У дома Решение Сателитна антена. Какво е параболична антена Как работи параболичната антена

Сателитна антена. Какво е параболична антена Как работи параболичната антена

История [ | ]

Първата параболична антена, проектирана от Хайнрих Херц

Параболичната антена е изобретена от немския физик Хайнрих Херц през 1887 г. Херц използва цилиндрични параболични рефлектори, за да запали диполни антени по време на своите експерименти. Антената имаше размер на отвора 1,2 метра широк и беше използвана при честота от около 450 MHz. Рефлекторът е изработен от цинкова ламарина. С две такива антени, една предавателна и една приемаща, Херц успешно демонстрира съществуването на електромагнитни вълни, които Максуел е предсказал 22 години по-рано.

Обикновено при рефлекторните антени по-широката диаграма на излъчване на захранването се преобразува в тясна диаграма на излъчване на самата антена.

Ръбът на огледалото и равнината Z образуват повърхност, наречена отвор на огледалото. В този случай радиусът R се нарича радиус на отваряне, а ъгълът 2ψ се нарича ъгъл на отваряне на огледалото. Видът на огледалото зависи от ъгъла на отваряне:

ако ψ< π/2 - зеркало называют мелким или длиннофокусным;
ако ψ > π/2 - дълбок или къс фокус,
ако ψ = π/2 - средно.

Фокусът на антенното захранване може или да бъде разположен във фокуса на огледалото F, или да бъде изместен спрямо него. Ако фокусът на облъчвателя е разположен във фокуса на антената, тогава той се нарича директен фокус. Антените с директен фокус се предлагат в различни размери, докато есенно симетричните антени, чието захранване не е във фокуса на огледалото, обикновено не надвишават 1,5 m в диаметър. Такива антени често се наричат офсетни антени. Предимството на офсетната антена е по-високото усилване на антената, което се дължи на липсата на засенчване на отвора на огледалото от фида. Рефлекторът на офсетните антени е страничен изрез на параболоид на въртене. Фокусът на облъчвателите в такива антени е разположен във фокалната равнина на рефлектора.

Рефлекторната антена може да има допълнително елиптично огледало (2-огледална схема на Грегори) или допълнително хиперболично огледало (2-огледална схема на Касегрен), с фокуси, разположени във фокалната равнина на рефлекторната антена. В този случай облъчвателят се намира във фокуса на допълнителното огледало.

Рефлекторната антена може едновременно да има няколко канала, разположени във фокалната равнина на антената. Всеки облъчвател формира диаграма на излъчване, насочена в желаната посока. Облъчвателите могат да работят в различни диапазони на дължина на вълната ( , , ) или всеки едновременно в няколко диапазона.

Местоположението на фокуса и фокалната равнина на огледалото на антената не зависи от работния диапазон на дължината на вълната.

В зависимост от задачите и облъчвателя, рефлекторната антена формира една тясно насочена обща, сумарно-различна диаграма (за пеленгаторите) или няколко разнопосочни диаграми едновременно - при използване на няколко облъчвателя.

Видове огледала [ | ]

В технологията най-широко използвани са следните видове огледала:

Характеристики на дизайна[ | ]

Огледалото обикновено се състои от диелектрична основа (въглеродни влакна - за космически антени), която е покрита с метални листове, проводима боя, фолио. В същото време листовете често са перфорирани или мрежести, което се дължи на желанието да се намали теглото на конструкцията, както и да се сведе до минимум устойчивостта на вятър и валежи. Но такова непродължително огледало води до следните последствия: част от енергията прониква през огледалото, което води до отслабване на насочеността на антената и увеличаване на радиацията зад рефлектора. Ефективността на антена с неплътно огледало се изчислява по формулата T = P p r P p a d (\displaystyle T=(\frac (P_(pr))(P_(pad)))), където P p r (\displaystyle P_(pr))е мощността на излъчване зад рефлектора, и P p a d (\displaystyle P_(pad))- мощност на излъчване на рефлектора (падаща вълна). Ако T< 0 , 01 {\displaystyle T<0,01} , неплътното огледало се счита за добро. Това условие обикновено е изпълнено, когато диаметърът на отвора на перфорираното огледало е по-малък от 0 , 2 λ (\displaystyle 0,2\lambda )и общата площ на дупките до 0 , 5 − 0 , 6 (\displaystyle 0,5-0,6)от цялата площ на огледалото. При мрежестите огледала диаметърът на отворите не трябва да надвишава 0 , 1 λ (\displaystyle 0,1\lambda ) .

