2525

ретранслятора. Антенны, применяемые в установках непосредственного телевизионного вещания, не имеют каких-либо принципиальных отличий от антенн СВЧ, используемых в других радиосистемах. По мере развития спутниковой связи совершенствовалось и приемное оборудование. Новые достижения радиоэлектроники, повышение мощности ретрансляторов и установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40-60 см.

В настоящее время приемные антенны СНТВ можно разделить на 2 типа:

-зеркальные;

-плоские.

Существуют также антенны других конструкций (рупорные, линзовые) но, несмотря на ряд ценных качеств, из-за высокой стоимости они находят лишь ограниченное применение. Однако не исключена возможность, что в дальнейшем они будут использоваться более широко.

Прежде чем начать рассмотрение устройства этих антенн, необходимо дать определение их основных электрических характеристик.

Рабочий диапазон волн - это тот диапазон, в пределах которого антенна сохраняет с заданной точностью свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование). Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использования антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит нескольких процентов от длины средней волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной; а если составляет несколько десятков процентов и больше - широкодиапазонными.

Существенное значение имеют характеристики направленности. Именно благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием программ спутникового ТВ вещания. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f( , ). Пользоваться такой диаграммой неудобно. Поэтому на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f( ) или f( ) в полярной или декартовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по полю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, которая определяется зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы, Под шириной 2 0.5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в 2 раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.11), а поток мощности соответственно уменьшается вдвое. В некоторых случаях под шириной 2 0 подразумевают угол между направлениями

(ближайшими к направлению максимума), вдоль которых напряженность поля равна нулю.

Рисунок 11 - Диаграмма направленности приемной антенны

Для сравнения направленных антенн вводят параметр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД). Коэффициент направленного действия D - это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих равных условиях):

D = P P

где P - мощность излучения ненаправленной антенны; P - мощность излучения направленной антенны.

Коэффициент направленного действия приемной антенны показывает, какому увеличению мощности передатчика эквивалентно даваемое направленной антенной превышение сигнала над уровнем помех (по сравнению с приемом на ненаправленную антенну) при условии равномерного распределения помех во всех направлениях.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных потерь в антенне.

Эффективная площадь антенны А характеризует площадь поверхности, через которую приемная антенна собирает энергию, и определяется как отношение максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку, к мощности P, приходящейся на единицу площади в падающей (не искаженной антенной) плоской волне.

Для суждения о выигрыше, даваемом антенной при учете, как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД:

G = D ;

G = P PA;

где PA = P .

Отношение мощностей в последнем выражении определяется при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема. Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнений с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в данном направлении. Если специальных оговорок не делается, то под коэффициентом усиления (также как и под коэффициентом направленного действия) подразумевается его максимальное значение, соответствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Антенна должна иметь, возможно, более высокий коэффициент усиления G и, следовательно, большие геометрические размеры, что делает ее дорогостоящим сооружением. Поэтому при заданной геометрической площади важно получить, возможно, больший коэффициент усиления G. Фактически, из-за неточностей, допускаемых при изготовления антенны, из-за деформаций, вызываемых ветровыми нагрузками, односторонним солнечным нагревом и т.п., реальное усиление оказывается ниже минимального. С увеличением значения G должна уменьшайся ширина главного лепестка диаграммы направленности. В случае уменьшения ширины диаграммы направленности до величин менее одного градуса необходимо снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают сложные гармонические годовые и суточные колебания, которые с Земли наблюдаются в форме изменяющейся восьмерки.

Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления G и, как следствие падению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной для индивидуальных приемных устройств следует признать диаграмму направленности с шириной главного лепестка в пределах 1 - 2 .

К уменьшению коэффициента усиления G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Еще одна причина, заставляющая уделять особое внимание боковым лепесткам, состоит в необходимости обеспечения высокой помехозащищенности приемной установки. Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи

от соседних спутников-ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т.д. Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки.

Большое значение имеют поляризационные свойства антенны. Распространяющаяся электромагнитная волна характеризуется векторами электрической Е и магнитной Н напряженности электромагнитного поля. Векторы Е и Н вдоль направления волны непрерывно изменяют во времени свои значения в соответствии с законом, по которому изменялся ток в проводнике, возбудивший электромагнитную волну. Особую роль при распространении волн играет пространственная ориентация этих векторов. Поляризация излучения определяется положением вектора Е. Зная направление этого вектора в пространстве и изменение этого направления во времени, можно составить представление о характере поляризации волны. В случае линейной поляризации вектор напряженности электрического поля колеблется по направлению от положительного до отрицательного в вертикальной или горизонтальной плоскости (вертикальная или горизонтальная поляризация).

