В статье привлекается внимание к преимуществам спутниковых антенн, построенных на основе неподвижного сферического зеркала. Описана новая антенна со сферическим зеркалом и одним конвертором, позиционируемая одновременно на 16 спутников в угловом секторе до 60°.

Желание вести прием ТВ- сигналов одновременно с нескольких геостационарных спутников (ГСС) всегда преследовало любителей спутникового ТВ и возрастало пропорционально увеличению количества ГСС на орбите. Наиболее доступным на территории Армении в этом отношении являлся в одно время экваториальный орбитальный сектор от 7° в.д. до 16° в.д., включающий четыре рядом расположенных ГСС.

Сага о параболах

Фото 1.

Теория параболических антенн допускает размещение нескольких облучателей в области фокуса антенны, оси которых веерообразно расходились бы в ограниченном, не более 10°, секторе углов. Дальнейшее смещение раскрыва облучателя из фокуса ведет к более резкому снижению коэффициента направленного действия (КНД) антенны. Разместив четыре облучателя через каждые 3° и снабдив их четырьмя конверторами, можно, таким образом, получить многопозиционную антенну и "поймать" четверку ГСС без поворота зеркала.

Анализируя статистику антенного рынка, можно заметить, что мировой парк спутниковых антенн на сегодняшний день более чем на 90% состоит из параболических антенн. Объяснение этому можно дать, исходя из нескольких посылок.

Первая состоит в том, что технические параметры параболического зеркала имеют некоторые преимущества по сравнению с характеристиками других апертурных антенн — сферической, рупорной или антенной решетки тех же размеров.

Другая причина состоит в том, что системы с параболическими антеннами были хорошо отработаны за предшествующие десятилетия их эксплуатации в различных системах коммуникаций и сразу стали использоваться для задач спутникового ТВ. При размерах диаметра зеркала до двух метров параболические антенны в своем поворотном исполнении не несут особых неудобств потребителю и доступны по цене. Именно на антенный ряд с диаметрами зеркал 0.9 м, 1.2 м, 1.6 м и 1.8 м пришелся основной спрос в странах, где бум спутникового ТВ начался раньше. Не отстала и электронная промышленность, обеспечив эти "тарелки" позиционерами и компактными актюаторами различной длины выдвижения штока.

В качестве третьей причины можно назвать конъюнктурный фактор, когда к выгодному бизнесу подключаются производители, не имевшие отношения к разработке антенной техники. Не внося какой-либо новизны, они заполняют, тем не менее, большой сектор рынка антеннами, зачастую просто скопированными с ходовых образцов.

Не все так просто в лесу

Однако не все так просто обстоит с параболическими антеннами солидных диаметров, используемых для приема слабых сигналов отдаленных ГСС. Стоимость поворотных антенных систем с диаметром зеркала 3, 4 или 5 метров и мощными электроприводами в десятки, а то и в сто раз превосходит стоимость антенн средних 1-1.5 м диаметров.

Для выдерживания точностных характеристик параболического профиля поверхности необходим прочный удерживающий каркас, что утяжеляет конструкцию. Увеличивается также парусность зеркала, что, в свою очередь, требует весьма надежной и устойчивой конструкции опорно-поворотного механизма с противовесом.

Поскольку с увеличением диаметра зеркала происходит сужение ширины луча диаграммы направленности (ДН) антенны, то проблемой становятся точное наведение оси антенны на спутник, выбег луча из позиции и его удержание в позиции. А при совсем узких лучах ДН порядка 1° и менее, когда крутизна ДН весьма высока, у антенн с полярной подвеской дает о себе знать параллактическое смещение, они более чувствительны к дрейфу ГСС и требуют дополнительной коррекции оси по углу места. Ввиду названных причин параболические антенны больших диаметров зеркал чаще выполняются двухкоординатными — с азимутальным и угломестным приводами.

Поскольку такие дорогие системы не по карману зачастую и владельцам кабельных сетей, последние ищут выход на многие спутники путем установки нескольких антенн без электроприводов, каждую из которых ориентируют на один из интересующих ГСС.