Облъчвател [ | ]

Диаграмата на излъчване на параболична антена се формира от захранване. В антената може да има едно или повече захранвания, съответно в антената се формират една или повече диаграми на излъчване. Това се прави, например, за да се получи сигнал едновременно от няколко космически комуникационни спътника.

Отворът на облъчвателите се намира във фокуса на параболичния рефлектор или в неговата фокална равнина, ако в една антена се използват няколко облъчвателя. Няколко облъчватели формират няколко радиационни модели в една антена, това е необходимо, когато насочвате една антена едновременно към няколко комуникационни сателита. θ = k λ / d (\displaystyle \theta =k\lambda /d\,),

където K е коефициент, който варира леко в зависимост от формата на рефлектора, а d е диаметърът на рефлектора в метри, ширината на модела на половин мощност θ в радиани. За 2-метрова сателитна антена, работеща в обхват C (3-4 GHz приемане и 5-6 GHz предаване), тази формула дава ширина на лъча от около 2,6°.

Усилването на антената се определя по формулата:

G = (π k θ) 2 e A (\displaystyle G=\left((\frac (\pi k)(\theta ))\right)^(2)\ e_(A))

Съществува обратна връзка между усилването и ширината на лъча.

Параболичните антени с големи диаметри образуват много тесни лъчи. Насочването на такива лъчи към комуникационен сателит се превръща в проблем, тъй като вместо към главния лоб, можете да насочите антената към страничния лоб.

Диаграмата на антената е тесен основен лъч и странични листа. Кръговата поляризация в главния лъч се задава в съответствие със задачите, нивото на поляризация в различните места на главния лъч е различно, в първите странични лобове поляризацията се променя на противоположна, отляво надясно, отдясно наляво.

Характеристики на рефлекторните антени[ | ]

Характеристиките на рефлекторната антена се измерват в далечното поле.

Интересни факти[ | ]

Приложение [ | ]

Параболичните антени се използват като антени с високо усилване за следните видове комуникации: радиорелейни комуникации между близките градове, безжични WAN / LAN връзки за данни, за сателитни комуникации и комуникации между космически превозни средства. Използват се и за радиотелескопи.

Параболичните антени се използват и като радарни антени за управление на кораби, самолети и управляеми ракети. С появата на домашните сателитни телевизионни приемници, параболичните антени се превърнаха в характерна черта на пейзажите на съвременните градове.

Работата на сателитните антени, по-специално тези, които приемат телевизионен сигнал, се основава на оптичното свойство на парабола. Параболата е геометричното място на точки, еднакво отдалечени от права линия (наречена директриса) и от точка, която не лежи върху директрисата (наречена фокус). От горната дефиниция на парабола не е трудно да се получи "училищна": параболата е графика на квадратична функция y=ax^2+bx+c (по-специално y=x^2).

Нека формулираме споменатото оптично свойство на параболата. Ако точков източник на светлина (електрическа крушка) се постави във фокуса на параболата и се включи, тогава лъчите, отразени от параболата, ще вървят успоредно на оста на симетрия на параболата, а водещият ръб ще бъде перпендикулярно на оста.

Обратното също е вярно - ако поток от лъчи, успореден на оста на симетрия, попадне върху парабола, тогава, отразени от параболата, лъчите ще попаднат на фокус и в същото време, ако водещият ръб на потока от лъчи е перпендикулярна на оста.