Более сложное представление имеет вращающаяся поляризация. В этом случае вектор В в точке наблюдения непрерывно меняет свою ориентацию. За период волны вектор Е делает один полный оборот в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны. Кривая, которую описывает конец этого вектора в точке наблюдения за один период, называется поляризационной характеристикой.

Поляризационная характеристика антенны с вращающейся поляризацией представляет собой эллипс. Параметрами эллипса, определяющими его, являются коэффициент эллиптичности m и угол наклона . Коэффициент эллиптичности представляет собой отношение малой полуоси эллипса (ОА=a) к большой (ОВ=b): m = a / b.

Коэффициент m в общем случае может принимать значения от 0 до 1 (О соответствует линейно поляризованному полю, 1 - полю о круговой поляризацией). Углом наклона называется угол между большой осью эллипса и координатной осью Х.

Для более полной оценки поля в точке наблюдения наряду с параметрами эллипса необходимо знать также направление вращения вектора Е и его начальной фазу (положение вектора Е в плоскости ХОУ в момент времени = 0). В зависимости от направления вращения вектора Е различают поля правого и левого вращения. Полем левого вращения называется такое, вектор Е которого вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу направлению распространения волны. Вектор Е поля правого вращения вращается против часовой стрелки.

Поляризация сигнала, излучаемого спутником-ретранслятором, определяется конструкцией его передающей антенны. Для обеспечения качественного телевизионного приема необходимо, чтобы поляризация приемной антенны соответствовала поляризации принимаемого сигнала. Таким

образом, исходя из приведенных выше сведений, можно сформулировать требования к основным характеристикам приемных антенн непосредственного телевизионного вещания. Антенны должны обладать:

-высоким коэффициентом усиления (З550 дБ) при достаточно высоком коэффициенте использования поверхности (0,5 - 0,7);

-низким уровнем боковых лепестков (-25...-35 дБ);

-малым значением шумовой температуры (20 - 30 К);

-низким уровнем кроссполяризации (-ЗО...-35 дБ).

Необходимыми динамическими характеристиками и конструкцией, обеспечивающими сохранение электрических характеристик и надежную работу в заданных климатических условиях

Наиболее полно в настоящее время удовлетворяют приведенным ваше требованиям зеркальные антенны, которые в основном и применяются в спутниковой радиосвязи.

Для предварительной оценки возможностей приема сигналов СТВ необходимо определить (рассчитать) азимут А, угол места ( - ), -угол возвышения и географические координаты приемной земной станции и место размещения спутника, находящегося на геостационарной орбите. В зависимости от оптимального выбора антенна эти характеристики обеспечивают точность и эффективность приема сигналов СТВ.

Антенна характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом усиления, диаграммой направленности, уровнем боковых лепестков и входным сопротивлением.

Коэффициент усиления зеркальной параболической антенны:

G = ( cD )2 Кип ,

f

где D - диаметр апертуры (раскрыва) антенны; c-скорость света;

f - частота сигнала; Кип-коэффициент использования поверхности зеркала антенны.

В лучших антеннах Кип достигает 0.6 - 65. Значение Кип зависит от способа облучения рефлектора. При равномерном облучении Кип будет максимальным, но при этом заметно увеличится уровень боковых лепестков достигая значений (14...16) дБ. При уменьшении облучения к краям зеркала уровень боковых лепестков уменьшается, но при этом снижается Кип.

Наибольшее распространение получили однозеркальные осесимметричные антенны. Они позволяют получать достаточно низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, хорошее согласование с фидером и шумовую температуру не выше 80 К при углах места более 10 .

Зеркальная антенна с вынесенным облучателем

Кроме классических зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсетные антенны), схематически изображенные на рис.12. При расположении фазового центра облучателя в фокусе параболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением оптической оси зеркала. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала, вызывает отклонение направления главного максимума излучения в сторону, противоположную смещений облучателя. На рис.12 представлены геометрические характеристики зеркальной антенны в случае, когда облучатель смещен на величину x.

