Помоги проекту - поделись книгой:
Рис. 29
Для наглядности спутник можно представить как «зависший» в ночном небе над экватором прожектор или группу прожекторов, которые освещают часть поверхности Земли. При этом, в зависимости от площади освещаемой поверхности, лучи этих прожекторов бывают узкими, зонными, региональными, глобальными и т. д. Наибольшая плотность электромагнитных волн достигается в центре луча. Кроме этого, в зависимости от того, сигнал какой мощности достигает поверхности Земли в месте установки антенны, выбирается размер зеркала спутниковой антенны. Чем сильнее мощность сигнала, тем меньший диаметр зеркала необходим. Таким преимуществом обладает узкий луч. Чем шире зона охвата, тем меньше плотность потока мощности у поверхности Земли. Например, чтобы принять в Киеве телепрограммы глобального луча спутника «Intelstat 905» (27,5° западной долготы), охватывающего всю видимую с него часть поверхности Земли, требуется антенна диаметром не менее 3 м.
Географические границы зон возможного приема находят в результате проецирования основного луча диаграммы направленности антенны на шаровую поверхность Земли. Границы выглядят в виде эллипсов (рис. 30).
Антенны спутникового телевизионного вещания, расположенные на искусственных спутниках Земли (ИСЗ)
Спутниковые системы связи являются одним из основных видов дальней связи. Связь между объектами, расположенными на расстояниях от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, осуществляется на сантиметровых волнах при помощи ИСЗ, применяемых в качестве активных или пассивных ретрансляторов. На сантиметровых и дециметровых волнах производится также связь с космическими кораблями, удаленными от Земли на сотни миллионов километров.
Для повышения пропускной способности спутниковых систем связи, кроме ранее уже использовавшегося частотного диапазона 4–6 ГГц, в настоящее время осваиваются новые диапазоны 11–14, 12–18 и 20–30 ГГц.
Допустимый уровень излучения в сторону Земли бортовых антенн ИСЗ ограничен из-за недопустимости излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам. Сигналы, приходящие от космических кораблей, весьма слабы из-за очень большой удаленности их источников.
Из-за малой ширины диаграммы направленности при изменении положения ИСЗ необходимо обеспечить весьма высокую точность наведения луча антенны на эти объекты и непрерывное их сопровождение. Для этого антенны снабжаются поворотными устройствами и системами управления ими.
Тип приемно-передающей антенны, установленной на ИСЗ, выбирают с учетом требований, связанных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями работы в космосе, стабилизацией ИСЗ и т. п.
На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогабаритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 20°, применялись антенны с шириной диаграммы направленности Θ0,5 = 20–25° и коэффициентом усиления примерно 6-17 дБ.
На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5-10 тыс. км), применялись почти ненаправленные (изотропные) антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые).
Недостаток усиления бортовых антенн компенсировался использованием больших наземных антенн с высоким коэффициентом усиления. С увеличением общих размеров ИСЗ появилась возможность применять более направленные антенны, коэффициент усиления которых достигает 30–35 дБ и более. К таким, в частности, относятся параболические (однозеркальные и двухзеркальные) антенны.
Одним из основных направлений в конструировании бортовых антенн является создание складных антенн, раскрывающихся после вывода космического аппарата на орбиту. Современные конструкции антенных систем ИСЗ решают следующие задачи:
– обеспечение эффективного облучения только заданной области земной поверхности путем формирования диаграммы направленности специальной формы;
– обеспечение возможности повторного (многократного) использования рабочих частот за счет пространственного разноса диаграмм направленности и поляризационного разделения;
– ослабление излучения вне зоны обслуживания с тем, чтобы уровни поля на основной и кроссполяризации соответствовали нормам Международного Консультативного Комитета по Радио (МККР);
– коэффициент направленного действия антенны должен при заданной мощности бортового передатчика обеспечивать необходимый для нормального приема уровень напряженности электрического поля;
– размеры спутниковых антенн в процессе их вывода на орбиту должны позволять их размещение в обтекателе ракеты-носителя;
– антенны должны иметь малую массу и сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, выдерживать, не изменяя геометрической формы, солнечное излучение и т. п. Для изготовления антенны на ИСЗ используются алюминий, титан, инвар и композиты. Так, например, графитоэпоксидные композиты обладают хорошими механическими свойствами, близким к нулю коэффициентом линейного расширения, малым удельным весом и большой жесткостью.
Эти задачи могут решаться применением многолучевых антенн, к которым в последнее время проявляется значительный интерес. Используя диапазон частот 20–30 ГГц и обладающие большим усилением многолучевые антенны, можно значительно снизить мощность бортовых передатчиков ИСЗ и наземных станций и уменьшить диаметры раскрывов антенн.
В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркальные, линзовые и фазированные антенные решетки (ФАР). Основным преимуществом зеркальных многолучевых антенн является их сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая масса, простота конструкции. Коэффициент усиления (КУ) таких антенн изменяется от 27–30 дБ в диапазоне 4–6 ГГц (при диаметре раскрыва 1–2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц. Антенны имеют высокую развязку по поляризации (не менее 35 дБ).
Основными направлениями в области развития антенн систем спутниковой связи являются:
– использование многолучевых бортовых антенн и увеличение их размеров (в дальнейшем предполагается большие многолучевые антенны создавать на крупногабаритных орбитальных конструкциях);
– увеличение коэффициента усиления (примерно до 55 дБ);
– снижение уровня боковых лепестков и уровня кроссполяризации поля;
– использование адаптивных антенн;
– уменьшение размеров и стоимости антенн наземных станций;
– применение электронного сканирования.
Приемные антенны
Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, основной частью которых является антенна, которая бывает различных конструкций. Среди этих антенн получили распространение и планарные антенны, основой которых служит решетка диполей с рефлектором в виде металлического листа, то есть так называемая фазированная антенная решетка (ФАР). Улавливаемые диполями сигналы суммируются и поступают на вход конвертера. Регулируя фазовращателем фазу и амплитуду сигнала, принятого каждым диполем, можно сформировать суммарную диаграмму направленности, как неподвижную, так и изменяющую направление приема – сканирующую. Безинерционное мгновенное электронное сканирование с применением системы слежения позволяет устанавливать такие антенны на подвижных объектах (самолете, ракете или нестационарном спутнике). При этом число электронных фазовращателей равно числу применяемых диполей, из-за чего такие антенны оказываются очень дорогими и применяются лишь в радиолокационной и космической технике, где их большая стоимость может быть оправдана.
Особую популярность и широкое распространение для осуществления приема сигналов со спутников получили в настоящее время так называемые зеркальные антенны.