При въртене на парабола около своята ос на симетрия се получава параболоид на въртене - повърхност от втори ред. За всяко сечение на параболоида от равнини, минаващи през оста на симетрия, се получават еднакви параболи с общ фокус, следователно параболоидът има и оптично свойство. Ако поставите излъчвателя на фокус, тогава лъчите, отразени от повърхността, ще вървят успоредно на оста на въртене. И ако лъчи, успоредни на оста му, паднат върху параболоид, тогава след отражение всички те се събират на фокус.

Оптичните свойства са фундаменталната основа на параболичните антени. Антените могат да се въртят, например - параболични антени на летищата, оформени като "резени" от огромни параболоиди, те едновременно предават и приемат сигнал. Антените могат да бъдат фиксирани. Последният тип включва домашни сателитни телевизионни антени ("чинии"): те са насочени към сателит-ретранслатор, разположен високо над Земята в геостационарна орбита, след което тяхната позиция се фиксира.

Тъй като спътникът е далеч от повърхността, лъчите, идващи от него в точката на приемане от антената, могат да се считат за паралелни. Във фокуса на сателитната чиния е приемникът, от който сигналът се изпраща по кабел към телевизора.

Същата идея се използва за създаване на прожектори за железопътни локомотиви, фарове за автомобили, дори може да се използва за готвене на полето. Оптичното свойство на параболата "познава" света на дивата природа. Например, някои северни цветя, живеещи в условия на кратко лято и липса на слънчева светлина, отварят венчелистчетата си под формата на параболоид, така че "сърцето" на цветето е по-топло. „Параболични“ са такива алпийски и арктически цветя като алпийски гръб, ледникова беквичия, полярен мак. Поради оптичното свойство на параболата, узряването на семената се ускорява при такива цветя. Друга полезна последица от тяхното параболично свойство за цветята е привличането на насекоми, които обичат да „попиват“ в купата с цветя, а това се отразява на процеса на пренос на полени (опрашване).

Приемането на сателитни телевизионни сигнали се осъществява от специални приемници, неразделна част от които е антената. Параболичните антени са най-популярни за професионални и любителски предавания от сателити, поради свойството на параболоида на въртене да отразява лъчите, падащи върху неговата апертура, успоредна на оста, в една точка, наречена фокус. Апертурата е частта от равнината, ограничена от ръба на параболоида на въртене.

Параболоид на въртене, който се използва като рефлектор на антената, се образува чрез въртене на плоска парабола около оста си. Параболата е геометричното място на точки, еднакво отдалечени от дадена точка (фокус) и дадена права линия (директриса) (фиг. 6.1). Точка F е фокусът, а правата AB е директрисата. Точка M с координати x, y е една от точките на параболата. Разстоянието между фокуса и директрисата се нарича параметър на параболата и се обозначава с буквата p. Тогава координатите на фокуса F са: (p/2, 0). Началото на координатите (точка 0) се нарича връх на параболата.

По дефиниция на парабола отсечките MF и PM са равни. Според Питагоровата теорема MF^2 =FK^2+ MK^2. В същото време FK = x - p/2, KM = y и PM = x + p/2, тогава (x - p/2)^2 + y^2 = (x + p/2)^2.

Поставяйки на квадрат изразите в скоби и привеждайки подобни членове, накрая получаваме каноничното уравнение на параболата:

y^2 = 2px, или y = (2px)^0,5. (6.1)

Според тази класическа формула са направени милиони антени за приемане на сателитни телевизионни сигнали. Какво й е на тази антена?

Успоредно на оста на параболоида лъчите (радиовълните) от спътника, отразени от апертурата към фокуса, преминават по същия (фокусно разстояние). Обикновено два лъча (1 и 2) падат върху зоната на отваряне на параболоида в различни точки (фиг. 6.2). Отразените сигнали и на двата лъча обаче преминават на същото разстояние до фокуса F. Това означава, че разстоянието A+B=C+D. Така всички лъчи, излъчвани от предавателната антена на сателита и към които е насочено парабо огледалото

loid, са концентрирани във фаза във фокуса F. Този факт се доказва математически (фиг. 6.3).