Рисунок 12 - Антенна с вынесенным из фокуса облучателем (офсетная)

Рассмотрим фронт волны в раcкрыве зеркала приемной антенны. Волны облучателя находился в фокусе F, луч доходит от любой точки раскрыва до точки F примерно за одно и тоже время t. При размещении облучателя в точке F луч придет из точки А раньше, чем из точки В. В результате поле из точки A будет опережать по фазе поле из точки В и фронт волны отклонится на некоторый угол . Направление максимума излучения всегда перпендикулярно фронту волны, и, следовательно, вся диаграмма направленности отклонится на тот же угол в сторону, противоположную смещению облучателя.

Приближенные соотношения для определения угла склонения направления максимума диаграммы направленности от оси антенны в зависимости от величины x выводятся следующим образом. Видно, что за время t, которое требовалось, чтобы луч прошел расстояние АF, луч пройдет расстояние АF’+ A’A. .Величина A'A приблизительно равна FC,т.е.

A’A FC Xsin o

Отсюда

tg A' A X sin o Ro Ro

Преимущество такого построения антенны заключается в тем, что устраняется затенение oблучателем и oпорами, чем обеспечивается более высокий коэффициент использования поверхности раскрыва. Осевая симметричнoсть зеркала учитывается при установке и ориентации антенна. Прямофокусная антенна (рис.13) ориентируется так, чтобы ее оптическая ось (ось симметрии) совпала с направлением на спутник. Ось же офсетной антены должна быть отклонена от направления на спутник на некоторый угол , что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата (рис.12).

Мультифокусная зеркальная антенна

Мультифокусная зеркальная антенна разработана для обеспечения приема с некоторых (обычно 2-3) спутников ТВ программ одной антенной, не оснащенной поворотным устройством. Облучатели крепятся при помощи дополнительного устройства. В случае применения такой системы необходимо учитывать,что прием сигнала будет не так «чист»,поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора. Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала. Особую популярность такие системы приобрели в Европе для просмотра ТВ каналов со спутников

Astra, Eutelsat и др.

Конструкция, технология изготовления и материалы рефлекторов

Изготовить зеркальную антенну, профиль которой полностью соответствовал бы выражениям, описывающим параболоид, невозможно, так же как невозможно сделать какое-либо устройство с абсолютной точностью.

Рассмотрим, как влияет отклонение формы поверхности зеркала от параболоида на характеристики антенны. Из анализа хода лучей в параболическом рефлектора видно ,что в результате отклонения формы поверхности изменяется расстояние, преодолеваемое лучами I и 2: от точки А до прямой БВ. В результате электромагнитное поле в раскрыве антенны оказывается несинфазным (возникают фазовые ошибки). Эти ошибки приводят к ухудшению практически всех электрических характеристик антенны:

-расширяется главный лепесток диаграммы направленности, и, как следствие, падает усиление антенны;

-увеличивается уровень бокового излучения;

-растет кроссполяризационная составляющая.

Кроме этого, при эксплуатации антенной системы возникает ряд нежелательных эффектов, приводящих к отклонению формы поверхности зеркала:

деформация антенны под действием ветровой нагрузки; воздействие силы тяжести, приводящее к провисанию кромок зеркала, т.е. к его деформации; неравномерный нагрев поверхности зеркала под действием солнечных лучей, также приводящий к деформации (перепад температур между поверхностью,

ориентированной к Солнцу, и поверхностью, ориентированной в область тени, может составлять до 15С).

Суммарное отклонение профиля антенны определяется действием всех перечисленных факторов.

Для индивидуальной зеркальной спутниковой антенны отклонение формы поверхности величиной 2 мм приводит к снижению коэффициента усиления приблизительно на 10%. У лучших современных антенн, предназначенных для диапазона 10-12 ГГц, суммарное отклонение не превышает 0,5 мм.

Для антенн с малой кривизной зеркала обеспечить высокую точность поверхности гораздо легче, чем для глубоких зеркал. Рефлекторы могут быть:

-сплошные;

-перфорированные;

-сетчатые.

Определенный интерес вызывают перфорированные рефлекторы. 0ни представляют собой зеркало, по всей поверхности которого расположены отверстия.