К зеркальным антеннам относится достаточно широкий класс антенн, в которых формирование диаграммы направленности происходит за счет отражения электромагнитных волн первичных источников – облучателей от металлических зеркал той или иной формы. В простейшем случае зеркало может представлять собой плоскую металлическую пластину достаточно больших размеров. Такая пластина играет роль рефлектора, благодаря которому излучение будет происходить преимущественно по направлению нормали к поверхности зеркала. Несколько более сложным является зеркало в виде двух плоских металлических пластин, чаще всего образующих прямой двугранный угол. Вместе с облучателем, представляющим собой симметричный вибратор, такое зеркало образует так называемую уголковую антенну. Вибратор обычно устанавливается в плоскости биссектрисы двугранного угла, образованного пластинами зеркала, параллельно его ребру. Хорошими направленными свойствами обладают антенны с зеркалом в виде параболоида вращения. Такие антенны имеют узкую диаграмму направленности в двух плоскостях, которая называется диаграммой направленности игольчатого типа. Если нужно иметь антенну, диаграмма направленности которой достаточно узкая в одной плоскости и широкая в другой плоскости, перпендикулярной первой, то в качестве зеркала можно использовать усеченный параболоид вращения. Однако в такой антенне трудно получить диаграмму направленности с большой разницей в ширине диаграмм направленности в одной и другой главной плоскости. Поэтому для реализации «веерной» диаграммы направленности чаще используется зеркало в виде параболического цилиндра с линейным облучателем.
Все приемные антенны собирают энергию сигнала, поступающего на них со спутника. В параболических антеннах фокусировка энергии на облучателе происходит по законам оптики благодаря отражению от поверхности параболического рефлектора. Для спутникового приема можно использовать однозеркальные антенны с осесимметричным или смещенным облучателем и двухзеркальные антенны по схеме Кассегрена с параболическим рефлектором и гиперболическим контррефлектором.
Обычно применяют антенны с круговой поляризацией поля. Антенны для станций телевизионного вещания, обслуживающих небольшой населенный пункт (КУ примерно 35 дБ), обычно бывают однозеркальные. С этой же целью применяют несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в параллель (КУ примерно 21–28 дБ). Размеры (диаметр раскрыва) антенн спутникового телевидения 1–2 м.
Параболические антенны
В большинстве случаев для профессионального и любительского приема передач с ИСЗ используют зеркальные антенны, зеркало которых выполнено в виде параболоида вращения, – так называемые параболические антенны. Популярность антенн такого типа обусловлена свойством параболоида вращения отражать падающие на его апертуру (часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения) параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом.
Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы). На рис. 31 приведены основные параметры параболы (а), определение ее фокуса (б) и сходимость лучей в фокусе параболоида вращения (в). Точка F – фокус, линия АВ – директриса. Точка М с координатами х, у – одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.
Рис. 31
По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора, MF2 = FK2 + MK2. В то же время FK = х – р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х – р/2)2 + у2 = (х + р/2)2. Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:
По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?
Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное) расстояние. Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 31б). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A + B = C + D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 31в).
Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, то есть расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.
Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной, и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм – всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.
Спутниковая антенна – единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный. Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй – офсетными. Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 32 а и 32б соответственно.
Офсетная антенна представляет собой вырезанный сегмент параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Такое устройство антенны устраняет затенение ее полезной площади облучателем и его опорами, что приводит к существенному повышению ее коэффициента полезного использования по сравнению с осесимметричной антенной при одинаковой площади их зеркал. К тому же облучатель офсетных антенн установлен ниже их центра тяжести, что увеличивает тем самым ее устойчивость при ветровых нагрузках.
Именно такая конструкция антенны является наиболее популярной для индивидуального приема спутниковых телепередач, хотя нередко используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.
Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.
Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.
Основные параметры . Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (TΣ) на входе приемного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/TΣ (коэффициент шумовой добротности приемного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру ТΣ = Ty + Tmp + Tа. Здесь Ту – шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Ту ~ 40-60К); Тmp – шумовая температура СВЧ-тракта, соединяющего антенну с малошумящим усилителем; Та – эквивалентная антенная шумовая температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/TΣ, при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tmp и Та. Уменьшение Tmp достигают, помещая МШУ как можно ближе к облучателю, то есть сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом – системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.
Антенная температура Та растет при уменьшении угла места Δ (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приема шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при Δ = 5–7° в диапазоне 4–6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их прием происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла Δ путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11–14 и 20–30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места Δ увеличивается до 10°.
Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путем увеличения ее размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению Та и ухудшению помехозащищенности. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11–14 и 20–30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли миллиметра, что соответствует относительному допуску 10-4-10-5). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от – π/4 до +π/4.
Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ. При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит к значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2Ro следует выбирать с учетом технико-экономических факторов, определяющих реализуемую точность наведения, а также соответствующих этой точности потерь усиления.
Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси зеркала должен соответствовать условию, что отклонение от синфазного распределения не превышает π/4. Это соответствует тому, что |ΔΖ| < λ/8(1-cosψ0) (рис. 33).
Таким образом, при постоянном диаметре зеркала с ростом фокусного расстояния (что приводит к уменьшению угла ψ0) требуемая точность в установке облучателя снижается. Такой вывод имеет важное значение для практики, если речь идет, например, об установке облучателя, который не имеет фазового центра.
Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещенным из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону, противоположную смещению облучателя.
Максимальное значение ρ, определяемое краем зеркала, называется радиусом раскрыва зеркала ρ0, а плоская поверхность, ограниченная краем зеркала, называется раскрывом параболического зеркала (рис. 34). Наряду с радиусом раскрыва можно говорить о диаметре зеркала, который будем обозначать через Dr, так что Dr = 2ρ0. Пусть значению ρ = ρ0 соответствует угол ψ = ψ0. Угол 2ψ0 называется углом раскрыва зеркала. Если угол раскрыва меньше 180°, зеркало называется короткофокусным (рис. 34а). Для длиннофокусных зеркал ρ0 < 2ψ0; для короткофокусных зеркал ρ0 > 2ψ0. По ряду причин в антеннах применяются главным образом длиннофокусные зеркала.
Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле D = 4πkF/λ2, где F – поверхность раскрыва параболоида, равная F = πρ02 (ρ0 – диаметр зеркала). Множитель к является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида. В случае, когда облучателем является элементарный вибратор с рефлектором, было показано, что имеется оптимальное отношение ρ0/f = 1,3 (f – фокусное расстояние), при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При ρ0/f = 1,3 величина k равна 0,83. Оптимальное значение ρ0/f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения ρ0/f При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения ρ0/f Оптимальная форма диаграммы облучателя приведена на рис. 35.
Рис. 35
Это обстоятельство приводит к уменьшению коэффициента k по мере уменьшения отношения ρ0/f Однако с другой стороны, уменьшение отношения ρ0/f сопровождается увеличением равномерности облучения зеркала, что сопровождается увеличением коэффициента k. В результате действия двух указанных факторов получается оптимальное соотношение ρ0/f, которое в случае элементарного вибратора с рефлектором равно 1,3.
η – коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий, какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель. Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (λ = 7,5 см) и 12 ГГц (λ = 2,5 см), будут отличаться в 9 раз, однако на самом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны-передатчика).
Затухание L0 растет при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны λ электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L0 = 16π2R2/λ2.
Таким образом, при одинаковой площади параболических рефлекторов приемных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.
Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром Dr повышается при увеличении эффективной площади рефлектора Sэф и при уменьшении длинны волны λ принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):G = 4πSэф/λ2, где Sэф = ηπDr2/4.
