Перша параболічна антена, розроблена Генріхом Герцем
Параболічна антена була винайдена німецьким фізиком Генріхом Герцем у 1887 році. Герц використовував циліндричні параболічні рефлектори для іскрового збудження дипольних антен під час експериментів. Антена мала розмір апертури завширшки 1,2 метра і використовувалася на частоті близько 450 МГц. Відбивач був зроблений із цинкової листової сталі. З двома такими антенами, одна з якої була передавальною, а інша - приймальною, Герц успішно продемонстрував існування електромагнітних хвиль, які 22 роками раніше були передбачені Максвеллом.
Зазвичай у дзеркальних антенах відбувається перетворення ширшої діаграми спрямованості опромінювача у вузьку діаграму спрямованості самої антени.
Кромка дзеркала та площина Z утворюють поверхню, яку називають розкривом дзеркала. При цьому радіус R називається радіусом розкриття, а кут 2 - кутом розкриття дзеркала. Від кута розкриття залежить тип дзеркала:
- якщо ψ< π/2 - зеркало называют мелким или длиннофокусным;
- якщо ψ > π/2 - глибоким або короткофокусним,
- якщо ψ = π/2 – середнім.
Фокус опромінювача антени може розташовуватися у фокусі дзеркала F, так і бути зміщеним щодо нього. Якщо фокус опромінювача розташований у фокусі антени, вона називається прямофокусной . Прямофокусні антени існують різних розмірів, у той час як осенесиметричні антени, опромінювач яких знаходиться не у фокусі дзеркала, зазвичай не перевищують діаметром більше 1,5 м . Такі антени часто називають офсетними. Перевага офсетної антени - це великий коефіцієнт посилення антени, що обумовлено відсутністю затінення розкриття дзеркала опромінювачем. Рефлектор офсетних антен є бічною вирізкою з параболоїда обертання. Фокус опромінювачів у таких антенах розташований у фокальній площині рефлектора.
Дзеркальна антена може мати додаткове еліптичне дзеркало (дводзеркальна схема Грегорі) або додаткове дзеркало гіперболічне (дводзеркальна схема Кассегрена), з фокусами, розташованими у фокальній площині дзеркальної антени. При цьому опромінювач розташований у фокусі додаткового дзеркала.
Дзеркальна антена може одночасно мати кілька опромінювачів, розташованих у фокальній площині антени. Кожен опромінювач формує діаграму спрямованості, спрямовану у потрібному напрямку. Опромінювачі можуть працювати в різних діапазонах хвиль ( , , ) або кожен одночасно в декількох діапазонах.
Розташування фокусу та фокальної площини дзеркала антени не залежить від робочого діапазону хвиль.
Залежно від поставлених завдань та опромінювача дзеркальна антена формує одну вузьконаправлену сумарну, сумарно-різницеву діаграму спрямованості (для пеленгаторів) або одночасно кілька різноспрямованих діаграм – при використанні кількох опромінювачів.
Типи дзеркал
У техніці найбільшого поширення знайшли такі типи дзеркал:
Особливості конструкції
Дзеркало зазвичай складається з діелектричної основи (вуглепластик - для космічних антен), яку покривають металевими листами, фарбою, що проводить, фольгою. При цьому листи часто є перфорованими або є сіткою, що обумовлено прагненням знизити вагу конструкції, а також максимально знизити опір вітру і опадам. Однак таке незлішне дзеркало призводить до наступних наслідків: частина енергії проникає крізь дзеркало, що призводить до ослаблення КНД антени, та посилення випромінювання позаду рефлектора. Ефективність антени з несплошним дзеркалом розраховується за формулою T = P p r P d (\displaystyle T=(\frac (P_(pr))(P_(pad)))), де P p r (\displaystyle P_(pr))- потужність випромінювання позаду рефлектора, а P a d (\displaystyle P_(pad))- Потужність випромінювання рефлектора (падаючої хвилі) . Якщо T< 0 , 01 {\displaystyle T<0,01} , Несуцільне дзеркало вважають хорошим. Ця умова зазвичай виконується при діаметрі отворів перфорованого дзеркала. 0 , 2 λ (\displaystyle 0,2\lambda)та сумарної площі отворів до 0 , 5 − 0 , 6 (\displaystyle 0,5-0,6)від усієї площі дзеркала. Для сітчастих дзеркал діаметр отворів не повинен перевищувати 0 , 1 λ (\displaystyle 0,1\lambda) .
Опромінювач
Діаграма спрямованості параболічної антени формується опромінювачем. Опромінювачів в антені може бути один або кілька, відповідно в антені формується одна або кілька діаграм спрямованості. Робиться це, наприклад, щоб приймати сигнал одночасно з кількох космічних супутників зв'язку.
Розкривши опромінювачів розташований у фокусі параболічного рефлектора або його фокальної площині, якщо використовується кілька опромінювачів в одній антені. Декілька опромінювачів формують в одній антені кілька діаграм спрямованості, це необхідно при наведенні однієї антени відразу на кілька супутників зв'язку.
