эффективная площадь приемной антенны рассчитывается как

Конвертер величин

Калькулятор эффективной площади антенны

Калькулятор позволяет определить эффективную площадь антенны A_e для заданной частоты f или длины волны λ и коэффициента усиления антенны G. Этот и другие калькуляторы на TranslatorsCafe.com пригодятся не только инженерам и студентам технических специальностей, но и всем, кто хочет изучить технический английский, так как все они есть и в английской версии.

Пример: Рассчитать эффективную площадь антенны радиотелескопа РТ-70 в Крыму: коэффициент усиления его антенны 69,5 дБи или 9000000, рабочая частота 5,0 ГГц (или длина волны 6 см).

Для расчета введите величины в соответствующие поля, выберите единицы и нажмите на кнопку Рассчитать.

Эффективная площадь антенны представляет собой площадь эквивалентной плоской антенны с равномерным амплитудно-фазовым распределением и максимальным коэффициентом направленного действия (КНД), равным КНД рассматриваемой антенны. С этой площади антенна, направленная на источник сигнала, поглощает энергию падающего электромагнитного излучения. Для удобства объяснения рассмотрим эффективную площадь приемной антенны. Поглощенная антенной мощность P определяется как

Здесь P_d —плотность потока мощности (удельная мощность на единицу поверхности) падающей электромагнитной энергии и A — площадь раскрыва (геометрическая площадь) антенны. Коэффициент усиления антенны G прямо пропорционален геометрической площади антенны A. Его можно увеличить путем фокусирования излучения только в одном направлении с одновременным уменьшением излучения во всех остальных направлениях. Поэтому чем ýже ширина пучка, тем выше коэффициент усиления антенны. Соотношение между коэффициентом усиления антенны и ее площадью выражается формулой, в которую также входит КПД антенны:

Здесь λ — длина волны и η — КПД антенны, который всегда меньше единицы:

Здесь A_e — эффективная площадь (апертура) антенны, которая определяется как физическая площадь антенны, умноженная на КПД антенны. Если КПД антенны равен 1 (или 100%), это означает, что вся энергия, подаваемая передатчиком в передающую антенну излучается в пространство. Если же это приемная антенна, то при единичном КПД вся энергия, принимаемая антенной, попадает в приемник. Однако на практике часть энергии всегда теряется в форме тепловой энергии, которая расходуется на разогрев элементов конструкции антенны и фидера.

Заменяя произведение площади на КПД Aη на эффективную площадь A_e, получаем:

Эта формула и используется в данном калькуляторе. Из нее видно, что для заданной эффективной площади антенны ее коэффициент усиления возрастает с квадратом длины волны или при постоянной длине волны коэффициент усиления антенны прямо пропорционален ее эффективной площади. Отметим, что для апертурных антенн, таких как рупорные или параболические, эффективная площадь связана с геометрической площадью и всегда меньше этой площади. Однако, для проволочных антенн (например, симметричных и несимметричных вибраторов, антенн типа «волновой канал»), эффективная площадь обычно значительно (иногда в десятки раз) больше физической площади антенны.

Коэффициент усиления (КУ) антенны по мощности G, называемый обычно просто коэффициентом усиления, представляет собой отношение мощности излучения направленной антенны к мощности, излучаемой идеальной ненаправленной антенной, причем ко входам обеих антенн подводится одинаковая мощность. Коэффициент усиления — величина безразмерная, но чаще она выражается в децибелах (дБ, отношение по мощности) или изотропных децибелах (дБи, dBi, также отношение по мощности). Изотропный децибел характеризует коэффициент усиления антенны по сравнению с идеальной изотропной антенной, равномерно излучающей энергию во всех направлениях.

Например, определим эффективную площадь российского телескопа РТ-70, который находится в Крыму неподалеку от Евпатории.

Коэффициент усиления антенны G = 69,5 дБи или 9 000 000.

Диаметр антенны d = 70 м.

Рабочая частота f = 5,0 ГГц (6 см).

Геометрическая площадь антенны A = πD²/4 = π70²/4 = 3848 м². В то же время, ее эффективная площадь равна

Как мы видим, эффективная площадь составляет только 67% от геометрической площади антенны.

Теперь рассчитаем эффективную площадь 5-элементной антенны типа «волновой канал» (также называемой по именам японских изобретателей антенна Яги-Уда, антенна Уда-Яги или просто антенна Яги), работающей на частоте 500 МГц и имеющей коэффициент усиления 40 дБи, который соответствует безразмерному коэффициенту усиления 10. Длина активного элемента несколько меньше половины длины волны 0,5λ = 30 см, где λ = 60 см — длина волны.

Диаметр круга площадью 0,28 кв. м определяется как

То есть, для активного элемента длиной около 0.5λ = 30 см мы получаем круг диаметром 60 см (точнее, эллипс).

В помощь изучающему электронику

Формулы, вычисления, .

— Антенные устройства —

Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка «Массовой радиобиблиотеки» изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1961 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Основные параметры передающих антенн

R_Σ = P_Σ / I_a

R_A = R_Σ + R_п

η = R_Σ / (R_Σ + R_п)

D = 41253 / Ф₀ θ₀

G =η D

Параметры приемных антенн

Рис1. Действующая высота антенны.

