Forgásparaboloid antennák fejlesztésének elméleti és gyakorlati problémái a 10 GHz feletti frekvenciatartományban LADÁNYI-TURÓCZY B É L A Finommechanikai Vállalat
ÖSSZEFOGLALÁS A cikk a forgásparaboloid antennák reflektoraival, valamint primer sugárzóival szemben támasztott követelmények elméleti alátámasz tásával és a gyakorlati megvalósítással foglalkozik. Röviden ismer teti az antenna nyereségét befolyásoló lényeges paramétereket és azok kiszámítási módját, valamint megadta az első néhány mellék nyaláb meghatározásához szükséges egyenleteket.
Az elmúlt 2-3 évtizedben a világ híradástechnikailag fejlett országaiban a mikrohullámú földi relérendsze rek számára rendelkezésre álló frekvenciasávok (2, 4, 6, 8 GHz) egyre jobban telítődtek. A gyorsuló ü t e m b e n növekvő igény újabb nagy kapacitású relé rendszerek kiépítésére szükségessé tette a 10 GHz feletti frekvenciatartomány igénybevételét. Ezzel p á r h u z a m o s a n megjelent a közvetlen műholdas m ű sorszórás (DBS) lehetősége is, amely a 11,7—12,5 GHz-es frekvenciasávban kerül megvalósításra. Ezen események alapján a Finommechanikai Válla lat arra az elhatározásra j u t o t t , hogy megkezdi a 10 GHz fejletti f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n m ű k ö d ő a n t e n n á k kifejlesztését.
A mikrohullámú antennák legfontosabb elektromos paraméterei: — nyereség, — hatásfok, — sugárzási k a r a k t e r i s z t i k á k (azonos-kereszt polarizációs), — bemeneti csatolás állóhullámarány, — csatolási (duplex primer sugárzó esetében), — á t v i h e t ő teljesítmény. A 10 GHz feletti frekvenciasávban a megfelelő elektromos p a r a m é t e r e k beállítása sokkal szigorúbb mechanikai k ö v e t e l m é n y e k e t jelent az antenna egyes alkotóelemeivel szemben. A közvetlenül megvilágított forgásparaboloid an t e n n á k főbb részei az 1. á b r á n l á t h a t ó k : Vizsgáljuk meg az antenna fő alkotórészeinek az elektromos p a r a m é t e r e k r e gyakorolt h a t á s á t .
0^
LADÁNYITURÓCZY BÉLA
és adó-antennarendszerek fejlesztésével, valamint te lepítésével foglalkozik, 1968-ban szerzett diplo közben villamosmérnök— mát a BME Villamos matematikus szakmérnö mérnöki Karának Mik ki tanulmányokat foly rohullámú Ágazatán. tat. 1975 óta a Finom 1970-ben mérnök-tanári mechanikai Vállalat Fej diplomát szerez. 1968— lesztési Igazgatóságán la 1971 között az Elektro borvezető. Fő témái: mik mechanikai Vállalat (je rohullámú antennák, táp lenleg BHG Fejlesztési vonalak és passzív áram Intézet) fejlesztőmérnöke, körök fejlesztése. Előadó majd 1975-ig az Anten ként részt vesz a BME-n na-Laboratórium vezetője. folyó szakmérnök-képzés Ebben az időszakbanRH, ben. URH és tv-adó antennák
sítja a primer sugárzórendszer és a kiegészítő elemek (radom, shroud stb.) megfelelő helyzetben t ö r t é n ő rögzítését. A gyakorlatban tökéletes forgásparaboloidot lehe tetlen készíteni, de olyan gyártási technológiát kell választani, amely a lehető legnagyobb felületi pontosságot biztosítja elviselhető beruházási költsé gek mellett. A tükör felületi pontatlanságának
következményei:
— az antenna nyeresége csökken, a hatásfok romlik, — a sugárzási k a r a k t e r i s z t i k á k melléknyalábjai nőnek, a zérushelyek feltöltődnek, — a keresztpolarizáció a főirányban n ő .
