Фидерный тракт: Фидерные тракты станций радиорелейной и спутниковой связи — Студопедия

Фидерные тракты станций радиорелейной и спутниковой связи — Студопедия

Для передачи электромагнитной энергии от передатчика к ан­тенне и от антенны к приемнику используются фидеры: коаксиальные линии (в дециметровом диапазоне), волноводные линии и лучеводы (в сан­тиметровом диапазоне). В некоторых случаях (для питания антенны тропосферных станций) даже в дециметровом диапазоне волн с целью снижения потерь используются волно­водные линии.

Фидерные тракты радиорелейных линий и систем спутнико­вой связи должны обеспечивать хорошее согласование тракта с вход­ными сопротивлениями антенны, передатчиков и приемников. Отдель­ные элементы тракта также должны быть согласованы друг с другом. Допустимая величина коэффициента отражения от антенны и элемен­тов волноводного тракта для многоканальных систем составляет 2…3%. Коэффициент отражения от стыков элементов трак­та не должен превышать 0,1%. Коэффициент полезного действия антенно-волноводного тракта должен быть достаточно высоким. Потери в стенках волноводов приводят к ослаблению передаваемых и прини­маемых сигналов, вследствие чего возрастает влияние собственных флуктуационных шумов приемной аппаратуры. В тракте с малым за­туханием увеличение потерь на 1 дБ эквивалентно увеличению шумо­вой температуры тракта Т

тр на 70 К. Поэтому стремятся сократить длину волноводов (или применяют лучеводы).

Для предотвращения просачивания энергии из тракта должна быть обеспечена электрогерметичность фланцевых соединений. Про­сачивание электромагнитной энергии приводит к дополнительным по­терям и искажению ДН антенны. При большой мощности передатчи­ков даже в случае незначительного просачивания энергии вблизи трак­та может возникнуть недопустимо высокая напряженность поля, что опасно для обслуживающего персонала.

Тракт питания должен обладать необходимой электрической прочностью. Если приемопередающая антенна работает на передачу с одной поляризацией поля, а на прием — с другой, то для ее питания часто используют два прямоугольных волновода. Размеры поперечно­го сечения прямоугольного волновода выбирают из условия существо­вания основной волны и отсутствия волн высших типов.

На РРЛ, работающих в сантиметровом диапазоне волн, а также в трактах питания земных станций спутниковой связи используются фидерные тракты, выполненные из круглых и эллиптических волно­водов. Достоинством фидерного тракта из круглых волноводов явля­ется возможность одновременной передачи и приема на волнах с ор­тогональной поляризацией поля по одному фидеру. Для этого исполь­зуется основной тип волны Н₁₁ (рисунок 4, а).

Волноводный тракт собирается из медных или биметалличес­ких труб (стальная труба с внутренним медным покрытием). Для ос­лабления затухания в тракте увеличивают диаметр поперечного сече­ния волновода. При этом, например, в широко используемом волноводе диаметром 70 мм на частотах, превышающих 4 ГГц, наряду с основным типом волны Н

11 (λ_кр = 3,41а, где а — радиус волновода) возможно распространение волны высшего типа вида Е₀₁(λ_кр = 2,61а, рисунок 4, б) и других более высоких типов волн. Другими словами, волновод работает в многоволновом режиме. При этом ужесточаются требования к однородности волноводов, так как в местах ее наруше­ния происходят преобразование основного типа волны в волны выс­ших типов и обратное преобразование волн высших типов в основной тип волны, что приводит к искажению передаваемых по тракту сигна­лов. Биметаллические волноводы обладают большей однородностью и меньшим коэффициентом отражения от стыков волноводных сек­ций, чем медные. Затухание элек­тромагнитной энергии в круглом волноводе зависит от его диа­метра и рабочей частоты. Например, затухание в волноводе диаметром 70 мм в диапазоне 4…8 ГГц не превышает 0,02 дБ/м.

Наряду с жесткими волноводными линиями в качестве самосто­ятельных фидеров или вставок для соединения отдельных частей фи­дерных трактов с высокочастотной аппаратурой широко используют­ся гибкие гофрированные волноводы эллиптического сечения. Геомет­рические размеры поперечного сечения эллиптического волновода выбираются так, чтобы обеспечить существование в волноводе элект­ромагнитной волны только основного типа, обозначаемого Н

с11 (рисунок 4, в). Коэффициенты ослабления в этих волноводах весь­ма близки соответствующим им значениям для стандартных волново­дов прямоугольного сечения.

Рисунок 4. Типы волн волновода

Применение гибких гофрированных эллиптических волноводов позволяет создавать длинные фидерные тракты без промежуточных секций. Эллиптическая форма поперечного сечения дает возможность сохранять положение плоскости поляризации поля в волноводе по от­ношению к сечению независимо от трассировки тракта. Эти волново­ды выпускаются в виде отрезков длиной 100 м и более. Они выпуска­ются для диапазонов 2, 4, 6, 8 и 11 ГГц и отличаются друг от друга геометрическими размерами и затуханием. Например, волновод для диапазона 4 ГГц (ЭВГ-2) имеет в поперечном сечении эллипс с большой и малой осями 71,4 и 42,3 мм соответственно и обладает затуханием 0,04 дБ/м. Изготовляются ЭВГ требуемой длины без промежуточных фланцевых соединений. Это повышает их герметичность, улучшает согласование и облегчает транспор­тировку и монтаж (выпускаются намотанными на барабан). Не­достатком ЭВГ являются относительно большие значения коэф­фициентов отражения.

