СВЧ тракт приёма земной станции спутниковой системы связи

Введение

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозирования погоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для навигации на морских путях и авиационных трас­сах, для высокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсов Земли и контроля среды обитания становится всё более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства значительно возрастёт.

Для нашей эпохи характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации – телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых её видов – телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печа­тания газет.

Глобальный характер различных хозяйственных про­блем и научных исследований,  широкая межгосударствен­ная интеграция и кооперация в производстве, торговле,                научно-исследовательской деятельности, расширение обме­на в области культуры, привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телеви-зионными программами. 

Традиционные средства связи в отношении их ви­дов, объёма, дальности, оперативности и надёжности пе­редачи информации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и экономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляе­мые к пропускной способности, качеству, надежности ка­налов дальней связи не могут быть полностью удовле­творены наземными средствами проводной связи и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и подводных кабель­ных линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящи не только в строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшего развития. Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную способность. Намного большую пропускную способность по сравнению со спутниковыми системами связи обеспечивают волоконно-оптические линии связи, но они более дорогостоящи.

Значительно большей пропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройки для различ­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладают определёнными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

 Сверхдлинноволновые системы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона применяются обычно лишь для нужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов связи.

Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной ра­диосвязи и радиовещания.

Коротковолновые радиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах связи различного назначения.

Новые пути преодоления свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски искусственных спут­ников Земли (ИСЗ).

Практика подтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и меж­континентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устра­нить многие затруднения. Вот почему спутниковые си­стемы связи (ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее применение.

1. Энергетический расчёт радиолинии

1.1. Общие положения

Линия спутниковой связи состоит из двух участков: Земля – спутник и спутник – Земля. Основной их особенностью является большая физическая протяжённость и, как следствие этого, возникновение значительных потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии в пространстве. При этом сигнал подвержен влиянию многих дополнительных факторов: поглощения в атмосфере, фарадеевского вращения плоскости поляризации, рефракции, деполяризации и.т.д. На приёмное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца, планет и атмосферных газов. Правильный учёт влияния всех факторов позволяет оптимально спроектировать систему, обеспечить её уверенную работу в наиболее трудных условиях и в то же время исключить излишние энергетические запасы, которые могут привести к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.

1.2. Энергетический расчёт радиолинии спутник-Земля

Исходные данные:

- С-диапазон принимаемых частот;

- ширина полосы частот потока данных: МГц;

- диаметр приёмной антенны земной станции м;

- орбита спутникового ретранслятора: геостационарная;

Необходимо:

а) определить величину мощности сигнала на входе приёмника земной станции;

б) определить коэффициент шума приёмника;

в) определить чувствительность приёмника.

Расчёт радиолинии произведём для спутника «Экспресс-А» №1R, предназначенного для работы в международной спутниковой службе «Интерспутник»,  находящегося на геостационарной  орбите и имеющего следующие основные  характеристики:

- точка стояния ИСЗ на геостационарной орбите:  в.д;

- диапазон рабочих частот линии «Космос – Земля»:= 3600…4200 МГц (диапа-зон 4 ГГц);

- эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ): дБВт;

- полоса пропускания ствола:  МГц ;

- поляризация при передаче сигнала : круговая левая.

Координаты земной станции спутниковой системы связи, расположенной в г. Киеве таковы:  с.ш,  в.д.

1.2.1. Определение угла места и азимута приёмной антенны земной станции

Зная координаты ИСЗ, определим угол места и азимут А. При этом необходимо допустить, что Земля является неидеальным шаром, а возвышение земной станции над уровнем моря нулевое. Тогда угол места и азимут можно вычислить по формуле:

где  км – высота орбиты над центром Земли;

        км – радиус Земли.

Подставив значения, получим:

.

Определим значение плотности потока мощности ЭМВ, создаваемой у поверхности Земли:

где   – ЭИИМ, выраженная в Вт;

 Вт

– расстояние между земной станцией и ИСЗ, м.

Расстояние между ЗС и ИСЗ находим используя геометрические соотношения из рис.1.1.

где    – радиус Земли, км;  км;

– высота орбиты над экватором Земли, км;

Рис. 1.1. Геометрические соотношения между геостационарным  спутником и ЗС

– дополнительные потери в атмосфере;

,

где   – дополнительные потери, выраженные в дБ;

В наиболее общем случае величину дополнительных потерь в реальных условиях можно представить следующим образом:

где   – потери в спокойной атмосфере, определяющиеся поглощением энергии ЭМВ в молекулярном кислороде и водяных парах тропосферы. Эти потери увеличиваются с уменьшением угла места, так как при малых углах места радиоволны проходят через большую толщу атмосферы.

Для данного случая при  и частоте диапазона ГГц из графиков на рис.1.2:

дБ

– потери в осадках, определяющиеся поглощением энергии радиоволн в  дожде, в связи с чем носят статистический характер.

Для европейской части бывшего СССР для наиболее вероятной величины времени выпадения дождей  при  и   ГГц из графиков на рис. 1.3:

дБ

– потери из-за рефракции и неточности наведения антенн. Рефракция радиоволн приводит к образованию угла между истинным и кажущимся направлениями на спутник, в результате чего появляется дополнительное ослабление сигнала, вызванное неверным наведением антенны земной станции и спутника друг на друга. Угловое отклонение, вызванное рефракцией, составляет несколько десятых долей градуса и может быть скомпенсировано или сведено к минимуму предварительной коррекцией  направленности антенн. При автоматическом наведении антенн по максимуму сигнала влияние рефракции практически исключается. Так как в диапазонах 6/4 ГГц и выше влияние рефракции пренебрежимо мало, то  не будем его учитывать вообще.  Однако дополнительно могут возникнуть потери из-за неточности наведения антенны, которые зависят от метода и конструкции (включая механическую часть) устройства наведения. Этот вид потерь носит неподдающийся оценке статистический характер, и может примерно на 1 дБ увеличить общие потери.

