3. Приёмные спутниковые антенны

Из оптики известно, что расходящиеся световые лучи от точечного источника света, помещённого в фокусе вогнутого параболического зеркала, собираются таким зеркалом в пучок параллельных лучей. На этом основано действие прожектора. На основании принципа взаимности известно также, что приходящие параллельные световые лучи на поверхность вогнутого параболического зеркала после отражения от поверхности собираются в точке фокуса.

Аналогично работают и параболические зеркала для радиоволн. Эти зеркала делаются либо из листового металла, либо из металлической сетки. Однако они не могут создать столь высокую направленность, какая получается для световых лучей. Геометрические размеры отражающих зеркал для световых лучей в огромное число раз больше длины волны световых волн, составляющих сотни микрометров. Явление дифракции у краёв зеркала, т.е. огибание границ зеркала световыми волнами практически не наблюдается. Создать параболическое зеркало для радиоволн (пусть даже миллиметровых) с таким же соотношением линейных размеров зеркала к длине радиоволны практически невозможно. На практике размеры параболоида лишь в несколько сотен раз больше длины радиоволны. Поэтому у краёв зеркала наблюдается довольно сильное явление дифракции (т.н. «затекание» радиоволн). Лучи радиоволн огибают края зеркала и расходятся в стороны; поэтому получить достаточно узкую диаграмму направленности (ДН) без боковых и задних лепестков не удаётся. Чем больше соотношение между линейными размерами зеркала и длиной волны, тем меньше влияние дифракции и тем лучше направленность параболической антенны.

Ухудшение направленности на радиочастотах происходит ещё и потому, что фокусом зеркала может быть только одна точка, а излучатель радиоволн, помещённый в фокусе, обычно имеет определённые размеры.

Применяются два основных типа параболических зеркал: параболоид и параболический цилиндр. Зеркало в виде параболоида позволяет создать луч, узкий как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Однако оно очень сложно в изготовлении, т.к. поверхность зеркала не должна отклоняться от поверхности правильного параболоида вращения более чем на 5 % от длины волны.

Гораздо проще по устройству зеркало в виде параболического цилиндра (вернее, в виде вырезки из параболического цилиндра). Такое зеркало создаёт узкую ДН в одной плоскости и широкую – в другой.

Разработано достаточно большое количество конструкций параболических цилиндров, применяемых в радиолокации, спутниковом телевидении и радиорелейной связи. Разработаны также отражатели, выполненные в виде зеркал двойной кривизны: верхняя часть зеркала является параболоидом, а нижняя часть представляет собой плавно сопряжённую с этим параболоидом вырезку из обычного цилиндра. Такие отражатели иногда называются «параболоид-бочка» (рис.4).

Рис. 9.4. Профиль параболического отражателя двойной кривизны

Такая конфигурация позволяет сместить облучатель из фокуса вниз по фокальной плоскости, что исключает эффект «тени» от облучателя, а это особенно важно при работе в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Зеркала двойной кривизны широко применяются в спутниковых приёмных антеннах и в радиолокации.

Существуют также конструкции сферических и сферо-параболических зеркал, которые действуют почти так же, как и параболические отражатели, но при определённом расположении облучателя относительно зеркала.

Электромагнитные волны, распространяясь в свободном пространстве, наводят в антенне токи, которые подаются во входные каскады радиоприёмных устройств. Антенны, предназначенные для приёма телевизионных сигналов от спутников-ретрансляторов, принимают электромагнитные волны СВЧ- диапазона (длина волны 1...3 см) весьма малой мощности, которая практически соизмерима с уровнем мощности естественных шумов и помех. Поэтому такие антенны должны иметь:

- большой коэффициент усиления;

- низкую шумовую температуру;

- остронаправленную (“игольчатую”) диаграмму направленности;

- малый уровень боковых лепестков;

- большую эффективную отражающую поверхность.

Приведенным условиям в полной мере удовлетворяют параболические (зеркальные) антенны, получившие наиболее широкое распространение в спутниковых ТВ-системах.

В соответствии с принципом взаимности такие антенны могут быть как передающими, так и приёмными. В качестве собирающей или отражающей поверхности используется внутренняя поверхность параболоида вращения.

К наиболее распространенным типам антенн для приема спутникового телевизионного вещания относятся:

- антенна с передним питанием (осесимметричная) – прямофокусная (рис.5а);

- антенна, с передним питанием (неосесимметричная) - офсетная (рис.5б);

- двузеркальная осесимметричная антенна

– антенна Кассегрена (рис.5в);

- двузеркальная офсетная (неосесимметричная)

– антенна Грегори (рис.5г).

Рис..5. Наиболее распространенные типы параболических антенн.

Как видно, наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, – это положение облучателя по отношению к основному зеркалу.

Основное зеркало представляет собой параболоид. Для работы в диапазоне СВЧ очень важно качество отражающей поверхности, которая для принимаемых электромагнитных волн должна быть зеркальной. Любая поверхность, способная отражать электромагнитные волны, будет зеркальной для длин волн много больших, чем размер неоднородностей отражающей поверхности. Однако для параболоидной поверхности, принимающей и отражающей электромагнитные волны диапазона 10,5..12,5 ГГц, необходимо более высокое качество поверхности, так как влияние неоднородностей здесь сказывается дважды - при падении волн на поверхность и при отражении их от поверхности. Поэтому размеры неоднородностей не должны превышать λ / 15... λ / 20. Для высококачественных антенн требования к поверхности еще более строгие и размер неоднородностей у них не превышает λ / 25. От качества поверхности параболоида, точности его формы зависят ширина диаграммы направленности антенны, её коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и шумовые параметры.