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

протекающего через катушку. Потери, вносимые такими поляризаторами, составляют обычно 0,2-0,3 дБ. Недостатком поляризаторов является постоянное потребление энергии.

Рассмотрим механические способы корректировки поляризации. Если ставится задача с помощью однозеркальной антенны осуществить одновременный прием сигналов двух поляризации (например, в приемных системах коллективного пользования), то для линейно поляризованных сигналов в этом случае применяют специальные устройствафазовращатели (разделители поляризации – Ortomode Transduser). В подобных устройствах, выполненных в виде волноводного тройника, волны вертикальной и горизонтальной поляризаций поступают на вход круглого волновода, а выходят разделенными по поляризации через основной и боковой выходы, выполненные в виде волноводов с прямоугольным сечением. Если основной выход выполнен в виде волновода круглого сечения, то при подключении к нему конвертора пользуются специальным трансформатором. При использовании таких фазовращателей требуется два конвертора, подключаемых к соответствующим выходам. В свою очередь, выходы обоих конверторов соединяются со входами коаксиального переключателя поляризации управляемого дистанционно. Сигнал ПЧ1 выбранной поляризации передается по общему коаксиальному кабелю в приемник.

В последних разработках СВЧ - конверторов делают сдвоенные СВЧ - тракты, а волны горизонтальной и вертикальной поляризаций принимают из круглого входного волновода с помощью двух ортогональных емкостных штырей. Лучшие результаты получаются, если один штырь расположен от короткозамкнутого конца волновода на расстоянии /4 , а другой - 3( /4), однако это удлиняет конвертор. Поэтому, пренебрегая взаимовлиянием емкостных штырей, их нередко располагают в одной плоскости.

Поляризатор, преобразующий круговую поляризацию в линейную (и наоборот), можно сделать, деформируя круглый волновод до эллиптического сечения и используя тот факт, что через эллипсоидальный волновод ортогональные Н волны идут с разной скоростью.

Надо отметить, что если облучатель с фазирующей секцией предназначен для приема волн с круговой поляризацией, а с его помощью будет приниматься линейно поляризованный сигнал, то будет потеряна половина мощности сигнала (т. е. мощность уменьшится на 3 дБ). Аналогичная потеря уровня сигнала будет наблюдаться при приеме антенной для линейной поляризации сигнала с круговой поляризацией.

КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ РЕФЛЕКТОРОВ

Изготовить зеркальную антенну, профиль которой полностью соответствовал бы выражениями, описывающим параболоид, невозможно, так же как невозможно сделать какое-либо устройство с абсолютной точностью.

Рассмотрим, как влияет отклонение формы поверхности зеркала от параболоида на характеристики антенны. Из анализа хода лучей в параболическом рефлекторе видно, что в результате отклонения формы поверхности изменяется расстояние, преодолеваемое лучами 1 и 2 от точки А до прямой БВ. В результате электромагнитное поле в раскрыве антенны оказывается несифазным (возникают фазовые ошибки). Эти ошибки приводят к ухудшению практически всех электрических характеристик антенны:

-Расширяется главный лепесток диаграммы направленности, и, как следствие, падает усиление антенны;

-Увеличивается уровень бокового излучения; -Растет кроссполяризационная составляющая.

Кроме этого, при эксплуатации антенной системы возникает ряд нежелательных эффектов, приводящих к отклонению формы поверхности зеркала: деформация антенны под действием ветровой нагрузки; воздействие силы тяжести, приводящее к провисанию кромок

56

зеркала, т. е. к его деформации; неравномерный нагрев поверхности зеркала под действием солнечных лучей, также приводящий к деформации (перепад температур между поверхностью, ориентированной к Солнцу, и поверхностью, ориентированной в область тени, может составлять до 15° С). Суммарное отклонение профиля антенны определяется действием всех перечисленных факторов.

Для индивидуальной зеркальной спутниковой антенны отклонение формы поверхности величиной 2мм приводит к снижению коэффициента усиления приблизительно на 10%. У лучших современных антенн, предназначенных для диапазона 10-12 ГГц, суммарное отклонение не превышает 0,5мм. Для антенн с малой кривизной зеркала обеспечить высокую точность поверхности гораздо легче, чем для глубоких зеркал.

Рефлекторы могут быть:

-сплошные;

-перфорированные;

-сетчатые.

Определенный интерес вызывают перфорированные рефлекторы. Они представляют собой зеркало, по всей поверхности которого расположены отверстия.

