6.1. Параболические антенны

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 6.1). Точка F - фокус и линия АВ - директриса. Точка М с координатами х, у - одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.

По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора MF^2 =FK^2+ MK^2. В то же время FK = = х - р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.

Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:

у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (6.1)

По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?

Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 6.2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало парабо

лоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 6.3).

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм - всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Спутниковая антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых

Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.

Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.

Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного

меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.

Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.6.

Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.

Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.

Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 6.7, а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.

Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления 300 раз (рис. 6.7, б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве, в частности, основан принцип работы прожектора.

Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид - это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.

Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности яв-

ляется ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.

Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.

Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение от реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.

Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.

С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.

Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны везде должны касаться поверхности.

Выбор спутникового телевидения – это возможность иметь огромное количество каналов в разрешении HD и SD. В отличие от кабельного телевидения, спутниковое ТВ доступно везде. Нужна лишь спутниковая антенна и декодер. Монтаж и настройка оборудования имеют доступную цену. А если вы хорошо разбираетесь в электронике, то они вообще не затронут ваш бюджет – делайте все самостоятельно. Если вы решились приобрести готовый пакет спутникового ТВ с оборудованием у российских операторов, то знайте – время от времени они предлагают очень привлекательные акции и рассрочку.

Так или иначе, вам необходима информация о том, какие особенности имеют разные спутниковые тарелки, чтобы подобрать свой вариант.

Общие характеристики

Спутниковая антенна для телевизора – это первое звено во всей домашней спутниковой установке. Выбор её модели заслуживает вашего внимания. Правильно подобранная конструкция прослужет свыше десяти лет. Исключением могут стать редкостные атмосферные условия, такие как торнадо и шторм.

При кажущейся внешней схожести, спутниковые антенны имеют массу конструктивных отличий. Не все устройства для приёма связи со спутника имеют круглую форму и направлены прямо к небу. Существуют сложные решетчатые и многовибраторные антенны, которые имеют разную диаграмму направленности. Для которых допускается высокий уровень шума, т.к. они выполняют не менее важные функции, чем приём телевизионных программ.

Как работает спутниковая антенна

Телевизионная антенна спутниковой связи используется для приёма телесигнала с космического спутника. Параметры самой тарелки и её конвертера в большой степени определяют то качество изображения и звука, которое выдаст вам спутниковый декодер на экране вашего телевизора. Рассмотрим принцип их действия.

Уровень сигнала, полученного со спутника на земле очень мал в сравнении с его исходным уровнем: затухание порядка 200 дБ. Это и понятно: расстояние, которое отделяет землю от спутника, составляет около 36000 км. Получить сигнал такой силы, чтобы смотреть программы, можно, только если максимально его сконцентрировать. Именно эту функцию выполняет спутниковый волновой приёмник, который является изогнутой поверхностью, называемой в просторечие тарелкой.

Волны, посылаемые спутником на землю, отражаются внутренней поверхностью антенны, подчиняясь законам оптики, и сосредоточиваются в точке, называемой фокусом. В этой точке расположена приёмная головка преобразователя, устройства для конвертации высокочастотных колебаний в кабельный сигнал.

Какие бывают спутниковые антенны

Со времён открытия спутниковой связи было создано немало разновидностей волновых приёмников для приёма и передачи сигнала. Каждый из видов нашёл своё наземное применение в зависимости от назначения системы спутниковой связи:

• мобильная связь;
• спутниковая телефония и радиовещание;
• навигация через орбитальную связь;
• интернет;
• метеорология;
• связь с космическими аппаратами;
• телевидение.

Обычным телезрителям в большей мере знакомы устройства зеркального типа (офсетные). Наиболее известное семейство спутниковых антенн, которое представлено в магазинах. Они разнятся формой отражателя, различны по диаметрам, имеют разный коэффициент использования поверхности и принимают в разных диапазонах.

Офсетная

У этой антенны для спутникового ТВ отражающая чаша имеет форму эллипсоида. Радиоволны от спутников, которые отбиваются от рабочего зеркала, концентрируются не в геометрическом центре фигуры, а в её нижнем фокусе. Тарелка с нижним фокусом не нуждается в большом угле подъёма. Такая конструкция зеркала в офсетных спутниковых антеннах позволила добиться более устойчивого приёма, т.к. преобразователь сигнала не отбрасывает тень на поверхность чаши и не вызывает шумов.

