Параметри та характеристики супутникових антен

Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний технологічний університет

Кафедра "Радіотехніки"

Контрольна робота

з предмету:

Пристрої НВЧ

Виконав:

Студент гр. ЗРТ - 73

Коновал Р.В.

м. Черкаси 2010

Загальні відомості про супутникові антени

Параболічні антени

Прийом сигналів супутникового телебачення здійснюється спеціальними приймальними пристроями, складовою частиною яких є антена. Для професійного і любительського прийомів передач з ІСЗ найбільш популярні параболічні антени, завдяки властивості параболоїда обертання відображати падаючі на його апертуру паралельні осі промені в одну крапку, звану фокусом. Апертура - це частина плоскості, обмежена кромкою параболоїда обертання.

Параболоїд обертання, який використовується як відбивач антени, утворюється обертанням плоскої параболи навколо її осі. Параболою називається геометричне місце крапок, рівновіддалених від заданої точки (фокусу) і заданої прямої (директриси) (мал. 6.1). Точка F - фокус і лінія АВ - директриса. Точка М з координатами х, у - одна з точок параболи. Відстань між фокусом і директрисою називається параметром параболи і позначається буквою р. Тоді координати фокусу F наступні: (р/2, 0). Початок координат (крапка 0) називається вершиною параболи.

За визначенням параболи відрізки MF і РМ рівні. Згідно теоремі Піфагора Mf^2 =FK^2+ Mk^2. В той же час FK = = х - р/2, КМ. = у і РМ = х + р/2, тоді (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.

Зводячи в квадрат вирази в дужках і приводячи подібні члени, остаточно отримуємо канонічне рівняння параболи:

у^2 = 2рх або у = (2рх)^0.5 (6.1)

По цій класичній формулі зроблені мільйони антен для прийому сигналів супутникового телебачення. Чим же заслужила на увагу дана антена?

Паралельні осі параболоїда, промені (радіохвилі) від супутника, відбиті від апертури до фокусу, проходять однакове (фокусна відстань). Умовно два променя (1 і 2) падають на площу розкриву параболоїда в різних крапках (мал. 6.2). Проте відбиті сигнали обох променів проходять до фокусу F однакову відстань. Це означає, що відстань A+b=c+d. Таким чином, всі промені, які випромінює передавальна антена супутника і на яку направлено дзеркало параболоїда, концентруються синфазні у фокусі F. Цей факт доводиться математично (мал. 6.3).

Вибір параметра параболи визначає глибину параболоїда, тобто відстань між вершиною і фокусом. При однаковому діаметрі апертури короткофокусні параболоїди володіють великою глибиною, що робить украй незручною установку опромінювача у фокусі. Крім того, в короткофокусних параболоїдах відстань від опромінювача до вершини дзеркала значно менше, ніж до його країв, що приводить до нерівномірності амплітуд у опромінювача для хвиль, що відбилися від кромки параболоїда і від зони, близької до вершини.

Довгофокусні параболоїди мають меншу глибину, установка опромінювача є зручнішою і амплітудний розподіл стає більш рівномірним. Так, при діаметрі апертури 1,2 м і параметрі 200 мм глибина параболоїда рівна 900 мм, а при параметрі 750 мм - всього 240 мм. Якщо параметр перевищує радіус апертури, фокус, в якому повинен знаходитися опромінювач, розташовується поза об'ємом, обмеженим параболоїдом і апертурою. За оптимальний вважається варіант, коли параметр дещо більше, ніж радіус апертури.

Супутникова антена - єдиний підсилюючий елемент приймальної системи, який не вносить власних шумів і не погіршує сигнал, а отже, і зображення. Антени з дзеркалом у вигляді параболоїда обертання діляться на два основні класи: симетричний параболічний рефлектор і асиметричний (мал. 6.4, 6.5). Перший тип антен прийнято називати прямофокуснимі, другий, - офсетними.

