ITU-R S 672-4 FRENCH-1997 Satellite antenna radiation pattern for use as a design objective in the fixed-satellite service employing geostationary satellites《使用地球同步卫星的卫星固定业务(FSS)中作.pdf

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1、 Rec. UIT-R S.672-4 1 RECOMMANDATION UIT-R S.672-4*Diagramme de rayonnement utiliser comme objectif de conception pour les antennes de satellite dans le service fixe par satellite employant des satellites gostationnaires (1990-1992-1993-1995-1997) LAssemble des radiocommunications de lUIT, considran

2、t a) que lutilisation dantennes de stations spatiales prsentant les meilleurs diagrammes de rayonnement disponibles conduira lutilisation la plus rationnelle du spectre radiolectrique et de lorbite des satellites gostationnaires; b) que les stations spatiales en exploitation utilisent aussi bien des

3、 antennes elliptiques (ou circulaires) alimentation unique que des antennes faisceau conform et alimentation multiple; c) que, bien que la conception des antennes de stations spatiales fasse actuellement lobjet damliorations, dautres informations sont ncessaires avant que lon puisse adopter un diagr

4、amme de rayonnement de rfrence aux fins de coordination; d) que ladoption dun diagramme de rayonnement comme objectif de conception pour les antennes de stations spatiales encouragera la fabrication et lemploi dantennes permettant une utilisation rationnelle de lorbite; e) quil suffit, aux fins de c

5、oordination, de spcifier les caractristiques de rayonnement des antennes des stations spatiales dans les directions du brouillage potentiel; f) que, pour une application gnrale, les expressions mathmatiques doivent tre aussi simples que possible et compatibles avec des prdictions ralistes; g) quil f

6、aut, nanmoins, que les expressions tiennent compte des caractristiques des systmes dantennes rels et susceptibles dtre adapts aux nouvelles technologies; h) que la difficult des mesures a entran des inexactitudes dans la modlisation des antennes de satellite pour les grands angles hors axe; j) que l

7、es limitations de taille des lanceurs entranent une limitation de la valeur du rapport D/ des antennes de satellite, notamment aux frquences infrieures, par exemple dans la bande des 6/4 GHz; k) que les paramtres de rayonnement des antennes de stations spatiales comme le point de rfrence, la zone de

8、 couverture, le gain de crte quivalent, qui peuvent tre utiliss pour dfinir un rayonnement de rfrence dantenne de station spatiale, sont dcrits dans lAnnexe 1; l) que deux programmes de calcul ont t dvelopps pour tablir des contours de couverture (voir lAnnexe 2), _ *La Commission dtudes 4 des radio

9、communications a apport des modifications rdactionnelles cette Recommandation en 2001 conformment aux dispositions de la Rsolution UIT-R 44 (AR-2000). 2 Rec. UIT-R S.672-4 recommande 1 que, pour les antennes dengins spatiaux alimentation unique et faisceaux circulaires ou elliptiques du service fixe

10、 par satellite (SFS), le diagramme de rayonnement suivant soit utilis comme objectif de conception, en dehors de la zone de couverture: )b4(18090pourdBi)()a4(90pourdBi)()3(pourdBilog25)()b2(5,0pourdBi)()a2(5,0pourdBilog20)()1(pourdBi)/(3)( 3,5 et S 0. Le rayon du petit faisceau lmentaire, en fonctio

11、n du niveau dans les lobes latraux (dB) et du rapport D/, est donn en premire approximation, dans lintervalle considr, par lexpression: b= (16,56 0,775 Ls) /D degrs (6) o Lsdsigne le niveau relatif dans le premier lobe latral (dB). Cette expression illustre le compromis que lon fait entre le diamtre

12、 dantenne, le niveau dans les lobes latraux et la pente de lenveloppe du lobe principal. On la tablie partir de rsultats de mesure pour diffrents niveaux de lobes latraux. Cette relation a servi de point de dpart aux modles dcrits ci-dessous. 2.4 Elaboration de modles de diagramme de rfrence copolai