Таким образом, коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.
Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже:
Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 36 а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.
Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления в 300 раз (рис. 36б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве в частности основан принцип работы прожектора.
Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании как преобразователя напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид – это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помещена активная антенна (облучатель).
Диаграмма направленности параболической антенны, приведенная на рис. 37, характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.
Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. С учетом этого оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности является ширина в 1–2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.
Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.
Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.
Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.
Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.
Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.
С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Кроме того, к ним легко прилипает снег, что также приводит к искажению приема телепередач.
Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. К тому же они значительно меньше портят «пейзаж», особенно в исторических районах. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Кu-диапазона (основной диапазон частот от 10,7 до 12,75 ГГц, используемых в спутниковом телевидении). Для обеспечения приема такого же качества, как при использовании антенн со сплошным зеркалом, требуется рефлектор большего диаметра. Поэтому такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.
Параболическая антенна, на первый взгляд, кажется грубым куском металла, но, тем не менее, она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны должны везде касаться поверхности.
Технические приемы и решения
Осесимметричная антенна . При использовании длиннофокусных рефлекторов оптимального облучения их поверхности удается достичь применением рупорных облучателей. При этом необходимо помнить, что рупоры, обладающие большим собственным углом раскрыва, имеют более узкие диаграммы направленности, а у рупоров с малым собственным углом раскрыва диаграмма направленности шире.
При использовании короткофокусных рефлекторов оптимального их облучения удается достичь, применяя облучатели в виде рупоров, у которых собственный угол раскрыва очень мал или равен нулю. Рупором, у которого угол раскрыва равен нулю, может служить открытый конец волновода.
В качестве такой антенны удобно использовать осесимметричный параболический рефлектор (рис. 38), оборудовав его круглым волноводом из дюралюминиевых трубок. Для диапазонов 11 и 12 ГГц конвертер (смеситель, гетеродин и даже МШУ) можно выполнить в виде модулей из коротких отрезков стандартных прямоугольных волноводов, широко применяемых в радиолокационных и других СВЧ-устройствах трехсантиметрового диапазона. При этом для подключения такого конвертора к круглому волноводу антенны необходим модульный переходник, имеющий плавный переход от круглого волновода к прямоугольному. Передачи спутникового телевидения ведутся как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией радиоволн. Поэтому прием с той или иной поляризацией обеспечивается поворотом модуля-переходника и всего конвертера на конце круглого волновода, выведенного за заднюю поверхность параболического рефлектора.
В настоящее время нашли широкое распространение конструкции, в которых компактный конвертер расположен непосредственно в фокусе параболического рефлектора. Однако при расположении конвертера, состоящего из нескольких отдельных модулей, за рефлектором удобнее настраивать эти модули и экспериментировать, не затеняя некомпактным модульным конвертером, рукой или частью своего тела рабочей поверхности параболического рефлектора. В такой конструкции потери энергии принятого сигнала на коротком отрезке круглого волновода малы и ими можно пренебречь.
Как в широко распространенных конструкциях, где конвертер расположен в фокусе параболического рефлектора, так и в конструкции с волноводом между облучателем и конвертером необходимо добиваться максимального согласования облучателя с рефлектором и волноводом, а последнего – с входом конвертера, добиваясь наличия в основном режима бегущей волны в этой цепи. С этой целью широкое применение в параболических антеннах находят рупорные облучатели, хорошо согласующиеся как с самим параболическим рефлектором, так и с волноводом или входом конвертера. Однако такие облучатели применимы лишь с длиннофокусными рефлекторами, и из-за значительного удаления облучателя от рефлектора конструкция антенны оказывается довольно громоздкой.
Гораздо более компактной получается антенна с короткофокусным рефлектором, в котором облучатель приближен к поверхности рефлектора, но в этом случае вместо рупорных с узкой диаграммой направленности приходится применять облучатели в виде открытого конца волновода с широкой диаграммой направленности. Однако он хуже, чем рупор, согласуется с параболическим рефлектором, а в цепи волновод – конвертер неизбежно рассогласование и, как следствие этого, появление там отражений и стоячих волн.
Применение облучателя на основе круглого волновода дает возможность обеспечить сбор с рефлектора энергии радиоволн любой поляризации. Однако из-за неидеального согласования круглого волновода (круглого облучателя) с входом конвертера, построенного на основе отрезков прямоугольного волновода, также неизбежно появление дополнительных отражений и стоячих волн.
Для уменьшения потерь энергии принятого сигнала во входных цепях модульного конвертера приходится применять согласующие устройство в виде модуля-трансформатора сопротивлений (рис. 38), представляющего собой отрезок круглого волновода с изменяемой длиной. Изменяя длину этого модуля, можно достичь лучшего согласования на входе конвертера, ориентируясь на наименьшие потери полезного сигнала в этой цепи.
Приведем описание трех конструкций осесимметричных антенн с параболическим рефлекторами, имеющими различные фокусные расстояния (с длиннофокусным, со среднефокусным расстоянием и с короткофокусным). Первые две антенны выполнены с облучателями в виде открытого конца круглого волновода, а третья – по схеме Кассегрена с рупорным облучателем.
Длиннофокусная осесимметричная антенна . Наиболее простой из этих трех можно назвать параболическую осесимметричную антенну (рис. 38) с относительно длиннофокусным (F = 0,28 м) рефлектором диаметром 0,67 м. Угол раскрыва рефлектора 2ψ0 равен 118°. Диаметр круглого волновода и облучателя в виде его открытого конца рассчитан и выбран таким, чтобы диаграмма облучателя хорошо вписывалась в угол раскрыва рефлектора с целью получения максимально возможного коэффициента использования поверхности рефлектора (около 0,6). Коэффициент усиления такой антенны – около 35 дБВт, а ширина диаграммы направленности – 2,5°. Заметим, что дБВт (децибел-ватт) – единица измерения, характеризующая затухание (усиление) антенны, выраженное в децибелах, рассчитанное относительно 1 Вт мощности.
Точно такие же волновод и облучатель можно применить для рефлекторов большего диаметра с большим фокусным расстоянием, но имеющих тот же угол раскрыва. При этом коэффициент использования поверхности останется прежним, а за счет увеличения площади рефлектора усиление антенны возрастет и ширина диаграммы направленности уменьшится. Коэффициент усиления по мощности для антенны с рефлектором большего диаметра можно подсчитать по формуле G = 4πSэф/λ2.
Среднефокусная осесимметричная антенна . В среднефокусной параболической осесимметричной антенне применен рефлектор от радиорелейной станции трехсантиметрового диапазона диаметром 1 м, со средним фокусным расстоянием 30 см. Большой угол раскрыва этого рефлектора (2ψ0 = 150) потребовал более тщательного расчета диаметра круглого волновода, открытый конец которого служит облучателем. По приблизительным оценкам коэффициент использования поверхности рефлектора этой антенны – около 0,6; коэффициент усиления – около 39 дБВт. Волновод и облучатель такой конструкции можно применить и для рефлекторов большего диаметра, но с таким же углом раскрыва. Коэффициент усиления по мощности и ширину диаграммы направленности антенны с рефлектором большего (или меньшего) диаметра можно приблизительно оценить по приведенным выше соотношениям.