Офсетна антена є як би вирізаним сегментом параболи. Фокус такого сегменту розташований нижче за геометричний центр антени. Це усуває затінювання корисної площі антени опромінювачем і його опорами, що підвищує її коефіцієнт корисного використання при однаковій площі дзеркала з осесиметричною антеною. До того ж, опромінювач встановлений нижче за центр тяжіння антени, тим самим збільшуючи її стійкість при вітрових навантаженнях.

Саме така конструкція антени найбільш распространенна в індивідуальному прийомі супутникового телебачення, хоча в даний час використовуються і інші принципи побудови наземних супутникових антен.

Офсетні антени доцільно використовувати, якщо для стійкого прийому програм вибраного супутника необхідний розмір антени до 1,5 м, оскільки із збільшенням загальної площі антени ефект затінювання дзеркала стає менш значним.

Офсетна антена кріпиться майже вертикально. Залежно від географічної широти кут її нахилу трохи міняється. Таке положення виключає збирання в чаші антени атмосферних опадів, які сильно впливають на якість прийому.

Принцип роботи (фокусування) прямофокусной (осесиметричною) і офсетною (асиметричною) антен показаний на мал. 6.6.

Для антен особливе значення мають характеристики спрямованості. Завдяки можливості використовувати антени з високою просторовою вибірковістю здійснюється прийом супутникового телебачення. Найважливішими характеристиками антен є коефіцієнт посилення і діаграма спрямованості.

Коефіцієнт посилення параболічної антени залежить від діаметру параболоїда: чим більше діаметр дзеркала, тим вище коефіцієнт посилення.

Залежність коефіцієнта посилення параболічної антени від діаметру приведена нижче.

Роль коефіцієнта посилення параболічної антени можна проаналізувати за допомогою електричної лампочки (мал. 6.7, а). Світло рівномірно розсівається в навколишній простір, і око спостерігача відчуває певний рівень освітленості, відповідний потужності електролампочки.

Проте якщо джерело світла помістити у фокус параболоїда з коефіцієнтом посилення 300 разів (мал. 6.7, би), його промені після віддзеркалення поверхнею параболоїда опиняться паралельні його осі, а сила кольору буде еквівалентна джерелу потужністю 13 500 Вт. Таку освітленість очей спостерігача сприйняти не може. На цій властивості, зокрема, заснований принцип роботи прожектора.

Таким чином, антенний параболоїд, строго кажучи, не є антенним в її розумінні перетворення напруженості електромагнітного поля в напругу сигналу. Параболоїд - це лише відбивач радіохвиль, що концентрує їх у фокусі, куди і має бути помішана активна антена (опромінювач).

Діаграма спрямованості антени (мал. 6.8) характеризує залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, що створюється в деякій крапці, від напряму на цю крапку. При цьому відстань від антени до даної крапки залишається постійною.

Збільшення коефіцієнта посилення антени спричиняє за собою звуження головної пелюстки діаграми спрямованості, а звуження його до величини менш 1град приводить до необхідності забезпечувати антену системою стеження, оскільки геостационарниє супутники здійснюють коливання навколо свого стаціонарного положення на орбіті. Збільшення ширини діаграми спрямованості призводить до зниження коефіцієнта посилення, а значить, і до зменшення потужності сигналу на вході приймача. Виходячи з цього, оптимальною шириною головної пелюстки діаграми спрямованості є ширина в 1...2град за умови, що передавальна антена супутника утримується на орбіті з точністю +/- 0,1град.

Наявність бічних пелюсток в діаграмі спрямованості також знижує коефіцієнт посилення антени і підвищує можливість прийому перешкод. Багато в чому ширина і конфігурація діаграми спрямованості залежать від форми і діаметру дзеркала приймаючої антени.

Найважливішою характеристикою параболічної антени є точність форми. Вона повинна з мінімальними помилками повторювати форму параболоїда обертання. Точність дотримання форми визначає коефіцієнт посилення антени і її діаграму спрямованості.