Волноводы прямоугольного сечения широко при­менялись до появления ЭВГ. В таких волноводах используется основной тип волны Н₁₀. Чтобы исключить возможность возникно­вениявысшего типа волн, размеры поперечного сечения волново­да (широкая стенка аи узкая b)выбираются из условий λ≤1,9а и b < λ/2.Например, нашлиприменение волноводы с сечениями 58х25 и 72х34 мм² для диапазона 4 ГГц; 40х20 и 48х24 мм

2 для диапазонов 6 ГГц. В тропосферных линиях передачи и неко­торых спутниковых системах («Молния-1»), работающих в диа­пазоне 800…1000 МГц, используются волноводы сечением I35х 270 мм². Затухание в волноводах зависит от их размеров и рабочей частоты и составляет 0,025…0,06 дБ/м.

Коаксиальные фидеры применяются в диапазоне де­циметровых волн. Передача осуществляется на волне ТЕ. Типо­вым для диапазона 2 ГГц является кабель РК-75-24-32 с затуха­нием не более 0,08 дБ/м.

Схемы антенно-фидерных трактов зависят от рабочего диапа­зона частот и используемой поляризации волн, числа стволов, типа применяемых антенн и высоты их установки, используемых фидерных линий.

При больших высотах подвеса антенн АФТ обычно выполняет­ся с использованием волновода круглого сечения диаметром 70 мм на вертикальном участке и двух гибких эллиптических волново­дов на горизонтальном. В отдельных случаях при малых высотах подвеса антенн или размещении аппаратуры в кабине, располо­женной на антенной опоре, можно использовать фидерный тракт из гибкого эллиптического волновода. В частном случае, когда прием и передача осуществляются на волнах одной поляризации, на вертикальном участке вместо волновода круглого сечения при­меняется гибкий эллиптический волновод. Можно также исполь­зовать перископическую систему, исключающую вертикальный волновод.

Рисунок 5. Фидерный тракт РРЛ на базе волноводов крутого сечения

Фидерный тракт РРЛ на базе волноводов крутого сечения (рисунок 5) состоит из антенны 1, перехода с плавно меняющимся сечением от квадратного рупора к крутому сечению волновода 2, гер­метизирующего волновода 3, секции со штуцером 4, фильтра погло­щения волн высших типов 5, волновода круглого сечения 6, возбужда­емого на волне Н₁₁, корректора эллип­тичности 7, поляризационного селекто­ра 8, нагрузки 9, гофрированного гиб­кого эллиптического волновода 10, служащего для соединения приемопе­редающей аппаратуры СВЧ с верти­кальной частью тракта, герметизирую­щей вставки 11.

Волноводные плавные переходы используют для соединения между со­бой волноводов с различными размера­ми поперечного сечения, а также пря­моугольных волноводов с круглыми. Эти пере­ходы должны обеспечивать хорошее согласование соединяемых волноводов, поэтому длина их должна быть боль­шой. Так, для соединения отрезка прямоугольного волновода, идуще­го от РПА, с круглым волноводом длина перехода составляет 50 см. При этом обеспечивается также низкий уровень возбуждения паразит­ных волн высших типов.

Сохранение высоких электрических параметров волноводных трактов требует защиты внутреннего волноводного объема от попада­ния атмосферных осадков. Эта задача реализуется герметизацией сты­ков всех волноводных элементов и применением герметизирующих волноводных вставок, устанавливаемых в месте соединения волново­да с аппаратурой и в верхней части тракта, если антенна не является герметичной. Герметизирующая секция, устанавливаемая вблизи ан­тенны, должна иметь сливные отверстия для удаления влаги из антен­ны. Для обеспечения в круглом волноводе циркуляции осушенного воздуха используется секция круглого волновода со штуцером для при­соединения воздухопровода и с отверстиями для подачи в волновод осушенного воздуха.

Фильтр поглощения волн высших типов предназначен для умень­шения в круглом многоволновом волноводе уровня паразитных волн Е₀₁и Е₁₁, которые возбуждаются на несимметричных неоднороднос­тях (сдвиг осей волноводов, изгиб волновода), переходных сек­циях между волноводами разных диаметров, в герметизирующих встав­ках. Поглощение волны Е₀₁, имеющей интенсивную продольную составляющую электрического поля, достигается установкой в волново­де параллельно его оси стержня из материала с низкой проводимостью.

Обычно поглотитель представляет собой пенопластовый вкладыш в форме челнока. Вдоль продольной оси челнока имеется отверстие, в котором установлен стеклянный стержень. Поверхностный слой стерж­ня покрыт окислом металла, обладающим свойством полупроводника. Аналогично подавляется волна Е

11, имеющая две области с максималь­ной напряженностью продольной составляющей электрического поля.