В результате на крыше возникает так называемый "лес" антенн, напоминающий скорее полигон военной базы космических сил. Красиво, ничего не скажешь, но, с другой стороны, и весьма накладно, и территория занимается изрядная, и персонала уже требуется побольше, пропорционально числу спутников.

Какой же выход можно предложить, когда спутниковая экспансия все нарастает, и уже почти вся орбита забронирована, позиций десятки, каналов сотни и то ли еще будет?

Сага о больших сферах

Ответ на этот вопрос, как оказывается, теоретически давно описан и практически отработан. Речь идет о зеркальных антеннах со сферическим профилем поверхности, которые позволяют производить широкоугольное, на порядок больше чем парабола, сканирование ДН без снижения коэффициента направленного действия (КНД).

Использование неподвижных сферических зеркальных систем имеет ряд своих технических и технологических преимуществ по сравнению с поворотными параболическими системами. Наряду с этим следует отметить огромную финансовую экономию. Строительство таких крупных радиотелескопов с неподвижным главным сферическим зеркалом, как 300-метровый в Аресибо (США) и 54-метровый радиооптический телескоп НИИ Радиофизических измерений (Армения), обошлось на миллионы долларов дешевле сопоставимых поворотных аналогов.

Известные радиотелескопы являются однолучевыми (однопозиционными) системами, облучатели которых различными способами могут перемещаться в так называемой квазифокальной области схождения каустик, находящейся на расстоянии, равном примерно половине радиуса сферы, и позволяют производить сканирование неба в угловом секторе до 120°.

Маленькая, но многопозиционная

А теперь опустимся из дальнего космоса к нашим спутниковым антеннам и позволим себе небольшую импровизацию на сферическую тему. В первую очередь нарастим количество облучателей, а во вторую — отсечем от кругового зеркала ненужные верхний и нижний сегменты, поскольку все ГСС находятся в одной плоскости. Получим осенесимметричную вырезку из сферической поверхности, вытянутую по горизонтальной оси и ограниченную некоей эффективной высотой по вертикали. Группу облучателей веерообразно разместим в плоскости, проходящей через центр сферы. Так мы получим многопозиционную антенну с неподвижным сферическим зеркалом. Чем больше будет вытянуто зеркало по своей ширине, лимитируемой полусферой, тем больший сектор орбиты может одновременно позиционироваться.

Далее следует определиться с другим важным вопросом — сколько малошумящих конверторов (МШК) мы хотели бы иметь в системе. Есть как минимум два пути: либо делать многоконверторную систему, либо одноконверторную.

Многоконверторное ожерелье

Первый путь наиболее быстрый, простой и привлекателен минимальностью потерь сигнала в трактах. Каждому из облучателей придается свой МШК и они фиксируются на дугообразной направляющей с возможностью перемещения и фиксации в небольших пределах, насколько это позволяют корпуса соседних МШК. Поскольку от каждого МШК исходит свой кабель, а у серийного приемника телеканалов обычно бывает всего один или два высокочастотных (ВЧ) входа, то такая система должна дополнительно иметь специальный ВЧ-узел сведения сигналов, а также некий орган коммутации МШК, если это необходимо. Можно, конечно, оснастить систему соответствующим МШК количеством ресиверов и манипулировать сигналами уже на их выходах. Следует только учесть, что возможны множество наложений сигналов от совпадающих или близ-расположенных частотных несущих каналов, идущих от ГСС разных позиций.

Основным недостатком многоконверторной сферической системы можно назвать, пожалуй, стоимость комплекта. Так, фирма из США, имеющая подобную разработку на 35 ГСС в секторе одновременного обзора орбиты 70° (орбитальный шаг ГСС в регионе континентальной Америки принят равным 2°), предлагает, как следует из рекламы, данное изделие на условиях лизинга за 1.5 тыс. долларов в месяц. Отсюда можно предположить, что полная стоимость данной антенны сопоставима со стоимостью новенького автомобиля среднего класса. На европейском рынке также присутствует одна многоконверторная сферическая зеркальная антенна для 9 ГСС в секторе обзора 26° для шага ГСС в 3°. Однако, как следует из рекламы, данная антенна пока что предлагается для работы с четырьмя МШК.

