Глава 4. Особенности спутниковых антенн
4.1 Вид спутниковых антенн
Спутниковая антенна используется для приема сигналов со спутника.
Спутниковый сигнал, отраженный от поверхности антенны, фокусируется преобразователем излучателя, где он преобразуется в первую промежуточную
частоту. Наиболее распространенными спутниковыми антеннами являются
параболические антенны. Существует три типа таких антенн: прямая фокусировка, смещение и тороидальная.
Прямофокусная (осесимметричная) антенна-это антенна классического типа параболоида вращения. Это способствует более точному установка на выбранном спутнике. Как правило, такие антенны используются для приема сигнала в C-диапазоне, так как он слабее сигнала в Ku-диапазоне. Также возможно принимать сигнал как в Ku-диапазоне, так и в комбинированном диапазоне. Вид этой антенны показан на рис. 4. 1
Рис.4.1. Прямофокусная антенна
Рассмотрим основные преимущества и недостатки данного типа антенны.
Преимущества включают в себя простой производственный процесс и низкую себестоимость.
Недостаток:
- невозможно установить на стены дома без длинного пульта дистанционного управления, он устанавливается (для обеспечения нужного угла возвышения), в противном случае край зеркальной антенны находится только на стене ;
- комплексная настройка и установка;
- преобразователь устанавливается на пути сигнала со спутника. Это затемняет часть отражателя и уменьшает общий коэффициент усиления t принимаемого сигнала;
- в антенне собираются атмосферные осадки: дождевая вода и снег.
В основном антенна прямой фокусировки используется для приема сигналов со спутника с размером отражателя более 1,5 ... 2,0 метра.
Офсетная антенна - наиболее распространенная антенна для приема спутниковых телевизионных и радиосигналов. Смещенная антенна имеет форму эллипса. параболоид. Фокус этого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны, что исключает затенение полезной площади антенны излучателем и его опорой. В свою очередь, это повышает его эффективность при одновременном наличии одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. Также излучатель установлен под центром тяжести антенны, что повышает ее устойчивость при ветровых нагрузках. Смещенная антенна установлена почти вертикально. В зависимости от географической широты угол наклона немного меняется.
Такое положение исключает накопление осадков в антенной тарелке, что значительно влияет на качество приема. Антенны обычно расположены в шахматном порядке и используются для приема сигнала Ku-диапазона (при использовании круговой поляризации). Тем не менее, вы можете получать сигнал как в C-диапазоне, так и в комбинированном диапазоне. На рис.4.2. показана типичная антенна
Рис.4.2. Офсетная антенна
Смещается спутниковая антенна, фокус отраженного отражателем сигнала смещается в сторону. Это имеет значительный и положительный эффект его беспрепятственный проход к источнику питания преобразователя. И в прямом фокусе антенны передача сигнала затруднена, так как ее стойки удерживают преобразователь, а также вас. Находиться в разных климатических условиях. Дождь или снег, смещенная спутниковая антенна. Это связано с положением самого отражателя.
Антенны с параболическим отражателем имеют не только один отражатель, но и два отражателя: благодаря второму отражателю отражающая поверхность антенны увеличивается, тем самым усиливая сигнал. Параболические рефлекторные антенны с двумя отражателями также называются тороидальными.
Тороидальная спутниковая антенна в дополнение к двум отражателям может быть оснащена несколькими преобразователями. Благодаря этой технологии изготовленная тороидальная спутниковая антенна способна принимать сигналы от нескольких спутников одновременно, при этом каждый преобразователь будет находиться непосредственно в фокусе спутника, на который он направлен, – это большой плюс, так как нет необходимости устанавливать поворотные устройства для приема спутникового сигнала.
Внешнее главное зеркало тороидальной антенны отличается от обычной смещенной спутниковой антенны, так как, скорее всего, это не так овальная, но яйцевидная. Из-за такого сложного профиля и отражения от вспомогательного зеркала в пространстве оно не образуется отдельной точкой фокусировки и вытянутой кривой, т. е. фокусом любой видимой точки является геостационарная орбита. Этот тип антенны показан на рис. 4.3.
Рис.4.3. Тороидальная спуниковая антенна
Тороидальную спутниковую антенну очень трудно изготовить на верфи. Установка спутниковой антенны требует определенных навыков: точный выбор азимута, положения установки, угла наклона.
Антенны с фазированной антенной решеткой. Дальний состоит из множества когерентно работающих передатчиков, которые могут быть полосовыми, рупорными, щелевыми и другими антеннами. Если сигнал передается на все излучатели в одной фазе (фазированная решетка), то диаграмма направленности антенны перпендикулярна ее плоскости. Коэффициент усиления такой антенны зависит от отношения ее размера (апертуры) к длине волны, количества и относительного положения излучателей, а также потерь в линиях, по которым они питаются. Как и любая направленная антенна, синфазная решетка требует механического выравнивания по направлению сигнала. При изменении соотношения фаз между излучателями диаграмма направленности фазированной решетки отклоняется относительно плоскости антенны, коэффициент усиления антенны уменьшается по мере отклонения диаграммы направленности от нормальной. Управляемые фазовращатели в линиях питания передатчиков фар позволяют построить антенну с электронно управляемой диаграммой направленности, которая не требует каких-либо механических движений при наведении. Электронное наведение антенны, в отличие от механического наведения, может осуществляться практически мгновенно. Хотя эта конструкция довольно сложна в реализации и приводит к снижению коэффициента усиления антенны при изменении диаграммы направленности, она необходима во многих приложениях спутниковой связи. Гибридная схема также используется для управления диаграммой направленности фазированной решетки: электронное сканирование в одной плоскости и механическое перемещение в другой.
