Плоские антенны сейчас уже не являются экзотикой, хотя и широко распространенными и используемыми их тоже назвать нельзя. Каждый любитель (о профессионалах и речи нет) спутникового телевидения наверняка хоть раз видел плоскую антенну - если не "живьем", то хотя бы на картинке.
Но, вероятно, далеко не каждый видевший более или менее четко представляет, что к чему в этой плоской антенне относится и за счет чего, собственно говоря, осуществляется прием сигналов.
В западной спутниковой прессе вопрос освещается примерно следующим образом и вот в таком ключе: "Понятно, что параболические антенны - прямофокусные и офсетные - очень тривиальны и всем уже давно набили оскомину. Они громоздки - если не физически, то уж визуально точно; в них набирается снег и дождь (в основном это касается прямофокусных), и вообще они начинают морально устаревать."
Под влиянием подобных сентенций поневоле создастся впечатление, что именно эти причины и плюс еще одна, самая главная - недовольство домовладельцев внешним видом своих домов, увешанных тарелками антенн, - побуждают инженеров всех стран ломать головы над наилучшим техническим воплощением идеи плоской спутниковой антенны. При этом еще следует учесть, что и в размерах плоская антенна ничуть не уступает параболическим, - например, антенна размером 60х60 см соответствует по своим параметрам приема офсетной антенне диаметром 60 см.
рис1.gif
Рис. 1 а, б - плоская спутниковая антенна и вариант ее крепления.
Плоские антенны созданы на основе полосковых излучателей, соединенных параллельно и образующих таким образом плоскую антенную решетку, способную принимать электромагнитные сигналы.
Конструктивно антенна представляет собой диэлектрик, на который по интегральной технологии наносятся медные проводники – микрополоски определенной формы и размеров.
С обратной стороны диэлектрика наносится сплошной слой проводника, который играет роль рефлектора и оказывает существенное влияние на диаграмму направленности.
Характерные размеры полосковых излучателей кратны длине волны принимаемого сигнала, все эти маленькие элементики синфазно соединены с собирательными шинами, сведенными к центру антенны, где находится конвертор. Сигналы могут приниматься, грубо говоря, со всех возможных направлений, или, другими словами, плоские антенны обладают большим углом раскрыва и широкой диаграммой направленности со значительными боковыми лепестками. Таким образом, коэффициент направленного действия таких антенн несколько ниже, чем у зеркальных антенн соответствующей площади.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности плоской антенны - как, впрочем, и зеркальной - определяется главным образом ее размерами. Для зеркальной антенны эта зависимость обусловлена тем, что сигнал лучше и с меньшими аберрациями (искажениями, вызванными неидеальностью самого зеркала) фокусируется именно большими зеркалами. Полосковые излучатели, как уже говорилось, способны принимать - каждый в отдельности - электромагнитные сигналы практически со всех направлений. Но стоит их синфазно соединить друг с другом, как появляется уже определенная направленность, которая тем сильнее, чем большее количество элементиков соединено.
Наименьший уровень боковых лепестков у плоской антенны создается в плоскости, проходящей через ее диагональ.
Значит, при приеме сигналов со спутников на геостационарной орбите диагональ раскрыва антенны необходимо располагать перпендикулярно поверхности Земли. Это обеспечит минимальную шумовую температуру антенны (т.е. уровень шумов в градусах Кельвина), так как она определяется в основном внешними шумами - космическими, атмосферными и, главным образом, тепловыми шумами земной поверхности. А их влияние тем меньше, чем выше в зенит направлен основной лепесток диаграммы направленности, чем уже сама эта диаграмма и чем ниже уровень боковых лепестков, направленных на Землю.
К основным достоинствам плоских антенн прежде всего следует отнести:
- высокую технологичность изготовления, а значит и высокую воспроизодимость параметров;
- крепление конвертера с обратной стороной антенны не закрывает зеркало тенью;
- возможность электрического управления диаграммой направленности;
- снижение ветровых нагрузок примерно на 10-20% по сравнению с зеркальными антеннами;
- невосприимчивость к воздействию прямых солнечных лучей, дождя, снега и ветра на зеркало антенны;
- простота перевозки, хранения и установки;
- возможность применения в случае, если крайне нежелательно нарушение внешнего вида здания либо его архитектуры - антенна не выделяется на фоне внешней облицовки здания, что делает её незаметной; для достижения эффекта скрытности применяется специальная радиопрозрачная краска, а также фотография стены здания позади антенны;
- малая масса.
