Спутниковая связь — это метод беспроводной связи, в котором в качестве средства связи используются спутники. В процессе общения с клиентами и друзьями я часто сталкиваюсь с тем, что клиенты и друзья не очень хорошо понимают некоторые термины в спутниковой связи. Позже мы несколько раз представим соответствующие знания о спутниковой связи очень популярными словами. Мы стремимся сделать их на 100% понятными, даже если у вас нет профессионального технического образования в сфере связи или электроники.
На этот раз мы стремимся представить фазированные антенные решетки спутниковой связи самым популярным способом.
Прежде чем представить фазированные антенные решетки, давайте сначала кратко поговорим о наиболее часто используемых параболических антеннах в спутниковой связи.
параболическая антенна
Основные принципы параболических антенн
Вот изображение параболической антенны:
С этим должен быть знаком каждый. В таких областях, как прямое телевидение и оказание помощи при стихийных бедствиях, мы часто видим параболические антенны такого типа, используемые для спутниковой связи. По внешнему виду параболическая антенна выглядит как перевернутый горшок, поэтому в отрасли ее также широко называют «антенной с лапшой».
Поверхность параболической антенны представляет собой изогнутую поверхность. О направленности изогнутых поверхностей мы узнали еще в средней школе. Квадрикическая поверхность имеет определенный фокус. Все спутниковые сигналы, параллельные осям, которые освещаются на изогнутой поверхности, будут сфокусированы в фокусе изогнутой поверхности, как показано на рисунке ниже.
Тогда, если мы поместим антенный фидер (который можно рассматривать как приемник сигнала) в фокусе искривленной поверхности, то мощность спутникового сигнала, принимаемого этим фидером, можно рассматривать как мощность всех спутниковых сигналов, которые параллельны к изогнутой поверхности и.
Таким образом усиливается мощность принимаемого спутникового сигнала. Здесь есть специальный термин — коэффициент усиления антенны, под которым можно понимать коэффициент усиления сигнала антенной. Из приведенного выше анализа мы можем знать, что усиление параболической антенны связано с площадью изогнутой поверхности. Чем больше площадь криволинейной поверхности, тем больше спутниковых сигналов падает на криволинейную поверхность, тем сильнее мощность сигнала, сконцентрированная в фокусе криволинейной поверхности, и тем больше коэффициент усиления (усиления) спутникового сигнала на антенна.
Советы: Коэффициент усиления (усиления) антенны пропорционален квадрату площади порта антенны.
параболическая антенна к звезде
Для достижения цели параболической антенны по усилению мощности спутникового сигнала ось параболической антенны должна быть совмещена со спутником. Потому что, если параболическая антенна не совмещена со спутником, даже если сигнал спутника освещается на поверхности горшка, путь сигнала не будет параллелен оси, и нет никакой гарантии, что все падающие сигналы будут сосредоточены в фокусе. .
Так как же обеспечить совмещение параболической антенны со спутником? Антенна установлена на сервоповоротной платформе, которая может вращаться по трем степеням свободы: по азимуту, шагу и поляризации, приводимая в движение двигателем. Вращая поворотный стол, параболическую антенну можно совместить со спутником.
Следовательно, параболическая антенна имеет 2 характеристики:
Антенна должна быть совмещена со спутником посредством механического вращения поворотного стола. Скорость реакции антенны на спутник зависит от механической конструкции сервопривода проигрывателя.
Высота антенны относительно большая. Например, для антенны диаметром 0,6м диаметр антенны 0,6м плюс высота проигрывателя должны превышать 0,6м. Например, бортовая антенна ниже.
фазированная антенная решетка
Давайте взглянем на другую форму антенны спутниковой связи: антенну с фазированной решеткой. Ниже приведено изображение фазированной антенной решетки:
Из рисунка мы видим, что существуют очевидные различия между фазированными антенными решетками и параболическими антеннами:
- Механическая трансмиссия отсутствует;
- Высота антенны небольшая.Основные принципы работы фазированных антенных решеток
Механической передачи для вращения антенны нет, так как же фазированная антенная решетка выравнивается со спутником? Здесь мы поговорим об основных принципах работы фазированных антенных решеток. Некоторые друзья наверняка слышали о таких технических параметрах, как компоненты T/R, фазовращатели, электрическое сканирование, сканирование луча, внеосевой угол, время сканирования и т. д. Ниже мы поговорим об основных принципах работы фазированных антенных решеток. Использование Самый простой текст объясняет основные принципы работы фазированных антенных решеток.
Обычно фазированные антенные решетки для спутниковой связи состоят из десятков, сотен или даже тысяч антенных элементов. Давайте сначала посмотрим на ситуацию с элементом двухантенной решетки. Точно так же, как на картинке ниже.
На этом изображении две антенны установлены рядом. Расстояние между двумя антеннами фиксировано. Для его обозначения мы используем d, которое обычно составляет половину длины волны.
Какова длина волны? Длина волны = частота сигнала/скорость распространения электромагнитной волны. Если частота равна 12 ГГц, а скорость распространения электромагнитной волны составляет 3*10^8 м/с, то длина волны сигнала равна 0,025 м.
