Спутниковая антенна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Антенны оператора сети спутниковой связи

Спутниковая антенна (антенна спутниковой связи) — антенна, используемая для приёма и (или) передачи радиосигналов между наземными станциями и искусственными спутниками Земли, в более узком значении — антенна, используемая при организации связи с ретрансляцей через спутники. В спутниковой связи используются различные типы антенн, самый известный — зеркальные параболические антенны («спутниковые тарелки»), массово применяемые для приёма спутникового ТВ-вещания и в спутниковой связи. В зависимости от назначения системы спутниковой связи могут применяться и другие типы антенн.

Типы спутниковых антенн[править | править вики-текст]

На земных станциях спутниковой связи применяются антенны различных типов. Конкретный тип антенны зависит от диапазона, в котором организуется связь, от требуемого усиления антенной системы и от её назначения.

Слабонаправленные антенны[править | править вики-текст]

Слабонаправленные (также всенаправленные[en]) антенны[1] используются для связи через низкоорбитальные и геостационарные спутники в спутниковых телефонах, спутниковом радио, приёме сигналов систем спутниковой навигации и других приложениях, где нет возможности непрерывно ориентировать антенну. Такие антенны имеют широкую диаграмму направленности, что приводит к приёму большого количества шумов (высокой шумовой температуре антенны) и малому отношению сигнал/шум для полезного сигнала на входе приёмника, а следовательно и к низкой пропускной способности системы в целом.

Антенны бегущей волны[править | править вики-текст]

Антенны бегущей волны[2] и близкие к ним (спиральные, волновой канал, логопериодические и т. д.), применяются в диапазонах метровых (англ. VHF) и дециметровых (англ. UHF) волн[3] для приёма телеметрии и связи со спутниками на низких орбитах, обмена информацией с метеорологическими спутниками, в любительской радиосвязи через спутники, для некоторых специальных видов спутниковой связи.

Зеркальные антенны[править | править вики-текст]

Зеркальные антенны[4] — наиболее распространенный класс спутниковых антенн[5]. Применяются в различных диапазонах, от дециметровых волн до Ka-диапазона, и на различных типах станций — от систем индивидуального ТВ-приёма до центров космической связи. Могут иметь размер от десятков сантиметров[6] до десятков метров[7]. Усиление зеркальной антенны зависит от отношения её апертуры к длине волны, точности изготовления зеркала (чем выше частоты, на которых работает антенна, тем большая точность требуется), коэффициента использования поверхности, зависящего от выбранной конструкции антенны и характеристик её облучателя, точности установки частей антенны (зеркала, облучателя, контррефлектора, если есть) относительно друг друга[8].

Один и тот же рефлектор (зеркало) может использоваться в различных диапазонах частот при установке на него различных облучателей и выполнения требований по точности изготовления зеркала для самого высокочастотного (коротковолнового) из используемых диапазонов. Чем в более высокочастотном диапазоне используется антенна, тем у́же её диаграмма направленности и выше усиление при одном и том же размере зеркала.

Кроме рефлектора и облучателя в состав антенны входит опорно-поворотное устройство, с помощью которого производится наведение антенны на спутник.

Осесимметричные антенны[править | править вики-текст]

Осесимметричные антенны имеют симметричное зеркало, фокус которого расположен на оси симметрии. У прямофокусной антенны (англ. Prime Focus) облучатель устанавливается в точке фокуса, перед зеркалом. Также используются двухзеркальные схемы, в которых на оси антенны устаналивается небольшое дополнительное зеркало-контррефлектор, а облучатель располагается со стороны зеркала в фокусе контррефлектора. Схемы с контррефлектором сложнее в расчете, изготовлении и настройке, но позволяют уменьшить шумовую температуру антенны, в некоторых случаях улучшить коэффициент использования поверхности и сделать антенну более компактной. Облучатель или контррефлектор и его крепления затеняют часть зеркала антенны, что приводит к уменьшению эффективной апертуры. Поэтому такие схемы применяют в основном на достаточно больших (диаметром от 1.5-1.8 метра) антеннах, процент затеняемой площади на которых невелик.

