книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ
.pdfCD
*
to
Т а б л и ц а 1
План частотных диапазонов различных радиослужб ФРГ по состоянию на 1 января 1964 г.
Космическая радиосвязь
I Спутники связи
2Мавигационные
спутники
^Метеорологи
ческиеспутни |
|
|
|
|
ки |
щ от т 33005-30010, |
|||
4.Исследования |
||||
и и |
I |
ЩЖ-ЩЩ2 |
||
|
1Щ..Д010 |
вПрочиевиды связи--
а) Телеметрия далекогокос-
моса
б)Телеулравление
в)Олределение траекторий
вкосмосе
г)Опознавате-
30,005-30,ОЮ
|
|
|
|
|
4,4-4] |
72509,750 |
Щ Щ 05 |
щз-ж |
т р |
|
|
14,3-14,4 |
|
|
|
|
|
|
73: |
|
13Н38 |
|
40005^Ш4^470 |
(65$!477-1,79 |
|
7,2-Щ[§75-Ш25 |
|
143БЧ4Ш |
U |
|
|
|
315-322 |
|
тющ-щ! 40405-40! М М 1,7-1712Д-23 |
5Р65Д5т о ШЩ35 3!-3/,3342-352 |
|||||
/щ т |
|
1525-1,540 |
|
|
Ш |
|
13Й37 |
^6Н)з40Н02 |
Д« |
3,М2 |
|||
Щ |
7 Щ \ |
|||||
|
|
|
|
229-22 |
4,4-43 7123.13\ |
|
14325-1542 |
|
].7-7]t |
ШнЩбЗ] |
|||
|
I |
' 73-т |
||||
ms-mps |
|
|||||
!ЗШ |
\z6W 3 401-402 |
152?!540 |
34-42 |
|
||
|
|
|
|
229-22 |
|
д)Ответчики |
I |
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
го.оо7*зш |
|
132-136 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Авиационная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т-т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
радиосвязь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т * |
|
|
|
|
|
Авиационная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
радионавигация |
|
|
|
|
|
|
|
1,54-1,66 |
|
Щ 4 |
|
154-157 |
|
|
|
Радиолюбители |
|
|
144-/46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скал связь |
3 |
4 |
5 6 7 8 9 |
2 |
3 |
4 |
5 6 789 |
2 |
3 |
4 |
5 6 |
789 |
3 |
4 |
5 6 789 |
|
|||||||||||||||
ЮМгц |
|
/ООМгц |
|
|
|
ЮООМец |
|
|
|
ЮГгц |
|
|
ЮОГгц |
б) Пассивные спутники связи
В принципе пассивные спутники, как уже отмечалось, представляют собой отражающие тела. В простейшем случае такой спутник является сферическим баллоном,
|
|
|
который |
имеет |
металли |
||||||
|
|
|
зированную и поэтому хо |
||||||||
|
|
|
рошо отражающую внеш |
||||||||
|
|
|
нюю |
оболочку |
|
(спутник |
|||||
|
|
|
связи «Эхо-1»). Попа |
||||||||
|
|
|
дающее |
на |
него |
электро |
|||||
|
|
|
магнитное |
излучение бла |
|||||||
|
|
|
годаря |
сферической фор |
|||||||
|
|
|
ме |
равномерно |
рассеи |
||||||
|
|
|
вается |
по |
всем |
направ |
|||||
|
|
|
лениям. |
|
Мощность, при |
||||||
|
|
|
нимаемая |
|
на Земле, |
мо |
|||||
|
|
|
жет |
быть |
вычислена |
по |
|||||
|
|
|
формуле |
|
радиолокации |
||||||
|
|
|
(129). Рис. 77 показыва |
||||||||
|
|
|
ет, |
какая |
мощность |
(в |
|||||
|
|
|
ваттах |
на килогерц поло |
|||||||
|
|
|
сы частот) |
необходима на |
|||||||
Диаметрназемной |
|
разных |
частотах |
и |
при |
||||||
|
разных |
размерах антенн |
|||||||||
антенны,м |
|
||||||||||
Рис. 77. Мощность |
передатчика |
[13]. |
При |
диаметре спут |
|||||||
ника около 30 м, |
рабочей |
||||||||||
на килогерц полосы |
частот |
для |
|||||||||
пассивного спутника с орбитой на |
частоте |
2 |
Ггц |
и |
диамет |
||||||
высоте 4800 км. |
|
ре параболической антен |
|||||||||
Предполагается, что затухание при рас |
ны на |
Земле 37 |
м пере |
||||||||
пространении в свободном пространстве |
|||||||||||
равно 2X177 дб, собственные |
шумы |
датчик |
|
должен |
давать |
||||||
приемника —208,8 дб*вт1гц и отношение |
около 130 |
вт на килогерц |
|||||||||
ссигнал/шум» при передаче—15 дб. Па* |
|||||||||||
раметрами являются диаметр спутника |
ВЧ-полосы |
частот. |
Эти |
||||||||
(шар) и рабочая |
частота. |
|
|||||||||
|
|
|
данные |
справедливы |
для |
спутника, находящегося на высоте 4800 км. В случае применения при модуляции широкополосного преобра зования можно перейти от канала связи с общей поло сой 4 Мгц к высокочастотной полосе 24 Мгц; при этом можно ожидать понижения уровня шумов примерно на 40 дб. Такая передающая система предполагает исполь зование на наземной станции передатчика мощностью 3000 кет. Если же принять частоту передатчика равной 8 Г’гц, то при сохранении той же напряженности поля в
132
точках приема необходимую мощность передатчика можно уменьшить до 188 кет. Здесь предполагается, ко нечно, сохранение равной эффективности антенн и пре небрежение затуханием волн в атмосфере. Наблюдения по приему сигналов с помощью пассивного спутника связи «Эхо-1» показали, что он только условно может считаться пригодным для многоканальных широкопо лосных телефонных или телевизионных передач. Кроме того, что затухание на трассе передачи оказывается значительным, наблюдается еще и искажение сигналов при многоканальной связи; полоса частот к тому же по порядку величины обратно пропорциональна разности времен распространения сигналов, отражающихся от разных участков спутника, которая соответствует диа метру баллона.