Спутниковые сигналы падают на две антенны. Из-за разного положения двух антенн фазы сигналов, принимаемых двумя антеннами, также будут разными. Например, сигнал, принимаемый антенной 1, имеет вид S1=Asin(ψ1), а сигнал, принимаемый антенной 2, — S2=Asin(ψ2). Какова разность фаз между S1 и S2 Δψ=ψ2-ψ1?
Поскольку расстояние между двумя антеннами фиксировано и равно d, если известен угол падения θ спутникового сигнала, то мы можем вычислить разницу расстояний между сигналом, полученным антенной 2, и сигналом, полученным антенной 1 = d* грех θ.
Когда мы знаем частоту f спутникового сигнала, мы знаем длину волны λ сигнала, а затем мы можем преобразовать разницу расстояний в разность фаз Δψ=ψ2-ψ1= 2π * d* sin θ/λ.
Что произойдет, если мы напрямую сложим сигнал S1, полученный антенной 1, и сигнал S2, принятый антенной 2?
Согласно знаниям о тригонометрических функциях, полученным в средней школе, мы знаем, что, поскольку между двумя синусоидами существует разность фаз, амплитуда суммы после сложения должна быть <2А, что выражается следующей формулой:
Asin(ψ1) +Asin(ψ2) =2A*sin((ψ1+ψ2)/2)*cos((ψ1-ψ1)/2).
А сейчас давайте подумаем об этом. Если мы примем метод, который может устранить разность фаз между S1 и S2 и сделать фазу S2 такой же, как фаза S1, ψ1 = ψ2, на этот раз S1 и S2 все еще будут прямыми. Сложите их вместе, и что произойдет?
S1+S2=2*Asin(ψ1).
Очевидно, что в этот момент сигнал S1, принятый антенной 1, и сигнал S2, принятый антенной 2, складываются напрямую, а амплитуда равна 2А, поэтому мы усиливаем амплитуду сигнала в 2 раза.
Хорошо, как мы можем сделать фазу S2 согласованной с фазой S1 в инженерном деле? Здесь мы используем фазовращатель. Фазовращатель, как следует из названия, представляет собой модуль, который может сдвигать фазу сигнала. Нам не нужно беспокоиться о том, как конкретно работает фазовращатель, нам просто нужно знать:
Фазовращатель может перемещать фазу сигнала, а величину фазового сдвига можно контролировать.
Мы смотрим на картинку ниже. Мы добавили фазовращатели на заднем конце антенны 1 и антенны 2. Контролируя значения фазы сигнала, перемещаемые двумя фазовращателями, мы можем заставить сигнал S1 проходить через фазовращатель 1. Фаза равна фазе сигнала S2, проходящего через фазовращатель 2. Затем после фазовращателя мы суммируем два сигнала, и амплитуда результата сложения составляет 2А.
Выше приведен простейший случай с двумя антеннами. Что, если это 4 антенны, 16 антенн, 256 антенн или 512 антенн? На самом деле они все одинаковые. Антенны расположены по определенным правилам, а расстояние d между антеннами фиксировано и известно. За каждой антенной подключен фазовращатель. Например, имеется 4 фазовращателя, 16 фазовращателей, 256 фазовращателей и 512 фазовращателей. Затем используйте определенную антенну в качестве эталона (предполагается, что это антенна № 1), отрегулируйте значения фазы фазовращателей, соответствующих другим антеннам, так, чтобы сигналы, выдаваемые всеми фазовращателями, имели одинаковую фазу, и, наконец, сложите Амплитуда всех сигналов составляет 4 А, 16 А, 256 А, 512 А, сигнал усиливается в 4, 16, 256 и 512 раз.
То есть спутниковый сигнал под этим углом падения усиливается в N раз.
Из-за различий в производственных процессах, местах установки, характеристиках устройств и т. д. возникают отклонения по амплитуде и фазе каждого антенного блока и радиочастотной составляющей. Необходимо компенсировать амплитуду и фазу каждой ветви приема сигнала. Требуется фазовый сдвиг каждого канала. Сигналы после усилителя умножаются на коэффициент усиления для компенсации амплитуды сигнала.
Следовательно, мы можем получить простейшее структурное представление фазированной антенной решетки следующим образом:
Теперь, с развитием технологии интегральных схем, эти устройства превращены в микросхемы, и нет необходимости использовать для их создания радиочастотные аналоговые устройства, как это было раньше.
Малошумящий усилитель в передней части изображения присутствует во всех антенных системах и не имеет ничего общего с принципом фазированной решетки.
Вышеизложенное является основным принципом работы фазированной антенной решетки. Регулируя фазу фазовращателя, изменяется фаза падающего сигнала и изменяется амплитуда падающего сигнала. В конечном итоге формируется максимальное усиление по направлению. угла падения.
Если спутник находится точно в направлении угла падения фазированной антенной решетки, то максимальное усиление спутникового сигнала усиливается.
