Расчет антенны для земной станции спутниковой системы

Министерство связи и информатизации Российской Федерации

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Хабаровский филиал

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

АНТЕННО – ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

на тему:

"Расчет антенны для земной станции спутниковой системы

связи (ЗССС)"

Выполнил: ст. гр. ХР-61

Королев И.Э.

Проверил: Микрюков М.И.

Хабаровск

2009 г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Система: схема Кассегрена. Работает в системе Земля – космический аппарат – Земля в режиме передачи. Рассчитать электрические и конструктивные параметры на центральной частоте, проверить широкополосность.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общий анализ антенн ЗССС; требования, предъявляемые к антеннам ЗССС

1.1 Общий анализ и сравнительная характеристика антенн

1.2 Требования, предъявляемые к электрическим параметрам антенн ЗССС

1.2.1 Проблема экологической чистоты земной станции

1.2.2 ДН антенны ЗС и электромагнитная совместимость

1.2.3 Нормы и рекомендации на параметры антенн ЗССС

1.2.4 Требования на огибающую ДН в системе "Intelsat"

1.2.5 Требования к параметрам антенн для ЗССС системы связи "Интерспутник"

1.2.6 Российские требования на параметры антенн для ЗС

1.2.7 Требования к параметрам антенн ЗС

2. Электрический и конструктивный расчет параметров антенны ЗССС

2.1 Расчет энергетических характеристик антенны

2.2 Расчет радиуса раскрыва большого зеркала

2.3 Расчет эксцентриситета малого зеркала гиперболы, фокусных расстояний зеркал и диаметра облучателя

2.4 Расчет профилей большого и малого зеркал

2.5 Расчет электрических характеристик, допуск на изготовление

2.6 Расчет диаграммы направленности облучателя

2.7 Расчет амплитудного распределения в раскрыве зеркала антенны

2.8 Расчет диаграммы направленности антенны

3. Охрана труда и техника безопасности

3.1 Классификация факторов, влияющих на условия труда

3.2 Меры безопасности при работе с электрооборудованием

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Космическая связь прочно заняла свое место в системах связи всего мира. Растет число спутников связи, работающих на различных космических орбитах, осваиваются новые диапазоны частот.

Системы спутниковой связи дают возможность пропустить огромный объем информации. С помощью только одного ретранслятора на ИЗС можно обеспечить передачу информации на расстоянии до 15000 км, а с помощью трех ИЗС возможна организация почти, что глобальной системы связи.

Оптимальным местом для размещения ретранслятора является геостационарная орбита, удаленная от поверхности Земли на 36000 км, так как ИЗС при этом "зависают" и практически не меняют своего местоположения относительно неподвижной точки на Земле. Одним из преимуществ такой орбиты является отсутствие у антенны ЗС системы слежения за спутником.

Для обслуживания полярных и приполярных районов применяются эллиптические орбиты, низко и среднерасположенные круговые орбиты. Антенны ЗС для таких систем связи имеют систему слежения за спутником, что в значительной степени увеличивает стоимостные показатели антенны ЗС, делает ее более сложной в обслуживании и монтаже, а также снижает надежность всей системы связи.

Система связи через ИСЗ представляет собой сложный комплекс, в состав которого входит земная станция спутниковой связи (ЗССС). Антенно-фидерное устройство является неотъемлемой частью ЗС, от параметров которого зависят выходные параметры ССС. В связи с этим возникает вопрос об определении взаимосвязи параметров антенн для ЗС с основными параметрами систем СС. Для ЗССС нашли применение осесимметричные однозеркальные антенны (ООА), неосесимметричные однозеркальные антенны (НОА), двухзеркальные антенны с разнесенной фокальной осью (схема АДЭ) и с модифицированными поверхностями зеркал, двухзеркальные осесимметричные по схемам Кассегрена и Грегори.

Трех- и более зеркальные антенны не нашли широкого применения в качестве антенн ЗССС, так как отсутствуют характерные преимущества в реализации электрических параметров по сравнению с двухзеркальными с модифицированными поверхностями зеркал.

