Волноводы

Волноводы, как и первичные облучатели, являются неотъемле­мой частью параболоидных антенн для приема электромагнитных волн диапазона СВЧ. Передача сигналов в этом диапазоне по коак­сиальным кабелям происходит со значительными потерями, поэто­му вместо кабеля для этих целей используются волноводы. Волно­водом может быть диэлектрический стержень, или определенным образом расположенные полосковые металлизированные линии в диэлектрике (компланарный волновод), или металлическая труба с хорошо обработанной внутренней поверхностью, представляющая канал для распространения в нем электромагнитных волн.

Металлические волноводы получили наибольшее применение. Они являются неотъемлемой частью параболоидных антенн для приема электромагнитных волн со спутников и преимущества их здесь следующие:

□ в волноводе отсутствует диэлектрическое наполнение и, следовательно, нет диэлектрических потерь, которые значительны на СВЧ в коаксиальных кабелях;

□ в волноводе, как и в коаксиальном кабеле, электромагнитное поле сосредоточено между проводящими поверхностями и поэтому потери на излучение отсутствуют;

□ в волноводе нет внутреннего провода и потери в нем (в волноводе) на токи проводимости минимальны. Потери снижаются и за счет того, что внутренняя проводящая поверхность волновода ка­чественно обработана. Она отполирована и покрыта хорошо про­ водящим металлом — серебром.

Волноводы бывают круглого, квадратного, эллиптического, прямо­угольного сечений и так называемые компланарные.

Наибольшее распространение получили волноводы круглых и прямоугольных сечений. Применение модифицированных волново­дов круглого сечения в качестве первичных облучателей позволяет принимать электромагнитные волны всех видов поляризаций. При необходимости принимать волны линейных поляризаций одновре­менно к концу круглого волновода присоединяют переходник, в ко­тором круглое сечение плавно (для хорошего согласования) пере­ходит в прямоугольное, что дает возможность принимать электро­магнитные волны линейных поляризаций с минимальными потерями. В случае неудовлетворительного согласования (плохо выпол­ненного перехода), неизбежно появляются отраженные и стоячие полны, приводящие к значительным потерям и дополнительным помехам.

Первое и важное требование к прямоугольному волноводу: рас­пространяющаяся в нем электромагнитная волна не должна видо­изменять свою форму.

В прямоугольном волноводе может распространяться электро­магнитная волна той линейной поляризации, у которой вектор на­пряженности электрического поля Е расположен параллельно его меньшей стороне, т.е. в нем могут распространяться электромаг­нитные волны горизонтальной или вертикальной поляризации в за­висимости от их пространственной ориентации по отношению к вол­новоду.

Прямоугольный волновод по этой причине обладает, как гово­рится, поляризационной избирательностью.

Прямоугольный волновод может выполнять роль фильтра, огра­ничивать прохождение электромагнитных волн, лежащих за преде­лами режима распространения "основной волны".

Электромагнитные волны распространяются в волноводе скач­кообразно, групповым падением/отражением от внутренних по­верхностей волновода. Чем меньше размеры широкой плоскости волновода по отношению к длине волны, тем меньше отражений и меньше потерь, так как при каждом падении/отражении электро­магнитная волна ослабевает.

С уменьшением длины волны количество возможных паде­ний/отражений увеличивается и когда размер широкой плоскости волновода окажется соизмеримым с половиной длины волны ( , где а - внутренний размер широкой плоскости волновода), в вол­новоде будут создаваться условия появления стоячих волн, кото­рые не смогут достичь выхода волновода.

С другой стороны, когда длина электромагнитной волны при­ближается к размеру широкой плоскости волновода ( ), в нем могут появляться волны высшего порядка Н₀₂ и т.п., что крайне не­желательно, так нарушается условие: распространяющаяся в пря­моугольном волноводе электромагнитная волна не должна изме­нять свою конфигурацию.