Ширина променя
Параметри параболічної антени. Ширина ДН, рівень бічних пелюсток, посилення
Кутова ширина променя антени та її діаграма спрямованості не залежить від того, чи антена працює на прийом або на передачу. Ширина променя визначається за рівнем половинної потужності променя, тобто за рівнем (-3 дБ) від максимального значення. Для параболічних антен цей рівень визначається за такою формулою:
θ = k λ / d (\displaystyle \theta =k\lambda /d\,),де K є фактором, який незначно змінюється залежно від форми відбивача, а d – діаметр рефлектора в метрах, ширина діаграми по половинній потужності θ у радіанах. Для 2-х метрової супутникової антени, що працює C діапазоні (3-4 ГГц на прийом та 5-6 ГГц на передачу), ця формула дає ширину діаграми спрямованості близько 2,6 °.
Посилення антени визначається за формулою:
G = (π k θ) 2 e A (\displaystyle G=\left((\frac (\pi k)(\theta ))\right)^(2)\ e_(A))При цьому існує зворотна залежність між посиленням та шириною променя.
Параболічні антени великих діаметрів формують дуже тонкі промені. Наведення таких променів на супутник зв'язку стає проблемою, тому що замість основної пелюстки можна навести антену на бічні пелюстки.
Діаграма спрямованості антени являє собою вузький головний промінь та бічні пелюстки. Кругова поляризація в головному промені задається відповідно до завдань, рівень поляризації у різних місцях головного променя різний, у перших бічних пелюстках поляризація змінюється на протилежну, ліва – на праву, права – на ліву.
Характеристики дзеркальних антен
Характеристики дзеркальної антени вимірюються у дальній зоні.
- В однодзеркальній антені з круговою поляризацією опромінювач повинен мати напрямок обертання поля, протилежний заданому напрямку обертання поля антени.
- Дзеркальні антени з напрямком ДН на об'єкт, що рухається, зазвичай мають електропривід для відстеження кутового напрямку за об'єктом.
- Вимірювання ДН великих дзеркальних антен у дальній зоні пов'язані з великими труднощами, що з значними відстанями від антен до місць виміру їх сигналів. Для вимірювань ДН використовують шумові сигнали від Сонця, супутників зв'язку, великі коліматорні антени.
- Великі дзеркальні антени, розташовані в різних місцях планети Земля, використовуються як елементи антенних ґрат для дослідження далекого космосу.
Застосування
Параболічні антени використовуються як антени з великим посиленням для наступних видів зв'язку: радіорелейний зв'язок між прилеглими містами, бездротовий зв'язок WAN/LAN ліній зв'язку для передачі даних, для супутникового зв'язку та зв'язку між космічними апаратами. Вони також застосовуються для радіотелескопів.
Параболічні антени також використовуються в якості радіолокаційних антен, що управляють кораблями, літаками та керованими ракетами. З появою домашніх супутникових телевізійних приймачів параболічні антени стали особливістю ландшафтів сучасних міст.
6.1. Параболічні антени
Прийом сигналів супутникового телебачення здійснюється спеціальними приймальними пристроями, складовою яких є антена. Для професійного і аматорського прийомів передач з ШСЗ найбільш популярні параболічні антени, завдяки властивості параболоїда обертання відбивати промені, що падають на його апертуру, в одну точку, звану фокусом. Апертура – це частина площини, обмежена кромкою параболоїда обертання.
Параболоїд обертання, який використовується як відбивач антени, утворюється обертанням плоскої параболи навколо її осі. Параболою називається геометричне місце точок, рівновіддалених від заданої точки (фокусу) та заданої прямої (директриси) (рис. 6.1). Точка F – фокус та лінія АВ – директриса. Точка М з координатами х, у – одна з точок параболи. Відстань між фокусом і директрисою називається параметром параболи і позначається літерою. Тоді координати фокусу F такі: (р/2, 0). Початок координат (точка 0) називається вершиною параболи.
За визначенням параболи відрізки MF та РМ рівні. Відповідно до теореми Піфагора MF^2 = FK^2+ MK^2. У той самий час FK = = x - р/2, КМ = у і РМ = x + р/2, тоді (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.
Зводячи в квадрат вирази в дужках і наводячи подібні члени, остаточно отримуємо канонічне рівняння параболи:
у^2 = 2рх, або у = (2рх) ^ 0.5. (6.1)
За цією класичною формулою зроблено мільйони антен для прийому сигналів супутникового телебачення. Чим же заслужила на увагу ця антена?
Паралельні осі параболоїда, промені (радіохвилі) від супутника, відбиті від апертури до фокусу, проходять однакову (фокусну відстань). Умовно два промені (1 та 2) падають на площу розкриття параболоїда у різних точках (рис. 6.2). Однак відбиті сигнали обох променів проходять до фокусу F однакову відстань. Це означає, що відстань A+B=C+D. Таким чином, всі промені, які випромінює передавальна антена супутника і на яку направлено дзеркало парабо
лоїди, концентруються синфазно у фокусі F. Цей факт доводиться математично (рис. 6.3).