D = 4π A_эфф / λ 2

P_A = (E 2 _o A_эфф) / 120 π

G = η_Av D

Вибраторные антенны

D = 5 (n + 1)

Рамочные антенны

n l_w π cos φE

Приемные ферритовые антенны

U_вх = Q e

Lк = 2,53 10 ₄ / f 2 _max C_min мкгн

Рис. 6. Ферритовая антенна.
1-ферритовый стержень, 2-Антенная катушка, 3-катушка связи, х-смещение центра катушки относительно центра сердечника.

Для наиболее простой односекционной антенной катушки со сплошной намоткой количество витков:

ω = (L_к/L’d_к μ_к) 1/2

Коэффициент формы L’ зависит от отношения длины катушки к ее диаметру (рис.7).

Коэффициент μ_к определяют как произведение четырех эмпирических коэффициентов

μ_к = μ_с m_L p_L q_L

Сопротивление излучения связывает излучаемую антенной мощность с током, питающим антенну

Здесь РΣ мощность, излучаемая антенной, вт; Rиз—сопротивление излучения, ом; Ia — эффективное значение тока, а. Величина RΣ зависит от чипа антенны, ее размеров (по отношению к длине волны) и точки подключения питающего фидера. В общем случае сопротивление излучения имеет комплексный характер, т. е., кроме активной составляющей, имеет и реактивную Хиз. Полное активное сопротивление антенны RA складывается из сопротивления излучения R Σ и сопротивления потерь Rn

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) η антенны — отношение излучаемой мощности к подводимой

К. п. д. большинства типов настроенных передающих антенн близок к единице.

Диаграмма направленности антенны — зависимость напряженности поля в удаленной Точке от направления. Обычно диаграмма направленности снимается в двух плоскостях — горизонтальной и вертикальной. Для оценки направленности антенны в какой-либо плоскости пользуются понятием ширины диаграммы направленности, понимая под этим ширину основного лепестка, отсчитанную по уровню 0,7 напряженности поля (или по уровню 0,5 мощности). Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D — число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность передатчика, чтобы в точке, лежащей на заданном удалении по направлению максимального излучения, получить такую же напряженность поля с помощью ненаправленной антенны. КНД однозначно определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Если известна ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то КНД находят по следующей приближенной формуле:

где: Ф0—направленность антенны в горизонтальной плоскости, ° θо— направленность антенны в вертикальной плоскости, °. Коэффициент усиления антенны по мощности G представляет собой произведение КНД и к. п. д. и полностью характеризует выигрыш по мощности, который дает антенна по сравнению с ненаправленным идеальным излучателем (не имеющим потерь) —

Частотная характеристика антенны и полоса пропускаемых частот характеризуют способность антенны работать в диапазоне частот. Частотной характеристикой называют зависимость тока, питающего антенну, от частоты, а полосой пропускания — область частот, где ток не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения.

Действующая высота hд — величина, на которую нужно умножить напряженность электрического поля в точке приема, чтобы получить э. д. с., развиваемую антенной. hд зависит от типа антенны и ее относительных размеров (по отношению к длине волны). Физически hд равна высоте воображаемой антенны, обладающей одинаковой с реальной антенной способностью принимать радиоволны, но в которой ток по всей длине имеет постоянное значение, равное току в пучности реальной антенны IАп (рис.1). Понятием «действующая высота» удобно пользоваться при расчете одновибраторных антенн длиной не более λ/4. Эффективная площадь антенны Аэфф определяет ту часть площади фронта плоской волны, с которой снимает энергию антенна. Понятие эффективная площадь используется при расчете многовибраторных и других сложных антенн (это понятие может быть применено и к одновибраторной антенне).

Эффективная площадь антенны и КНД связаны следующей зависимостью:

Где: Аэфф и λ2 измеряются в одинаковых единицах, например,- м 2 . Мощность сигнала на входе приемника, согласованного с антенной, равна;

где: Аэфф—эффективная площадь антенны, м 2 ; —зависимость э.д. с. антенны от направления прихода волны. Ширина диаграммы направленности—угол, внутри которого э. д. с. антенны не падает ниже уровня 0,7 от своего максимального значения. Коэффициент полезного действия ηA —отношение мощности, снимаемой с антенны, к мощности, получаемой антенной от электромагнитной волны. Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D — число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которую можно было бы получить в данном случае с помощью ненаправленной антенны, имеющей такой же к. п. д. Величина КНД полностью определяется пространственной диаграммой направленности антенны. Коэффициент усиления антенны по мощности G — число, показывающее, во сколько раз мощность, снимаемая с антенны, превышает мощность, которая могла бы быть снята в этих же ^условиях с ненаправленной антенны без потерь. Как и для передающей антенны,

Входное сопротивление антенны ZA — сопротивление антенны на рабочей частоте в точках подключения. В общем случае ZA (так же, как и сопротивление излучения передающей антенны) имеет как активную, так и реактивную составляющие. Частотная характеристика антенны — зависимость входного сопротивления антенны от частоты. Для антенн существует принцип взаимности, согласно которому одна и та же антенна при работе на передачу и прием обладает одинаковыми характеристиками (КНД, к. п. д., диаграмма направленности и т. д.). При этом предполагается, что сохраняется способ подключения к антенне.