Прямофокусная

Этот тип волнового приёмника имеет рабочую зеркальную поверхность в форме сплюснутого параболоида. Такая симметричная геометрия рефлектора позволяет достичь хорошего улавливания радиоволн, поступающих на его поверхность, и максимального перенаправления их на преобразователь. Он крепится на консолях-держателях непосредственно над центральной точкой тарелки.

Тороидальная

Тороидальная тарелка – разновидность многолучевых антенн – это прогрессивное решение, пришедшее на смену зеркалам на поворотных механизмах. Образно выражаясь, – это не просто «тарелка», а целый сервиз, состоящий из большого блюда, блюдца и нескольких чашек-конвертеров. У этой модели два рефлектора (отражателя) и это огромное преимущество для приёма ТВ с разных спутников. До того, как радиоволны попадут на приёмную поверхность преобразующей головки, они дважды подвергнутся отражению: первично попадая на большое зеркало, а от него преломляясь на малое, где фокусируются на нужном преобразователе.

Производители тороидальных антенн гарантируют их комплектацию конвертерами в количестве до шестнадцати штук. Это открывает очень большие возможности для зрителя: перенаведение такого устройства на работу с сигналом от разных спутников теперь можно осуществить, не вставая из своего кресла перед телевизором.

ФАР

Фазированные антенные решётки – в действительности малоприменимый класс спутникового оборудования. Были популярны в 90-х годах прошлого столетия, чему обязаны фирме Nokia. Имея перечень ограничений, узкополосность, трудоёмкость производства, а отсюда –высокую стоимость, ФАР не используются активно потребителями телеоборудования.

На базе использования управляемых ФАР проводятся разработки подвижных и портативных приёмников спутниковой связи.

Антенны бегущей волны

Это приёмное устройство направленного типа. Сигнал в нём распространяется в виде бегущей волны вдоль геометрической оси конструкции. По своему строению – это собирательная линия, на которой закреплены несколько равноудалённых друг от друга вибраторов. Такая антенна является широкополосной (VHF и UHF волны) и не требует настройки. Распространена у метеорологов и в любительской радиосвязи.

Слабонаправленные антенны

Слабонаправленные волновые приёмники нашли своё применение в тех местах спутникового приёма, где отсутствует возможность постоянно перенаправлять положение приёмного устройства. Антенна дает многошума из за широкой диаграммы направленности. Но для захвата ретранслируемых волн с низкоорбитальных спутников это не критично.

Как выбрать спутниковую антенну

Большинство антенн спутникового телевидения выглядит очень похоже. Особой популярностью пользуются современные тарелки офсетного типа (конвертер находится не в центре купола, а внизу). Отражатели имеют диаметр от 45 до 120 см. Их важным элементом является преобразователь – устройство в передней части тарелки, которое собирает и усиливает отражённый сигнал, доставляя его к спутниковому ресиверу.

Выбирая спутниковую антенну, необходимо в первую очередь учитывать место её установки. Она должна «смотреть» в южную сторону неба, не сталкиваясь с препятствиями. Ими могут быть стена, дымоход, холм, и даже дерево. В связи с этим лучшим местом для антенны будет крыша. Чем сложнее местность, тем больший диаметр антенны необходимо выбирать. Небольшие рефлекторы лучше всего подходят для установки на высоких строениях, так как крупные тарелки на большой высоте более подвержены ветровым нагрузкам.

Что нужно знать перед покупкой

Перед покупкой поинтересуйтесь, что входит в комплект оборудования спутникового волнового приёмника:

• материалом тарелки (пластик, сталь, алюминий);
• жёсткостью этого материала (его толщиной);
• качеством отражающего покрытия;
• количеством и способом фиксации конвертеров;
• качеством и прочностью рамы;
• коррозионной стойкостью рамы, хомутов и оборудования.

Материал изготовления

То, из чего состоит спутниковая антенна, а именно конструктивный материал, по сути, не имеет никакого влияния на качество принимаемого сигнала. Главное чтобы он выполнял свою отражающую функцию. Но есть другой важный критерий: спутниковые антенны всегда устанавливаются на открытом воздухе, а значит должны быть стойкими к воздействию различных внешних факторов.