Как отмечалось, вследствие некоторой эллиптичности попереч­ного сечения волновода линейно поляризованная волна на выходе вол­новода преобразуется в эллиптическую, что приводит к уменьшению поляризационной развязки между каналами приема и передачи. При­чиной возникновения волны с поперечной поляризацией является разность фазовых скоростей ортогональных состав­ляющих электромагнитного поля в волноводе, приводящая к появле­нию фазового сдвига между этими составляющими. Компенсация это­го сдвига и получение линейной поляризации поля в волноводе осу­ществляются с помощью корректора эллиптичности, включаемого в круглый волновод и представляющего собой отрезок эллиптического волновода с плавными переходами к круглому сечению по концам. Размеры корректора должны обеспечивать дополнительный сдвиг фаз между составляющими электромагнитного поля после их прохожде­ния по корректору, равный по величине и противоположный по знаку фазовому сдвигу между этими составляющими в крутом волноводе. Целесообразно, чтобы фазовый сдвиг между ортогональными состав­ляющими поля в корректоре эллиптичности заведомо превышал фазо­вый сдвиг в круглом волноводе. В этом случае путем выбора взаимно­го расположения эллипсов поперечного сечения корректора эллиптич­ности и круглого волновода может быть обеспечена линейная поляри­зация поля в волноводе (строго вертикальная или горизонтальная).

Назначение поляризационного селектора — разделение волн раз­личной поляризации. Он представляет собой два перехода от прямоу­гольного волновода к круглому, развернутых друг относительно друга на 90°. Передатчики, работающие на частотах f₁…f₄, через поляриза­ционный селектор направляют в круглый волновод волны одной поля­ризации. Сигналы, принимаемые на частотах f₅…f₈, имеют поляриза­цию, повернутую на 90°. Эти сигналы через поляризационный селек­тор направляются к приемникам.

По аналогичной схеме собирается антенно-волноводный тракт земной станции спутниковой связи. Для удобства рассмотрения весь тракт принято разделять на три участка: совмещенный тракт, тракт передачи и тракт приема.

Совмещенный тракт начинается герметизирующей секцией, от­деляющей внутренность фидерного тракта от антенны и внешнего пространства, далее следует поляризационный блок, обеспечивающий разделение сигналов приема и передачи. Элементы этой части тракта выполнены на базе волновода крутого сечения и работают одновре­менно в разнесенных диапазонах частот передачи и приема.

Тракт приема соединяет один из выходов поляризационного бло­ка с приемной аппаратурой. Он состоит из элементов, защищающих входные цепи приемника от возможного попадания сигналов передат­чика, а также элементов, обеспечивающих вращение антенны по ази­муту и углу места. Герметизирующая секция, включаемая в эту часть тракта, отделяет наружную часть тракта от негерметизированной, рас­положенной в помещении. Все элементы тракта приема соединяются между собой отрезками прямоугольного волновода и угловыми пере­ходами в плоскостях Е и Н.

Тракт передачи подключается ко второму выходу поляризаци­онного блока через плавный переход от волновода круглого сечения к прямоугольному. Основные элементы тракта передачи — это угломе­стное и азимутальное вращающиеся сочленения, герметизирующая сек­ция, устройство сложения сигналов нескольких передатчиков, фильтр гармоник, ферритовый вентиль.

Передающий, а также совмещенный тракты рассчитаны на пе­редачу высокого уровня мощности. В трактах предусмотрена система защиты от СВЧ пробоя, для чего в некоторые угловые переходы вмон­тированы датчики, реагирующие на световой поток, возникающий при появлении дуги в случае пробоя в тракте. Сигналы от этих датчиков используют для выключения передатчиков.

Антенно-фидерные тракты, построенные по такой схеме, исполь­зуют на земных станциях системы «Интерспутник». Тракт приема обес­печивает работу в диапазоне частот 3400…3900 МГц, тракт передачи — в диапазоне частот 5700…6200 МГц. Переходное затухание между вы­ходами передатчиков и входами приемников не менее 130 дБ.

Для снижения потерь в приемной части тракта на некоторых зем­ных станциях приемное оборудование либо располагают в специаль­ных кабинах, вращающихся вместе с антенной вокруг вертикальной оси, либо подключают непосредственно к выходу поляризационного блока. При этом существенно сокращается длина приемного тракта и исключается одно (или оба) вращающееся сочленение. Такие моди­фицированные фидеры применяют на некоторых земных станциях си­стемы «Орбита».

Дальнейшее снижение потерь можно обеспечить в фидерном тракте с лучеводами. В таких трактах отсутствуют приемные и пере­дающие вращающиеся сочленения, длины трактов могут быть сдела­ны сравнительно небольшими с минимальным числом изгибов. Важ­ным преимуществом лучеводов являются повышенные линейность фа­зовых характеристик трактов и надежность.

