ITU-R S 672-4 SPANISH-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.pdf

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1、 Rec. UIT-R S.672-4 1 RECOMENDACIN UIT-R S.672-4*Diagramas de radiacin de antenas de satlite para utilizar como objetivo de diseo en el servicio fijo por satlite que emplea satlites geoestacionarios (1990-1992-1993-1995-1997) La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que el emple

2、o de antenas de estacin espacial con los mejores diagramas de radiacin actuales conducir a una utilizacin ms eficaz del espectro radioelctrico y de la rbita de los satlites geoestacionarios; b) que en las estaciones espaciales operacionales se utilizan tanto antenas elpticas (o circulares) con un so

3、lo alimentador, como antenas de haz conformado con mltiples alimentadores; c) que aunque se est perfeccionando el diseo de antenas de estacin espacial, todava se requiere informacin antes de que pueda adoptarse un diagrama de radiacin de referencia a fines de coordinacin; d) que la adopcin de un dia

4、grama de radiacin que sirva de objetivo de diseo para las antenas de estacin espacial estimular la fabricacin y utilizacin de antenas que contribuyan a una utilizacin eficaz de la rbita; e) que a fines de coordinacin slo es necesario especificar las caractersticas de radiacin de la antena de la esta

5、cin espacial en las direcciones de la interferencia potencial; f) que para una aplicacin ms amplia, las expresiones matemticas deberan concordar de la manera ms sencilla posible con las predicciones efectivas; g) que, sin embargo, esas expresiones deberan tener en cuenta las caractersticas de sistem

6、as de antenas reales y ser adaptables a las nuevas tecnologas; h) que las dificultades de medicin dan lugar a imprecisiones en el modelo de las antenas de vehculo espacial para ngulos grandes a partir del eje; j) que las dificultades debidas al tamao de los lanzadores originan, a su vez, limitacione

7、s en los valores de la relacin D/ de las antenas de satlite, sobre todo a frecuencias bajas, tales como las de las bandas de 6/4 GHz; k) que en el Anexo 1 figuran los parmetros del diagrama de radiacin de las antenas de estacin espacial, tales como el punto de referencia, la zona de cobertura y la g

8、anancia mxima equivalente, que puedan utilizarse para definir un diagrama de antena de estacin espacial de referencia; l) que se han desarrollado dos programas de computador para calcular los contornos de cobertura (vase el Anexo 2), _ *La Comisin de Estudio 4 de Radiocomunicaciones efectu modificac

9、iones de redaccin en esta Recomendacin en 2001 de conformidad con la Resolucin UIT-R 44 (AR-2000). 2 Rec. UIT-R S.672-4 recomienda 1 que en el caso de las antenas de satlite con haces circulares o elpticos y un solo alimentador empleadas en el servicio fijo por satlite (SFS), se utilice el siguiente

10、 diagrama de radiacin como objetivo de diseo fuera de la zona de cobertura: )b4(18090paradBi)()a4(90paradBi)()3(paradBilog25)()b2(5,0paradBi)()a2(5,0paradBilog20)()1(paradBi)/(3)( 3,5 y S 0. El radio del pequeo haz elemental, en funcin del nivel de los lbulos laterales (dB) y de la relacin D/, viene

11、 dado, en el margen que interesa, aproximadamente por la frmula: b= (16,56 0,775 Ls) /D grados (6) donde Lses el nivel relativo (dB) de los dos primeros lbulos laterales. Esta expresin pone de manifiesto el compromiso existente entre el dimetro de la antena, el nivel de los lbulos laterales y la inc

12、linacin de las regiones de cada del lbulo principal. Se ha obtenido ajustando los resultados obtenidos mediante clculos para diferentes niveles de lbulos laterales. Esta relacin se ha utilizado como punto de partida en los modelos descritos ms abajo. 2.4 Desarrollo de modelos de diagrama copolar de