Виготовити антену з поверхнею ідеального параболоїда практично неможливо. Будь-яке відхилення від реальної форми параболічного дзеркала від ідеальної впливає на характеристики антени. Виникають фазові помилки, які погіршують якість зображення, що приймається, знижується коефіцієнт посилення антени. Спотворення форми відбувається і в процесі експлуатації антен: під впливом вітру і атмосферних опадів; сили тяжіння; як наслідок нерівномірного прогрівання поверхні сонячними променями. З урахуванням цих чинників визначається допустиме сумарне відхилення профілю антени.

Якість матеріалу також впливає на характеристики антени. Для виготовлення супутникових антен в основному використовують сталь і дюралюміній.

Сталеві антени дешевше алюмінієвих, але важче і більше схильні корозії, тому для них особливо важлива антикорозійна обробка. Річ у тому, що у віддзеркаленні електромагнітного сигналу від поверхні бере участь дуже тонкий приповерхневий шар металу. У разі пошкодження його іржею значно знижується ефективність антени. Сталеву антену краще спочатку покрити тонким захисним шаром якого-небудь кольорового металу (наприклад, цинку), а потім пофарбувати.

З алюмінієвими антенами цих проблем не виникає. Проте вони дещо дорожче. Промисловість випускає і пластикові антени. Їх дзеркала з тонким металевим покриттям схильні до спотворень форми за рахунок різних зовнішніх дій: температури, вітрових навантажень і ряду інших чинників. Існують сітчасті антени, стійкі до вітрових навантажень. Вони мають хороші вагові характеристики, але погано зарекомендували себе при прийомі сигналів Ки-диапазона. Такі антени доцільно використовувати для прийому сигналів С-діапазона.

Параболічна антена на перший погляд здається грубим шматком металу, але проте вона вимагає акуратного звернення при зберіганні, транспортуванні і монтажі. Будь-які спотворення форми антени призводять до різкого зниження її ефективності і погіршення якості зображення на екрані телевізора. При покупці антени необхідно звернути увагу на наявність спотворень робочої поверхні антени. Іноді буває, що при нанесенні антикорозійних і декоративних покриттів на дзеркало антени її “веде” і вона набуває форми пропелера. Перевірити це можна, поклавши антену на рівному підлогу: краї антени скрізь повинні стосуватися поверхні.

Плоскі і сферичні супутникові антени

В даний час в супутниковому безпосередньому телевізійному прийнятті (СНТП) як антени найширше застосовуються два основні параболоїди обертання: осесиметричний і офсетний. Трудомісткість виготовлення параболічного відбивача змусила шукати альтернативні конструкції антен, технологічніших у виробництві і самостійному виготовленні. До таких конструкцій відноситься плоский зональний відбивач Френеля (мал. 6.17).

Огюстен Жан Френель (1788-1828), французький фізик, один із засновників хвилевої оптики, в процесі вивчення дифракції світла використовував метод розділення фронту хвилі на кільцеві зони, названі згодом його ім'ям.

Зональна антена Френеля (ЗАФ) за принципом дії істотно відрізняється від зазвичай використовуваних антен, що містять в основі параболічний відбивач. Опис антени і методика її розрахунку складені В. Никітіним (Москва) і автором даної книги.

Антенний відбивач Френеля є провідними концентричними кільцевими поверхнями, розташованими в одній плоскості. Під впливом падаючої хвилі електромагнітного поля згідно принципу Гюйгенса кожне кільце стає джерелом вторинного випромінювання, яке направлене в різні боки на відміну від параболоїда обертання, що відображає всі промені у напрямі фокусу. Можна підібрати таку ширину кожного кільця зональної антени і відстань між ними, щоб сигнали вторинного випромінювання від середніх ліній кожного кільця в певній точці простору збігалися по фазі. Для цього достатньо, щоб відстані між середніми лініями кілець і вказаною крапкою відрізнялися на довжину хвилі сигналу - lв. Цю крапку по аналогії з параболоїдом можна назвати фокусом. У фокусі, як і в параболічній антені, знаходиться опромінювач.

