Хвилеводи

Хвилеводи, як і первинні опромінювачі, є невід'ємною частиною параболоїдних антен для прийому електромагнітних хвиль діапазону СВЧ. Передача сигналів в цьому діапазоні по коаксіальних кабелях відбувається із значними втратами, тому замість кабелю для цих цілей використовуються хвилеводи. Хвилеводом може бути діелектричний стрижень, або певним чином розташовані полосковые металізовані лінії в діелектриці (компланарний хвилевід), або металева труба з добре обробленою внутрішньою поверхнею, що представляє канал для розповсюдження в нім електромагнітних хвиль.

Металеві хвилеводи отримали найбільше застосування. Вони є невід'ємною частиною параболоїдних антен для прийому електромагнітних хвиль з супутників і переваги їх тут наступні:

- у хвилеводі відсутнє діелектричне наповнення і, отже, немає діелектричних втрат, які значительны на СВЧ в коаксіальних кабелях;

- у хвилеводі, як і в коаксіальному кабелі, електромагнітне поле зосереджене між провідними поверхнями і тому втрати на випромінювання відсутні;

- у хвилеводі немає внутрішнього дроту і втрати в нім (у хвилеводі) на струми провідності мінімальні. Втрати знижуються і за рахунок того, що внутрішня провідна поверхня хвилеводу якісно оброблена. Вона відполірована і покрита добре про металом, що водить, — сріблом.

Хвилеводи бувають круглого, квадратного, еліптичного, прямокутного перетинів і так звані компланарні.

Найбільшого поширення набули хвилеводи круглих і прямокутних перетинів. Застосування модифікованих хвилеводів круглого перетину як первинні опромінювачі дозволяє приймати електромагнітні хвилі всіх видів поляризацій. При необхідності приймати хвилі лінійних поляризацій одночасно до кінця круглого хвилеводу приєднують перехідник, в якому круглий перетин плавно (для хорошого узгодження) переходить в прямокутний, що дає можливість приймати електромагнітні хвилі лінійних поляризацій з мінімальними втратами. У разі незадовільного узгодження (погано виконаного переходу), неминуче з'являються відбиті і стоячі повні, такі, що приводять до значних втрат і додаткових перешкод.

Перша і важлива вимога до прямокутного хвилеводу: електромагнітна хвиля, що розповсюджується в нім, не повинна видозмінювати свою форму.

У прямокутному хвилеводі може розповсюджуватися електромагнітна хвиля тієї лінійної поляризації, у якої вектор напруженості електричного поля Е розташований паралельно його меншій стороні, тобто в нім можуть розповсюджуватися електромагнітні хвилі горизонтальної або вертикальної поляризації залежно від їх просторової орієнтації по відношенню до хвилеводу.

Прямокутний хвилевід з цієї причини володіє, як мовиться, поляризаційною вибірковістю.

Прямокутний хвилевід може виконувати роль фільтру, обмежувати проходження електромагнітних хвиль, лежачих за межами режиму розповсюдження "основної хвилі".

Електромагнітні хвилі розповсюджуються в хвилеводі стрибкоподібно, груповим падінням/віддзеркаленням від внутрішніх поверхонь хвилеводу. Чим менше розміри широкої площини хвилеводу по відношенню до довжини хвилі, тим менше віддзеркалень і менше втрат, оскільки при кожному падінні/віддзеркаленні електромагнітна хвиля слабшає.

Із зменшенням довжини хвилі кількість можливих падінь/віддзеркалень збільшується і коли розмір широкої площини хвилеводу виявиться сумірним з половиною довжини хвилі ( де а - внутрішній розмір широкої площини хвилеводу), у хвилеводі створюватимуться умови появи стоячих хвиль, які не зможуть досягти виходу хвилеводу.

З іншого боку, коли довжина електромагнітної хвилі наближається до розміру широкої площини хвилеводу ( ), у нім можуть з'являтися хвилі вищого порядку Н02 і тому подібне, що украй небажано, так порушується умова: електромагнітна хвиля, що розповсюджується в прямокутному хвилеводі, не повинна змінювати свою конфігурацію.