Покрытие тарелки призвано эффективно защищать её от коррозии и в этом плане хорошо зарекомендовали себя антенны из алюминия, они составляют большинство выпускаемых моделей. Но есть у них один незначительный и вполне устраняемый недостаток – определённая мягкость. Порыв сильного ветра способен сорвать чашу антенны с креплений: саморезы, которые идут в комплекте крепежа, могут быть вырваны сквозь мягкий металл и ваша спутниковая тарелка вполне может стать «летающей». Со стороны это может выглядеть комично (летит НЛО), но на деле – опасно, ведь устройство устанавливается на высоте и неизвестно где случится приземление.

Несмотря на это, мы рекомендуем алюминиевые тарелки, но с жёстким креплением. Вы сможете упрочнить крепление самостоятельно, используя в нём более сильные винты и крупные шайбы. Спутниковая тарелка из алюминия даже по истечении нескольких лет будет выглядеть как новая, но обойдётся вам дороже.

Более экономичный вариант – антенна из стали. Сомневаться в её прочности не приходится, срок её эксплуатации – более 10 лет. Если вам покажется этого мало, то не забывайте о том, что прогресс неудержим, и за это время технологии однозначно шагнут вперёд, как это происходит со сжатием информации. Но, покупая стальную тарелку, поинтересуйтесь её защитным покрытием, если оно некачественное – она может заржаветь.

Пластиковые тарелки с металлическим напылением – инновация на рынке спутникового ТВ-оборудования. Вездесущий пластик проник и сюда. Хорошо это или плохо – покажет время. По некоторым наблюдениям – цена этих антенн достаточно высока, а производительность хуже, чем у алюминиевых тарелок, о долговечности говорить не приходится. Так что ничего интересного, кроме лёгкого монтажа.

В районах, где дуют частые и сильные ветры, где установка проводится на большой высоте, рекомендована антенна из перфорированного металла. Эффект «сита» помогает снизить парусность антенны.

Почему размер имеет значение

Залог беспроблемного приёма ТВ со спутника – покупка оборудования высокого качества, его правильный монтаж и подбор оптимального размера самой тарелки. Именно с этим, последним пунктом, часто возникают хлопоты. Некоторые телезрители так заботятся об эстетике, что сразу «отметают» решение о большой антенне, а ведь часто именно диаметр антенны является определяющим критерием в зонах с проблемным приёмом сигнала. Чем больше антенна, тем лучше она захватывает сигнал, например, в случае непогоды. Тарелка с диаметром 60 см хоть и выглядит компактно, но не гарантирует отсутствия перебоев с сигналом. Оптимальное решение для стабильного приёма каналов со спутника, если вы располагаете местом – это установить спутниковую антенну с диаметром 80-90 см.

• стационарная антенна для приёма каналов с одного спутника – диаметр от 55 см до 80 см;
• антенна с одним или большим количеством конвертеров для приёма сигнала с нескольких спутников – диаметр от 80 см до 105 см или больше. Все зависит от того, сколько конвертеров вы планируете установить (один конвертер – один спутник). Если больше, чем два, лучше купить антенну диаметром 90 см;
• тарелка поворотная – диаметр в диапазоне от 80 см до 140 см. Поворотный механизм не является востребованным вариантом.

Достоинства и недостатки

Если сравнивать между собой два самых востребованных типа телевизионных спутниковых приёмников – с прямым фокусом и со смещённым, то картина будет следующей.

Параболоидные зеркала с прямым фокусом выпускаются с большей окружностью, чтобы уменьшить помехи от преобразователя. Эти антенны будут полезны тем, кому необходим сильный сигнал, к тому же они отличаются широкополосностью. Но их главный минус кроется в сложности монтажа, который затрудняется громоздкостью тарелки, и требованиями к её размещению. В прямофокусной тарелке неминуемо будут оседать и накапливаться осадки, т.к. она «смотрит» на линию небосклона под тупым углом. Они перекрывают отражающую поверхность, блокируя сигнал, и вызывают её коррозию, пагубно сказывающуюся на рабочей поверхности. Снежной зимой вам придётся часто очищать чашу антенны.

У офсетных тарелок целый ряд плюсов:

• они компактнее, но на качестве сигнала это отражается незначительно;
• их проще устанавливать;
• положение их фиксации препятствует скоплению осадков;
• имеют возможность подключения добавочного конвертера.

Небольшое неудобство составляет периодическая очистка конвертера офсетной тарелки от замёрзших осадков, т.к. его приёмная поверхность обращена к небу. Это может затруднять работу устройства зимой.

