Наблюдаемый в последние годы прогресс в области разработки малошумящих усилителей сверхвысоких частот (СВЧ) для приемных телевизионных (ТВ) спутниковых каналов, с одной стороны, и одновременно рост энергетического потенциала (мощности передатчиков и усиления антенн) на борту геостационарных космических аппаратов (КА), с другой стороны, привели к заметному уменьшению размеров приемных антенн пользователей спутникового телевидения. Этой теме посвящена настоящая статья.
В сложившейся практике к малоразмерным рефлекторным антеннам относят антенны с размером «раскрыва» зеркала диаметром порядка (10…12)λ, где λ – рабочая длина волны. При рабочих частотах спутникового телевещания 10,722…12,766 ГГц, чему соответствует λ=2,34…2,8 см, формально раскрывы зеркальных малоразмерных антенн имеют диаметры до 30…35 см или несколько больше. В статье рассмотрены проблемыпроектирования малоразмерных приемных зеркальных антенн СВЧ в свете предстоящего начала телевещания с борта первого национального украинского геостационара КА «Либідь».
Особенности проектирования малоразмерных рефлекторных антенн
Отражательные однозеркальные антенны СВЧ обычно состоят из металлического или металлизированного параболического профиля (зеркала) и установленного в фокусе параболы рупорного облучателя, диаграмма направленности (ДН) которого охватывает профиль. Для больших наземных антенн космической связи и радиотелескопов используют, как правило, 2-зеркальные конструкции, когда облучатели устанавливают в центре параболы, который в свою очередь, облучает основной раскрыв (антенны типа Кассегрена и Грегори). Как будет показано ниже, именно 2-зеркальные конструкции нашли применение и для малоразмерных рефлекторных антенн.
Проблемой однозеркальных малоразмерных отражательный антенн является необходимость увеличения направленности рупорного облучателя для охвата облучением малоразмерного зеркала посредством увеличения раскрыва рупора, находящегося в фокусе параболы. Это приводит к существенному затенению основного рабочего раскрыва и, в результате, к ухудшению эффективности антенн и увеличению их бокового излучения: появлению заметных боковых лепестков и, как следствие, приему помех по ним. Получается как бы замкнутый круг проблем осесимметричной конструкции однозеркальных антенн, что было эффективно разрешено в антеннах с основным зеркалом в виде вырезки из параболоида. Как следствие, появилась возможность выноса облучателей за габариты зеркала. Отсутствие затенения основного раскрыва в последней конструкции позволило применить три установленные в линию вынесенные облучатели, что обеспечило возможность переключения приема ТВ сигналов с трех КА, разнесенных на геостационарной орбите по углам направления приема. Большинство приемных спутниковых антенн, выпускаемых сейчас на рынок, выполнены именно по этой конструктивной схеме. На практике по максимальному размеру D вырезки из параболоида сложились 3 типоразмера таких антенн с диаметрами (D):
- 0,6…0,65 м;
- 0,85…0,9 м;
- 1,1…1,2 м.
К сожалению, такая конструкция многолучевой антенны достаточно дорогая для приобретения и сложна для повторения радиолюбителями, особенно с учетом трудностей при расчете ее элементов.
Малоразмерная антенна проекта «Митрис»
Многие киевляне помнят систему «Митрис», разработанную Киевским НИИ «Сатурн» в конце 1999 г. и начале 2000 г. для приема ТВ сигналов кабельного провайдера по эфиру. Название проекта образовано как аббревиатура определения класса системы: «Микроволновая интегрированная телерадиоинформационная система». За счет применения в проекте на вторичной основе части диапазона рабочих частот СВЧ (Fm) 11,7…12,5 ГГц, отведенных для спутникового ТВ вещания, удалось в пределах города Киева обеспечить прием ТВ вещания с передающей антенны кругового излучения типа двойной конус, установленной на крыше «Дома торговли» на Львовской площади, на малогабаритные зеркальные антенны пользователей диаметром (Dm) равным 35 см. В приемной антенне «Митрис», разработанной в Киевском НИИ «Квант» при участии одного из авторов статьи, была использована 2-зеркальная конструкция: основное зеркало – осесимметричный параболоид с приемным рупором в центре параболы и вторичное – эллиптический переотражатель в фокусе параболы. Конструкцию антенны в то время не удалось достаточно хорошо оптимизировать: в результате реализованы сравнительно невысокая эффективность антенны – усиление не более Gm = 30 дБ с уровнем БЛ диаграммы направленности (ДН) до 13 дБ. Антенна имела фокусное расстояние параболы около 0,3 Dm, что характеризирует антенну как короткофокусную. Оценка ширины главного лепестка ДН по уровню 3 дБ составляла около 5° на средней рабочей частоте (Fср) 12,1 ГГц.