Вибір параметра параболи визначає глибину параболоїда, тобто відстань між вершиною та фокусом. При однаковому діаметрі апертури короткофокусні параболоїди мають велику глибину, що робить вкрай незручним установку опромінювача у фокусі. Крім того, у короткофокусних параболоїдах відстань від опромінювача до вершини дзеркала значно менша, ніж до його країв, що призводить до нерівномірності амплітуд у опромінювача для хвиль, що відбилися від краю параболоїда та від зони, близької до вершини.
Довгофокусні параболоїди мають меншу глибину, встановлення опромінювача є більш зручним і амплітудне розподіл стає більш рівномірним. Так, при діаметрі апертури 1,2 м та параметрі 200 мм глибина параболоїда дорівнює 900 мм, а при параметрі 750 мм – всього 240 мм. Якщо параметр перевищує радіус апертури, фокус, в якому повинен бути опромінювач, розташовується поза обсягом, обмеженим параболоїдом і апертурою. Оптимальним вважається варіант, коли параметр дещо більший, ніж радіус апертури.
Супутникова антена - єдиний підсилюючий елемент приймальної системи, який вносить власних шумів і погіршує сигнал, отже, і зображення. Антени із дзеркалом у вигляді параболоїда обертання поділяються на два основні класи: симетричний параболічний рефлектор та асиметричний (рис. 6.4, 6.5). Перший тип антен прийнято називати прямофокусними, другий – офсетними.
Офсетна антена є хіба що вирізаним сегментом параболи. Фокус такого сегмента розташований нижче за геометричний центр антени. Це усуває затінення корисної площі антени опромінювачем та його опорами, що підвищує її коефіцієнт корисного використання при однаковій площі дзеркала з осесиметричною антеною. До того ж, опромінювач встановлений нижче центру ваги антени, тим самим збільшуючи її стійкість при вітрових
Саме така конструкція антени найбільш поширена в індивідуальному прийомі супутникового телебачення, хоча нині використовуються інші принципи побудови наземних супутникових антен.
Офсетні антени доцільно використовувати, якщо для стійкого прийому програм обраного супутника необхідний розмір антени до 1,5 м, оскільки зі збільшенням загальної площі антени ефект затінення дзеркала стає меншим.
Офсетна антена кріпиться майже вертикально. Залежно від географічної широти кут її нахилу трохи
змінюється. Таке положення виключає збирання в чаші антени атмосферних опадів, які впливають на якість прийому.
Принцип роботи (фокусування) прямофокусної (осесиметричної) та офсетної (асиметричної) антен показано на рис. 6.6.
Для антен особливе значення мають показники спрямованості. Завдяки можливості використовувати антени з високою просторовою вибірковістю здійснюється прийом супутникового телебачення. Найважливішими характеристиками антен є коефіцієнт посилення та діаграма спрямованості.
Коефіцієнт посилення параболічної антени залежить від діаметра параболоїда: що більше діаметр дзеркала, то вище коефіцієнт посилення.
Залежність коефіцієнта посилення параболічної антени від діаметра наведена нижче.
Роль коефіцієнта посилення параболічної антени можна проаналізувати за допомогою електричної лампочки (рис. 6.7 а). Світло поступово розсіюється в навколишній простір, і око спостерігача відчуває певний рівень освітленості, що відповідає потужності електролампочки.
Однак якщо джерело світла помістити у фокус параболоїда з коефіцієнтом посилення 300 разів (рис. 6.7 б), його промені після відображення поверхнею параболоїда виявляться паралельні його осі, а сила кольору буде еквівалентна джерелу потужністю 13 500 Вт. Таку освітленість очей спостерігача сприйняти не може. На цій властивості, зокрема, засновано принцип роботи прожектора.
Таким чином, антенний параболоїд, строго кажучи, не є антеною в її розумінні перетворення напруженості електромагнітного поля на напругу сигналу. Параболоїд - це лише відбивач радіохвиль, що концентрує їх у фокусі, куди і має бути помішана активна антена (опромінювач).
Діаграма спрямованості антени (рис. 6.8) характеризує залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, що створюється у певній точці, від напрямку цієї точки. При цьому відстань від антени до цієї точки залишається постійною.
Збільшення коефіцієнта посилення антени тягне у себе звуження головного пелюстки діаграми спрямованості, а звуження його до величини менше 1° призводить до необхідності постачати антену системою стеження, оскільки геостаціонарні супутники здійснюють коливання навколо свого стаціонарного становища на орбіті. Збільшення ширини діаграми спрямованості призводить до зниження коефіцієнта посилення, отже, і зменшення потужності сигналу на вході приймача. Виходячи з цього, оптимальною шириною головної пелюстки діаграми спрямованості є
ся ширина в 1...2° за умови, що антена супутника, що передає, утримується на орбіті з точністю ±0,1°.
Наявність бічних пелюсток у діаграмі спрямованості також знижує коефіцієнт посилення антени та підвищує можливість прийому перешкод. Багато в чому ширина і зміна діаграми спрямованості залежить від форми і діаметра дзеркала приймаючої антени.