В случае, если их диаметр много меньше длины волны (d<<I), то эти отверстия не оказывает никакого отрицательного влияния на отражающую способность поверхности (при высоком качестве изготовления), т.к. будут представлять собой волновод с размером менее критического, и практически вся падающая волна будет отражаться. Достоинством таких рефлекторов являются меньшие ветровые нагрузки и масса, а также то, что они мало задерживают влагу. Считается, что перфорированные рефлекторы лучше вписываются в архитектурный стиль исторических районов города. Однако в Кu-диапазоне коэффициент усиления таких рефлекторов меньше по сравнению со сплошными.

Рефлекторы должны удовлетворять следующим основным требованиям: отражающая поверхность должна соответствовать разработанной форме и оставаться неизменной в течение всего срока эксплуатации; индивидуальные антенны должны иметь достаточно простую конструкцию.

На срок службы рефлектора, в основном, влияет конструкция, материал и способ изготовления. Антенна функционирует с заданными параметрами, пока она новая, но с течением времени, по мере воздействия внешних факторов, эффективность ее работа снижается, при расчетах и изготовлении рефлектора должна быть учтены допуски на расширение и сжатие материала, из которого он изготовлен, обусловленные воздействием ветра, тепла, коррозии и других факторов внешнего воздействия.

Рефлектор - это наиболее критичный компонент приемного комплекса. При изготовлении зеркал параболических антенн наибольшее распространение в настоящее время получили методы раскатки и штамповки металла, также горячей прессовки композитных материалов (различных пластиков).

Выбор технологии производиться в зависимости от диаметра зеркал и особенностей формы их рабочей поверхности. Кроме того, на него влияет наличие производственной базы и объем выпуска. При изготовлении

металлических рефлекторов чаще всего используется различные виды листовой штамповки: вытяжка с утонением и без утонения, штамповка взрывом, резиновым пуансоном и др. Очевидно, что применение каждого из этих методов должно быть обосновано с экономической точки зрения. Снизить стоимость оборудования при обработке давлением позволяет использование гидравлической вытяжки и штамповки взрывом. Ведутся работы по применению штамповки резиной для формовки зеркал параболических антенн. Желание избавиться от одного из жестких элементов штампа обусловлено сложностью изготовления и дороговизной крупногабаритной стальной детали (пуансона) параболической формы. При использовании указанных способов штамповки шероховатость поверхности зеркала доводиться до допустимой величины путем обработки листовой заготовки, так как при последующей формовке она остается неизменной. На холодной деформации листовой заготовки основана и ротационная рас катка, выполняемая стальными роликами по деревянной или металлической форме. Достигаемая при этом точность вставляет 0,1 мм.

Процесс ведется либо на универсальных станках, либо на специальных приспособлениях. При этом должно быть обеспечено оптимальное давление раскатников на металл, которое подбирается экспериментально: при малых не происходит равномерной раскатки, при больших же появляется шелушение металла на поверхности из-за высоких внутренних напряжений в поверхностном слое.

При изготовлении зеркал параболических антенн подучило распространение литье. Оно позволяет выполнить заготовку зеркала с крепежными элементами конструкции, обеспечивающими его механическую прочность. Недостатками являются высокая стоимость форм (используется чаще всего литье под давлением) и необходимость доводки зеркала по шаблону. Интересен метод формирования параболического зеркала во вращающейся (со скоростью до 1000 об/мин) круглой емкости с расплавленным металлом. Под действием вихревых токов металл (как правило, алюминий) расплавляется в ванне, после чего она приводится во вращение. Под действием центробежных сил поверхность металла приобретает форму параболоида. Затвердевание следует проводить в процессе вращения, как можно быстрее понижая температуру ванны, чтобы избежать искажения заготовки. Параметры параболического зеркала варьируется размерами ванны и скоростью вращения.

Материал, из которого изготовлено зеркало антенны, во многом определяет ее характеристики и гарантийный срок эксплуатации. В настоящее время антенны выполняют из стали, алюминиевого сплава и пластика. Стальные и алюминиевые рефлекторы имеют хорошие электрические и механические характеристики. Одним из существенных преимуществ таких рефлекторов (особенно стальных) является невысокая стоимость. Стеклопластиковые рефлекторы изготавливаются путем проклеивания многих слоев стеклоткани. Далее поверхность оклеивается алюминиевой фольгой. Основным недостатком таких антенн является нарушение геометрии зеркала, так как клеевые структуры со временем теряют свою форму, коробятся,