Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое спутниковые антенны, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое спутниковые антенны, спутниковая антенна , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Телевидение. Теория. Спутниковое.
спутниковая антенна , также антенна спутниковой связи, — это антенна, используемая для приема и (или) передачи радиосигналов между земными станциями спутниковой связи и искусственными спутниками Земли, в более узком значении — антенна, используемая при организации связи между земными станциями с ретрансляцией через спутники. В спутниковой связи используются различные типы антенн, самый известный — зеркальные параболические антенны («спутниковые тарелки», англ. Satellite Dish), массово применяемые в различных областях, от спутникового ТВ и сетей VSAT до центров космической связи. Активно развивается применение для спутниковой связи фазированных антенных решеток, позволяющих осуществлять скоростное наведение антенны на спутник исключительно электронными методами. Распространены слабонаправленные спутниковые антенны , не требующие никакого наведения, как внешние, так и встраиваемые в приемники сигналов спутниковой навигации, спутниковые телефоны и другое оборудование. В зависимости от назначения системы спутниковой связи могут применяться и другие типы антенн.
Практически все антенны, которые используются в индивидуальных установках — это параболические зеркальные антенны, выполненные по однозеркальной схеме. Зеркальная антенна — это система из одного или нескольких металлических зеркал. При прочих одинаковых характеристиках зеркальные антенны оказались самыми дешевыми и технологичными. Поверхность зеркала представляет собой вырезку из параболоида вращения — тела, образованного вращением кривой y=x2/4F (параболы) вокруг оси OY. Такое зеркало концентрирует в точке (0; F) энергию радиоволн, если они приходят с направления, совпадающего с направлением оси OY.
Фиксированная антенна наводится на один спутник и жестко фиксируется, в процессе эксплуатации она остается неподвижной. В общем случае на такую антенну принимаются сигналы единственного спутника, хотя, при соблюдении некоторых условий можно принимать сигналы еще одного-двух соседних спутников. Подвижная антенна (полярная подвеска) оборудуется двигателем, и ее можно поворачивать, наводя на разные спутники. 
С одной стороны, такая антенна обладает большими возможностями. С другой стороны, в приемной установке с подвижной антенной, кроме механического узла — полярной подвески, — требуется еще специальный двигатель (актюатор) и устройство, которое обеспечивает автоматическое наведение антенны (позиционер). Система получается более дорогой, более сложной в настройке и, к сожалению, менее надежной из-за наличия электромеханических узлов.
На самом деле, деление антенн на «полярные» и «фиксированные» весьма условно. Для антенн от 60 см до 1.2 м производятся так называемые «мотоподвесы» — устройства, сочетающие в себе полярную подвеску и двигатель с редуктором (например, Jaeger SMR-90U), а иногда еще и позиционер (Sat-Control SM3D12). С их помощью фиксированную антенну можно легко превратить в подвижную. Антенна снимается со штатного кронштейна, на ее место устанавливается «моторизованный подвес», и уже на вал «подвеса» ставится та же самая антенна — теперь она «полярная». 
Антенны большего диаметра, как правило, выпускаются в двух версиях — с фиксированной или полярной подвеской. Это, например, отечественные антенны марки «Супрал» диаметром 1.65м 1.8 м, 2.0 м и 2.4 м. Если Вы приобрели такую антенну в фиксированной версии, то переделка ее в полярную может оказаться проблемой, потребуется не добавить, а заменить часть деталей подвески. С другой стороны, антенну в полярной версии всегда можно использовать в качестве фиксированной. Вместо актюатора (электропривода с телескопическим штоком-толкателем) устанавливается самодельная штанга — отрезок трубы или уголка с двумя отверстиями на концах. После этого антенна настраивается на один спутник, как фиксированная. Когда у владельца появятся деньги и желание, вместо штанги он может поставить актюатор, подключить его через позиционер к ресиверу и настроить антенну, как полярную, для приема множества спутников.
Настройка фиксированной антенны предполагает поворот в двух плоскостях, по азимуту и углу места, поэтому некоторые продавцы и пользователи называют фиксированные антенны «антеннами с азимутально-угломестной подвеской» или попросту «азимуталками», в отличие от антенн с полярной подвеской («полярок»). Тут может возникнуть путаница. Существует третий вид подвески для подвижных антенн — подвески типа «азимут-угол места». Антенны с такими подвесками оборудуются двумя двигателями, один поворачивает антенну в горизонтальной плоскости (по азимуту), другой — в вертикальной плоскости (по углу места). Такие антенны еще более сложны в управлении и дороги, поэтому в индивидуальных приемных системах они не используются. Их можно встретить в профессиональных системах для приема сигналов со спутников, находящихся на наклонных орбитах. Это старые спутники, которые выработали свой ресурс и уже не могут точно удерживаться на геостационарной орбите. Такой спутник начинает выписывать в небе «восьмерку», размер которой со временем увеличивается. Чтобы качественно принять сигнал «болтающегося» спутника, необходимо круглосуточно подстраивать антенну, следя за его перемещениями. Для управления антенной с подвеской «азимут-угол места» используется не позиционер, а более сложное устройство — следящая система.