Тому знаходять компромісне рішення: для створення в хвилеводі режиму розповсюдження "основної" хвилі, відомої по спеціальній літературі як режим Н01, широку площину хвилеводу робить більше половини довжини хвилі, але менше довжини хвилі ( ). На практиці розмір широкої площини відповідає приблизно трьом чвертям довжини хвилі (а = 3/4 ), що для електромагнітних хвиль діапазону частот 10,7... 12,5 Ггц складає" близько 2 див. Електромагнітні хвилі, лежачі за межами даного частотного діапазону, на вихід хвилеводу не потрапляють або потрапляють зневажливо малого рівня і це забезпечує їх фільтрацію.

З хвилеводів прямокутного перетину для прийому електромагнітних хвиль з супутників в зовнішньому блоці застосовуються переважно хвилеводи типу R100 із сторонами 22,86x10,16 мм і R120 із сторонами 19,05x9,525 мм . Хвилевід R100 поширеніший, проте з R120 виходить краще узгодження і менші втрати по краях частотного діапазону 10,7... 12,5 Ггц ( =2,4...2,7 см). Очевидно, що обидва вони забезпечують для електромагнітних хвиль діапазону частот 10,7... 12,5 Ггц режим "основної хвилі" (H ).

У системах супутникового телевізійного віщання майже завжди потрібний перехід з хвилеводу на полосковую лінію, що необхідне для подачі напруги на вхід малошумливого підсилювача-конвертера

Електромагнітну хвилю (її енергію), що тому розповсюджується по хвилеводу, необхідно перетворити в електричну напругу (струм).

Для цих цілей використовується електричний або магнітний вібратор: зонд або петля певної довжини (мал. 5.22). Найчастіше по

Мал. 5.22. Варіант конструкції переходу з хвилеводу на полосковую лінію із зондом:

1 - хвилевід прямокутного перетину; 2 - зонд (штир), 3 - фторопластовий циліндр; 4 - діелектричний утримувач; 5 - плата з підсилювачем-конвертером; 6 - металізована полосковая лінія; 7 - рухома задня стінка (для настройки); а - розмір, що створює режим "основної хвилі" (H ) для даного хвилеводу

конструктивним міркуванням застосовується зонд, який вставляється всередину хвилеводу в широкій площині (у вузол напруженості електричного поля Е). Наведена в нім э.д.с. подається по полосковому переходу на вхід малошумливого підсилювача-конвертера.

Поляризатори електромагнітних хвиль

Перетворення електромагнітних хвиль кругових поляризацій. При прийомі в антену потрапляють електромагнітні хвилі як кругових, так і лінійних поляризацій. У прямокутний хвилевід (у який занурений зонд або петля), сполучений з входом малошумливого підсилювача, необхідно подати хвилю лінійної поляризації одного вигляду: горизонтальною або вертикальною, на яку прямокутний хвилевід просторово зорієнтований. Тому електромагнітні хвилі кругової поляризації перетворюються в електромагнітні хвилі лінійної поляризації, які потім відокремлюються. Для цих цілей застосовується перетворювач поляризацій або інакше - деполяризатор. Він є відрізком хвилеводу круглого перетину, який під'єднується до виходу первинного опромінювача. У певному його місці під деяким кутом розташовані неоднорідності у вигляді діелектричної пластини відповідної конфігурації. Електромагнітна хвиля кругової поляризації, падаючи на пластину, розщеплюється на дві складові: на паралельну і перпендикулярну (ортогональну) площинам пластини (мал. 5.23).

Складові рівні по амплітуді і зрушені на деякий кут по фазі, оскільки швидкості їх разные. Тому, якщо підібрати певну конфігурацію і розміри пластини, то на виході такого хвилеводу можна отримати електромагнітні поля, рівні по величині і зрушені по фазі щодо один одного точно на 90°, які є двома видом хвиль лінійної поляризації: вертикальних і горизонтальних.