Осесимметричные схемы применяются также для антенн малого диаметра мобильных спутниковых станций[9][10][11]. На таких антеннах часто используется двухзеркальная схема с «кольцевым фокусом»[12], позволяющая исключить из конструкции растяжки крепления контррефлектора, уменьшить затенение основного зеркала и увеличить коэффициент использования поверхности, упростить сборку антенны и сделать её более компактной[13].

Офсетные антенны[править | править вики-текст]

Офсетные антенны, или антенны со смещённым облучателем, получаются путем вырезки из параболического зеркала. Диаграмма направленности такой антенны смещена относительно оси её зеркала на угол, называемый углом офсета (или углом смещения).

Основное преимущество офсетных антенн в том, что облучатель и элементы его крепления не перекрывают собой направление на спутник и не затеняют зеркало антенны, что позволяет увеличить коэффициент использования поверхности. Дополнительное преимущество — такая антенна при наведении на спутник устаналивается более «вертикально», что уменьшает влияние на неё атмосферных осадков (налипание снега, льда).

По офсетной схеме построены большинство антенн небольшого размера (до 2.5 метров), используемых в приёме спутникового ТВ и спутниковой связи, поскольку на таких размерах возможность полного использования зеркала антенны, без затенения его облучателем, дает заметный выигрыш в усилении.

Офсетная конструкция имеет и ряд недостатков[14]. Офсетные антенны имеют худший уровень поляризационной развязки[15], что может приводить к увеличению уровня помех от сигналов соседней поляризации на том же спутнике. При работе с круговой поляризацией диаграмма направленности офсетной антенны отличается для левой и правой поляризаций, причем эффект тем заметнее, чем больше размер зеркала. Офсетные зеркала большого размера сложнее в изготовлении и сборке, чем осесимметричные.

При малых углах вертикального наведения наклон офсетной антенны к вертикали становится отрицательным — зеркало «смотрит в землю», хотя нацелено на спутник, находящийся выше горизонта. При этом конструкция опорно-поворотного устройства может ограничивать минимальный угол наведения. Минимальный угол видимости спутника над горизонтом для различных офсетных антенн составляет от 0 до 10 градусов[16][17][18].

Фазированные антенные решетки[править | править вики-текст]

Фазированные антенные решетки (ФАР) используются для создания компактных антенн различных диапазонов.

На основе ФАР строятся в основном спутниковые антенны с малой апертурой[13]. Такие антенны имеют ряд ограничений[13][19]. Они могут работать только в одном узком диапазоне частот (например, работа во всем диапазоне от 10.7 до 12.75 ГГц с одной антенной на базе ФАР невозможна), сложны в разработке и изготовлении и имеют более высокую цену. В то же время на базе ФАР возможно создавать компактные спутниковые терминалы, они используются в составе носимых и подвижных станций[20] диапазонов Ku и Ka, портативных терминалов Inmarsat BGAN[en] (L-диапазон)[21], носимых спутниковых станций военного назначения[22].

Также на базе ФАР выпускаются плоские компактные антенны для домашнего приёма спутникового ТВ[19][23], которые требуют для установки гораздо меньше места, чем классические «тарелки» сравнимой апертуры и это позволяет размещать их не только на улице, но и в помещении (на окне, балконе, лоджии и т. п.) при условии, что место установки обеспечивает видимость спутника[24].

Наведение спутниковых антенн[править | править вики-текст]

Для работы через спутник прежде всего необходимо, чтобы между антенной и спутником обеспечивалась прямая видимость (не было препятствий, мешающих прохождению радиосигнала). При выполнении этого условия слабонаправленные антенны наведения не требуют. Направленная антенна должна быть ориентирована таким образом, чтобы направление на спутник совпадало с максимумом её диаграммы направленности. Малые антенны в низкочастотных диапазонах (L,C) имеют широкую диаграмму направленности. Например, для портативного терминала Inmarsat BGAN ширина ДН от 30 до 60 градусов[21]. Такую антенну достаточно грубо сориентировать в нужном направлении, чтобы спутник попадал в ограниченный её диаграммой сектор. Антенны с узкой диаграммой направленности и высоким усилением требуют максимально точного наведения.

