СПОСОБ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧАСТОТ В СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ КОРРЕЛЯЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЭЛЛИПСОВ Российский патент 2003 года по МПК H04B7/00 

Изобретение может применяться в области спутниковой и радиорелейной связи.

Известен способ повторного использования частот в системах спутниковой связи посредством применения сигналов с взаимно перпендикулярной линейной поляризацией (Вуд П. Анализ и проектирование зеркальных антенн: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984, с.11).

Недостатки указанного способа: необходимость точного ориентирования и удержания в процессе эксплуатации плоскости поляризации спутниковых и наземных антенн, низкие уровни достижимых развязок на частотах до 10 ГГц из-за эффекта Фарадея в атмосфере Земли.

Наиболее близким аналогом к данному изобретению является способ повторного использования частот посредством применения сигналов с круговой поляризацией левого и правого направления вращения (Bennet S., Braverman D. Intelsat VI a сontinuing еvolution // Proc. of the IEEE, 1984, v.72, 11, p. 1457-1468).

Недостатком указанного способа является сложность создания спутниковых и наземных антенн с достаточно низкими уровнями кроссполяризационного излучения в широких диапазонах частот.

Сущность изобретения
В системах спутниковой связи с повторным использованием частот путем применения поляризации, передающие антенны излучают сигналы левого и правого направления вращения вектора напряженности электрического поля. На выход приемной антенны (фиг.1), предназначенный для правой поляризации, преимущественно попадет сигнал правой поляризации. Кроме того, на этот же выход попадет и сигнал левой поляризации, который будет шумовым для основного сигнала. Отношение уровней сигналов противоположных направлений вращения, попадающих на выход приемной антенны, называется поляризационной развязкой. Для обеспечения качества связи на частотах, использующихся дважды, необходимо иметь высокую развязку сигналов разного направления вращения. Цель данного изобретения - повышение этой развязки без существенного усложнения антенных систем.

Если на частоте, которая используется дважды, ориентировать большую ось эллипса поляризации антенны на прием с определенной точностью перпендикулярно большой оси эллипса поляризации падающей волны противоположного направления вращения, а их коэффициенты эллиптичности (Кэ) с определенной точностью сделать равными, то развязка будет тем больше, чем точнее ориентирована ось и чем ближе величины Кэ. Антенна и волна могут иметь эллиптическую поляризацию (признак 1), являющуюся промежуточной между линейной и круговой. У линейной Кэ равен нулю, а у круговой - единице.

Проделав указанные выше операции над каждой антенной в режиме приема (фиг. 2), получим высокую развязку во всей системе связи (признак 2). Причем уравниваемые Кэ на разных частотах и поляризациях могут не совпадать.

Проделать эти операции без существенного усложнения антенных систем можно, если:
а) большие оси эллипсов поляризации противоположных направлений вращения приемной антенны, работающей на двух поляризациях, с определенной точностью ориентировать перпендикулярно (признак 3);
б) большие оси эллипсов поляризации противоположных направлений вращения передающей антенны, работающей на двух поляризациях, с определенной точностью ориентировать перпендикулярно (признак 4);
в) большие оси эллипсов поляризации приемопередающих антенн на прием и передачу с определенной точностью ориентировать перпендикулярно или параллельно (признак 5).

Применение способа повторного использования частот корреляцией параметров поляризационных эллипсов обеспечивает получение следующих технических результатов:
а) повышение уровня поляризационной развязки в широких диапазонах частот приема и передачи;
б) уменьшение потерь из-за несогласованности по поляризации;
в) возможность использования простых конструкций антенн эллиптической поляризации;
г) возможность при установке настраивать наземную антенну по развязке на передачу настройкой развязки на прием;
д) снижение требований по точности ориентации антенн при эксплуатации (по сравнению с антеннами линейной поляризации).

Перечень чертежей
На фиг.1 изображена антенна в режиме приема и две падающие волны правого и левого направления вращения. Цифрами обозначены:
1 - антенна в режиме приема;
2 - выход антенны правой поляризации;
3 - второй порт антенны;
4 - поляризационный эллипс антенны правой поляризации (Кэ₁);
5 - угол Ψ между большими осями поляризационных эллипсов правого направления вращения волны и антенны;
6 - угол Ψ′ между большими осями поляризационных эллипсов правой поляризации антенны и левого вращения волны;
7 - поляризационный эллипс волны правого направления вращения (Кэ₂);
8 - поляризационный эллипс волны левого направления вращения (Кэ₂).

