Антенны для приема со спутников-ретрансляторов

Над Европой на геостационарной орбите на разных позициях находятся спутники, ретранслирующие множество радиовещательных и телевизионных программ, количество которых ежегодно увеличивается. Ретрансляция ведется в аналоговых системах, в цифро-аналоговых и в цифровых, в различных диапазонах частот, с различной излучаемой мощностью.

Для приема телевизионных программ со спутников необходимо иметь антенну (поворотную или устанавливаемую неподвижно), внешний блок приемного устройства, внутренний блок - спутниковый ресивер и, естественно, телевизор.

Типы приемных антенн и их краткая сравнительная характеристика

Выбор антенны для приема - это относительно несложная, но ответственная задача. От правильного выбора типа антенны, ее размеров зависит возможность приема интересующей программы спутника.

Антенны для приема со спутников-ретрансляторов изготавливаютя самых разных типов. Это антенны параболоидного типа - офсетные (off - set), осесимметричные прямофокусные (prim - focuse) , двузеркальные антенны Кассегрена, плоские антенны (proadside antenna) - фазированные антенные решетки (ФАРы), сферические линзовые антенны и т.п. Выбор типа антенны определяется конечными условиями приема, интересами пользователя и его финансовыми возможностями.

Плоские антенны. При больших уровнях ППМ для приема удобно применять плоские антенны, которые малогабаритны, имеют небольшой вес, незаметны (не влияют на архитектуру города), позволяют осуществлять электронное сканирование, поэтому необходимости иметь позиционер и

механическое опорно-поворотное устройство.Недостатком является то, что плоские антенны относительно узкополосны и могут принимать электромагнитные волны только одного вида поляризации. Для приема электромагнитных волн двух разных линейных поляризаций необходимы две плоские антенны, рассчитанные при изготовлении для их приема. Следует отметить, что современный спутниковый ресивер имеет два входа и более для приема сигналов УВЧ от внешнего блока (LNB). Передача телевизионной информации цифровым способом позволила разместить в узкой частотной полосе достаточное количество программ. Поэтому узкополосность плоских антенн в этом случае не так существенна.

Сферические линзовые антенны представляют собой диэлектрический шар диаметром 1,5... 1,8 м. Они могут принимать сигналы практически одновременно со всех спутников, находящихся в "видимой" части неба и ретранслирующие телевизионные программы с достаточной мощностью.Недостатком их является то, что со скольких спутников ведется прием, столько нужно внешних блоков -усилителей-конвертеров (LNB), что сказывается на стоимости антенны, кроме того, для них требуется повышенная ЭИИМ (ППМ). Следует отметить, что сферические линзовые антенны очень удобны для построения систем коллективного приема.

Прямофокусные и офсетные антенны. Классическими антеннами для индивидуальных пользователей в средних широтах при приеме с относительно небольшой ППМ являются параболоидные -прямофокусные и офсетные антенны, причем офсетные имеют некоторые преимущества перед прямофокусными. Так, у офсетных антенн такого же условного диаметра, как и у прямофокусных, более высокий к.п.д. и коэффициент усиления на 5 дБ выше, а главное - они более удобны при эксплуатации в средних и северных широтах. У прямофокусных антенн выпадающий снег и другие осадки задерживаются на поверхности, что приводит, к значительным потерям сигнала при приеме и даже к прекращению приема. У офсетных антенн таких проблем не возникает, выпадающие осадки (дождь, снег) не могут задерживаться на их поверхности, так как плоскость раскрыва антенны для приема устанавливается практически вертикально. Кроме того, офсетная антенна имеет более низкий уровень боковых лепестков, что снижает уровень сигналов, принимаемых с других направлений и которые принимаются как помеха. Однако при их использовании необходимо учитывать уровень кроссполяризационных потерь, и лучшими являются офсетные антенны с эллиптической формой раскрыва.

Материал для изготовления антенны.