Фиксированное наведение на геостационарные спутники[править | править вики-текст]

Геостационарные спутники расположены над экватором и обращаются вокруг Земли с периодом, равным периоду вращения Земли. В идеальном случае геостационарный спутник абсолютно неподвижен относительно земного наблюдателя, сопровождение антенной спутника не требуется. Антенну достаточно навести один раз и зафиксировать, дополнительное наведение потребуется только в случае смещения антенны. В реальности геостационарные спутники удерживаются в своей точке стояния с определённой точностью, составляющей для современных аппаратов примерно 0.1o[25]. Если диаграмма направленности антенны в несколько раз шире, чем максимальное отклонение аппарата от точки стояния, то видимым смещением спутника можно пренебречь и считать его неподвижным. Например, ширина главного лепестка диаграммы направленности в Ku-диапазоне для антенны диаметром 2.4 метра — около 0.7o[26], для антенн диаметром 0.9 метра — более 1.5o[27], для антенн меньшего размера — ещё больше. С такими антеннами, используемыми на VSAT-станциях и при приёме спутникового ТВ, дополнительного сопровождения спутника после наведения не требуется.

Для наведения антенны нужно установить углы места (возвышения над горизонтом) и азимута, определяющие направление на спутник[28]. При установке осесимметричной антенны угол наклона плоскости антенны к вертикали равен углу места. При установке офсетной антенны угол наклона её плоскости к вертикали меньше, чем угол места, на величину офсета. Для линейной поляризации требуется установка третьего параметра — угла поворота поляризации, который также зависит от взаимного расположения антенны и спутника. Для каждой точки на земной поверхности требуемые углы места, азимута и поворота поляризации рассчитываются, исходя из географических координат антенны и точки стояния спутника. Для расчета могут использоваться специальные программы или сайты, на которых направление на спутник отображается на карте. После установки расчетных углов наведения и захвата сигнала производится точная подстройка положения антенны до достижения максимального уровня приёма.

Многолучевые антенны[править | править вики-текст]

Многолучевые системы позволяют формировать на одной антенне несколько диаграмм направленности и работать с несколькими спутниками на геостационарной орбите без поворота антенны. Многолучевые антенны могут строиться на базе стандартных параболических зеркал (мультифид), на базе зеркал сферического[5][19] и тороидального (тороидально-параболического) профиля, на базе фазированных антенных решеток[19].

Мультифид[править | править вики-текст]

«Мультифид» — несколько облучателей на одной антенне

При смещении облучателя в фокальной плоскости параболического зеркала диаграмма направленности антенны отклоняется в противоположную сторону с одновременным уменьшением усиления, тем бо́льшим, чем сильнее смещён облучатель. На этом основана многолучевая система на основе стандартной зеркальной антенны — «мультифид». Система строится из нескольких облучателей (конвертеров), расположенных со смещением от фокуса параболической антенны таким образом, что каждый принимает сигнал со спутников в разных орбитальных позициях. «Мультифидом» также называют конструктивный элемент (кронштейн), на котором крепятся дополнительные конвертеры. Максимально возможное отклонение облучателя от точки фокуса параболической антенны составляет около 10o[5].

Тороидальная антенна[править | править вики-текст]

Для одновременной работы со многими спутниками в широком секторе геостационарной орбиты используются тороидальные антенны[29]. Тороидальные антенны Simulsat[30] или Vertex Model 700-70TCK[31] позволяют одновременно принимать до 35-ти спутников, расположенных на дуге шириной 70o. При домашнем приёме спутникового ТВ могут использоваться тороидальные антенны WaveFrontier[32] или аналогичные, позволяющие принимать сигнал с 16-ти спутников на дуге в 40o.