Основные данные простых вибраторных антенн приведены в табл. IX.1. Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора, рефлектора и нескольких директоров. Обладает большой направленностью вдоль оси (по направлению от активного вибратора к директорам).

Рис. 2 Антенна типа «Волновой канал»

Рекомендуемые размеры вибраторов и расстояний между ними приведены на рис. 2. Окончательная подгонка размеров производится экспериментально. Для уменьшения габаритов можно исключить два передних директора. Увеличение количества директоров свыше тоех малоэффективно. Коэффициент направленного действия антенны «волновой канал» определяется по приближенной формуле

где n — число директоров.

Рамочная антенна (рис. IX.3) представляет собой плоскую катушку произвольного поперечного сечения. Обычно общая длина провода рамочной антенны мала по сравнению с длиной волны

где: е — э. д. с., наводимая по рамке, в; S — площадь рамки, м 2 ; λ — длина волны, м; Е — напряженность поля, в/м; φ— угол между направлением приема и плоскостью рамки, °, n — число витков.

Сопротивление излучения рамочной антенны: RΣ =31200 (nS/λ 2 ) 2 ом

Обычно R Σ очень мало, а поэтому к. п. д. системы низок. Рамочная антенна, как правило, применяется только для приема.

Ферритовые антенны широко применяются в малогабаритных радиоприемных устройствах ДВ и СВ диапазонов, а также находят применение в диапазонах KB и УКВ. Ферритовая антенна состоит из ферритового стержня, на котором размещена антенная катушка, выполняющая роль индуктивной ветви входного контура. По принципу действия фердитовая антенна является магнитной, аналогично рамочной антенне. Эффективность ферритовой антенны ДВ и СВ диапазонов сравнима со штырем длиной 1—2 м. Ферритовая антенна обладает направленностью, соответствующей рамочной антенне (см. рис.4). Расчет и конструирование ферритовой антенны. Выбор марки феррита производится в соответствии с диапазоном частот:

ДВ μ = 1000—2000; УКВ μ = 10—50.

Провод — одножильный или литцендрат (на СВ). Тип намотки — обычно однорядная сплошная (виток к витку). Следует стремиться к максимальной добротности антенной катушки, поскольку это определяет эффективность ферритовой антенны. Напряжение на входном контуре

Здесь: е — э. д. с., наведенная в антенне; Q — добротность антенного контура, Согласование антенны со входом первого каскада приемника обычно осуществляется частичным включением антенного контура при ламповом входе и катушкой связи при транзисторном входе. Индуктивная связь является более гибкой, поскольку, перемещая катушку связи, можно менять связь в широких пределах. Правильный выбор связи играет особо важную роль в транзисторных приемниках ввиду низкого входного сопротивления транзисторных каскадов. Для повышения чувствительности транзисторного приемника (за счет более эффективного использования ферритовой антенны) антенну подключают через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением. Расчет ферритовой антенны (рис. 6) состоит в определении количества витков антенной катушки. Требуемую индуктивность антенной катушки находят по формуле:

где: fmax — максимальная частота диапазона, Мгц; Сп — минимальная емкость контура, пф.

Рис.7 График для определения коэффициента формы катушки L’	Рис. 8. График для опрежеления коэффициента mL

m_L — зависит от соотношения длин катушки и сердечника и определяется по графику, приведенному на рис. 8;

р_L — зависит от положения катушки на стержне и определяется по графику, приведенному на рис. 9;

q_{L —} представляет собой отношение квадратов диаметров ферритового стержня и катушки: q_L = d 2 / d 2 _к ;

μ_с — действующая магнитная проницаемость ферритового стержня, зависящая от начальной магнитной проницаемости феррита μ_н и размеров стержня (рис. 10).

Рис. 9 График для определения коэффициента pL	Рис. 10 График для определения действительной магнитной проницаемости ферритового стержня.

Для определения коэффициентов т_L , р_L и L’ необходимо задаться прежде всего длиной катушки, которая определяется произведением диаметра провода на неизвестное количесиво витков. Поэтому расчет производится путем последовательных приближений.

Основные формулы описывающие параметры вибраторных антенн

Тип антенны	Распределение тока в антенне	Коэффициент направленного действия	Формулы для определения
			действующей высоты	сопротивление излучения, ом	напряженности поля* в направлении главного максимума излучения на расстоянии r**,мв/м
Короткий симметричный вибратор (l 2 (l/λ) 2	E=6,7 × P 1/2 /r
Короткий незаземленный штырь (l 2 (l/λ)	E=9,5 × P 1/2 /r
Короткий симметричный вибратор (l 2 (l/λ) 2	E=3,35 × P 1/2 /r
Короткий заземленный штырь (l 2 (l/λ) 2	E=4,75 × P 1/2 /r
Полуволновый симметричный вибратор		1,64	hд= λ/π	73,2	E=7 × P 1/2 /r
Четверть-волновый заземленный штырь		3,28	hд= λ/2π	36,6	E=10 × P 1/2 /r
Полуволновый петлевой вибратор		1,64	hд= 2λ/π	293	E=7 × P 1/2 /r
P — излучаемая мощность, Вт; ** r — расстояние от антенны до измерителя напряженности поля