bemenet 1
primer sugárzó polár váltó sugárzót gerjesztő ípvonalak
Antennatükör Az a n t e n n a t ü k ö r vagy reflektor, a m i k r o h u l l á m ú antenna egyik legfontosabb alkotóeleme. Ez bizto sítja a primer sugárzó által k i s u g á r z o t t elektromág neses energiának a k í v á n t irányba t ö r t é n ő n y a l á b o lását, és egyidejűleg a tartószerkezettel e g y ü t t biztoB e é r k e z e t t : 1985. I I . 15. ( * ) Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 6. szám
bemenet
shroud -radom IH34-1Í
1. ábra. A forgásparaboloid antenna felépítése
241
effektív felületi hiba a következőképpen h a t á r o z h a t ó meg:
ideális felület metszete
N
ZAX, N
gyakorlati felület metszete fH34-Z]
2. ábra. A AXi távolság értelmezése
(3)
N
ahol x, az z pontban a k o n k r é t felület és az ideális forgásparaboloid felület megfelelő pontja közötti — a forgásparaboloid tengelyével párhuzamos — t á volság (2. á b r a ) . A normális eloszlás feltételezésének jogosságát 300 db 3 m átmérőjű antenna mérési adatainak vizsgálata alapján % próbával ellenőriztük. A AX értékek ismeretében a a segítségével a nyereség m á r k ö n n y e n megállapítható. Az AX érté kek meghatározása méréssel történik és erre igen sok módszer alkalmazható [2]. Az FMV-ben alkalmazott mérési módszer egy ismert pontossággal készült sab lonnal t ö r t é n ő összehasonlítás. A mérési pontok el rendezését a 3. ábra mutatja: A mérés mindig a paraboloid metszők érintőjére merőlegesen történik, ezért a tengelyirányú eltérés meghatározásához az alábbi egyenletet kell figye lembe v e n n ü n k : 2
A nyereség és a t ü k ö r felületi pontossága k ö z ö t t i kapcsolat meghatározásához Ruze módszerét [1] fog j u k felhasználni. Egyenletes tükör-megvilágítás ese t é b e n — ami e szempontból a legrosszabb eset —
ahol G az antenna nyeresége főirányban, D — az antenna átmérője,
i
t
A — üzemi hullámhossz, ö
—
1
AX,=A
4JIO/X,
(4)
cos 190 —arc tg —^' c
a — az effektív (rms) felületi hiba, c — a korrelációs intervallumok sugara, n — a korrelációs intervallumok száma. Az á l t a l u n k a gyakorlatban használt átmérőjű (1...4 m) a n t e n n á k n á l a C/D
Az effektív felületi hiba (rms)
2
(2)
meghatározása
Tételezzük fel, hogy a gyakorlati forgásparaboloid felület hibái, normális eloszlás szerintiek. E k k o r az
242
A mérési pontok s z á m á n a k a k k o r á n a k kell lenni, hogy azok növelése az effektív h i b á t m á r gyakorlati lag ne befolyásolja. Ez az 1—4m átmérőjű a n t e n n á k nál mintegy 50—150 pont. A mérést célszerű automatikus mérőrendszerrel el végezni és személyi számítógéppel kiértékelni. A szá mítógépes elemzés lehetőséget ad arra, hogy a tükrök pontatlansága k ö v e t k e z t é b e n fellépő nyereségcsök kenést némileg mérsékeljük. E z t az ún. legjobban illeszkedő paraboloid megkeresésével érjük el (4. ábra). Az ú n . legjobban illeszkedő paraboloidhoz tartozó effektív felületi hiba minimális és fókusztávolsága természetesen eltér a sablon fókusztávolságától. Ez a
Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1983. 6. szám
eloszlást feltételezve a felület b á r m e l y k é t vizsgált pontja k ö z ö t t i eltérés (pl. cr = 0,3 m m esetén) az ese teknek csak 1%-ában haladja meg az 1,5 mm-t. Az antennatükör előállításúra szolgáló technológia A g y á r t á s i technológia megválasztása az előállítandó felület pontosságától függ. A 10 GHz felett m ű k ö d ő a n t e n n á k esetében a vezető világcégek az antenna t ü k ö r pontatlanságából adódó nyereségcsökkenést 0,1 dB-nél kisebb érték alatt t a r t j á k . E b b ő l az a d a t b ó l az 1. t á b l á z a t segítségével megállapítható, hogy 13 GHz-en az effektív hiba maximum 0,3 m m lehet. E z t a pontosságot v é l e m é n y ü n k szerint a hagyo m á n y o s technológiákkal m á r nem lehet biztosítani, vagy a beruházási költségek a r á n y t a l a n u l m a g a s a k k á válnak. A Gépipari Technológiai I n t é z e t K é p l é k e n y Alakí tási F ő o s z t á l y á n a k m u n k a t á r s a i v a l lefolytatott kon zultációk a l a p j á n a robbantásos technológiát válasz t o t t u k , amelynek v á z l a t a az 5. á b r á n l á t h a t ó .