Моторизованные антенны[править | править вики-текст]

Моторизованные приводы наведения антенн используются в следующих случаях:

  • Автоматическое перенаведение антенны на различные спутники
  • Автоматическое наведение на спутник при развёртывании антенны
  • Автоматическое сопровождение спутника
Антенна на полярном подвесе

Перенаведение между спутниками[править | править вики-текст]

Автоматическое перенаведение антенны между спутниками используется в спутниковом телевидении для увеличения количества принимаемых программ. При этом используется полярный подвес[en][33], позволяющий с помощью одного привода одновременно изменять углы азимута и возвышения так, что антенна движется вдоль «дуги Кларка» (линии, на которой находятся все геостационарные спутники при взгляде с Земли). Ось вращения антенны при этом параллельна оси вращения Земли. Использование полярного подвеса требует тщательной предварительной работы по его установке и настройке. Управление приводом полярного подвеса производится стандартным набором команд USALS или Diseqc, поддерживаемом спутниковыми ресиверами и компьтерными спутниковыми тюнерами.

Автоматическое развёртывание и наведение[править | править вики-текст]

Спутниковая антенна с автоматическим наведением на передвижной телевизионной станции

Автоматическое наведение используется в возимых или переносных мобильных спутниковых станциях для быстрого установления связи. Для наведения используется отдельное устройство — контроллер[34][11], определяющий координаты антенны с помощью системы спутникового позиционирования (GPS, Глонасс) и вычисляющий углы азимута, места и поворота поляризации для наведения на требуемый спутник. На основании вычисленных углов контроллер устанавливает положение антенны, проверяет захват сигнала со спутника и производит точное донаведение по его максимуму. При необходимости возможно перенаведение с одного спутника на другой, параметры которого также должны иметься в контроллере.

Автоматическое сопровождение спутника[править | править вики-текст]

Стабилированные спутниковые антенны для работы на судах

Автоматическое сопровождение спутника — непрерывное удержание его в максимуме диаграммы направленности при движении относительно антенны. Автосопровождение может осуществляться как моторными приводами антенны, так и электронным управлением диаграммой направленности[35]. Для автосопровождения требуется контроллер, управляющий наведением антенны. Автосопровождение применяется в следующих случаях:

