9. 3. Приёмные спутниковые антенны

Из оптики известно, что расходящиеся световые лучи от точечного источника света, помещённого в фокусе вогнутого параболического зеркала, собираются таким зеркалом в пучок параллельных лучей. На этом основано действие прожектора. На основании принципа взаимности известно также, что приходящие параллельные световые лучи на поверхность вогнутого параболического зеркала после отражения от поверхности собираются в точке фокуса.

Аналогично работают и параболические зеркала для радиоволн. Эти зеркала делаются либо из листового металла, либо из металлической сетки. Однако они не могут создать столь высокую направленность, какая получается для световых лучей. Геометрические размеры отражающих зеркал для световых лучей в огромное число раз больше длины волны световых волн, составляющих сотни микрометров. Явление дифракции у краёв зеркала, т.е. огибание границ зеркала световыми волнами практически не наблюдается. Создать параболическое зеркало для радиоволн (пусть даже миллиметровых) с таким же соотношением линейных размеров зеркала к длине радиоволны практически невозможно. На практике размеры параболоида лишь в несколько сотен раз больше длины радиоволны. Поэтому у краёв зеркала наблюдается довольно сильное явление дифракции (т.н. «затекание» радиоволн). Лучи радиоволн огибают края зеркала и расходятся в стороны; поэтому получить достаточно узкую диаграмму направленности (ДН) без боковых и задних лепестков не удаётся. Чем больше соотношение между линейными размерами зеркала и длиной волны, тем меньше влияние дифракции и тем лучше направленность параболической антенны.

Ухудшение направленности на радиочастотах происходит ещё и потому, что фокусом зеркала может быть только одна точка, а излучатель радиоволн, помещённый в фокусе, обычно имеет определённые размеры.

Применяются два основных типа параболических зеркал: параболоид и параболический цилиндр. Зеркало в виде параболоида позволяет создать луч, узкий как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Однако оно очень сложно в изготовлении, т.к. поверхность зеркала не должна отклоняться от поверхности правильного параболоида вращения более чем на 5 % от длины волны.

Гораздо проще по устройству зеркало в виде параболического цилиндра (вернее, в виде вырезки из параболического цилиндра). Такое зеркало создаёт узкую ДН в одной плоскости и широкую – в другой. Разработано достаточно большое количество конструкций параболических цилиндров, применяемых в радиолокации, спутниковом телевидении и радиорелейной связи.

Разработаны также отражатели, выполненные в виде зеркал двойной кривизны: верхняя часть зеркала является параболоидом, а нижняя часть представляет собой плавно сопряжённую с этим параболоидом вырезку из обычного цилиндра. Такие отражатели иногда называются «параболоид-бочка» (рис.9.4).

Рис. 9.4. Профиль параболического отражателя двойной кривизны

Такая конфигурация позволяет сместить облучатель из фокуса вниз по фокальной плоскости, что исключает эффект «тени» от облучателя, а это особенно важно при работе в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Зеркала двойной кривизны широко применяются в спутниковых приёмных антеннах и в радиолокации.

Существуют также конструкции сферических и сферо-параболических зеркал, которые действуют почти так же, как и параболические отражатели, но при определённом расположении облучателя относительно зеркала.

Электромагнитные волны, распространяясь в свободном пространстве, наводят в антенне токи, которые подаются во входные каскады радиоприём­ных устройств. Антенны, предназначенные для приёма телевизионных сигналов от спутников-ретрансляторов, принимают электромагнитные волны СВЧ-диапазона (длина волны 1...3 см) весьма малой мощности, ко­торая практически соизмерима с уровнем мощности естественных шумов и помех. Поэтому такие антенны должны иметь:

- большой коэффициент усиления;

- низкую шумовую температуру;

- остронаправленную (“игольчатую”) диаграмму направленности;

- малый уровень боковых лепестков;

- большую эффективную отражающую поверхность.

Приведенным условиям в полной мере удовлетворяют параболические (зеркальные) антенны, получившие наиболее широкое распространение в спутниковых ТВ-системах.