Очень важное значение для параметров антенны имеет материал, из которого она изготовлена, и ее к.п.д., так как материал во многом определяет потребительские качества антенны и срок ее службы. Например, антенна диаметром 1,8 м с к.п.д. 50%, изготовленная из полистирола, не может обеспечить прием спутниковых телевизионных программ с таким же качеством, как аналогичная по конструкции антенна диаметром 1,5 м с к.п.д. 70%, изготовленная из сплавов алюминия по точной технологии. Кроме того, для установки большой красивой дешевой антенны из полистирола из-за ее парусности нужна мощная стойка, так как порыв ветра может повернуть антенну, и прием ухудшится или станет вовсе невозможным. Получается дешевая антенна с дорогой стойкой, что ставит под сомнение дешевизну антенной системы.

Требования, предъявляемые к антенне следующие:

небольшой вес, чтобы минимально нагружать опорно-поворотное устройство;

высокая долговечность, чтобы не изменять свою форму и поверхность со временем;

высокая точность формы и хорошее качество поверхности, т. е. зеркало антенны не должно деформироваться, изменять свою форму под порывами ветра, при одностороннем нагреве солнечными лучами и должно иметь устойчивую к коррозии поверхность.

Существует несколько технологических способов изготовления антенн для индивидуального приема как прямофокусных, так и офсетных.

Основными способами изготовления являются:

точная штамповка из алюминия А5, А6 или из алюминиевых сплавов типа АМцМ, АМгМ, АД1М и т.д.; литье из полиуретана с последующим нанесением на внутреннюю поверхность медного покрытия или металлической пленки;

прессование из термопластичного материала на базе пропилена, армированного стекловолокном (30…40% по весу). Его характерные свойства - вязкость, ударная прочность, легкость, экономичность обработки. По ударной прочности некоторые разновидности данного материала превосходят алюминий и сталь, и при этом имеют небольшую массу;

прессование взрывом (хотя это довольно дорогой технологический процесс, но позволяет получить очень точную форму зеркала).

Требования к технологии изготовления. Изготовление зеркала антенны является достаточно сложным процессом из-за высоких требований, предъявляемых как к поверхности, так и к ее форме. Особенно высокие требования предъявляются к форме зеркала, неточности изготовления которого очень сильно влияют на качество приема. Следует отметить, что из всех требований основными и наиболее серьезными являются требования к точности формы. Потери усиления при отклонении ее на ±1,0 мм от расчет¬ной составляют 1,0 дБ, что весьма существенно при приеме слабого сигнала. Форму зеркала (параболоида) с отклонением не более ±Х/15, что при длине волны X = 2,2 см составляет +1,334 мм и до¬пускается стандартами, изготовить не просто, но особых трудностей не вызывает. Точность формы не хуже ±Х/20 требуется для высококачественных антенн, например, антенн для приема со спутников ФСС, для радиолокационных антенн и т.п. Современная технология позволяет изготавливать антенны диаметром 2,0 м с точностью формы параболоидного зеркала не хуже ±0,36 мм.

Часто встречающиеся дефекты формы при изготовлении:

отклонение (уменьшение) глубины параболоида от расчетной;

неплоскость раскрыва или пропеллерность;

механические повреждения при настройке и в процессе экс¬плуатации.

Неточность формы - отклонение глубины параболоида от расчетной, так называемая недопрессовка, является довольно частым дефектом параболоидных антенн, появляющимся в процессе изготовления. Такой дефект легко выявляется при измерении. При недопрессовке получается квазипараболоид, у которого максимальная глубина уменьшена, радиус кривизны также уменьшен, что приводит к удалению от теоретически рассчитанной точки фокуса. На основании практических измерений установлено, что при уменьшении глубины параболоида на 1… 2 мм точка фокуса удаляется на5...12 мм от расчетной. Недопрессованное зеркало при настройке занимает более вертикальное положение, чем зеркало, выполненное идеально. При настройке антенны с недопрессованным зеркалом - параболоидом (или его сегментом), необходимо определить новое положение точки фокуса.

Типовым дефектом формы параболоидных антенн является неплоскость раскрыва - пропеллерность или винтообразность. Неплоскость раскрыва уменьшает действующую поверхность антенны и, как следствие, ее усиление. Допустимая неплоскость раскрыва не должна превышать л / 10 или 2…3 мм для антенн, предназначенных для приема в диапазоне 11… 12 ГГц. Она легко контролируется визуально при повороте зеркала, а также щупом при размещении параболоидной антенны раскрывом вниз на достаточно большой и ровной плите. Устраняется приложением небольшого усилия.