Вместо одного или нескольких больших спутников можно запустить на траектории с высотой от 3000 до 5000 км над Землей очень большое количество частотноизбирательных вибраторов в виде металлических иго лочек (проект «West Ford»). Эта система, распреде ленная в космосе по множеству траекторий, представляет собой диффузный отражатель, с помощью которого можно было бы осуществлять радиосвязь между двумя или многими наземными станциями. Но такая система представляет, однако, лишь принципиальный интерес, поскольку ей свойственны недостатки, исключающие воз можность практического применения. Из-за довольно хаотического распределения отражателей в космическом пространстве и движения каждого из них с различными скоростями этой системе, даже, при очень узкополосном сигнале, присущи искажения и шумы. Кроме того, ма ленькие иголочки отражают не только радиоволны, но и световое излучение, приходящее из космоса; это затра гивает уже интересы радиоастрономии и визуальной астрономии.
в) Активные спутники связи
Намного перспективнее пассивных спутников связи активные спутники. Сигнал, посылаемый наземной стан цией, воспринимается приемо-передающим устройством спутника, усиливается и излучается повторно. Поскольку неусиленный сигнал проходит только путь от наземной
133
станции до спутника и не должен возвращаться, зату хание на трассе распространения здесь много меньше, чем в системе передачи с пассивным спутником.
Достигаемое при передаче с наземной станции на спутник отношение «сигнал/шум» много больше, чем при передаче со спутника на наземную станцию. Эта раз ница существует потому, что, с одной стороны, мощность передатчика наземной станции на много порядков боль ше достижимой мощности ретраисляторного передат чика на спутнике и, с другой стороны, передающая антенна наземной станции много больших размеров и имеет, соответственно, больший выигрыш, чем это мо жет быть обеспечено на спутнике. В качестве примера активной системы передачи рассмотрим спутник связи «Телестар» [14], который был запущен на свою орбиту вокруг Земли 10 июля 1962 г. Наиболее удаленная точка
этой траектории — 5600 км, самая близкая — 950 км.
|
Данные наземной станции |
||
|
Передатчик |
|
|
Мощность передатчика . |
|
Р |= 2 кет (63 дбм) |
|
Частота |
|
|
/=6390 Мгц |
Геометрическая поверхность антенны |
(А= 4,7 см) |
||
Л, =334,5 м2 |
|||
Коэффициент эффективности |
|
4 = 0,7 |
|
Эффективная поверхность антенны |
Л = 234 м2 |
||
Выигрыш антенны |
|
|
G, = 60 дб |
Потери в подводящем тракте |
|
Lz = 1 дб |
|
Основная полоса частот |
. |
В/, = 3 Мгц |
|
ВЧ-полоса частот |
. . |
В = 25 Мгц |
|
Размах качания частоты (девиация) тракта |
Д/ = 14 Мгц |
||
сигнала изображения |
|
||
|
Приемник |
|
|
Выигрыш приемной антенны |
|
G2 = 57,5 дб |
|
Потери в подводящем тракте . |
|
Lz = 1 дб |
|
Эквивалентная шумовая температура при- |
Т0«50° К |
||
емника |
|
|
Данные ретранслятора на спутнике
Выигрыш приемной антенны . Выигрыш передающей антенны Шум-фактор приемника . . .
Шумовая температура приемника Мощность передатчика .
Частота передатчика .