Вариант фидерного тракта с лучеводом показан на рисунке 6. Он состоит из большого 5 и малого 6параболических зеркал (фокусы зеркал совпадают) и системы вспомогательных зеркал 1…4, создающих беспро­водную линию передачи между облучателем-рупором и малым зерка­лом. Заметим, что рупор находится на довольно большом расстоянии от малого зеркала (десятки метров) не в фокусе последнего. Используя пред­ставления геометрической оптики, принцип действия лучеводами можно пояснить следующим образом.

Сферическая волна, излучаемая коническим рупором, падает на плоское вспомогательное зеркало 1, составляющее угол 45° с осью симметрии системы, и преобразуется им в сферическую же волну с виртуальным фазовым центром в точке О’ (зеркальное изображение фазового центра рупора).

Рисунок 6. Фидерный тракт с лучеводом

Эта волна облучает несимметричное вспо­могательное зеркало 2 («вырезка» из параболоида вращения), фокус которо­го совмещен с точкой О’ ось симмет­рии О’А параллельна оси симметрии рупора, совмещенной с осью симмет­рии системы. Поэтому падающая на зеркало 2 сферическая волна трансфор­мируется в плоскую, распространяю­щуюся параллельно оси симметрии па­раболоида. Это плоская волна, падаю­щая под углом 45° на плоские зеркала 3 и 4, направляется на малое параболичес­кое зеркало 6 двухзеркальной антенны. После отражения от малого зеркала сфе­рическая волна падает на большое зер­кало, трансформируется им в плоскую и направляется на корреспондента.

К волноводным элементам АФТ относятся поляризационные селекторы, циркуляторы, корректор эллиптичности, поглотитель высших волн, герме­тизирующие вставки, согласующие переходники от волновода од­ного сечения к волноводу другого сечения, а также секции со шту­цером. Все эти элементы должны иметь хорошее согласование с волноводом, иначе могут возникнуть большие попут­ные потоки.

Поляризационный селектор (ПС) предназна­чен для разделения или объединения волн с разной поляризацией. Конструктив­но ПС представляет собой волноводный тройник, выполненный из отрезков вол­новодов круглого и прямо­угольного сечения (рисунок 7).

В отрезке круглого волновода установлена продольная метал­лическая пластина 1, у конца которой для улучшения согласова­ния с плечом С расположен стержень 3. Прямоугольный волно­вод соединяется с волноводом круглого сечения через щель и диа­фрагму, образованную из пластин треугольной формы 2. Для улуч­шения согласования в ПС предусмотрен винт регулировки 4.

Рассмотрим принцип работы селектора. Допустим, что к кон­цу В круглого волновода подводится энергия из антенны. Если при этом вектор электрического, поля Е₂ перпендикулярен плас­тине 1, то энергия от антенны беспрепятственно пройдет к левому концу круглого волновода А. Если же поступит волна, вектор на­пряженности поля которой Е₁ будет параллелен пластине 1, то она отразится от этой пластины и через щель с диафрагмой 2 попа­дет в прямоугольный волновод. Чтобы выделить волну с напряженностью поля Е₂, следует повернуть селектор на 90°. Таким образом, для разделения волн с ортогональной поляризацией нуж­ны два селектора, включенных так, чтобы угол между продоль­ными осями отрезков прямоугольных волноводов был равен 90°. Переходное затухание между плечами А и С селектора состав­ляет 35…40 дБ; потери энергии между плечами В и С не превы­шают 0,1 дБ.

Корректор эллиптичности (КЭ) служит для выравни­вания фазовых скоростей ортогональных составляющих электро­магнитного поля в круглом волноводе. Разность в фазовых ско­ростях получается из-за наличия эллиптичности в волноводе. При этом появляется дополнительный фазовый сдвиг между состав­ляющими и нарушается их ортогональность.

Рисунок 7. Устройство поляризационного селектора

В результате ухуд­шается развязка между трактами передачи и приема. Корректор представляет собой отрезок эллиптического волновода с плавным переходом к круглому сечению по концам. Вращая КЭ вокруг продольной оси, изменяют расположение эллипса корректора по отношению к эллиптической неоднородности круглого волновода, добиваясь требуемой степени компенсации.

Герметизирующие волноводные вставки (ГВ) ус­танавливаются в месте соединения волновода с аппаратурой, а также в верхней части АФТ, когда антенна не является герметич­ной. Применяются герметизирующие вставки круглого (диамет­ром 70 мм) и прямоугольного сечений. В вставках круглого се­чения используются колпачки из диэлектрика или пенопластовый вкладыш, которые плотно прижимаются к внутренней поверхнос­ти волновода резиновыми уплотнительными кольцами. Гермети­зирующая вставка прямоугольного сечения представляет собой отрезок прямоугольного волновода с дополнительной шайбой, меж­ду которыми устанавливается прокладка из диэлектрика. На ГВ имеется штуцер, через который подается осушенный воздух.

Поглотитель высших типов волн (ПВВ) предназна­чен для поглощения паразитных волн с продольной составляю­щей электрического поля: волны Е₀₁(в диапазонах частот 4, 6и 8 ГГц). Основным эле­ментом ПВВ являются один или четыре стеклянных стержня, в поверхностном слое, которых содержатся окислы металлов, обла­дающие свойствами полупроводника. Стержни закрепляются внут­ри волновода. Поглотители обеспечивают ослабление высших волк примерно на 25 дБ, создавая малые потери для основных волю (не более 0,1 дБ).