13、re On trouvera dans ce paragraphe la description de diagrammes copolaires gnraliss pour les futures antennes faisceau conform. Ils ont t tablis sur la base de mesures faites sur plusieurs antennes de ce type (Brazilsat, Anik-C, Anik-E, TDRSS, Intelsat-V, G-Star, Intelsat-VI, Intelsat-VII, Cobra) et

14、daprs des considrations thoriques. Les modles antrieurs ne semblent pas avoir quantifi les effets dlargissement du faisceau. Les modles dcrits dans ce paragraphe correspondent deux mthodes distinctes permettant de tenir compte de ces effets, ce qui est essentiel pour prvoir avec prcision la performa

15、nce de lantenne faisceau conform. 2.4.1 Premier modle Le diagramme dantenne faisceau conform dcrit dans le prsent paragraphe est dfini en fonction de paramtres primaires et secondaires. Les paramtres primaires sont la taille du petit faisceau secondaire, la largeur de la zone de couverture dans la d

16、irection voulue et le niveau de crte des lobes latraux. Les paramtres secondaires sont les paramtres doccultation, la dviation la surface et le nombre de faisceaux de balayage. Les paramtres secondaires ont pour effet, en ce qui concerne le rayonnement de lantenne, dlargir le faisceau principal et d

17、accrotre le niveau des lobes latraux. Bien que le paramtre dominant en ce qui concerne llargissement du faisceau soit le nombre de faisceaux de balayage, leffet des deux autres paramtres est donn ici par souci dexhaustivit. Toutefois, leffet de loccultation sur le niveau des lobes latraux ne doit pa

18、s tre nglig. Il est en effet vrai que, en raison de limitations pratiques, mme si, au niveau de la conception dune antenne de satellite on exige le maintien de critres exempts doccultation, il existe normalement une faible occultation aux bords, en particulier pour les antennes rectilignes double po

19、larisation employant une ouverture commune, comme cest le cas des rflecteurs double grille utiliss pour Anik-E, G-Star, Anik-C, Brazilsat, etc. Cela est d lespacement requis entre les centres des deux rflecteurs qui se chevauchent aux fins de lisolation et du volume ncessaire pour tenir compte de de

20、ux jeux de cornets. Dans les rgions des lobes latraux loigns, on possde trs peu de donnes mesures pour pouvoir laborer un modle. Les rflexions sur la structure de lengin spatial, les dbordements du rseau dalimentation et le rayonnement direct des groupes dalimentation peuvent introduire des incertit

21、udes pour les grands angles hors axe et peuvent rduire nant les raisonnements thoriques. Rec. UIT-R S.672-4 13 Il est aussi extrmement difficile de faire des mesures dans cette rgion; il faudra donc poursuivre ltude si lon veut que le modle inspire confiance pour des applications dans cette rgion. D

22、ans lintervalle, il est suggr dintroduire un palier de gain minimal de 0 dBi. Il convient de noter que le diagramme propos sapplique uniquement dans les directions o la valeur du niveau des lobes latraux est considrer. Dans des directions non critiques par exemple vers les ocans, au-del du bord de l

23、a Terre ou dans toute direction o il ny a pas de problme de brouillage ce diagramme ne constitue pas forcment un modle reprsentatif. Modle copolaire gnral N 1 Il est propos dutiliser le modle suivant trois segments qui reprsente lenveloppe du diagramme de rayonnement dune antenne de satellite faisce

24、au conform en dehors de la zone de couverture: Bord du lobe principal: 020dBi0pour5,04)( += QWQVUGGepRgion des premiers lobes latraux: GdBi() = Gep+ SL pour W Q 0 Z Q 0Rgion des lobes latraux loigns: GdBi() = Gep+ SL + 20 log (Z Q 0/ ) pour Z 18 o: : angle par rapport au bord de la zone de couvertur