Одноконверторная, или Гудбай, Америка

Фото 2.

Теперь предложим к рассмотрению результаты разработки авторами другого варианта многопозиционной сферической антенны, а именно, систему с одним МШК. В качестве главных задач данной разработки, начатой в 1993 г., ставились: достижение одновременного позиционирования большой группы ГСС с неподвижного зеркала без мотора, использование всего лишь одного МШК на всю группу облучателей. При этом стоимость комплекта планировалась на уровне стоимости поворотного комплекта среднего класса.

Основной технической новизной стала разработка многопозиционного сверхвысокочастотного (СВЧ) модуля, который бы обеспечил выполнение поставленных задач и при этом вносил бы минимальные потери мощности сигнала. СВЧ- модуль состоит из группы облучателей, СВЧ-переключателей и СВЧ-коллекторной секции. СВЧ-облучатели, которые также представляют оригинальную разработку, являются составными и помимо традиционного открытого конца круглого волновода включают в себя специальную телескопическую насадку, жесткие и гибкие участки СВЧ-тракта и поляризаторы.

СВЧ-модуль включает также согласующий элемент и собственно СВЧ-конвертор. СВЧ-модуль, по сути, представляет собой СВЧ-пассивный многополюсник с N-входами и как минимум одним выходом на МШК. СВЧ-переключатели выполнены элек-тромеханическими и управляются в любой очередности от низкочастотного (НЧ) блока коммутации. С этого же блока осуществляется управление поляризаторами.

То обстоятельство, что облучатели своими выходами сходятся к центру сферы, позволяет реализовать СВЧ-коллектор весьма компактных размеров, что, в свою очередь, вносит минимум затенения зеркала. СВЧ-коллектор построен на основе прямоугольного волновода сечением 19 х 9.5 мм.

В рабочем состоянии СВЧ-тракты всех облучателей, кроме одного, заданного, заперты СВЧ-переключателями. Сигнал облучателя выбранной позиции ГСС через открытый переключатель передается в СВЧ-коллектор и далее поступает на усиление в МШК, с выхода которого подается на вход приемника телеканалов (тюнер).

Первенец Z-4

Изготовленный на описанном принципе четырехсекционный СВЧ-модуль был отдельно испытан на стенде, а затем установлен на сферическое осесимметричное зеркало с диаметром раскрыва 1300 мм.

Потери мощности сигнала в зависимости от длины тракта и степени изгиба гибкой секции в диапазоне частот 10.9-12.8 ГГц составили 0.5-1.5 дБ, что было принято как удовлетворительный результат, учитывая непромышленный, ручной способ изготовления ряда деталей СВЧ-модуля. Развязка по сигналу между ближайшими облучателями составила более 30 дБ.

Антенна Z-4 была спозиционирована на небесный сектор 7° в.д.-16° в.д., имея, таким образом, сектор обзора шириной в 9° и представляя собой как бы четыре антенны, вложенные в одну (фото 2). При этом для двух центральных облучателей, ориентированных на 10° в.д. и 13° в.д., диаметры частных используемых раскрывов составили по 1250 мм, а для двух крайних облучателей, ориентированных на 7° в.д. и 16° в.д., составили по 1145 мм.

После подробных исследований характеристик антенны Z-4 и усовершенствования конструкции СВЧ-модуля была спроектирована и изготовлена 16-позиционная антенная система Z-16 (фото 1).

Z-16 — это уже кое-что

Оптимальным диаметром антенны, достаточным для качественного приема сигналов в регионе Армении от популярных ГСС с широким лучом, является размер зеркала в 1500 мм. Учитывая спутниковое меню региона, их взаимное расположение и ряд других технических факторов, ширина зеркала была выбрана из расчета обеспечения угла охвата 16-ти ГСС с шагом в 3° дуги. Зеркало антенны представляет собой, таким образом, осенесимметричную вырезку из сферической поверхности высотой раскрыва 1500 мм и шириной раскрыва 2300 мм.