Эксплуатация системы «Митрис» в Киеве и других городах Украины (например, в Донецке) на частотах спутниковых каналов была вскоре запрещена из-за сильных помех передатчика «Митрис», воздействующих на боковые лепестки антенн пользователей спутникового ТВ вещания на первичной основе. Запрет эксплуатации системы сказался на затратах нескольких тысяч пользователей, которые успели приобрести аппаратуру, включая тюнеры, и смонтировать антенны на крышах или фасадах своих домов. Неудача проекта «Митрис» свидетельствует о том, как важно выбрать и обосновать применение рабочих частот на стадии согласования разработки систем, особенно предназначенных для массового применения.
Резонансные малоразмерные рефлекторные антенны
Оптимизация параметров малоразмерных рефлекторных антенн возможна при использовании явления резонанса в 2-зеркальной осесимметричной конструкции.
Определение «резонансная антенна» было предложено по аналогии с системой открытого резонатора типа Фабри-Перо, названного так по фамилиям двух французских физиков, предложивших эту резонансную структуру для оптики еще в 1899 г. В применении к СВЧ антеннам открытый резонатор этого типа представляет собой два соосных, обращенных друг к другу отражателей: главного отражателя и фронтального переотражателя, между которыми образуется резонансная стоячая СВЧ волна. Направленное излучение этой волны в переднее полупространство осуществляется за счет открытой с боков конструкции антенны и фронтального отражателя меньшего размера.
Всего существует 5 видов (вариантов) конструкций оптических резонаторов, показанных схематически на рис.1.:
1 – плоскопараллельный – самый простой, причем передняя плоскость – полупрозрачная (структура широко используется в оптических лазерах);
2 – сферический (вырезки из двух полусфер);
3 – полусферический-параболический и плоский переотражатель;
4 – конфоканальный;
5 – выпукло-вогнутый.
Можно легко установить, что антенна «Митрис» соответствует варианту 5 (рис.1.)
Открытого резонатора СВЧ, как сообщая двух отражателей – одного параболического, а второго эллиптического. Причем последний облучаетсяс диаграммой направленности приемного рупора из центра параболоида. При резонансе за счет многократного переотражения сигнала между двумя отражателями структуры увеличивается общая эффективность антенны в Qраз, где Q – добротность открытого резонатора. При расстоянии между отражателями L1=λ/2 речь идет о короткофокусной антенне, а при L2=3λ/2 – о длиннофокусной. Длиннофокусная антенна более узкополосная, хотя и имеет большую добротность Q.
Очевидно, приемная антенна «Митрис», разработанная в Украине вполне самостоятельно, и антенна рассмотрена выше по своей идеологии совпадают. Отличия заключаются в том, что антенна рассмотрена выше, для системы морской навигации «Инмарсат», как дециметровая, использует не рупорный, а дипольный облучатель, а в качестве переотражателя – плоский диск, т.е. представляет собой вариант структуры 3 (рис.1).
Украинский спутник вещания ТВ «Либідь»
Как следует из сообщения Космического Агентства Украины, запуск на геостационарную орбиту первого украинского национального спутника ТВ вещания «Либідь» планируется на середину 2014 г. в новую точку стояния 48° East(восточной долготы), выделенную Международным союзом Электросвязи. Эту точку Украине переуступила Франция вместо ранее выделенной точки 38,2° East, которую Украина не смогла реализовать в течении 3-х лет. В настоящее время она передана системе Eutelsat, имеющей рядом свою рабочую точку орбиты 36° East. Сейчас национальные телевизионные каналы Украины абонируют ресурсы отдельных стволов ретрансляторов таких европейских геостационаров:
- Sirius 5° East (восточной долготы);
- Hot Bird 13° East;
- Amos 4° West (западной долготы).
Прием этих каналов обеспечивается одним из типоразмеров упомянутой выше конструкции 3-лучевой приемной антенны, с точек стояния спутников на орбите по дуге всего 17° . В то же время охват этой фиксированной по положению 3-лучевой антенной КА «Либідь» в ближайшее время будет затруднен или невозможен из-за слишком большого углового разноса точек стояния на орбитах этих двух групп спутников. Поэтому пользователю необходимо будет либо переориентировать имеющуюся у него антенну восточнее или приобрести еще одну такую же антенну, что накладно и неудобно из-за необходимости монтажа двух, а не одной, сложный антенн. Выход из сложившегося положения можно предложить при использовании на направление орбитальной позиции «Либідь» недорогой и более простой однолучевой малоразмерной антенны резонансного типа.
Заключение
В статье рассмотрен вариант оперативного обеспечения однолучевого приема сигнала с украинского геостационара «Либідь» после, того, как он будет запущен в космос и успешно пройдет тестирование в рабочей точке на орбите 48° East.
Заметим, что в лучшем положении могут оказаться бывшие пользователи системой «Митрис» при условиях, что они не выбросили антенну этой системы. Следует только заменить аналоговый тюнер цифровым. Потенциал современной линии связи передатчика КА «Либідь» будет достаточен для нормального (качественного) приема ТВ сигнала.
Источник: Радиоаматор №6, 2014
Автор: Алексей Красуцкий, Евгений Скорик, г. Киев