Изборът на параболичния параметър определя дълбочината на параболоида, т.е. разстоянието между върха и фокуса. При същия диаметър на отвора параболоидите с къс фокус имат голяма дълбочина, което прави изключително неудобно монтирането на облъчвателя на фокус. В допълнение, в късофокусните параболоиди разстоянието от захранването до върха на огледалото е много по-малко, отколкото до неговите краища, което води до неравномерни амплитуди при захранването за вълни, отразени от ръба на параболоида и от зоната, близка до до горе.

Дългофокусните параболоиди имат по-малка дълбочина, инсталирането на облъчвателя е по-удобно и разпределението на амплитудата става по-равномерно. И така, с диаметър на отвора 1,2 m и параметър 200 mm, дълбочината на параболоида е 900 mm, а с параметър 750 mm - само 240 mm. Ако параметърът надвишава радиуса на отвора, фокусът, в който трябва да се намира захранването, се намира извън обема, ограничен от параболоида и отвора. Оптималната опция е, когато параметърът е малко по-голям от радиуса на отвора.

Сателитната чиния е единственият усилващ елемент на приемната система, който не въвежда собствен шум и не влошава сигнала и съответно изображението. Антените с огледало под формата на въртящ се параболоид са разделени на два основни класа: симетричен параболичен рефлектор и асиметричен (фиг. 6.4, 6.5). Първият тип антени обикновено се нарича директен фокус, вторият - офсет.

Офсетната антена е, така да се каже, изрязан сегмент от парабола. Фокусът на такъв сегмент е разположен под геометричния център на антената. Това елиминира засенчването на полезната площ на антената от захранването и нейните опори, което увеличава нейната ефективност при същата огледална зона с осесиметрична антена. В допълнение, облъчвателят е монтиран под центъра на тежестта на антената, като по този начин повишава нейната стабилност при ветровити условия.

Именно този дизайн на антената е най-често срещан при индивидуалното приемане на сателитна телевизия, въпреки че в момента се използват други принципи за конструиране на наземни сателитни антени.

Препоръчително е да използвате офсетни антени, ако размерът на антената до 1,5 m е необходим за стабилно приемане на програмите на избрания спътник, тъй като с увеличаване на общата площ на антената ефектът на огледалното засенчване става по-малко значим.

Офсетната антена е монтирана почти вертикално. В зависимост от географската ширина ъгълът му на наклон е лек

се променя. Тази позиция изключва събирането на атмосферни валежи в купата на антената, което значително влияе върху качеството на приемане.

Принципът на действие (фокусиране) на директно фокусирани (осесиметрични) и офсетни (асиметрични) антени е показан на фиг. 6.6.

За антените характеристиките на посоката са от особено значение. Благодарение на възможността за използване на антени с висока пространствена селективност се получава сателитна телевизия. Най-важните характеристики на антените са усилването и диаграмата на излъчване.

Усилването на параболичната антена зависи от диаметъра на параболоида: колкото по-голям е диаметърът на огледалото, толкова по-голямо е усилването.

Зависимостта на усилването на параболичната антена от диаметъра е показана по-долу.

Ролята на усилването на параболичната антена може да се анализира с помощта на електрическа крушка (фиг. 6.7, а). Светлината се разпръсква равномерно в околното пространство и окото на наблюдателя възприема определено ниво на осветеност, съответстващо на мощността на електрическата крушка.

Въпреки това, ако източник на светлина се постави във фокуса на параболоид с усилване 300 пъти (фиг. 6.7, b), неговите лъчи, след отражение от повърхността на параболоида, ще бъдат успоредни на неговата ос и цветът мощността ще бъде еквивалентна на източник с мощност 13 500 вата. Очите на наблюдателя не могат да възприемат такова осветление. По-специално на това свойство се основава принципът на работа на прожектора.

По този начин параболоидът на антената, строго погледнато, не е антена в разбирането си за трансформацията на силата на електромагнитното поле в сигнално напрежение. Параболоидът е само отражател на радиовълни, концентрирайки ги във фокус, където трябва да бъде поставена активната антена (фидер).