Зеркальные параболические антенны бывают прямофокусные (Prime Focus) и офсетные (Offset). Прямофокусные антенны называют также осесимметричными. Зеркало прямофокусной антенны — параболоид вращения, антенна круглая, ее геометрическая ось совпадает с электрической осью. На этой же оси и размещается конвертер, который, как правило, крепится к краям рефлектора с помощью трех или четырех стоек. Офсетная антенна представляет собой вырезку из параболоида. Как правило, вырезка образуется пересечением параболоида и цилиндра, оси которых параллельны. Таким образом, зеркало офсетной антенны имеет форму эллипса, а направление электрической оси антенны отличается от направления геометрической оси зеркала на некоторый угол. Как правило, электрическая ось на 20...30 градусов выше геометрической оси.
И те, и другие антенны имеют свои достоинства и недостатки. У прямофокусной антенны более эффективно используется площадь зеркала. Офсетная антенна имеет такую же эффективную площадь, как прямофокусная антенна с диаметром, равным размеру офсетной антенны по меньшей оси. Другими словами, чтобы получить эффективную площадь офсетной антенны, надо умножить ее физическую площадь на косинус угла между электрической и геометрической осями. У типичных антенн физическая площадь используется на 86-90%. С другой стороны, у прямофокусной антенны часть поверхности заслоняется конвертером и элементами его крепления, а у офсетной антенны — нет. Поэтому антенны малого диаметра, до 1,5 метра, у которых конвертер может заслонить часть площади больше 10%, делают, как правило, офсетными, а антенны больших размеров чаще бывают прямофокусными.
Прямофокусная антенна всегда поднята на некоторый положительный угол, поэтому представляет собой «чашу», в которой могут скапливаться осадки — дождь, снег, лед. Офсетные антенны в наших северных широтах устанавливаются почти вертикально, а то и вообще «смотрят вниз» — поэтому они лишены такого недостатка. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . С другой стороны, на прямофокусной антенне вниз «сморит» конвертер, поэтому можно смело использовать облучатель с негерметичной крышкой или вовсе без крышки, вода и снег не попадут внутрь. На офсетной антенне конвертер «смотрит» вверх, поэтому он должен быть герметичным, иначе вода попадет внутрь и может испортить электронику конвертера. Кроме воды и ветра, конвертор, и другие составные части спутниковой системы, могут испортить частые перебои электричества. Этот вопрос легко решаем, достаточно купить газогенератор для бесперебойного питания приемного оборудования.
Есть еще одна особенность использования офсетных антенн большого диаметра в северных широтах — их не всегда можно опустить на достаточно малый угол места. Например, если угол места спутника равен 5 градусам, зеркало антенны надо направить на 15-25 градусов ниже горизонта. Офсетные антенны больших диаметров, которые устанавливаются на вертикальной стойке, например, «Супрал» 1.8 м или 2. 4 м, нельзя опустить на угол менее 11-12 градусов, нижний край антенны упирается в стойку. Можно выйти из положения, перевернув зеркало антенны вместе с креплением облучателя на 180 градусов, тогда электрическая ось окажется на 25-27 градусов ниже геометрической, и антенну надо будет направлять выше спутника. Однако для этого требуется серьезная доработка деталей крепления.
Зеркало небольших антенн, как правило, цельное. Большие антенны бывают как цельными, так и сборными, состоящими из нескольких сегментов или секторов («лепестков»). Сборные антенны легче перевозить и монтировать. Принято считать, что цельные антенны работают лучше сборных. Это не совсем верно, на самом деле все зависит от качества антенны. Например, популярная в России сборная антенна фирмы Patriot (США) диаметром 3.1 м, рабочая поверхность которой состоит из 8-ми секторов, замечательно работает как в С, так и в Ки диапазоне. А другие распространенные антенны, марки JONSA (Тайвань) диаметром 2.4 м, собираются из 6-ти сегментов и работают только в диапазоне С, в диапазоне Ки усиление у них примерно такое же, как у цельной антенны той же фирмы диаметром 1.8 м.
