Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое типы спутниковых антенн, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое типы спутниковых антенн, прямофокусные антенны, офсетные антенны, тороидальные антенны , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Телевидение. Теория. Спутниковое.
На страницах этого раздела, мы разбирались с устройством и принципом работы спутниковой антенны (спутниковой тарелки). Там рассматривалась параболическая асимметричная антенна со смещенным фокусом, типа Офсет, то есть, офсетная спутниковая антенна (Рис. 1).
(параболическая асимметричная)
Есть еще один очень распространенный тип, с которым Вы так же можете столкнуться, это прямофокусная параболическая симметричнаяспутниковая антенна (Рис. 2), или просто - прямофокусная антенна. Различаются они как по конструкции, так и по принципу прохождения сигнала.
(параболическая симметричная)
По принципу работы, эти две спутниковые антенны различаются направлением отражаемого от их рефлектора сигнала, то есть, от самого зеркала этой антенны.
У офсетной спутниковой антенны, идущий со спутника сигнал, попадает на внутреннюю часть сферического зеркала антенны под определенным углом (Рис. 3). Отразившись, сигнал фокусируется на расположенный внизу облучатель конвертера.
Прохождение сигнала у офсетной спутниковой антенны.
Получается, что фокус у офсетных спутниковых антенн, расположен в стороне, то есть, как бы смещен к нижней части конструкции. Поэтому, их и называют асимметричные (нет симметрии).
У прямофокусной спутниковой антенны, сигнал идущий со спутника, фокусируется в диаметральном центре сферического зеркала. Поэтому она называется симметричная (Рис. 4).
Прохождение сигнала у прямофокусной спутниковой антенны.
Как видно на расположенных выше изображениях, существенным отличием офсетной и прямофокусной спутниковых антенн, это конечно же, их конструкция. Но это всего лишь техническая сторона. Самым существенным отличием, будет их положение.
Прямофокусная антенна, как бы задрала свой "нос" к верху, и смотрит строго по направлению на спутник. Офсетная же антенна, имеет некоторый наклон. Со стороны кажется, что она смотрит в низ, бут-то ловит отражение от земли. Но... по мере приближения к экватору, вместо этого наклона, ее зеркало будет уже приподниматься.
Перед приобретением спутниковой антенны, Вам нужно будет сделать выбор, на каком виде конструкции остановиться, или какую конструкцию антенны лучше использовать, именно для вашего случая. Поэтому, далее мы рассмотрим, какие достоинства и недостатки будут у офсетной, и прямофокусной спутниковых антенн.
Каждый из этих типов спутниковых антенн имеет свои плюсы и минусы. К ряду важных преимуществ и недостатков офсетной и прямофокусной спутниковых антенн можно отнести:
1. У офсетной спутниковой антенны, фокус отражаемого от рефлектора сигнала смещен в сторону. Это существенно и положительно влияет на беспрепятственное его прохождение на облучатель конвертера. А у прямофокусной антенны, прохождению сигнала препятствуют, как ее стойки держащие конвертер, так и он сам.
2. При различных климатических условиях, будь то дождь или снег, существенное преимущество будет у офсетной спутниковой антенны. Это объясняется положением самого рефлектора. Если смотреть сбоку, у офсетной антенны рефлектор действует как бут-то бы козырек, как, к примеру, на телефонной будке открытого типа. Поэтому осадки попадают не на отражаемую поверхность самой антенны, а только на ее тыльную часть (Рис. 1).
А прямофокусная спутниковая антенна, ели так же посмотреть сбоку, напоминает форму опущенного ковша, тем самым, предоставляя не защищенное ни чем зеркало антенны, каким либо атмосферным осадкам. И чем выше будет расположен необходимый нам для приема сигнала спутник, тем больше осадков будет скапливаться на нижней части зеркала (Рис. 2).
В зимнее время, прямофокусную спутниковую антенну периодически нужно очищать от попавшего внутри снега. Что будет проблематично, если сама антенна стоит в труднодоступном месте.
Но тут есть некоторый нюанс, в пользу прямофокусной спутниковой антенны. Как видно, из рисунка ниже (Рис. 3), облучатель конвертера смотрит ниже горизонта, и получается так, что он своим корпусом, защищает приемную часть облучателя от снега или дождя.
У прямофокусной спутниковой антенны, облучатель защищен от дождя.
У офсетной спутниковой антенны, хоть рефлектор и имеет некоторый наклон, все равно конвертер остается открытым (Рис. 4).
В этом случае, к примеру, во время дождя, при большем скоплении капелек воды на облучателе, прием сигнала становится неустойчивым, а если сигнал со спутника достаточно слабый, то временами и вовсе не возможным. В зимнее время немного хуже. Скопившийся на облучателе снег, так же, препятствует прохождению сигнала, а если учесть, что снег иногда бывает мокрый, то при заморозках, конвертер начинает еще и обледеневать.