13、referencia En este punto se presentan varios diagramas copolares generalizados, para futuras antenas de haz conformado, basados en medidas realizadas sobre varias antenas de haz conformado (satlites Brazilsat, Anik-C, Anik-E, TDRSS, Intelsat-V, G-Star, Intelsat-VI, Intelsat-VII y Cobra) y en conside

14、raciones tericas. Algunos modelos precedentes no permitan cuantificar los efectos de ensanchamiento del haz. Los modelos que se indican a continuacin abordan desde dos puntos de vista distintos estos efectos, que son esenciales para predecir con exactitud el comportamiento de las antenas de haz conf

15、ormado. 2.4.1 Primer modelo El diagrama de haz conformado que se expone a continuacin est basado en parmetros primarios y secundarios. Los parmetros primarios son: el tamao del haz elemental, la anchura de la zona de cobertura en la direccin pertinente, y el nivel de cresta de los lbulos laterales.

16、Los parmetros secundarios son: el parmetro de bloqueo, la desviacin de la superficie y el nmero de anchuras de haz exploradas. El efecto de los parmetros secundarios en la radiacin de la antena es el ensanchamiento del haz principal y el aumento del nivel de los lbulos laterales. Aunque el parmetro

17、que ms influye en el ensanchamiento del haz es el nmero de anchuras de haz exploradas, se indica tambin el efecto de los otros dos parmetros, para mayor detalle. Sin embargo, no debe pasarse por alto el efecto producido por el bloqueo sobre el nivel de los lbulos laterales. Es cierto que, por limita

18、ciones de orden prctico, incluso cuando el diseo de una antena de satlite requiere que se mantenga el criterio de ausencia de bloqueo, por lo general, hay un cierto nivel de bloqueo en el borde. En particular, el bloqueo en el borde es muy probable que ocurra en el caso de antenas de polarizacin lin

19、eal doble que utilizan una apertura comn; as por ejemplo, los reflectores de rejilla doble utilizados en los satlites Anik-E, G-Star, Anik-C, Brazilsat, etc. Esto se debe a la separacin requerida entre los focos de los dos reflectores solapados, para cumplir los requisitos de aislamiento y debido al

20、 volumen necesario para dar cabida a dos conjuntos de bocinas. En las regiones de los lbulos laterales alejados hay muy poca informacin medida en la cual basar un modelo. Las reflexiones producidas en la estructura del satlite, los desbordamientos producidos por los elementos del sistema de alimenta

21、cin y la radiacin directa procedente del agrupamiento de la alimentacin pueden provocar incertidumbres, en los valores de los parmetros en direcciones Rec. UIT-R S.672-4 13 angulares que se apartan bastante del eje, que invalidan las estimaciones tericas realizadas. La medida en esta regin es muy di

22、fcil y en consecuencia se precisan ms estudios para ganar confianza en el modelo en esta regin. Mientras tanto se recomienda una ganancia mnima de meseta de 0 dBi. Hay que sealar que el diagrama que se sugiere slo debe aplicarse en las direcciones en las que deba considerarse el nivel de los lbulos

23、laterales. En direcciones no crticas, por ejemplo regiones ocenicas o ms all del limbo de la Tierra o en cualquier otra direccin en la que no interesa conocer el valor de la interferencia, no es preciso que este diagrama sea un modelo representativo. Modelo copolar general 1 Se propone el siguiente

24、modelo de tres segmentos que representa la envolvente de un diagrama de radiacin de la antena de un satlite de haz conformado fuera de la zona de cobertura: Regin del borde de cada del lbulo principal: 020dBi0para5,04)( += QWQVUGGepRegin de lbulos laterales adyacentes al principal: GdBi() = Gep+ SL

25、para W Q 0 Z Q 0Regin de lbulos laterales lejanos: GdBi() = Gep+ SL + 20 log (Z Q 0/ ) para Z 18 donde: : ngulo con respecto al borde de la zona de cobertura (grados) GdBi() : ganancia (dBi) para ep: ganancia mxima equivalente Gep= Ge+ 3,0 (dBi) 0: dimetro para potencia mitad del haz principal (grad