Принцип действия параболической антенны

Параболическая антенна используется для создания остронаправленного излучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз превышают рабочую длину волны. Антенна состоит из металлического зеркала (рефлектора) параболической формы и облучателя, расположенного в ее фокусе. В работе исследуется антенна с зеркалом в виде параболоида вращения (рисунок 1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром 2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностью зеркала - его вершиной. Расстояние f от вершины зеркала до фокуса F называется фокусным расстоянием. На следующем рисунке показан ход лучей в параболической антенне.

Рисунок 1 - Схема параболической антенны.

Рисунок 2 - Ход лучей в параболической антенне.

Выбор геометрических размеров параболического зеркала

Для расчета диаметра раскрыва зеркала воспользуемся формулой из радиолокации:

Все значения нам известны, тогда выражаем из формулы G - коэффициент усиления антенны:

Зная, что G=Д ?a, где Д - коэффициент направленного действия антенны (положив?a=1 - КПД), G=Д.

В результате Д=7127.

Где S - геометрический размер раскрыва зеркала (S=?r2); ? - коэффициент использования зеркала, который показывает насколько эффективно используется вся поверхность зеркала, обычно составляет 0.64?0.65 (0.7).

Диаметр раскрыва зеркала является функцией требующейся ширины диаграммы направленности, а также несколько зависит от амплитудной и фазовой характеристики в раскрыве зеркала. Закон распределения амплитуд поля вдоль поверхности раскрыва зеркала определяется диаграммой излучения облучателя, если пренебречь потерями при отражении от зеркала. Для большинства применяющихся облучателей распределение амплитуд в одной из плоскостей (горизонтальной или вертикальной) вдоль раскрыва зеркала можно с достаточной точностью апроксимировать законом (1-x2) p, где х - координата, откладываемая от оси антенны; р = 0,1,2,3 - некоторое целое число.

Проведем расчет радиуса выпуклой части зеркала. Для этого строится график функции радиуса раскрыва от расстояния у(x) =(4f·x) 0.5, где f- расстояние до фокуса. В результате получен график представленный на рисунке 12.

Рисунок 3 - Зависимость радиуса раскрыва от расстояния.

Радиус параболической части зеркала равен 0.9м. В результате полностью определены геометрические размеры зеркала.

Выбор облучателя, и его расчет

Для дальнейших расчетов требуется выбрать облучатель который бы удовлетворял данной антенне. Одной из важных частей параболической антенны является первичный облучатель, помещаемый в фокусе зеркала. В идеале к нему предъявляются следующие требования: 1) облучатель не должен излучать энергию в направлении, противоположном направлению на зеркало, так как это излучение не фокусируется зеркалом и поэтому искажает основную диаграмму направленности; 2) диаграмма облучателя должна обеспечивать равномерное облучение зеркала и получение таким образом максимального коэффициента направленного действия; 3) диаграмма облучателя должна быть такой, чтобы фаза поля в раскрыве зеркала была постоянной. Облучатель, вполне удовлетворяющий этим требованиям, практически не существует. При конструировании параболических антенн используют облучатели в виде полуволнового вибратора, открытого конца волновода, рупора и щели, хотя они только частично удовлетворяют перечисленным требованиям.

Рассмотрим подробнее некоторые типы облучателей.

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 6.1). Точка F - фокус и линия АВ - директриса. Точка М с координатами х, у - одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.

По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора MF^2 =FK^2+ MK^2. В то же время FK = = х - р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.

Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:

у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (6.1)

По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?

Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 6.2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 6.3).

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм - всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Спутниковая антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках.

Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.

Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.

Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.

Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.6.

Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.

Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.

Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 6.7, а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.

Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления 300 раз (рис. 6.7, б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве, в частности, основан принцип работы прожектора.

Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид - это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.

Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности является ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.

Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.

Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение от реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.

Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.

С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.

Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны везде должны касаться поверхности.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

(СВЧ и КР)

Лабораторная работа по курсу «Антенны»

«Исследование ДН параболической антенны»

Проверил: Выполнили ст.гр.121-2:

Фатеев А.В.______ Якушенко Ю.В._______

Ермолова М.И._______

Калугин П.С.________

Введение

Целью данной работы является: измерение ДН параболической антенны в дальней, зоне, измерения диаграммы направленности параболической антенны в ближней зоне для облучателя, вынесенного из фокуса зеркала, измерение поляризационной диаграммы антенны.

1 Описание экспериментальной установки

Структурная схема установки представлена на рисунке 1.1.

1 – блок P2M; 2 – передающая рупорная антенна; 3 – принимающая параболическая антенна; 4 – детектор; 5 – блок P2M

Рисунок 1.1 – Структурная схема экспериментальной установки.

2 Основные расчетные формулы

ДН параболической антенны рассчитывается по формуле:

где - функция Бесселя;

–волновое число, – длина волны;

см – радиус зеркала;

–угол между нормалью к раскрыву и направлением на точку пространства, где определяется поле.

Длина волны рассчитывается по формуле:

λ =4 см ;

Расстояние до дальней зоны рассчитаем по формуле:

D – диаметр параболоида, – длина волны.

Для измерения ДН в ближней зоне параболическую антенну устанавливаем от передающей на расстоянии , которое рассчитывается по формуле:

где – расстояние между передающей и приемной антеннами;

–величина выноса фазового центра облучателя;

–фокусное расстояние;

–диаметр зеркала.

3 Результаты работы и их анализ

Воспользуемся формулой (2.2) и (2.3) и определим минимальный радиус дальней зоны.

По формуле (2.4) рассчитаем R опт :

Воспользуемся формулой (2.1), построим ДН параболической антенны и определим ширину диаграммы направленности по уровню 0,5 от максимального значения. ДН параболической антенны представлена на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – ДН параболической антенны

Ширина диаграммы направленности равна 7,68 градусов.

Диаграммы направленности, полученные экспериментальным путем для вертикальной и горизонтальной поляризации передающей антенны, представлены на рисунке 3.2 и 3.3 соответственно. Фокус зеркала совмещен с фазовым центром облучателя (f =22 см ). Расстояние между антеннами 8 м . Для вертикальной поляризации антенны ширина ДН равна 5,5 градусам, а для горизонтальной 10 градусов.

Рисунок 3.2 – ДН для вертикальной поляризации

Рисунок 3.3 – ДН для горизонтальной поляризации

Сместим облучатель из фокуса вдоль оси зеркала на расстояние  = 3 см и снимем ДН параболической антенны в дальней зоне при вертикальной поляризации облучателя, полученная ДН представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – ДН для вертикальной поляризации параболической антенны со смещенным фокусом

Совместить с фокусом зеркала фазовый центр облучателя и повернем облучатель на угол 6° от оси зеркала. Полученная ДН для вертикальной поляризации представлена на рисунке 3.5. Ширина ДН равна 10 градусам.

Рисунок 3.5 – ДН для вертикальной поляризации с углом отклонения облучателя на 6 градусов

Поставим облучатель параболической антенны в фокус и, вращая передающую рупорную антенну, снимем поляризационную диаграмму параболической антенны. Измерения проводим через 20°, полученная поляризационная диаграмма представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Поляризационная диаграмма

Установим передающую рупорную антенну на расстояние = 2 м и снимем ДН параболической антенны для вертикальной поляризации при облучателе, находящимся в фокусе. Полученная ДН представлена на рисунке 3.7. Ширина ДН равна 9 градусам.

Рисунок 3.7 – ДН для вертикальной поляризации при R опт =2 м

Сместим облучатель параболической антенны из фокуса на расстояние  = 3 см и снимем ДН. При этом передающая антенна должна находиться на расстоянии . Полученная ДН при вертикальной поляризации представленная на рисунке 3.8. Ширина диаграммы направленности равна 8 градусам.

Рисунок 3.8 – ДН для вертикальной поляризации при смещенном фокусе

Рисунок 3.9 – ДН для вертикальной поляризации при несмещенном фокусе в дальней зоне

Заключение

В ходе лабораторной работы были измерены диаграммы направленности параболической антенны в ближней и дальней зонах, а также поляризационная диаграмма.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при отклонения облучателя на определенный угол, максимум диаграммы смещается в сторону отклонения облучателя. При вынесение облучателя из фокуса ширина ДН сужается.

При смещении облучателя из фокуса вдоль оси зеркала на поверхности раскрыва возникают фазовые искажения, симметричные относительно вершины зеркала, что расширяет главный лепесток диаграммы направленности, чтобы компенсировать фазовые ошибки в раскрыве выносим облучатель из фокуса в ближней зоне, диаграмма направленности при этом получается такой же как если бы облучатель находился в фокусе, а приемная антенна в дальней зоне.