Найважливішою характеристикою параболічної антени є точність форми. Вона має з мінімальними помилками повторювати форму параболоїда обертання. Точність дотримання форми визначає коефіцієнт посилення антени та її діаграму спрямованості.
Виготовити антену із поверхнею ідеального параболоїда практично неможливо. Будь-яке відхилення від реальної форми параболічного дзеркала від ідеальної впливає на характеристики антени. Виникають фазові помилки, які погіршують якість зображення, що знімається, знижується коефіцієнт посилення антени. Спотворення форми відбувається і в процесі експлуатації антен: під впливом вітру та атмосферних опадів; сили тяжіння; як наслідок нерівномірного прогріву поверхні сонячним промінням. З урахуванням цих факторів визначається допустиме сумарне відхилення профілю антени.
Якість матеріалу також впливає на характеристики антени. Для виготовлення супутникових антен в основному використовують сталь та дюралюміній.
Сталеві антени дешевші від алюмінієвих, але важче і більше схильні до корозії, тому для них особливо важлива антикорозійна обробка. Справа в тому, що у відображенні електромагнітного сигналу від поверхні бере участь дуже тонкий шар поверхні приповерхневого металу. У разі пошкодження його іржею значно знижується ефективність антени. Сталеву антену краще спочатку покрити тонким захисним шаром якогось кольорового металу (наприклад, цинку), а потім пофарбувати.
З алюмінієвими антенами цих проблем немає. Проте вони дещо дорожчі. Промисловість випускає пластикові антени. Їхні дзеркала з тонким металевим покриттям схильні до спотворень форми за рахунок різних зовнішніх впливів: температури, вітрових навантажень та ряду інших факторів. Існують сітчасті антени, стійкі до вітрових навантажень. Вони мають хороші вагові характеристики, але погано зарекомендували себе прийому сигналів Кі-діапазону. Такі антени доцільно використовуватиме прийомів сигналів С-діапазону.
Параболічна антена на перший погляд здається грубим шматком металу, але вона вимагає акуратного звернення при зберіганні, транспортуванні та монтажі. Будь-які спотворення форми антени призводять до різкого зниження її ефективності та погіршення якості зображення на екрані телевізора. Купуючи антену, необхідно звернути увагу на наявність спотворень робочої поверхні антени. Іноді буває, що при нанесенні антикорозійних та декоративних покриттів на дзеркало антени її «веде» і вона набуває форми пропелера. Перевірити це можна, поклавши антену на рівну підлогу: краї антени скрізь повинні торкатися поверхні.
Прийом сигналів супутникового телебачення здійснюється спеціальними приймальними пристроями, складовою яких є антена. Для професійного і аматорського прийомів передач з ШСЗ найбільш популярні параболічні антени, завдяки властивості параболоїда обертання відбивати промені, що падають на його апертуру, в одну точку, звану фокусом. Апертура – це частина площини, обмежена кромкою параболоїда обертання.
Параболоїд обертання, який використовується як відбивач антени, утворюється обертанням плоскої параболи навколо її осі. Параболою називається геометричне місце точок, рівновіддалених від заданої точки (фокусу) та заданої прямої (директриси) (рис. 6.1). Точка F – фокус та лінія АВ – директриса. Точка М з координатами х, у – одна з точок параболи. Відстань між фокусом і директрисою називається параметром параболи і позначається літерою. Тоді координати фокусу F такі: (р/2, 0). Початок координат (точка 0) називається вершиною параболи.
За визначенням параболи відрізки MF та РМ рівні. Відповідно до теореми Піфагора MF^2 = FK^2+ MK^2. У той самий час FK = = х - р/2, КМ = у і РМ = х + р/2, тоді (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.
Зводячи в квадрат вирази в дужках і наводячи подібні члени, остаточно отримуємо канонічне рівняння параболи:
у^2 = 2рх, або у = (2рх) ^ 0.5. (6.1)
За цією класичною формулою зроблено мільйони антен для прийому сигналів супутникового телебачення. Чим же заслужила на увагу ця антена?
Паралельні осі параболоїда, промені (радіохвилі) від супутника, відбиті від апертури до фокусу, проходять однакову (фокусну відстань). Умовно два промені (1 та 2) падають на площу розкриття параболоїда у різних точках (рис. 6.2). Однак відбиті сигнали обох променів проходять до фокусу F однакову відстань. Це означає, що відстань A+B=C+D. Таким чином, всі промені, які випромінює передавальна антена супутника і на яку направлено дзеркало парабо
лоїди, концентруються синфазно у фокусі F. Цей факт доводиться математично (рис. 6.3).
Вибір параметра параболи визначає глибину параболоїда, тобто відстань між вершиною та фокусом. При однаковому діаметрі апертури короткофокусні параболоїди мають велику глибину, що робить вкрай незручним установку опромінювача у фокусі. Крім того, у короткофокусних параболоїдах відстань від опромінювача до вершини дзеркала значно менша, ніж до його країв, що призводить до нерівномірності амплітуд у опромінювача для хвиль, що відбилися від краю параболоїда та від зони, близької до вершини.