Оглавление

Основные понятия. Замкнутая и разветвленная цепи постоянного тока

Основные понятия, Сопротивление в цепи переменного тока , Конденсатор в цепи переменного тока, Индуктивность в цепи переменного тока, Мощность переменного тока

Основные зависимости, Последовательный колебательный контур, Параллельный колебательный контур

Входная цепь приемника

RC и LC фильтры — общие положения, RC фильтры, LC фильтры

10.1 Аттенюаторы, 10.2 Согласование источника с нагрузкой по мощности, току и напряжению

Основные параметры передающих антенн, Параметры приемных антенн, Вибраторные антенны, Рамочные антенны, Приемные ферритовые антенны, Формулы для расчета вибраторных антенн

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ — Общие положения, ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, Преломление и отражение радиоволн в ионосфере, Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн, Особенности распространения средних волн, Особенности распространения коротких волн, РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ, Распространения радиоволн над поверхностью земли, дальний прием

Приемные антенны

Приемная антенна предназначена для приема и концентрации электромагнитных волн, исходящих cо спутника-ретранслятора. Антенны, применяемые в установках непосредственного телевизионного вещания, не имеют каких-либо принципиальных отличий от антенн СВЧ, используемых в других радиосистемах. По мере развития спутниковой связи совершенствовалось и приемное оборудование. Новые достижения радиоэлектроники, повышение мощности ретрансляторов и установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40 — 60 см. К современной антенне, кроме достаточно жестких технических требований, предъявляются также требования экономической целесообразности, эстетики, надёжности эксплуатации.

В настоящее время приемные антенны СНТВ можно разделить на 2 типа:

Существуют также антенны других конструкций (рупорные, линзовые), но, несмотря на ряд ценных качеств, из-за высокой стоимости они находят лишь ограниченное применение. Однако не исключена возможность, что в дальнейшем они будут использоваться более широко.

Основные электрические характеристики приемных антенн

Рис.4.1. Сферические координаты точки наблюдения

При рассмотрении общих электрических параметров, характеризующих качество антенны, необходимо отметить, что, как следует из теории антенных устройств, приемные и передающие антенны имеют одни и те же электрические характеристики.

Рабочий диапазон волн — это диапазон, в пределах которого антенна сохраняет с заданной точностью свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование). Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использования антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит нескольких процентов от длины средней волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной, а если составляет несколько десятков процентов и больше — широкодиапазонной.

Существенное значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием программ спутникового ТВ вещания.

Наглядное представление о распределении энергии волн дает амплитудная характеристика направленности. Характеристика направленности приемной антенны определяется величиной наводимой в ней электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от направления в пространстве (или от угла падения приходящей волны).
Направление определяется азимутальным φ и меридиональным θ углами сферической системы координат (рис.4.1). При этом поле измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предполагается, что потери в среде отсутствуют.

Рис.4.2. Диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f (φ,θ). Пользоваться такой диаграммой неудобно. Поэтому на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f(φ) или f(θ) в полярной или декартовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по полю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, которая определяется зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве.

Плотность потока мощности представляет собой мощность излучения, проходящего через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому диаграмма направленности по мощности пропорциональна f 2 (φ,θ) .
Характеристика направленности, максимальное значение которой равняется единице, называется нормированной диаграммой и обозначается F (φ,θ). Она легко получается из ненормированной характеристики путем деления всех ее значений на максимальное: F (φ,θ) = f (φ,θ)/ f (φ,θ).

На рис.4.2 представлены нормированные f (φ, θ) диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат. Область 1 называют основным (главным) лепестком, области 2 — задними и боковыми лепестками. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень заднего и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы. Под шириной 2θ_0,5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в √2 раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.4.3). Поток мощности соответственно уменьшается вдвое. В некоторых случаях под шириной 2θ₀ подразумевают угол между направлениями (ближайшими к направлению максимума), вдоль которых напряженность поля равна нулю.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр – коэффициент направленного действия (КНД). Коэффициент направленного дей-ствия D — это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих равных условиях):

где P_ΣO — мощность излучения ненаправленной антенны; P_Σ — мощность излучения направленной антенны.

Коэффициент направленного действия приемной антенны показывает, какому увеличению мощности передатчика эквивалентно даваемое направленной антенной превышение сигнала над уровнем помех (по сравнению с приемом на ненаправленную антенну) при условии равномерного распределения помех во всех направлениях.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных в ней потерь.

Рис.4.3. Диаграммы направленности приемной антенны

Эффективная площадь антенны А характеризует площадь поверхности, с которой приемная антенна собирает энергию, и определяется как отношение максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку, к мощности ∏, приходящейся на единицу площади в падающей (не искаженной антенной) плоской волне:

где ∏ численно равно модулю вектора Пойтинга. Между эффективной площадью А и коэффициентом направленного действия D антенны существует следующая связь:

где λ — длина волны.