Качество работы таких сборных антенн, как правило, зависит от качества сборки. Можно существенно повысить усиление антенны, особенно в Ки диапазоне, если перед сборкой удалить заусенцы на краях лепестков, а во время сборки следить за тем, чтобы на стыках лепестков не образовывались «ступеньки». Затягивать болтовые соединения лучше всего, когда антенна лежит «лицом вниз» на ровной поверхности или «смотрит» вертикально вверх, в зенит. В таких положениях механические напряжения, создаваемые весом антенны, распределяются равномерно между всеми соединениями. Если собирать антенну в вертикальном или наклонном положении, намного больше вероятность, что она окажется «кривой», перекошенной.
В качестве материала для поверхности зеркала может быть использован как сплошной металлический лист, так и проволочная сетка. Сетчатые антенны легче по весу и дешевле, чем сплошные того же диаметра, но у них есть и ряд недостатков. В диапазоне С они работают хорошо, а вот в диапазоне Ки их усиление примерно эквивалентно усилению сплошной антенны вдвое меньшего размера. Бытует мнение, что причина тому — дырки в сетке, через которые якобы «утекает» сигнал. На самом деле дырки ни при чем. Дело в том, что сетка мягкая и в промежутках между элементами жесткости антенны она натягивается, стремясь принять плоскую форму. В результате поверхность сетчатой антенны является не параболоидом, а набором плоских сегментов, лишь примерно приближенным к параболоиду. Один из законов радиотехники гласит, что поверхность можно считать ровной, если средние размеры неровностей не превышают четверти длины волны. В диапазоне Ки длина волны равна 2.5 см, поэтому допустимое отклонение поверхности от параболоида составляет примерно 6мм. В диапазоне С волна втрое длиннее — 7.5 см, и размеры неровностей могут достигать 19 см.
В качестве достоинства сетчатых антенн часто упоминают меньшую парусность. Действительно, ветер, воздействуя на сетчатую антенну, создает меньшую нагрузку на опорную конструкцию, чем при воздействии на сплошную антенну того же размера. Однако антенна, как правило, крепится к стене или крыше — это довольно прочные конструкции, способные выдержать и не такие нагрузки. А вот прочность самой антенны у сетчатых антенн намного ниже. Сильные порывы ветра способны порвать сетку или даже полностью вырвать ее из одного или нескольких сегментов. Такие «щербатые» сетчатые антенны довольно часто встречаются на улицах наших городов.
Наиболее распространенные материалы для рефлекторов спутниковых антенн — алюминий (точнее, алюминиевые сплавы) и сталь. Электрические свойства материала практически не влияют на характеристики антенны, поэтому новые стальные и алюминиевые антенны работают одинаково. Антенны из алюминия легче, долговечнее и, как правило, механически прочнее, но они и стоят дороже. У алюминиевых антенн лакокрасочное покрытие выполняет функции, так сказать, декоративные, и при повреждении портится только внешний вид. Если краска отслаивается от стальной антенны, начинается коррозия, из-за которой может пострадать не только вид, но и электрические характеристики антенны.
О пластиковых антеннах можно сказать так же, как герой одного советского фильма сказал о коньяке: «Из дешевых лучше армянский, а грузинский марочный лучше французского». Дешевые пластиковые антенны недолговечны: из-за перепадов температур и просто из-за старения они меняют форму, коробятся, поэтому хорошо работают, как правило, один сезон, особенно в условиях резко-континентального климата. Дорогие пластиковые антенны по всем характеристикам превосходят металлические: они не боятся коррозии, выдерживают значительные механические нагрузки и даже удары без остаточной деформации, не боятся перепадов температур и неравномерного прогрева. Поэтому спутниковые антенны диаметром до 2.5 м, к которым предъявляются особые требования по качеству и надежности, как правило, пластиковые. Это антенны передвижных спутниковых телевизионных журналистских комплексов (SNG — Satellite News Gathering), антенны для спутниковой связи и двунаправленного доступа в Интернет через спутники. В нашей стране наиболее распространены пластиковые антенны американского производства — фирм Andrew, Prodelin и Channel Master.
