Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи (3300,00 руб.)

Стр.2

Стр.453

Стр.454

Стр.455

Стр.456

УДК 621.396.67 ББК 32.845 С61 Сомов А. М. С61 Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи. Учебное пособие для вузов. − М.: Горячая линия – Телеком, 2021. – 456 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0416-3. Изложены принципы организации систем спутниковой связи и распространения радиоволн в этих системах. Приведены обширные сведения об антеннах земных и бортовых станций, методах расчёта их основных параметров. Рассмотрены используемые на практике распределение полос частот между службами и принципы организации зон территориального обслуживания спутниками связи. Особое внимание уделено особенностям конструкции и расчёту основных электрических параметров антенн, применяемых в спутниковых системах связи. Приведены алгоритмы расчёта некоторых энергетических соотношений на спутниковых линиях связи, а также основных параметров антенн. Реализованные на их основе программы расчета антенн и линий связи доступны для скачивания на сайте издательства. Для студентов и слушателей, обучающихся по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», а также аспирантов и адъюнктов соответствующего профиля, будет полезна студентам инфокоммуникационных и радиотехнических специальностей, специалистам в области спутниковой связи. Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU Учебное издание Сомов Анатолий Михайлович Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи Учебное пособие Тиражирование книги начато в 2015 г. Все права защищены. Любая часть этого издания не может быть воспроизведена © ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» www.techbook.ru © А.М. Сомов в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя

Стр.2

Оглавление Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Принципы построения системы спутниковой связи . . . . . . . 1.1. Виды орбит. Основные определения. Состав и назначение систем спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 5 1.2. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3. Общие вопросы структурно-функционального построения системы спутниковой связи и её составных частей . . . . . . . . 16 1.4. Основные параметры систем спутниковой связи . . . . . . . . . . 18 1.5. Состав земных и космических станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.6. Энергетика спутниковых линий связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7. Диапазоны частот, выделенные для спутниковой связи и вещания и регулирование их использования. . . . . . . . . . . . . . . 51 Вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2. Распространение радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.1. Уравнения Максвелла и волновые уравнения электромагнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2. Распространение радиоволн в однородной среде без потерь 62 2.3. Решение волнового уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4. Область, существенная для распространения . . . . . . . . . . . . . 70 2.5. Зоны Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3. Отражение радиоволн от плоской земной поверхности. . . 77 3.1. Метод зеркальных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2. Зоны Френеля при отражении от почвы. Часть поверхности, наиболее существенная при отражении . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3. Коэффициенты отражения и преломления плоских волн . 84 3.4. Отражение от хаотически распределённых неровностей почвы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.5. Коэффициенты отражения Френеля для сферической волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4. Поле излучателей, поднятых над земной поверхностью . 100 4.1. Множитель интерференции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2. Множитель интерференции вертикального диполя . . . . . . . 106 4.3. Множитель интерференции горизонтального диполя . . . . . 108 4.4. Квадратичная формула Введенского . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.5. Шероховатая земная поверхность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.6. Расстояние прямой видимости до горизонта и приведённые высоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Стр.453

454 Оглавление 4.7. Условия применимости отражательной концепции . . . . . . . . 115 Вопросы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5. Источники помех в виде теплового излучения окружающего пространства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1. Характеристики излучения шума. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.2. Базовые формулы для расчета интенсивности теплового излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.3. Различие подходов при разработке методов расчета шумовых параметров радиотелескопов и антенн спутниковых систем связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.4. Температура шума приёмной антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.5. Зоны земной поверхности, оказывающие существенное влияние на приём шумов зеркальными антеннами . . . . . . . . 127 5.6. Выбор места дислокации антенн земных станций спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7. Шумовые параметры согласованного фидера . . . . . . . . . . . . . 142 5.8. Шумовая температура несогласованного фидера . . . . . . . . . . 144 5.9. Шумовая температура собственного теплового излучения антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.10. Тепловое радиоизлучение космических тел . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Вопросы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6. Влияние окружающей среды на шумовую температуру антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1. Яркостная шумовая температура окружающей среды. . . . . 149 6.2. Учет воздействия шумов окружающей среды на шумовую температуру антенны. Действующая шумовая температура среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.3. Возможность упрощения расчета теплового излучения среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.4. Шумовая температура для «неровной диффузной» почвы 167 Вопросы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 7. Особенности расчёта направленных свойств антенны . . . . 170 7.1. Краткие сведения о зеркальных антеннах.Основные параметры антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.2. Методы расчета направленных свойств зеркальных антенн 175 7.3. Уточнение методов расчета зеркальных антенн . . . . . . . . . . . 185 7.4. Учет дифракционных эффектов на кромках зеркал антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.5. Особенности расчета направленных свойств антенн с коническим раскрывом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.6. Облучатели зеркальных антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.7. Особенности построения волноводных трактов фазированных антенных решёток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 7.8. Опорно-поворотные устройства антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Стр.454

