Супутникові системи зв'язку

9

Лабораторна робота №4

Супутникові системи зв'язку

Мета роботи

Ознайомитися з сучасними супутниковими системами зв'язку, з технічними можливостями виведення супутника на навколоземну орбіту, а також з його характеристиками; вивчити будову приймальних супутникових антен.

Приймальні 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 площини, 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) (рисунок 4.1). 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 (точка 0) називається вершиною параболи.

Рисунок 4.1. Визначення основних параметрів параболи

Рисунок 4.2. Визначення фокусної відстані

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 раскрыва параболоїда в різних крапках (рисунок 4.2). 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 (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3. Сходження променів у фокусі параболоїда обертання

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. Оптимальним 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 (рисунки 4.4, 4.5). Перший тип антен прийнято називати прямофокусными, 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.

Рисунок 4.6. Пояснення принципу фокусування параболічних антен: а - прамофокусна; б - офсетна.

Принцип роботи (фокусування) прямофокусной (осесиметричною) і офсетною (асиметричною) антен показаний на рисунку 4.6.

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 підсилення параболічної антени можна проаналізувати за допомогою електричної лампочки (рисунок 4.7, а). Світло рівномірно розсівається в навколишній простір, і око спостерігача відчуває певний рівень освітленості, відповідний потужності електролампочки.

Рисунок 4.7. Пояснення значення коефіцієнта підсилення параболічної антени: а - електрична лампочка у вільному просторі; б - електрична лампочка у фокусі антени.

Проте якщо джерело світла помістити у фокус параболоїда з коефіцієнтом посилення 300 разів (рисунок 4.7, б), 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 повинна бути помішана активна антена (опромінювач).

Діаграма спрямованості антени (рисунок 4.8) 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.

Рисунок 4.8. Діаграма спрямованості антени

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 геостационарные 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.

Опорно-поворотні пристрої

Для точної орієнтації параболічної антени на ІСЗ в її конструкції необхідно передбачити поворотні механізми, які дозволяють змінювати положення антени по горизонталі і вертикалі, жорстко фіксувати вибраний напрям.

Стійку антени зварюють із сталевих труб і обов'язково закріплюють на фундаменті. При великому діаметрі параболоїда “вітровий” тиск на його дзеркало може досягати декількох сот кілограм. Для забезпечення стійкості і працездатності антени при швидкості вітру до 25...30 м/с опорна сталева труба повинна мати діаметр 90...100 мм і товщину стінки 4...5 мм (висота труби -- 1,2...2,0 м). Підстава і розкоси для труби краще всього виготовляти із сталевого швелера, ширина полиці якого 40...50 мм. Для виготовлення інших силових елементів конструкції (азимутної втулки, угломісної рами і інших вузлів) доцільно використовувати сталевий уголковый прокат. Нерухомі з'єднання деталей із сталі краще робити електрозварюванням, що зменшить люфти.

Висновок

Розглядаючи дану роботу, ми ознайомилися з сучасними супутниковими системами зв'язку, з технічними можливостями виведення супутника на навколоземну орбіту, а також з його характеристиками; вивчили будову приймальних супутникових антен.