В качестве волноводных передающих трактов в основном используются эллиптические гофрированные волноводы, обладающие определенной гибкостью, что позволяет придавать тракту наиболее целесообразную конфигурацию.

Приемные волноводные тракты, как правило, имеют малую длину и выполняются на прямоугольных волноводах, которые соединяют приемные порты комбайнера с МШУ. В данном курсовом проекте рассматриваются вопросы электрического и конструктивного расчета антенны собранной по схеме Кассегрена, требования к электрическим параметрам антенн. Также рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости антенн и расчет санитарно-защищенной зоны в соответствии с действующими уровнями СВЧ – излучения.

1. Общий анализ, сравнительная характеристика и требования предъявляемые к антеннам ЗССС

1.1 Общий анализ и сравнительная характеристика антенн

В последнее десятилетие в области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других областях широкое распространение получили двухзеркальные антенны (ДЗА).

Основными достоинствами осесимметричных ДЗА по сравнению с однозеркальными являются:

1. Улучшение электрических характеристик, в частности повышение коэффициента использования поверхности раскрыва антенны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности основного зеркала.

2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.

3. Уменьшение длины волноводных трактов между приемо-передающим устройством и облучателем, например, путем размещения приемного устройства, вблизи вершины основного зеркала.

Вместе с тем ДЗА свойственны следующие недостатки:

1. высокая степень затенения излучающего раскрыва, особенно для антенн с малым электрическим размером раскрыва, то есть характеризуемым сравнительно малым значением D/λ;

2. высокий уровень боковых лепестков по угловым направлениям, примыкающим к направлению главного излучения;

3. значительно более серьезные трудности в конструировании квазичастотно независимых облучателей антенны по сравнению с однозеркальной схемой;

4. большие физические размеры облучателя;

5. высокая стоимость.

Принцип действия ДЗА заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

 Одним из наиболее распространенных вариантов исполнения двузеркальной антенны является антенна типа Кассегрена, содержащая параболоидное основное зеркало, облучатель и вспомогательное зеркало (контррефлектор), представляющее собой часть поверхности в виде гиперболоида вращения (рисунок 1.1).

Трансформация волновых фронтов в указанной схеме такова: сферический фронт волны, излученный облучателем, после отражения от конррефлектра трансформируется вновь в сферический расходящийся фронт, виртуальный источник которого расположен на оси системы за гиперболоидным контррефлектором в точке фокуса основного рефлектора, а после второго отражения от параболоида трансформируется в плоский волновой фронт.

Рисунок 1.1 - антенна типа Кассегрена

1.2 Требования, предъявляемые к электрическим параметрам антенн ЗССС

1.2.1 Проблема экологической чистоты земной станции

Земные станции спутниковой связи излучают достаточно высокий уровень мощности. При мощности передающих устройств в 1 кВт и выше автоматически становится источниками экологического загрязнения окружающей среды. Отрицательное воздействие СВЧ – излучения будет сказываться на здоровье обслуживающего персонала ЗС, жителей близлежайших населенных пунктов и других лиц, попавших в зону недопустимо больших уровней излучения. Существующие нормы на допустимые уровни излучения изложены в санитарных нормах и правилах СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 Госкомсанэпиднадзор России, Москва 1966.

Эти нормы учитывают как продолжительность вредного воздействия, так и его численную характеристику, определенную через плотность потока мощности (вектор Пойтинга П (ВТ/м²)). Предельно допустимое значение плотности потока энергии должно быть не более 200 мкВт час/см². Плотность потока энергии есть плотность потока мощности (вектор Пойтинга) умноженный на продолжительность воздействия в часах. По нормам предельно-допустимый уровень (ПДУ) плотности потока мощности при длительности воздействия 8 часов и более равен 25 мкВт/см², тогда плотность потока энергии будет 25*8=200 мкВт/см²; при кратковременных воздействиях (0,2 часа и менее) плотность потока мощности должна быть не более 1000 мкВт/см². Время пребывания для различных уровней плотности потока мощности рассчитывают исходя из ПДУ энергетического воздействия равного 200 мкВт час/см². Антенна ЗС ориентирована под некоторым углом в угломестной плоскости, поэтому с точки зрения экологической чистоты представляет интерес только сверхближняя зона излучения, которая ограничивает местоположение станции окружностью, радиусом в несколько единиц или десятков диаметров раскрыва антенны.

