Μάθηµα 6 ο : ορυφορικές κεραίες

Μάθηµα 6 ο : ορυφορικές κεραίες Στόχοι: Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει: Τα βασικά χαρακτηριστικά των δορυφορικών κεραιών Τους σηµαντικότερους τύπους κεραιών που χρησιµοποιούνται στους επίγειους δορυφορικούς σταθµούς και στους δορυφόρους Η µεγάλη ανάπτυξη που γνώρισαν οι δορυφορικές επικοινωνίες τα τελευταία χρόνια, οφείλουν πολλά στη σηµαντική πρόοδο που σηµειώθηκε στην τεχνολογία των κεραιών. Οι δορυφορικές κεραίες παρέχουν τη ζωτικής σηµασίας αµφίδροµη ζεύξη µεταξύ της γης και του δορυφόρου επιτελώντας τις παρακάτω σύνθετες λειτουργίες: Ταυτόχρονη εκποµπή και λήψη τηλεπικοινωνιακών σηµάτων Περιορισµός των παρεµβολών από γειτονικά τηλεπικοινωνιακά σήµατα, επίγεια και δορυφορικά ιaτήρηση ακριβούς σκόπευσης µεταξύ του επίγειου σταθµού και του δορυφόρου Μάθηµα 6 1

Βασικά χαρακτηριστικά των κεραιών Απολαβή ή Κέρδος (Gain) H απολαβή G(θ,φ) µιας κεραίας σε µια συγκεκριµένη διεύθυνση (θ,φ) ορίζεται ως ο λόγος της ακτινοβολούµενης ισχύος ανά µονάδα στερεάς γωνίας, P(θ,φ), στην παραπάνω διεύθυνση, προς την ισχύ ανά µονάδα στερεάς γωνίας που ακτινοβολείται από µια ισοτροπική κεραία που τροφοδοτείται από την ίδια ισχύ P T : G(θ,φ) = P(θ,φ) /(P T /4π) Η µέγιστη απολαβή εµφανίζεται στη διεύθυνση της µέγιστης ακτινοβολίας της κεραίας και είναι: G max = A eff (4π/λ 2 ) όπου Α eff η ενεργός επιφάνεια της κεραίας και λ το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας. Για µια κεραία µε κυκλικό άνοιγµα διαµέτρου D έχουµε Α eff = n (πd 2 /4), όπου n o συντελεστής απόδοσης της κεραίας. Μάθηµα 6 2

ιάγραµµα ακτινοβολίας (radiation pattern) Το διάγραµµα ακτινοβολίας παριστάνει γραφικά τις ιδιότητες ακτινοβολίας (µακρινού πεδίου) µιας κεραίας. Για µια κεραία κυκλικού ανοίγµατος το διάγραµµα ακτινοβολίας παρουσιάζει περιστροφική συµµετρία γύρω από τον άξονα της κεραίας και µπορεί να παρασταθεί εύκολα πάνω σε ένα επίπεδο µε τη χρήση πολικών συντεταγµένων. Το διάγραµµα ακτινοβολίας περιλαµβάνει τον κύριο λοβό (στη διεύθυνση µέγιστης ακτινοβολίας) καθώς και παράπλευρους δευτερεύοντες λοβούς. Στον κύριο λοβό ακτινοβολείται το µεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολούµενης ισχύος της κεραίας. Στους δευτερεύοντες πλευρικούς λοβούς οφείλεται το φαινόµενο των παρεµβολών και για το λόγο αυτό απαιτείται ελαχιστοποίηση της εκπεµπόµενης ισχύος στις διευθύνσεις τους. -45 ο 0 ο 45 ο 135 ο 90 ο 45 ο 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2-90 ο 90 ο 270 ο Κατακόρυφο επίπεδο 0 ο Οριζόντιο επίπεδο -135 ο (α) 135 ο (β) ιάγραµµα ακτινοβολίας κεραίας λ/2 (α) και κεραίας λ/4 (β) Μάθηµα 6 3

Γωνιακό εύρος µισής ισχύος (half power beam width, HPBW) Γωνιακό εύρος του κύριου λοβού του διαγράµµατος ακτινοβολίας µιας κεραίας ορίζεται ως η γωνία µεταξύ των διευθύνσεων στις οποίες η απολαβή µειώνεται στο µισό της µέγιστης τιµής της. Για µια κεραία κυκλικής διατοµής (διαµέτρου D) ισχύει: θ 3db = Nλ/D (%) όπου Ν συντελεστής που εξαρτάται από την κατανοµή της ακτινοβολίας στο επίπεδο της κεραίας (τυπική τιµή 70%) και λ το µήκος κύµατος. ευτερεύοντες λοβοί Κύριος λοβός θ 3db Μάθηµα 6 4