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 хвиль, паралельних неоднородностям; 4,5 -зонды для виділення електромагнітних хвиль лінійних поляризацій

Роз'єднання лінійно-поляризованих хвиль для виділення електромагнітної хвилі необхідного виду поляризації здійснюється механічним або електричним способом.

Необхідно відзначити, що в іншому випадку електромагнітні хвилі кругових поляризацій можна перетворювати в лінійних і навпаки, застосовуючи хвилевід еліпсоїдного перетину. У нім хвилі Н, що розповсюджуються, і V запізнюються один щодо одного, що приводить до їх різних швидкостей і до їх роз'єднання.

Механічний спосіб перетворення. При цьому способі електричний вібратор (зонд) поміщається в круглий хвилевід у вузлах напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі паралельно електричним силовим лініям. Якщо застосовується магнітний вібратор (петливши), то він розташовується перпендикулярно магнітним силовим лініям електричного поля.

На мал. 5.24 показаний механічний спосіб вибору електромагнітних хвиль горизонтальної або вертикальної поляризації. У первинний опромінювач (хвилевід круглого перетину) 4 вставлений зонд 3, що функціонує як антена. У нім наводиться э.д.с. електромагнітною хвилею горизонтальної або вертикальної поляризації залежно від положення площини зонда, який потім випромінює її (э.д.с.) в перехідний хвилевід круглого перетину 5, порушуючи його область. Площина поляризації випромінюваної електромагнітної хвилі в цьому хвилеводі не змінюється, вона завжди постійна. Передача електромагнітної хвилі з хвилеводу круглого перетину в хвилевід прямокутного перетину 7 (для підключення входу малошумливого підсилювача-конвертера) здійснюється через плавний (у ідеальному випадку) перехід 6, оскільки при безпосередньому з'єднанні (без переходу) хвилеводів виникають віддзеркалення, що приводить до великих втрат.

Механічне обертання зонда здійснюється в деяких випадках за допомогою електричного мікродвигуна постійного струму при подачі на нього напруги 13 або 18 В. Ето дозволяє отримати тільки два фіксовані положення зонда і приймати електромагнітні хвилі горизонтальної або вертикальної поляризації. Іноді для цієї мети використовується кроковий двигун, на який подаються прямокутні імпульси. Змінюючи тривалість імпульсів від 0,8 до 2,4 мс, можна повертати зонд від 0 до 180° дискретно, з невеликим кроком, що дає можливість точніше, ніж в першому випадку, підстроювати його під площину поляризації електромагнітної хвилі, що приймається.

Мал. 5.24. Схема механічного вибору електромагнітних хвиль поляризації Н або V:

1 - електромагнітні хвилі, відбиті від поверхні параболоїда; 2 - пасивний відбивач первинного опромінювача, поміщеного у фокус параболоїда; 3 - зонд для вибору електромагнітних хвиль тільки одного виду лінійної поляризації - вертикальною або горизонтальною; 4 - первинний опромінювач (хвилевід круглого перетину, сполучений з первинним відбивачем); 5 - перехідний хвилевід круглого перетину; 6 - перехід з хвилеводу круглого перетину до хвилеводу прямокутного перетину; 7 - хвилевід прямокутного перетину; 8 - зонд (штир), вставлений в широку площину прямокутного хвилеводу і сполучений полосковой лінією з входом малошумливого підсилювача-конвертера; 9 - фторопластовий утримувач

Управління в розглянутих випадках здійснюється електронною схемою, що знаходиться в ресівері і поєднується з одночасним перемиканням програм (частотних каналів).