Поэтому находят компромиссное решение: для создания в вол­новоде режима распространения "основной" волны, известной по специальной литературе как режим Н₀1, широкую плоскость волново­да делают больше половины длины волны, но меньше длины волны ( ). На практике размер широкой плоскости соответствует приблизительно трем четвертям длины волны (а = 3/4 ), что для электромагнитных волн диапазона частот 10,7... 12,5 ГГц состав­ляет" около 2 см. Электромагнитные волны, лежащие за пределами данного частотного диапазона, на выход волновода не попадают или попадают пренебрежительно малого уровня и это обеспечива­ет их фильтрацию.

Из волноводов прямоугольного сечения для приема электромаг­нитных волн со спутников во внешнем блоке применяются преиму­щественно волноводы типа R100 со сторонами 22,86x10,16 мм и R120 со сторонами 19,05x9,525 мм . Волновод R100 более рас­пространен, однако с R120 получается лучшее согласование и меньшие потери по краям частотного диапазона 10,7... 12,5 ГГц ( =2,4...2,7 см). Очевидно, что оба они обеспечивают для элек­тромагнитных волн диапазона частот 10,7... 12,5 ГГц режим "ос­новной волны" (H ).

В системах спутникового телевизионного вещания почти всегда требуется переход с волновода на полосковую линию, что необхо­димо для подачи напряжения на вход малошумящего усилителя-конвертера

Поэтому распространяющуюся по волноводу электромагнитную волну (ее энергию) необходимо преобразовать в электрическое напряжение (ток).

Для этих целей используется электрический или магнитный виб­ратор: зонд или петля определенной длины (рис. 5.22). Чаще всего по

Рис. 5.22. Вариант конструкции перехода с волновода на полосковую ли­нию с зондом:

1 - волновод прямоугольного сечения; 2 - зонд (штырь), 3 - фторопластовый цилиндр; 4 - диэлектрический держатель; 5 - плата с усилителем-конвертером; 6 - металлизированная полосковая линия; 7 - подвижная задняя стенка (для настройки); а - размер, создающий режим "основной волны" (H ) для данного волновода

конструктивным соображениям применяется зонд, который встав­ляется внутрь волновода в широкой плоскости (в узел напряженно­сти электрического поля Е). Наведенная в нем э.д.с. подается по полосковому переходу на вход малошумящего усилителя-конвертера.

Поляризаторы электромагнитных волн

Преобразование электромагнитных волн круговых поляри­заций. При приеме в антенну попадают электромагнитные волны как круговых, так и линейных поляризаций. В прямоугольный вол­новод (в который погружен зонд или петля), соединенный с входом малошумящего усилителя, необходимо подать волну линейной по­ляризации одного вида: горизонтальной или вертикальной, на кото­рую прямоугольный волновод пространственно сориентирован. По­этому электромагнитные волны круговой поляризации преобразо­вываются в электромагнитные волны линейной поляризации, кото­рые затем разъединяются. Для этих целей применяется преобра­зователь поляризаций или иначе - деполяризатор. Он представля­ет собой отрезок волновода круглого сечения, который подсоеди­няется к выходу первичного облучателя. В определенном его месте под некоторым углом расположены неоднородности в виде диэлек­трической пластины соответствующей конфигурации. Электромаг­нитная волна круговой поляризации, падая на пластину, расщепля­ется на две составляющие: на параллельную и перпендикулярную (ортогональную) плоскостям пластины (рис. 5.23).

Составляющие равны по амплитуде и сдвинуты на некоторый угол по фазе, так как скорости их разные. Поэтому, если подобрать определенную конфигурацию и размеры пластины, то на выходе такого волновода можно получить электромагнитные поля, равные по величине и сдвинутые по фазе относительно друг друга точно на 90°, которые представляют собой два вида волн линейной поляри­зации: вертикальных и горизонтальных.