На мал. 6.18 показаний перетин (вигляд збоку) верхньої частини центрального диска антени і першого кільця. Якщо як фокус вибрана крапка, яка знаходиться на відстані f від плоскості з кільцями, то сигнали, що випромінюють серединами кілець, збігатимуться по фазі у фокусі при наступних значеннях відстаней між краями кілець і фокусом:

Сигнали, що випромінюють серединою кілець, опиняються у фазі з сигналом, центром диска, що випромінює. Розфазування між сигналами, що випромінюють кромкою диска і його центром, а також кромками колії і їх серединою, складає всього 1/4 довжини хвилі.

Таким чином, розрахунок ЗАФ зводиться до вибору місця розташування фокусу F на уявній осі антени, тобто відстані f від полотна антени, і обчисленню внутрішніх і зовнішніх радіусів кілець залежно від довжини хвилі л, ретранслятора по формулі (6.2). Відстань f не критично і його вибирають в межах 500...1000 мм (для антен великих діаметрів).

Сигнали, які випромінюють краї колії, відрізняються по фазі від сигналів, які випромінює коло (знаходиться в середині кільця), що забезпечує синфазность. Широкі кільця забезпечують широкосмугову антени. У зв'язку з тим, що радіуси колії ЗАФ залежать від довжини хвилі сигналу, може здатися, що антена є вузькосмуговою і для кожної частоти (або довжини хвилі) супутникового транспондера знадобляться відповідні розміри кілець. Проте розрахунки показують, що це не так.

Якщо радіуси кілець розраховані для середньої частоти діапазону 10,7...11,7 Ггц (довжина хвилі 26,8 мм) або 11,7...12,5 Ггц (довжина хвилі 24,8 мм), то для мінімальної і максимальної частот діапазонів ті кола, які відповідають рівності фаз сигналів, розташовуватимуться на поверхні кілець.

У таблиці. 6.2, 6.3 приведені результати розрахунку розмірів ЗАФ для вказаних діапазонів частот. У формулу (6.2) послідовно підставляли як значення nорядковиє номери радіусів (парні номери відповідають внутрішнім радіусам, непарні - зовнішнім, а r1- радіусу центрального диска). Відстань f від центрального диска до фокусу F вибрана рівною 1000 мм. Ширіна кілець зменшується равнозамедленно. Радіоаматорові не обов'язково виготовляти ЗАФ в повному об'ємі. У випадках, коли в місці прийому використовується параболічна антена діаметром 90 см, в конструкції ЗАФ можна обмежитися п'ятьма кільцями (п'ятому кільцю відповідають радіуси г10 і r11). При цьому для діапазону частот 10,7...11,7 Ггц діаметр ЗАФ дорівнює 1098 мм, для 11,7...12,5 Ггц - 1024 мм.

Таблиця 6.2

Якщо розрахувати радіуси колії для середньої довжини хвилі всього мовного діапазону Ки (10,7...12,75 Ггц), на його краях ці “синфазні” кола виходять за межі поверхні кілець. Тому на краях такого широкого діапазону синфазного складання сигналів не виходить.

В результаті розрахунку отримують радіуси “синфазних” кіл, де п-номер кільця. Центральному диску відповідає n = 1. Ширіну вибирають довільно. На практиці можна виготовити центральний диск радіусом 50 мм, а ширину кожного кільця узяти рівною 20 мм. В цьому випадку синфазне коло знаходиться приблизно в середині кільця.

Зональна антена плоска формою, тому вона значно технологичнєє в любительських умовах виготовлення. Така антена може бути виконана з великого шматка фольгированного пластика або методом того, що труїть, або шляхом вирізування проміжків між кільцями. Її також можна виготовити наклейкою кілець з фольги або рівної жерсті на лист гетинаксу, текстоліту, оргстекла, деревно-волокнистого полотна (ДВП). Для зниження вітрового навантаження в діелектричній підставі антени просвердлюють довільну кількість отворів.

Основним недоліком зональної антени в порівнянні з параболічною такого ж діаметру є менший коефіцієнт посилення, оскільки не вся енергія сигналу, що потрапляє на полотно антени, прямує до опромінювача. В умовах слабкого сигналу втрата посилення навіть на 2 дб приводить до поразки сигналу шумами і втрати кольоровості. Для компенсації недоліку коефіцієнта посилення ЗАТ необхідно збільшувати діаметр полотна антени, хоча при достатній потужності супутникового ретранслятора і великих кутах місця (менше впливають теплові шуми Землі) для даної точки прийому така антена забезпечує добрі результати.