Двухзеркальные антенны — это тоже зеркальные антенны, но они состоят из двух зеркал: основного рефлектора и контррефлектора. Двухзеркальная схема антенныобеспечивает меньший уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны, поэтому она часто используется в передающих антеннах. В передающей системе самый дорогой параметр — мощность сверхвысокочастотного передатчика, и нельзя допускать, чтобы она излучалась в ненужных направлениях. Кроме того, у двухзеркальной антенны облучатель находится со стороны основного рефлектора, что позволяет использовать более короткую линию передачи, а значит, уменьшить потери в ней. В приемных системах двухзеркальные антенны используются редко, потому что они более сложны и дороги, а эффективность их ненамного выше.
Среди основных плюсов антенны – нельзя не заметить огромную площадь покрытия, с возможностью принятия более 10 спутников одновременно. Легкость в установке. А так же надежность конструкции так же дают ей привилегии, среди конкурентов. Что же касается минусов, с которыми столкнулись пользователи – это достаточно высокая цена, а так же большое количество крепления.
Сферические антенны — это специальные антенны для приема нескольких спутников. У такой антенны поверхность зеркала является не параболоидом, а сферой. Для каждого направления у сферической антенны своя точка фокуса, соответственно, для каждого спутника должен быть установлен отдельный конвертер. В отличие от обычной параболической антенны с несколькими конвертерами, усиление сферической антенны для любого направления будет почти одинаковым. Эффективность сферической антенны меньше, чем параболической, поэтому ее размеры должны быть больше, чем размеры обычной антенны, необходимые для приема самого слабого из спутников. Кроме того, сферические антенны очень сложны в настройке, и для работы с ними требуются облучатели специальной конструкции, поэтому такие антенны практически не применяются, по крайней мере, в нашей стране.
Задачу многоспутникового приема без механического поворота зеркала можно решить, используя сферические или сферопараболические3 зеркала. В таких конструкциях облучатель располагается на дуге радиусом r, центр которой совпадает с центром окружности R (рис. 3).
Рис. 3 Сферическая антенна
Рис. 3 Сферическая антенна
Дуга называется фокальной линией. Если выбрать r » 0.56R, то волна, отраженная от зеркала, будет близка к плоской. Такие антенны находят применение в системах автоматического слежения за объектом. 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 позиции4.
Сферическая спутниковая антенна фирмы "Конкур"
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.
Рупорная антенна представляют собой рупор (раструб), к которому прикреплен волновод. Основной недостаток рупорных антенн — большие размеры. Чтобы рупор работал, он должен сходиться под небольшим углом. Поэтому длина рупора получается намного больше линейных размеров его сечения. Если бы мы захотели построить рупорную антенну, эквивалентную антенне с диаметром 1 м, она бы получилась 2-3 м длиной, что, конечно же, очень неудобно. Рупорные антенныиспользуются в аппаратуре радиорелейных линий. Для приема со спутников рупорные антенны «в чистом виде» не применяются. Они используются в качестве облучателей для других типов антенн, в частности, зеркальных.
Линзовая антенна представляет собой линзу или систему линз из диэлектрика. Каждый из нас в детстве выжигал на дереве с помощью увеличительного стекла. Линза из диэлектрика так же собирает в одной точке всю энергию радиоволн, приходящих на ее поверхность с определенного направления. Линзовые антеннысложны в изготовлении и дороги, поэтому они в спутниковом телевидении не применяются. Исключение составляет весьма интересный частный случай — сферическая линзовая антенна. При определенных параметрах диэлектрика можно использовать линзу сферической формы. Такая антенна изотропна — она имеет одинаковое усиление при приеме с любого направления, но для каждого направления у линзовый антенны своя точка фокуса. Один сплошной шар из диэлектрика можно использовать как антенну для приема множества спутников, на каждый спутник нужно просто поставить свой отдельный конвертер (головку). Линзовые антенны очень дороги и громоздки, и встретить их можно редко. Тем не менее, они используются, и даже производятся в нашей стране.
Фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из нескольких элементарных антенн, сигналы которых суммируются. Как правило, элементарные антенны располагаются в одной плоскости. Фазированные антенные решетки интересны тем, что ими можно управлять: по-разному задерживая по времени сигналы от тех или иных элементарных антенн можно перемещать в пространстве электрическую ось антенны (ось диаграммы направленности), оставляя саму антенну механически неподвижной. В 90-х годах небольшие спутниковые антенны на основе фазированной антенной решетки выпускала фирма Nokia, несколько образцов таких антенн для приема в диапазоне Ки были созданы и в Российских НИИ. Все это плоские (планарные) антенны на основе неуправляемых фазированных антенных решеток. Такую антенну необходимо механически ориентировать по направлению на спутник, как любую другую. Фазированные антенные решеткиоказались слишком дороги, поэтому сегодня в спутниковом телевидении они применяются мало. Редкий пример управляемой фазированной антенной решеткидля спутникового телевидения — автомобильная спутниковая система А5 американской фирмы KVH. Это плоская антенна высотой всего около 14 см, которая устанавливается горизонтально на крыше автомобиля, на место верхнего багажника или запасной шины Шимкент, и обеспечивает непрерывный прием спутникового сигнала в движении. К сожалению, система работоспособна только в низких широтах (спутник должен иметь угол места не менее 31 градуса) и только в том случае, если спутник не заслоняют какие-либо препятствия, например, лес. В нашей северной лесной стране смотреть спутниковое телевидение в автомобиле пока проблематично.