Довгофокусні параболоїди мають меншу глибину, встановлення опромінювача є більш зручним і амплітудне розподіл стає більш рівномірним. Так, при діаметрі апертури 1,2 м та параметрі 200 мм глибина параболоїда дорівнює 900 мм, а при параметрі 750 мм – всього 240 мм. Якщо параметр перевищує радіус апертури, фокус, в якому повинен бути опромінювач, розташовується поза обсягом, обмеженим параболоїдом і апертурою. Оптимальним вважається варіант, коли параметр дещо більший, ніж радіус апертури.
Супутникова антена - єдиний підсилюючий елемент приймальної системи, який вносить власних шумів і погіршує сигнал, отже, і зображення. Антени із дзеркалом у вигляді параболоїда обертання поділяються на два основні класи: симетричний параболічний рефлектор та асиметричний (рис. 6.4, 6.5). Перший тип антен прийнято називати прямофокусними, другий – офсетними.
Офсетна антена є хіба що вирізаним сегментом параболи. Фокус такого сегмента розташований нижче за геометричний центр антени. Це усуває затінення корисної площі антени опромінювачем та його опорами, що підвищує її коефіцієнт корисного використання при однаковій площі дзеркала з осесиметричною антеною. До того ж, опромінювач встановлений нижче центру ваги антени, тим самим збільшуючи її стійкість при вітрових
Саме така конструкція антени найбільш поширена в індивідуальному прийомі супутникового телебачення, хоча нині використовуються інші принципи побудови наземних супутникових антен.
Офсетні антени доцільно використовувати, якщо для стійкого прийому програм обраного супутника необхідний розмір антени до 1,5 м, оскільки зі збільшенням загальної площі антени ефект затінення дзеркала стає меншим.
Офсетна антена кріпиться майже вертикально. Залежно від географічної широти кут її нахилу трохи
змінюється. Таке положення виключає збирання в чаші антени атмосферних опадів, які впливають на якість прийому.
Принцип роботи (фокусування) прямофокусної (осесиметричної) та офсетної (асиметричної) антен показано на рис. 6.6.
Для антен особливе значення мають показники спрямованості. Завдяки можливості використовувати антени з високою просторовою вибірковістю здійснюється прийом супутникового телебачення. Найважливішими характеристиками антен є коефіцієнт посилення та діаграма спрямованості.
Коефіцієнт посилення параболічної антени залежить від діаметра параболоїда: що більше діаметр дзеркала, то вище коефіцієнт посилення.
Залежність коефіцієнта посилення параболічної антени від діаметра наведена нижче.
Роль коефіцієнта посилення параболічної антени можна проаналізувати за допомогою електричної лампочки (рис. 6.7 а). Світло поступово розсіюється в навколишнє місце, і око спостерігача відчуває певний рівень освітленості, відповідний потужності електролампочки.
Однак якщо джерело світла помістити у фокус параболоїда з коефіцієнтом посилення 300 разів (рис. 6.7 б), його промені після відображення поверхнею параболоїда виявляться паралельні його осі, а сила кольору буде еквівалентна джерелу потужністю 13 500 Вт. Таку освітленість очей спостерігача сприйняти не може. На цій властивості, зокрема, засновано принцип роботи прожектора.
Таким чином, антенний параболоїд, строго кажучи, не є антеною в її розумінні перетворення напруженості електромагнітного поля на напругу сигналу. Параболоїд - це лише відбивач радіохвиль, що концентрує їх у фокусі, куди і має бути помішана активна антена (опромінювач).
Діаграма спрямованості антени (рис. 6.8) характеризує залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, що створюється у певній точці, від напрямку цієї точки. При цьому відстань від антени до цієї точки залишається постійною.
Збільшення коефіцієнта посилення антени тягне у себе звуження головного пелюстки діаграми спрямованості, а звуження його до величини менше 1° призводить до необхідності постачати антену системою стеження, оскільки геостаціонарні супутники здійснюють коливання навколо свого стаціонарного становища на орбіті. Збільшення ширини діаграми спрямованості призводить до зниження коефіцієнта посилення, отже, і зменшення потужності сигналу на вході приймача. Виходячи з цього, оптимальною шириною головної пелюстки діаграми спрямованості є
ся ширина в 1...2° за умови, що антена супутника, що передає, утримується на орбіті з точністю ±0,1°.
Наявність бічних пелюсток у діаграмі спрямованості також знижує коефіцієнт посилення антени та підвищує можливість прийому перешкод. Багато в чому ширина і зміна діаграми спрямованості залежить від форми і діаметра дзеркала приймаючої антени.
Найважливішою характеристикою параболічної антени є точність форми. Вона має з мінімальними помилками повторювати форму параболоїда обертання. Точність дотримання форми визначає коефіцієнт посилення антени та її діаграму спрямованості.