Ряд зарубіжних фірм проводить плоскі антени, які є системою з великої кількості випромінювачів (простих півхвильових вібраторів). Вони розташовані в багато рядів і поверхів, сполучених між собою фідернимі лініями. Така конструкція плоскої антени називається антенними гратами (АР).

Точки живлення вібраторів в поверхах і рядах сполучені таким чином, що прийняті кожним вібратором сигнали складаються у фазі. В точках живлення АР потужність сигналу дорівнює сумі потужностей, прийнятих всіма вібраторами. У цих же крапках знаходяться вхідні клеми приймальної частини пристрою (конвертера), куди поступає прийнятий гратами сумарний по потужності сигнал.

Наприклад, для частоти 12 Ггц синфазні грати складаються з 2304 півхвильових вібраторів, размешенних в 48 рядів і 48 поверхів. Такі грати мають розміри 600 х 600 мм, ширина її діаграми спрямованості в обох плоскості по половинній потужності складає 4,2град без урахування її звуження за рахунок діаграм спрямованості вібраторів. Конструктивно грати можна виконати відомим друкарським способом шляхом того, що труїть фольгированного пластика. Проте фольгированниє гетинакс або текстоліт, навіть склотекстоліт непридатні із-за надмірно великих втрат в діапазоні сантиметрових хвиль. Наповнювач склотекстоліту (скловолокно) характеризується хорошими електричними властивостями, але сполучна ланка, якою є фенолформальдегідна смола, в цьому діапазоні має надмірно велике значення кута втрат tgв. Краще використовувати фторопласт або удароміцний полістирол, а також органічне скло.

Плоскі антени дуже технологічні у виробництві, а синфазні грати мають додаткові переваги в порівнянні із зональною антеною Френеля, оскільки не потребує опромінювача і її вихідні клеми можна розташувати в плоскості самої антени. Складність використання синфазних грат полягає в необхідності такого з'єднання вібраторів з клемами антени, щоб прийняті всіма вібраторами сигнали поступали до виходу антени з однаковою фазою.

Фірма “Blaupunkt” випускає квадратну планарную антену, в якій вібратори розташовані в одній плоскості (мал. 6.19). Радіохвилі через дифузне (пористе) синтетичне покриття потрапляють на металеві елементи-опромінювачі, напилені на тонкоплівкові підкладки. Аліна цих елементів кратна довжині хвилі сигналу, що приймається, і всі вони синфазний підключений до направлених на конвертер збірних шин, які зведені до центру квадрата.

При відповідних розмірах синфазною АР і кількості вібраторів коефіцієнт посилення таких плоских грат може бути не нижче, ніж у антени з параболічним відбивачем. Це пов'язано з тим, що у синфазних грат вузька діаграма спрямованості, оскільки у фазі складаються тільки сигнали, що поступають до грат перпендикулярно її плоскість.

Крім того, достоїнствами плоских антен є можливість їх виготовлення методами друкарського монтажу, що забезпечує високу відтворюваність параметрів;снижение на 10...30% вітрового навантаження в порівнянні з параболічними антенами; простота перевезення, зберігання і установки.

Якщо фази всіх випромінювачів плоскою АР рівні, то сумарний промінь діаграми спрямованості розташований перпендикулярно плоскість антени (мал. 6.20).

Проте якщо ввести у фідерниє лінії синфазною АР фазовращателі (ФВ) і міняти фазу сигналу в кожному випромінювачі, то в певному (заданому) напрямі сигнали прийдуть у фазі і підсилять один одного. Такі антенні грати називаються фазованими (ФАР). Діагональ антени розташована перпендикулярно поверхні землі (мал. 6.21; 6.22).

У технології грат закладена можливість установки керованих ФВ одночасно з випромінюючими елементами. У пристрої фазовращателя використовуються напівпровідникові діоди, або варактори.