В соответствии с принципом взаимности такие антенны могут быть как передающими, так и приёмными. В качестве собирающей или отражающей поверхности используется внутренняя по­верхность параболоида вращения.

К наиболее распространенным типам антенн для приема спут­никового телевизионного вещания относятся:

- антенна с передним питанием (осесимметричная) – прямофокусная

(рис.9.5а);

- антенна, с передним питанием (неосесимметричная) - офсет­ная

(рис.9.5б);

- двузеркальная осесимметричная антенна – антенна Кассегрена

(рис.9.5в);

- двузеркальная офсетная (неосесимметричная) – антенна Грегори

(рис.9.5г).

а)

б)

в)

г)

Рис.9.5. Наиболее распространенные типы параболических антенн.

Как видно, наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, – это положение облучателя по от­ношению к основному зеркалу.

Основное зеркало представляет собой параболоид. Для работы в диапазоне СВЧ очень важно качество отражающей поверхности, которая для принимаемых электромагнитных волн должна быть зеркальной. Любая поверхность, способная отражать электромагнитные волны, будет зеркальной для длин волн много больших, чем размер неоднородностей отражающей поверхности. Однако для параболоидной поверхности, принимающей и отражающей электромагнит­ные волны диапазона 10,5..12,5 ГГц, необходимо более высокое качество поверхности, так как влияние неоднородностей здесь ска­зывается дважды - при падении волн на поверхность и при отра­жении их от поверхности. Поэтому размеры неоднородностей не должны превышать λ / 15... λ / 20. Для высоко­качественных антенн требования к поверхности еще более строгие и размер неоднородностей у них не превышает λ / 25. От качества поверхности параболоида, точности его формы зависят ширина диаграммы направленности антенны, её коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и шумовые параметры.

Антенны с передним питанием - прямофокусные, осесимметричные.

Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметричная имеет отражающую зеркальную поверхность параболического типа, в фокусе которой находится облучатель. Параболическая поверхность определяет параметры и качество прямофокусной антенны.

Для максимального использования поверхности параболоида необходимо, чтобы в его раскрыве было рав­номерное по амплитуде распределение электромагнитного поля. Для этого необходимо удалять от поверхности парабо­лоида точечный облучатель, а так как он всегда должен разме­щаться в фокусе, то необходимо увеличивать фокусное расстояние или, по-другому, уменьшать угол раскрыва параболоида. Если угол раскрыва меньше 90°, то фокус находится вне параболоида и с уменьшением угла раскрыва поверхность отражателя “освещается” все равномернее. С другой стороны, при этом увеличивается часть излучаемой облучателем энергии, которая "переливается" за края параболоида и рассеивается в свободном пространстве. В результате появляются боковые и задние лепестки ДН. Рассеивание энергии снижает направленные свойства антенны, а равномерное освещение поверхности па­раболоида повышает коэффициент использования площади рас­крыва. Здесь определенно существует компромисс между длиной фокусного расстояния и площадью раскрыва (апертурой) пара­болоида. Это искомое значение лежит в интервале (0,3...0,4) F/ D (где F – фокусное расстояние, D – диаметр антенны), и коэффициент исполь­зования поверхности раскрыва антенны при этом составляет 0,5...0,7. Для антенн со смещенным облучателем (офсетных) опти­мальное отношение F/ D (D - малая ось эллипса, принимаемая за условный диаметр) лежит в пределах 0,5...0,6. Меньшее значение соответствует антеннам меньшего размера. Приведенное значение данного отношения и есть искомый компромисс между снижением действующей поверхности антенны и потерями энергии за счёт её "перелива".

Двузеркальные осесимметричные антенны (антенны Кассегрена).

Двузеркальные осесимметричные антенны – антенны Кассегре­на – в силу своих достоинств нашли широкое применение в совре­менных спутниковых и наземных передающих станциях. Использу­ются они и для приёма.

