Материал: Видеотелевизионные системы. Сенаторов А.К., Скоробогатов В.С

диапазона (10.7-12.75 ГГц) имеют характерные размеры 0.6-1.5 м, то антенны К-диапазона (84-86 ГГц) при том же значении коэффициента усиления будут иметь размеры 0.1-0.15 м. Кроме того, информационная емкость этих диапазонов значительно четче. Под информационной емкостью понимается количество телевизионных каналов, которое можно разместить в данном диапазоне частот. Основная проблема в освоении этих диапазонов – экономическая, а именно, проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников.

Рис. 23 - Функциональная схема приемной установки спутникового ТВ вещания:

1-рефлектор; 2-конструкция для крепления облучателя; 3-облучатель; 4 -поворотная конструкция для подвески антенны;

5-опорная конструкция; 6-приводной механизм для дистанционного управления положением рефлектора; 7-переключаемый поляризатор; 8-малошумящий конвертер; 9-позиционер; 10-спутниковый приемник; 11-телевизор; 12-соединительный высокочастотный кабель;

13-кабель для подачи управляющих сигналов на привод поляризатора; 14-кабель сигналов управления приводом антенны; 15-кабель, соединяющий позиционер с датчиком угла поворота антенны; 16 -привод поляризатора.

Функциональная схема оборудования наружного и внутреннего блоков, включая ТВ приемник и позиционер представлена на (рис.23).

11. СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ СТВ 11.1. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Для предварительной оценки возможностей приема сигналов СТВ необходимо знать азимут θ, угол места β и географические координаты приемной земной станции, а также место размещения спутника, находящегося на геостационарной орбите.

Направление луча антенны земной станции определяется азимутом, отсчитываемым от направления на север по часовой стрелке и углом места или углом возвышения.

51

Антенна предназначена для преобразования электромагнитных волн, принимаемых ею со спутника, в высокочастотный сигнал, канализируемый далее фидером ко входу приемника.

Антенна характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом усиления, диаграммой направленности, уровнем боковых лепестков и входным сопротивлением.

Коэффициент усиления данной антенны есть величина, показывающая, во сколько раз нужно увеличить мощность, подводимую к ненаправленной антенне, для того чтобы напряженность поля, создаваемая этими антеннами на расстоянии L, км, была одинаковой. Иными словами, коэффициент усиления антенны характеризует степень концентрации энергии в заданном направлении для передающей антенны или степень

ной антенны.

Где D — диаметр апертуры (раскрыва) антенны; Кип - коэффициент использования поверхности зеркала антенны.

На рис. 24 приведены основные параметры параболического рефлектора: диаметр апертуры D, угол раскрыва апертуры 2θ, фокусное расстояние F, глубина рефлектора В. Точка А — фокус параболы, где размещается контррефлектор (облучатель).

Рисунок 24 Параболический рефлектор антенны:

D- диаметр апертуры;

2θ – угол раскрыва апертуры; А – фокус зеркала;

F – фокусное расстояние; В – глубина рефлектора

Иногда для оценки антенн используют параметр F/D, т.е. отношение фокусного расстояния к диаметру. Для параболических антенн F/D = 0,4...0,67.

В лучших антеннах Кип достигает 0,6...0,65. Значение Кип зависит от способа облучения рефлектора: при равномерном облучении Кип будет максимальным, однако при этом заметно увеличивается уровень боковых лепестков, достигая значений – (14...16)дБ. При

52

уменьшении облучения к краям зеркала уровень, боковых лепестков уменьшается, но при этом снижается Кип. Если угловая апертура рефлектора 2θ несколько больше ширины луча контррефлектора (на 7...8 %), то уровень боковых лепестков снижается до —20 дБ при Кип = 0,65. Антенна является наиболее сложным элементом приемной установки СТВ, и от качества ее изготовления зависят ее технические характеристики — коэффициент усиления, уровень боковых лепестков, определяющие качество принимаемого сигнала.

Наибольшее распространение имеют однозеркальные осесимметричные антенны, позволяющие получать достаточно низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности, хорошее согласование с фидером и шумовую температуру не выше 80 К при углах места более 10°. При диаметре более 1,5 м у осесимметричных антенн рефлектор выполняется разборным.

ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С ВЫНЕСЕННЫМ ОБЛУЧАТЕЛЕМ

Кроме классических зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсетные антенны), схематически изображенные на рис. При расположении фазового центра облучателя в фокусе параболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением оптической оси зеркала. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оси зеркала, вызывает отклонение направления главного максимума излучения в сторону, противоположную смещению облучателя.

На рисунке представлены геометрические характеристики зеркальной антенны в случае, когда облучатель смещен на величину Х.

Рассмотрим фронт волны в раскрыве зеркала приемной антенны. Если облучатель находился в фокусе F, луч доходит от любой точки раскрыва до точки F примерно за одно и тоже время t. При размещении облучателя в точке F луч придет из точки А раньше, чем из точки В. В результате поле из точки А будет опережать по фазе поле из точки В и фронт волны отклонится на некоторый угол . Направление максимума, излучения всегда перпендикулярно фронту волны, и, следовательно, вся диаграмма направленности отклонится на тот же угол а в сторону, противоположную смещению облучателя. Приближенные соотношения для определения угла отклонения направления максимума диаграммы направленности от оси антенны в зависимости от величины АХ выводятся следующим образом. Из рисунка видно, что за время t, которое требовалось, чтобы луч прошел расстояние АF , луч пройдет расстояние АF '+А'А.

Величина А'А приблизительно равна FС, т.е.

= Хsin 0 / R0 (рад)

или (в градусах)

=60 Хsin 0 / R0 (рад).

Вынос облучателя приводит не только к отклонению диаграммы направленности, но и к ее искажению в нарушения линейного закона изменения фазы поля в раскрыве. Это приводит к расширению главного лепестка и увеличению боковых лепестков, что ведет к снижению коэффициента усиления. Чем мельче зеркало, тем меньше будут искажения при том же угловом смещении облучателя, т.е. тем на больший угол можно отклонить диаграмму направленности, сохраняя, в основном, ее форму. К недостаткам офсетных антенн следует

53

также отнести более высокий уровень кроссполяризации, приводящей к дополнительным помехам.

Преимущество такого построения антенны заключается в том, что устраняется затенение облучателем и опорами, чем обеспечивается более высокий коэффициент использования поверхности раскрыва. Осевая симметричность зеркала учитывается при установке и ориентации антенны. Прямофокусная антенна ориентируется так, чтобы ее оптическая ось (ось симметрии) совпала с направлением на спутник. Ось же офсетной антенны должна быть отклонена от направления на спутник на некоторый угол Х , что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата.

МУЛЬТИФОКУСНАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА

Мультифокусная зеркальная антенна разработана для обеспечения приема с некоторых (обычно 2-3) спутников ТВ программ одной антенной, не оснащенной поворотным устройством.

Облучатели крепятся при помощи дополнительного устройства. В случае применения такой системы необходимо учитывать, что прием сигнала будет не так «чист», поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора. Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала.

Особую популярность такие системы приобрели в Европе для просмотра ТВ каналов со спутников Astra, Еutelsat и др.

ОБЛУЧАТЕЛЬ

Облучатель является весьма ответственным узлом антенной системы, поэтому рассмотрению его конструкции необходимо уделить особое внимание.

Основные требования, предъявляемые к облучателям зеркальных антенн, состоят в следующем:

- желательно, чтобы диаграмма направленности облучателя была однонаправленной, имела осевую симметрию и минимальный уровень боковых лепестков. Для получения оптимальных электрических характеристик антенны ширина 2 главного лепестка диаграммы направленности f ее облучателя должна быть согласована с углом 2 раскрыва антенны (в идеальном случае они должны быть равны);

- фазовый центр облучателя не должен быть ―размытым‖. В идеальном случае он должен быть точечным и положение его не должно зависеть от направления. Нарушение этого условия приводит к нарушению синфазности поля в раскрыве зеркала и, следовательно, к искажению диаграммы направленности и снижению коэффициента усиления;

-облучатель должен быть расположен так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе зеркала;

-облучатель должен в минимальной степени заслонять зеркало, так как затенение приводит

кискажению диаграммы направленности зеркальной антенны, в частности, к увеличению боковых лепестков;

-облучатель должен быть широкодиапазонным и выдерживать заданную мощность электромагнитных волн без пробоя. Заметим, что диапазонность зеркальной антенны в целом полностью определяется диапазонностью облучателя и фидерного тракта, так как параметры самого зеркала от частоты либо совсем не зависят, либо зависят очень слабо. Диапазонность антенны зависит также от взаимного расположения облучателя и зеркала.