4. ábra
robbanó töltetek
A technológiai sorrend a következő 1. Az a l u m í n i u m teríték elhelyezése a r o b b a n t ó szerszámon. 2. A ráncfogó felszerelése. 3. A r o b b a n ó a n y a g elhelyezése. 4. Részleges v á k u u m létrehozása a szerszám és az alumíniumlemez k ö z ö t t i t é r b e n . 5. A teljes rendszer vízzel telt hengerben való el helyezése. 6. A r o b b a n t á s végrehajtása. 7. A teljes rendszer kiemelése a vízből. 8. A 3—7. pontok újbóli végrehajtása.
vákum
IH34-5I 5. ábra. A robbantási technológiához elrendezés
alkalmazott
távolság minden egyes t ü k ö r h ö z m e g h a t á r o z h a t ó és a primer sugárzó helyzete ennek megfelelően m ó d o sítható. A 10 GHz felett m ű k ö d ő a n t e n n á k r a a nyereségcsökkenés és az effektív hiba k ö z ö t t i összefüggést a (2) képlet alapján a k ö v e t k e z ő t á b l á z a t mutatja. (A AG értékek 13 GHz frekvenciára vonatkoznak.)
A GTI-vel végzett közös kísérletek a l a p j á n sikerült a megfelelő alapanyagot ( A l 99,5), a r o b b a n ó a n y a g szükséges mennyiségét és geometriai elrendezését m e g h a t á r o z n i , 1100 m m átmérőjű a n t e n n a t ü k r ö k legyártásához. Az elért igen pontos e r e d m é n y e k e t a 2. számú t á b lázat adja meg. 2. Tükör száma
1
2
3
4
5
a t, mm 0,272 0,278 0,298 0,238 0,261 0P
fopt,
mm
316
316
316
316
316
táblázü
6
7
0,268
0,269
315,5
316
ahol a
— a legjobban illeszkedő paraboloidhoz t a r t o z ó effektív hiba, / , — a legjobban illeszkedő paraboloid (a ér téke minimális) fókusztávolsága. opt
1. táblázat
a [mm] AG/dB
0,1
0,3
0,4
0,116
0,206
0,2
0,013 0,052
0,5
0,6
0,7
0,322 0,463 0,631
A fenti adatokból látszik, hogy viszonylag kis effektív felületi hiba is jelentős nyereségcsökkenést okoz. A m i a maximális felületi h i b á t illeti, normális Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 6. szám
A tükör hatása a melléknyalábokra és a keresztpolarizációra A m á r e m l í t e t t 0,3 mm-es effektív hiba esetében a gyakorlatban használt megvilágítás mellett az első melléknyaláb növekedése 13 GHz-en számításaink
243
szerint mintegy 0,6 d B , a zérushely feltöltődik ről k b . —30 dB-re. A melléknyalábokra kifejtett h a t á s t az irodalom [3] részletesen tárgyalja. A kereszt polarizáció a fent e m l í t e t t felületi hiba esetében a főirányban az elméleti — °° dB értékről, mintegy —40—45 dB-re n ő . Ugyanakkor a keresztpolarizáció melléknyalábjai 0,5—0,6 dB értékekkel csökken nek [6].
ahol 2 0
o 5
2<9
0
í \ , F, 2
F
z
— a 3 dB-es pontok k ö z ö t t i szög radiánban, — az első zérushelyek k ö z ö t t i szög radiánban, — az első, második, 111. harmadik melléknyaláb szintje, dB.