Так как поверхность параболоида освещается отражёнными от поверхности контррефлектора электромагнитными волнами, на­правленными на него облучателем, то «освещение» пара­болоида (основного зеркала) будет таким, каким создает его облучатель через контррефлектор (рис.9.6.). Поэтому для «освещения» контррефлектора нужен облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием.

Антенны Кассегрена имеют следующие преимущества перед ан­теннами с передним питанием.

Как известно, для максимального использования площади раскрыва антенны необходимо обеспечить равномерное «освещение» поверхности параболоида, что, как видно из предыдущих суждений, у антенн с передним питанием получить довольно сложно, а у антенн Кассегрена получается относительно просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора таким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модификации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромаг­нитного поля по амплитуде в раскрыве антенны было бы близко к равномерному.

Так как размеры контррефлектора достаточно велики по срав­нению с длиной волны, то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного зеркала и обеспечить тем самым малый её «перелив».

Рис.9.6. Принцип работы антенны Кассегрена:

1 – параболическая поверхность, 2 - контррефлектор, 3 – облучатель.

Поэтому воз­никающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, про­ходимого электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы синфазным.

Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, когда необходимо вести передачи на разных частотах. Это значит, что, если зер­кало антенны необходимо «освещать» поочерёдно различными облучателями, которые имеют разные размеры и конст­рукцию, необходимо менять эти облучатели. У антенн с передним питанием замена облучателя – весьма трудоёмкий процесс, особенно когда антенна уста­новлена на высоте, а у антенн Кассегрена всё получается намного проще. Если, например, имеются несколько типов облу­чателей пригодных для «освещения» одного и того же контррефлектора, то их поочерёдно можно помещать в центр параболоида. В то же время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создаётся единая конструкция (контррефлектор-облучатель, жестко соединённые друг с другом), которую при необ­ходимости можно снять и установить другую, если имеется достаточно большое отверстие в центре отражателя. Отверстие не уменьшает эффективную поверхность антенны, так как эта её часть скрывается контррефлектором.

У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) па­раболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использовать её в различных климатических условиях совместно с обтекате­лем. Обтекатель антенны - это радиопрозрачная пленка или кожух. Он служит для защиты внутренней поверхности параболоида и облучателя от атмосфер­ных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредст­венным передним питанием фокус параболоида удалён от поверх­ности и, следовательно, нужен в этом случае обтекатель гораздо больших размеров.

Неосесимметричные (офсетные) антенны.

У антенн Кассегрена контррефлектор – вспомогательное зеркало, а у прямофокусных (осесимметричных) антенн – облуча­тель и конструктивно связанный с ним малошумящий усилитель-конвертор с узлом крепления закрывают центральную часть основного зеркала, т. е. наиболее важную его область. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих облучатель (при сравнимых их геометрических размерах с длиной волны), и самого облучателя приводит к дополнительному 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 рис.9.7.

Как видно, зеркало в этом случае является усечённым параболо­идом. Такое несимметричное усечение параболоида позволяет значительно снизить теневое влияние облучателя и реакцию зеркала на облучатель за счёт расположения облучателя вне зоны интенсивного поля зеркала. В то же время смещённый в фокальной плоскости 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.

Рис.9.7. Конструкция антенн со смещённым облучателем

1 – основное зеркало, 2 – облучатель.

Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанав­ливать два облучателя-конвертора, располагая их в вертикальной фокальной плоскости. Это даёт возможность вести приём со спутников, нахо­дящихся на соседних позициях геостационарной орбиты. Следует отметить еще одно положительное свойство офсетных антенн, дающее им преимущества перед прямофокусными, и особенно важное для пользователей в северных широтах: офсетные и прямофокусные антенны под разными углами места "смотрят" на ИСЗ. Выпадающий зимой снег и другие осадки накапливают­ся в зеркале прямофокусной антенны и могут быть причиной помех, сильного затухания полезного сигнала 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.

Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно находящихся на геостационарной орбите, предъявляются жёсткие требования к диаграммам направленности как передающих, так и приёмных антенн. Это приводит к необходи­мости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приёмных прямофокусных антенн на классические - офсетные.