Спутниковые антенны на основе фазированных решеток имеют ряд ограничений. Они могут работать только в относительно узком диапазоне частот (например, работа во всем диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц с одной фазированной антенной решеткой невозможна), сложны в проектировании и изготовлении и имеют высокую стоимость. На основе фар в основном строятся спутниковые антенны с небольшой апертурой.
Преимущества антенн на основе фар-компактность и возможность электронного управления диаграммой направленности-делают их востребованными в мобильной спутниковой связи. Фазированные решетки используются в портативных и мобильных станциях диапазонов Ku и Ka, портативных терминалах Inmarsat BGAN (L-диапазон) и портативных спутниковых станциях специального назначения. Разрабатываются новые типы спутниковых антенн на основе фар, в которых используются управляемые линзы из метаматериалов для улучшения их свойств и снижения затрат на массовое производство в будущем. На земных станциях спутниковой сети SpaceX Starlink, где требуется непрерывное антенное сопровождение низкоорбитальных спутников, планировалось использовать фазированные сети с электронным управлением направлением, при этом стоимость терминала заявлялась менее 300 долларов, но на начальном этапе предлагалось использовать гораздо более дорогие антенны, по оценкам, сочетающие электронное наведение и механическое продвижение (интегрированные двигатели).
Кроме того, антенные устройства используются для изготовления компактных плоских антенн для приема домашнего спутникового телевидения, которые требуют гораздо меньше места для установки, чем классические "антенны" сопоставимых размеров, поскольку они не имеют блока питания, размещенного на плоской передней панели. антенны. Это позволяет размещать их не только на улице, но и внутри (на окне, балконе, лоджии и т.д.) при условии, что место установки гарантирует видимость спутника.
Рис.4.3. - Фазированные антенные решётки
4.2 Конвертор
Как уже упоминалось выше, спутниковый сигнал фокусируется спутниковой тарелкой в одной точке. Прямо в этот момент конвертер со специальным держателем. Преобразователь (другими словами, LNB, от "Low Noise Block" – малошумящий блок) предназначен для приема высокочастотного сигнала со спутника. Преобразователь преобразует сигнал в более низкую частоту и усиливает его для последующей передачи по коаксиальному кабелю в приемник. Коэффициент внутреннего шума является одной из основных характеристик преобразователя. Чем ниже уровень шума, тем лучше будет преобразователь. Типичное значение этого параметра, равное производителям преобразователя, указывает на то, что оно составляет 0,1-0,3 дБ. Структурно преобразователи различаются для разных диапазонов (C и Ku), а также в зависимости от поляризации (линейной и круговой). На рис. 4.4
показан универсальный преобразователь диапазона Ku.
Рис.4.4. Универсальная конвертор Ku-диапазона
Универсальные преобразователи диапазона Ку - двухчастотный
гетеродин. Использование такого гетеродина связано с тем, что диапазон Ку довольно широк, в соответствии с этим диапазоном Ку он делится на два поддиапазона: нижний 10700-11800 МГц и верхний 11800-12750 МГц.
Переключение между полосами осуществляется сигналом, передаваемым по кабелю от спутникового приемника (ресивера). приемник также управляет переключением поляризации преобразователя. Простейшая схема универсального преобразователя показана на рис.4.5.
Рис.4.5. Простейшая схема универсального конвертора
Рассмотрим компоненты универсального преобразователя, показанного на рис.4.5. LNA является малошумящим усилителем. Как только уровень сигнала, поступающего на вход спутникового преобразователя, невелик, усилитель в преобразователе должен иметь низкий уровень собственного шума. Перед преобразованием сигнала мощность должна быть усилена, что и происходит в LNA. При выборе спутникового преобразователя шум является одной из наиболее важных особенностей.
PF-полосовой фильтр. Он выбирает только полосу занятого спектра из всего частотного спектра. Все шумы и ненужные сигналы на других частотах удаляются.
СМ-смеситель. В смесителе частота понижается (частота гетеродина вычитается из частоты принимаемого сигнала а).
УПЧ - это усилитель промежуточной частоты. Здесь сигнал усиливается. Это необходимо для дальнейшей передачи сигнала на приемник.
4.4. Как работает спутниковая антенна
Антенна спутникового телевидения используется для приема телевизионного сигнала с космического спутника. Параметры самой антенны и ее преобразователя в значительной степени определяют качество изображения и звука, которые спутниковый декодер будет передавать вам на экране телевизора. Рассмотрим принцип их действия.
Рис.4.7. Работа спутниковой антенны
Уровень сигнала, полученного со спутника на земле, очень низок по сравнению с его первоначальным уровнем: затухание составляет около 200 дБ. Это и понятно: расстояние, отделяющее Землю от спутника, составляет около 36 000 км. Вы можете получить сигнал такой силы только для просмотра программ, если вы максимально сконцентрируете его. Эту функцию выполняет спутниковый волновой приемник, представляющий собой изогнутую поверхность, в просторечии называемую тарелкой.
Волны, посылаемые со спутника на землю, отражаются внутренней поверхностью антенны, соблюдая законы оптики, и концентрируются в точке, называемой фокусной точкой. Вот приемная головка преобразователя, устройства для преобразования высокочастотных колебаний в кабельный сигнал.
Что такое спутниковые антенны?
С момента открытия спутниковой связи было разработано множество разновидностей волновых приемников для приема и передачи сигнала. Каждый тип нашел свое собственное наземное применение, в зависимости от назначения системы спутниковой связи:
- мобильная связь;
- спутниковая телефония и радиовещание;
- навигация по орбитальной связи;
- Интернет;
- метеорология;
- связь с космическим аппаратом;
- Телевизор.