2963

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД:

G = D ;

G = PPA;

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

51

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 Е 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 (0 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:

52

-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 антенны 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; Кипкоэффициент 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.13. 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,

53

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.

Рис. 13 - 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.

Обычно tgα<<I и, следовательно, можно положить tgα≈α. Тогда угол наклона фронта волны и угол отклонения направления максимума диаграммы направленности

или (в градусах)

54

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 должны 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

57

(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 раскатка, выполняемая стальными роликами по деревянной или металлической форме. Достигаемая при этом точность составляет 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 давлениях 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, особенно под воздействием солнечных лучей. Антенны из литого термопластика изготавливаются следующим образом. На полученную методом прессования чашеобразную заготовку наносят трехслойное покрытие: грунт, токопроводящую никелевую краску и защитный лак. Иногда в пластик добавляют металлический порошок-наполнитель либо армируют проволочной сеткой.

Необходимо отметить, что в настоящее время зарубежные фирмыпроизводители достигли очень хороших результатов при изготовлении пластиковых рефлекторов методом горячей штамповки. Они гарантируют

58

стабильность электрических характеристик рефлектора в течение 10-15 лет эксплуатации.

6.3 ОБЛУЧАТЕЛИ, ПОЛЯРИЗАТОРЫ, ВЧ-ГОЛОВКИ

Облучатель является весьма ответственным узлом антенной системы, поэтому рассмотрению его конструкции необходимо уделить особое внимание. Основные требования предъявляемые к облучателям зеркальных антенн, состоят в следующем:

- желательно, чтобы диаграмма направленности облучателя была однонаправленной, имела осевую симметрию и минимальный уровень боковых лепестков. Для получения оптимальных электрических характеристик антенны ширина 2 0 равного лепестка диаграммы направленности F( ) ее облучателя должна быть согласована с углом 2 0 раскрыва антенны (в идеальном случае они должны быть равны);

-базовый центр облучателя не должен быть «размытым». В идеальном случае он должен быть точечным и положение его не должен быть точечным и положение его не должно зависить от направления. Нарушение этого условия приводит к нарушению синфазности поля в раскрыве зеркала и, следовательно,

кискажению диаграммы направленности и снижению коэффициента усиления;

-облучатель должен быть расположен так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе зеркала;

-облучатель должен в минимальной степени заслонять зеркало, так как затенение приводит к искажению диаграммы направленности зеркальной антенны, в частности, к увеличению боковых лепестков;

-облучатель должен быть широкодиапазонным и выдерживать заданную мощность электромагнитных волн без пробоя.

Заметим, что диапазонность зеркальной антенны в целом и полностью определяется диапазонностью облучателя и фидерного тракта, так как параметры самого зеркала от частоты либо совсем не зависят, либо зависят очень слабо. Диапазонность антенны зависит также от взаимного расположения облучателя и зеркала, наиболее простую конструкцию имеют облучатели в виде волновода с открытым концом. Волновод представляет собой устройство, осуществляющее передачу энергии сверхвысокочастотного поля от источника к нагрузке. Широкое распространение получили волноводы круглого и прямоугольного сечения. Распределение поля в поперечном сечении волновода определяется геометрическими размерами этого сечения, частотой и порядковым числом волновода n.

Размеры волновода определяют некоторую нижнюю граничную (критическую) частоту. В волноводе распространяются только те волны, частота которых выше этой критической частоты. Данная особенность волноводов (запредельность) используется в приемных системах для дополнительного подавления сигнала зеркальной частоты.

59

Поляризатор

Известно, что приемный комплекс должен обеспечивать прием электромагнитных волн различной поляризации. Для этой цели в конструкции антенной системы предусмотрено устройство выбора поляризации поляризатора. Поляризатор антенны обеспечивает возможность преобразование поляризованных определенным образом электромагнитных волн в сигнал с требуемой для конвертора линейной поляризацией. Широкое распространение получила плавная подстройка поляризации. Потребность в плавном изменении поляризации возникает в системах, предназначенных для приема с нескольких спутников. Одна из причин состоит в том, что сигналы с некоторых спутников передаются не поляризованными в строго вертикальной или горизонтальной плоскости, а наклоненными к ним под определенным углом. Кроме того, сигнал принимается в той же плоскости, в которой был послан, только тогда, когда спутник и приемная антенна находится на одной долготе. Если же спутник расположен на другой долготе, то, в силу того, что Земля имеет форму шара, плоскость поляризации принятого сигнала расположена под некоторым углом к исходной плоскости поляризации. Причем этот угол больше, чем сильнее различаются долготы спутника и приемной антенны.

Поляризаторы систем непосредственного телевизионного вещания могут быть электромагнитными или механическими. Физический принцип действия электромагнитного поляризатора основан на эффекте Фарадея. Электрический ток, протекающий в катушке, намотанной на ферритовый стержень, создает продольное магнитное поле. При распространении электромагнитной волны вдоль намагниченного феррита направление ее поляризации отклоняется на некоторый угол. Величина этого угла зависит от длины ферритового стержня и величины магнитного поля, т.е. от величины тока в катушке. Практически это означает, что, изменяя величину тока в катушке, можно добиться совпадения направления поляризации волны на выходе поляризатора с направлением, которое необходимо на входе внешнего блока. Сложность заключается в том, что для сигналов различной частоты значения тока в катушке должны быть различными, т.е. поляризационные характеристики электромагнитного поляризатора частотно зависимы. Наиболее просто эта проблема решается в том случае, если внутренний блок снабжен микропроцессором. Данные о необходимом значении величины тока для каждой программы хранятся в памяти микропроцессора. При выборе желаемой программы спутникового ТВ микропроцессор обеспечивает необходимое значение тока в катушке поляризатора. На практике число витков катушки индуктивности делается достаточно большим, чтобы ток потребления не превышал 50мА. Размеры ферритового стержня выбирают таким образом, чтобы направление поляризации изменялось максимум на 45 . При смене полярности тока, протекающего через катушку, направление поляризации изменяется также на 45 , но в противоположном направлении. В результате наблюдается смена поляризации. Достоинством поляризатора (фазовращателя), основанного на использовании эффекта Фарадея, состоит в отсутствии подвижных элементов и

60