Параболоидные антенны в большинстве своем изготавливаются из алюминия или его сплавов и очень чувствительны к механическим воздействиям, возникающим в процессе настройки и эксплуатации. Попытка исправить поврежденную форму, придать ей первоначальный вид, в большинстве случаев оказывается безуспешной, и это влияет на прием. Важное значение для антенны имеет и качество параболоидной поверхности - наличие или отсутствие на ней вмятин, царапин и т.д. Так как первичный облучатель принимает отраженные электромагнитные волны только с 60… 70% поверхности параболоида и не принимает или слабо принимает с поверхности, расположенной ближе к краям, то особое значение приобретает качество поверхности в области центра. Влияние вмятин, царапин на качество параболоидной поверхности тем значительнее, чем ближе они к центру. Качество поверхности можно оценить по результатам большого количества измерений в центральной области и вычислением среднеквадратического отклонения, величина которого для хорошей поверхности не должна превышать ±л/30, а для поверхности среднего качества л/15. Для приема в диапазоне 10,7... 12,75 ГГц это составляет не более 0,9 и 1,8 мм соответственно.Выбирая и оценивая комплексно различные типы антенн, их способы изготовления с точки зрения применения в различных условиях эксплуатации, можно прийти к выводу, что лучшей при небольших размерах является офсетная антенна, изготовленная из алюминиевых сплавов с отклонением от формы в центре не более ±л/15, с низким уровнем кроссполяризационных потерь и эллиптической формой раскрыва. Условный диаметр такой антенны может быть от 0,9 до 1,2 м, и она может устанавливаться на поворотное устройство.

Как отмечалось, типовые параметры офсетной антенны диаметром 1,0 м такие: частота 11,7... 12,5 ГГц; усиление 38,5 дБ; коэффициент стоячих волн 1,2; ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности 2 °; поляризация - круговая.

Однако, следует отметить, что при диаметре, превышающем 1,5 м, в некоторых случаях более подходящей антенной для индивидуального приема может быть прямофокусная, которая проще в наведении на спутник и дешевле офсетной.

Выбор типа поляризатора электромагнитных волн

Для переключения с приема электромагнитных волн горизонтальных поляризаций на прием электромагнитных волн вертикальных поляризаций (или наоборот) требуется переключатель поляризаций - механический или электромагнитный (ферритовый). Лучшими считаются электромагнитные поляризаторы, хотя потери у них несколько больше (на 0,3 дБ), чем у механических, и они немного дороже их.

Электромагнитные поляризаторы позволяют плавно поворачивать плоскость поляризации, а так как не имеют движущихся частей, то довольно надежны. Для их настройки нужен спектроанализатор, который позволяет точно определить частотный спектр принимаемого сигнала и амплитуды его составляющих. Это дает возможность установить оптимальный ток для поворота плоскости поляризации электромагнитной волны.

При наличии двух усилителей-конвертеров вместо переключателя применяется разделитель электромагнитных волн по поляризации - артомод (как в системах коллективного приема, так и при индивидуальном приеме).

Управление работой конвертера и поляризатора осуществляется согласно протоколу DiSEqC, разработанному сообществом EUTELSAT и предназначенному для управления периферийным оборудованием:

- для установки позиций антенны (задает позиции позиционера);

- для выбора частотного диапазона внешнего устройства переключением генерации с одного гетеродина на другой и т.п.

Выбор малошумящего усилителя-конвертера

Для малошумящего усилителя-конвертера определяющими параметрами являются минимальный коэффициент шума, коэффициент усиления и частотный диапазон. У типовых усилителей-конвертеров уровень шума не превышает 1,0 дБ, но есть и такие, у которых коэффициент шума не более 0,6 дБ; здесь значения имеют и десятые доли. Они несколько дороже типовых, но это очень важный параметр, поэтому приобретать и устанавливать усилители-конвертеры целесообразно с наименьшим коэффициентом шума. Необходимо также, чтобы частотная полоса усилителя-конвертера соответствовала бы диапазону частот сигналов транспондера спутника-ретранслятора, с которого предполагается вести прием.

