Глава 5 антенны для приема со спутников-ретрансляторов Требования, предъявляемые к антеннам для приема со спутников-ретрансляторов

Антенны являются неотъемлемой частью приемного устройства. Электромагнитные волны длинных, средних, коротких, ультрако­ротких диапазонов, распространяясь в свободном пространстве, наводят в них токи, которые подаются во входные каскады прием­ных устройств.

Антенны, предназначенные для приема телевизионных сигналов со спутников-ретрансляторов, принимают электромагнитные волны СВЧ диапазона (длина волны 1...3 см) весьма низкого уровня, ко­торый практически соизмерим с уровнем естественных шумов и помех. Поэтому такие антенны имеют:

• большой коэффициент усиления;

• низкую шумовую температуру;

• острую диаграмму направленности;

• малый уровень боковых лепестков;

• большую поверхность для "сбора" электромагнитных волн. Приведенным условиям в значительной мере удовлетворяют

антенны параболоидного типа, плоские (планарные) антенны - фа­зированные антенные решетки (ФАРы), сферические антенны и т.п.

Но наиболее широкое распространение получили параболоидные антенны, т.е. антенны, использующие в качестве собирающей и отражающей (переизлучающей) поверхности внутреннюю по­верхность параболоида вращения и первичный облучатель.

Параболоидная поверхность не является непосредственно ан­тенной, а только ее составной весьма важной конструктивной ча­стью. Она предназначена для сбора, отражения (переизлучения) электромагнитных волн СВЧ, падающих на нее и для направления их в фокус, на размещенный там первичный облучатель. Он, явля­ясь сам небольшой субантенной, представляет активную часть общей антенны. Параметры первичного облучателя и поверхности па­раболоида, а также их взаимное расположение, формируют в целом параметры параболоидной антенны.

Основные определения параболоидных антенн для приема электромагнитных волн свч

Раскрыв параболоидной антенны или апертура (от латин­ского aperture - отверстие) - это плоскость, ограниченная наруж­ными краями параболоида. Раскрыв имеет форму круга диаметра D (рис. 5.1) для прямофокусной антенны и форму эллипса для офсет­ной антенны с малым диаметром D.

За фокусное расстояние f параболоидного рефлектора принима­ется кратчайшее расстояние от любой точки его поверхности до фоку­са - точки F. Оно, как видно, для точек поверхности, не принадлежа­щих одному сечению - т. е. окружности, разное (FO < FO_t< F0₂).

Угол полураскрыва параболоида - это угол между осью па­раболоида OF и линией, соединяющей фокус F с любой крайней точкой раскрыва параболоида: F0₃; F0₂ и т.п. Необходимо отме­тить, что геометрические размеры параболоида полностью опреде­ляются диаметром раскрыва D и фокусным расстоянием f, напри­мер, угол полураскрыва = arc ctg 4 f / D.

Рис. 5.1. Параболоидная поверхность осесимметричной антенны для приема со спутников

и для приемных антенн. Только для приемных антенн все понимается иначе, наоборот. Если, например, о передающей антенне го­ворится: "параболоид отражает электромагнитные волны, падаю­щие от первичного облучателя на его поверхность, направляет их в раскрыв антенны (апертуру)", то для приемной антенны это звучит так - "параболоид собирает падающие в его раскрыв электромаг­нитные волны и направляет (переизлучая) их в фокус, на разме­щенный там же первичный облучатель". Эти два подхода, в конеч­ном счете, отражают принцип обратимости, одним из следствий которого является то, что для электромагнитных волн антенны для приема и антенны для передачи не отличаются друг от друга и всегда взаимозаменяемы, если даже они имеют разные конструкции. Здесь могут быть, конечно, некоторые технические ограничения. Например, если мощность передатчика такая большая, что его нельзя подключать к приемной антенне, рассчитанной на малую электрическую прочность, тогда возможны некоторые различия. Следует отметить, что принцип обратимости имеет большое прак­тическое применение, так как позволяет использовать одну и ту же антенну в качестве приемной и в качестве передающей, например, приемо-передающие радиолокационные, самолетные и другие, т.е. в основном антенны, устанавливаемые на подвижных объектах.

