5.7Неосесимметричные (офсетные) антенны

У антенн Кассегрена контррефлектор — вспомогательное зеркало и у прямофокусных (осесимметричных) антенн первичный облучатель и конструктивно связанный с ним малошумящий усилитель- конвертер с узлом для крепления закрывают центральную часть основного зеркала, то есть наиболее важную его область. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих облучатель (при сравнимых их поперечных размерах с длиной волны), и самого облучателя приводит к дополнительному нежелательному рассеянию энергии и, как следствие, к уменьшению эффективной площади раскрыва, снижению усиления антенны и появлению боковых лепестков в диаграмме направленности, что особенно проявляется у небольших антенн, диаметр которых меньше одного метра.

Перечисленные недостатки можно почти полностью исключить, применив неосесимметричную (офсетную) антенну.

Как видно антенное зеркало в этом случае не параболоид, а только часть его. В тоже время повернутый первичный облучатель по-прежнему находится в фокусе теоретического параболоида. Однако он не попадает в основной лепесток диаграммы направленности излучения, так как вообще не закрывает поверхность зеркала. Благодаря этому параметры офсетной антенны очень хорошие, кроме наличия небольшого недостатка — появления у нее перекрестной поляризации электромагнитных волн из-за неосесимметричной конструкции.

Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанавливать два облучателя — конвертера, располагая их в фокальной плоскости. Это дает возможность вести прием со спутников, находящихся на соседних позициях геостационарной орбиты (в пределах 7...8'), например, с семейства спутников Astra (19,2' в.д.) и Hot Bird (13' в.д.) без перенаправления антенны. Следует отметить еще один положительный фактор офсетных антенн, дающий им преимущества перед прямофокусными, и особенно важный для пользователей в северных широтах: офсетные антенны и прямо фокусные под разными углами "смотрят" в небо, т.е. имеют разные углы места. Выпадающий зимой снег и другие осадки накапливаются в зеркале прямофокусной антенны и могут быть причиной помех и даже порой могут привести к прекращению приема. Этого не случается при применении офсетных антенн, так как выпадающие осадки легко соскальзывают с поверхности зеркала или вообще не попадают на нее. У антенн этого типа уровень боковых лепестков диаграммы направленности на 5 дБ меньше, чем у прямофокусных, что очень важно. Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно находящихся на геостационарной орбите, предъявляются жесткие требования к диаграммам направленности

как передающих антенн, так и приемных. Это приводит к необходимости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приемных прямофокусных антенн на классические— офсетные.

Поверхность офсетной антенны получают сечением параболоидной поверхности наклонной плоскостью (рис. 5.10). Плоскость сечения — плоскость раскрыва, представляет собой эллипс с малой осью — D. Со спутника раскрыв офсетных антенн "виден", как круг малого диаметра D (также как и у прямофокусных). Поэтому малый диаметр D эллипса называют условным диаметром.

Важным вспомогательным параметром для расчета офсетной антенны является расстояние А от нижней части эллипса до оси теоретического полного параболоида. У прямофокусных антенн расстояние A=D/2, а у офсетных A<D/2, где D — малый диаметр эллипса. Необходимо отметить, что из-за конструктивных особенностей эксплуатационные характеристики офсетных антенн существенно отличаются от прямофокусных. У офсетных антенн отношение F/D=0,5...0,6, т.е. несколько больше, чем у прямофокусных, что связано со смещением первичного облучателя. Угол между перпендикуляром к плоскости раскрыва офсетной антенны и перпендикуляром к плоскости раскрыва прямофокусной образует так называемый офсетный угол X— угол смещения или угол поворота плоскости раскрыва. Для офсетных антенн разных конструкций, расположенных в одних и тех же широтах, этот угол имеет фактически одно и тоже значение (для средних широт около 26...27') и офсетные антенны устанавливаются на этот угол вертикальнее прямофокусных.

При установке антенны следует различать офсетные антенны с раскрывом круглой формы и классические офсетные антенны с эллиптической формой раскрыва. Офсетные антенны "круглой" фор- мы изготавливаются с целью уменьшения производственных затрат, их удешевления. У них раскрыв — это круг с загнутыми краями. Подобные антенны имеют ряд существенных недостатков. Например, очевидно, что площадь круга, вписанного в эллипс, меньше площади этого эллипса, поэтому усиление "круглых" офсетных антенн меньше стандартных классических офсетных при равных размерах малого диаметра О. Для спутника раскрыв "круглой" офсетной антенны "виден" не как круг. Второй существенный недостаток "круглой" офсетной антенны — это невозможность точного теоретического расчета положения ее точки фокуса.

В итоге можно отметить, что типовые классические офсетные антенны малогабаритны, экономичны, достаточно хорошо изучены и в силу своих достоинств находят широкое применение для приема телевизионного вещания со спутников, хотя их изготовление обходится несколько дороже, чем прямофокусных. На рис. 5.11, в качестве примера, показана офсетная антенна и приведены ее параметры.