Американская компания KVH, более 25 лет занимающаяся разработкой технологий в области коммуникаций, навигационного оборудования и систем дистанционного управления вооружением, разработала антенну TracVision, которая полностью изменила представление о спутниковом телевидении. Компания доказала, что принимать спутниковые программы вы можете и в автомобиле, даже на скорости выше 200 Км/ч, хотя производитель гарантирует устойчивость антенны при скорости ветра до 165 Км/ч. Правда, для этого пришлось создать новую антенну, обладающую двумя признаками, не свойственными обычным параболическим аналогам:
Минимальным сопротивлением воздушному потоку (читай хорошей аэродинамикой)
Высокой скоростью подстройки под спутник
В том, что вы видите на фотографии, трудно угадать спутниковую антенну. Но вы убедитесь в том, что это антенна, когда включите автомобильный телевизор. Нет, она не разложится, как крышка лунохода и не начнет вращаться вокруг своей оси - она итак находится в рабочем состоянии, а вся конструкция скрыта внутри чрезвычайно низкого корпуса.
Принцип действия антенн TracVision A7 - плоская фазированная антенная решетка с электромеханическим приводом. Проще говоря, если в обычной спутниковой тарелке есть только один приемник, то в TracVision A7 на одной плоской поверхности установлены две сотни маленьких приемников на одной поверхности. За подобной конструкции достигается эффект усиления, сопоставимый с оффсетной параболической антенной диаметром 60 см.
Электрический привод способен вращать решетку на 180 градусов вокруг своей оси, а так же изменять ее угол наклона к горизонту настолько быстро, что антенна реагирует даже на резкие маневры водителя.
Физические характеристики:
Высота/диаметр антенны: 19.5х77.5 см
Вес антенны: 13.6 кг
Размеры приемника: 29.7х29х7.6 см
Вес приемника: 2 кг
Потребляемая мощность: 30 Вт
Напряжение питания: 12 В пост. тока (автомобильный аккумулятор) (9 – 16 В)
Характеристики окружающей среды
Диапазон рабочих температур: От –25оС до +55оС
Диапазон температур хранения: От –29оС до +60оС
Скорость поворота/слежения: 30 градусов в секунду
Сила ветра (ЕМЕ): 100 миль в час
Стабилизация: 2-осевая активная гироскопическая стабилизация
Скорость поворота антенной решетки составляет 30 градусов в секунду, можете сами рассчитать, как резко надо входить в поворот, чтобы она сбилась.
Вся конструкция собрана в один блок весом 23 Кг, что сопоставимо с пустым аэродинамическим багажником Thule. Вся электроника и механика находятся под надежной защитой крепкого пластикового кошуха. Ни колебания температур, ни дождь, ни град не страшны этой антенне. Установщики уверяют, что пластиковый кожух даже выдержал удар о балку гаража, когда новоиспеченный владелец TracVision по привычке решил въехать на подземную парковку, забыв о тарелке.
Зональная антенна или антенна Френеля, представляет собой поверхность, на которой отражающими радио-волны делаются только некоторые выделенные зоны. Форма и размеры этих зон выбираются так, чтобы отраженные волны складывались в одной точке. Наиболее известна зональная антенна Френеля. Она состоит из набора плоских концентрических колец, расположенных в одной плоскости. Антенна Френеля проста в изготовлении и недорога, но ее эффективность почти вдвое ниже, чем у зеркальной или линзовой антенны, поскольку используется не вся площадь, а только ее отражающая часть. В журнале «Теле-Спутник» №6-98 описана методика расчета и изготовления антенны Френеля.
Информация, изложенная в данной статье про спутниковые антенны , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое спутниковые антенны, спутниковая антенна и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Телевидение. Теория. Спутниковое
Комментарии
Оставить комментарий
Телевидение. Теория. Спутниковое
Термины: Телевидение. Теория. Спутниковое