Короткофокусная осесимметричная антенна . В короткофокусной антенне может быть применен короткофокусный параболический рефлектор, у которого глубина соизмерима с фокусным расстоянием, а угол раскрыва 2ψ0 может достигать 180° и более. Применение таких рефлекторов возможно лишь при условии наиболее полного использования их поверхности (коэффициент использования поверхности – в пределах 0,6–0,7). Это, в свою очередь, диктует необходимость создания облучателей с углом диаграммы направленности, равным углу раскрыва примененного короткофокусного параболического рефлектора. Так как конструирование таких облучателей вызывает целый ряд непреодолимых трудностей, то приходится применять вспомогательное зеркало, то есть строить двухзеркальную антенну по схеме Кассегрена (рис. 39).
Интересно отметить, что двухзеркальная антенна с гиперболическим контррефлектором названа именем Кассегрена, применившего в 1672 году такую систему для сбора энергии световых лучей от удаленных небесных светил, то есть в качестве телескопа. Ранее, в 1663 году, Грегори предложил вариант двухзеркального телескопа с основным параболическим рефлектором и эллипсоидным контррефлектором. По схеме Грегори строятся лишь длиннофокусные двухзеркальные антенны, в которых к тому же требуется более высокая точность исполнения контррефлектора, чем в антенне по схеме Кассегрена.
Двухзеркальная антенна . Полностью собрать энергию принятого сигнала с поверхности короткофокусного параболического рефлектора с большим углом раскрыва одним облучателем не удается. Это можно обеспечить, применив дополнительное гиперболическое зеркало (контррефлектор) (рис. 39). Вспомогательное зеркало (контррефлектор) представляет собой симметрично усеченный гиперболоид вращения, один фокус O1 которого должен совпадать с фокусом F параболического рефлектора. Во втором фокусе O2 второй мнимой ветви гиперболоида располагают облучатель, в качестве которого использована рупорная антенна круглого сечения с не столь большим собственным углом диаграммы направленности. Он рассчитан так, чтобы облучалась лишь поверхность гиперболического контррефлектора.
Несмотря на то что контррефлектор создает значительное затемнение для падающих на рефлектор лучей принимаемого сигнала, коэффициент использования поверхности рефлектора за счет эффективного сбора с него энергии оказывается довольно высоким (0,6–0,7). С контррефлектора энергия собирается рупорным облучателем с относительно малым углом раскрыва. Кроме того, такой двухэтапный сбор энергии приводит к более плавному, а следовательно, и более полному согласованию облучателя с основным рефлектором. Это, казалось бы, должно существенно уменьшить стоячие волны. Однако отраженные от входа конвертера волны, попадающие на центральную часть контррефлектора, не уходят в свободное пространство, из-за чего уровень стоячих волн увеличивается.
Если в двухзеркальной антенне, широко использовавшейся в радиолокационных системах на частотах 4 ГГц, применен параболический рефлектор диаметром 1,5 м с глубиной и фокусным расстоянием 0,38 м и углом раскрыва 180°, то коэффициент усиления антенны на частоте 11 ГГц окажется равным не менее 43 дБВт при ширине диаграммы направленности 1,2° и коэффициенте использования поверхности основного рефлектора около 0,6.
Неосесимметричная антенна . В параболических неосесимметричных антеннах вынесенный облучатель и конвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения (рис. 40).
Однако существенного выигрыша в усилении у этих антенн не получается, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала. К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором. Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. Единственным заметным достоинством неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем (Ofset Antenne) следует признать почти вертикальное к поверхности Земли расположение рефлектора, что позволяет уменьшить падение на него атмосферных осадков (дождя, снега, града и др.). Это очень важно в северных широтах, где осадки выпадают чаще, чем в южных.
Плоские и сферические спутниковые антенны . В настоящее время в спутниковом непосредственном телевизионном приеме в качестве антенн наиболее широко применяются два основных параболоида вращения: осесимметричный и офсетный.
Трудоемкость изготовления параболического отражателя вынудила искать альтернативные конструкции антенн, более технологичных в производстве и самостоятельном изготовлении. К таким конструкциям относится плоский зональный отражатель Френеля, приведенный на рис. 41. На рис. 41а показан вид сбоку (разрез) отражателя (1 – металлические кольца, 2 – диэлектрическое основание, 3 – центральный диск, 4 – конвертер). На рис. 41б показан вид спереди (без конвертера).
Огюстен Жан Френель (1788–1828), французский физик, один из основателей волновой оптики, в процессе изучения дифракции света использовал метод разделения фронта волны на кольцевые зоны, названные впоследствии его именем.
Зональная антенна Френеля (ЗАФ) по принципу действия существенно отличается от обычно используемых антенн, содержащих в основе параболический отражатель.
Антенный отражатель Френеля представляет собой проводящие концентрические кольцевые поверхности, расположенные в одной плоскости. Под воздействием падающей волны электромагнитного поля, согласно принципу Гюйгенса, каждое кольцо становится источником вторичного излучения, которое направлено в разные стороны в отличие от параболоида вращения, отражающего все лучи в направлении фокуса. Можно подобрать такую ширину каждого кольца зональной антенны и расстояние между ними, чтобы сигналы вторичного излучения от средних линий каждого кольца в определенной точке пространства совпадали по фазе. Для этого достаточно, чтобы расстояния между средними линиями колец и указанной точкой отличались на длину волны сигнала. Эту точку по аналогии с параболоидом можно назвать фокусом. В фокусе, как и в параболической антенне, находится облучатель.
Сигналы, излученные серединой колец, оказываются в фазе с сигналом, излученным центром диска. Расфазировка между сигналами, излученными кромкой диска и его центром, а также кромками колеи и их серединой, составляет всего 1/4 длины волны.
Таким образом, расчет ЗАФ сводится к выбору места расположения фокуса F на воображаемой оси антенны, то есть расстояния f от полотна антенны, и вычислению внутренних и наружных радиусов колец в зависимости от длины волны λ ретранслятора. Расстояние f не критично, и его выбирают в пределах 500-1000 мм (для антенн больших диаметров).
Сигналы, которые излучают края колеи, отличаются по фазе от сигналов, которые излучает окружность (находится в середине кольца), обеспечивающая синфазность. Широкие кольца обеспечивают широкополосность антенны. В связи с тем, что радиусы колеи ЗАФ зависят от длины волны сигнала, может показаться, что антенна является узкополосной и для каждой частоты (или длины волны) спутникового транспондера понадобятся соответствующие размеры колец. Однако расчеты показывают, что это не так.
Зональная антенна плоская по форме, поэтому она значительно технологичнее в любительских условиях изготовления. Такая антенна может быть выполнена из большого куска фольгированного пластика, или методом травления, или путем вырезания промежутков между кольцами. Ее также можно изготовить наклейкой колец из фольги или ровной жести на лист гетинакса, текстолита, оргстекла, древесноволокнистого полотна (ДВП). Для снижения ветровой нагрузки в диэлектрическом основании антенны просверливают произвольное количество отверстий.