В случае, если их диаметр много меньше длины волны(1), то эти отверстия не оказывают никакого отрицательного влияния на отражающую способность поверхности (при высоком качестве изготовления), т, к. будут представлять собой волновод с размером менее критического, и практически вся падающая волна будет отражаться. Достоинством таких рефлекторов являются меньшие ветровые нагрузки и масса, а также то, что они мало задерживают влагу. Считается, что перфорированные рефлекторы лучше вписываются в архитектурный стиль исторических районов города. Однако в КU-диапазоне коэффициент усиления таких рефлекторов меньше по сравнению со сплошными.

Рефлекторы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

-отражающая поверхность должна соответствовать разработанной форме и оставаться неизменной в течении всего срока эксплуатации;

-индивидуальные антенны должны иметь достаточно простую конструкцию.

На срок службы рефлектора в основном влияет конструкция, материал и способ изготовления. Антенна функционирует с заданными параметрами. Пока она новая, но с течением времени, по мере воздействия внешних факторов, эффективность ее работы снижается. При расчетах и изготовлении рефлектора должны быть учтены допуски на расширение и сжатие материала, из которого он изготовлен, обусловленные воздействием ветра, тепла, коррозии и других факторов внешнего воздействия. Рефлектор - это наиболее критичный компонент приемного комплекса.

При изготовлении зеркал параболических антенн наибольшее распространение в настоящее время получили методы раскатки и штамповки металла, а также горячей прессовки композитных материалов (различных пластиков).

Выбор технологии производится в зависимости от диаметра зеркал и особенностей формы их рабочей поверхности. Кроме того, на него влияет наличие производственной базы и объем выпуска. При изготовлении металлических рефлекторов чаще всего используется различные виды листовой штамповки: вытяжка с утонением и без утонения, штамповка взрывом, резиновым пуансоном и др. Очевидно, что применение каждого из этих методов должно быть обосновано с экономической точки зрения.

Снизить стоимость оборудования при обработке давлением позволяет использование гидравлической вытяжки и штамповки взрывом. Ведутся работы по применению штамповки резиной для формовки зеркал параболических антенн. Желание избавиться от одного из

жестких элементов штампа обусловлено сложностью изготовления и дороговизной крупногабаритной стальной детали (пуансона) параболической формы. При использовании указанных способов штамповки шероховатость поверхности зеркала доводится до допустимой величины путем обработки листовой заготовки, так как при последующей формовке она остается неизменной.

57

На холодной деформации листовой заготовки основана и ротационная раскатка, выполняемая стальными роликами по деревянной или металлической форме. Достигаемая при этом точность составляет 0,1мм. Процесс ведется либо на универсальных станках, либо на специальных приспособлениях. При этом должно быть обеспечено оптимальное давление раскатников на металл, которое подбирается экспериментально; при малых не происходит равномерной раскатки, при больших же появляется шелушение металла на поверхности из-за высоких внутренних напряжений в поверхностном слое.

При изготовлении зеркал параболических антенн получило распространение и литье. Оно позволяет выполнить заготовку зеркала с крепежными элементами конструкции, обеспечивающими его механическую прочность. Недостатками являются высокая стоимость форм (используется чаще всего литье под давлением) и необходимость доводки зеркала по шаблону.

Интересен метод формирования параболического зеркала во вращающейся (со скоростью до 1000об/мин) круглой емкости с расплавленным металлом. Под действием вихревых токов металл (как правило, алюминий) расплавляется в ванне, после, чего она приводится во вращение. Под действием центробежных сил поверхность металла приобретает форму параболоида. Затвердение следует проводить в процессе вращения, как можно быстрее понижая температуру ванны, чтобы избежать искажения заготовки. Параметры параболического зеркала варьируются размерами ванны и скоростью вращения.

Материал, из которого изготовлено зеркало антенны, во многом определяет ее характеристики и гарантийный срок эксплуатации. В настоящее время антенны выполняют из стали, алюминиевого сплава и пластика. Стальные и алюминиевые рефлекторы имеют хорошие электрические и механические характеристики. Одним из существенных преимуществ таких рефлекторов (особенно стальных) является невысокая стоимость.

Стеклопластиковые рефлекторы изготавливаются путем проклеивания многих слоев стеклоткани. Далее поверхность склеивается алюминиевой фольгой. Основным недостатком таких антенн является нарушение геометрии зеркала, так как клеевые структуры со временем теряют свою форму, коробятся, особенно под воздействием солнечных лучей.

Антенны из литого термопластика изготавливаются следующим образом. На полученную методом прессования чашеобразную заготовку наносят трехслойное покрытие: грунт, токопроводящую никелевую краску и защитный лак. Иногда в пластик добавляют металлический порошок-наполнитель либо армируют проволочной сеткой.

