Спутниковые антенны: типы, принцип работы, особенности

Спутниковая антенна — это устройство, которое принимает и передает сигнал, транслируемый искусственными спутниками Земли.

Активная спутниковая антенна — основной узел спутниковой установки, поэтому перед выбором следует детально изучить и оценить параметры ее работы: качество приема сигнала, сложность установки и настройки, эксплуатацию в неблагоприятных условиях. Подобранная верно, она прослужит десятилетия.

С учетом конкретных задач используют разные типы антенн земных спутниковых станций. Несмотря на внешнее сходство, они отличаются по виду, размеру, конфигурации, принципу работы.

Искусственные спутники Земли расположены над экватором на геостационарной орбите.

Рефлектор (отражатель) простой спутниковой антенны собирает радиоволны в одной точке, усиливая сигнал, передаваемый спутником.

Зеркало антенны или рефлектор изготавливают из стали, алюминия, углепластика, стеклопластика, пластмассы. На отражатель наносят антикоррозийное покрытие, устойчивое к воздействию неблагоприятных внешних факторов (осадков, химических веществ).

В фокусе или фокальной плоскости антенны располагается облучатель, основная функция которого — передача принятой волны конвертеру — устройству, преобразующему частоту для транслирования ее на ресивер, который «расшифровывает» спутниковый сигнал.

Еще одна составляющая механизма — опорно-поворотное устройство. Его задача — ручное или моторизованное наведение антенны на спутник, а также обеспечение ее устойчивого положения даже при сильном ветре.

Антенны приема спутникового сигнала используют соответственно задачам, которые выполняет та или иная система спутниковой связи.

Востребованными отраслями считаются:

Выбор спутниковой антенны зависит от нужного диапазона частот, необходимого усиления, цены, способов монтажа, а также практического применения. Чтобы помочь вам принять решение, расскажем подробнее о каждом из видов.

Зеркало прямофокусной антенны симметрично. Оно напоминает поверхность, называемую параболоидом вращения, который образован движением параболы вокруг ее оси. Это исключает встречное подавление приходящих радиоволн в центральной точке, помогая им фокусироваться в одной фазе.

Облучатель такой спутниковой тарелки установлен в точке фокусировки, перед зеркалом. Возможно также использование схем с двумя зеркалами, которые хоть и сложнее при изготовлении, настройке, расчетах, но уменьшают шумовую температуру, делают антенну компактнее.

Во время работы прямофокусной антенны задействовано около 90% площади тарелки, так как волна проходит через каждый открытый участок, что важно для стабильного приема спутникового сигнала.

Чем больше диаметр прямофокусной антенны, тем стабильнее принимаемый сигнал. От того, какой спутник задействован при трансляции, зависит необходимый размер устройства, который может составлять от 0.9 до 3.7 м и выше. Прием сигнала ведется чаще в Ku― или C‑диапазоне.

Преимущества: эффективное использование всей площади зеркала, возможность применения конвертера с неплотно прилегающей крышкой за счет его положения (направлен вниз).

Недостатки: скопление осадков в «чаше», загораживание конвертером части зеркала, что приводит к эксплуатации неполной площади тарелки, сложный монтаж.

Конструктивно офсетная тарелка представляет собой асимметричный отрезок параболоида вращения, где в нижнем фокусе расположен облучатель. Отражатель, напоминающий по форме эллипс, после сборки расположен практически вертикально или смотрит вниз. Ниже центра тяжести антенны устанавливают облучатель, что повышает сопротивление ветровым нагрузкам.

Такие антенны для приема сигнала со спутника работают в диапазонах С или Ku. Не исключен прием в Ка-диапазоне или комбинация нескольких.

Антенны спутниковой связи до 2.5 метров изготавливают по офсетной схеме, чтобы не затенять зеркало облучателем и усилить прием сигнала.

Преимущества: способны принимать более мощный спутниковый сигнал, не накапливают осадки, так как «смотрят вниз», компактны, просты в установке.

Недостатки: открытый для воздействия влаги конвертер.

Такое устройство способно сформировать сразу несколько лучей (диаграмм направленности) в широком секторе.

Рефлектор этой универсальной спутниковой антенны объединяет признаки параболического и сферического зеркал. Сигнал, который ведущий рефлектор принимает со спутника, отражается на дополнительный, а после этого транслируется на облучатель конвертера. Это помогает обойтись без поворотных устройств (актуатора, мотоподвеса), улавливая сигнал одновременно от большого количества спутников на одну антенну.

Преимущества: два отражателя, возможность приема сигнала сразу с нескольких спутников без перемены положения зеркала.

Недостатки: сложность изготовления и настройки.

ФАР — класс антенн, состоящих из нескольких излучателей, где относительные фазы сигналов изменяются так, что эффективное излучение усиливается в одном желаемом векторе и подавляется в остальных.

Решетка представлена излучающими элементами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга в одной плоскости. С ними соединены сигналы микроволнового диапазона, совпадающие по фазе, имеющие равные амплитуды.

