Фазовые демодуляторы

Частотные демодуляторы.

При демодуляции частотно-манипулированного сигнала используют частотные детекторы (демодуляторы). Типовая схема частотного демодулятора представляет собой совокупность разделительных фильтров и амплитудного детектора (рис.85).

рис. 85

Фильтры настроены на частоты ЧМ сигнала (f1 и f2), с выхода фильтра сигнал поступает на амплитудный видеодетектор, демодулируется и на выходе получается исходная (демодулированная) последовательность импульсов.

При демодуляции фазово-модулированного сигнала используют фазовые детекторы (демодуляторы).

Фазовый детектор - это устройство, напряжение на выходе которого зависит от разности фаз двух сравниваемых напряжений одной частоты. Т.е. на вход детектора должны подаваться сигналы с одной и той же частотой. Одним сигналом является фазово-манипулированный сигнал (от корреспондента), а вторым - опорное колебание (формируемое на опорной станции).

Основу схемы фазового детектора (рис.86) составляют:

• переключатель;
• амплитудный детектор.

рис. 86

В схеме переключателя, при сравнении фаз Афм(t) и Ао(t) образуется амплитудно-манипулированное колебание, которое детектируется амплитудным детектором, на выходе которого появляется информационный сигнал.

ГЛАВА IX Антенно-фидерные устройства.

9.1. Технические характеристики антенн.

Антенна является важнейшим элементом любой приемно-передающей радиостанции, в том числе и спутниковой, и в значительной мере определяет качество связи.

Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн.

Для оценки и сравнения между собой различных антенн вводится ряд характеристик, основными из которых являются:

• диаграмма направленности (ДН);
• ширина главного лепестка ДН (2q);
• уровень боковых лепестков ДН;
• коэффициент полезного действия (h);
• коэффициент направленного действия (D);
• коэффициент усиления (G).

Параметры антенн не зависят от способа их использования - на прием или передачу.

Диаграмма направленности - это зависимость напряженности поля от угловых координат в дальней зоне.

Дальняя зона - это такая область распространения радиоволн, где составляющие электромагнитного поля изменяются обратно пропорционально расстоянию от антенны.

Обычно ДН строят в полярной системе координат и нормируют к максимальной величине напряженности поля Е/Emax.

рис. 87

Направление максимального излучения антенны является главным, поэтому и лепесток ДН называется главным, остальные лепестки - боковыми. Направления, в которых антенна не принимает (не излучает) называются нулями ДН.

Ширина главного лепестка ДН - характеризует направленные свойства антенны. Как правило, для оценки берется угол, соответствующий уровню половинной мощности- 3 дБ (2q 0,5).

Например, для параболических антенн ширина главного лепестка ДН прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна диаметру зеркала.

Уровень боковых лепестков ДН характеризует:

• степень помехозащищенности антенны
• потери мощности на побочные излучения

и зависит от конструктивных особенностей антенны и конструктивных факторов.

Коэффициент полезного действия антенны - это отношение излучаемой антенной мощности к мощности, подводимой к ней:

.

Обычно для диапазона УКВ КПД составляет около 95-100%.

Коэффициентом направленного действия называют отношение мощности, излучаемое в данном направлении, к средней мощности излучения по всем направлениям:

.

Коэффициентом усиления антенны - называют отношение мощности, подводимой к ненаправленной (изотопной) антенне с КПД равным 1, к мощности, подводимой к данной антенне, при условии одинаковой напряженности поля в точке измерения:

.

Коэффициент усиления количественно оценивается в абсолютных или логарифмических единицах. Он всегда меньше КПД и позволяет оценить эффективность излучения и приема сигналов.

9.2. Устройство и принцип действия параболических антенн.

Все антенны можно разделить на две большие группы: излучающие провода и излучающие поверхности. В системах передачи, работающих на частотах свыше 1 ГГц, в качестве антенн используются излучающие поверхности. К категории таких антенн относят однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны, которые широко применяются в системе спутниковой связи.

Однозеркальная параболическая антенна имеет вид рис.88.

рис. 88

где:

1 - параболическое зеркало, выполненное из алюминиевого сплава;

2- облучатель (волноводно-рупорный, спиральный и др.);

3- волновод;

F- фокус;

OF - фокусное расстояние;

2j - угол раскрыва параболоида.

В данной антенне источником ЭМВ является облучатель, т.е. первичная антенна, создающая фронт волн, близкий к сферическому.