В устройствах приема с поворотной антенной желательно иметь универсальные усилители-конвертеры. Они обеспечивают усиление и преобразование сигналов в поддиапазонах 10,7... 11,7 (FSS), 11,7… 12,5 (DBS) и 12,5… 12,75 ГГц (Telecom). Выбор необходимого поддиапазона в современных усилителях-конвертерах осуществляется подачей управляющих сигнал-кодов DiSEqC частотой 22кГц для переключения генерации с одного гетеродина (Lokal Oscillator Freguency) на другой. Такие конвертеры имеют обозначения LOF-1 (частота генерации 9,75 ГГц для поддиапазона 10,7... 11,7 ГГц), LOF-2 (частота 10,6 ГГц для поддиапазона 11,7... 12,5 ГГц) или LOF-2 (частота 10,75 ГГц для поддиапазона 12,5... 12,5 ГГц). В некоторых случаях поддиапазоны DBS и Telecom объединяются в общий (11,7... 12,75 ГГц и частота гетеродина для него составляет 10,75ГГц, т.е. LOF-2).

Для индивидуального приема необходим один малошумящий усилитель-конвертер. В коллективной системе приема их должно быть минимум по одному для приема сигналов от электромагнитных волн каждого вида линейной поляризации. С другой стороны, для индивидуального приема также желательно иметь два усилителя-конвертера, что особенно удобно при установке неподвижной антенны, направленной на спутник (или семейство спутников), находящихся на разных позициях геостационарной орбиты. Это дает возможность вести прием электромагнитных волн разных ортогональных поляризаций. К тому же современные спутниковые приемные устройства - ресиверы в основном все имеют два входа УВЧ для подключения к блоку LNB.

Современные усилители-конвертеры приема цифрового телевизионного сигнала незначительно отличаются от усилителей-конвертеров для приема аналоговых сигналов. Отличие состоит в более высокой стабильности частоты гетеродина (не хуже ±0,35 МГц), что необходимо для снижения фазовой нестабильности и фазового шума преобразованного сигнала, а также в применении ФАПЧ первого гетеродина для повышения чувствительности усилителя-конвертера.

Внутренний блок - спутниковый ресивер аналоговых сигналов

Для приема аналоговых сигналов спутниковый ресивер должен:

иметь демодуляционный порог (threshold) - порог чувствительности не выше типового (6…7 дБ), т.е. он должен быть доста¬точно низким;

допускать изменение ширины полосы ПЧ или ступенчато (27-И8->22->16->13 МГц) или дискретно (через 1,0 МГц), что позволяет повышать чувствительность путем сужения частотной полосы на входе демодулятора. Это, однако, может привести при чрезмерном сужении к снижению четкости и контрастности принимаемого изображения;

управлять переключением во внешнем блоке с одного частотного диапазона приема (10,7... 11,7 ГГц) на другой (11,7... 12,75 ГГц). Особенно важно выполнение данного условия при наличии поворотной антенны, так как нужно вести прием с разных спутников, ретранслирующих в разных телевизионных каналах и в различных частотных диапазонах;

при коллективном, а также и при индивидуальном приеме иметь минимум два УВЧ входа для сигналов диапазона частот 950... 1750 (2150) МГц. Это дает возможность вести прием одновременно от электромагнитных волн взаимно ортогональных линейных поляризаций. Выбор спутникового частотного канала в этом случае осуществляется также с ПДУ ресивера;

иметь возможность хранить в своей памяти несколько сотен спутниковых телевизионных каналов, а также координаты позиций спутников на геостационарной орбите, с которых ведется или предполагается вести прием (число дискретных положений антенны или иначе число позиций позиционера), что необходимо для управления поворотным устройством антенны (актуатором или супермоутом) при приеме с разных спутников. Позиции спутников-ретрансляторов или заносятся в память изготовителем ресивера, или могут предварительно заноситься в ЭППЗУ пользователем;