Κεραίες διαστηµικών δορυφορικών σταθµών Η επιλογή των κεραιών στους δορυφόρους εξαρτάται από τον τρόπο που χρησιµοποιείται για τη σταθεροποίηση της θέσης τους. Κεραίες δορυφόρων µε περιστρεφόµενη πλατφόρµα (spin stabilized) Kεραία µε τοροειδές διάγραµµα ακτινοβολίας. Τέτοιου είδους κεραίες χρησιµοποιήθηκαν από τους πρώτους δορυφόρους (Ιntelsat I & II), παρείχαν γενική κάλυψη και χαρακτηρίζονταν από µικρή απολαβή. Kεραία ανάστροφης περιστροφής (de-spun antennas). H δέσµη της κεραίας περιστρέφεται (µηχανικά ή ηλεκτρονικά) µε φορά ανάστροφη της φοράς περιστροφής του δορυφόρου. Κεραίες δορυφόρων µε σταθεροποιηµένη πλατφόρµα (three-axis stabilized)) Kεραία χοάνης. Η απλούστερη κατευθυντική κεραία που χρησιµοποιήθηκε για γενική κάλυψη της Γης. Σήµερα τη συναντάµε να παίζει το ρόλο της κύριας πηγής στις κεραίες ανακλαστήρα. Κεραίες ανακλαστήρα. Οι συχνότερα χρησιµοποιούµενες κεραίες στους δορυφόρους που στηρίζουν τη λειτουργία τους στη χρήση παραβολικού ανακλαστήρα. Η τροφοδοσία του ανακλαστήρα επιτυγχάνεται από κατάλληλη πηγή που τοποθετείται στο εστιακό σηµείο του παραβολοειδούς (αξονοσυµµεττρικά ή µε µετατόπιση) ή χρησιµοποιώντας την τεχνική του διπλού ανακλαστήρα (Cassegrain ή Gregorian). Κεραίες φακού, κεραίες συστοιχίας, ενεργές κεραίες. Μάθηµα 6 5

Κεραίες επίγειων σταθµών Οι κεραίες που χρησιµοποιούνται στους επίγειους σταθµούς ανήκουν στις παρακάτω κατηγορίες: Κεραίες χοάνης Οι κεραίες χοάνης είναι από τις απλούστερες κατευθυντικές κεραίες. Σήµερα χρησιµοποιούνται ως κύρια πηγή τροφοδοσίας στις κεραίες παραβολικού ανακλαστήρα. Κυµατοδηγός (α) Κυµατοδηγός Κεραίες τύπου συστοιχίας µε έλεγχο φάσης Οι κεραίες αυτές αποτελούνται από ένα σύνολο στοιχείων ακτινοβολίας τα οποία τροφοδοτούνται από µια κοινή πηγή. Το συνολικό διάγραµµα ακτινοβολίας προκύπτει από το συνδυασµό του πλάτους και της φάσης που εκπέµπονται από τα στοιχεία ακτινοβολίας. Μπορούµε να πάρουµε µια µορφοποιηµένη δέσµη αν τροφοδοτήσουµε τα στοιχεία ακτινοβολίας µε ειδική κατανοµή πλάτους και φάσης της ισχύος που διατίθεται στην είσοδο της κεραίας, και επίσης να ελέγξουµε δυναµικά τη δέσµη χρησιµοποιώντας κατάλληλους διαιρέτες ισχύος και µετατοπιστές φάσης. Λόγω αυτής της δυνατότητας οι κεραίες αυτές είναι ιδιαίτερα χρήσιµες στην περίπτωση κινούµενων τερµατικών σταθµών. Η χρήση της περιορίζεται από τη σχετικά δύσκολη υλοποίησή της και από το υψηλό κόστος. (β) Παραλληλόγραµµη (α) και κωνική (β) χοανοκεραία Μάθηµα 6 6

