3. Оборудование систем спутниковых телекоммуникаций
При проектировании, выборе и эксплуатации спутниковых телекоммуникационных систем для обеспечения качества и устойчивости их работы необходимо учитывать ряд факторов, которые можно условно разделить на детерминированные и случайные.
Детерминированные факторы:
Эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ).
Диаметр действующей антенны.
Коэффициент шума малошумящего конверторного блока или шумовая температура.
Переходные затухания в волноводах и поляризаторах.
Потери из-за неточного наведения (нацеливания) антенны:
– начальная ошибка наведения;
– устойчивость антенны под воздействием ветра или других условий окружающей среды;
– точность удержания станции спутника на орбите.
Случайные факторы:
Потери поляризации.
Старение транспондера.
Затухание в условиях дождя для заданной вероятности получения (доступности) сигнала (номинальное значение 99,5% для среднего года).
Возрастание шумов в осадках при приёме сигнала в Ku- и Ka- диапазонах (дождь, снег или град).
Поглощение сигнала в атмосфере кислородом и парами воды (в зависимости от влажности).
Изменение температуры.
Параметры приёмника (порог демодулятора).
Характеристики модуляции сигнала.
Рассеивание сигналов из-за затенения антенны деревьями, зданиями, стаями птиц и летательными аппаратами (самолётами).
Потери на расходимость луча при прохождении через атмосферу.
3.1. Спутниковые антенны
Ознакомление с конструкцией, условиями эксплуатации, а также преимуществами и недостатками различных конструкций спутниковых антенн. Приводятся классификация, конструктивные особенности, характеристики антенн, а также их преимущества и недостатки, и методика расчета спутниковых параболических антенн и способов их установки.
3.1.1. Классификация спутниковых антенн
По конструктивному исполнению, согласно общей классификации антенн [13], их можно разделить на три больших класса:
1. Апертурные антенны: рупорные; щелевые; зеркальные; линзовые.
2. Антенны бегущей волны: диэлектрические стержневые; спиральные; импедансные; антенны вытекающей волны.
3. Фазированные антенные решетки (ФАР): пассивные (с одним передающим/приемным устройством на антенну); активные (с одним передающим/приемным устройством на каждый модуль антенны).
По способу установки спутниковые антенны для приема сигналов с геостационарных спутников делятся таким образом:
Стационарные, т.е. невращающиеся, которые называются азимутальными.
Антенны на поворотном полярном подвесе. Использование полярного подвеса позволяет перестраивать антенну на прием сигнала с любого спутника в пределах области видимости над горизонтом. Поворот антенны может осуществляться вручную или с использование моторов.
Стационарные (неповоротные) антенны со специальным устройством (Multyfeed) для приема сигналов с нескольких спутников. Мультифид предназначен для крепления нескольких приемных головок (конверторов) с последующим их переключением при помощи СВЧ-переключателей. Этот способ имеет преимущество в быстроте перестройки со спутника на спутник, но при этом явно просматриваются два недостатка. Во-первых, невозможность принимать сигналы с близко расположенных спутников и, во-вторых, дороговизна, если число принимаемых спутников больше 2.
Набольшей популярностью в спутниковых телекоммуникациях пользуются апертурные зеркальные и линзовые антенны.
Зеркальные параболические антенны
Прямофокусные – антенны, фокус которых находится в центре раскрыва антенны (рис. 3.1).
а б
Рис. 3.1. Прямофокусная параболическая антенна
а – схема; б – пример конструктивного исполнения
Преимущества: простота изготовления и технологичность,
Недостатки:
– конвертор, или облучатель (при наличии передатчика), закрывает часть принимаемого сигнала, что уменьшает эффективность антенны;
– скапливаются осадки, что вызывает ухудшение качества приема.
Основные параметры: диаметр антенны – D; глубина антенны – d; фокусное расстояние – F; угол раскрыва антенны - .
