антенн
с автосопровождением на основе моноимпульсного
метода. В частности, для облучателя в виде
многомодового гофрированного рупора показатель
эффективности определяется как амплитуда
возбуждения моды H11 для антенны с автосопровождением
на основе экстремального метода или
амплитуд мод H11 и H21 для антенны с автосопровождением
на основе моноимпульсного метода.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.5
ПОСТРОЕНИЕ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ МНОГОДИАПАЗОННЫХ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН
При этом критерием эффективности в первом случае
является обеспечение максимума амплитуды
моды H11, во втором случае — достижение максимума
амплитуды моды H11 при условии соотношения
амплитуд мод H11 и H21, обеспечивающих
формирование парциальных ДН, пересекающихся
на уровне −3дБ.
2. Использование гофрированного рупора в качестве
облучателей МЗА, обеспечивающего возбуждение
основной H11 ивысшей H21 мод позволяет
создавать облучатели многодиапазонных зеркальных
антенн с различными функциональными
возможностями, в частности с режимами программного
наведения и автосопровождения на основе
экстремального и моноимпульсного методов.
3. Наличие большого числа варьируемых параметров
облучателя, в частности угла раскрыва
и длины рупора, числа вставок и параметров
канавок во вставках позволяет обеспечить низкий
уровень КСВН в требуемых полосах частот
при различных сочетаниях совмещаемых диапазонов,
что дает возможность максимизировать шумовую
добротность МЗАв каждом диапазоне частот.
Список литературы
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы
и практическое применение.М.: ИД «Вильямс», 2007.
2. Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design.
3rd ed. Hoboken, New Jersey: John Willey & Sons,
2005. 1136 p.
3. Коровкин А.Е., Раздоркин Д.Я., Шипулин А.В.
Многодиапазонные облучатели зеркальных антенн
на основе конических гофрированных рупоров //
Антенны, 2012, вып. 9(184). С. 19–23.
4. Фельдштейн А.Л., Ярвич Л.Р., Смирнов В.П.
Справочник по элементам волноводной техники.
М.: Сов. радио, 1967.
45
При этом облучатель обеспечивает как высокую
точность автосопровождения КА, так и высокий
уровень поляризационной развязки, при которых
практически не происходит снижение шумовой
добротности МЗА. В совокупности выбор
значений параметров гофрированного рупора позволяет
максимизировать показатель эффективности
МЗА.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.6