25、e (degrs) GdBi() : gain (dBi) ep: gain de crte quivalent Gep= Ge+ 3,0 (dBi) 0: diamtre demi-puissance du faisceau lmentaire (degrs) 0 (33,12 1,55 SL) /D : longueur donde (m) D : diamtre du rflecteur (m) SL : niveau des lobes latraux par rapport au niveau de crte (dB) U = 10 log A, V = 4,3429 B sont

26、les principaux paramtres de faisceau B = ln (0,5/100,1SL) / (16,30 3,345 SL) / (16,56 0,775 SL)2 1 A = 0,5 exp(B) W = (0,26 2,57 SL) / (33,12 1,55 SL) Z = (77,18 2,445 SL) / (33,12 1,55 SL) Q : facteur dlargissement du faisceau d aux effets secondaires: +=22202,0)/()2/1(000075,05,02210)()/(8(exppDFi

27、Q (7) Les variables de lquation (7) sont: : valeur quadratique moyenne de lerreur de surface : paramtre doccultation (racine carre du rapport de la surface occulte la surface douverture) 14 Rec. UIT-R S.672-4 : largeur du faisceau, en dehors de laxe, soumise balayage = 0 /00: angle entre le centre d

28、e la zone de couverture (centre de lellipse daire minimale) et le bord de la zone de couverture i() = 1 2pour loccultation centrale = 1 1 A (1 )2 22pour loccultation aux bords (8) Le paramtre A de lquation (8) est la hauteur du pidestal dans la fonction dclairement primaire (1 Ar2) sur le rflecteur

29、et r est la distance normalise partir du centre dans le plan de louverture du rflecteur (r = 1 au bord). F/Dpdans lquation (7) est le rapport de la longueur focale au diamtre de la parabole. Pour concevoir effectivement une antenne de satellite, on utilise un rapport F/Dpcompris entre 0,35 et 0,45.

30、Le gain des lobes latraux loigns dpend des effets de dbordement du rseau de la source primaire et des effets de rflexion et de diffraction de la structure de lengin spatial. Ces effets dpendent des modles individuels et pour cette raison il est difficile den tirer des conclusions gnrales. Comme il e

31、st indiqu dans lquation (7), le facteur dlargissement du faisceau, Q, dpend de la valeur quadratique moyenne de lerreur de surface, , du paramtre doccultation, , du nombre de faisceaux balays , et du rapport F/Dp. Toutefois, dans la pratique, leffet de et de sur llargissement du faisceau est en gnra

32、l faible et peut tre nglig. En consquence, on peut simplifier comme suit lquation (7): +=22202,0)/()2/1(000075,010pDFQ (9) o: Dp= 2(d + h) : diamtre prvu douverture du parabolode excentr h : hauteur dcale par rapport au bord du rflecteur. Lquation (9) dmontre clairement que llargissement du faisceau

33、 dpend du nombre de faisceaux balays et du rapport F/Dpde lantenne du satellite. Cette expression est valable pour un nombre de faisceaux de balayage pouvant aller jusqu neuf, ce qui est plus que suffisant pour assurer une couverture globale, mme dans la bande des 14/11 GHz. Pour les zones de servic

34、e aussi grandes que celles du Canada, des Etats-Unis dAmrique ou de la Chine, la valeur de correspond en gnral un ou deux faisceaux dans la bande des 6/4 GHz et de quatre faisceaux environ dans la bande des 14/11 GHz dans lapplication de ce modle. En consquence, pour la plupart des systmes, la valeu

35、r de Q est en gnral infrieure 1,1, cest-dire que leffet dlargissement du faisceau reprsente en gnral prs de 10% de la largeur du faisceau secondaire lmentaire de lantenne faisceau conform. En ngligeant llargissement du faisceau principal d loccultation et aux erreurs de surface de rflexion, et dans

36、lhypothse dune valeur de 0,35 pour le rapport F/Dpdu rflecteur, qui est le cas le plus dfavorable, le facteur dlargissement du faisceau, Q, peut tre simplifi comme suit: 2)2/1(0037,010=Q Dans la bande des 6/4 GHz, on peut obtenir sans peine un niveau de 25 dB dans les lobes latraux, avec une antenne