Поскольку параметр D применяется как к передающим, так и к приемным антеннам, постольку и параметр А также может быть использован для характеристики свойств любых антенн — и приемных, и передающих.
Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете, как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД:

Отношение мощностей в последнем выражении определяется при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема. Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в данном направлении. Если специальных оговорок не делается, то под коэффициентом усиления (так же, как и под коэффициентом направленного действия) подразумевается его максимальное значение, соответствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Антенна должна иметь возможно больший коэффициент усиления G и, следовательно, большие геометрические размеры, что делает ее дорогостоящим сооружением. Поэтому при заданной геометрической площади важно получить максимальный коэффициент усиления G. Фактически, из-за неточностей, допускаемых при изготовлении антенны, из-за деформаций, вызываемых ветровыми нагрузками, односторонним солнечным нагревом и т. п., реальное усиление оказывается ниже максимального.

Рис.4.4. Колебания спутника-ретранслятора на геостационарной орбите

С увеличением значения G должна уменьшаться ширина главного лепестка диаграммы направленности. В случае уменьшения ширины диаграммы направленности до величин менее одного градуса необходимо снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают сложные гармонические годовые и суточные колебания, которые с Земли наблюдаются в форме изменяющейся восьмерки (рис.4.4).

Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления G_H, и как следствие, падению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной диаграммой для индивидуальных приемных устройств следует признать диаграмму направленности с шириной главного лепестка в пределах 1 — 2°.

К уменьшению коэффициента усиления G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Еще одна причина, заставляющая уделять особое внимание боковым лепесткам, состоит в необходимости обеспечения высокой помехозащищенности приемной установки.

Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников-ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т. д. Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки.

Большое значение имеют поляризационные свойства антенны. Распространяющаяся электромагнитная волна характеризуется векторами электрической Е и магнитной Н напряженности электромагнитного поля. Векторы Е и Н вдоль направления распространения волны непрерывно изменяют во времени свои значения в соответствии с законом, по которому изменялся ток в проводнике, возбудивший электромагнитную волну (рисунок 4.5). Особую роль при распространении волны играет пространственная ориентация этих векторов. Поляризация излучения определяется положением вектора Е. Зная направление этого вектора в пространстве и изменение этого направления во времени, можно составить представление о характере поляризации волны.

В случае линейной поляризации вектор напряженности электрического поля колеблется по направлению от положительного до отрицательного в вертикальной или горизонтальной плоскости (вертикальная или горизонтальная поляризация) (рис.4.5, а, б).

Более сложное представление имеет вращающаяся поляризация (рис.4.5, в). В этом случае вектор Е в точке наблюдения непрерывно меняет свою ориентацию. За период волны вектор Е делает один полный оборот в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Кривая, которую описывает конец этого вектора в точке наблюдения за один период, называется поляризационной характеристикой.

Поляризационная характеристика антенны с вращающейся поляризацией представляет собой эллипс. Определяющими параметрами эллипса, являются коэффициент эллиптичности т и угол наклона а (рис.4.6). Коэффициент эллиптичности представляет собой отношение малой полуоси эллипса (ОА = а) к большой (ОВ = b):

Коэффициент m в общем случае может принимать значения от 0 до 1 (0 соответствует линейно поляризованному полю, 1 — полю с круговой поляризацией). Углом наклона а называется угол между большой осью эллипса и координатной осью X (рис.4.6, в).
Для более полной оценки поля в точке наблюдения наряду с параметрами эллипса необходимо знать также направление вращения вектора Е и его начальную фазу (положение вектора Е в плоскости ХОY в момент времени t = 0).

В зависимости от направления вращения вектора Е различают поля правого и левого вращения. Полем левого вращения называется такое поле, вектор вращения Е которого вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу направлению распространения волны. Вектор Е поля правого вращения вращается против часовой стрелки.

Рис.4.5. Структура электромагнитной волны: а — вертикальная поляризация; б — горизонтальная поляризация; в — вращающаяся поляризация.

На рис.4.6 изображены различные поляризационные характеристики. Поляризационные характеристики, изображенные на рис.4.6, а, б, соответствуют линейно поляризованному полю (т = 0) и представляют собой прямую линию, ориентированную вдоль оси Y (вертикальная линейная поляризация) или вдоль Х (горизонтальная линейная поляризация). Показанная на рис.4.6, в поляризационная характеристика соответствует полю с вращающейся поляризацией и представляет собой эллипс (0 Рис.4.6. Поляризованные поля:
а — вертикально; б — горизонтально; в — эллиптически;
г — поле круговой поляризации правого направления вращения;
д — поле круговой поляризации левого направления вращения;
е — представление поля с вращающейся поляризацией двумя взаимно перпендикулярными векторами

Необходимо отметить, что поляризация волн, проходящих через направление максимального излучения (главный лепесток), называется главной, или основной. В других плоскостях имеется составляющая поля, поляризованная перпендикулярно основной поляризации. Эта составляющая называется кроссполяризационной и является нежелательной.
Уровень кроссполяризационного излучения определяется как отношение мощности, излучаемой антенной в направлении максимума на рабочем виде поляризации, к мощности, излучаемой этой же антенной, на побочном виде поляризации в направлении максимума побочного излучения.