Основным недостатком зональной антенны по сравнению с параболической такого же диаметра является меньший коэффициент усиления, так как не вся энергия сигнала, попадающая на полотно антенны, направляется к облучателю. В условиях слабого сигнала потеря усиления даже на 2 дБ приводит к поражению сигнала шумами и потере цветности. Для компенсации недостатка коэффициента усиления ЗАФ необходимо увеличивать диаметр полотна антенны, хотя при достаточной мощности спутникового ретранслятора и больших углах места (меньше влияют тепловые шумы Земли) для данной точки приема такая антенна обеспечивает хорошие результаты.
Ряд зарубежных фирм производят плоские антенны, которые представляют собой систему из большого количества излучателей (простейших полуволновых вибраторов). Они расположены во много рядов и этажей, соединенных между собой фидерными линиями. Такая конструкция плоской антенны называется антенной решеткой (АР).
Точки питания вибраторов в этажах и рядах соединены таким образом, что принятые каждым вибратором сигналы складываются в фазе. В точках питания АР мощность сигнала равна сумме мощностей, принятых всеми вибраторами. В этих же точках находятся входные клеммы приемной части устройства (конвертера), куда поступает принятый решеткой суммарный по мощности сигнал.
Например, для частоты 12 ГГц синфазная решетка состоит из 2304 полуволновых вибраторов, размещенных в 48 рядов и 48 этажей. Такая решетка имеет размеры 600x600 мм, ширина ее диаграммы направленности в обеих плоскостях по половинной мощности составляет 4,2° без учета ее сужения за счет диаграмм направленности вибраторов. Конструктивно решетку можно выполнить известным печатным способом путем травления фольгированного пластика.
Плоские антенны очень технологичны в производстве, а синфазная решетка имеет дополнительные преимущества по сравнению с зональной антенной Френеля, так как не нуждается в облучателе и ее выходные клеммы можно расположить в плоскости самой антенны. Сложность использования синфазной решетки заключается в необходимости такого соединения вибраторов с клеммами антенны, чтобы принятые всеми вибраторами сигналы поступали к выходу антенны с одинаковой фазой.
Существуют квадратные планарные антенны (цвет. вкладка 5), в которых вибраторы расположены в одной плоскости. Радиоволны через диффузное (пористое) синтетическое покрытие попадают на металлические элементы-облучатели, напыленные на тонкопленочные подложки. Длина этих элементов кратна длине волны принимаемого сигнала, и все они синфазно подключены к направленным на конвертер собирательным шинам, которые сведены к центру квадрата.
При соответствующих размерах синфазной АР и количестве вибраторов коэффициент усиления такой плоской решетки может быть не ниже, чем у антенны с параболическим отражателем. Это связано с тем, что у синфазной решетки узкая диаграмма направленности, так как в фазе складываются только сигналы, поступающие к решетке перпендикулярно ее плоскости.
Кроме того, среди достоинств плоских антенн можно выделить следующие: возможность их изготовления методами печатного монтажа, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров; снижение на 10–30 % ветровой нагрузки по сравнению с параболическими антеннами; простота перевозки, хранения и установки.
Если фазы всех излучателей плоской АР равны, то суммарный луч диаграммы направленности расположен перпендикулярно плоскости антенны.
Однако если ввести в фидерные линии синфазной АР фазовращатели (ФВ) и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то в определенном (заданном) направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диагональ антенны расположена перпендикулярно поверхности земли. На рис. 42 представлена фазированная антенная решетка с электронным сканированием луча, при этом цифрами обозначены: 1 – излучатель, 2 – фазовращатель, 3 – позиционер (устройство для управления системой наведения антенны на спутник).
В технологии решетки заложена возможность установки управляемых ФВ одновременно с излучающими элементами. В устройстве фазовращателя используются полупроводниковые диоды, или варакторы.
В зависимости от количества принимаемых с различных спутников программ количество ФВ может равняться 12 или 24. Система ФВ из 12 диодов может вести прием в секторе ±8°, система из 24 диодов – в секторе ±16°.
В ФВ используют интегральные микросхемы. Таким образом, возможна распайка ФВ на той же печатной плате, где вытравлены излучатели.
В настоящее время внимание к АР значительно возросло в связи с достижениями в области изготовления печатных плат и созданием новых высококачественных диэлектрических материалов с малым углом потерь. Относительная простота их изготовления в заводских условиях обеспечивает производство большого количества антенных элементов и всех фидерных линий в едином технологическом цикле.
Отличием ФАР от используемых сегодня параболоидов вращения является микросекундное переключение луча на нужный спутник, в то время как в электромеханических системах с параболическим зеркалом этот процесс занимает десятки секунд и даже несколько минут.
Конвертер, прикрепленный к обратной стороне плоской печатной антенны, не затеняет апертуру. Невосприимчивость к воздействию прямых солнечных лучей, ветра и дождя гарантирует качественную работу конвертера в сложных климатических условиях.
Плоская форма и сравнительно небольшие габариты антенны (например, 65x65 см) не нарушают эстетичного внешнего вида здания и при ее установке не требуют согласования с архитектурными организациями.
Внедрение ФАР открывает новые, удобные для пользователя режимы работы (автопоиск спутников с последующим запоминанием координат и мгновенное переключение на нужный спутник), что, в свою очередь, позволяет использовать их для обеспечения приема спутниковых сигналов на подвижных объектах.
Сегодня эксплуатируется еще один вид спутниковой антенны – сферическая спутниковая антенна. Она имеет оригинальную конструкцию: шарообразная линза из диэлектрика, фокусирующая сигнал со спутника на концентрическую с фокальной плоскостью. Принцип фокусировки сферической антенны показан на рис. 43.
Работа антенны аналогична процессу видения боковым зрением. Ведь мы видим не только то, что находится перед нами, но и в значительном секторе как по горизонтали (90–94), так и по вертикали (70–77).
По конструкции сферическая антенна напоминает планету Сатурн, на поясе (кольце) которой (фокальная плоскость) укреплено несколько конвертеров (цвет. вкладка 6). Сферическая антенна является многоспутниковой. Это означает, что на одну такую антенну одновременно можно принимать сигналы нескольких спутников, находящихся на разных позициях геостационарной орбиты. При этом необходимо установить на кольце сферической антенны конвертеры для каждого выбранного спутника.
Одна сферическая антенна диаметром 1,0–1,5 м может заменить семь-восемь параболических антенн соответствующих размеров.
При этом сферическая антенна не требует позиционера и опорно-поворотных устройств (ОПУ).
Основные типы подвески антенны . Кроме размера и формы зеркала, очень важным параметром является тип подвески антенны. Подвеска бывает азимутальной и полярной. Азимутальная подвеска, как правило, фиксированная, антенна при этом настраивается на единственный спутник и жестко фиксируется на кронштейне крепления. Для приема другого спутника должна быть проведена полная перенастройка антенны.
Полярная подвеска значительно сложнее по конструкции и настройке и, соответственно, более дорогая. Она обеспечивает возможность приема нескольких спутников, находящихся в разных орбитальных позициях, вращением антенны только вокруг одной вертикальной оси.