Но как показала практика, благодаря нашим народным умельцам, с этим недостатком офсетной антенны, частично можно справиться. Это можно сделать, защитив сам облучатель конвертера, смастерив при этом, не большой козырек из пластиковой бутылки .
Из этого всего можно сделать вывод, что офсетная спутниковая антенна, менее обслуживаемая конструкция.
В принципе, если учитывать все нюансы, приема сигнала на офсетную антенну, следует так же знать, что чем ближе ваше местоположение к экватору, тем будет выше подъем зеркала этой антенны над горизонтом. А это значит, что при достаточно сильном дожде, стекающая по отражающей поверхности зеркала вода, будет препятствовать отражению сигнала на облучатель конвертера. В зимнее время, препятствием для сигнала, будет прилипший снег.
3. Еще одним преимуществом офсетной спутниковой антенны, перед прямофокусной, будет распределение центра тяжести. У офсета, основная масса антенны распределена на кронштейн, к которому прикреплена сама антенна и конвертер с облучателем. Тем самым, перераспределяя основной центр тяжести к нижней части всей конструкции, и таким образом делая ее более устойчивой при порывах ветра.
Это конечно не все различия между офсетной и прямофокусной антенной, а только основные, но и этого вполне достаточно, что бы сделать выбор, какую спутниковую антенну Вам следует приобрести. Хотелось бы еще сказать что, офсетные антенны более распространены среди домашних пользователей спутникового телевещания, так как они менее обслуживаемые и более способствуют нашим "квартирным" условиям.
Зеркальные антенны — наиболее распространенный тип направленных спутниковых антенн[19]. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Зеркальные антенны применяются в различных диапазонах спутниковой связи, от дециметровых волн до Ka-диапазона, и на различных типах станций — от систем индивидуального ТВ-приема до центров космической связи. Зеркальные антенны большого размера применяются в центрах передачи сигналов спутникового вещания, на центральных станциях спутниковой связи, на магистральных высокоскоростных каналах[20].
Зеркало антенны (отражатель, рефлектор) собирает всю энергию попадающих на его площадь радиоволн в своем фокусе. Для того, чтобы в точке фокуса не возникало взаимного гашения приходящих в нее радиоволн, зеркало изготавливается в форме параболоида вращения, где радиоволны, отраженные от любой точки поверхности зеркала, достигают фокуса в одной фазе. Такие антенны называются параболоидными или, чаще, параболическими[21].
В точке фокуса устанавливается облучатель — небольшая дополнительная антенна, засвечивающая зеркало. Облучатель должен иметь диаграмму направленности, согласованную с размерами отражателя, поскольку если засвечивается не вся поверхность зеркала, усиление антенны не может достичь возможного максимума. С другой стороны, если направленность облучателя недостаточно узка, часть энергии излучается вхолостую, также снижая усиление антенны. Кроме того, возникают помехи окружающим устройствам при передаче, и увеличение уровня шума при приеме. При этом облучатель должен работать во всем диапазоне частот, для которого предназначена антенна. Собственно зеркальной антенной становится только согласованная система «зеркало+облучатель» в сборе. Для формирования нужной диаграммы облучателя используются рупоры, диэлектрические линзы, могут применяться и другие типы направленных антенн[22].
Ширина диаграммы направленности и усиление зеркальной антенны зависят от отношения ее апертуры к длине волны, точности изготовления зеркала (отклонения должны быть на порядок меньше длины волны), коэффициента использования поверхности, зависящего от выбранной конструкции антенны и характеристик ее облучателя, точности установки частей антенны (зеркала, облучателя, контррефлектора, если есть) относительно друг друга. Точка фокуса отражателя антенны не зависит от используемого диапазона частот, поэтому одно и то же зеркало может использоваться в различных диапазонах при установке на него различных облучателей и выполнения требований по точности изготовления для самого высокочастотного (коротковолнового) из используемых диапазонов. Чем в более высокочастотном диапазоне используется антенна, тем у́же ее диаграмма направленности и выше усиление при одном и том же размере зеркала[23].
Зеркало антенны изготавливается из электропроводящего материала (сталь, алюминиевые сплавы) с антикоррозионным покрытием. Для снижения ветровых нагрузок и уменьшения веса зеркала может использоваться металлическая сетка (при условии, что диаметр отверстий не превышает 0.1*λ, где λ — длина волны). По технологическим и экономическим соображениям зеркала могут изготавливаться из неметаллических материалов — композитов (углепластик, стеклопластик) или пластмасс. Если зеркало антенны изготавливается из непроводящего материала, в его структуру дополнительно вводится отражающая поверхность из металлической фольги, сетки, электропроводяшей краски[24].