Ферритовый циркулятор (ФЦ) представляет собой волноводный (или коаксиальный) тройник, внутри которого помещен ферритовый вкладыш, находящийся в постоянном магнитном по­ле. Устройство волноводного циркулятора и схемы его использования показаны на рисунке 8. Циркулятор, изображенный на рисунке 8 получил название Y-циркулятора.Основным свойством циркулятора является то, чтосигнал, поступивший в плечо I,выходит из плеча II;сигнал, поступивший в плечо II, выходит из плеча III, а сигнал, поступив­ший в плечо III, выходит из плеча I. Это свойство позволяет использовать ФЦ для совмещения в общем волноводе прямо­угольного сечения (коаксиальном кабеле) трактов передачи и приема, а также для поглощения отраженного сигнала.

Рисунок 8. Волноводный циркулятор и схемы его использования

Как вид­но из рисунка 8, б, сигнал, поступивший из передатчика в пле­чо I, через ФЦ попадает в антенный фидер, соединенный с плечом II. Принятый антенный сигнал из фидера поступает в плечо II и далее в плечо III, к которому подключен приемник.

На рисунке 8, в показана схема использования ФЦ для поглощения сигнала, отраженного от входа приемника. Сигнал из антенны по­ступает в плечо II и далее через плечо III на вход приемника. Возникшая отраженная волна от входа приемника возвращается в плечо III и через плечо I попадает в поглощающую нагрузку. Отраженные от приемника волны в антенну не возвращаются.

В зависимости от рабочего диапазона частот и конструкции развязка между плечами циркулятора (ЦР) составляет 25…30 дБ, а по­тери, вносимые в тракт передачи, не превышают 0,1…0,2 дБ.

Устройства разделения и объединения стволов (РОС) обеспечивают возможность использования одной ан­тенны и питающего ее АФТ одновременно для передачи и приема сигналов нескольких стволов. В многоствольных системах пере­дачи разделительные фильтры выполняются по последовательным схемам. Объясняется это тем, что при параллельном включении фильтров возникают большие трудности по их согласованию.

В системах передачи сантиметрового диапазона нашли приме­нение три типа разделительных устройств: с полосовыми фильт­рами, с режекторными фильтрами и в сочетании полосовых фильт­ров и ЦР. Из них наиболее простыми и перспективными являются РОС с полосовыми фильтрами и ферритовыми ЦР.

На рисунке 9 приведена структурная схема РОС с использо­ванием ЦР и полосовых фильтров, центральная частота которых выбирается в зависимости от частоты ствола. На рисунке показано объединение сигналов передатчиков и разделе­ние сигналов приемников для четырехствольной системы. Остановимся на работе устройства объединения сигналов пе­редатчиков. При передаче сигнал с частотой от передатчика Пд₄ через полосовой фильтр поступает на вход ЦР Ц’₄, где обеспечивается его передача из плеча 1 в плечо 2и затем в плечо 3ЦР Ц’₃. Поскольку в плечо 1ЦР Ц’₃ включен фильтр, настроенный на частоту , пришедшие колеба­ния с частотой отразятся от него и поступят в плечо 2данного ЦР.

Рисунок 9. Структурная схема РОС с использо­ванием циркуляторов и

полосовых фильтров

Сигнал с частотой от передатчика Пд₃ через по­лосный фильтр поступает на вход 1 ЦР Ц’₃ и проходит в направлении плеча 2.Таким образом на вход 3ЦР Ц’₂ поступят сигналы двух передатчиков с частотами и По вышеописанной схеме они попадают на выход 2этого ЦР, где к ним добавится сигнал с частотой передатчика Пд₂. Аналогичная картина будет иметь место и в ЦР Ц‘₁ на выходе которого образуется суммарный сигнал, состоящий из сиг­налов четырех передатчиков с частотами Через поляри­зационный селектор ПС этот суммарный сигнал поступает в ан­тенну и излучается. Нагрузка ПН₁служит для поглощения волны, возникшей из-за недостаточной согласованности между соседними ЦР, например Ц’₄ и Ц’₃. Отраженный сигнал прохо­дит в направлении от плеча 2к плечу 3Ц’₄ и попадает в ПН₁.

Принятые антенной сигналы с частотами f₁…f₄через ПС посту­пают в плечо 1 ЦРЦ₁.Поскольку полосный фильтр в его плече 2настроен на частоту первого ствола, то сигнал с час­тотой f₁ поступит в приемник Пм₁ а остальные отразятся и через плечо 3 пройдут на вход 1 Ц₂.Здесь выделится сигнал с часто­той f₂ и так далее, пока не будут выделены сигналы всех стволов. Из антенны наряду с полезными сигналами в РОС поступают также сигналы других станций, которые отражаются от фильтра четвертого ствола и через плечи 2 и 3 Ц₄ попадают в нагрузку ПН₁ где и поглощаются. Для улучшения согласования устрой­ства РОС с АФТ включаются дополнительные ЦР Ц_д.

