При словосочетании “спутниковая антенна” в воображении возникает параболическое зеркало, или попросту "тарелка". "Тарелки" в изобилии украшают стены наших домов. Им отведено значительное место в буклетах и прайс-листах фирм, торгующих спутниковым оборудованием. Они же рассматриваются в многочисленных статьях журнала "Теле-Спутник", посвященных выбору и настройке спутниковой антенны. И такое внимание в общем-то справедливо. Во многих случаях параболические зеркала остаются оптимальными для приема спутниковых трансляций. Это обстоятельство, однако, не дает основания обходить вниманием другие типы СВЧ антенн. Особенно теперь, с появлением проектов сотового телевидения и других эфирных сетей с интерактивными функциями. Каждая конструкция имеет свои плюсы и минусы, которыми и определяется сфера ее применения. Попробуем рассмотреть их особенности.
Плоская спутниковая антенна фирмы Technisat
Начнем, все-таки, с самых распространенных — параболических.
Принцип их действия иллюстрируется рис.1. В соответствии с законами
геометрической оптики плоская электромагнитная волна,
распространяющаяся перпендикулярно раскрыву антенны, после отражения от
параболоидной поверхности попадет в фокус параболоида.
В фокусе устанавливается конический рупорный облучатель, совмещенный с поляризатором.
По своим электрическим параметрам параболоидное зеркало во многом превосходит альтернативные типы антенн.
Одной из основных электрических характеристик любой антенны является коэффициент усиления G. Он прямо пропорционален коэффициенту направленного действия D:
G=Dхh, где h — к.п.д. антенны.
В свою очередь, коэффициент направленного действия антенны связан с ее эффективной площадью A через соотношение
D=4pА/l2, где l — длина волны
Эта несложная формула дает представление о влиянии площади антенны и длины принимаемой волны на обеспечиваемое антенной усиление.
Применительно к апертурным антеннам1:
А=Sxv, где S —
площадь раскрыва антенны,
v — коэффициент использования поверхности.
Параболические зеркала имеют широкий угол раскрыва и принципиально достижимый высокий коэффициент использования поверхности (0.4-0.7). Это обеспечивает высокий коэффициент усиления при умеренных размерах антенны. Коэффициент использования поверхности параболоидных зеркал определяется многими факторами — затенением зеркала облучателем, неточностью профиля зеркала, несовпадением облучателя с фокусом, потерями на кроссполяризацию2, неравномерностью распределения поля в раскрыве зеркала и рядом других.
Рис. 1 Параболическая антенна
Действие этих факторов зависит от исполнения, размеров и конкретной
формы антенны.
Параболоидные зеркала различаются, в частности, по величине отношения фокусного расстояния к диаметру раскрыва f/D.
К длиннофокусным относятся антенны с отношением f/D>0.5, а к короткофокусным — с отношением f/D<0.3. Фокусное расстояние, в свою очередь, связано с глубиной зеркала — чем ближе фокус, тем оно глубже.
Рис. 2 Офсетная антенна
Глубина зеркала заметно влияет на электрические параметры антенны. У
мелких зеркал меньше уровень кроссполяризации. Кроме того, они
облучаются более равномерно, чем глубокие, что позволяет получить более
узкую диаграмму направленности и более высокий коэффициент усиления. С
другой стороны, широкий раскрыв антенны приводит к увеличению боковых
лепестков, а следовательно, и уровня шума.
Короткофокусные антенны находят широкое применение в радиорелейных линиях, где первостепенное значение приобретает вопрос отстройки от помех. Их также удобно использовать в передвижных системах приема.
Для приема телевизионных спутниковых трансляций больше подходят длиннофокусные зеркала. Однако они требуют более точного расчета и настройки облучателя, поэтому, в основном, они производятся для профессионального приема, а в бытовых системах чаще используются антенны с отношением f/D 0.3-0.5 дБ.
К достоинствам параболических антенн следует отнести их широкополосность. Нижний частотный предел определяется условием
Рис. 3 Сферическая антенна
Еще одно несомненное достоинство параболических антенн —
способность принимать сигналы любой поляризации. Разделение
поляризаций, как правило, не сопряжено с потерями мощности. В
спутниковых сетях это дает возможность использовать одну частоту дважды.
Недостатками этого типа антенн являются большое количество механических частей и подверженность действию атмосферных факторов.
Воздействие ветра может исказить форму зеркала и понизить коэффициент использования поверхности. Это налагает серьезные требования к жесткости конструкции зеркала и опорно-поворотного устройства. На качество приема могут оказать влияние, неравномерный обогрев антенны солнечными лучами, коррозия материала и ряд других факторов. Это особенно ощутимо для профессиональных антенн больших диаметров. Серьезной проблемой может стать накопление снега или воды на поверхности зеркала.
Рис. 4 Замедляющая линза
Ускоряющая линза
Проблема накопления воды может быть решена использованием офсетных
зеркал, представляющих собой верхний сегмент параболоида. Принцип их
действия иллюстрируется рис. 2. В северных широтах они располагаются
практически перпендикулярно земле, и снег в них тоже почти не
накапливается. Правда, усиливаются проблемы с его налипанием на
поверхность облучателя.