Можна також плавно змінювати площину поляризації електромагнітної хвилі (від Н до V або від V до Н), поволі повертаючи площину зонда від 0 до 180°, подаючи наростаючу напругу, що управляє, на мікродвигун. В цьому випадку виконавчий пристрій (привід поляризатора) має редуктор і датчик кута повороту вібратора. У плавній зміні площині поляризації електромагнітної хвилі, що приймається, є грунтовна необхідність, оскільки площина лінійної поляризації електромагнітних хвиль, що випромінюються передавачем супутника, не завжди (для географічної точки прийому) горизонтальна або вертикальна. Існуючі неспівпадання між площинами лінійної поляризації електромагнітної хвилі, що випромінюється передавачем супутника, і вертикальною або горизонтальною площиною Землі будуть тим значніше, чим більше різниця між довготою супутника і географічною довготою точки прийому. Внаслідок цього виникає необхідність плавного повороту площини поляризації електромагнітної хвилі, що приймається. Зручніше це можна здійснити електромагнітним способом, або інакше - феритовим.

Електромагнітний (феритовий) спосіб перетворення. Даний спосіб перетворення заснований на використанні ефекту Фарадея: якщо потік світлових (електромагнітних) хвиль проходить через середовище з подовжнім магнітним полем, то площина поляризації його повертається на кут, пропорційний напруженості магнітного поля. До появи феритів, здатних працювати в області СВЧ без істотних втрат, це явище не могло використовуватися. Тільки з появою високочастотних феритів ефект Фарадея, відкритий для світлових хвиль, знайшов практичне застосування і для хвиль СВЧ.

На мал. 5.25 показана схема електромагнітного (феритового) поляризатора. Усередині хвилеводу круглого перетину 1 знаходиться феритовий стрижень 2 і опора для нього з пінополістиролу 3. Оскільки діелектрична проникність фериту велика, то можлива поява сильного віддзеркалення електромагнітних хвиль від стрижня. Щоб уникнути цього кінець феритового стрижня з боку падаючої хвилі загострений - сточений на конус. Роль феритового стрижня тут - підсилити напруженість магнітного поля, що створюється протікаючим струмом в котушці 4, намотаною на стрижень. Подаючи в котушку струм / певної величини, можна тим самим створити для повороту необхідну подовжню напруженість магнітного поля усередині хвилеводу. При розповсюдженні електромагнітної хвилі усередині хвилеводу уздовж феритового

Мал. 5.25. Пристрій електромагнітного (феритового) поляризатора: 1 - хвилевід круглого перетину; 2 - феритовий стрижень; 3 - опора з пінополістиролу; 4 - котушка; 5 - виводи котушки

стрижня її площина поляризації повертається на деякий кут. Величина кута повороту залежить від довжини котушки і напруженості магнітного поля (струму в котушці). Змінюючи силу струму в котушці, можна повернути площину поляризації електромагнітної хвилі, що приймається, так, щоб вона була б просторово ортогональна великій площині хвилеводу прямокутного перетину, розташованого перед малошумливим підсилювачем-конвертером. Напрям площині поляризації електромагнітної хвилі після проходження її уздовж феритового стрижня і котушки зберігається, і попереднє положення площини не відновлюється.

Перевага феритових поляризаторів в наступному: у них відсутні рухомі механічні вузли, що підвищує надійність і термін експлуатації поляризатора. До того ж управління феритовим поляризатором простіше (по двох проводах) і є можливість точного плавного повороту площини електромагнітної хвилі. Втрати, що вносяться ними, не перевищують 0,2...0,3 дБ.

Тому, не дивлячись на вартість, в 4...5раз вартість механічного поляризатора, що перевищує, вони знаходять найширше застосування. Недоліком є те, що кут повороту площини поляризації у них залежить не тільки від прикладеної сили струму, але і від частоти електромагнітної хвилі, що приймається, площину поляризації якої необхідно повернути. Для управління поворотом при її багатофункціональній залежності застосовується процесор, що знаходиться в ресівері.

У пам'ять процесора занесені: значення координат точки стояння супутників (число позицій позиционера), значення частот електромагнітних хвиль (номери частотних каналів), що приймаються, величини сили струмів, необхідних для повороту площини поляризації електромагнітних хвиль, що приймаються. Управління перемиканнями здійснюється командами, що подаються з пульта управління ресівера.