Разделительное устройство стволов на режекторных фильтрах состоит из режекторных фильтров и коаксиально-волноводных тройников (рисунок 10). Коаксиально-волноводный тройник является простейшим волноводным разветвителем. Выполнен он из отрезка прямоугольного волновода, разде­ленного с помощью фигурной перегородки П на два волновода с узкими стенками В₁ и В₂ (рисунок 10, а). Узкий конец перегородки К через круглое отверстие в боковой стенке волновода проходит в отрезок прямоугольного волновода С. Этот отрезок совместна с К представляет собой коаксиальное плечо. При возбуждении тройника со стороны А энергия делится между В₁ и В₂ пополам и в плечо С не поступает. При возбуждении со стороны коак­сиального плеча С волноводы B₁ и В₂ возбуждаются с одинако­вой амплитудой, но с противоположной фазой. В плечо А в этом случае энергия не поступает.

Когда волноводы B₁ и В₂ возбужда­ются в противофазе, энергия поступает в плечо С и не попадает в волновод А. На рисунке 10, б показано разделительное устройство для трех­ствольной системы. Оно состоит из трех блоков, в которые входят по два тройника 1 и режектор­ных фильтра 2. Режекторные фильтры имеют общую широ­кую стенку и сдвинуты относи­тельно друг друга на λ_в/4. В первом блоке фильтры настрое­ны на частоту f₁ и отражают сигналы с этой частотой, кото­рые возвращаются в тройник 1.

Из-за наличия сдвига на λ_в/4 з конструкции фильтров отра­женные волны приходят в плечи B₁ и В₂ тройника в противофазе и ответвляются в коаксиально-волноводное плечо С первого тройника. Волны с частотами f₂ и f₃ приходят ко входам В₁ и В₂ второго тройника с одинаковыми фазами и попадают на выход А и далее во второй блок, где выделяется сигнал с часто­той f₂. Аналогично выделяются сигналы и других стволов. Если часть энергии вследствие неполной симметрии блока попадает в плечо С второго тройника, то она будет поглощена нагрузкой 3.

Рисунок 10. Разделительное устройство стволов на режекторных фильтрах

Рассмотренное устройство получается компактным, но из-за недо­статочной избирательности режекторных фильтров требуется уста­новка дополнительных полосовых фильтров на входе приемников.

Разделительное устройство (РУ) стволов на полосовых фильтрах состоит из полосовых фильтров и двойных тройников (рисунок 11). Двойной тройник, показанный на рисунке 11, а, обладает следующими свойства­ми. Если источник энергии подключить к плечу Г, то в симметричных плечах А и В волны равной амплитуды будут распространяться с одинаковыми фаза­ми. При подаче энергии в плечо Б тройника энергия также будет делиться поровну между плечами А и В, но волны в них будут распространяться в про­тивофазе. Если колебания поступают в тройник из плечей А и В в фазе, то они попадают в плечо Г, если же приходят в противофазе — то в плечо Б. Этисвойства двойного тройника используются в звене РУ, изображенного на рисунке 11, б.

Звено включает в себя два двойных тройника Т, полосовые фильтры Ф₁ и Ф₂, широкополосный и узкополосный фазовращатели ФВ_ш и ФВ_у. Полосовые фильтры звена настроены на одну частоту, например на f₁. Колебания с частотами других стволов фильтры отражают. Каждый из ФВ создает сдвиг на 90°.

Рассмотрим работу одного звена (см. рисунок 11, б). Пусть на вход Б лево­го тройника поступают сигналы с частотами f₁…f₄. По описанному выше правилу они пройдут в плечи А и В со сдвигом фаз на 180°.

Рисунок 11. Разделительное устройство стволов на полосовых фильтрах

Сигнал с частотой f₁ с выхода В левого тройника пройдет через ФВ_ш, Ф_1, ФВ_У и поступит в плечо В^’ правого тройника. Сигнал с выхода А левого трой­ника через Ф₂ попадает на вход А’ правого. Поскольку между В и В’ вклю­чены ФВ_ш, Ф₁ и ФВ_У, а между А и А’ только Ф, то волны в плечах А’ и В’ будут иметь одну фазу и поэтому колебания поступают в плечо Г’ и далее в приемник, настроенный на f₁. Отразившиеся от Ф₁ и Ф₂ волны с частота­ми f₂, f₄ приходят в плечи А и В также в фазе и поступают в плечо Г левого тройника и далее в следующее звено (рисунок 8,в), где произойдет выделение сигналов второго ствола, и т. д. Если часть энергии, приходящей через плечи А’ и В’правого тройника, вследствие неполной симметрии звена попадает в плечо Б’, то эта энергия будет поглощена нагрузкой Н.

Контрольные вопросы:

1. Назовите особенности работы антенн в системах спутниковой связи по срав­нению с наземными системами связи.

2. Какие факторы ограничивают реализацию большого коэффициента усиления антенн для систем спутниковой связи?