Основным же преимуществом офсетных антенн является меньшее затенение поверхности зеркала конвертором и, как следствие, больший коэффициент использования поверхности (0.6-0.8). Выигрыш особенно ощутим для антенн с небольшим диаметром. Поле в раскрыве офсетной антенны имеет более сложную структуру, чем в раскрыве прямофокусной, что усложняет конструкцию облучателя. В большинстве случаев, электрические параметры офсетных антенн несколько хуже, чем у прямофокусных, в частности, намного выше уровень кроссполяризации. Однако длиннофокусные офсетные антенны при скрупулезном расчете облучателя могут иметь очень хорошие электрические параметры и использоваться в профессиональных системах.
Парусность конструкции может быть снижена за счет использования сетчатых или перфорированных антенн. Кроме того, перфорация зеркала с увеличением размеров отверстий к его краям позволяет уменьшить уровень боковых лепестков.
Прием с разных спутниковых позиций в общем случае требует переориентации параболической антенны. По теории зеркальных антенн сектор углов вокруг фокуса, в котором можно принимать сигнал без существенного снижения коэффициента усиления, составляет ±30. Именно на такой угол могут различаться спутниковые позиции, с которых можно вести прием на фиксированную антенну без потери уровня сигнала.
Сферическая спутниковая антенна
фирмы "Конкур"
При большем разнесении позиций необходим поворот зеркала, что приводит
к удорожанию подвески.
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). 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.
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.
Другой тип, получивший широкое распространение для приема СВЧ диапазона — плоские микрополосковые антенны. Они состоят из набора микрополосковых излучателей, нанесенных на диэлектрическую плату, которая, в свою очередь, располагается на металлическом экране. Экран выполняет роль рефлектора. Излучатели соединяются между собой, образуя антенную решетку. Электромагнитное поле, создаваемое такой трехслойной конструкцией, имеет сложную структуру и зависит от формы излучающих элементов, а также от толщины и материала диэлектрика. Микрополосковые излучатели синфазно соединены микрополосковыми фидерными линиями, которые собираются к месту расположения конвертора. Антенны могут различаться геометрией элементарных излучателей, их расположением на поверхности диэлектрика и способом их соединения. Существуют варианты многослойных антенн.
Расчет и конструирование микрополосковой антенны — многопараметрическая и во многом экспериментальная задача. В то же время, изготовление антенны при готовом фотошаблоне обходится гораздо дешевле параболической. То есть их выгодно производить массовыми тиражами.Дешевизна и высокая технологичность изготовления далеко не единственные достоинства микрополосковых антенн.
Они более ветроустойчивы, чем параболоидные зеркала, и на них практически не налипает снег. Они компактны, легки, удобны при перевозке и установке.
Однако по своим электрическим параметрам они пока уступают параболическим.
Одним из серьезных недостатков микрополосковых антенн является их узкополосность. Так, например, для приема всего Ku-диапазона потребуется не одна, а три микрополосковых антенны. Их резонансная частота определяется размерами элементарных излучателей, которые выбираются дольными резонансной длине волны. И уже при незначительном отклонении частоты эффективность приема резко падает. Расширения рабочей полосы частот можно добиться, используя излучающие элементы, рассчитанные на разную резонансную частоту. Такой способ, однако, приводит к увеличению площади антенны, что нежелательно из-за значительных потерь сигнала в полосковых фидерных линиях. Так, на частотах 11-12 ГГц они составляют 2-6 дБ/м.
Рабочая полоса может быть расширена и за счет использовании более толстого диэлектрического слоя. Однако при этом усиливаются поверхностные токи, что увеличивает боковые лепестки диаграммы направленности.
Технология изготовления микрополосковых антенн не позволяет получить высокий коэффициент усиления. Каждый отдельный излучающий элемент имеет слабонаправленную диаграмму. Коэффициент направленного действия антенны определяется количеством синфазно соединенных излучателей, то есть площадью антенны. А увеличение площади влечет за собой увеличение потерь в фидерных линиях. Кроме того, для полосковых антенн характерен довольно высокий уровень боковых лепестков и кроссмодуляции.
Наименьший уровень боковых лепестков формируется в плоскости, проходящей через диагональ антенны. Поэтому антенну располагают так, чтобы ее вертикаль была перпендикулярна поверхности земли. Это обеспечивает минимальный уровень шума, в сильной степени обусловленный тепловыми шумами земной поверхности.
Более хорошие параметры направленности показывают полосково-щелевые антенны. В таких антеннах излучение микрополоскового элемента пропускается через щель в диэлектрической пластине. Экранированность линий передач улучшает электрические параметры антенны. Однако сама антенна конструктивно усложняется и становится более громоздкой.
Еще одной проблемой в микрополосковых антеннах является разделение поляризаций.