Сигнал микроволнового диапазона устанавливается задающим генератором, усиливается лампами бегущей волны, транзисторами.

Такой тип нужен для производства компактных антенн спутниковой связи разных диапазонов, которые потом работают как портативные спутниковые терминалы.

Преимущества: возможность быстрого переключения с одной цели на другую, высокий коэффициент усиления, функционирование даже при выходе из строя одиночных элементов.

Недостатки: ограниченная область сканирования, сложная структура, высокая стоимость.

АБВ — направленное устройство, где бегущая волна принимаемого сигнала проходит вдоль геометрической оси.

Это собирательная линия, где закреплено несколько вибраторов, находящихся равноудаленно.

Эти антенны применяются в диапазонах метровых (VHF), а также дециметровых (UHF) волн для связи со спутниками, находящимися на низких орбитах, получения данных с метеоспутников, телеметрии, для отдельных видов спутниковой связи специального назначения.

Преимущества: широкополосная, не требует настройки.

Недостатки: небольшой коэффициент усиления.

Устройства, излучающие свойства которых в любой момент времени практически одинаковы по всем направлениям.

С помощью ССА осуществляется связь через геостационарные или низкоорбитальные спутники, а также они нашли применение там, где нет возможности менять положение, контролировать работу приемного устройства — в спутниковой телефонии, радиовещании, системах спутниковой навигации.

Преимущества: автономность.

Недостатки: высокий уровень шума

Любая спутниковая тарелка выступает в роли зеркала, потому что сигнал от нее отражается на конвертер. Несмотря на то, что прямофокусные и офсетные тарелки похожи, между ними имеются различия.

У прямофокусной антенны конвертер со стойками мешают поступлению сигнала. Офсетная антенна может собирать волны на облучатель конвертера из-за смещенного в сторону фокуса сигнала, отражаемого рефлектором.

Отражающая поверхность спутниковой тарелки накрыта рефлектором офсетной антенны как козырьком. Прямофокусная антенна напоминает «чашу», поэтому атмосферные осадки попадают на открытое зеркало. Чем выше находится необходимый спутник, тем больше осадков будет собирать нижняя часть отражателя. Поэтому прямофокусную антенну зимой время от времени необходимо очищать от снега, а это сложно, если тарелка находится в труднодоступном месте. Однако при этом облучатель конвертера у нее смотрит ниже горизонта, защищая приемную часть от атмосферных осадков.

У офсетной же антенны конвертер остается «голым», хотя отражатель все же немного наклонен. Поэтому при скоплении влаги на облучателе, во время дождя или снегопада, сигнал становится неустойчивым, иногда пропадает, а зимой конвертер может даже обледенеть.

Еще одно отличие между двумя типами спутниковых тарелок: основная масса офсетной антенны приходится на кронштейн, к которому прикреплена тарелка, а также конвертер с облучателем. Поэтому при порывах ветра офсетная антенна будет устойчивее прямофокусной за счет перемещения центра тяжести к низу конструкции.

Офсетные антенны распространены благодаря своей компактности, неприхотливости при обслуживании, быстрой сборке.

Установить и настроить спутниковую антенну можно самостоятельно. Поговорим подробнее о том, как это сделать правильно для различных типов наведения.

Геостационарные спутники находятся над экватором, делая оборот вокруг Земли с промежутком времени, равным периоду вращения планеты.

Часто необходимо однократно навести антенну, зафиксировав ее, а подстраивать только при смещении устройства.

Для того, чтобы навести спутниковую тарелку, необходимо найти угол места, а также азимут, которые задают направление на спутник.

Для линейной поляризации необходимо также вычислить угол поворота, зависящий от расположения антенны и спутника относительно друг друга.

Точка стояния спутника, а также географические координаты антенны влияют на расчет угломестных и азимутальных величин, поворота поляризации.

Мультифид — это группа устройств (в частности, конвертеров), способных принять сигнал сразу нескольких спутников на одну антенну. Этот вариант используется, когда имеется недостаточный прием сигнала с одного спутника.

При наведении определяется угол места, азимут, учитывается положение конвертеров. Обычно для расчетов используется программа Satellite Antenna Alignment.

Возможно подключение мультифида по схеме «один конвертер — одна тарелка», что часто становится единственно возможным вариантом, например, при приеме сигнала со спутников, расположенных далеко друг от друга. Однако если они находятся рядом, а запас по уровню сигнала есть хотя бы для некоторых из них, то на одну тарелку можно установить несколько конвертеров.

Спутниковую тарелку ориентируют на прием спутника с самым слабым сигналом, который будет принимать конвертер, находящийся в фокусе тарелки. Боковые конвертеры будут отвечать за прием сигналов с других спутников.

Моторизированное наведение антенн используется при:

● Автоматическом перенаведении тарелки на разные спутники;
● Автоматическом наведении тарелки на спутник при развертывании;
● Автоматическом сопровождении спутника.