3. Приведите возможные схемы лучевода и перечислите их особенности по срав­нению с волноводными линиями питания антенн.

4. Перечислите основные требования к бортовым антеннам систем спутниковой связи.

5. Какие типы антенн используются в качестве бортовых антенн систем спутни­ковой связи? Перечислите их основные характеристики.

6. Какие требования предъявляются к элементам антенно-фидерного тракта и тракту в целом для РРЛ и систем спутниковой связи.

7. Перечислите типы фидерных трактов и дайте им характеристику.

8. Нарисуйте структурную схему АФТ. Поясните назначение отдельных эле­ментов.

9. Объясните назначение и принцип работы поляризационного селектора, ферритового ЦР.

10. Какие типы волноводов применяются в АФТ?

Антенно-фидерное устройство: принцип работы

Устройство антенно-фидерной системы должен знать каждый, кого интересует передача сигналов в радиотехнических системах (радиовещания, радиосвязи, телевидения). Следует отметить, что в данном случае предусматривается возможность общения в обе стороны. Фидер передает электромагнитные колебания от передатчика к антенне (которая излучает/принимает сигнал) и от нее к приемнику. Об этом и поговорим.

Про антенны

Так называют устройства, главное предназначение которых — прием или излучение электромагнитных волн. Антенны являются неотъемлемой частью любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Следует отметить, что в зависимости от целевого назначения меняется функциональная роль. Например, передающая антенна преобразовывает ток высокой частоты в энергию электромагнитных волн. Может быть и такое, что она является многофункциональной, и может быть еще и приемной. В таком случае улавливаются электромагнитные волны и преобразовываются в энергию высокочастотных колебаний. Такая версия устройства является наиболее предпочтительной благодаря своим технико-экономическим характеристикам.

Про фидер

Это совокупность устройств, благодаря которым энергия подводится от передатчика к антенне и от нее к приемнику. Часто их еще называют фидерным трактом. Конструктивное исполнение напрямую зависит от диапазона частот, которые передаются по нему. Фидер может также излучать волны. Но это возможно только в тех случаях, когда соседние участки двух проводов обтекаются токами, которые совпадают по фазе. Их поля в таком случае взаимно усиливаются. Кстати, на этом эффекте можно реализовать антенны.

Они в таком случае называются синфазными, и следует отметить, что получили весьма широкое распространение. Также могут быть излучения фидера в тех случаях, когда расстояние между проводами по определенным направлениям приобретает существенную разность хода. Следует отметить, что можно подобрать такое значение, при котором произойдет сложение волн. На этом принципе также работают антенны, которые называются противофазными.

Возвращаемся к нашему устройству

Проектирование антенно-фидерных устройств с последующим созданием требует, чтобы отдельные понятия сложились в целостную систему. Итак, если есть радиоканал, сформированный из передающей и приемных антенн, а также тракт распространения, то его можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. В чем заключается его особенность? Если в нем электродвижущую силу и нагрузку поменять местами, то параметры системы не изменятся. То есть приемную антенну можно сделать передающей и наоборот. Это свойство называют принципом взаимности. Из него вытекает обратимость процессов передачи и приема. Именно благодаря этому можно обходиться одной антенной, которая выступает в обеих ролях. А это позитивно сказывается на технико-экономических показателях системы радиосвязи, что и способствовало массовому использованию данного принципа.

А что бы почитать по этой теме?

Забегая вперед, следует признать, что данная тема является весьма обширной. Поэтому если после прочтения статьи останутся вопросы, то лучше обратиться к толковым книгам. В качестве первого образца можно посоветовать ту, которую написал Драбкин: «Антенно-фидерные устройства». Данная книга была издана в 1961 году. Но несмотря на свой возраст и довольно существенное устаревание, она еще может быть полезной. Хотя бы тем, что в ней рассматриваются основополагающие теоретические положения, которые полезно изучить всем, кого интересует данная тема.

Книга Драбкина является учебником по антенно-фидерным устройствам. Вообще-то, она предназначена для радиоинженеров и студентов радиотехнических факультетов, но если тема действительно интересует, то разобраться в ней сможет практически любой человек. Особенно следует отметить рассмотрение теории антенн, проволочные, сверхвысокочастотные и самолетные образцы, специфику измерения электрических параметров. Хотя только этим, разумеется, перечень не ограничивается.

Из более современных авторов заслуживает упоминания Ерохин Г. А., «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — это весьма современная и одновременно толковая книга. Можно посоветовать обратить внимание на второе издание, выпущенное в 2004 году. В книге излагаются теоретические положения и, что особенно хочется отметить, много внимания уделено вопросам, которые непосредственно относятся к проектированию и эксплуатации систем телевидения, радиосвязи и радиовещания. За это следует воздать хвалу, которую вполне заслуживает Ерохин. «Антенно-фидерные устройства…» этого автора — действительно полезная книга.

Какие параметры антенн необходимо знать?