На фиг. 2 изображена система спутниковой связи с коррелированными параметрами поляризационных эллипсов. Цифрами обозначены:
9 - спутник;
10 - приемная антенна;
11 - передающая антенна;
12 - перпендикулярные эллипсы правой и левой поляризации приемной антенны;
13 - перпендикулярные эллипсы правой и левой поляризации передающей антенны;
14 - атмосфера;
15 - перпендикулярные эллипсы поляризации излученных наземными станциями волн правого и левого направления вращения;
16 - перпендикулярные эллипсы поляризации излученных спутниковой антенной волн правого и левого направления вращения после прохождения атмосферы;
17 - наземная станция: передача и прием - правая поляризация;
18 - наземная станция: передача - левая поляризация, прием - правая;
19 - наземная станция: передача - правая поляризация, прием - левая;
20 - наземная станция: передача и прием - левая поляризация.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
Возможность осуществления изобретения продемонстрируем на примере системы спутниковой связи, имеющей в своем составе несимметричные зеркальные антенны: спутниковую приемную, работающую на двух поляризациях, спутниковую передающую, работающую на двух поляризациях, и множество наземных приемопередающих.

Коэффициент мощности, извлекаемой приемной антенной из падающей на нее волны, за счет несогласованности эллипсов поляризации равен:

где к(х, у, z) - коэффициент мощности, как функция трех аргументов;
Кэ₁ - коэффициент эллиптичности антенны;
Кэ₂ - коэффициент эллиптичности волны;
Ψ - угол между большими осями поляризационных эллипсов антенны и волны. Если направления вращения электрических векторов антенны и волны совпадают, берется знак плюс, если не совпадают - знак минус.

Пусть на приемную антенну падают две волны одинаковой мощности, но разного направления вращения. Тогда развязка будет равна:

где А - развязка, выраженная в децибелах;
к - функция коэффициента мощности, извлекаемой приемной антенной из падающей на нее волны, за счет несогласованности эллипсов поляризации;
Кэ₁ - коэффициент эллиптичности антенны;
Кэ₂ - коэффициент эллиптичности волны совпадающего с антенной направления вращения;
Кэ₂ - коэффициент эллиптичности волны противоположного с антенной направления вращения;
Ψ - угол между большими осями антенны и волны совпадающего направления вращения;
Ψ′ - угол между большими осями антенны и волны противоположного направления вращения.

Анализ последней формулы показывает, что при выполнении условий Кэ₁=Кэ₂ и Ψ′ = 90^°, развязка А равна бесконечности.

Следовательно, если в системе спутниковой связи на частоте, которая используется дважды, ориентировать большую ось эллипса поляризации каждой антенны на прием перпендикулярно большой оси эллипса поляризации падающей волны противоположного направления вращения и сделать их Кэ равными, развязка будет идеальной и на линии "вверх" и на линии "вниз".

Параметры поляризационного эллипса несимметричной зеркальной антенны в пределах главного лепестка ДН определяются, главным образом, параметрами поляризационного эллипса облучателя. В облучателе, состоящем из рупорного излучателя, волноводного поляризатора и поляризационного селектора, Кэ и ориентация большой оси, в первом приближении, определяются балансом фаз и амплитуд в поляризаторе.

Волну с эллиптической поляризацией можно представить в базисе двух ортогональных линейных компонент с определенными взаимными амплитудными и фазовыми соотношениями. В качестве одной из таких компонент возьмем ту, у которой электрический вектор перпендикулярен каким-либо фазосдвигающим неоднородностям в поляризаторе, в качестве другой компоненты - параллелен. Параметры поляризационного эллипса в этом базисе определяются по формулам:
Θ = 0,5•arctg(2•m•cosΔϕ/(1-m²)) (3)

где Θ - угол наклона большой оси;
m - отношение амплитуд ортогональных компонент;
Δϕ - разность фаз комплексных амплитуд этих компонент;
Кэ - коэффициент эллиптичности.