Виготовити антену із поверхнею ідеального параболоїда практично неможливо. Будь-яке відхилення від реальної форми параболічного дзеркала від ідеальної впливає на характеристики антени. Виникають фазові помилки, які погіршують якість зображення, що знімається, знижується коефіцієнт посилення антени. Спотворення форми відбувається і в процесі експлуатації антен: під впливом вітру та атмосферних опадів; сили тяжіння; як наслідок нерівномірного прогріву поверхні сонячним промінням. З урахуванням цих факторів визначається допустиме сумарне відхилення профілю антени.
Якість матеріалу також впливає на характеристики антени. Для виготовлення супутникових антен в основному використовують сталь та дюралюміній.
Сталеві антени дешевші від алюмінієвих, але важче і більше схильні до корозії, тому для них особливо важлива антикорозійна обробка. Справа в тому, що у відображенні електромагнітного сигналу від поверхні бере участь дуже тонкий шар поверхні приповерхневого металу. У разі пошкодження його іржею значно знижується ефективність антени. Сталеву антену краще спочатку покрити тонким захисним шаром якогось кольорового металу (наприклад, цинку), а потім пофарбувати.
З алюмінієвими антенами цих проблем немає. Проте вони дещо дорожчі. Промисловість випускає пластикові антени. Їхні дзеркала з тонким металевим покриттям схильні до спотворень форми за рахунок різних зовнішніх впливів: температури, вітрових навантажень та ряду інших факторів. Існують сітчасті антени, стійкі до вітрових навантажень. Вони мають хороші вагові характеристики, але погано зарекомендували себе прийому сигналів Кі-діапазону. Такі антени доцільно використовуватиме прийомів сигналів С-діапазону.
Параболічна антена на перший погляд здається грубим шматком металу, але вона вимагає акуратного звернення при зберіганні, транспортуванні та монтажі. Будь-які спотворення форми антени призводять до різкого зниження її ефективності та погіршення якості зображення на екрані телевізора. Купуючи антену, необхідно звернути увагу на наявність спотворень робочої поверхні антени. Іноді буває, що при нанесенні антикорозійних та декоративних покриттів на дзеркало антени її «веде» і вона набуває форми пропелера. Перевірити це можна, поклавши антену на рівну підлогу: краї антени скрізь повинні торкатися поверхні.
Прийом сигналів супутникового телебачення здійснюється спеціальними приймальними пристроями, складовою яких є антена. Для професійного і аматорського прийомів передач з ШСЗ найбільш популярні параболічні антени, завдяки властивості параболоїда обертання відбивати промені, що падають на його апертуру, в одну точку, звану фокусом. Апертура – це частина площини, обмежена кромкою параболоїда обертання.
Параболоїд обертання, який використовується як відбивач антени, утворюється обертанням плоскої параболи навколо її осі. Параболою називається геометричне місце точок, рівновіддалених від заданої точки (фокусу) та заданої прямої (директриси) (рис. 6.1). Точка F – фокус та лінія АВ – директриса. Точка М з координатами х, у – одна з точок параболи. Відстань між фокусом і директрисою називається параметром параболи і позначається літерою. Тоді координати фокусу F такі: (р/2, 0). Початок координат (точка 0) називається вершиною параболи.
За визначенням параболи відрізки MF та РМ рівні. Відповідно до теореми Піфагора MF^2 = FK^2+ MK^2. У той самий час FK = = х - р/2, КМ = у і РМ = х + р/2, тоді (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.
Зводячи в квадрат вирази в дужках і наводячи подібні члени, остаточно отримуємо канонічне рівняння параболи:
у^2 = 2рх, або у = (2рх) ^ 0.5. (6.1)
За цією класичною формулою зроблено мільйони антен для прийому сигналів супутникового телебачення. Чим же заслужила на увагу ця антена?
Паралельні осі параболоїда, промені (радіохвилі) від супутника, відбиті від апертури до фокусу, проходять однакову (фокусну відстань). Умовно два промені (1 та 2) падають на площу розкриття параболоїда у різних точках (рис. 6.2). Однак відбиті сигнали обох променів проходять до фокусу F однакову відстань. Це означає, що відстань A+B=C+D. Таким чином, всі промені, які випромінює передавальна антена супутника і на яку направлено дзеркало парабо
лоїди, концентруються синфазно у фокусі F. Цей факт доводиться математично (рис. 6.3).
Вибір параметра параболи визначає глибину параболоїда, тобто відстань між вершиною та фокусом. При однаковому діаметрі апертури короткофокусні параболоїди мають велику глибину, що робить вкрай незручним установку опромінювача у фокусі. Крім того, у короткофокусних параболоїдах відстань від опромінювача до вершини дзеркала значно менша, ніж до його країв, що призводить до нерівномірності амплітуд у опромінювача для хвиль, що відбилися від краю параболоїда та від зони, близької до вершини.