Распределение электромагнитного поля в ближайшей зоне антенны определяет границы санитарно – защитной зоны.

Существует два подхода к решению задачи о нахождении распределения поля в ближайшей зоне:

- первый подход заключается в определении этой характеристики для каждой конкретной антенны, используются результаты электрического расчета и эксперимента в ближней зоне;

- второй подход – это нахождение общей закономерности в характеристиках поля в ближней зоне.

1.2.2 ДН антенны ЗС и электромагнитная совместимость

Системы спутниковой связи появились позднее наземных систем связи, однако частотные диапазоны, выделенные для них, совпадают с диапазонами других служб и в частности с радиорелейными системами связи. Поэтому возникли проблемы нежелательного воздействия обеих систем связи, причем эти воздействия взаимные.

Основные схемы взаимного влияния следующие:

- антенны РРЛ, работающие в режиме передачи, напрямую воздействуют на антенны ЗС, работающие в режиме приема;

- ЗС, работающие на передачу напрямую воздействуют на приемные антенны РРЛ.

Взаимные нежелательные воздействия различных систем связи происходят за счет боковых и задних лепестков ДН антенн. Чем меньше уровень лепестков, тем меньше взаимное влияние. Поэтому уровень боковых лепестков должен быть не выше определенного, который задается требованиями на огибающую боковых лепестков. Для различных систем связи эти требования отличаются незначительно. Успешное решение проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) невозможно осуществить без некоторого ухудшения других параметров антенны ЗС. При разработке антенн ЗС необходимо принимать такие решения, которые менее всего ухудшают параметры антенны ЗС.

1.2.3 Нормы и рекомендации на параметры антенн ЗССС

В настоящее время имеется значительное число международных и национальных организаций, использующих спутниковые системы связи.

Наиболее значительное международные организации:

- Intelsat – это международный консорциум спутниковой связи, в состав которой входят более 130 государств. Через ИЗС системы Intelsat, размещенные группами над Атлантическим, Тихим, Индийским океанами, осуществляется около 2/3 международного телефонного трафика и практически весь TV обмен;

- Интерспутник – входит более 20 государств. В этой системе используются Российские спутники типа "Горизонт" (зарегистрирован в международном совете электросвязи МСЭ) под индексом "Стационар" для частного диапазона 6/4 ГГц);

- Eutelsat- входит более 40 государств.

Национальные организации имеются в США, Германии и др.

Нормы и рекомендации на ДН во всех организациях практически совпадают, которые в конечном итоге выливаются в требования на огибающую ДН, на кроссполяризационную развязку и др.

1.2.4 Требования на огибающую ДН в системе "Intelsat"

Согласно п. 1.2 IESS усиление антенн по боковым направлениям лимитируется системой формул:

G(q)=29-25lgq (дБи), при 1⁰0

G(q)= -3,5 (дБи), при 20⁰0

G(q)= 32-25lgq (дБи), при 26,3⁰0

G(q)= -10 (дБи), при q>48⁰

При этом:

- допускается превышение указанного уровня до 10% пиков, как по основной, так и по кроссполяризационной ДН;

- при D/l>100 вместо q =1°, следует подставить угол q_min=((100l)/D)°, где D-диаметр антенны;

- требования одинаковы для режимов передачи и приема.

1.2.5 Требования к параметрам антенн для ЗССС системы связи "Интерспутник"

Требования регламентированы документом, для систем связи осуществляющих работу в диапазоне 6/4 ГГц (документ РСИ-302, "Регламент системы "Интерспутник"). В этом документе приведены основные требования к характеристикам антенн и высокочастотной части ЗС, предназначенных для работы через спутники типа "Горизонт", "Экспресс", LMI-1.

В регламенте "Интерспутник" приводится классификация ЗС (таблица 1.1).

Таблица 1.1