Залежно від кількості програм, що приймаються з різних супутників, кількість ФВ може дорівнювати 12 або 24. Система фазовращателей з 12 діодів може вести прийом в секторі +/- 8град, система з 24 діодів - в секторі +/- 16град.

У фазовращателях використовують інтегральні мікросхеми (ІМС). Таким чином, можлива распайка ФВ на тій же друкарській платі, де витравлені випромінювачі.

В даний час увага до АР значно зросло у зв'язку з досягненнями в області виготовлення друкарських плат і створенням нових високоякісних діелектричних матеріалів з малим кутом втрат. Відносна простота їх виготовлення в заводських умовах забезпечує виробництво великої кількості антенних елементів і всіх фідерних ліній в єдиному технологічному циклі.

Відмінністю ФАР від використовуваних сьогодні параболоїдів обертання є мікросекундне перемикання світивши на потрібний супутник, тоді як в електромеханічних системах з параболічним дзеркалом цей процес займає десятки секунд і навіть декілька хвилин.

Конвертер, прикріплений до зворотної сторони плоскої друкарської антени, не затінює апертуру. Несприйнятність до дії прямих сонячних променів, вітру і дощу гарантує якісну роботу конвертера в складних кліматичних умовах.

Плоска форма і порівняно невеликі габарити антени (наприклад, 65 х 65 см) не порушують естетичного зовнішнього вигляду будівлі і при її установці не вимагають узгодження з архітектурними організаціями.

Впровадження ФАР відкриває нові, зручні для користувача режими роботи (автопошук супутників з подальшим запам'ятовуванням координат і миттєве перемикання на потрібний супутник), що у свою чергу дозволяє використовувати їх в СНТВ, що встановлюються на рухомих об'єктах.

Сьогодні експлуатується ще один вид супутникової антени - сферична супутникова антена. Вона має оригінальну конструкцію: куляста лінза з діелектрика, що фокусує сигнал з супутника на концентричну з фокальною плоскістю (мал. 6.23).

Робота антени аналогічна процесу бачення бічним зором. Адже ми бачимо не тільки те, що знаходиться перед нами, але і в значному секторі як по горизонталі (90...940), так і по вертикалі (70...770).

По конструкції сферична антена нагадує планету Сатурн, на поясі (кільці) якої (фокальна плоскість) укріплено декілька конвертерів. Сферична антена багатосупутникова. Це означає, що на одну таку антену одночасно можна приймати сигнали декількох супутників, що знаходяться на різних позиціях ГСО. При цьому необхідно встановити на кільці сферичної антени конвертери для кожного вибраного супутника.

Одна сферична антена діаметром 1,0...1,5 м може замінити сім-вісім параболічних антен відповідних розмірів, охоплюючи по азимуту сектор до 90...1250 і по куту місця - 40...600.

Слід зазначити, що сферична антена не вимагає позіционера і опорно-поворотных пристроїв (ОПУ).

Експериментальні зразки сферичних антен проводять ряд зарубіжних фірм і російська фірма “Конкур”.

Практична частина

1. Розрахувати, яким буде коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною у випадку, коли N = 9, S = 19 см, r = 11 см, л = 80 см.

Розв'язок:

Коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною розраховується за наступною формулою

І буде мати таке значення:

Відповідь: коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною дорівнює 1,174

2. Визначити, яким буде максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, л=80 см.

Розв'язок:

Максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени визначається за наступною формулою і для таких параметрів матиме наступне значення:

Відповідь: максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени при таких параметрах дорівнює 13,978

3. Визначити кут підйому витка і осьову довжину спіральної антени у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, л=80 см.

Розв'язок:

Кут підйому витка спіральної антени визначається за наступною формулою:

А осьова довжина матиме наступні розміри:

Відповідь:,

4. Визначити вхідний опір спіральної антени у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, л=80 см.

Розв'язок:

Вхідний опір спіральної антени визначається за формулою:

Відповідь: Вхідний опір спіральної антени дорівнює 154 Ома.