Кроме рефлектора и облучателя, в состав антенны входит опорно-поворотное устройство, с помощью которого производится наведение антенны на спутник, ручное или моторизованное. Опорно-поворотное устройство обеспечивает стабильное положение антенны, которое не должно меняться под действием ее веса и ветра со скоростью до 20-25 м/с, а разрушаться антенна не должна и при значительно бо́льших ветровых нагрузках. При работе в сложных климатических условиях на антенну может устанавливаться антиобледенительная система из установленных с обратной стороны зеркала нагревательных элементов или тепловых пушек.
Основные виды зеркальных антенн
Осесимметричные антенны имеют симметричное зеркало, фокус которого расположен на оси симметрии. У прямофокусной антенны (англ. Prime Focus) облучатель устанавливается в точке фокуса, перед зеркалом. Также используются двухзеркальные схемы, в которых на оси антенны устанавливается небольшое дополнительное зеркало-контррефлектор, а облучатель располагается со стороны зеркала в фокусе контррефлектора. Схемы с контррефлектором сложнее в расчете, изготовлении и настройке, но позволяют уменьшить габариты антенны и упростить доступ к облучателю, снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности и шумовую температуру антенны, в некоторых случаях улучшить коэффициент использования поверхности. Облучатель или контррефлектор и его крепления затеняют часть зеркала антенны, что приводит к уменьшению эффективной апертуры. Поэтому осесимметричные схемы применяют в основном на достаточно больших (1,5 — 2 метра и более) антеннах, затеняемая площадь которых относительно невелика[26][27].
Двухзеркальная (справа) и прямофокусные (левее) антенны Центральной Земной Станции спутниковой сети
Прямофокусная антенна для приема спутникового ТВ с зеркалом из металлической сетки
Мобильная спутниковая станция с двухзеркальной антенной с кольцевым фокусом
Осесимметричные схемы применяются также для антенн малого диаметра мобильных спутниковых станций[28]. На таких антеннах часто используется двухзеркальная схема с кольцевым фокусом, формируемым рефлектором специальной формы[29]. Такая схема сложна в расчете и изготовлении, но она позволяет увеличить коэффициент использования поверхности, cделать антенну более компактной и упростить ее сборку[30].
Офсетные антенны, или антенны со смещенным облучателем, получаются путем вырезки из параболического зеркала. Диаграмма направленности такой антенны смещена относительно оси ее зеркала на угол, называемый углом офсета (или углом смещения). Офсетные антенны имеют несимметричную (овальную) форму и несколько вытянуты по вертикали, тем сильнее, чем больше угол офсета. Это объясняется тем, что зеркало антенны наклонено относительно направления на спутник и в то же время должно обеспечивать равномерную засветку поверхности облучателя[31]. Как и осесимметричные, офсетные антенны могут быть выполнены по двухзеркальным схемам[32].
Основное преимущество офсетных антенн в том, что облучатель и элементы его крепления не перекрывают собой направление на спутник и не затеняют зеркало антенны, что позволяет увеличить коэффициент использования поверхности[33].
Офсетная конструкция имеет и ряд недостатков. Офсетные зеркала большого размера значительно сложнее в изготовлении и сборке, чем осесимметричные, поэтому по офсетной схеме строятся антенны небольшого размера (до 2,5 метров), используемые для приема спутникового ТВ и на VSAT-станциях, где возможность полного использования зеркала антенны, без затенения его облучателем, дает заметный выигрыш в усилении[33]. При работе с линейной поляризацией офсетные антенны имеют худший уровень поляризационной развязки[34], что может приводить к увеличению уровня помех от сигналов соседней поляризации на том же спутнике. При работе с круговой поляризацией диаграмма направленности офсетной антенны отличается для левой и правой поляризаций, поэтому при смене рабочей поляризации требуется и одновременная подстройка наведения антенны, причем эффект тем заметнее, чем больше размер зеркала[35].
При малых углах вертикального наведения наклон офсетной антенны к вертикали становится отрицательным — зеркало «смотрит в землю», хотя нацелено на спутник, находящийся выше горизонта. При этом конструкция опорно-поворотного устройства может ограничивать минимальный угол наведения из-за того, что нижний край зеркала упирается в опору[36].
Офсетные антенны VSAT Ku-диапазона
Офсетная антенна для приема спутникового ТВ
Офсетная антенна при малом угле возвышения на спутник
Плоские фазированные антенные решетки (ФАР) используются для создания компактных спутниковых антенн различных диапазонов.