Перетворення (розділення) електромагнітних хвиль лінійних поляризацій. Для одночасного перетворення (розділення) електромагнітних хвиль лінійної поляризації на електромагнітні хвилі вертикальної і електромагнітні хвилі горизонтальної поляризації, можуть застосовуватися поляризаційні разъединители, які виконуються у вигляді хвилеводних трійників, так званих ортомодов (мал. 5.26, 5.27).

Один отвір (вхід) трійника з'єднується з отвором хвилеводу круглого перетину, тобто з виходом первинного опромінювача.

Мал. 5.26. Схема поляризаційного перетворення електромагнітних хвиль лінійної поляризації ортомодом

Два інших його отворами (виходу) є відрізки хвилеводу з плавним, поступовим переходом від круглого перетину до прямокутного - перехід здійснюється не менше, чим за чверть довжини хвилі. Великі площини прямокутних хвилеводів розгорнені під кутом 90° по відношенню один до одного. Кожен з них підключається до свого підсилювача - конвертера через вол-новодно-полосковый перехід, що дозволяє виключити втрати (0,2...0,3 дБ) на перетворення поляризації і, тим самим, значно поліпшити відношення /шум, що несе.

Мал. 5.27. Варіант застосування ортомода:

1 - первинний опромінювач; 2 - перетворювач електромагнітних хвиль

кругових поляризацій в електромагнітні хвилі лінійних поляризацій;

3 - разъединитель електромагнітних хвиль лінійних поляризацій на

електромагнітні хвилі горизонтальних і вертикальних поляризацій -

ортомод; 4 - малошумливі попередні підсилювачі-конвертери

Існує і інший спосіб, при якому одночасне роз'єднання хвиль лінійної поляризації на електромагнітні хвилі взаємно ортогональних поляризацій здійснюється двома вібраторами-зондами, розгорненими під кутом 90° по відношенню один до одного і розміщеними на відстані і 3 ( ) від закритого кінця хвилеводу. У кожному зонді наводиться э.д.с. тільки від електромагнітної хвилі "своєї" поляризації і подається через полосковые лінії до приєднаних входів малошумливих підсилювачів-конвертерів.

Очевидно, що використання двох разъединителей передбачає підключення двох малошумливих підсилювачів-конвертерів, а також наявність двох високочастотних коаксіальних кабелів, що сполучають ці підсилювачі-конвертери з ресівером. Все це вимагає попереднього ручного підстроювання положення площин поляризації, оптимального для кожного розділення. Прийом телепередач електромагнітних хвиль горизонтальної і вертикальної поляризацій одночасно дає можливість підключати до зовнішнього блоку ресівер з двома входами (LNB), два ресівери і тому подібне

Слід зазначити важливість поляризаційного розділення, недостатність якого приводить до додаткових перешкод і, в більшості випадків, до енергетичних втрат.

Розділення електромагнітних хвиль по поляризації (поляризаційне розділення) при прийомі супутникового телевізійного віщання згідно рекомендацій ВАКР повинне складати не менше 30 дБ і у сучасних антенних систем досягає 40...50 дБ.

Поляризаційні характеристики антен мають істотне значення для прийому, і вони приводяться в технічних описах, оскільки антени, призначені для прийому з супутників-ретрансляторів, виготовляються в основному для прийому електромагнітних хвиль лінійних поляризацій або кругах. Антена, призначена для прийому електромагнітних хвиль лінійних поляризацій, може приймати електромагнітні хвилі кругових поляризацій (і навпаки), але з втратами до половини потужності, що дуже значно для вельми слабкого сигналу, що приймається. Щоб уникнути втрат при прийомі електромагнітних хвиль кругових поляризацій для цієї антени необхідний деполяризатор - діелектрична пластина з фторопласту-4, яка вставляється під кутом 45° між первинним опромінювачем і хвилеводом. У загальному випадку для прийому електромагнітних хвиль поляризацій, не вказаних в технічній документації на антену, потрібний або збільшувати її розміри, або використовувати інший тип, або, як наголошувалося, використовувати деполяризатор.