Довгофокусні параболоїди мають меншу глибину, встановлення опромінювача є більш зручним і амплітудне розподіл стає більш рівномірним. Так, при діаметрі апертури 1,2 м та параметрі 200 мм глибина параболоїда дорівнює 900 мм, а при параметрі 750 мм – всього 240 мм. Якщо параметр перевищує радіус апертури, фокус, в якому повинен бути опромінювач, розташовується поза обсягом, обмеженим параболоїдом і апертурою. Оптимальним вважається варіант, коли параметр дещо більший, ніж радіус апертури.
Супутникова антена - єдиний підсилюючий елемент приймальної системи, який вносить власних шумів і погіршує сигнал, отже, і зображення. Антени із дзеркалом у вигляді параболоїда обертання поділяються на два основні класи: симетричний параболічний рефлектор та асиметричний (рис. 6.4, 6.5). Перший тип антен прийнято називати прямофокусними, другий – офсетними.
Офсетна антена є хіба що вирізаним сегментом параболи. Фокус такого сегмента розташований нижче за геометричний центр антени. Це усуває затінення корисної площі антени опромінювачем та його опорами, що підвищує її коефіцієнт корисного використання при однаковій площі дзеркала з осесиметричною антеною. До того ж, опромінювач встановлений нижче центру ваги антени, тим самим збільшуючи її стійкість при вітрових
Саме така конструкція антени найбільш поширена в індивідуальному прийомі супутникового телебачення, хоча нині використовуються інші принципи побудови наземних супутникових антен.
Офсетні антени доцільно використовувати, якщо для стійкого прийому програм обраного супутника необхідний розмір антени до 1,5 м, оскільки зі збільшенням загальної площі антени ефект затінення дзеркала стає меншим.
Офсетна антена кріпиться майже вертикально. Залежно від географічної широти кут її нахилу трохи
змінюється. Таке положення виключає збирання в чаші антени атмосферних опадів, які впливають на якість прийому.
Принцип роботи (фокусування) прямофокусної (осесиметричної) та офсетної (асиметричної) антен показано на рис. 6.6.
Для антен особливе значення мають показники спрямованості. Завдяки можливості використовувати антени з високою просторовою вибірковістю здійснюється прийом супутникового телебачення. Найважливішими характеристиками антен є коефіцієнт посилення та діаграма спрямованості.
Коефіцієнт посилення параболічної антени залежить від діаметра параболоїда: що більше діаметр дзеркала, то вище коефіцієнт посилення.
Залежність коефіцієнта посилення параболічної антени від діаметра наведена нижче.
Роль коефіцієнта посилення параболічної антени можна проаналізувати за допомогою електричної лампочки (рис. 6.7 а). Світло поступово розсіюється в навколишнє місце, і око спостерігача відчуває певний рівень освітленості, відповідний потужності електролампочки.
Однак якщо джерело світла помістити у фокус параболоїда з коефіцієнтом посилення 300 разів (рис. 6.7 б), його промені після відображення поверхнею параболоїда виявляться паралельні його осі, а сила кольору буде еквівалентна джерелу потужністю 13 500 Вт. Таку освітленість очей спостерігача сприйняти не може. На цій властивості, зокрема, засновано принцип роботи прожектора.
Таким чином, антенний параболоїд, строго кажучи, не є антеною в її розумінні перетворення напруженості електромагнітного поля на напругу сигналу. Параболоїд - це лише відбивач радіохвиль, що концентрує їх у фокусі, куди і має бути помішана активна антена (опромінювач).
Діаграма спрямованості антени (рис. 6.8) характеризує залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, що створюється у певній точці, від напрямку цієї точки. При цьому відстань від антени до цієї точки залишається постійною.
Збільшення коефіцієнта посилення антени тягне у себе звуження головного пелюстки діаграми спрямованості, а звуження його до величини менше 1° призводить до необхідності постачати антену системою стеження, оскільки геостаціонарні супутники здійснюють коливання навколо свого стаціонарного становища на орбіті. Збільшення ширини діаграми спрямованості призводить до зниження коефіцієнта посилення, отже, і зменшення потужності сигналу на вході приймача. Виходячи з цього, оптимальною шириною головної пелюстки діаграми спрямованості є
ся ширина в 1...2° за умови, що антена супутника, що передає, утримується на орбіті з точністю ±0,1°.
Наявність бічних пелюсток у діаграмі спрямованості також знижує коефіцієнт посилення антени та підвищує можливість прийому перешкод. Багато в чому ширина і зміна діаграми спрямованості залежить від форми і діаметра дзеркала приймаючої антени.
Найважливішою характеристикою параболічної антени є точність форми. Вона має з мінімальними помилками повторювати форму параболоїда обертання. Точність дотримання форми визначає коефіцієнт посилення антени та її діаграму спрямованості.
Виготовити антену із поверхнею ідеального параболоїда практично неможливо. Будь-яке відхилення від реальної форми параболічного дзеркала від ідеальної впливає на характеристики антени. Виникають фазові помилки, які погіршують якість зображення, що знімається, знижується коефіцієнт посилення антени. Спотворення форми відбувається і в процесі експлуатації антен: під впливом вітру та атмосферних опадів; сили тяжіння; як наслідок нерівномірного прогріву поверхні сонячним промінням. З урахуванням цих факторів визначається допустиме сумарне відхилення профілю антени.