ФАР формируется многими когерентно запитываемыми излучателями, в качестве которых могут использоваться полосковые, рупорные, щелевые и другие типы антенн[37]. Если сигнал на все излучатели приходит в одной фазе (синфазная решетка), то диаграмма направленности антенны перпендикулярна к ее плоскости[38]. Усиление такой антенны зависит от отношения ее размера (апертуры) к длине волны, количества и взаимного расположения излучателей и от потерь в линиях, через которые запитываются излучатели. Синфазная решетка, как любая направленная антенна, требует механической ориентации в направлении сигнала. При изменении соотношения фаз между излучателями диаграмма направленности фазированной решетки отклоняется относительно плоскости антенны[38], усиление антенны при этом уменьшается, тем сильнее, чем больше диаграмма направленности отклонена от нормали[37]. Управляемые фазовращатели в линиях питания излучателей ФАР позволяют построить антенну с электронным управлением диаграммой направленности, не требующим механического перемещения при наведении. Электронное наведение антенны, в отличие от механического, может быть практически мгновенным. Хотя такая схема достаточно сложна в реализации и приводит к уменьшению усиления антенны при изменении диаграммы направленности, она востребована в многих применениях спутниковой связи[39]. Применяется и гибридная схема управления диаграммой направленности ФАР — электронным сканированием в одной плоскости и механическим перемещением в другой[40].
Спутниковые антенны, создаваемые на базе фазированных решеток, имеют ряд ограничений. Они могут работать только в сравнительно узком диапазоне частот (например, работа во всем диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц с одной антенной на базе ФАР невозможна), сложны в разработке и изготовлении и имеют высокую цену[41]. На основе ФАР строятся в основном спутниковые антенны с малой апертурой[28].
Преимущества антенн на базе ФАР — компактность и возможность электронного управления диаграммой направленности — делают их востребованными в мобильной спутниковой связи[16]. Фазированные решетки используются в составе носимых и подвижных станций диапазонов Ku и Ka[40], портативных терминалов Inmarsat BGAN[en] (L-диапазон)[42], носимых спутниковых станций специального назначения[43]. Разрабатываются новые типы спутниковых антенн на базе ФАР, использующие управляемые линзы из метаматериалов[44], что должно улучшить их характеристики и, в перспективе, снизить стоимость при массовом производстве[45]. В земных станциях спутниковой сети Starlink компании SpaceX, где требуется непрерывное сопровождение антенной низкоорбитальных спутников, планировалось применение фазированных решеток с электронным управлением диаграммой направленности, при этом заявлялась стоимость терминала менее $300, но на первом этапе предложено использовать существенно более дорогие, по оценкам, антенны[46], комбинирующие электронное наведение с предварительным механическим (встроенными моторами)[47][48].
Также на базе антенных решеток выпускаются плоские компактные антенны для домашнего приема спутникового ТВ[41][38], которые требуют для установки гораздо меньше места, чем классические «тарелки» сравнимой апертуры, поскольку не имеют вынесенного перед плоскостью антенны облучателя. Это позволяет размещать их не только на улице, но и в помещении (на окне, балконе, лоджии и т. п.) при условии, что место установки обеспечивает видимость спутника[49].
Слабонаправленные (также всенаправленные) антенны (полосковые, квадрифиллярные) используются для связи через низкоорбитальные и геостационарные спутники в спутниковых телефонах, спутниковом радио, приеме сигналов систем спутниковой навигации и других приложениях, где нет возможности непрерывно ориентировать антенну. Такие антенны имеют широкую диаграмму направленности, что приводит к приему большого количества шумов (высокой шумовой температуре антенны) и малому отношению сигнал/шум для полезного сигнала на входе приемника, а следовательно и к низкой пропускной способности системы в целом, но позволяет работать со спутниками, находящимися в зоне видимости, без дополнительного наведения.
Антенна терминала мобильной спутниковой связи Иридиум
Внешняя антенна для приемников ГЛОНАСС/GPS
Спутниковый телефон Inmarsat
Направленные антенны бегущей волны и близкие к ним (спиральные, волновой канал, логопериодические и т. д.), имеющие заметное усиление по сравнению с ненаправленными, применяются в диапазонах метровых (англ. VHF) и дециметровых (англ. UHF) волн, где зеркальные антенны с аналогичными параметрами становятся слишком большими и сложными сооружениями. Антенны бегущей волны используются для приема телеметрии и связи со спутниками на низких орбитах, обмена информацией с метеорологическими спутниками, в любительской радиосвязи через спутники, для некоторых специальных видов спутниковой связи[51].
Терминал тактической спутниковой связи
Антенна УКВ-связи с космическими кораблями
Антенна приема телеметрии и слежения за спутниками
Информация, изложенная в данной статье про типы спутниковых антенн , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое типы спутниковых антенн, прямофокусные антенны, офсетные антенны, тороидальные антенны 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