Egyenletes apertúraeloszlást nem lehet megvalósí tani, ezért a gyakorlatban gyakran használják például a parabolikus eloszlást adott élmegvilágítással.
Az antennatükör megvilágítására szolgáló ún. primer sugárzó rendszer
F(R) = 1 - (1 -A)R
= A + (1 - A)(l -
2
A primer sugárzó rendszer alapvető feladata a meg felelő, apertúraeloszlás létrehozása. Az a p e r t ú r a eloszlás alapvetően befolyásolja az elérhető nyeresé get és sugárzási k a r a k t e r i s z t i k á k a t . K ö r a p e r t ú r a és tengelyszimmetrikus a p e r t ú r a eloszlás esetében (a forgásparaboloid antenna k ö r a p e r t ú r á v a l rendelkezik) a t á v o l t é r i sugárzási karak terisztika normalizált értéke a k ö v e t k e z ő összefüggés a l a p j á n s z á m í t h a t ó k i [4], [5]. F(R)J (uR)RdR,
2
(6)
A fenti apertúraeloszlás (6. ábra) esetében a nor malizált t á v o l t é r i sugárzási karakterisztika a követ kező egyenlettel h a t á r o z h a t ó meg: (7) ahol A^u) és A (u) rendre elsőfajú elsőrendű, illetve másodrendű lambda függvények. A (7) egyenlet alapján adódó eredményeket a 4. t á b l á z a t tartalmazza. 2
4. táblázat
(5)
0
fí ).
Él-
ahol M=fF(R)RdR u
F gítás
=pRsme=7iDsin&/Á,
0,5 x x ( - 6 1,09752,6875- 20,6 -- 27,1 - 31,3 0,964
D =2R — az a p e r t ú r a átmérője.
dB)
A fenti egyenlet azt jelenti, hogy a t á v o l t é r i sugár zási karakterisztika azonos a nulladrendű Fourier— Bessel-transzformálttal. Viszonyítási a l a p k é n t cél szerű az egyenletes apertúraeloszlást tekinteni, azaz F(R) = 1 értéket. Az alábbi t á b l á z a t az egyenletes amplitúdóeloszlás esetében megadja a főirány köze lében a legfontosabb jellemzőket, valamint az aper t ú r a hatásfokot és a t á v o l t é r i karakterisztika burkoló görbéjét. 3. táblázat 200,5
20o
A 1,0273
2,4473
Fx A
-17,6
Fz
-23,8
Fs
Ffcurkolő (u)
2
normál tényező,
a Fturkoló
-28,0 1,0
(«)
u
u
0,316 x A ( - 1 0 1 , 1 4 2 , 8 3 75 -22,4 -29,3 -33,8 dB) 1
0,1
U
A
0,917
0,15
n
ulfH
u
A
A
1,27-3,2775 -24,6 -33,6 -39,7 0,75
0
0,38 ufü
A
(-20 1,22753,1275--24,2 - 32,8 --38,4 0,818 dB)
1,06 u~]fü
6,4
A 3. és 4. t á b l á z a t adataiból látszik, hogy a (6) apertúraeloszlás esetében a maximális hatásfokot (és ennek k ö v e t k e z t é b e n a maximális nyereséget) az X
1,6 ^7=
RR)
—
'y
|H34.-6| 6. ábra. Parabolikus apertúraeloszlás
244
H34-7j
7. ábra. A primer sugárzó és a parabola geometriai elrendezése Híradástechnika
XXXVI.