Но давайте вернемся к теме статьи. Чтобы определить значение параметров, используют анализатор антенно-фидерных устройств или рассчитывают с помощью формул. Это необходимо для получения прибора с нужными характеристиками. Вот список, на что следует обращать внимание:

1. Излучающая мощность электромагнитных волн. Сила и количество волн, которые от антенны идут в свободное пространство. Подразумевается активная мощность, ведь излучение постепенно рассеивается в пространстве, что окружает антенну. Ее можно выразить через сопротивление.
2. Мощность потерь. Под этим подразумевается значение, которое бесполезно теряется передатчиком при прохождении по проводам антенны тока. Может учитываться значение земли и предметов, при условии, что они расположены вблизи антенны. Также является активным параметром и может быть выражено через сопротивление.

Продолжаем перечислять параметры

Также следует помнить:

1. Мощность в антенне. Значение, что отображает энергию, подводимую от передатчика. Представляется в виде суммы двух предыдущих параметров.
2. Коэффициент полезного действия.
3. Входное сопротивление антенны. Под этим подразумевается значение, которое есть на входных зажимах. Характеризуется наличием ре/активной составляющих. Самый лучший вариант – это настройка в резонанс. В таком случае для генератора дается активная нагрузка, и устройство используется с максимальной эффективностью.
4. Направленность антенны. Под этим подразумевается способность излучать электромагнитные волны в определенную сторону. Для того чтобы судить о данном свойстве, используют диаграмму направленности.

Остальные параметры

Кроме перечисленных, следует знать:

1. Коэффициент направленного действия.
2. Рабочий диапазон. Более специализированно используется понятие полосы пропускания антенны. Так называется интервал частот, где ширина главного лепестка диаграммы направленности не выходит за установленные пределы, коэффициент усиления характеризуется как достаточно высокий, а с фидерным трактом согласование существенно не ухудшается. При этом должно быть небольшим отражение. Это требуется для снижения переходных шумов в каналах, присутствующих из-за наличия попутных потоков.
3. Коэффициент защитного действия. Он используется для определения степени ослабления сигналов антенной, которые принимаются из побочных направлений.

Работа с волнами

Монтаж антенно-фидерных устройств осуществляется исходя из того, где и в каком диапазоне они будут использоваться. При этом необходимо добиться, чтобы направленные свойства были хотя бы в одной плоскости. При малой длине антенны выходят достаточно компактные. Это позволяет делать их вращающимися и получать значительный выигрыш в мощности, понижая одновременно взаимные помехи радиостанций. Ну и куда без этого – осуществлять связь в любом желаемом направлении.

В диапазоне метровых волн для удобства использования часто применяют разнообразные не/симметричные вибраторы. Хотя это далеко не единственный вариант. Из-за размера антенны метрового диапазона довольно проблематично перемещать вручную. Давайте рассмотрим это подробнее.

Чем отличаются волны разной длины?

Отличить по предназначению можно по специфическим особенностям. Следует отметить, что в ряде случаев можно использовать однотипные антенны для работы в смежных диапазонах. Вот их список:

1. Антенны длинных волн. Обладают большими геометрическими размерами. Но несмотря на это, все же значительно меньше длины волны. Высота устройства редко когда превышает 0,2 от ее величины.
2. Антенны средневолнового диапазона. Характеризуются тем, что соразмерны с длиною волн. Отличаются более высоким сопротивлением излучению, нежели предыдущий вариант. Благодаря этому коэффициент полезного действия может достигать 80%. Диаграмма направленности для этих устройств обладает видом вытянутой вдоль поверхности земли восьмерки. Правда, из-за этого поступающие из атмосферы сигналы существенно ослаблены.
3. Антенны коротких волн. К ним предъявляют специфические требования. Но это не на пустом месте, а напрямую связано с особенностями распространения этого диапазона. Для обеспечения устойчивой связи выбирают несущую частоту передатчика в зависимости от времени года и суток.
4. Антенны ультракоротких волн. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия и узкой диаграммой направленности. Связано это с тем, что размеры антенн примерно равны длине рабочих волн.

Обслуживание

Чтобы устройство работало без проблем, необходимо своевременно заниматься его профилактикой. Если говорить о текущем осмотре объектов, то к ним относятся:

1. Антенны.
2. Фидеры.
3. Радиорелейная связь.
4. Фундамент (это и дальше для крупных стационарных объектов).
5. Конструкции опоры.
6. Оттяжки мачт, а также их крепления.
7. Помещения (контейнера) базовой станции.
8. Конструкции крепления основы к фундаменту.
9. Прилегающая территория.

При этом следует уделить внимание таким моментам:

1. Состоянию аппаратуры.
2. Коррозийным и механическим повреждениям.

Кроме текущего, есть еще и планово-периодическое обслуживание антенно-фидерных устройств. Оно предполагает проведение более капитальной проверки, так называемого ревизионного осмотра и осуществление ремонта.

Подведение итога

Вот и рассмотрено, что собой представляют антенно-фидерные устройства. Предоставленной информации, скорее всего, не хватит для того, чтобы соорудить собственный рабочий прибор. Но вот обеспечить необходимым теоретическим минимумом, чтобы двигаться дальше, надеемся, у нас получилось. А если читатель подкован в этих вопросах, то возможно, уже разобрался, что и как нужно делать.