  • Станции для связи в движении, устанавливаемые на транспортных средствах (автомобилях, поездах, судах, самолетах). При движении положение антенны относительно спутника непрерывно меняется и требуется её удержание (стабилизация) в нужном направлении. Для удержания направления на спутник на движущихся объектах используются два метода[36]. Первый — непрерывное определение направления, в котором смещается спутник относительно антенны, путем постоянного сканирования (отклонения диаграммы направленности) в узком секторе, не приводящем к существенному ухудшению сигнала. Второй — удержание положения антенны с помощью гироскопов и датчиков ускорений.
  • Большие антенны, ширина диаграммы направленности которых сравнима с возможным отклонением геостационарного спутника от точки стояния[37][38]. При использовании такой антенны без системы сопровождения уровень сигнала будет меняться в течение суток в соответствии с видимым движением спутника на небосклоне. Контроллер автосопровождения отслеживает уровень принимаемого со спутника сигнала и подводит антенну так, чтобы он был максимальным. Для стабильного удержания используется программное предсказание видимого смещения спутника на основании ранее накопленных данных и элементов его орбиты[39].
  • Антенны для работы со спутниками на негеостационарных орбитах. Спутник, находящийся на любой орбите, кроме геостационарной, непрерывно движется относительно земного наблюдателя. Скорость и траектория движения зависят от параметров орбиты. При использовании направленных антенн для работы с такими спутниками требуется их постоянное сопровождение, которое осуществляется на основе информации о местоположении станции и элементах орбиты спутника и может корректироваться по принимаемому сигналу[40].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Mobile Antenna Systems Handbook, 2008, OMNIDIRECTIONAL ANTENNAS FOR MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS.
  2. Jack Browne. Traveling-Wave Antenna Feeds Space Applications. Microwaves and RF.
  3. RADIO FREQUENCIES FOR SPACE COMMUNICATION. THE AUSTRALIAN SPACE ACADEMY.
  4. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи, 2008.
  5. 1 2 3 С. П. Гeруни, Д.М. Сазонов. Шестнадцать антенн в одной. Телеспутник.
  6. Антенна СТВ-0,4-1,1 0,55 St АУМ. Супрал.
  7. В.И. Катаев. Строительство ЦКС «Дубна». «Встреча», городская газета г.Дубна.
  8. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи, 2008, Влияние конструктивных элементов антенны на параметры излучения.
  9. Marine SAT Systems - VSAT Antennas. EPAK.
  10. ON-THE-MOVE. GD SATCOM.
  11. 1 2 Носимый комплекс спутниковой связи. Race Communications.
  12. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи, 2008, Двухзеркальные антенны с кольцевым фокусом.
  13. 1 2 3 Dr. Andrew Slaney. The Challenges Of Micro-VSAT Design. SatMagazine.
  14. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи, 2008, Сравнение однозеркальных осесимметричных антенн и антенн типа офсет.
  15. А.Киселев , В.Нагорнов , В.Бобков , М.Ефимов. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ РАЗВЯЗКА: ВЗГЛЯД ЭКСПЕРТА. Connect!.
  16. Комплект оборудования StarBlazer Tandem. Технические характеристики внешнего блока.
  17. Series 1182 Technical Specifications. GD SATCOM.
  18. 1.2M Offset VSAT Dish. Antesky.
  19. 1 2 3 4 А.Бителева. Антенны для телевизионного приема в СВЧ диапазоне. Телеспутник.
  20. APPLICATIONS OF HYBRID PHASED ARRAY ANTENNAS FOR MOBILE SATELLITE BROADBAND COMMUNICATION USER TERMINALS. ESA ESTEC.
  21. 1 2 Low Profile BGAN. Inmarsat.
  22. Абонентская носимая радиостанция «Р-438 М». Концерн «РТИ».
  23. М. Парнес. Фазированные антенные решетки. Телеспутник.
  24. SelfSat Home.
  25. Спутниковая группировка ГПКС.
  26. 2.4M C & KU-BAND SERIES 1252. Prodelin.
  27. 96 cm Rx/Tx Antenna System. Skyware Global.
  28. Самостоятельное наведение антенны на спутник. StarBlazer.
  29. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи, 2015, Тороидальные многолучевые антенны.
  30. SIMULSAT Multibeam Earth Station. ATCi.
  31. Torus Multiple Band Antenna. GD SATCOM.
  32. WaveFrontier Toroidal.
  33. В. Лощинин. Настройка «полярки» - это технология. Телеспутник.
  34. Satellite Antenna Controllers. Research Concepts.
  35. ELECTRONICALLY STEERABLE ANTENNAS FOR SATELLITE COMMUNICATIONS.
  36. COMMERCIAL KU-BAND SATCOM ON-THE-MOVE USING A HYBRID TRACKING SCHEME. MITRE Corporation.
  37. 5.6 Meter Earth Station Antenna. ASC Signal.
  38. 7.3 Meter Earth Station Antenna. ViaSat.
  39. Earth Station Antenna Tracking System Introduction. Antesky.
  40. Е.А. Паниди. Технология приёма данных дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли с использованием приемной станции УНИСКАН-24. СПбГУ.Научный парк.

Литература[править | править вики-текст]

  • О.П.Фролов, В.П.Вальд. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. — Горячая Линия - Телеком, 2008. — ISBN 978-5-9912-0002-8.
  • Kyohei Fujimoto, J. R. James. Antennas for Mobile Satellite Systems // Mobile Antenna Systems Handbook. — ARTECH HOUSE, 2008. — ISBN 9781596931268.
  • Сомов А.М. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи. — Горячая линия - Телеком, 2015. — ISBN 978-5-9912-0416-3.
  • В.Бобков Антенны земных станций спутниковой связи // журнал Connect!. — 2006. — Апрель.

Ссылки[править | править вики-текст]