Диаграмата на антената (фиг. 6.8) характеризира зависимостта на амплитудата на напрегнатостта на електрическото поле E, създадено в определена точка, от посоката към тази точка. В този случай разстоянието от антената до тази точка остава постоянно.

Увеличаването на усилването на антената води до стесняване на главния лоб на диаграмата на излъчване, а стесняването му до по-малко от 1 ° води до необходимостта от снабдяване на антената със система за проследяване, тъй като геостационарните сателити осцилират около стационарната си позиция в орбита. Увеличаването на ширината на диаграмата на излъчване води до намаляване на усилването и следователно до намаляване на мощността на сигнала на входа на приемника. Въз основа на това оптималната ширина на главния лоб на диаграмата на излъчване е

ширината е 1 ... 2 °, при условие че предавателната антена на спътника се поддържа в орбита с точност от ± 0,1 °.

Наличието на странични листове в диаграмата на излъчване също намалява усилването на антената и увеличава възможността за получаване на смущения. В много отношения ширината и конфигурацията на диаграмата на излъчване зависят от формата и диаметъра на огледалото на приемната антена.

Най-важната характеристика на параболичната антена е точността на формата. Тя трябва да повтаря формата на параболоид на революция с минимални грешки. Точността на формата определя усилването на антената и нейната диаграма на излъчване.

Почти невъзможно е да се направи антена с идеална параболоидна повърхност. Всяко отклонение от реалната форма на параболичното огледало от идеалната се отразява на характеристиките на антената. Възникват фазови грешки, които влошават качеството на полученото изображение и усилването на антената намалява. Изкривяването на формата възниква и по време на работа на антените: под въздействието на вятър и валежи; земно притегляне; в резултат на неравномерно нагряване на повърхността от слънчевите лъчи. Като се вземат предвид тези фактори, се определя допустимото общо отклонение на профила на антената.

Качеството на материала също влияе върху характеристиките на антената. За производството на сателитни антени се използват главно стомана и дуралуминий.

Стоманените антени са по-евтини от алуминиевите, но по-тежки и по-податливи на корозия, така че антикорозионната обработка е особено важна за тях. Факт е, че много тънък приповърхностен метален слой участва в отразяването на електромагнитен сигнал от повърхността. Ако е повредена от ръжда, ефективността на антената е значително намалена. По-добре е първо да покриете стоманена антена с тънък защитен слой от някакъв цветен метал (например цинк) и след това да я боядисате.

При алуминиеви антени тези проблеми не възникват. Те обаче са малко по-скъпи. Промишлеността произвежда и пластмасови антени. Техните огледала с тънко метално покритие са подложени на изкривяване на формата поради различни външни влияния: температура, натоварвания от вятър и редица други фактори. Има мрежести антени, които са устойчиви на натоварване от вятър. Те имат добри теглови характеристики, но са се доказали зле при приемане на сигнали от Ki-лента. Препоръчително е да използвате такива антени за приемане на сигнали от C-обхвата.

Параболичната антена на пръв поглед изглежда като грубо парче метал, но въпреки това изисква внимателно боравене по време на съхранение, транспортиране и монтаж. Всяко изкривяване на формата на антената води до рязко намаляване на нейната ефективност и влошаване на качеството на изображението на телевизионния екран. Когато купувате антена, трябва да обърнете внимание на наличието на изкривяване на работната повърхност на антената. Понякога се случва, когато се нанасят антикорозионни и декоративни покрития върху огледалото на антената, то „води“ и приема формата на витло. Можете да проверите това, като поставите антената на равен под: краищата на антената трябва да докосват повърхността навсякъде.

Темата на нашия разговор днес е параболична антена. Факт е, че мнозина погрешно наричат всички антени за сателитна телевизия така. Всъщност не всички тези устройства са параболични антени. Това е само един вид оборудване. Нека първо дефинираме това понятие. И така, сателитът се нарича огледално оборудване, предназначено да приема сигнали от сателити.