Автоматическое перенаведение применяется для увеличения количества программ, принимаемых тарелкой в спутниковом телевидении.

Комплекс действий выполняется при участии полярного подвеса, который позволяет с одним приводом менять азимут и угол места так, что антенна движется строго вдоль линии, где при взгляде с Земли расположены все геостационарные спутники. Полярный подвес нужно тщательно настраивать, а устанавливать его довольно сложно.

Автоматическое развертывание и наведение спутниковых антенн используется на мобильных станциях с целью обнаружения сигнала за максимально короткое время. Для этого есть контроллер, который находит нужные координаты через системы навигации (ГЛОНАСС, GPS), рассчитывает величину угла места, азимут, поляризацию для наведения на нужный спутник. После этого устройство фиксирует положение антенны спутниковой связи, захватывает сигнал со спутника и точно подстраивает антенну по его максимуму.

Автоматическое сопровождение спутника необходимо, чтобы удержать его при движении антенны на максимальной точке диаграммы направленности. Выполняется с помощью мотоподвеса или электроуправления диаграммой направленности при участии контроллера.

Автоматическое сопровождение незаменимо в следующих случаях:

● При работе станций для стабильной связи при движении (на автомобильном, железнодорожном, морском, авиатранспорте);
● При функционировании больших антенн, где ширину диаграммы направленности можно сравнить с возможным отклонением спутника от точки стояния;
● При работе антенн, предназначенных для взаимодействия со спутниками на негеостационарных орбитах.

В бытовых условиях моторизированное наведение осуществляется двумя способами: при участии спутникового мотоподвеса или с использованием позиционера и актуатора

Мотоподвес состоит из электропривода, совмещенного в общий блок с электронной платой позиционера, ответственной за регулирование положения антенны. Такая конструкция распространена, потому что проста в установке, настройке. Но корректная работа возможна с антеннами не более 1.3 м.

Позиционер — электрический прибор для управления исполнительным механизмом, «запоминающий» точное положение спутников, на которые ранее был настроен.

Актуатор — электромеханический привод, который передвигает зеркало спутниковой антенны и управляется позиционером.

Помимо наличия электромотора необходима также точная настройка антенны с фиксацией на спутник.

При выборе спутниковой антенны необходимо помнить, что она должна быть ориентирована по направлению к экватору. Другое обязательное условие — отсутствие препятствий, которые мешают приему сигнала.

Поэтому при выборе спутниковой антенны учитывают:

Чем сложнее местность, чем больше на ней встречается препятствий, тем больший диаметр тарелки необходимо выбирать, но при этом помнить, что крупные спутниковые тарелки на большой высоте неустойчивы к ветровым нагрузкам.

Чтобы не ошибиться, при покупке спутниковой тарелки нужно учитывать следующее:

Если качество сигнала в регионе невысокое, то стоит выбрать тарелку большего диаметра.

Прямофокусная или офсетная тарелка — выбор делается исходя из запросов потребителя.

До того, как оплатить покупку, стоит проверить антенну на наличие повреждений. К сожалению, большинство покупателей забывает об этом.

Важно учесть, из какого сырья изготовлена антенна, ведь от этого напрямую зависит срок ее службы.

Сюда относятся крепежи, подвесы, кронштейны, которые будут держать антенну. Поэтому стоит проверить укомплектованность деталями, а также качество материала, из которого они изготовлены.

Существует два основных типа антенных подвесок: азимутально-угломестная и полярная.

Первая проще справляется с настройкой антенны на любой спутник, обеспечивает прочную фиксацию. Однако при выборе другого спутника, оборудование придется полностью перенастраивать.

Вторая оснащена рычагом-активатором с электроприводом, помогает легко навести антенну на любые спутники без перенастройки.

Главное — определиться, какие именно задачи должна решать выбранная антенна. Возможность просмотра более 500 каналов, выход в интернет — любые нюансы должны быть учтены и озвучены в процессе выбора.

Важный критерий, который необходимо учитывать при выборе материала — тот факт, что спутниковые антенны — это всегда уличные антенны, а значит должны выдерживать воздействие осадков, быть устойчивыми к коррозии.

Пластик легкий и коррозийные процессы ему не страшны, но зимой пластиковый корпус может деформироваться из-за налипшего льда и снега.

Углепластик легок, прочен, устойчив к УФ-излучению, коррозии, но дорог, а также деформируется от ударов.

Сталь прочна, доступнее по цене, однако тяжела, подвержена коррозии.

Алюминий легкий, не поддается коррозии, но мягкий, склонный к деформации. Однако это один из лучших вариантов для спутниковых тарелок, хотя обходится он значительно дороже. Поэтому выбор лучше делать, учитывая все плюсы и минусы, а также устанавливать тарелку там, где риск получить повреждения минимален.

Выбирая антенну, ориентируйтесь на свои предпочтения, а также советы экспертов. Правильно подобранная, смонтированная, настроенная спутниковая система будет долгие годы исправно работать, радуя высоким качеством приема сигнала.