37、, constitue par un rflecteur plein de 2 m de diamtre et plusieurs cornets dalimentation, compatible avec un lanceur du type PAM-D. Pour obtenir une discrimination de 30 dB, il pourrait tre ncessaire de prvoir un plus grand diamtre dantenne, si lon veut assurer Rec. UIT-R S.672-4 15 une protection ou

38、 une rgulation dans un large intervalle angulaire. Dans les bandes des 14/11 GHz attribues au SFS, on peut gnralement raliser une discrimination de 30 dB avec lantenne de 2 m et en utilisant un systme dalimentation plus labor. Les quations dfinissant le diagramme de rfrence dpendent de langle de bal

39、ayage du faisceau la limite de couverture dans la direction de la coupe laquelle le diagramme est appliqu. Pour utiliser un diagramme de rfrence titre dobjectif de conception, il est souhaitable de disposer dun diagramme simple, dpendant le moins possible des lments paramtriques. En consquence, il c

40、onviendrait de choisir et dincorporer dans les quations qui prcdent une ou plusieurs valeurs de Q correspondant aux couvertures types des satellites. On peut obtenir une pente de dcroissance du faisceau principal plus raide pour les zones desservies par un service satellite national que pour les zon

41、es de couverture rgionales trs tendues. Inversement, un diagramme de rfrence convenant une couverture rgionale ne sera pas assez restrictif pour une couverture nationale par satellite. Il est donc propos de simplifier le modle N 1 en le ramenant deux cas pour les antennes du SFS. On a suppos dans ce

42、s deux cas un palier de niveau des lobes secondaires de 25 dB. a) Rgions couverture rduite ( 3,5) Les couvertures hmisphriques et globales des satellites INTELSAT et INMARSAT relvent, par exemple, de cette catgorie. Pour tenir compte de la dgradation due limportance du balayage, on adopte pour Q la

43、valeur 1,3. Les diagrammes de rfrence applicables ce type de couverture ( 3,5) sont dfinis comme suit: 185017,25017,21575,11575,10pourpourpour)/5017,2(log202525)65,0(73,7256,0)(000002020dBi 1/2) et le faisceau pinceau ( = 1/2). Pour des rapports de balayage compris dans lintervalle 3,5 5,0 on calcul

44、e Qicomme suit: +=5,15,37808,1QCQQio: +=22202,0)/()2/1(000075,010pDFQ 1221BC += B = 2,05 + 0,5 (F/D 1) + 0,0025 D/ ( 1,25) 1,65 (D/) 0,55Pour les rapports de balayage intermdiaires (3,5 5,0), le diagramme de rfrence est dfini comme suit: 000020dBi189244,19244,18904,08904,00pourpourpour9244,1log20252

45、55,0065,13256,0)(+=iiiiiepepiepQQQQQGGQGG Les variables des quations ci-dessus ont t dfinies aux 2.1 et 2.2 du dispositif. La Fig. 6 donne un exemple du nouveau diagramme de rfrence pour = 4,25 et pour deux valeurs diffrentes du rapport D/. 0672-06 5 10 15 20 25 300012345678 9D/ = 30D/ = 80Gainpar r

46、apportlacrte(dB)FIGURE 6Diagramme de rfrence propos pour des rapports de balayage intermdiaires(3,5 5,0)Angle partir du bord de la couverture, (degrs)D/ : paramtre des courbes = 1,25F/D = 1, F/Dp= 0,3522 Rec. UIT-R S.672-4 Un complment dtude est ncessaire afin de valider ce modle pour la rgion corre

47、spondant des rapports de balayage intermdiaires. ANNEXE 2 1 Dfinition des contours de la zone de couverture et des contours de gain autour de la zone de couverture 1.1 Dfinition des contours de la zone de couverture Il est possible de dfinir une zone de couverture par une suite de points gographiques tel