Основные параметры антенн для приема со спутников

Антенны для приема спутникового телевизионного вещания ха­рактеризуются: диапазоном частот принимаемых электромагнитных волн; направленностью излучения; коэффициентом усиления; шу­мовой температурой или коэффициентом шума; кроссполяризационными потерями и они относятся к направленным антеннам, т.е. интенсивность излучения у них на одном и том же расстоянии в разных направлениях различная. Это отражается в диаграмме на­правленности (рис. 5.2).

Диаграмма направленности - графически отраженная зави­симость электромагнитного излучения от направления при условии измерения излучения на одинаковых расстояниях от антенны. Электромагнитное излучение характеризуется амплитудой, фазой и поляризацией. Для практических целей, в основном, используется амплитудная характеристика направленности.

Ширина основного лепестка диаграммы направленности -это угловой сектор, в пределах которого напряженность поля излучаемой электромагнитной волны составляет 0,707 величины на­пряженности поля ее в главном направлении. Это соответствует половинному уменьшению мощности главного направления

Рис. 5.2. Диаграмма направленности антенны в полярных координатах для приема телевизионных программ со спутников

Ширина луча основного лепестка диаграммы направленности на уровне половинной мощности для параболоидных антенн состав­ляет 1,02 (рад) или 58,4 (град).

Боковые лепестки диаграммы направленности - это по­бочные каналы приема/передачи. В большинстве случаев вовсе не желательные, так как через них возможно попадание помех в ос­новной канал приема или создание помех другим системам при пе­редаче, поэтому они должны быть минимальными.

Для наземных приемных устройств диапазона СВЧ разработа­ны антенны малых размеров, имеющие острую, (игольчатую) на­правленность основного лепестка и небольшие уровни боковых. На рис. 5.3 в качестве примера показана диаграмма направлен­ности в горизонтальной плоскости, снятая для реальной антенны на частоте 11,2 ГГц с параболоидным металлическим зеркалом диаметром 0,76 м.

Коэффициент направленного действия антенны (к.н.д.) -это отношение плотности потока мощности, излучаемой антенной в направлении максимального излучения, к плотности потока мощно­сти излучения изотропной антенны, взятых на равных расстояниях и при одинаковых излучаемых мощностях.

Коэффициент усиления антенны - это произведение макси­мального значения к.н.д. на коэффициент использования площади раскрыва.

Рис. 5.3. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости с параболоидным металлическим зеркалом диаметром 0,76 м на частоте 11,2 ГГц с малым уровнем боковых лепестков

Коэффициент усиления антенны при отсутствии больших неоднородностей поверхности зеркала рассчитывается по формуле:

ДБ, (5.1)

где S - площадь раскрыва апертуры; А. - длина волны принимаемого сигнала; т)_а = 0,5...0,7 - коэффициент использования площади рас­крыва (для антенн небольшого диаметра берется меньшее его зна­чение); у - коэффициент полезного действия антенны в целом (от­ношение мощности излучаемой к мощности подводимой к антенне).

Наиболее распространенные типы параболоидных антенн для приема со спутников

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

• антенна с передним питанием (осесимметричная) - прямофо-кусная (рис. 5.4, а);

• антенна, с передним питанием (неосесиметричная) - офсет­ная (рис. 5.4, б);

двузеркальная осесимметричная антенна - антенна Кассег-рена (рис. 5.4, в);

двузеркальная офсетная (неосесимметричная) - антенна Грегори (рис. 5.4, г).

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

Рис. 5.4. Устройства часто применяемых типов параболоидных антенн

Основное зеркало представляет собой параболоид, точнее внутреннюю поверхность параболоида, металлическую или метал­лизированную. Для работы в диапазоне СВЧ очень важно качество этой поверхности, которая для принимаемых электромагнитных волн должна быть зеркальной. Но нельзя понимать в буквальном смысле, что антенна в этом случае имеет зеркальную поверхность. Любая поверхность, способная отражать электромагнитные волны, будет зеркальной для длин волн много больших, чем размер ее неоднородностей. Обычно полагают, что размер неоднородностей не должен превышать /8, где - длина волны. 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 15... /20. Следует отметить, что для высоко­качественных антенн требования к поверхности еще более строгие и размер неоднородностей у них не превышает /25. От качества поверхности параболоида, точности его формы зависят ширина диаграммы направленности антенны, ее коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и шумовые параметры.