Параболический отражатель трансформирует фронт волны в плоский. Благодаря такому преобразованию формируется ДН с достаточно узким главным лепестком, ширина которого определяется:

,

т.е. чем больше диаметр зеркала da по сравнению с длиной волны l, тем выше направленные свойства антенны.

Кроме того, ДН зеркальной антенны зависит от ДН облучателя и формы параболоида (глубины зеркала). Коэффициент усиления такой антенны определяется:

где:

s- площадь раскрыва;

n - коэффициент использования поверхности антенны.

Т.о. G прямо пропорционален площади параболоида и имеет максимальное значение при углах раскрыва 2j = 120-130° и обратно пропорционален l 2.

В реальных параболоидах коэффициент усиления G снижается из-за ряда явлений:

• наличие кросс-поляризации (паразитная поперечная поляризация, вызываемая кривизной силовых линий на зеркале);
• затекание токов на теневую сторону зеркала;
• затемнение зеркала элементами крепления;
• паразитное излучение элементов крепления;
• реакция параболоида (дополнительное рассогласование зеркала и облучателя за счет воздействия отраженной от параболоида волны на облучатель).

Подобные явления вызывают увеличение уровня боковых лепестков.

Частично некоторые из этих эффектов уменьшают за счет:

• выбора оптимальных конструкций антенн:

рис. 89

• применением двухзеркальных антенн.

Достоинством однозеркальной антенны являются ее относительная простота и малая стоимость.

Двухзеркальная антенна состоит (рис.90):

рис. 90

где:

1- основное зеркало;

2- облучатель;

3- дополнительный рефлектор (гиперболическое или эллиптическое зеркало);

4- волновод.

В станциях спутниковой связи получили распространение так называемые двухзеркальные антенны Кассегрена (Голландия, 1672 г.р.) - рис.91.

В этой конструкции 1 фокус гиперболы F1 совпадает с фокусом параболоида, а во 2-м фокусе гиперболы F2 расположен облучатель.

Преимущества двухзеркальной антенны Кассегрена:

• облучатель расположен у вершины главного зеркала, поэтому уменьшается длина волновода (4), а значит, снижаются потери подводимой к облучателю энертгии, а также уменьшается шумовая температура антенн;
• за счет двойного отражения ЭМВ возникает дополнительная степень свободы для формирования требуемой ДН;
• по сравнению с однозеркальной антенной у двухзеркальной - ДН имеет вид рис.91:

рис. 91

т.е. повышен уровень боковых лепестков, но значительно уменьшен уровень задних лепестков, что снижает величину шумов, принимаемых антенной от земли.

Недостатки:

• сложность конструкции;
• затемнение параболоида малым зеркалом;
• значительная реакция малого зеркала на облучатель.

Применением специальных мер можно снизить степень воздействия этих негативных факторов.

9.3. Антенно-фидерные устройства.

Электромагнитная энергия от передающего устройства к антенне и от антенны к приемному устройству передается с помощью фидерного тракта.

В спутниковых системах связи в качестве фидеров используют круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы и коаксиальные кабели. Волноводы в качестве линий передачи СВЧ колебаний, как правило, применяют на частотах свыше 2 ГГц.

Круглые волноводы позволяют передавать две волны, имеющие ортогональные поляризации. Основным типом волн является волна Н01. В отечественной технике нашли применение волноводы диаметром 70 мм, используемые в диапазоне 4, 6, 8 ГГц. Затухание ЭМВ в круглом волноводе зависит от его диаметра и рабочей частоты.

Для волноводов эллиптических - волной основного типа является волна Н01. Конструктивно он представляет собой полую гофрированную трубу, изготовленную из медной отожженной ленты, на которую наложены защитные оболочки. Такие волноводы получили название ЭВГ (эллиптический волновод гофрированный). Они выпускаются для диапазонов 2, 4, 6, 8, 11 ГГц и отличаются друг от друга размерами и затуханием, изготавливаются требуемой длины без фланцевых соединений и, как правило, при транспортировке наматываются на барабан. Недостатком ЭВГ является относительно большое значение коэффициента отражения.

Широкое применение в качестве фидерных трактов нашли волноводы прямоугольного сечения. В них используется основной тип волны Н10. Такие волноводы могут быть жесткой или гибкой конструкции, различной длины. Соединение отрезков волновода осуществляется с помощью фланцев. Подобные волноводы используются в малоканальных СКС в тракте передачи.