Κεραίες παραβολικού ανακλαστήρα Οι κεραίες που χρησιµοποιούνται ως επί το πλείστον στις δορυφορικές επικοινωνίες είναι κεραίες παραβολικού ανακλαστήρα. Κεραίες µε συµµετρικό παραβολικό ανακλαστήρα Η κεραία αυτού του είδους χαρακτηρίζεται από συµµετρία περιστροφής γύρω από τον κύριο άξονά της, πάνω στον οποίο (στηv κύρια εστία) τοποθετείται η κύρια πηγή τροφοδοσίας της κεραίας. Το σφαιρικό κύµα που ακτινοβολείται από την κύρια πηγή µετατρέπεται µε τη βοήθεια του ανακλαστήρα σε ένα επίπεδο κύµα. Η κεραία χαρακτηρίζεται από τη διάµετρο D και την εστιακή απόσταση F. To κυριότερο µειονέκτηµα στις κεραίες αυτού του τύπου είναι ότι τα στηρίγµατα της κεραίας τροφοδοσίας καθώς και η ίδια η κεραία παρεµποδίζουν την εκπεµπόµενη ακτινοβολία, µειώνοντας την απόδοση της κεραίας και αυξάνοντας το επίπεδο των δευτερευόντων λοβών ακτινοβολίας. Χοανοκεραία τροφοδοσίας Παραβολικός ανακλαστήρας Κατεύθυνση εκποµπής Κυµατοδηγός Μάθηµα 6 7

Αξονοσυµµετρικές κεραίες διπλού ανακλαστήρα Οι διαστάσεις στις κεραίες απλού ανακλαστήρα φτάνουν µέχρι περίπου τα 3m, λόγω του µεγάλου µήκους του κυµατοδηγού που απαιτείται για να οδηγήσει την ακτινοβολία από τα µικροκυµατικά κυκλώµατα που βρίσκονται συνήθως πίσω από τον ανακλαστήρα µέχρι την κεραία τροφοδοσίας. Τη λύση στο πρόβληµα αυτό δίνει η χρήση ενός µικρού βοηθητικού ανακλαστήρα. Η χοανοκεραία τροφοδοσίας τοποθετείται τώρα πίσω από τον κύριο ανακλαστήρα. ύο τύποι υποανακλαστήρων χρησιµοποιούνται: a) Tύπου Cassegrain. O υποανακλαστήρας αποτελεί τµήµα ενός υπερβολοειδούς και τοποθετείται στην κύρια εστία του παραβολικού κατόπτρου. β) Τύπου Gregorian. O υποανακλαστήρας στην περίπτωση αυτή αποτελεί τµήµα ενός ελλειψοειδούς και τοποθετείται εκτός της κυρίας εστίας του παραβολικού ανακλαστήρα. Παραβολικός ανακλαστήρας Παραβολικός ανακλαστήρας Κατεύθυνση εκποµπής Κατεύθυνση εκποµπής Χοανοκεραία τροφοδοσίας Υποανακλαστήρας Χοανοκεραία τροφοδοσίας Υποανακλαστήρας α) Cassegrain α) Gregorian Μάθηµα 6 8

Ασύµµετρες κεραίες (offset) παραβολικού ανακλαστήρα Οι αξονοσυµµετρικές παραβολικού ανακλαστήρα που µελετήσαµε παραπάνω χρησιµοποιούνται ευρέως λόγω της απλής γεωµετρίας και της µηχανικής σταθερότητας που παρουσιάζουν. Παρ όλα αυτά, η απόδοση των κεραιών αυτών περιορίζεται από τα φαινόµενα «φραγµού» που υφίσταται η ακτινοβολία από τη χοανοκεραία τροφοδοσίας ή τον υποανακλαστήρα κατά περίπτωση. Η ασύµµετρη τοποθέτηση της κυρίας πηγής τροφοδοσίας (άµεσα ή µε τη χρήση βοηθητικού ανακλαστήρα) σε σχέση µε τον άξονα του παραβολοειδούς απαλείφει τα προβλήµατα φραγµού της ακτινοβολίας. Προς το παρόν, αυτός ο τύπος κεραίας χρησιµοποιείται για κεραίες µε µικρή διάµετρο (1-4m), ενώ στις µεγάλες κεραίες προτιµάται η τοποθέτηση τύπου Cassegr;ain.δίνει τη δυνατότητα τοποθέτησης µικροκυµατικού ται εκτός της κυρίας εστίας του παραβολικού ανακλαστήρα. Παραβολικός ανακλαστήρας Κατεύθυνση εκποµπής Χοανοκεραία τροφοδοσίας Kυµατοδηγός Μάθηµα 6 9