Чаще всего офсетные антенны имеют фиксированную азимутальную подвеску (цвет. вкладка 7), а прямофокусные – полярную (цвет. вкладка 8). Кроме того, даже если вы хотите принимать несколько спутников, для которых достаточно антенны размером 1,2 м, в полярную систему лучше поставить 1,8 м или хотя бы 1,5 м. Некоторый запас не помешает. В последнее время все чаще появляются офсетные антенны с полярным подвесом и размером до 1,6 м. К сожалению, образцов таких антенн не так много. Некоторые мастера присоединяют обычные офсетные антенны с азимутальной подвеской к самодельным полярным подвесам, но финансовый выигрыш при этом незначительный, хотя для приема 2–3 хорошо видных спутников это, как нам кажется, неплохое решение.
Ниже описаны способы самостоятельного изготовления спутниковых антенн и опорно-поворотных устройств, используемых для их крепления.Изготовление параболической антенны
В промышленных условиях параболоид вытягивается из дюралюминиевого или стального листа с помощью мощных гидравлических прессов. К другой разновидности относятся параболоиды, изготовленные из пластических масс методом литья с последующей металлизацией поверхности напылением. В любительских условиях использовать эти методы практически невозможно. Однако в специальной литературе (например, http://www.teleradiocom.ru/arials/part1/part1.htm) неоднократно были описаны достаточно простые технологии изготовления самодельных параболоидов методом выклейки стеклотканью по шаблону с последующей оклейкой металлической фольгой. В тех же источниках приведены готовые таблицы вычисленных координат параболы одного определенного параметра, что позволяет избавиться от несложного, но громоздкого расчета. Если окажется, что целесообразно использовать параболу с другим значением параметра, такой расчет можно выполнить исходя из уравнения параболы: у2 = 2рх.
Обычно расчет параболоида проводится с использованием вычислительной техники. В табл. 1 приведены результаты компьютерного расчета самой выгодной формы параболоида. Здесь значения абсциссы X (согласно рис. 44) заданы через 5 мм в интервале 0-1000 мм. Соответственно значениям X в средней колонке приведены значения ординат Y. Результаты расчетов параболоида Yinv, по значениям X и Y приведены в правой колонке. Расчет сделан для фокусного расстояния 750 мм, которое обычно выбирается в пределах 0,2–0,4 от диаметра параболоида.
Рис. 44
Таблица 1. Расчет координат параболоида в декартовой системе (диаметр D = 2000 мм, фокус F = 750 мм)
По координатам (табл. 1) из стального листа толщиной 4–5 мм изготавливается лекало-шаблон (рис. 45). На этом рисунке цифрой 1 обозначены ребра жесткости, а цифрой 2 – лекало-шаблон, к которому и прикручиваются угольники (ребра) жесткости. Приваривать их к шаблону с помощью сварки нежелательно, так как при охлаждении металла могут нарушиться размеры лекала.
На рис. 46 представлена конструкция поворотного устройства для изготовления параболического отражателя. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – подшипник, 2 – опора, 3 – потолок, 4 – стяжки, 5 – шаблон и 6 – пол. Лекало закрепляется в этом устройстве с помощью конических подшипников. Одна обойма подшипника закрепляется к полу (6), а другая – к потолку (3). Соединяются они с помощью оси, в центре которой установлено лекало. Оно находится на расстоянии 70–80 мм от пола (если шаблон разместить ниже, то будет неудобно работать).
Пространство от пола до лекала заполняется кирпичами или камнями, а верхний слой изготавливается из армированного стальным проводом бетона.
Поворачивая шаблон, выравнивают верхний слой раствора. Добавляют немного сильного раствора, который состоит из цемента и мелкого гравия с песком (1:1). Перед смешиванием песок желательно просеивать через сито. По мере усадки нижнего слоя периодически добавляют новый раствор. Бетонная глыба имеет обратную форму параболы, поэтому она должна быть сделана с точностью до 0,5 мм.
Через одну-две недели поверхность глыбы шлифуют наждачной бумагой и покрывают парафином, устраняя небольшие неровности. Затем всю поверхность обмазывают воском или маслом и легко полируют. После такой обработки форма готова для формирования первой антенны-параболы.
Изготавливать форму-глыбу из гипса нежелательно, так как он очень быстро застывает. Форму можно делать из дерева (фанерных шайб), однако это более трудоемко. Подготовив форму, лекало и ось удаляют из центра. Следующий этап – наклейка антенны.
В качестве арматуры для антенны используют стеклоткань или другую плотную и гладкую ткань. Парабола клеится эпоксидной или полиэфирной смолой либо синтетическим столярным клеем. Клеящее вещество наносят тонким слоем на бетонную форму с помощью кисточки или пульверизатора. При этом эпоксидная смола должна быть перемешана с отвердителем. В этот раствор желательно добавить заполнитель, который предупреждает стекание смолы (например, мелко нарезанный порошок пенопласта). Затем на бетонную форму накладывают первый слой ткани (лучше цельный кусок на всю поверхность). Снова намазывают клей и накладывают второй слой, но уже из более грубой ткани. Так, не давая засохнуть нижним слоям, накладывают 3–5 слоев ткани.
Затем приступают к изготовлению восьми радиальных и двух окружных ребер жесткости. Первое окружное делают по краю антенны, второе (диаметром примерно 1000 мм) накладывают посередине. Ребра жесткости делают из пластин пенопласта, ширина и высота которых равна 100 мм, длина – 300 мм. Куски пенопласта приклеивают по окружности и радиусам. Через окружное ребро жесткости заворачивают лишние края ткани и тем самым формируют красивый бортик антенны.
Радиальные и центральные ребра жесткости оклеивают двумя-тремя слоями стеклоткани. В местах пересечения радиальных ребер с центровым ребром необходимо вклеить кусочки дерева размером 50x50x50 мм. На следующем этапе к ним будет крепиться антенна с площадкой поворотного механизма.
Металлические детали и ребра жесткости заклеивать в конструкцию антенны нежелательно, так как у металла и эпоксидной смолы разные коэффициенты расширения. После отвердевания клея, через сутки-двое, антенну снимают с формы, обезжиривают поверхность и начинают самую ответственную операцию – оклейку фольгой отражающей поверхности. Зеркало параболы изготавливают из полосок алюминиевой фольги, которую приклеивают только медленно засыхающим клеем БФ-2. Ширину фольги подбирают экспериментально. Наклеивать полоски нужно очень аккуратно: чем меньше складок, тем лучше будет отражение принимаемого сигнала. В процессе наклейки фольги следует соблюдать осторожность, так как можно порезать пальцы.
В фокусе осесимметричной антенны устанавливают конвертер. Чтобы неподвижно поддерживать его в этой точке, в конструкции антенны предусматривают дополнительное приспособление. Пример конструкции приспособления для крепления конвертера в фокусе осесимметричной параболической антенны приведен на рис. 47. Приспособление для крепления головки изготавливают из трех дюралюминиевых трубок, которые прикручивают к металлической шайбе с отверстием в центре для головки. По краям параболической антенны трубки закрепляют уголками. Точки крепления дюралюминиевых трубок размещают через 120° по поверхности антенны.