Оглавление 455 Вопросы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 8. Направленные свойства антенны и её шумовая температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.1. Шумовая температура антенн с осесимметричной диаграммой направленности. Метод фрагментации окружающего пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.2. Шумовая температура антенн при различии диаграмм направленности в ортогональных наклонных плоскостях. . . . 221 8.3. Шумовая температура приемных антенн СВЧ, расположенных над водной поверхностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 8.4. Расчет шумовой температуры антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.5. Предельные значения шумовой температуры и шумовой добротности земных станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Вопросы к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9. Расчёт шумовой температуры антенн на основе действующей шумовой температуры окружающей среды и коэффициентов передачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.1. Вывод общих соотношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.2. Влияние апертурной диаграммы направленности на шумовую температуру антенн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.3. Влияние коэффициентов передачи на шумовую температуру антенны с осесимметричной диаграммой направленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.4. Учет влияния на ШТ антенны дополнительных факторов 264 9.5. Результаты расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Вопросы к главе 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 10. Оптимизация шумовой добротности земных станций спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.1. Основные параметры, влияющие на шумовую добротность 271 10.2. Оптимизация шумовой добротности земной станции с однозеркальной антенной, размещаемой в свободном пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.3. Оптимизация шумовой добротности земной станции с двухзеркальной антенной. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 Вопросы к главе 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 11. Увеличение эффективности антенн земных станций спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11.1. Возможности увеличения шумовой добротности земных станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11.2. Применение экранов и лучеводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.3. Особенности конструкции антенн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.4. Расчет рабочей поверхности зеркал модифицированной формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 11.5. Особенности конструкции облучателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

Стр.455

456 Оглавление 11.6. Экраны для уменьшения тепловых шумов . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Вопросы к главе 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 12. Многолучевые антенны земных станций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 12.1. Необходимость применения многолучевых антенн в спутниковой связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 12.2. Тороидальные многолучевые антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 12.3. Однозеркальные многолучевые антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12.4. Двухзеркальные и многозеркальные МЛА . . . . . . . . . . . . . . . . 337 12.5. Двухзеркальные МЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 12.6. Диаграммы направленности антенны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 12.7. Основные энергетические параметры антенны . . . . . . . . . . . . 345 12.8. Шумовая температура и шумовая добротность. . . . . . . . . . . . 346 12.9. Крупногабаритные многолучевые антенны с парциальными контррефлекторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 12.10. Многолучевых антенны с общим контррефлектором . . . . . . 360 12.11. Многолучевая зеркальная антенна для работы со спутниками на краю видимого сектора ГСО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 12.12. Двухзеркальная ненаклонная МЛА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Вопросы к главе 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 13. Многолучевые бортовые гибридные зеркальные антенны 376 13.1. Многостанционный доступ частотного, пространственного и поляризационного разделения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 13.2. Бортовые гибридные зеркальные антенны для спутниковых систем связи с сотовой конфигурацией зон обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 13.3. Расчёт зон покрытия земной поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . 390 13.4. Описание программы SatAR для расчёта зон обслуживания бортовой гибридной антенной спутника связи . . . . . . . . 398 Вопросы к главе 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 14. Антенны земных станций спутниковой связи. . . . . . . . . . . . . . 431 14.1. Основные типы антенн земных станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 14.2. Элементы волноводного тракта земных станций . . . . . . . . . . 435 14.3. Малошумящие усилители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 14.4. Результаты измерений основных параметров антенн земных станций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 14.5. Бортовые антенны КА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 Вопросы к главе 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Список используемых сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

Стр.456