Плоские антенны

Для приема телевизионных программ со спутников также применяются плоские (планарные) антенны или так называемые фазированные антенные решетки (ФАРЫ) и активные фазированные антенные решетки (АФАРы). Они состоят из множества резонаторных излучателей, которые имеют самую разнообразную геометрическую форму: прямоугольную, круглую, эллиптическую, квадратную и т.п.

На рис. 5.12 показан излучающий элементарный резонатор прямоугольной формы. Он представляет собой прямоугольную металлическую пластину 1, нанесенную на диэлектрическую подложку 2 и экранирующую сплошную поверхность 3. Толщина диэлектрической подложки меньше 0,1 ,/2, где ,— длина СВЧ волны в свободном пространстве. Излучатель возбуждается полосковой линией 4. Эта система представляет собой резонатор с излучением через края 1 и II прямоугольника. Расстояние ( между излучающими краями приблизительно равно /2, где „— длина волны в диэлектрике); размер b определяет входное сопротивление антенны, составляющее сотни ом.

Излучатель прямоугольной формы при резонансе имеет коэффициент усиления около 6 дБ при относительной диэлектрической проницаемости подложки = 2,35 и тангенсе угла потерь tg < 10 '.

Элементарные излучатели' соединяются между собой определенным образом, образуя так называемую фазированную антенную решетку. В точках соединения сигналы складываются в фазе и результирующая мощность сигнала в антенне равна сумме мощностей сигналов, принятых всеми излучателями. Основной лепесток излучения направлен перпендикулярно ее поверхности, т.е. к плоскостям элементарных излучателей. Плоские антенны могут отличаться друг от друга формой элементарных излучателей, а также способом их возбуждения.

Применяя разнообразные формы излучателей (рис. 5.13) и схемы их включения, можно создать антенну, работающую в нужном относительно широком диапазоне частот. Из всех форм излучателей наилучшей диапазонностью обладают излучатели эллиптической формы.

При необходимости иметь излучатели с круговой поляризацией электромагнитной волны выбирают излучатель в форме эллипса или квадрата. Питание их в этом случае осуществляется по осям, расположенным в излучателе перпендикулярно друг другу с фазовым сдвигом 90'.

Большое значение для элементарных излучателей имеет материал диэлектрической подложки. Основными качественными показателями подложки здесь являются: максимальная диэлектрическая проницаемость (е = 2,35), минимальные потери в диэлектрике (tg < 10~), минимальные отклонения толщины подложки (минимальный разброс) и способность сохранять ее свою форму и параметры в различных климатических условиях эксплуатации. Наилучшие диэлектрические подложки, применяемые для элементарных излучателей, это подложки из фторопласта, ударного полистирола, органического стекла.

Соединяя элементарные излучатели определенным образом, получают плоскую антенну — так называемую антенную решетку. Если фазы всех элементарных излучателей равны, то сигналы от них будут суммироваться, и основной общий лепесток диаграммы направленности в этом случае будет перпендикулярен плоскости антенны и будет узким, так как в фазе складываются только сигналы, падающие перпендикулярно плоскости антенны. Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР) — рис. 5.14.

Рассматриваемые плоские антенны на основе пассивных элементарных излучателей обладают многими положительными свойствами. У плоских антенн отсутствуют первичный облучатель и волноводная система для передачи принятых электромагнитных волн, нет поляризатора, нет необходимости в волноводах прямоугольного сечения. Суммарная э.д.с., "собранная" со всех элементарных излучателей, подается непосредственно на вход малошумящего усилителя-конвертера, который расположен с обратной стороны плоскости антенны, и не затеняет ее поверхности.

Кроме того, плоские антенны (ФАРЫ) весьма технологичны, так как для изготовления их используются прогрессивные способы: метод печатного монтажа, напыление тонкопленочного металла на подложку из диэлектрика. Элементарные излучатели плоских антенн, питающие цепи и другие соединения, изготавливаются в едином технологическом процессе и имеют хорошую воспроизводимость (повторяемость). Это позволяет сделать плоскую антенну весьма дешевой и хорошего качества.

Однако у таких антенн наряду с достоинствами имеются и недостатки, которые ограничивают их применение. У них:

O высокий уровень кроссполяризационных потерь, которые могут быть по самым разным причинам: из-за появления паразитного резонанса при больших неоднородностях в полосковых линиях, из-за излучения поверхностных волн и т.п.;

- узкая частотная полоса, так как согласование возможно выполнить в полосе частот, не превышающей 7% от значения частоты несущей электромагнитной волны.

Такие антенны могут принимать электромагнитные волны толь- ко одного вида поляризации: горизонтальной, вертикальной или круговой (с правосторонним или левосторонним вращением вектора поляризации) и т.п. Это определяется формируемыми в процессе изготовления элементарными излучателями, формой, видом их возбуждения и местом подключения к ним возбуждающей линии. Для приема электромагнитных волн каждого вида поляризации требуется своя антенна.

Все же следует отметить, что ФАРЫ весьма удобны для пользователей и по основным характеристикам, таким как диаграмма направленности основного лепестка, уровень боковых лепестков, шумовая температура, при небольших размерах (0,5 м ), сравнимы с офсетными антеннами диаметром 0,6 м.