При отклонении разности фаз указанных компонент от 90^o и/или при отклонении отношения амплитуд от единицы Кэ уменьшается, а большая ось поворачивается. Фазосдвигающие неоднородности поляризатора находятся под углом 45^o к вектору напряженности электрического поля основной моды в селекторе, поэтому в первом приближений m равно единице и направление большой оси эллипса поляризации определяется ориентацией основной моды и знаком разности фаз компонент. Для спутниковой антенны, работающей на двух поляризациях, в первом приближении большие оси будут перпендикулярны на любой частоте. При изменении знака Δϕ они повернутся на 90^o, оставаясь при этом перпендикулярными. Кроме того, будут равны Кэ для правого и левого направления вращения. Этот признак является полезным, но избыточным в описываемом способе повторного использования частот.

В наземной антенне большие оси могут быть как перпендикулярны, так и параллельны, так как знаки Δϕ на разных частотах могут не совпадать.

Добиться совпадения Кэ каждой антенны на прием и Кэ падающих на эти антенны волн противоположного направления вращения, согласованного изменения ориентации больших осей всех антенн из-за смены знака Δϕ при изменении частоты можно применением в облучателях приемных и передающих антенн поляризаторов с одинаковыми или симметричными относительно оси абсцисс функциями Δϕ от частоты. Функция зависимости Δϕ от частоты называется фазовой характеристикой поляризатора. Идеальным было бы использование одинаковых поляризаторов во всех антеннах, но для приемных и передающих спутниковых антенн это приведет к излишнему увеличению массы.

Второе приближение учитывает изменение m из-за отражений в поляризаторе и появление волны ортогональной линейной поляризации в селекторе. Если угол между фазосдвигающими неоднородностями поляризатора и направлением вектора напряженности электрического поля основной моды в поляризационном селекторе облучателя равен 45^o, тогда:

где m - отношение амплитуд ортогональных линейных компонент;
Г₁ - комплексный коэффициент отражения одной компоненты;
Г₂ - комплексный коэффициент отражения другой компоненты.

Волна ортогональной линейной поляризации, частично или полностью отражаясь в селекторе, проходит через поляризатор и рупорный излучатель, и приводит к изменению Кэ и повороту большой оси на апертуре облучателя. От фазы этой волны относительно основного излучения зависят знаки и величины изменения Кэ и угла поворота большой оси.

Чем меньше Кэ, коэффициенты отражения компонент, амплитуда волны ортогональной линейной поляризации в селекторе и коэффициент отражения этой волны, тем с большей точностью выдерживаются параметры поляризационных эллипсов антенн, определяемые первым приближением.

Для облучателя с модулями Г₁ и Г₂ более 0,1 (что соответствует КСВ поляризатора не более 1,22), КСВ портов в селекторе поляризации не более 1,15 и относительной амплитудой волны ортогональной линейной поляризации в селекторе не более 0,07 (что соответствует переходному затуханию между входами не менее 23 дБ) максимально возможные углы отклонения эллипсов поляризации от определяемых первым приближением для некоторых Кэ поляризатора приведены в таблице 1.

Заданные выше параметры можно получить в полосе ±10% для облучателя с простейшим поляризатором в виде отрезка круглого волновода и винтами в качестве фазосдвигающих элементов. В литературе (Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 2-е изд. , перераб. и доп. / Г.Б.Аскинази, В.Л.Быков, М.Н. Дьячкова и др.; Под ред. Л.Я.Кантора. - М.: Радио и связь, 1988, с.232-237) описаны устройства, характеристики которых значительно превосходят приведенные выше.

Будем считать, что антенна наземной станции имеет такие же характеристики и, кроме того, не будем учитывать эффект Фарадея в атмосфере Земли. Тогда направление большой оси падающей на приемную антенну волны совпадает с направлением большой оси передающей антенны, излучившей эту волну. Минимальная развязка, для худшего случая в диапазоне частот, когда большая ось поляризационного эллипса приемной антенны отклонится в одну сторону, а большая ось падающей волны в другую, будет равна примерно 36,5 дБ.

В таблице 2 приведены рассчитанные по формуле (2) для различных Кэ (Kэ₁, Кэ₂ и Кэ'₂ равны Кэ) предельно допустимые отклонения больших осей эллипсов противоположных направлений вращения в системе связи с развязкой более 27 дБ.

Эффект Фарадея в атмосфере Земли приводит к тому, что при распространении сигнала с эллиптической поляризацией от спутника к наземной станции большая ось поворачивается на некоторый угол Ω. Величина этого поворота зависит от частоты и угла места наземной антенны β.