Поляризация сигнала, излучаемого спутником-ретранслятором, определяется конструкцией его передающей антенны. Для обеспечения качественной телевизионного приема необходимо (!) чтобы поляризация приемной антенны соответствовала поляризации принимаемого сигнала.

Таким образом, исходя из приведенных выше сведений, можно сформулировать требования к основным характеристикам приемных антенн непосредственного телевизионного вещания. Антенны должны обладать:

• Высоким коэффициентом усиления (35 — 50 дБ) при достаточно высоком коэффициенте использования поверхности (0,5 — 0,7).
• Низким уровнем боковых лепестков (—25. —35 дБ).
• Малым значением шумовой температуры (20 — 30 К).
• Низким уровнем кроссполяризации (—30. —35 дБ).
• Необходимыми динамическими характеристиками и конструкцией, обеспечивающими сохранение электрических характеристик и надеж-ной работы в заданных климатических условиях.

Сегодня, приведенным выше требованиям, наиболее полно соответствуют зеркальные антенны, которые в основном и применяются в спутниковой радиосвязи.

Рис.4.7. Парабола y=x 2 /4F , где F=4

Рис.4.8. Передающая (а) и приемная (б) зеркальные антенны

Зеркальные антенны

Практически все антенны, которые используются в индивидуальных установках — это параболические зеркальные антенны, выполненные по однозеркальной схеме. Зеркальная антенна — это система из одного или нескольких металлических зеркал. При прочих одинаковых характеристиках зеркальные антенны оказались самыми дешевыми и технологичными.

Поверхность зеркала представляет собой вырезку из параболоида вращения — тела, образованного вращением кривой y=x 2 /4F (параболы) вокруг оси OY. Такое зеркало концентрирует в точке (0; F) энергию радиоволн, если они приходят с направления, совпадающего с направлением оси OY.

Источником (приемником) электромагнитной волны обычно служит небольшая элементарная антенна, называемая, в этом случае, облучателем зеркала, или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. На рис.4.8, а представлен вариант зеркальной антенны в качестве передающей.
В случае построения такой антенны как приемной (рис.4.8,6) облучатель является уже не источником электромагнитного излучения, а приемником, который принимает сфокусированный антенной сигнал и передает его в конвертор.

Однозеркальные антенны

Широко известный и исторически первый тип зеркальных антенн — осесимметричный параболический рефлектор с расположенным в его фокусе облучателем. Достоинствами такой антенны являются простота и относительно невысокая стоимость. Именно поэтому такие антенны более всего подходят для индивидуальных приемных установок. Принцип работы зеркальных антенн проще всего рассмотреть с помощью метода геометрической оптики. Схема осесимметричной параболической антенны изображена рис.4.9.

Действие параболического зеркала заключается в том, что лучи, расходящиеся из фокуса, после отражения от поверхности становятся параллельными (см. рис.4.8,а). Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. Если в фокусе параболической антенны поместить источник сферической волны, то после отражения от зеркала она преобразуется в плоскую.
В случае работы такой антенны в качестве приемной, падающая электромагнитная волна после отражения концентрируется в фокусе, в котором расположен облучатель. В качестве отражающих поверхностей, в основном, применяют металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей.

Методы геометрической оптики, согласно которым каждый луч облучателя, падающий на какую-либо точку параболоида, создает определенный отраженный луч, являются приближенными. Строго говоря, геометрическая оптика справедлива, если длина электромагнитной волны бесконечно мала по сравнению с размерами зеркала и радиусами его кривизны.
Более точное физическое объяснение принципа действия зеркальной антенны состоит в следующем. Энергия электромагнитного поля, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, может рассматриваться как элементарный источник, излучающий энергию в различных направлениях (широкая диаграмма направленности).
Для получения узкой диаграммы направленности, необходимо распределить энергию между элементарными источниками так, чтобы в нужном направлении поля их излучений оказались синфазными. На рис.4.9 приведены основные геометрические характеристики параболоидного рефлектора: Ro — радиус антенны; f — фокусное расстояние; В — глубина рефлектора; F — фокус зеркала; 2ψ₀ — угол раскрыва апертуры.

Часть плоскости z = z₀, ограниченная кромкой параболоида (см. рис.4.9), называется раскрывом зеркала. Радиус R_o этого круга называется радиусом раскрыва. Угол 2ψ₀, под которым видно зеркало из фокуса, называется углом раскрыва зеркала.

Рис.4.9. Геометрические характеристики параболоидного рефлектора

Форму зеркала удобно характеризовать либо отношением радиуса раскрыва к удвоенному фокусному расстоянию (параметру параболоида) R₀/2f , либо величиной половины угла раскрыва T_Q . Зеркало называется мелким, или длиннофокусным (рис.4.10, а), если R_o , и глубоким, или короткофокусным (рис.4.9, в), если R_o> 2f( ψ₀ > π/2) . При R_o = 2f(ψ₀ = π/2) фокус зеркала лежит в плоскости его раскрыва. Иногда для оценки антенн используется параметр f/(2R_o) , т. е. отношение фокусного расстояния к диаметру. В системах непосредственного телевизионного вещания целесообразно использовать длиннофокусные зеркала, так как с увеличением f/2R_o уменьшаются кроссполяризационные потери.