Необходимо отметить, что в настоящее время зарубежные фирмы-производители достигли очень хороших результатов при изготовлении пластиковых рефлекторов методом горячей штамповки. Они гарантируют стабильность электрических характеристик рефлектора в течение 10-15 лет эксплуатации.

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫ

Большой интерес вызывает использование антенн с плоской поверхностью или плоских антенн. Наиболее перспективными для СНТВ являются плоские антенны, состоящие из набора соединенных между собой параллельных полосковых излучателей, образующих таким образом плоскую антенную решетку (АР).

По сравнению с зеркальными антеннами они обладают рядом преимуществ. К основным достоинствам таких антенн следует отнести:

-большую устойчивость к воздействию факторов окружающей среды: ветра, дождя, снега;

-высокую технологичность изготовления;

-возможность управления диаграммой направленности;

-простоту установки;

-небольшую массу.

Конструктивно антенна представляет собой диэлектрик, на который в соответствии с технологией изготовления печатных плат нанесены проводящие полоски (обычно медные)

58

функция полосового фильтра на входе смесителя - это подавление собственного излучения гетеродина.

На смеситель См конвертора подаются принимаемый сигнал fс и напряжение от стабилизированного гетеродина -fг.

На выходе смесителя появляются сигналы с частотами fсм = fс +fт. Обычно выделяется разностная частота fпч=fс-fг или fг-fс=fпч.

К гетеродину Гет предъявляют достаточно жесткие требования по стабильности его частоты с учетом больших перепадов температуры и влажности окружающей среды.

На выходе смесителя выделяется разностная частота в полосе 0,95.-.1,75 ГГц в зависимости от рабочей частоты принимаемых со спутника сигналов, усиливается в УПЧ1 до уровня - (50...60) дБВт, что позволяет компенсировать потери в коаксиальном кабеле, соединяющем наружный блок с внутренним. В последнее время европейские страны начали выпускать тюнеры с расширенной полосой ПЧ1 0,95...2,05 ГГг.

Малошумящие усилители широко используются не только в спутниковых системах, но и в наземных радиорелейных линиях, так как за счет улучшения шумовых свойств приемника их применение позволяет в несколько раз снижать излучаемую мощность передатчика.

В профессиональных приемных устройствах спутниковой системы связи широко используют параметрические усилители, охлаждаемые до температуры жидкого азота (77 К)

или гелия (4 к). При этом суммарную шумовую температуру собственного приемника Т можно снизить до 20...50К (0,3,..0,7 дБ): Тпр==То(nш-1) , где nш=100,1n ед; То==290К -

температура окружающей среды .

Однако для индивидуальных и даже коллективных приемных устройств спутникового ТВ вещания охлаждаемые параметрические усилители обычно не применяют из-за:

-сложности в эксплуатации (они требуют регулярной профилактики и обслуживания системы охлаждения);

-невысокой надежности;

-низкой технологичности при массовом производстве.

В конце 80-х годов для диапазона 10... 12 ГГц были разработаны арсенид-галлиевые полевые транзисторы, позволяющие реализовать усилители с коэффициентом шума 1,5...1,7 дБ и усилением на один каскад до 12 дБ. В последние годы появились транзисторы с высокой подвижностью электронов (ТВПЭ или, по-английски, НЕМТ-high electron mobility transistor), у которых коэффициент шума уменьшен до 0,7.,.0,8 дБ на частоте 12ГГЦ. В МШУ приемников спутникового ТВ вещания используют обычно три каскада усиления. Наибольшую долю шумов вносят первый и второй каскады МШУ, они и определяют суммарный коэффициент шума усилителя.

При проектировании МШУ следует учитывать два противоречивых фактора: для достижения минимального коэффициента шума необходимо обеспечить наилучшее согласование транзистора по входу, а для получения максимального коэффициента усиления требуется получить оптимальное согласование по выходу.

При использовании корпусных транзисторов на входе и выходе ставятся согласующие цепи, которые обеспечивают оптимальные результаты лишь в ограниченной полосе. Поэтому МШУ выполняет обычно для работы в разных диапазонах частот в обшей полосе 10,7... 12 ГГц, например на диапазон 10,7...11,7 ГГц один МШУ и на диапазон 11,7...12,5 ГГц другой МШУ.

Гетеродин. К гетеродину предъявляются следующие требования: выходная мощность в пределах 1...10 мВт в зависимости от типа смесителя, нестабильность частоты ±1 МГц (10-4) в интервале температур - 30...40 С, генерация по возможности на одной частоте.

Наибольшее распространение получили генераторы на диодах Ганна и полевых транзисторах с барьером Шотки, стабилизированные диэлектрическими резонаторами. С учетом необходимости получения высокого КПД предпочтительнее в современных

60