Спутниковые параболические антенны: свойства, особенности, принцип работы

Устройство, имеющее отражатель, работа которого основана на оптических свойствах параболы. Зеркало такой тарелки выполнено в виде параболоида вращения (образованная параболой поверхность, вращающаяся вокруг своей оси), где отраженные от любой точки поверхности радиоволны достигают фокуса в одной фазе.

Зеркало такой антенны обладает изогнутой поверхностью с имеющим форму параболы поперечным сечением, собирает попадающие на него радиоволны в своем фокусе, где установлен облучатель.

Рефлектор тарелки изготавливается из материала, обладающего хорошей электрической проводимостью (алюминиевые сплавы, сталь), имеющего антикоррозионное покрытие. Также зеркало может быть выполнено из неметаллических материалов, таких, как пластмасса, углепластик, стеклопластик.

Конструкция антенны также предполагает наличие опорно-поворотного устройства (ОПУ), моторизованного или имеющего ручное управление, осуществляющего наведение системы на спутник, а также обеспечивающего стабильное положение тарелки. При работе в неблагоприятных климатических условиях конструкция может быть снабжена системой антиобледенения, представленной тепловыми пушками или нагревательными элементами.

Параболой называется геометрическое место точек, удаленных на одинаковое расстояние от называемой директрисой прямой и от точки, не лежащей на ней (фокуса).

Параболу отражает график функции: y = ax2+bx+c. Ее оптические свойства заключаются в следующем: лучи, отражающиеся от помещенного в фокус параболы точечного источника света, будут перемещаться по оси симметрии параболы, а передний фронт будет проходить перпендикулярно этой оси. Если же на параболу попадает пучок параллельных оси симметрии лучей, то они одновременно придут к фокусу, отразившись от параболы, если передний фронт потока проходит перпендикулярно оси.

По этому же принципу построена работа параболического отражателя: при расположении излучателя в фокусе, отраженные от поверхности зеркала лучи будут двигаться параллельно оси вращения параболоида. Также при попадании на него лучей, параллельных оси, они собираются в фокусе.

Параболические спутниковые антенны делятся на несколько видов:

Зеркало такой тарелки симметрично, а фокус его находится на оси симметрии. Перед зеркалом в точке фокусировки расположен облучатель. Применяются также схемы с двумя зеркалами, уменьшающие шумовую температуру, размеры антенны, однако расчет их сложен, как и изготовление с последующей настройкой.

Прямофокусная тарелка позволяет задействовать около 90% полезной площади, что важно для бесперебойного приема спутникового сигнала. Однако конструкция имеет форму чаши, где легко скапливаются осадки, а конвертер может затенять полезную площадь, что приводит к снижению эффективности. Поэтому прямофокусная схема применяется для антенн большого диаметра (от 1.5−2 метров).

Представлена асимметричной вырезкой из параболоида вращения. Имеет смещенный в сторону от центра облучатель, где диаграмма направленности также «сдвинута» относительно оси отражателя на угол смещения (или офсета).

Зеркало овальной формы расположено почти вертикально или направлено вниз, а облучатель, установленный ниже центра тяжести тарелки, увеличивает сопротивление ветровым нагрузкам. Также устройства подобного типа могут принимать спутниковый сигнал большей мощности, компактны, просты в установке, не собирают осадки благодаря тому, что направлены вниз. Однако конвертер таких антенн открыт и подвергается воздействию влаги, поэтому требует дополнительной защиты.

Представлена системой зеркал, имеющих двойное отражение, основанной на принципах работы оптического телескопа Кассегрена. Конструкцию составляют главное параболическое зеркало и дополнительное гиперболическое зеркало. Один из двойных гиперболических фокусов находится в фокусе всей системы по центру излучателя, другой — в фокусе параболы. Источник питания находится на антенне или позади, освещая вторичное зеркало в фокусе. Отражаясь от гиперболического зеркала, лучи идут к основному рефлектору, который снова отражает их вперед, что формирует выходящий луч.

Антенна Кассегрена широко распространена для функционирования в миллиметровом волновом диапазоне. Не требует подвешивания фидера перед зеркалом. Используется системами связи, работающими по типу «точка-точка», благодаря суженной диаграмме направленности, высокому коэффициенту усиления, а также системами спутниковой связи, радарами. Подобные тарелки экономически выгодны, имеют небольшие размеры, допускают различное размещение излучателя.