évfolyam 1985. 6. szám
egyenletes apertúraeloszlás biztosítja, ugyan akkor az első h á r o m melléknyaláb viszonylag nagy. Az élmegvilágítás csökkentésével a hatásfok fokozatosan romlik, a melléknyalábok szintje csökken. Ezekből az a fontos következtetés v o n h a t ó le, hogy a nagy nyereség és a kisszintű melléknyalábok elérése egy mással ellentétes követelmények, t e h á t kompromiszszumos megoldásra kell t ö r e k e d n ü n k . A primer sugárzó rendszernek az egyenletes ampli túdóeloszlást minél jobban megközelítő, ugyanakkor lehetőleg kicsiny élmegvilágítású apertúraeloszlást kell létrehozni. Meg kell jegyeznünk, hogy a távoltéri sugárzási karakterisztika kiszámítására alkalmas egyenletek csak az első n é h á n y melléknyalábot adják meg nagy pontossággal, a t o v á b b i melléknyalábok m e g h a t á r o zására alkalmatlanok. A primer sugárzó sugárzási k a r a k t e r i s z t i k á j a és az apertúraeloszlás k ö z ö t t i kapcsolatot a 7. á b r a alapján az alábbi egyenletek adják meg: 2/ p—
1+
* ( R ) = —
COS F
f,
a kis hullámhossz (13 GHz-en p l . 23 m m ) k ö v e t k e z t é b e n a sugárzó rendszer beállítására igen szigorú tűrések vonatkoznak és a veszteségek is lényegesen nagyobbak. A cikkben röviden ismertettem a fejlesztési mun ka során alkalmazott számítási módszert, valamint a Finommechanikai Vállalatnál elért e r e d m é n y e k e t . Az 0 1 , 1 m-es t ü k r ö k u t á n az 0 2 m-es t ü k r ö k nagy pontosságú g y á r t á s á n a k kidolgozására kerül sor és végső célunk a 10—15 GHz-es f r e k v e n c i a t a r t o m á n y ban nagy sorozatban, gazdaságosan g y á r t h a t ó an tennacsalád kifejlesztése. A rendelkezésre álló k o r l á t o z o t t hely m i a t t a p r i mer sugárzó k i a l a k í t á s á v a l kapcsolatos, igen fontos elektromos és mechanikus tervezési kérdésekre nem tudtam kitérni. Köszönetnyilvánítás E z ú t o n mondok köszönetet közvetlen kollégáimnak, akik a fejlesztési m u n k á b a n segítettek és Czeglédi Istvánnénak, a GTI tudományos munkatársának, valamint kollégáinak, akik a t ü k ö r g y á r t á s technoló giájának kidolgozását végezték.
( v ) -
Ekkor feltételeztük, hogy a primer sugárzó karak terisztikája F(tp) csak a y> szögtől függ és a z tengelyre szimmetrikus. Ez a feltételezés megfelelő primer su gárzó alkalmazása esetén helytálló. A primer sugárzó rendszerre v o n a t k o z ó egyéb k ö vetelmények : — kis veszteségek (falveszteség, radom veszteség), — kis bemeneti állóhullámarány, — a sugárzó fázisközéppontjának a paraboloid fókuszpontjával való minél pontosabb egybe esése, — dehidrálhatóság, — kisszintű keresztpolarizáció. A fenti követelmények teljesítése a 10 GHz feletti f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n meglehetősen nehéz, mert
IRODALOM [1] John Ruze: Antenna Tolerance Theory — A Review Proceedings of the I E E E Vol. 54. No. 4. 1966. april. [2] Béla Ladányi-Turőczy: The measurement of Mechanical Parameters of Paraboloid Antennás. Budavox Telecommunication Review 1979/1. [3] Vu The Bao: Influence of correlation interval and Illumination taper in antenna tolerance theory. Proc. I E E , Vol. 116. No. 2. February 1969. [4] B. r. HAtnoAbcKuü; O. n.
pojioe: AHTeHHH H 3MC, MocKBa, "Paano H CBJBI,"
1983.
[5] r. 3. Au3ehdepz, B. r. flMtioJibcKuü;
O. H. Tepeimm:
AHTCHHM Y K B , ^ a c r i , I . H3flaTejn>CTBo "CB»3I>" MocKBa
1977. [6] I. M. M. Vissers et al.: Crosspolarisation properties of reflector antennás with random surface e r r o r s . Electronics Letters. 20th January 1983. Vol. 19. No. 2.