Коаксиальные кабели обеспечивают передачу волны типа ТЕМ (плоская поперечная бегущая волна).

Коаксиальные кабели имеют маркировку:

РК-75-18-12 РК- радиочастотный кабель. Где:

• 75- волновое сопротивление, Ом;
• 18- внутренний диаметр внешнего проводника, мм;
• 12- 1- полиэтилен, 2- номер разработки кабеля.

В станциях спутниковой связи коаксиальные кабели используют в тракте приема.

В отдельных конструкциях волноводных трактов может применяться специальная система осушки, предназначенная для осушения воздуха во внутренних объемах волноводов. Такие системы нашли применение в линиях передачи энергии с повышенной мощностью сигнала.

К элементам фидерных трактов, кроме того, относят:

• поляризационные селекторы;
• поляризаторы;
• циркуляторы.

Поляризационный селектор ПС предназначен для разделения или объединения волн с разной поляризацией.

Поляризатор предназначен для преобразования электромагнитной волны с круговой поляризацией в волну с линейной поляризацией и наоборот.

9.4. Методы наведения антенн.

Расположение ИСЗ относительно земной СКС не остается постоянным. Оно обусловлено характером орбиты спутника, несферичностью Земли, неточностью выведения ИСЗ на орбиту и рядом других дестабилизирующих факторов. В то же время напряженная энергетика космических радиолиний вызывает необходимость использования антенн земных станций с большим значением коэффициента усиления. Т.е. используются антенны с узким главным лепестком диаграммы направленности.

Эти обстоятельства требуют достаточно точного наведения антенны на ИСЗ.

С этой целью станции спутниковой связи оснащаются системой управления антенной, предназначенной для ориентации главного лепестка ДН на спутник и его сопровождения.

В настоящее время различают следующие методы наведения антенн:

• ручное наведение;
• программное наведение (дискретное управление антенной по предварительно вычисленным траекторным параметрам);
• автоматическое наведение по сигналам радиомаяка, расположенного на борту спутника, либо по основному сигналу ретранслятора;
• смешанное наведение (комбинация первых 3-х методов).

При ручном наведении функции управления приводом антенного устройства выполняет оператор станции.

Основой метода программного наведения является расчет траектории движения спутника на базе исходных данных, которыми являются параметры орбиты, координаты расположения СКС, время вхождения в связь. Расчет осуществляется с помощью специализированной ЭВМ, имеющейся в комплекте станции.

Метод автоматического наведения - наиболее точный способ сопровождения спутника. Он основан на получении антенной земной станции сигнала радиомаяка со спутника. При этом так называемый сигнал ошибки, т.е. сигнал, характеризующий неточность наведения антенны, может быть выделен различными способами. Например, если антенна СКС точно наведена на ИСЗ, то в волноводном приемном тракте распространяется какой-либо один тип волны. Если есть неточность в наведении, то возникают волны высшего порядка. Сравнивая амплитуды и фазы основной и побочной волн, можно получить сигнал рассогласования антенн СКС и ИСЗ.

Точность такого метода велика - до нескольких тысячных долей градуса.

Наибольшее применение в военных станциях спутниковой связи нашли 1-й и 2-й методы наведения антенн.

Литература.

1. Ю.Н. Пчельников, В.Т. Свиридов "Электроника сверхвысоких частот", Москва "Радио и связь" 1981г.
2. С.И. Баскаков "Радиотехнические цепи и сигналы", Москва "Высшая школа" 1983г.
3. П. Хоровец, У. Хилл "Искусство схемотехники" в двух томах, Москва "Мир" 1986г.
4. И.Р. Геккер, Д.А. Яковлев "Новые типы усилителей", Москва "Энергия" 1966г.
5. Л.Н. Астраханцев и др. "Военные системы многоканальной связи", Ленинград 1979г.
6. М.В. Верзунов "Основы техники радиосвязи", Москва 1972г.
7. Н.Л. Теплов "Теория передачи сигналов по электрическим каналам связи", Москва 1976г.
8. С.В. Бородич Справочник по радиорелейной связи, Москва "Радио и связь" 1981г.
9. В.И. Васильев и др. "Системы связи", Москва "Высшая школа" 1987г.
10. Комплекс космической связи "Кристалл".
11. Б.В. Сергованцев "Параметрические усилители СВЧ", Москва "Советское радио" 1961г.

Скачать

Дата добавления: 2014-01-06