Тип поляризации, принимаемой антенной (линейная или круговая), определяется формой микрополосковых излучателей. В большинстве микрополосковых антенн не предусмотрен механизм изменения типа поляризации. Последнее время стали появляться антенны со встроенными конверторами, изменение положения которых меняет линейную поляризацию на круговую и наоборот. Однако такое усовершенствование может быть получено только за счет снижения коэффициента использования поверхности антенны. Разделение поляризаций в пределах одного типа обычно происходит с помощью диодов, которые тоже “съедают” 0,5-1 дБ.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что микрополосковые антенны пока не могут заменить параболические там, где требуются высокие электрические показатели. Нельзя рекомендовать их и для построения максимально универсальной приемной системы.
С другой стороны, они оказываются удобной и дешевой альтернативой параболическим антеннам в случае приема определенного набора трансляций, передаваемых с достаточной мощностью и в узкой частотной полосе.
Для многопозиционного приема удобными могут оказаться фазированные антенные решетки (ФАР) на микрополосковых линиях, то есть антенны с электронным управлением диаграммой направленности.
При синфазном соединении излучающих элементов главный лепесток диаграммы расположен перпендикулярно плоскости антенны. Однако если в фидерных линиях установить фазовращатели и в каждом соседнем элементе изменить фазу принимаемого сигнала, то направление, по которому сигналы будут максимально усиливать друг друга, изменится. Фазовращатели выполняются на полупроводниковых диодах, варакторах или интегральных микросхемах. Использование ФАР для приема с разных позиций имеет хорошие перспективы. Оно не требует громоздкого поворотного устройства, и переход с одной позиции на другую происходит за доли секунды, то есть в сотни раз быстрее, чем при повороте параболической антенны5.
Полосковые и полосково-щелевые антенны широко используются в качестве абонентских в интерактивных системах MMDS и сетях сотового интерактивного телевидения. Это отчасти связано с тем, что принцип их действия позволяет создавать приемо-передающие антенны с сильно различающейся диаграммой направленности для приема и передачи.
В сетях сотового телевидения, которые начали проектироваться и разворачиваться в последнее время, вещание ведется на частотах Ка-диапазона (28-30 ГГц и 40-42 ГГц). Для приема таких коротких волн оправдано использование не только параболических и микрополосковых, но также рупорных и линзорупорных антенн.
Рупорная антенна
Рупорные антенны представляют собой конический или пирамидальный рупор,
соединенный с круглым или прямоугольным волноводом. В частности,
облучатель параболической антенны является маленькой рупорной антенной.
Рупорные антенны обладают массой достоинств. В отличие от плоских они могут работать в широком диапазоне частот. Диапазонность рупорной антенны ограничивается только питающим волноводом.
При равном коэффициенте усиления их диаграмма имеет меньший, чем у параболического зеркала, уровень боковых лепестков, и, как следствие, у них достижим более низкий уровень шума. В довершение всего они отличаются простотой изготовления.
Максимально достижимый коэффициент использования поверхности у рупорных антенн несколько ниже, чем у параболических, но главным их недостатком является конструкция. Поэтому до недавнего времени в качестве самостоятельных приемных антенн они почти не применялись. Однако в диапазоне миллиметровых волн довольно острую диаграмму направленности могут обеcпечить и рупоры небольших размеров. Одной из особенностей миллиметровых волн является способность многократно отражаться без сколько-нибудь заметной потери мощности. Низкий уровень боковых лепестков рупорных антенн помогает в борьбе против многолучевого приема.
При необходимости получить еще более острую диаграмму могут использоваться линзорупорные антенны. Линза, устанавливаемая на выходе рупора, трансформирует расходящийся пучок волн в параллельный.
Принцип действия линз иллюстрируется рис. 4. Как известно из физики, скорость распространения электромагнитной волны в разных средах отлична от скорости ее распространения в воздухе. В связи с этим различают ускоряющие и замедляющие линзы. Если среда линзы ускоряет распространение волн, то она выполняется с вогнутым профилем, а если замедляет — то с выпуклым. В любом случае профиль линзы рассчитывается так, чтобы оптическая длина пути от облучателя до поверхности раскрыва была одинакова.
Ускоряющие линзы набираются из металлических пластин. Принцип их действия аналогичен работе волновода, в котором, как известно, электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в воздухе. Коэффициент преломления таких линз сильно зависит от длины волны — то есть они принципиально узкополосны. Замедляющие линзы выполняются из искусственного диэлектрика.
За счет применения линзы можно получить очень острую диаграмму направленности в сочетании с малым уровнем боковых лепестков.
Для многопозиционного спутникового приема в широком секторе могут применяться сферические линзовые антенны. Они изготавливаются из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, изменяющейся по определенному закону. Это обеспечивает фокусировку проходящих через линзу параллельных лучей. Свойства такой линзы симметричны, и она может использоваться для приема с любого числа спутниковых позиций в произвольном секторе углов. Несмотря на очевидные достоинства таких антенн, они практически не получили распространения из-за высокой стоимости, связанной с необходимостью точного изготовления, громоздкостью и относительной сложностью их конструкции.
В завершение отметим, что, несмотря на неизменность общей теории антенн, технология их изготовления постоянно совершенствуется. Прогресс в области телекоммуникаций обуславливает появление все новых требований к параметрам антенн. Так что и в будущем можно ждать интересных технических решений, по-новому открывающих возможности антенн того или иного типа.