Р ис. 5.23. Принцип преобразования электромаг­нитных волн круговой поляризации в электро­магнитные волны линейной поляризации: 1 - электромагнитные поля волн, падающих на неод­нородности; 2 - электромагнитные поля волн, перпен­дикулярных неоднородностям; 3 – электромагнитные

поля волн, параллельных неоднородностям; 4,5 -зонды для выделения электромагнитных волн линей­ных поляризаций

Разъединение линейно-поляризованных волн для выделения электромагнитной волны требуемого вида поляризации осуществ­ляется механическим или электрическим способом.

Необходимо отметить, что в другом случае электромагнитные волны круговых поляризаций можно преобразовывать в линейные и наоборот, применяя волновод эллипсоидного сечения. В нем рас­пространяющиеся волны Н и V запаздывают друг относительно друга, что приводит к их разным скоростям и к их разъединению.

Механический способ преобразования. При этом способе электрический вибратор (зонд) помещается в круглый волновод в узлах напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны параллельно электрическим силовым линиям. Если применяется магнитный вибратор (петля), то он располагается перпендикулярно магнитным силовым линиям электрического поля.

На рис. 5.24 показан механический способ выбора электромаг­нитных волн горизонтальной или вертикальной поляризации. В первичный облучатель (волновод круглого сечения) 4 вставлен зонд 3, функционирующий как антенна. В нем наводится э.д.с. элек­тромагнитной волной горизонтальной или вертикальной поляриза­ции в зависимости от положения плоскости зонда, который затем излучает ее (э.д.с.) в переходный волновод круглого сечения 5, возбуждая его область. Плоскость поляризации излучаемой элек­тромагнитной волны в этом волноводе не изменяется, она всегда постоянна. Передача электромагнитной волны с волновода кругло­го сечения в волновод прямоугольного сечения 7 (для подключения входа малошумящего усилителя-конвертера) осуществляется через плавный (в идеальном случае) переход 6, так как при непосредст­венном соединении (без перехода) волноводов возникают отраже­ния, что приводит к большим потерям.

Механическое вращение зонда осуществляется в некоторых случаях с помощью электрического микродвигателя постоянного тока при подаче на него напряжения 13 или 18 В. Это позволяет получить только два фиксированных положения зонда и прини­мать электромагнитные волны горизонтальной или вертикальной поляризации. Иногда для этой цели используется шаговый двига­тель, на который подаются прямоугольные импульсы. Изменяя длительность импульсов от 0,8 до 2,4 мс, можно поворачивать зонд от 0 до 180° дискретно, с небольшим шагом, что дает возможность более точно, чем в первом случае, подстраи­вать его под плоскость поляризации принимаемой электромагнит­ной волны.

Рис. 5.24. Схема механического выбора электромагнитных волн поляризации Н или V:

1 - электромагнитные волны, отраженные от поверхности параболоида; 2 - пассивный отражатель первичного облучателя, помещенного в фокус парабо­лоида; 3 - зонд для выбора электромагнитных волн только одного вида линейной поляризации - вертикальной или горизонтальной; 4 - первичный облучатель (вол­новод круглого сечения, соединенный с первичным отражателем); 5 - переходный волновод круглого сечения; 6 - переход с волновода круглого се­чения к волноводу прямоугольного сечения; 7 - волновод прямоугольного сечения; 8 - зонд (штырь), вставленный в широкую плоскость прямоугольного волновода и соединенный полосковой линией со входом малошумящего усилителя-конвертера; 9 - фторопластовый держатель

Управление в рассмотренных случаях осуществляется элек­тронной схемой, находящейся в ресивере и совмещается с одно­временным переключением программ (частотных каналов).