Диаграмма направленности параболической антенны полностью определяется распределением поля в ее раскрыве и соотношением между длиной волны и радиусом раскрыва зеркала. При фиксированном значении раскрыва зеркала главный лепесток диаграммы направленности будет наиболее узким при равноамплитудном распределении поля в раскрыве зеркала. Однако при таком распределении боковые лепестки будут большими.

Если амплитуда поля спадает к краям зеркала, то главный лепесток диаграммы направленности несколько расширяется, а уровни боковых лепестков уменьшаются. Во многих случаях уменьшение уровня боковых лепестков является весьма желательным, вследствие чего зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля уменьшалась при перемещении от центра раскрыва к его краям. Однако уменьшение амплитуды поля к краям площадки ведет к уменьшению коэффициента использования поверхности раскрыва, что нежелательно.
Вследствие этого ищется компромиссное решение вопроса о наиболее рациональном облучении зеркала. Если от зеркальной антенны стремятся получить наибольший коэффициент усиления, то зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля на его краях была на 10дБ ниже, чем в центре раскрыва. Если стремятся, по возможности, уменьшить, уровень боковых лепестков и, следовательно, собственную шумовую температуру антенны, то понижение амплитуды поля к краям зеркала достигает 15 — 20 дБ.
Как уже указывалось, распределение поля в раскрыве зеркала определяется диаграммой направленности облучателя и соотношением между радиусом раскрыва и фокальным параметром параболоида. Выбирая тот или иной облучатель, размер параболоида и значение фокусного расстояния, добиваются получения требуемой диаграммы направленности зеркальной антенны.

Рис.4.10. Зеркала различной глубины: — мелкое (длиннофокусное); б — среднее по глубине; в — глубокое (короткофокусное)

Диаграммы направленности зеркал различной глубины также различны. Это объясняется различием в распределении амплитуд поля в раскрыве зеркал. Менее глубокие зеркала облучаются более равномерно. Вследствие этого главный лепесток у них получается более узким, но зато боковые лепестки увеличиваются.

Получить заданное амплитудное распределение в раскрыве можно различными способами:

• Выбором диаграммы направленности облучателя.
• Введением в антенную систему дополнительных рефлекторов (например, использование двухзеркальных антенн).
• Модификацией формы зеркала.

Рис.4.11. Использование цилиндрических экранов для уменьшения бокового излучения

Как следует из вышеизложенного, снижение уровня боковых лепестков может быть обеспечено спадом амплитуды возбуждения от центра к краю антенны. Но существуют и другие факторы, влияющие на дальнее боковое излучение, среди которых наиболее существенный — «перелив» излучения облучателя. Наиболее эффективный и простой способ ослабления влияния этих факторов — использование цилиндрических экранов (бленд). Они размещаются по контуру раскрыва зеркала (рисунок 4.11, а) и позволяют снизить дальнее боковое излучение на 5 — 10 дБ.

Продольный размер экрана подбирают так, чтобы уровень возбуждения его кромки был близок к нулю. Для уменьшения боковых лепестков в переднем полупространстве (z > 0) внутреннюю поверхность экрана иногда покрывают материалом, поглощающим излучение. Дифракционные поля, возникающие на кромке бленды, являясь синфазными, создают высокий уровень поля в обратном направлении. Для снижения этого уровня кромке можно придать специальную форму, при которой дифракционные поля от отдельных участков кромки будут расфазированы.
На рис.4.12 показаны возможные формы расфазирующих кромок. Аналогичного эффекта можно добиться применением скошенных бленд (рис.4.11,6).

Дифракционное излучение кромки может быть значительно уменьшено, если периферийную область зеркала сделать полупрозрачной. Это достигается ее перфорацией, причем диаметр отверстий должен увеличиваться по мере приближения к кромке, как это показано на рис.4.13.

Сравнительно простой способ подавления дифракционного поля заключается в использовании дополнительных экранов. Форма и число экранов могут быть самыми различными. На рис.4.14 показаны сечения параболических зеркал с экранами. Во всех случаях поле в заднем полупространстве формируется за счет дифракции поля облучателя на кромке экранов. Использование одиночного плоского экрана позволяет уменьшить величину напряженности поля в заднем полупространстве на 8 — 14 дБ, а двух экранов — на 20 — 25 дБ.
При этом точность изготовления и установки экранов могут быть невысокими.

Рис.4.12. Расфазирующие кромки

Рис.4.13. Перфорация зеркала для уменьшения дифракционного излучения

Рис.4.14. Параболическое зеркало уменьшения дифракционного излучения

Коэффициент направленного действия D параболической антенны удобно определять через эффективную площадь ее поверхности А:

D = 4πА/λ 2 = 4πS v/λ 2 ,

где S = πR_o 2 — площадь раскрыва; v — коэффициент использования поверхности раскрыва.