Виводи

В більшості випадків для прийому телевізійного віщання з супутників використовуються параболоїдні антени, як найбільш прийнятні по своїх технічних характеристиках. Вони приймають сигнали, сумірні з рівнем природного фону і перешкод. Тому в порівнянні з довжиною хвилі такі антени мають велику поверхню, яка збирає падаючі на неї електромагнітні хвилі СВЧ і, відображаючи, направляє їх в одну крапку -у фокус, на розміщений первинний опромінювач. Віддзеркалення відбувається за умови, що площа раскрыва антени більше квадрата довжини хвилі, що приймається, - кросовера ( ).

Для супутникових приймальних антен, в основному, як збираюча поверхня, що відображає, використовується внутрішня металева або металізована поверхня параболоїда або поверхня його частини - сегменту. Від розмірів параболоїда (сегменту), точність його форми і якості відзеркалювальної внутрішньої поверхні залежить коефіцієнт посилення антени, ширина діаграми спрямованості її основної пелюстки і шумова температура або коефіцієнт шуму. Антени з переднім живленням -прямофокусные і офсетні мають первинний опромінювач, який розміщується у фокусі параболоїда і фазовий центр (розрахункова точка фокусу) його випромінювання точно поєднується з фокусом параболоїда, що необхідне для отримання максимального посилення антени. По конструкції первинний опромінювач - це в більшості випадків хвилевід круглого перетину з невеликим пасивним рефлектором на кінці. Пасивний рефлектор перешкоджає випромінюванню "назад" і направляє випромінювання на поверхню дзеркала антени, створюючи його освітлення, що змінюється згідно параболоїдному закону. При цьому, для отримання мінімального "переливу" енергії за краї дзеркала спад інтенсивності випромінювання до країв повинен бути біля -15 дБ.

При супутниковому телевізійному віщанні приймаються електромагнітні хвилі різних видів поляризацій, а по хвилеводу, підключеному через вібратор і полосковую лінію до входу малошумливого підсилювача-конвертера, може розповсюджуватися електромагнітна хвиля тільки лінійній поляризації: вертикальною або горизонтальною. З цієї причини в конструкції параболоїдних антен застосовуються деполяризатори електромагнітних хвиль, що перетворюють електромагнітні хвилі кругових поляризацій в електромагнітні хвилі лінійних поляризацій. Потім електромагнітні хвилі горизонтальної або вертикальної поляризації

вибираються разъединителем поляризацій і подаються в прямокутний хвилевід, який на них просторово зорієнтований. У широку площину хвилеводу вставлений вібратор (зонд або петля). У нім індукується э.д.с. і через полосковый перехід подається на вхід першого каскаду малошумливого підсилювача-конвертера.

Останнім часом разом з параболоїдними антенами, почали широко застосовуватися плоскі антени - Фари і сферичні лінзові антени. Плоскі антени дешеві, малогабаритні, їх установка не змінює архітектуру міста і не привертає уваги. У них відсутній первинний опромінювач, а малошумливий підсилювач-конвертер розміщується безпосередньо за площиною антени. Але разом з конструктивними достоїнствами їм властиві і серйозні недоліки. Так, плоскі антени можуть приймати електромагнітні хвилі тільки одного виду поляризації і відносно вузькосмугові.

При застосуванні сферичних лінзових антен можна вести прийом з супутників, які створюють значну щільність потоку потужності в точці прийому. З розвитком ретрансляції телепередач через супутники, завдяки цифровому способу телевізійного віщання і підвищеній ППМ в Західній Європі знаходять широке застосування для прийому як плоскі антени, так і сферичні лінзові.

Необхідно відзначити, що антени призначаються для прийому електромагнітних хвиль лінійних поляризацій або кругах, що указується в їх технічному паспорті. Параболоїдна антена для прийому електромагнітних хвиль лінійних поляризацій може приймати електромагнітні хвилі кругових поляризацій, але з втратами до половини потужності, а також і навпаки. Для прийому електромагнітних хвиль іншого виду поляризації необхідно збільшувати розміри антени або застосовувати деполяризатор.