54

Наиболее простую конструкцию имеют облучатели в виде волновода с открытым концом. Волновод представляет собой устройство, осуществляющее передачу энергии сверхвысокочастотного поля от источника к нагрузке. Широкое распространение получили волноводы круглого и прямоугольного сечения. Распределение поля в поперечном сечении волновода определяется геометрическими размерами этого сечения, частотой и порядковым числом волновода n .

Размеры волновода определяют некоторую нижнюю граничную (критическую) частоту. В волноводе распространяются только те волны, частота которых выше этой критической частоты. Данная особенность волноводов (запредельность) используется в приемных системах для дополнительного подавления сигнала зеркальной частоты.

ПОЛЯРИЗАТОР

Известно, что приемный комплекс должен обеспечить прием электромагнитных волн различной поляризации. Для этой цели в конструкции антенной системы предусмотрено устройство выбора поляризации - поляризатор. Поляризатор антенны обеспечивает возможность преобразования поляризованных определенным образом электромагнитных волн в сигнал с требуемой для конвертора линейной поляризацией.

Широкое распространение получила плавная подстройка поляризации. Потребность в плавном изменении поляризации возникает в системах, предназначенных для приема с нескольких спутников. Одна из причин состоит в том, что сигналы с некоторых спутников передаются не поляризованными в строго вертикальной или горизонтальной

плоскости, а наклоненными к ним под определенным углом. Кроме того, сигнал принимается в той же плоскости, в которой был послан, только тогда когда спутник и приемная антенна находится на одной долготе. Если же спутник расположен на другой долготе, то, в силу того, что Земля имеет форму шара, плоскость поляризации принятого сигнала расположена под некоторым углом к исходной плоскости поляризации. Причем этот угол больше, чем сильнее различаются долготы спутника и приемной антенны.

Поляризаторы систем непосредственного телевизионного вещания могут быть электромагнитными или механическими. Физический принцип действия электромагнитного поляризатора основан на эффекте Фарадея. Электрический ток, протекающий в катушке, намотанной на ферритовой стержень, создает продольное магнитное поле. При распространении электромагнитной волны вдоль намагниченного феррита направление ее поляризации отклоняется на некоторый угол. Величина этого угла зависит от длины ферритового стержня и величины магнитного поля, т. е. от величины тока в катушке. Практически это означает, что, изменяя величину тока в катушке, можно добиться совпадения направления поляризации волны на выходе поляризатора с направлением, которое необходимо на входе внешнего блока. Сложность заключается в том, что для сигналов различной частоты значения тока в катушке должны быть различными, т. е. поляризационные характеристики электромагнитного поляризатора частотно зависимы. Наиболее просто эта проблема решается в том случае, если внутренний блок снабжен микропроцессором. Данные о необходимом значении величины тока для каждой программы хранятся в памяти микропроцессора. При выборе желаемой программы спутникового ТВ микропроцессор обеспечивает необходимое значение тока в катушке поляризатора.

На практике число витков катушки индуктивности делается достаточно большим, чтобы ток потребления не превышал 50 мА. Размеры ферритового стержня выбирают таким образом, чтобы направление поляризации изменялось максимум на 45° . При смене полярности тока, протекающего через катушку, направление поляризации изменяется также на 45°, но в противоположном направлении. В результате наблюдается смена поляризации.

Достоинством поляризатора (фазовращателя), основанного на использовании эффекта Фарадея, состоит в отсутствии подвижных элементов и в возможности осуществлять юстировку направления поляризации плавным изменением величины тока,

55