В литературе (Спутниковая cвязь и вещание: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. / Г.Б.Аскинази, В.Л.Быков, М.Н.Дьячкова и др.; Под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1988, с.103) приведена формула для вычисления угла поворота Ω. Результаты расчета по этой формуле для различных частот приведены в таблице 3.

Из-за эффекта Фарадея направление большой оси падающей на приемную антенну волны не будет совпадать с направлением большой оси передающей антенны, излучившей эту волну. Величина этого несовпадения меняется в диапазоне частот и в зоне обслуживания системы связи, что вносит дополнительную погрешность при ориентации больших осей поляризационных эллипсов по признаку 2.

Таким образом, проектируя систему спутниковой связи на основе зеркальных антенн, с определенной минимальной величиной развязки, необходимо выбрать фазовую характеристику поляризаторов в диапазоне частот "вниз" и "вверх" (из практически осуществимых), изготовить с учетом этой характеристики и ориентировать спутниковые приемную и передающую антенны таким образом, чтобы с учетом точностей ориентации больших осей антенн наземных станций, имеющих такую же фазовую характеристику поляризаторов, в зоне обслуживания системы связи суммарные точности ориентации больших осей эллипсов поляризации антенн и волн обеспечили необходимую развязку. Добавляемые в систему связи наземные станции должны иметь антенны, изготовленные по признакам 1, 3, 4, 5 и установленные по признаку 2.

Корреляцией поляризационных эллипсов достигается повышение уровня поляризационной развязки в широких диапазонах частот приема и передачи, так как изготовить поляризаторы с близкими фазовыми характеристиками проще, чем поляризаторы с плоской характеристикой (например, для достижения уровня кроссполяризационного излучения в антенне, равном 27 дБ, Кэ должен быть не менее 0,915, а Δϕ должен лежать в пределах 85^o-95^o).

Корреляцией поляризационных эллипсов достигается совмещение больших осей эллипсов антенн и волн совпадающих направлений вращения и, следовательно, уменьшение потерь из-за несогласованности по поляризации.

К антеннам, используемым в системе связи с коррелированными параметрами поляризационных эллипсов, не предъявляется требование иметь низкий уровень кроссполяризационного излучения, следовательно, можно использовать простые конструкции антенн с эллиптической поляризацией.

При установке наземной антенны по признаку 2, контроль правильности ориентации можно осуществлять только на прием, так как получение высокой развязки на прием гарантирует высокую развязку и на передачу.

Так как при использовании волн с эллиптической поляризацией для получения определенного уровня развязки необходимая точность совмещения больших осей ниже, чем при линейной поляризации, требования по точности ориентации антенн при эксплуатации также снижаются.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах спутниковой и радиорелейной связи. Технический результат заключается в повышении уровня поляризационной развязки, упрощении антенн. Для этого связь осуществляют посредством волн с эллиптической поляризацией. Большие оси эллипсов поляризации антенн в режиме приема ориентируют перпендикулярно большим осям эллипсов поляризации принимаемых этими антеннами волн противоположного направления вращения, а К_э делают равными. Большие оси эллипсов поляризации противоположных направлений вращения каждой антенны, работающей на двух поляризациях в режиме приема или передачи, ориентируют перпендикулярно. Большие оси эллипсов поляризации каждой приемопередающей антенны на прием и передачу ориентируют перпендикулярно или параллельно. 2 ил., 3 табл.

Способ повторного использования частот в системах спутниковой связи с применением волн левого и правого направления вращения, отличающийся тем, что связь осуществляют посредством волн с эллиптической поляризацией, большие оси эллипсов поляризации спутниковых приемных, наземных приемных, спутниковых приемопередающих и наземных приемопередающих антенн, в режиме приема, с определенной точностью ориентируют перпендикулярно большим осям эллипсов поляризации принимаемых этими антеннами волн противоположного направления вращения, излученных соответствующими передающими антеннами, а коэффициенты эллиптичности К_э с определенной точностью делают равными, большие оси эллипсов поляризации противоположных направлений вращения каждой антенны в режиме приема, работающей на двух поляризациях, с определенной точностью ориентируют перпендикулярно, большие оси эллипсов поляризации противоположных направлений вращения каждой антенны в режиме передачи, работающей на двух поляризациях, с определенной точностью ориентируют перпендикулярно, большие оси эллипсов поляризации каждой приемопередающей антенны на прием и передачу с определенной точностью ориентируют перпендикулярно или параллельно.