РАЗДЕЛ 2
ОТРАЖАЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ВАНТОВОГО КОСМИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Зависимость рабочих характеристик рефлекторных антенн от точности реализации формы отражающей поверхности
Рассмотрим основные радиотехнические характеристики рефлекторных антенн [99].
Диаграмма направленности (ДН) антенны
Если R - расстояние от антенны до точки приема, а и и ц - угловые координаты, отсчитываемые от направления на точку приема, то функция F(и, ц), описывающая зависимость напряженности электрического (магнитного) поля |Eи| или |Eц| (|Hи| или |Hц|) от угловых координат и и ц при постоянном расстоянии R, нормированная относительно своего максимума, называется диаграммой направленности антенны по полю. В пространстве диаграмма направленности представляет собой замкнутую поверхность, радиус-вектор каждой точки которой прямо пропорционален величине |Eи| или |Eц|. В общем случае эта поверхность представляет собой несколько объемных лепестков различных размеров и форм. Помимо ДН по полю применяют также ДН по мощности Ф(и, ц). Связь между ДН по полю и ДН по мощности (нормированных относительно своего максимума) при линейной поляризации излучаемого поля дает равенство:
Ф(и, ц) = F2(и, ц). (2.1)
Как правило строят сечение пространственной ДН какими-либо плоскостями (для рефлекторных антенн ДН строят в плоскости, проходящей через фокальную ось параболоида). Диаграмму направленности строят либо в полярной системе координат, либо в декартовой, которая позволяет точнее представить узкие ДН. При изображении ДН в декартовой системе координат часто используют по оси ординат логарифмический масштаб, что позволяет более полно показать структуру боковых лепестков.
Распределение излученной антенной энергии в пространстве характеризуется шириной ДН, под которой понимают угол между двумя ближайшими к направлению максимума основного лепестка ДН направлениями, в которых излучаемая мощность уменьшается в заданное чисто раз. Обычно за ширину ДН принимают угол 2и0,5 между направлениями, в которых излучаемая мощность уменьшается в два раза (т.е. напряженность поля уменьшается в раз) В этом случае угол 2и0,5 называют шириной ДН на уровне половинной мощности. Иногда ширину ДН определяют по уменьшению мощности в 10 раз (ширина ДН на уровне одной десятой мощности 2и0,1) или по уменьшению мощности до нуля (ширина ДН по нулям 2и0).
Диаграммы направленности также классифицируют по форме. Апертурные рефлекторные антенны формируют игольчатую (карандашную) диаграмму направленности, отличием которой является одинаковая ширина ДН во всех плоскостях, проходящих через направление максимума главного лепестка (осесимметричная ДН).
Еще одна важная характеристика диаграммы направленности - уровень боковых лепестков. От уровня боковых лепестков зависят, в частности, потери мощности антенны и уровень помех, создаваемых данной системой связи.
Кроме амплитудных ДН применяют также фазовые диаграммы антенн. Для многих антенн фазовая диаграмма постоянна в пределах одного лепестка и скачком изменяется на р при переходе от лепестка к лепестку.
Коэффициент направленного действия (КНД) антенны
КНД, как и ширина ДН, служит мерой распределения (концентрации) электромагнитной энергии в пространстве. КНД в данном направлении - это число, показывающее, во сколько раз надо увеличить мощность излучения абсолютно ненаправленной антенны P?нн по сравнению с мощностью излучения направленной антенны P?н, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в месте приема:
D = при Eн = Eнн. (2.2)
где D - КНД антенны в данном направлении;
P?н - мощность излучения направленной антенны;
P?нн - мощность излучения абсолютно ненаправленной антенны;
Eн - напряженность поля, создаваемого направленной антенной в точке приема;
Eнн - напряженность поля, создаваемого абсолютно ненаправленной антенной в точке приема;
Изменение КНД в пространстве описывается ДН по мощности, от которой КНД отличается лишь постоянным множителем, не зависящим от координат:
D(и, ц) = D0Ф(и, ц) = D0F2(и, ц), (2.3)
где D0 - максимальное значение КНД.
В дальнейшем под термином КНД будем понимать максимальное значение КНД (если иное особо не оговорено).
Коэффициент полезного действия (КПД) антенны
Не вся подводимая к антенне мощность излучается антенной из-за присущих любой антенне потерь. Под КПД антенны зA понимают отношение мощности, излученной антенной в пространство P?, к подводимой к антенне мощности PA:
зA = (2.4)
Как правило, КПД антенны определяют экспериментальным путем.
Коэффициент усиления (КУ) антенны
Коэффициент усиления антенны G - это число, показывающее, во сколько раз мощность, излучаемая реальной антенной (с потерями) в данном направлении, больше мощности излучения абсолютно ненаправленной антенны без потерь, отнесенной к единице телесного угла, при условии равенства мощностей, передаваемых из фидеров в антенны. Из определения КНД, КПД и КУ следует, что:
G(и, ц) = зA D(и, ц). (2.5)
Максимальное значение КУ G0 определяется по формуле (2.5) при D(и, ц) = D0. В дальнейшем под термином КУ будем понимать максимальное значение КУ (если иное особо не оговорено).
Приведем основные соотношения, связывающие геометрические и радиотехнические характеристики простейшей осесимметричной параболической зеркальной антенны с расположенным в фокусе облучателем, излучающим сферическую волну.
Рис. 2.1. Геометрические параметры параболического рефлектора
Уравнение параболоида вращения (рис. 2.1) в декартовой системе координат XYZ имеет вид:
x2 + y2 = 4f0z, (2.6)
где f0 = OF - фокусное расстояние параболоида.
В точке F находится фокус параболоида.
Прямая OF - фокальная ось параболоида, ось его симметрии.
Поверхность рефлектора представляет собой часть параболоида вращения, описываемого уравнением (2.6), ограниченную окружностью - линией его пересечения с плоскостью, проходящей через точку A пер