Якість матеріалу також впливає на характеристики антени. Для виготовлення супутникових антен в основному використовують сталь та дюралюміній.
Сталеві антени дешевші від алюмінієвих, але важче і більше схильні до корозії, тому для них особливо важлива антикорозійна обробка. Справа в тому, що у відображенні електромагнітного сигналу від поверхні бере участь дуже тонкий шар поверхні приповерхневого металу. У разі пошкодження його іржею значно знижується ефективність антени. Сталеву антену краще спочатку покрити тонким захисним шаром якогось кольорового металу (наприклад, цинку), а потім пофарбувати.
З алюмінієвими антенами цих проблем немає. Проте вони дещо дорожчі. Промисловість випускає пластикові антени. Їхні дзеркала з тонким металевим покриттям схильні до спотворень форми за рахунок різних зовнішніх впливів: температури, вітрових навантажень та ряду інших факторів. Існують сітчасті антени, стійкі до вітрових навантажень. Вони мають хороші вагові характеристики, але погано зарекомендували себе прийому сигналів Кі-діапазону. Такі антени доцільно використовуватиме прийомів сигналів С-діапазону.
Параболічна антена на перший погляд здається грубим шматком металу, але вона вимагає акуратного звернення при зберіганні, транспортуванні та монтажі. Будь-які спотворення форми антени призводять до різкого зниження її ефективності та погіршення якості зображення на екрані телевізора. Купуючи антену, необхідно звернути увагу на наявність спотворень робочої поверхні антени. Іноді буває, що при нанесенні антикорозійних та декоративних покриттів на дзеркало антени її «веде» і вона набуває форми пропелера. Перевірити це можна, поклавши антену на рівну підлогу: краї антени скрізь повинні торкатися поверхні.
Ор-бі-та супут-ни-ка носить назву гео-ста-ци-о-нар-ної, якщо при обертанні Зем-лі супут-ник завжди ви- сит над однією і тією ж точкою земної поверхні. Такі ор-бі-ти за-часту викорис-зу-ють-ся в системах зв'язки і по-зі-ці-о-ні-ро-ва-ня.
Супутник, ко-то-рий Ви бачи-те на кар-тин-ці, яв-ля-ється сим-во-лом кос-мі-че-ської про-грам-ми на-шей стра -Ни. Це «СОЮЗ-ТМ».
А ось так у якийсь момент ви-гля-де-ла за-став-ка про-грам-ми «Час» - основний ін-фор-ма-ці-он- ної ті-ле-про-грам-ми країни.
Ну а в мульт-філь-мі ми по-див-рим, як про-ис-хо-дит про-цесс пе-ре-да-чи сиг-на-ла, на-при-мер, совре-мен-но -го супут-ні-ко-во-го теле-ви-де-ня.
Про-ведемо пря-му і назвемо її ди-рек-три-сой. Візьмемо крапку поза нею. Гео-мет-ри-че-ське мі-сто то-чок, рів-но-уда-лен-них від ді-рек-трі-си і дан-ної точ-ки (фо-ку-са), на- зи-ва-є-ся па-ра-бо-лой.
Якщо направити на параболі лучі світла, паралельні її осі сім'ї, то всі промені беруться у фо-ку-сі пара-болі. Це влас-ство на-зи-ва-є-ся оп-ти-че-ским влас-ством па-ра-бо-ли.
Правильно і зворотне. Якщо по-містити лам-поч-ку в фо-кус, то лучі, від-разившись від пара-боли, підуть параллельно, причому межа світла буде прямою.
Якщо про-вра-щать па-ра-бо-лу від-но-си-тель-но її осі сим-метрії, то по-лу-чит-ся вже по-верх-ність вра-ще- ня вто-ро-го по-ряд-ка - па-ра-бо-ло-ід. Так як в будь-якому сі-че-ні плос-кістю, що містить вісь сим-метрії, по-лу-ча-ет-ся од-на і та ж пара-ра- бо-ла, то оп-ти-че-ское влас-ство вір-но і для па-ра-бо-ло-і-да. Якщо по-містити лам-поч-ку у фо-кус па-ра-бо-ло-і-да, то промені, від-ра-зив-шись від по-верх-но-сті, підуть пар-рал-лель-но друг дру-гу. Зворотне те ж вірно.
Імен-но це влас-ство іс-поль-зу-ет-ся в супут-ні-ко-вих па-ра-бо-лі-че-ських ан-тен-нах. Оскільки супутник на-хо-дит-ся дуже да-ле-ко від ан-тен-ни, то промені мож-но вважати майже пара-лель-ни-ми, і при -єм-нік сиг-на-ла став-ся в фо-кус па-ра-бо-ло-і-да.
Додаткова інформація:
На ла-ти-ні focusозна-ча-є «вогнище, вогонь». Як ма-те-ма-ти-че-ський тер-мін слово «фо-кус»
Завантаження...