G3 = 0 дб
G4 = 0 дб п = 13 дб Т0= 300° К
Р2 — 2 вт
f = 4169,7 Мгц (А-= 7,2 см).
134
С учетом этих данных можно для трассы передачи Земля — Спутник протяженностью 9270 км получить сле дующие соотношения.
По формуле (90) вычисляется затухание в свободном пространстве (основное затухание при передаче):
L0 = 20 ig .4jt' • 1° 6 = 1 8 8 дбт |
(98) |
При этом затухание передачи (92) будет равно
LB= L0 + L , - G , - G 3 = 188+ 1 - 6 0 - 0 = 129 дб. (99)
Мощность несущей ВЧ на входе приемника спутника
РЕ = Р \~ Lu= 63 - 129 = - 6 6 дбм. |
(1 0 0 ) |
Мощность шумов приемника на спутнике при ширине ВЧ-полосы 25 Мгц
PR= nkT0B = 20 • 1,38 • 10" 23 ■300 • 25 • 106 «
« 2,05 • 10" 12 вт~ - 8 7 дб. (101)
Отношение ВЧ-мощности сигнала к мощности шума (от ношение «сигнал/шум»), являющееся мерой качества передачи, с учетом определенных выше величин равно
LTR —Ю lg -75^ -= - 6 6 - ( - 8 7 ) = 21 дб. |
(102) |
Это значение на 9 дб превышает рекомендованный порог 12 дб, ниже которого не должно быть отношение «сиг-
иал/шум» при частотной модуляции.
При расчете соотношений, характеризующих пере дачу со спутника на наземную станцию, необходимо учесть, что спутник излучает на частоте, отличной от частоты наземного передатчика; поэтому здесь полу чится другое значение затухания в свободном простран стве, так же как и другой выигрыш антенны.
Вычисленное по формуле (92) затухание передачи равно
La= L0— G2 + Lz = 184 — 57,5 + 1 = 127,5 дб. (103)
Мощность несущей ВЧ на входе приемника наземной станции составляет
РЕ= Р2 - Lu= 33 -127,5 = - 94,5 дбм. (104)
135
Мощность шумов приемника при ВЧ-полосе 25 Мгц равна
PR= nkTQB = 1,38 • |
10“23 • 50 • 25 • 106 = |
|
= |
1,725 • КГ14 вт= - 107,65 дбм. |
(1(5) |
Для отношения «сигнал/шум» при этом имеем значение
LTR = Ю lg |
= — 94,5 - ( - 107,65) = 13,15 |
дб. |
(106) |
|||
Эта |
величина |
лежит |
близко |
к пороговому |
значению |
|
12 |
дб, так что |
при |
отношении |
«сигнал/шум», равном |
||
13,15 дб, уже нельзя гарантировать безупречную |
радио |
передачу. В принципе отношение «сигнал/шум» можно улучшить путем уменьшения размаха качания частоты в приемнике (применением обратной связи по частоте, ОСЧ). Однако этого улучшения легче достигнуть повы шением мощности передатчика и выигрыша антенны, а также применением приемников с особо низким уровнем собственных шумов (молекулярный усилитель, напри мер).
На. практике, если это выполнимо, стремятся исполь зовать одновременно все четыре возможности (повыше ние мощности передатчика, увеличение выигрыша антен ны, применение по возможности малошумящих прием ников, ОСЧ).
На рис. 78 показана конструкция спутника связи «Телестар»; он имеет форму шара, диаметром 86 см и весом 78 кг. Его эллиптическая орбита наклонена к экватору под углом 45°. Перигей орбиты около 930 км, апогей — примерно 5600 км. Приемо-передающие антен ны расположены в форме двух колец по экватору спут ника. Благодаря кольцеобразному расположению излу чателей достигается известная направленность и отсюда следует необходимость стабилизировать положение спут ника в пространстве таким образом, чтобы центр Земли Лежал в плоскости, проходящей через экватор спутника. Это достигается тем, что спутнику придается вращение вокруг собственной оси и с помощью телеуправления, связанного с магнитным полем Земли, проводится, в ограниченных пределах, корректировка положения спут ника. Используемые для телеуправления антенны можно видеть на рис. 78: это спирали, выступающие из спут-
136
стара», составляет примерно 4000 Мгц. Антенна устрой ства телеуправления выполнена в виде кольца. Элиптическая орбита спутника наклонена к экватору под углом 50°. Точка перигея удалена примерно на 1500 км от
Земли, апогей — на 5500 км. Так же как у «Телестара», мощность передатчика спутника «Релей» определяется мощностью солнечных батарей.
г) Наземные станции связи
Блок-схема наземной станции связи со спутниками показана на рис. 80. Применение переходного устройства позволяет и передатчику, и приемнику работать с одной
138
Спутнин
Рис. 80. Блок-схема наземной станции радиосвязи со спутниками.