Можно также плавно изменять плоскость поляризации электро­магнитной волны (от Н до V или от V до Н), медленно поворачивая плоскость зонда от 0 до 180°, подавая управляющее нарастающее напряжение на микродвигатель. В этом случае исполнительное уст­ройство (привод поляризатора) имеет редуктор и датчик угла поворо­та вибратора. В плавном изменении плоскости поляризации прини­маемой электромагнитной волны имеется основательная необходи­мость, так как плоскость линейной поляризации электромагнитных волн, излучаемых передатчиком спутника, не всегда (для географи­ческой точки приема) горизонтальная или вертикальная. Сущест­вующие несовпадения между плоскостями линейной поляризации электромагнитной волны, излучаемой передатчиком спутника, и вертикальной или горизонтальной плоскостью Земли будут тем значи­тельнее, чем больше разность между долготой спутника и географи­ческой долготой точки приема. Вследствие этого возникает необхо­димость плавного поворота плоскости поляризации принимаемой электромагнитной волны. Более удобно это можно осуществить электромагнитным способом, или иначе - ферритовым.

Электромагнитный (ферритовый) способ преобразования. Данный способ преобразования основан на использовании эффек­та Фарадея: если поток световых (электромагнитных) волн прохо­дит через среду с продольным магнитным полем, то плоскость по­ляризации его поворачивается на угол, пропорциональный напря­женности магнитного поля. До появления ферритов, способных ра­ботать в области СВЧ без существенных потерь, это явление не могло использоваться. Только с появлением высокочастотных ферритов эффект Фарадея, открытый для световых волн, нашел практическое применение и для волн СВЧ.

На рис. 5.25 показана схема электромагнитного (ферритового) поляризатора. Внутри волновода круглого сечения 1 находится ферритовый стержень 2 и опора для него из пенополистирола 3. Так как диэлектрическая проницаемость феррита велика, то воз­можно появление сильного отражения электромагнитных волн от стержня. Чтобы избежать этого конец ферритового стержня со сто­роны падающей волны заострен - сточен на конус. Роль феррито­вого стержня здесь - усилить напряженность магнитного поля, создаваемого протекающим током в катушке 4, намотанной на стержень. Подавая в катушку ток / определенной величины, можно тем самым создать для поворота необходимую продольную напря­женность магнитного поля внутри волновода. При распростране­нии электромагнитной волны внутри волновода вдоль ферритового

Рис. 5.25. Устройство электромагнитного (ферритового) поляризатора: 1 - волновод круглого сечения; 2 - ферритовый стержень; 3 - опора из пенополи­стирола; 4 - катушка; 5 - выводы катушки

стержня ее плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол. Величина угла поворота зависит от длины катушки и напря­женности магнитного поля (тока в катушке). Изменяя силу тока в катушке, можно повернуть плоскость поляризации принимаемой электромагнитной волны так, чтобы она была бы пространственно ортогональна большой плоскости волновода прямоугольного сече­ния, расположенного перед малошумящим усилителем-конвертером. Направление плоскости поляризации электромагнитной волны после прохождения ее вдоль ферритового стержня и катушки со­храняется, и предыдущее положение плоскости не восстанавли­вается.

Преимущество ферритовых поляризаторов в следующем: в них отсутствуют движущиеся механические узлы, что повышает надеж­ность и срок эксплуатации поляризатора. К тому же управление ферритовым поляризатором более простое (по двум проводам) и имеется возможность точного плавного поворота плоскости элек­тромагнитной волны. Потери, вносимые ими, не превышают 0,2...0,3 дБ.

Поэтому, несмотря на стоимость, в 4...5раз превышающую стоимость механического поляризатора, они находят самое широ­кое применение. Недостатком является то, что угол поворота плос­кости поляризации у них зависит не только от приложенной силы тока, но и от частоты принимаемой электромагнитной волны, плос­кость поляризации которой необходимо повернуть. Для управления поворотом при ее многофункциональной зависимости применяется процессор, находящийся в ресивере.

В память процессора занесены: значения координат точки стоя­ния спутников (число позиций позиционера), значения частот при­нимаемых электромагнитных волн (номера частотных каналов), величины силы токов, необходимых для поворота плоскости поля­ризации принимаемых электромагнитных волн. Управление пере­ключениями осуществляется командами, подаваемыми с пульта управления ресивера.