Эти параметры связаны между собой следующими соотношениями. Фокусное расстояние F любой прямофокусной антенны можно рассчитать по формуле
F=D2/(16 d).
Угол раскрыва антенны
.
Для минимизации потерь мощности принимаемого сигнала необходимо обеспечить равенство углов раскрыва параболической антенны и конвертора.
Офсетные (Offset) – параболические зеркальные антенны со смещенным фокусом .
Конструкция антенны с фокусом и облучателем, расположенными ниже центра рефлектора, показана рис. 3.2, пример исполнения – на рис. 3.3. Для расчета диаметра антенны – D, глубины антенны – d, фокусного расстояния – F, угола раскрыва антенны – можно использовать формулы для прямофокусной антенны.
Рис. 3.2. Схема офсетной параболической антенны
Основным параметром офсетной антенны является угол офсетности – это угол между направлением на спутник и плоскостью установки антенны. Угол офсетности параболической антенны приближенно можно вычислить из геометрических параметров антенны по следующей формуле:
Рис. 3.3. Пример исполнения офсетной параболической антенны
Для расчета приближенных параметров офсетных антенн можно использовать соотношения для прямофокусных антенн.
Преимущества: осадки не скапливаются, так как антенна устанавливается почти вертикально и не вызывает ухудшение качества приема.
Недостатки: сложность изготовления и низкая технологичность.
Двухзеркальные с тороидальным дополнительным зеркалом с мультифидом – позволяют принимать одновременно сигнал с нескольких спутников путем установки нескольких конверторов (Рис. 3.4).
Рис. 3.4. Двухзеркальная спутниковая антенна с мультифидом и пятью конверторами
Линзовые антенны
Принцип действия линз основан на том, что скорость распространения электромагнитной волны в разных средах отлична от скорости ее распространения в воздухе. В связи с этим различают ускоряющие и замедляющие линзы. Если среда линзы ускоряет распространение волн, то она выполняется с вогнутым профилем, а если замедляет – то с выпуклым. В любом случае профиль линзы рассчитывается так, чтобы оптическая длина пути от облучателя до поверхности раскрыва была одинакова (рис. 3.5).
а б
Рис. 3.5. Линзовые антенны: а – с ускоряющей и замедляющей линзами,
б – сферическая антенна
Технологически линзовые антенны, имеющие сферическую или цилиндрическую форму, выполняются из материала, коэффициент преломления которого не остаётся постоянным по всей линзе, а зависит от расстояния до её центра или оси. Эта зависимость подбирается так, что после прохождения через линзу волновой фронт получается плоским.
Ускоряющие линзы набираются из металлических пластин. Принцип их действия аналогичен работе волновода, в котором, как известно, электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в воздухе. Коэффициент преломления таких линз сильно зависит от длины волны – то есть они принципиально узкополосны. Замедляющие линзы выполняются из искусственного диэлектрика.
Рупорные антенны
Рупорная антенна состоит из металлического расширяющегося раструба (рупора) и подсоединённого к нему волновода [15]. Такие антенны применяют для направленного излучения и приёма радиоволн СВЧ-диапазона – в качестве облучателей линзовых и зеркальных антенн и входных антенн конвертеров спутниковых приемников, а также в качестве самостоятельных антенн на спутниках связи, в устройствах измерительной техники и т.д. На рис. 3.6 приведена комбинированная параболическо-рупорная антенна.
Рис. 3.6. Комбинированная параболическо-рупорная антенна
Рупорные антенны представляют собой конический или пирамидальный рупор, соединенный с круглым или прямоугольным волноводом. В частности, облучатель параболической антенны является маленькой рупорной антенной.
Рупорные антенны обладают массой достоинств – могут работать в широком диапазоне частот, диапазонность ограничивается только питающим волноводом. При равном коэффициенте усиления их диаграмма имеет меньший, чем у параболического зеркала, уровень боковых лепестков, и, как следствие, у них достижим более низкий уровень шума. Кроме того, они отличаются простотой изготовления.