Недостатками плоских антенн, затрудняющих их использование при индивидуальном приеме спутникового телевидения, являются:
- невозможность приема сигналов с различными видами поляризации (то есть для каждого вида поляризации требуется своя антенна), что неприемлемо для частного потребителя;
- меньший по сравнению со стандартными параболическими антеннами коэффициент усиления сигнала.
Таким образом, на основе тех несложных физических соображений, которые мы, собственно, уже и произвели, и на основе эксплуатационных испытаний можно заключить, что плоские антенны по своим приемным качествам вполне соответствуют зеркальным офсетным антеннам соответствующей площади и могут без опасений и ограничений использоваться для приема спутниковых трансляций везде там, где с этим справляются офсетные. Все же вышеперечисленные достоинства - технологичность изготовления, меньшие ветровые нагрузки и пр. - идут плоским антеннам, естественно, в плюс и вполне можно ожидать, что будущее - и довольно обозримое будущее - за ними.
Наибольший интерес представляет опорно-поворотное устройство (ОПУ), позволяющее перемещать антенну относительно двух осей: вертикальной t (или) горизонтальной.
При азимутально-угломестной подвеске зеркало может вращаться относительно вертикальной и горизонтальной осей независимо (рис. 3). В этот случае точная настройка антенны с одного спутника на другой – непростая двухкоординатная задача. Поэтому в индивидуальных спутниковых системах такая подвеска крепится жестко, т. е. перемещение антенны не предусмотрено.
При полярной подвеске антенна вращается вокруг оси, совпадающей с направлением на Полярную звезду (рис. 4).
Электропривод опорно-поворотного устройства (ОПУ) состоит из электродвигателя и выдвижной штанги, перемещение которой обеспечивает поворот антенны вокруг вертикальной оси.
рис3.gif
Рис. 3 - Азимутально-угломестная подвеска
Позиционер запоминает или иное положение антенны в виде определенного кода, а затем при наборе этого кода устанавливает антенну строго в соответствующее положение. Кроме возможности обеспечивать необходимую ориентацию антенны, ОПУ должно иметь достаточно прочную конструкцию, ибо на антенную систему приходятся значительные ветровые нагрузки. Подвеска антенны должна быть такой, чтобы отклонение оси антенны, вызванное давлением ветра, не превышало 0,1° ширины диаграммы направленности главного лепестка.
При установке и настройке приемной антенны на какой-либо геостационарный спутник – ретранслятор, необходимо произвести расчет координат. Поскольку каждый спутник, находящийся на геостационарной орбите постоянно находится над определенной точкой поверхности Земли, направление на данный спутник остается неизменным и определяется только географическими координатами мест приема и местоположением самого спутника.
рис4.gif
Рис. 4 - Основы конструкции антенны с полярной подвеской
Направление характеризуется двумя параметрами: углом места и азимутом.
Исходными для расчета данными являются следующие географические координаты:
В – широта места приема, в градусах (северная или южная);
L – долгота места приема, в градусах (западная или восточная);
L – долгота спутника, в град.
Для данных расчетов используются только геодезические координаты, с максимальной точностью, лучше всего определять координаты точки приема по топографической карте.
Знак «+» используется в случае, когда спутник расположен западнее места приема, а знак «-», если восточнее.
Рассмотренный метод ориентирования антенны по направлению на ИСЗ называется азимутально-угломестными, т. к. оно производится по двум координатам: по азимуту и по углу места. Отличительная особенность этого метода ориентирования состоит в том, что для ориентирования по азимуту антенна вращается вокруг оси, расположенной вертикально относительно поверхности земли, которая называется азимутальной осью опорно-поворотного устройства антенны. Поэтому на любой широте точки приема за исключением северного и южного полюсов азимутальная ось пересекает плоскость экватора и, соответственно, плоскость геостационарной орбиты под некоторым острым углом, это приводит к тому, что каждому спутнику, размещенному на геостационарной орбите, соответствуют для данной точки приема персональные знания азимута и угла места направления антенны.
Для полярной ориентации по-прежнему требуется наличие механизма вертикальной оси и поворота антенны вокруг этой оси, а также механизма поворота антенны по углу места. Однако, эти механизмы используются только один раз, при установке антенны. В дальнейшем переориентирование антенны с одного спутника на другой осуществляется только поворотом вокруг полярной оси.
Плоские спутниковые антенны
Линейный вид