Управление фазированной антенной решеткой
Из приведенного выше введения мы знаем, что антенна с фазированной решеткой регулирует фазу фазовращателя, и этот процесс регулировки связан с углом падения спутникового сигнала. Если определен угол падения спутникового сигнала и определена частота спутникового сигнала, то мы можем рассчитать фазу фазовращателя фазированной антенной решетки, тем самым управляя фазированной антенной решеткой так, чтобы она имела максимальное усиление сигнала в направление угла падения текущего сигнала.
Другими словами, пока мы сообщаем фазированной антенной решетке угол падения и частоту спутникового сигнала, антенна с фазированной решеткой будет достигать максимального усиления в направлении угла падения. На отраслевом языке это можно выразить так: луч, генерируемый фазированной антенной решеткой, направлен на спутник, и спутниковый сигнал получает максимальное усиление.
Что делать, если угол падения спутникового сигнала изменился из-за изменения положения платформы, на которой расположена антенна? Мы можем вычислить угол падения спутникового сигнала при новом положении, а затем сообщить фазированной антенной решетке новый угол падения. Антенна с фазированной решеткой сформирует максимальный коэффициент усиления в направлении нового угла падения, что означает новый угол падения. Луч по-прежнему направлен на спутник.
Основной процесс управления фазированной антенной решеткой можно просто представить на следующем рисунке:
- Угол падения спутникового сигнала можно рассчитать по положению спутника, положению антенны и положению (азимуту, тангажу, крену) антенной платформы.
- Контроллер антенны получает информацию об угле падения спутникового сигнала и частоте сигнала, а контроллер антенны управляет внутренней схемой антенны для изменения фазы фазовращателя.
Ниже приводится видео слежения и управления антенной на поворотной ступени с 6 степенями свободы на этапе разработки прототипа принципиальной антенны с фазированной решеткой компании. Мы видим, что сама антенна не имеет какой-либо механической сервоконструкции, и между антенной и платформой нет относительного движения. Электронное сканирование используется для поддержания луча антенны на одном уровне со спутником.
Преимущества и недостатки фазированных антенных решеток
Преимущество
- Низкая высота, низкий профиль, низкие требования к высоте установки, особенно подходят для воздушных и других сценариев с ограниченным пространством для установки;
- Благодаря электронному сканированию скорость ответа высокая.
Вообще говоря, время переключения угла наведения луча фазированной антенной решетки с одного угла на другой составляет менее 1 мс. Это далеко не сравнимо с параболической антенной с механическим сканированием, поскольку параболическая антенна переключает прямой угол наведения антенны. полагаться на двигатель, который приводит во вращение шестерню.
Антенны с фазированной решеткой особенно подходят для высокоманевренных носителей, таких как самолеты, которые маневрируют на высоких скоростях. Кроме того, в низкоорбитальной системе спутниковой связи из-за большой скорости движения низкоорбитальных спутников и большого времени отклика параболической антенны сложно отслеживать низкоорбитальные спутники. спутники используют антенны с фазированной решеткой, такие как наземная система Starlink. Приемная антенна представляет собой антенну с фазированной решеткой, как показано ниже:
недостаток
расходы
Если вы хотите добиться такого же усиления антенны, стоимость фазированной антенной решетки будет намного дороже, чем параболической антенны.
Влияние малого угла возвышения
Антенны с фазированной решеткой имеют особенность: усиление наибольшее в нормальном направлении антенны (то есть в направлении, перпендикулярном поверхности антенны). По мере того, как угол падения становится все дальше и дальше от нормального направления, усиление становится все меньше и меньше. . Если спутник находится непосредственно над антенной, падающий сигнал со спутника соответствует нормальному направлению антенны, а усиление фазированной антенной решетки максимально. Если спутник не находится прямо над антенной, а падающий сигнал от спутника отклоняется от нормального направления антенны под углом, то коэффициент усиления фазированной антенной решетки уменьшается. Чем больше угловое отклонение, тем коэффициент усиления антенны снижается. уменьшается. Угол между падающим сигналом спутника и нормальным направлением антенны в промышленности называется «внеосевым углом».
Когда внеосевой угол равен 60 градусам, для сигналов, падающих под этим углом, усиление антенны будет уменьшено на 4 дБ относительно усиления в нормальном направлении. Это особенность самой фазированной антенной решетки и не может быть. быть преодолено.
В качестве примера возьмем спутник на высокой орбите. Если антенна с фазированной решеткой находится вблизи экватора, внеосевой угол между нормальным направлением спутника и антенны мал, а усиление антенны велико. По мере увеличения широты внеосевой угол между спутником и нормальным направлением антенны становится все больше и больше, а коэффициент усиления антенны становится все меньше и меньше. Поэтому в высоких широтах использование фазированных антенных решеток ограничено. ограничения.
Следовательно, когда мы используем фазированную антенную решетку, нам необходимо рассчитать внеосевой угол фазированной антенной решетки в соответствии с площадью, используемой пользователем, а затем оценить значение уменьшения усиления антенны на основе внеосевого угла. При составлении бюджета спутниковой связи оставьте достаточный запас.