управлять электромагнитным поляризатором (при его наличии) - вносить в ЭППЗУ значения оптимальных токов для поворота плоскости поляризации принимаемых электромагнитных волн;

иметь возможность программировать частоту ВЧ поднесущей звука в пределах 5,5...9,0 МГц, чтобы наряду со звуковым сопровождением телепрограммы можно было бы запрограммировать и принимать другой звуковой "материал". Например, на другой ВЧ поднесущей звука принимать синхронный перевод или стереопрограммы, которые передаются независимо от звукового сопровождения телевизионных программ;

устанавливать различные нормы (50/75 мкс или нормы стан¬дарта J-17) для относительного ослабления ВЧ (de-emphasis - де-емфазис), поднятых на передающей стороне, и иметь возможность перепрограммировать их нормы при приеме соответствующих программ;

иметь один или два выхода стандартного телевизионного сигнала в системе PAL на любые каналы ДМВ (UHF) диапазона для подключения одного или двух телевизоров по ВЧ выходу, а также иметь не менее двух разъемов SCART для подключения телевизора или видеомагнитофона по видеовыходу;

иметь базовый выход для подключения декодеров принимаемых скремблированных платных программ;

формировать напряжение автоподстройки направления антенны по принимаемому сигналу (автофокус).

Кроме перечисленных основных функций ресивер должен иметь следующие сервисные функции:

таймер;

экранное меню;

дисплей на передней панели;

несколько гнезд (слотов) для карточек декодирования (Smart Card);

"родительский ключ".

Для управления поворотным устройством антенны (если его нет в настоящее время, то возможно будет) необходимо, чтобы ресивер имел интерфейс, даже если прием в настоящее время ведется только с одного спутника. В будущем, возможно, появится необходимость вести прием с нескольких спутников, установленных на разных позициях.

При наведении поворотной антенны с полярной подвеской все основные данные, такие как номер принимаемого спутникового ка¬нала, его частота, название программы и т.п. должны индицироваться на экране телевизора при настройке;

Последнее и очень важное - спутниковый ресивер должен быть надежным и простым в эксплуатации.

Выбор ресивера (приемника-декодера) цифровых телевизионных сигналов

Необходимо отметить, что цифровые ресиверы, сохраняя преемственность сервисных функций с аналоговыми ресиверами при приеме телевизионных программ со спутников, естественно, имеют и свои.

К сервисным функциям, присущим только цифровым ресиверам, в первую очередь следует отнести наличие "электронного гида", который позволяет реализовать:

индикацию списка (перечня) телевизионных каналов в принимаемом спутниковом канале. Причем название каждого телевизионного канала можно перемещать на любую строку или вовсе убирать, например, недоступные (скремблированные), если в этом имеется необходимость; режим автоматического поиска интересующего канала;

подробное описание телевизионного канала, включающее: его название; индикацию параметров: частоту, вид поляризации и скорость цифрового потока; название текущей передачи; вызов (при необходимости) субтитров на экран телевизора, если они предусмотрены передачей;

индикацию на экране перечня языков сопровождения программы и определения выбранного языка (английского, русского, немецкого, французского и т п.);

режимы моно или стерео звукового сопровождения;

версию программного обеспечения;

наличие или отсутствие встроенных декодеров - модулей условного доступа (Irdeto, Viaccess и т.п.), необходимых для просмотра платных программ;

количество слотов для подключения внешних декодеров -модулей условного доступа.

Возможность приема, очень большого количества телевизионных каналов (программ) и наличие большого количества сервисных функций требуют гибкого программного обеспечения.

Важнейшие параметры цифрового ресивера были рассмотрены выше.

Наведение антенны на спутник и особенности отладки антенной системы

Общие требования

Цель установки и отладки антенной системы - точно направить основной лепесток излучения приемной антенны на выбранный спутник, чтобы получить максимальный уровень принимаемой электромагнитной волны. Положение спутника характеризуется для географической точки приема азимутом и углом места и поэтому необходимо точно выставить их для антенны. Антенна может быть направлена на спутник неподвижно (фиксировано) при угломестном наведении или быть поворотной и направляться на спутники опорно-поворотным устройством.