Преобразование (разделение) электромагнитных волн ли­нейных поляризаций. Для одновременного преобразования (раз­деления) электромагнитных волн линейной поляризации на элек­тромагнитные волны вертикальной и электромагнитные волны го­ризонтальной поляризации, могут применяться поляризационные разъединители, которые выполняются в виде волноводных тройни­ков, так называемых ортомодов (рис. 5.26, 5.27).

Одно отверстие (вход) тройника соединяется с отверстием вол­новода круглого сечения, т.е. с выходом первичного облучателя.

Рис. 5.26. Схема поляризационного преобразования электромагнитных волн линейной поляризации ортомодом

Два других его отверстия (выхода) представляют собой отрезки волновода с плавным, постепенным переходом от круглого сече­ния к прямоугольному - переход осуществляется не менее, чем за четверть длины волны. Большие плоскости прямоугольных волно­водов развернуты под углом 90° по отношению друг к другу. Каждый из них подключается к своему усилителю - конвертеру через вол-новодно-полосковый переход, что позволяет исключить потери (0,2...0,3 дБ) на преобразование поляризации и, тем самым, значи­тельно улучшить отношение несущая /шум.

Рис. 5.27. Вариант применения ортомода:

1 - первичный облучатель; 2 - преобразователь электромагнитных волн

круговых поляризаций в электромагнитные волны линейных поляризаций;

3 - разъединитель электромагнитных волн линейных поляризаций на

электромагнитные волны горизонтальных и вертикальных поляризаций -

ортомод; 4 - малошумящие предварительные усилители-конвертеры

Существует и другой способ, при котором одновременное разъединение волн линейной поляризации на электромагнитные волны взаимно ортогональных поляризаций осуществляется двумя вибраторами-зондами, развернутыми под углом 90° по отношению друг к другу и размещенными на расстоянии и 3 ( ) от закрытого конца волновода. В каждом зонде наводится э.д.с. только от электромагнитной волны "своей" поляризации и подается через полосковые линии к подсоединенным входам малошумящих усилителей-конвертеров.

Очевидно, что использование двух разъединителей предусматри­вает подключение двух малошумящих усилителей-конвертеров, а также наличие двух высокочастотных коаксиальных кабелей, соеди­няющие эти усилители-конвертеры с ресивером. Все это требует предварительной ручной подстройки положения плоскостей поляри­зации, оптимального для каждого разделения. Прием телевизионных программ электромагнитных волн горизонтальной и вертикальной поляризаций одновременно дает возможность подключать к внеш­нему блоку ресивер с двумя входами (LNB), два ресивера и т.п.

Следует отметить важность поляризационного разделения, не­достаточность которого приводит к дополнительным помехам и, в большинстве случаев, к энергетическим потерям.

Разделение электромагнитных волн по поляризации (поляризаци­онное разделение) при приеме спутникового телевизионного веща­ния согласно рекомендаций ВАКР должно составлять не менее 30 дБ и у современных антенных систем достигает 40...50 дБ.

Поляризационные характеристики антенн имеют существенное значение для приема, и они приводятся в технических описаниях, так как антенны, предназначенные для приема со спутников-ретрансляторов, изготавливаются в основном для приема электро­магнитных волн линейных поляризаций или круговых. Антенна, предназначенная для приема электромагнитных волн линейных поляризаций, может принимать электромагнитные волны круговых поляризаций (и наоборот), но с потерями до половины мощности, что очень значительно для принимаемого весьма слабого сигнала. Во избежание потерь при приеме электромагнитных волн круговых поляризаций для этой антенны необходим деполяризатор - ди­электрическая пластина из фторопласта-4, которая вставляется под углом 45° между первичным облучателем и волноводом. В об­щем случае для приема электромагнитных волн поляризаций, не указанных в технической документации на антенну, требуется или увеличивать ее размеры, или использовать другой тип, или, как от­мечалось, использовать деполяризатор.