Необходимо точно вычислить и затем обозначить (например, крестиком) центр параболоида. Параболоид устанавливают строго горизонтально и отвесом центрируют центр фокусной шайбы на трех дюралюминиевых трубках. Шайба должна находиться за фокусом на расстоянии 3–5 см от действительного фокуса. Это необходимо для свободного движения конвертера, настройки на наибольший сигнал.
Форму для выклейки параболических антенн меньшего диаметра (1,0–1,2 м) можно сделать другим способом. Рекомендуется такая последовательность изготовления формы.
Из стальной проволоки диаметром 4–5 мм делают каркас (рис. 48). Точками на этом рисунке обозначены места сварки элементов каркаса. Меридиональные (продольные) ребра каркаса предварительно изгибают по простейшему шаблону из толстой фанеры. Кривую для изготовления шаблона можно построить на миллиметровой бумаге как эквидистанту (равноотстоящую) с зазором 20–25 мм относительно профиля параболоида, рассчитанного при фокусном расстоянии F = 450 мм. Затем каркас обтягивают мелкоячеистой сеткой, закрепив ее проволокой.
Далее изготавливают лекало-шаблон из листового дюралюминия или стали толщиной 4–5 мм, ось – из латуни или дюралюминия, втулку – из стали. Отверстие во втулке и ось шаблона изготавливают с допуском, обеспечивающим скользящую посадку по второму-третьему классу. Например, при диаметре оси 30 мм допуски для втулки и оси равны соответственно +0,021 и -0,021 мм. Конструкция лекала-шаблона и втулки приведена на рис. 49, при этом втулка обозначена цифрой 1, а лекало-шаблон – цифрой 2.
Перед заливкой горки в каркас вставляют соосно и фиксируют втулку шаблона (рис. 50). Каркас заливают раствором из малоусадочного цемента или смесью песка с жидким стеклом. При этом необходимо дать возможность схватиться нижним слоям раствора. Толщина купола готовой формы не должна превышать 20–25 мм, иначе она будет долго сохнуть. Верхний слой купола формируют, соскабливая шаблоном лишний, не совсем застывший раствор. Иллюстрация процесса формирования купола с помощью лекала-шаблона представлена на рис. 51, при этом введены следующие обозначения: 1 – купол, 2 – втулка, 3 – лекало-шаблон.
После высыхания формы в течение нескольких дней на ее поверхности могут появиться трещины. Их замазывают раствором эпоксидной смолы с наполнителем и снова выравнивают шаблоном. После полного высыхания поверхность зачищают мелкой наждачной бумагой.
Изготовление опорно-поворотных устройств . Для точной ориентации параболической антенны на искусственный спутник Земли в ее конструкции необходимо предусмотреть поворотные механизмы, которые позволяют изменять положение антенны по горизонтали и вертикали, жестко фиксировать выбранное направление (рис. 52–58). Так, на рис. 52 приведена конструкция поворотного устройства параболической антенны и введены следующие обозначения: 1 – конвертер, 2 – трубка фиксации положения конвертера в фокусе антенны, 3 – параболическая антенна, 4 – опорная стойка-мачта (конструкция более детально представлена на рис. 53), 5 – обойма оси вертикального поворота (конструкция более детально представлена на рис. 54), 6 – ось горизонтального поворота (конструкция более детально представлена на рис. 55), 7 – рама повоторных механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 56), 8 – кронштейн для начальной установки вертикального уклона антенны механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 57), 9 – рычаг горизонтального поворота антенны механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 58), 10 – датчик горизонтали, 11 – защитная крышка, 12 – редуктор, 13 – цепь горизонтального поворота, 14 – датчик вертикали.
Стойку антенны сваривают из стальных труб и обязательно закрепляют на фундаменте. При большом диаметре параболоида «ветровое» давление на его зеркало может достигать нескольких сот килограммов. Для обеспечения устойчивости и работоспособности антенны при скорости ветра до 25–30 м/с опорная стальная труба должна иметь диаметр 90-100 мм и толщину стенки 4–5 мм (высота трубы 1,2–2,0 м). Основание и раскосы для трубы лучше всего изготавливать из стального швеллера, ширина полки которого 40–50 мм. Для изготовления других силовых элементов конструкции (азимутальной втулки, угломестной рамы и других узлов) целесообразно использовать стальной уголковый прокат. Неподвижные соединения деталей из стали лучше делать электросваркой, что уменьшит люфты.
Чтобы знать, на какой спутник в данный момент ориентирована параболическая антенна, необходимо оснастить ее указателями поворота. Если антенна хорошо видна, можно установить на ней достаточно большие шкалы, показывающие углы поворота и подъема. Если такой вариант нецелесообразен, можно сделать электронное устройство управления антенной (рис. 59–60). На рис. 59 представлена конструкция устройства контроля положения антенны, при этом введены следующие обозначения: 1 – резистор вертикального датчика, 2 – резистор горизонтального датчика, 3 – шестерня привода, 4 – рычаг привода. Принципиальная электрическая схема индикатора угла поворота и подъема антенны приведена на рис. 60.
В качестве датчиков углов поворота антенны используются обычные переменные резисторы (например, типа СП-1). Номиналы их сопротивлений не критичны. Они не обязательно должны быть одинаковыми, но их линейная характеристика должна быть типа А.
В качестве индикаторов используются миллиамперметры со стрелкой посередине. Калибровку показаний осуществляют следующим образом (рис. 60). Параболическую антенну устанавливают так, чтобы она приняла горизонтальное положение, и резистором R3 выставляют на ноль стрелку прибора РА1. Затем антенну поворачивают на 25°, чтобы она приняла вертикальное положение, и устанавливают стрелку прибора на крайнее деление шкалы. При этом резистор R5 находится в среднем положении.
Для регулировки горизонтального поворота антенну устанавливают в южном направлении. При этом резистор R6 на антенне также находится в среднем положении. Резистором R2 устанавливают на нуле стрелку прибора РА2. Поворачивают антенну на 90° и резистором R4 устанавливают стрелку прибора на крайнее деление шкалы.
Ручные механизмы для наведения параболической антенны часто представляют собой конструкцию типа «винт – качающаяся гайка» (рис. 61–62). На рис. 61 цифрами обозначены следующие элементы: 1 – рукоятка, 2 – шарнир, 3 – винт, 4 – втулка, 5 – гайка, 6 – элементы ОПУ.
На одном конце ходового винта на ОПУ шарнирно закреплена втулка (4), допускающая безлюфтовое вращение в ней винта (3). Гайка (5), через которую проходит винт (3), также выполнена в виде шарнира, установленного на другом элементе конструкции ОПУ, при повороте винта смещающейся (поворачивающейся) относительно элемента с прикрепленной к нему втулкой (4). Шарниры (2) позволяют изменить угловое положение ходового винта (3) при изменении взаимного положения узлов ОПУ (6), на которых шарнирно закреплены гайка (5) и втулка (4) механизма. Механизм наведения приводится в движение с помощью рукоятки (1).