Приему сигналов могут мешать деревья, дома и сооружения, имеющиеся в направлении на спутник. Поэтому при установке антенны на поворотное устройство направления на юг, юго-восток и юго-запад от места установки в секторе ±40° должны быть свободными от сооружений, деревьев и т.п., чтобы не затенять направление приема. Это относится и к антенне, устанавливаемой неподвижно (фиксировано) - направление на спутник для нее должно быть также свободным, открытым.

При индивидуальном и при коллективном приемах нужна проч¬ная антенная опора, так как антенны для приема спутникового телевизионного вещания имеют значительный вес и большую парусность. Опора должна быть жесткой, не допускать вибраций и выдерживать большие ветровые нагрузки.

В процессе и после установки антенны должен быть свободным доступ к усилителю-конвертеру и опорно-поворотному узлу (актуатору), что в случае необходимости дает возможность уточнять ее угол места, азимут и положение первичного облучателя.

Актуатор представляет собой зубчатую планку (по типу домкрата), которая, выдвигаясь-вдвигаясь электродвигателем, осуществляет поворот антенны на некоторый угол вокруг оси. Длина планки-штока может быть равна 6, 8, 10, 12, 18, 24 дюймов. Датчиком положения служит или оптоэлектронная пара, или герконовое реле, и положение штока фиксируется по количеству импульсов, получаемых с них. Управление актуатором осуществляется через позиционер, на который подаются сигналы управления от запоминающего устройства, расположенного в ресивере. Кроме актуатора для поворота антенны может использоваться супермоут. В отличие от актуатора он не имеет ограничений при повороте антенны вокруг своей оси и рассчитан на небольшие ветровые нагрузки, и поэтому используется с небольшими антеннами - до 130 см в диаметре.

Максимальная длина соединительного кабеля от внешнего блока, размещенного на антенне, до ресивера, находящегося возле телевизора, не должна превышать 20 м, так как при большей длине в соединительном кабеле возможны значительные потери сигнала. Потерь тем больше, чем более низкого качества соединительный кабель и чем большей он длины.

Подготовка антенны

При подготовке антенны к установке необходимо соединить все детали-элементы, конструктивно входящие во внешний блок, и расположить его так, чтобы в фокусе антенного зеркала был первичный облучатель.

Затем точно совмещают центр апертуры (центр раскрыва) первичного облучателя с фокусом основного зеркала, чтобы получить по всей площади раскрыва зеркала синфазность излучения и, следовательно, максимальное усиление. Если в процессе сборки точно это сделать затруднительно, то после установки (при наличии доступа) положение облучателя можно уточнить, слегка перемещая его, и, добиваясь наилучшего изображения при приеме различных телевизионных программ. Это особенно относится к офсетной антенне, зеркало которой еще дополнительно необходимо повернуть на небольшой угол. Кроме того, необходимо учесть, что из-за технологических неточностей изготовления офсетной антенны положение ее точки фокуса не всегда совпадает с указанным в документации изготовителем. Однако точно определить координаты точки фокуса можно и расчетным путем. Но это довольно кропотливый и трудоемкий процесс, требующий множества замеров параметров геометрических точек на поверхности антенны. Более просто и удобно можно определить точку фокуса и точнее выставить первичный облучатель в процессе настройки антенны.

На первичном облучателе имеется метка V, которой отмечен его верх - положение для приема электромагнитных волн вертикальной поляризации. Предварительно поляризатор устанавливают в положение 45°, направляя метку V относительно горизонта, независимо от того, имеется разделитель электромагнитных волн по поляризации или только переключатель поляризаций, что при приеме приводит к некоторому уменьшению сигнала.

Соединяют коаксиальным кабелем внешний блок с внутренним спутниковым ресивером и, программируя выход ресивера на свободный канал ДМВ, проверяют прохождение тест-сигнала от ресивера к телевизору. Для этого, включив их, и, настраивая селектор каналов телевизора, получают на экране две широкие белые полосы на черном фоне: тест-сигнал генератора, встроенного в ресивер.

После этого отключают генератор и переключают ресивер на прием программ со спутника.