Выводы

В большинстве случаев для приема телевизионного вещания со спутников используются параболоидные антенны, как наиболее приемлемые по своим техническим характеристикам. Они прини­мают сигналы, соизмеримые с уровнем естественного фона и по­мех. Поэтому по сравнению с длиной волны такие антенны имеют большую поверхность, которая собирает падающие на нее элек­тромагнитные волны СВЧ и, отражая, направляет их в одну точку -в фокус, на размещенный первичный облучатель. Отражение про­исходит при условии, что площадь раскрыва антенны больше квад­рата длины принимаемой волны - кроссовера ( ).

Для спутниковых приемных антенн, в основном, в качестве со­бирающей и отражающей поверхности используется внутренняя металлическая или металлизированная поверхность параболоида или поверхность его части - сегмента. От размеров параболоида (сегмента), точности его формы и качества отражающей внутрен­ней поверхности зависят коэффициент усиления антенны, ширина диаграммы направленности ее основного лепестка и шумовая тем­пература или коэффициент шума. Антенны с передним питанием -прямофокусные и офсетные имеют первичный облучатель, который размещается в фокусе параболоида и фазовый центр (расчетная точка фокуса) его излучения точно совмещается с фокусом парабо­лоида, что необходимо для получения максимального усиления ан­тенны. По конструкции первичный облучатель - это в большинстве случаев волновод круглого сечения с небольшим пассивным реф­лектором на конце. Пассивный рефлектор препятствует излучению "назад" и направляет излучение на поверхность зеркала антенны, создавая его освещение, изменяющееся согласно параболоидному закону. При этом, для получения минимального "перелива" энергии за края зеркала спад интенсивности излучения к краям должен быть около -15 дБ.

При спутниковом телевизионном вещании принимаются элек­тромагнитные волны разных видов поляризаций, а по волноводу, подключенному через вибратор и полосковую линию ко входу малошумящего усилителя-конвертера, может распространяться элек­тромагнитная волна только линейной поляризации: вертикальной или горизонтальной. По этой причине в конструкции параболоидных антенн применяются деполяризаторы электромагнитных волн, пре­образующие электромагнитные волны круговых поляризаций в электромагнитные волны линейных поляризаций. Затем электро­магнитные волны горизонтальной или вертикальной поляризации

выбираются разъединителем поляризаций и подаются в прямо­угольный волновод, который на них пространственно сориентиро­ван. В широкую плоскость волновода вставлен вибратор (зонд или петля). В нем индуцируется э.д.с. и через полосковый переход по­дается на вход первого каскада малошумящего усилителя-конвертера.

В последнее время наряду с параболоидными антеннами, нача­ли широко применяться плоские антенны - ФАРы и сферические линзовые антенны. Плоские антенны дешевы, малогабаритны, их установка не изменяет архитектуру города и не привлекает внима­ния. У них отсутствует первичный облучатель, а малошумящий уси­литель-конвертер размещается непосредственно за плоскостью антенны. Но наряду с конструктивными достоинствами им присущи и серьезные недостатки. Так, плоские антенны могут принимать электромагнитные волны только одного вида поляризации и отно­сительно узкополосные.

При применении сферических линзовых антенн можно вести прием со спутников, которые создают значительную плотность по­тока мощности в точке приема. С развитием ретрансляции телеви­зионных программ через спутники, благодаря цифровому способу телевизионного вещания и повышенной ППМ в Западной Европе находят широкое применение для приема как плоские антенны, так и сферические линзовые.

Необходимо отметить, что антенны предназначаются для прие­ма электромагнитных волн линейных поляризаций или круговых, что указывается в их техническом паспорте. Параболоидная антен­на для приема электромагнитных волн линейных поляризаций мо­жет принимать электромагнитные волны круговых поляризаций, но с потерями до половины мощности, а также и наоборот. Для прие­ма электромагнитных волн другого вида поляризации необходимо увеличивать размеры антенны или применять деполяризатор.