Однако в большинстве случаев спутниковую антенну оснащают автоматической системой наведения на спутник. Устройство, состоящее из электродвигателя и привода для наведения антенны на различные спутники с помощью позиционера, называется актуатором (или актюатором). Позиционер, в данном случае, это специальное устройство для управления актуатором.
В актуаторе используется электродвигатель с редуктором, который представляет собой несколько (обычно 2–3) шестеренчатых передач и одну передачу «винт – гайка» для перемещения выдвижного штока в фиксированных пределах, снаружи шток закрыт герметичным кожухом.
Поскольку актуатор используется в течение небольшого промежутка времени (во время изменения ориентации антенны), то для удешевления конструкции используют электродвигатели малой мощности, работающие в форсированном режиме. Если по какой-то причине мотор сильного перегревается, то чтобы предотвратить поломку, термодатчик (биметаллическая пластина) разрывает цепь питания. Напряжение питания электродвигателя составляет, как правило, не более 36 В.
Актуатор закрепляется на опорно-поворотном устройстве и рефлекторе антенны. При выдвижении штока актуатора происходит поворот рефлектора вокруг полярной оси подвески. Конструкции актуаторов позволяют просматривать сектор геостационарной орбиты до 100 градусов.
Наиболее простые и дешевые устройства обеспечивают вращение антенной системы весом до 360 кг. В таких моделях установлены пластмассовые шестерни, а самосмазывающаяся передача «винт – гайка» изготовлена из сплава алюминия и бронзы. Более дорогие модели позволяют управлять подвеской весом до 700 кг – здесь уже используются стальные шестерни и шариковинтовая передача, обладающая меньшей фрикционной нагрузкой и, следовательно, более высоким КПД, что позволяет при том же прикладываемом усилии, что и в случае передачи «винт – гайка», увеличить полезную нагрузку.
Облучатели . В качестве облучателей зеркал параболических антенн применяют слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. При этом облучатель должен создавать в пределах угла раскрыва зеркала сферическую или близкую к ней волну.
Диаграмма направленности облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков. Структура излучаемого облучателем поля должна быть такова, чтобы было незначительным поле с поперечной поляризацией. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экранирующее действие (теневой эффект) на поле, излучаемое зеркалом; элементы крепления облучателя также не должны существенным образом искажать отраженное зеркалом поле. Диапазонные свойства параболической антенны в основном зависят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса пропускаемых частот, как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению. Облучатель и его тракт питания следует рассчитывать и конструировать так, чтобы заданная мощность пропускалась без возможности пробоя диэлектрика.
Если необходимо, чтобы антенна обладала большой широкополосностью, то в качестве облучателей могут использоваться логопериодические антенны, плоские и конические спирали.
Вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Для создания однонаправленного излучения используют контррефлекторы в виде пассивных вибраторов или металлических дисков диаметром 0,7–0,8λ, (рис. 63). Фазовый центр облучателя находится между вибратором и рефлектором. Диаграмма направленности облучателя с дисковым рефлектором близка к осесимметричной.
Вибраторы, питаемые с помощью волноводов, – волноводно-вибраторные облучатели (рис. 64) – применяют на волнах короче 10 см. В середине выходного отверстия волновода устанавливается тонкая металлическая пластина перпендикулярно линиям вектора Е (напряженности электрического поля), к которой в их центре крепят два вибратора на расстоянии примерно 0,25-0,3λ друг от друга. Вибраторы возбуждаются полем, выходящим из открытого конца волновода. Длины вибраторов подбираются так, чтобы второй вибратор играл роль контррефлектора. Фазовый центр расположен между вибраторами (ближе к первому из них). Стенки волновода, параллельные вектору напряженности магнитного поля H, суживаются к концу для того, чтобы ослабить затенение зеркала волноводом. Вибраторные облучатели целесообразно использовать в случае довольно глубоких параболических зеркал (примерно при 2ψ0 = 120–180°). Недостатком вибраторных облучателей является их узкополосность.
Для создания круговой поляризации можно применить спиральный и крестообразный (турникетный) облучатель (рис. 65). Облучатели этого типа применяются также в зеркальных антеннах, если передаваемые и принимаемые поля имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. В этом случае один из вибраторов используют для передачи, другой – для приема.
На сантиметровых и более коротких волнах широко применяют волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели (рис. 66). Иногда их используют на дециметровых волнах. Эти облучатели позволяют передавать большую мощность и превосходят по диапазонным свойствам вибраторные. Однако из-за наличия волновода они затеняют зеркало. Небольшой пирамидальный или конический рупор на конце волновода позволяет получить пространственную диаграмму направленности, сравнительно симметричную относительно оси зеркала. Такой облучатель имеет более узкую диаграмму направленности, чем волноводный, и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных параболоидов. Рупорный облучатель имеет значительно меньшее излучение в обратном направлении, чем волноводный. Применение рупорного облучателя с фазирующей секцией позволяет с помощью зеркала получить вращающуюся поляризацию. С помощью рупора можно обеспечить оптимальное облучение зеркала с углом раскрыва 2ψ0 = 100–150°. Однако такие облучатели создают амплитудное распределение в раскрыве зеркала, далекое от равномерного. При этом утечка энергии за края зеркала довольно высока.
Следует иметь в виду, что на практике фазовый фронт волны облучателя вблизи поверхности зеркала часто существенно отличается от сферического (это относится к некоторым вибраторным облучателям, несинфазным рупорам, логопериодическим облучателям и др.) и, кроме того, возможна неточность в установке облучателя. Все это приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны. Существуют различные способы уменьшения уровня боковых лепестков рупорных облучателей, обладающие, однако, существенными недостатками (снижение коэффициента усиления, изменение геометрических размеров и др.).
Как выбрать спутниковую антенну
Спутниковая тарелка в сознании широких слоев населения по праву олицетворяет всю спутниковую приемную систему. Конечно, на самом деле любая телевизионная спутниковая система состоит из многих частей, хотя антенна совершенно объективно является чуть ли не самой важной ее деталью. И трудно не согласиться с тем, что антенна – самый большой и заметный элемент приемной системы.
Прежде чем говорить о том, как выбрать спутниковую антенну, необходимо определить, для работы в составе какой приемной спутниковой системы она предназначается. То есть, выбирая спутниковую антенну (как, впрочем, и другие компоненты приемной системы), необходимо ответить на несколько вопросов:
• В зоне покрытия каких спутников вы проживаете, то есть какие спутники вы в принципе можете принимать?
• Какие каналы вас интересуют и какой, исходя из этого, спутник вы хотите смотреть?
• Имеется ли возможность расположить антенну так, чтобы ничего не закрывало направление на спутник?
• Хотите ли вы смотреть один или несколько спутников?
• Какие финансовые средства вы можете вложить в это дело?
Ответить на первые два вопроса вам помогут в любой фирме, занимающейся спутниковым телевидением в вашем городе.
При заказе спутниковой антенны вам следует учесть то, что антенны для дома и офиса должны быть разными, ведь вам необязательно иметь дома суперскоростную, мощную, многоканальную антенну, вам будет вполне достаточно офсетной. Хотя сейчас есть много других принципов построения наземных спутниковых антенн.
Поделиться книгой: