Рисунок 10.3 - Принцип действия прямофокусной и офсетной антенн
Спутниковые антенны бывают нескольких типов в зависимости от области их применения: плоские, параболические, сферические, микрополосковые, рупорные. Одними из самых распространенных и часто применяемых антенн являются параболические антенны, к которым относятся прямофокусная, офсетная и сферическая антенны. Внешний вид и принцип их действия иллюстрируется на рисунке 10.3.
В соответствии с законами геометрической оптики плоская электромагнитная волна, распространяющаяся перпендикулярно раскрыву антенны, после отражения от параболоидной поверхности (зеркала) попадет в фокус параболоида (рис. 10.4). В фокусе устанавливается конический рупорный облучатель, совмещенный с поляризатором, к которым, в свою очередь, крепится конвертор.
По своим электрическим параметрам параболоидное зеркало во многом превосходит альтернативные типы антенн.
Одной из основных электрических характеристик любой антенны является коэффициент усиления G, пропорциональный эффективной площади антенны. Эффективная площадь (или диаметр антенны) зависит от мощности приходящей электромагнитной волны, измеряемой в децибелах (дБ) или ваттах (Вт).
Параболические зеркала имеют широкий угол раскрыва и принципиально достижимый высокий коэффициент использования поверхности (0.4-0.7). Это обеспечивает высокий коэффициент усиления при умеренных размерах антенны. Коэффициент использования поверхности параболоидных зеркал определяется многими факторами - затенением зеркала облучателем, неточностью профиля зеркала, несовпадением облучателя с фокусом, неравномерностью распределения поля в раскрыве зеркала и рядом других. Действие этих факторов зависит от исполнения, размеров и конкретной формы антенны.
Параболоидные зеркала различаются, в частности, по величине отношения фокусного расстояния к диаметру раскрыва (f/D). К длиннофокусным относятся антенны с отношением f/D больше 0.5, а к короткофокусным - с отношением f/D менее 0.3. Фокусное расстояние, в свою очередь, связано с глубиной зеркала - чем ближе фокус, тем оно глубже.
Глубина зеркала заметно влияет на электрические параметры антенны. Мелкие зеркала облучаются более равномерно, чем глубокие, что позволяет получить более высокий коэффициент усиления. С другой стороны, широкий раскрыв антенны приводит к увеличению уровня шума.
Короткофокусные антенны находят широкое применение в радиорелейных линиях, где первостепенное значение приобретает вопрос отстройки от помех. Их также удобно использовать в передвижных системах приема.
Для приема телевизионных спутниковых трансляций больше подходят длиннофокусные зеркала. Однако они требуют более точного расчета и настройки облучателя, поэтому, в основном, они производятся для профессионального приема (рис. 10.5), а в бытовых системах чаще используются антенны с отношением f/D порядка 0.3-0.5 дБ.
К достоинствам параболических антенн следует отнести их широкополосность. Еще одно несомненное достоинство параболических антенн - способность принимать сигналы любой поляризации. Разделение поляризаций, как правило, не сопряжено с потерями мощности. В спутниковых сетях это дает возможность использовать одну частоту дважды.
Недостатками этого типа антенн являются большое количество механических частей и подверженность действию атмосферных факторов. Воздействие ветра может исказить форму зеркала и понизить коэффициент использования поверхности. Это налагает серьезные требования к жесткости конструкции зеркала и опорно-поворотного устройства. На качество приема могут оказать влияние неравномерный обогрев антенны солнечными лучами, коррозия материала и ряд других факторов. Это особенно ощутимо для профессиональных антенн больших диаметров. Серьезной проблемой может стать накопление снега или воды на поверхности зеркала.
Проблема накопления осадков на зеркале может быть решена использованием офсетных зеркал, представляющих собой верхний сегмент параболоида (рис. 10.6). В северных широтах они располагаются практически перпендикулярно земле, и осадки в них тоже почти не накапливается.
Основным же преимуществом офсетных антенн является меньшее затенение поверхности зеркала облучателем и, как следствие, больший коэффициент использования поверхности (0.6-0.8). Выигрыш особенно ощутим для антенн с небольшим диаметром (рис. 10.7). Поле в раскрыве офсетной антенны имеет более сложную структуру, чем в раскрыве прямофокусной, что усложняет конструкцию облучателя. В большинстве случаев электрические параметры офсетных антенн несколько хуже, чем у прямофокусных. Однако длиннофокусные офсетные антенны при скрупулезном расчете облучателя могут иметь очень хорошие электрические параметры и использоваться в профессиональных системах.
Парусность конструкции может быть снижена за счет использования сетчатых или перфорированных антенн.
Прием с разных спутниковых позиций в общем случае требует переориентации параболической антенны. По теории зеркальных антенн сектор углов вокруг фокуса, в котором можно принимать сигнал без существенного снижения коэффициента усиления, составляет +30. Именно на такой угол могут различаться спутниковые позиции, с которых можно вести прием на фиксированную антенну без потери уровня сигнала. При большем разнесении позиций необходим поворот зеркала, что приводит к удорожанию подвески.
Задачу многоспутникового приема без механического поворота зеркала можно решить, используя сферические или сферопараболические зеркала. В таких конструкциях облучатель располагается на дуге радиусом r, центр которой совпадает с центром окружности R (рис. 10.8).
Дуга называется фокальной линией. Если выбрать r более 0.56R, то волна, отраженная от зеркала, будет близка к плоской. Такие антенны находят применение в системах автоматического слежения за объектом (рис. 10.9). В них используются облучатели, передвигающиеся по фокальной линии, что дает возможность сканирования в широком секторе углов. Аналогичная конструкция может использоваться и для многопозиционного спутникового приема. Только вместо одного подвижного конвертора на фокальной плоскости устанавливаются несколько неподвижных, ориентированных на разные спутниковые позиции.
Сферические зеркала уступают параболическим в точности фокусировки и по ряду других электрических параметров. Однако, в некоторых случаях, они могли бы явиться удобной заменой целому парку неподвижных параболических антенн.
Какая антенна лучше - офсетная или прямофокусная? Каждая антенна хороша для своего применения.
Офсетные антенны характеризуются удобством установки вдоль стены дома. Для них требуется меньший вынос от стены, кроме того, на них не задерживается снег, облучатель не загораживает поверхность зеркала. Размер офсетной антенны оптимален до 1,5-1,8 м.
Прямофокусные антенны имеют хорошие характеристики от 1,5 м, т.к. при таком размере антенны облучатель уже перестает "затенять" поверхность зеркала. У прямофокусной антенны электромагнитное пятно на облучателе не имеет искажений, отраженная электромагнитная волна от любой точки антенны приходит в одной фазе к облучателю. Параболические прямофокусные антенны - это антенны, используемые для профессионального приема.
Ниже приведены примерные соответствия между уровнями сигнала и размерами тарелок:
50 дБ - 60 см
47 дБ - 90 см
42 дБ - 120 см