Численное значение коэффициента использования поверхности раскрыва определяется не только законом распределения амплитуды поля по раскрыву антенн, но и рядом других факторов, обусловленных конструкцией антенны. К ним относятся: утечка части мощности облучателя за края зеркала (описывается коэффициентом v_y ), затенение части раскрыва антенны облучателем v₃ , интерференция поля антенны и поля облучателя v_и , неточность совмещения фазового центра облучателя с фокусом зеркала V_ф , потери на кроссполяризацию v_K и ряд других. Суммарный коэффициент использования поверхности антенны может быть выражен через эти коэффициенты следующим образом:

где v_a — коэффициент использования, определяемый законом распределения амплитуды облучения по раскрыву антенны. Отдельные сомножители этого выражения не могут одновременно принимать своих максимальных значений.
Например, максимальный коэффициент усиления зеркальной антенны соответствует равномерному распределению поля в раскрыве (v_a= 1), при котором невозможно избежать утечки мощности облучателя за пределы зеркала. Широко распространенный компромиссный вариант состоит в том, что края антенны возбуждаются примерно на 10 дБ слабее, чем ее центр. При этом произведение v_a и v_y составляет 0,7 — 0,8.

Коэффициент направленного действия не отражает потерь энергии на рассеивание, т. е. потерь излучения вследствие его прохода от облучателя мимо зеркала. Поэтому КНД параболических зеркал не является параметром, достаточно полно характеризующим выигрыш, получаемый от их применения. Для более полной характеристики следует использовать такой параметр, как коэффициент усиления антенны:

где η — коэффициент полезного действия.

У зеркальных антенн с рупорным или волноводным облучателем кроссполяризационные составляющие небольшие. Из-за отсутствия симметрии уровень кроссполяризационного поля для зеркала со смещенным облучателем относительно высок. Возможность двукратного использования частот на основе развязки по поляризации ограничена деполяризующими факторами среды распространения: осадками, облаками и ионосферными слоями атмосферы.
Для волн с ортогональными поляризациями капли дождя, которые имеют сплюснутую форму, обусловливают различные эффективные длины путей, что влияет на уровень порождаемого ими кроссполяризационного излучения. В ионосфере происходит поворот плоскости поляризации линейно поляризованной волны, вызванный эффектом Фарадея. Это приводит к поляризационным потерям, обусловленным рассогласованием поляризаций принимаемого поля и приемной антенны.

Зеркальные антенны с вынесенным облучателем

Кроме классических зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсетные антенны), схематически изображенные на рис.4.15.

При расположении фазового центра облучателя в фокусе параболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением зеркала оптической оси. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала, вызывает отклонение направления главного максимума излучения в сторону, противо-положную смещению облучателя. На рис.4.16 представлены геометрические характеристики зеркальной антенны в случае, когда облучатель смещен на величину ΔХ.

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 то же время t. При размещении облучателя в точке F (рис.4.16) 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 α.
Направление максимума излучения всегда перпендикулярно фронту волны, и, следовательно, вся диаграмма направленности отклонится на тот же угол а в сторону, противоположную смещению облучателя. Вынос облучателя приводит не только к отклонению диаграммы направленности, но и к ее искажению вследствие нарушения линейного закона изменения фазы поля в раскрыве (рис.4.17). Это расширяет главный лепесток и увеличивает уровень 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 также отнести более высокий уровень кроссполяризации, приводящий к дополнительным помехам.

Рис.4.15. Приемная офсетная зеркальная антенна		Рис.4.16. Отклонение диаграммы направленности, вызванное смещением облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида

Рис.4.17. Линии равных фаз отраженного от зеркала поля для различных смещений облучателя		Рис.4.18. Затенение облучателем и опорами поверхности рефлектора у неофсетной антенны

Рис.4.19. Ориентация прямофокусной (слева) и офсетной (справа) антенн на спутник

Осевая симметричность зеркала учитывается при установке и ориентации антенны. Прямофокусная антенна ориентируется так, чтобы ее оптическая ось (ось симметрии) совпадала с направлением на спутник. Ось же офсетной антенны должна быть отклонена от направления на спутник на некоторый угол ΔХ, что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата (рис.4.19).

Мультифокусные зеркальные антенны

Мультифокусные зеркальные антенны разработаны для обеспечения приема с нескольких (обычно 2 — 3) спутников ТВ программ одной антенной, не оснащенной поворотным устройством (рис.4.20). Облучатели крепятся при помощи дополнительного устройства (рис.4.21, 4.22).

В случае применения такой системы необходимо учитывать, что прием сигнала будет не так «чист», поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора (см. рис.4.20).

Рис.4.20. Сферическая геометрия мультифокусной антенны

Рис.4.21. Вариант крепления двух облучателей		Рис.4.22. Вариант крепления трех облучателей

Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала.

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

Точность выполнения, технология изготовления и материалы рефлекторов

Изготовить зеркальную антенну, профиль которой полностью соответствовал бы выражениям, 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 (рис.4.23) 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 несинфазным (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 зеркала, т. е. к его деформации; неравномерный нагрев поверхности зеркала под действием солнечных лучей, так же 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.

Рис.4.23. Ход электромагнитной волны в деформированном рефлекторе

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, суммарно отклонение не превышает 0,5 мм.
Для антенн с малой кривизной зеркала обеспечить высокую точность поверхности гораздо легче, чем для глубоких зеркал.

Рефлекторы могут быть:

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