26、os) 0 (33,12 1,55 SL) /D : longitud de onda (m) D : dimetro del reflector (m) SL : nivel de lbulos laterales con respecto al valor mximo (dB) U = 10 log A, V = 4,3429 B son los parmetros del haz principal 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)

27、 / (33,12 1,55 SL) Z = (77,18 2,445 SL) / (33,12 1,55 SL) Q : factor de ensanchamiento del haz debido a los efectos secundarios: +=22202,0)/()2/1(000075,05,02210)()/(8(exppDFiQ (7) Las variables de la ecuacin (7) se definen como sigue: : error cuadrtico medio (r.m.s.) de la superficie : parmetro de

28、bloqueo (raz cuadrada de la relacin entre la zona bloqueada y la zona de apertura) 14 Rec. UIT-R S.672-4 : nmero de anchuras de haz a partir de la direccin del eje = 0/00: separacin angular entre el centro de la zona de cobertura (centro de la elipse de mnima rea) y el borde de dicha zona de cobertu

29、ra i() = 1 2para el caso de bloqueo central = 1 1 A (1 )2 22para el caso de bloqueo en el borde (8) A en la ecuacin (8) es la altura del pedestal en la funcin de iluminacin primaria (1 Ar2) sobre el reflector y r es la distancia normalizada desde el centro en el plano de apertura del reflector (r =

30、1 en el borde). En la ecuacin (7), F/Dpes el cociente entre la distancia focal y el dimetro de la parbola matriz. En la prctica, para un diseo de antena de satlite este cociente vara entre 0,35 y 0,45. La ganancia en direccin de lbulos laterales lejanos depende del desbordamiento del sistema de alim

31、entacin, y de los efectos de reflexin y refraccin en la estructura del vehculo espacial. Estos efectos dependen de los diseos individuales y son, por tanto, de difcil generalizacin. Como puede verse en la ecuacin (7), el factor de ensanchamiento de haz, Q, depende del error cuadrtico medio de superf

32、icie del parmetro de bloqueo , del nmero de haces explorados y del cociente F/Dp. En la prctica, sin embargo, el efecto de y de en el ensanchamiento del haz suele ser pequeo y puede despreciarse. De este modo, la ecuacin (7) puede simplificarse as: +=22202,0)/()2/1(000075,010pDFQ (9) donde: Dp= 2(d

33、+ h) : dimetro de la apertura proyectada del paraboloide descentrado h : altura descentrada al borde del reflector. La ecuacin (9) pone claramente de manifiesto la dependencia del ensanchamiento de haz con respecto al nmero de haces explorados y al cociente F/Dpde la antena del satlite. Esta expresi

34、n es vlida para un de hasta nueve anchuras de haz, valor ms que suficiente para una cobertura global incluso en las bandas de 14/11 GHz, en la aplicacin de otro modelo, para zonas de servicio del tamao de Canad, Estados Unidos de Amrica o China, el valor de suele ser de uno o dos haces en la banda d

35、e 6/4 GHz y de unos cuatro haces en las bandas de 14/11 GHz. As, para la mayora de los sistemas el valor de Q suele estar por debajo de 1,1. En otras palabras, el efecto de ensanchamiento del haz es, por lo general, de aproximadamente el 10% de la anchura de banda del haz elemental de la antena de h

36、az conformado. Despreciando el ensanchamiento del haz principal debido al bloqueo y a los errores de superficie del reflector, y suponiendo un valor de caso ms desfavorable de 0,35 para la relacin F/Dpdel reflector, el factor de ensanchamiento Q puede reducirse a: 2)2/1(0037,010=Q En las bandas de 6

37、/4 GHz puede obtenerse un nivel de lbulos laterales de 25 dB sin gran dificultad utilizando una antena de bocina mltiple y reflector slido, de aproximadamente 2 m de dimetro, cuya puesta en rbita sea posible mediante un lanzador del tipo PAM-D. Para lograr una discriminacin de 30 dB se precisa una a

38、ntena de mayor dimetro si hay que controlar o proteger un Rec. UIT-R S.672-4 15 margen angular apreciable. En las bandas de 14/11 GHz del SFS, la discriminacin de 30 dB puede lograrse generalmente con la antena de 2 m de dimetro y el empleo de un alimentador de diseo ms sofisticado. Las ecuaciones a

39、nteriores para el diagrama de referencia dependen del ngulo de exploracin del haz componente en el borde de cobertura en la direccin de cada corte particular para el que debe aplicarse el diagrama. Para un diagrama de referencia que se utilice como objetivo de diseo, es deseable un diagrama sencillo

40、 que dependa de un mnimo de parmetros. Por lo tanto, hay que seleccionar e incorporar en las ecuaciones anteriores un valor o valores de Q que sirvan para las coberturas tpicas de satlite. Se puede conseguir una pendiente de cada del haz principal ms pronunciada en zonas de servicio de un satlite na

41、cional tpico en cooperacin con zonas de cobertura regionales muy amplias; a la inversa, un diagrama de referencia que satisfaga una cobertura regional ser demasiado holgado para coberturas de satlites nacionales. Por lo tanto se propone simplificar el modelo 1 en los dos casos que se incluyen a cont

42、inuacin para las antenas de SFS. En tales casos, se supone un nivel uniforme del lbulo lateral de 25 dB. a) Zonas de cobertura pequeas ( 3,5) Las coberturas de semi-haz y globales de INTELSAT e INMARSAT constituyen ejemplos de zonas de cobertura grandes. Para representar la degradacin del diagrama d

43、ebido a una exploracin grande, se toma un valor de 1,3 para el factor Q. Los diagramas de referencia aplicables para estas coberturas ( 3,5) se definen como: 185017,25017,21575,11575,10paraparapara)/5017,2(log202525)65,0(73,7256,0)(000002020dBi 1/2) y las del haz concentrado ( = 1/2). Para las relac

44、iones de exploracin intermedias comprendidas en la gama 3,5 2b(vase la Fig. 7). Si el polgono de cobertura puede incluirse en un crculo de radio b, este crculo es el contorno de la zona de cobertura. El centro de este crculo es el centro de un crculo de radio mnimo que estrictamente encierre el cont

45、orno de la zona de cobertura. Si el polgono de cobertura no puede incluirse en un crculo de radio b, entonces se procede del siguiente modo: Etapa 1: Para todos los ngulos internos del polgono de cobertura 180 se construye un crculo de radio bque es tangente a las lneas conectadas al punto de la zon

46、a de cobertura cuyo centro est en la bisectriz externa del ngulo. b) Si este crculo no se halla totalmente fuera del polgono de cobertura, entonces se construye un crculo de radio bque es tangente al polgono de cobertura en sus dos puntos ms prximos y que se halla totalmente fuera del polgono de cob

47、ertura. Etapa 3: Establecer segmentos de lnea recta que sean tangentes a las porciones de los crculos de las etapas 1 y 2 que estn prximas al polgono de cobertura, pero fuera del mismo. Etapa 4: Si la distancia interna entre cualesquiera dos segmentos de lnea recta de la etapa 3 es inferior a 2b, lo

48、s puntos de control del polgono de cobertura deben ajustarse de modo que la reaplicacin de las etapas 1 a 3 d una distancia interna entre los dos segmentos de lnea recta igual a 2b. En la Fig. 7 aparece un ejemplo de esta tcnica de construccin. Rec. UIT-R S.672-4 23 0672-07bbbbbbbPolgonode coberturaEtapa 1Etapa 2a)Etapa 2b)Etapa 2a)fallaContorno de la zonade coberturaFIGURA 7Construccin del