Сега да преминем към изгледите. Параболичната антена е най-често срещаната от тях. Използва се за приемане на радиопредавания, а също така е предназначен за телевизия и достъп до Интернет. Има два вида такива устройства.

Първият тип е директен фокус. Това е класическият тип параболоид на революцията. Тази параболична антена може да работи както в C-лента, така и в Ku-лента. Също така е възможно устройството да работи в комбиниран режим. Вторият тип е офсетната антена. Този тип е най-често срещан за индивидуално приемане на сателитно излъчване. Тази антена е елипсовиден параболоид. Фокусът на този сегмент е по-нисък от геометричния център на устройството.

Това разположение допринася за елиминирането на засенчването на използваемата площ както от облъчвателя, така и от неговите опори. Следователно тази параболична антена има коефициент, по-висок от предишната версия за същата отразяваща площ. А настройката на облъчвателя по-ниско от центъра на тежестта на антената ви позволява да увеличите стабилността му по време на излагане на вятър, тъй като е монтиран почти вертикално.

Поради местоположението на антената в купата, задръстванията са изключени.Както знаете, те могат доста силно да повлияят на качеството на сигнала. Ъгълът на наклона на тази антена може да варира в зависимост от местоположението в определена географска ширина. Този тип антена работи в същите диапазони като директния фокус.

Следващият сорт са тороидалните антени. Този продукт принадлежи към нова категория сателитно приемане (без завъртащи устройства). Такава антена се различава от всички предишни устройства по това, че нейната парабола има по-добре проектирана отразяваща повърхност. Благодарение на втория рефлектор е възможно да се инсталират по-голям брой конвертори за приемане на сигнал.

Тази антена е изработена от специална поцинкована стомана, която е покрита с полиестерен лак. На държача му могат да се поставят максимум 16 конвертора. Между тях се допуска разстояние най-малко 3 градуса. Вярно е, че монтажът изисква стриктно спазване на ъгъла, наклона и азимута. Предимството на тази антена се крие във факта, че върху нея е възможно да се монтира специален двигател, който може да завърти устройството в посоката на желания спътник.

Напоследък е актуална параболична WiFi антена. Както се досещате от името, той може да работи без кабелна връзка. Това по принцип е всичко, което исках да ви кажа за антените.

y^2 = 2px, или y = (2px)^0,5. (6.1)

Успоредно на оста на параболоида лъчите (радиовълните) от спътника, отразени от апертурата към фокуса, преминават по същия (фокусно разстояние). Обикновено два лъча (1 и 2) падат върху зоната на отваряне на параболоида в различни точки (фиг. 6.2). Отразените сигнали и на двата лъча обаче преминават на същото разстояние до фокуса F. Това означава, че разстоянието A+B=C+D. По този начин всички лъчи, излъчвани от предавателната антена на спътника и към които е насочено параболоидното огледало, са концентрирани във фаза във фокуса F. Този факт се доказва математически (фиг. 6.3).

Офсетната антена е, така да се каже, изрязан сегмент от парабола. Фокусът на такъв сегмент е разположен под геометричния център на антената. Това елиминира засенчването на полезната площ на антената от захранването и нейните опори, което увеличава нейната ефективност при същата огледална зона с осесиметрична антена. Освен това захранването е монтирано под центъра на тежестта на антената, като по този начин се повишава нейната стабилност при натоварване от вятър.

Офсетната антена е монтирана почти вертикално. В зависимост от географската ширина ъгълът му на наклон варира леко. Тази позиция изключва събирането на атмосферни валежи в купата на антената, което значително влияе върху качеството на приемане.

Зависимостта на усилването на параболичната антена от диаметъра е показана по-долу.

Само за комплекса. Програми. Желязо. Интернет. Windows

Сателитна антена. Какво е параболична антена Как работи параболичната антена

История [ | ]

Видове огледала [ | ]

Характеристики на дизайна[ | ]

Облъчвател [ | ]

Характеристики на рефлекторните антени[ | ]

Интересни факти[ | ]

Приложение [ | ]