дБ

– поляризационные потери. Эти потери складываются из потерь, вызванных несогла-сованностью поляризации, потерь, связанных с эффектом Фарадея, и потерь из-за деполяризации радиоволн в осадках.

Потери, вызванные несогласованностью поляризации, возникают в результате изменения взаимной ориентации антенн земной станции и спутника, что имеет рещающее значение при использовании линейной вертикальной или горизонтальной поляризации. Возникающие при этом потери могут доходить до 10 дБ, однако использование круговой поляризации позволяет сделать эту составляющую поляризационных потерь достаточно малой. При коэффициентах эллиптичности поляризации приёмной и передающей антенн  из графика на рис.1.4 эти потери составляют:

дБ

Рис.1.4. Зависимость потерь из-за несогласованности поляризации передающей и приёмной антенн от эллиптичности поляризации

Эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации радиоволн под действием магнитного поля Земли и оказывает наибольшее влияние на сигналы с линейной поляризацией. Так как в данной работе используется круговая поляризация, значением этой составляющей потерь можно пренебречь.

Потери из-за деполяризации радиоволн в  осадках обусловлены несферичностью формы и особенностью траекторий падения дождя. Этот вид потерь носит статистический характер,  связанный со статистикой выпадения дождей. Значение этих потерь можно вообще не учитывать.

Таким образом поляризационные потери равны:

дБ

Тогда суммарные дополнительные потери энергии ЭМВ составят:

дБ или

раз.

Плотность энергии ЭМВ у поверхности Земли составит:

 или

1.2.2. Определение мощности радиосигнала на входе приёмного тракта

Мощность сигнала на входе приёмного тракта (выходе антенны) составляет:

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        (1.1)

где    – эффективная площадь приёмной антенны, м2 ;

– геометрическая площадь раскрыва антенны, м2;

– коэффициент использования поверхности. Обычно = 0,5…0,75. Зададим =0,7.

Геометрическая площадь раскрыва антенны диаметром  м составит:

;   м2

Эффективная площадь приёмной антенны земной станции будет равна:

 м2

Таким образом, мощность сигнала на входе приёмного тракта составит:

 пВт или  дБВт.

Поскольку между выходом антенны и входом приёмника включены диплексер, циркулятор и полосовой фильтр, вносящие потери 1–1,2 дБ, то уровень сигнала на входе приёмника составит:

дБВт

1.2.3. Определение мощности шума на входе приёмника и коэффициента шума приёмника

Мощность шума на входе приёмного тракта земной станции равна:

где    – постоянная Больцмана, ;

– полная эквивалентная шумовая температура приёмного тракта, приведённая ко входу облучателя, К ;

– эквивалентная шумовая полоса приёмника, Гц ;

–коэффициент, определяемый избирательными свойствами приёмника; обычно =1,1…1,2. Зададим =1,15.

Определим значение мощности шума на входе приёмного тракта исходя из отношения сигнал/шум на его входе. В качестве передаваемого ИЗС радиосигнала наиболее часто используются радиосигналы частотной модуляции (ЧМ). Так, для приёма сигнала с ЧМ необходимое отношение  составляет 10…12 дБ во избежание порога помехоустойчивости ЧМ – явлении, заключающегося в непропорционально быстром увели-чении шумов на выходе приёмника при увеличении шумов на входе .

Зададим =10 дБ. Тогда:

 Вт или дБВт

Соответственно мощность шума на входе приёмника составит:

дБВт

Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы составит:

К

Коэффициент шума приёмной системы будет равен:

 или дБ

Определим эквивалентную шумовую температуру приёмника.

Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы, состоящей из антенны,  диплексера, циркулятора, полосового фильтра и собственно приёмника, приведённая ко входу  облучателя равна:

                                                                                                  (1.1)          

где    TА – эквивалентная шумовая температура антенны, К ;

T0 – абсолютная температура среды (290 К);

– общие потери, вносимые в приёмный тракт диплексером, циркулятором и полосовым фильтром: дБ или .

Тпр – эквивалентная шумовая температура приёмника, обусловленная его внутренними шумами. Предполагая, что для проектируемой системы приёмный тракт должен быть как можно проще, выберем в качестве входного устройства приёмника транзисторный малошумящий усилитель (МШУ) и смеситель.

где – эквивалентная шумовая температура МШУ, К;

      – эквивалентная шумовая температура смесителя, К. Обычно смеситель имеет шумовую температуру порядка К;

– коэффициент шума смесителя. Как будет показано в п. 3.2, для балансного смесителя дБ или ;

– коэффициент усиления МШУ. Как будет показано в п. 3.4, дБ или =3162

Эквивалентная шумовая температура антенны земной станции может быть представлена в виде составляющих, которые обусловлены различными факторами:

где (γ) указывает, что величина данной составляющей зависит от угла места антенны земной станции;

 – температура, обусловленная приёмом космического радиоизлучения. Основу этой

 температуры составляют радиоизлучения Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звёзд). Так как излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, при приёме его на антенну с любым видом поляризации можно считать, что принимаемое излучение будет половинной интенсивности, т.е. величину  следует брать с коеффициентом 0,5. Радиоизлучение Солнца является самым мощным источником, который может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала: для геостационарных орбит она составляет примерно в зависимости от долготы ИСЗ. Поэтому радиоизлучение Солнца не учитываем.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6