Напоминает конструкцию Кассегрена, однако кроме главного вогнутого параболического зеркала имеет расположенный перед ним вторичный рефлектор, представляющий собой часть эллипсоида вращения. Основной излучатель здесь расположен за главным фокусом. Конструкция исключает затенение полезной площади тарелки, что улучшает прием, поляризационные свойства.

Отражатель собирает электромагнитные волны в фокусе, где расположен облучатель, усиливая передаваемый спутником сигнал. Облучатель отправляет принятые волны к конвертеру, который преобразует частоту, передавая ее на ресивер, после чего сигнал отправляется к источнику трансляции.

Диаграмма направленности — это графически отображенная зависимость коэффициента усиления тарелки от ее направления в заданной плоскости.

Диаграмма направленности должна быть строго адаптирована к форме антенны, поскольку влияет на ее апертурную эффективность, определяющую усиление. При неполном засвечивании поверхности зеркала, усиление тарелки не достигает максимальных значений.

В то же время направленность не должна быть слишком узкой, иначе часть энергии растрачивается впустую, также уменьшая усиление. Система «зеркало-облучатель» требует согласования, что предполагает использование вспомогательной аппаратуры (диэлектрические линзы, рупоры и т. д.).

Отражает направление составляющей поля электромагнитной волны.

Различают несколько типов поляризации:

1. Линейная (направления компонентов магнитного и электрического поля постоянны):

● Вертикальная (электрическое поле перпендикулярно земной поверхности);
● Горизонтальная (электрическое поле проходит горизонтально земной поверхности).

2. Круговая (распространение сигнала происходит в обеих плоскостях — горизонтальной и вертикальной, но происходит сдвиг фазы на 90°).

Поляризация приемной и передающей антенн должна быть одинаковой для предотвращения потери усиления, ухудшения взаимосвязи сигнал/шум, возникновения помех.

Такие антенны имеют следующие основные характеристики:

Величина, характеризующая способность антенны к концентрации сигнала в одном направлении, пропорциональная эффективной площади антенны.

Зависит от выхода мощности за границы зеркала, а также распределения рабочей амплитуды поля по рабочей поверхности антенны. Зависит от множества факторов: от затенения рефлектора облучателем до неравномерного распределения поля после раскрыва.

Данная взаимосвязь делит устройства на короткофокусные, длиннофокусные и определяет выбор облучателя: чем меньше f/D, тем ближе к зеркалу расположен конвертер, тем глубже выполнен рефлектор.

Также данное соотношение связано с углом облучения, который, для эффективного использования полезной площади, должен соответствовать ширине главного лепестка диаграммы направленности.

Влияет на электрические параметры тарелки. Облучение малых зеркал происходит равномернее, что повышает коэффициент усиления. Однако широкий раскрыв тарелки приводит к увеличению уровня шума.

Подобные устройства имеют как преимущества, так и недостатки.

К преимуществам параболических антенн относятся:

● Широкополосность;
● Способность обеспечивать прием сигналов любой поляризации.

Недостатками такого типа антенн выступают:

● Большое количество механических частей;
● Зависимость от воздействия атмосферных осадков, климатических и других внешних факторов.

Требует поэтапного подхода, который включает:

1. Подготовку, включающую правильный монтаж, выбор оптимальных погодных условий (ясная, безветренная, сухая погода);

2. Настройку угла места, азимута при помощи специальных программ типа Satellite Antenna Alignment;

3. Поиск качественного сигнала путем активации ресивера и постепенного перемещения тарелки с последующей ее фиксацией в необходимом положении;

4. Точную подстройку положения системы путем отклонения антенны назад до установления самого сильного сигнала;

5. Настройку тюнера посредством выбора предложенных меню спутников, привязкой их к порту переключателя с дальнейшим сохранением настроек.

Подобные устройства широко используются для связи типа «точка-точка» для микроволновых ретрансляционных линий, беспроводных WAN/LAN, спутниковой, космической связи. Другая область применения параболических тарелок — радиолокация.