При использовании размеров частных используемых раскрывов диаметром в 1500 мм позиционирование ГСС производится в угловом секторе, равном 45°. При использовании меньших диаметров частных раскрывов (путем раздвигания гибких секций облучателей) до 1300 мм и 1200 мм угол охвата небесного сектора расширяется до 55° и 60° соответственно.

Конструкция облучателей выполнена с возможностью трехкоординатного наведения их осей на позиции ГСС с последующей фиксацией их положений на дугообразной направляющей. Это придает достаточную свободу в выборе позиций ГСС, а в случае сдвига спутника со своей позиции вследствие дрейфа он может быть легко обнаружен вновь без коррекции положения самого зеркала. Опорно-поворотное устройство, имеющее три оси поворота, используемые только при установке антенны, позволяет производить широкоугольное позиционирование из любых широт места установки антенны.

СВЧ-модуль Z-16 состоит из трех секций, включающих соответственно 4, 8 и 4 облучателей, 16 СВЧ-переключателей и 16 ферритовых поляризаторов типа ФВПН-12А диапазона 10.9-12.75 ГГц производства "FERRITE INTERNATIONAL" (Санкт-Петербург) с потерями до 0.3 дБ. В качестве МШК использован широкополосный "GARDINER COMMUNICATION" (США) с коэффициентом усиления 58 дБ и фактором шума 0.5-0.8 дБ в диапазоне 10.7-12.8 ГГц. В качестве приемника телеканалов использовался 200-канальный "PROTEC 9200Т " с ЧМ-порогом 4 дБ.

У нее такие данные

До установки 16-позиционного СВЧ- модуля на антенну Z-16 ее некоторые характеристики были измерены методом дальней зоны в составе с одним облучателем, расположенным по центральной оси зеркала. Измерения ДН велись на центральной частоте диапазона СТВ 11360 МГц. Одновременно теоретическая ДН была просчитана на компьютере пакетом программ "FARFOR" (МЭИ). Расчетная и измеренная ДН для ширины главного лепестка на уровнях -3 дБ и -10 дБ совпали с погрешностью до 0.1°. Ширина ДН рефлектора Z-16 в вертикальной плоскости вектора поляризации составляет 1.2° на уровне -3 дБ и 2.2° на уровне -10 дБ. Ширина ДН в горизонтальной плоскости составляет 1.4° и 2.4° соответственно. Максимальный расчетный коэффициент направленного действия (КНД) антенны составил 42.5 дБ.

Были произведены также сравнительные измерения характеристик усиления между сферической антенной Z-16 и серийной параболической антенной диаметром 1500 мм. При этом части поверхности рефлектора Z-16 слева и справа, выходящие за круг диаметром 1500 мм, были закрыты радиопоглощающим материалом. КУ были измерены вначале по небесному источнику ГСС 42° в.д., а затем повторены по наземному источнику в дальней зоне.

Как оказалось, КУ сферы всего лишь на 1 дБ меньше КУ эквивалентной параболы, что практически не сказывается на качестве приема для антенн с высоким КУ.

При ориентации главной оси зеркала Z-16 на позицию 19° в.д. охватывается сектор траектории ГСС шириной в 45° от TURKSAT 1С (42° в.д.) до AMOS-1 (4° з.д.) включительно. В этом секторе в диапазоне 11/12 ГГц удовлетворительный прием ведется только от 10 ГСС. Помимо крайних названных это GALS (36° в.д.), TURKSAT 1B (31° в.д.), ARABSAT 1A (26° в.д.), EUTELSAT II-F3 (16° в.д.), EUTELSAT II-F1 и группа HOT BIRD (13° в.д.), EUTELSAT II-F2 (10° в.д.), EUTELSAT II-F4 M (7° в.д.) и INTELSAT 707 (1° з.д.). Итого порядка 200 каналов, считая аналоговые и цифровые, включая кодированные. Не принимались сигналы от спутников, имеющих спот-лучи. Более полно возможности антенны Z-16 можно использовать в регионе центральной Европы.

Астропрогноз

На лирической ноте хотелось бы обратиться к тем, кто дочитал до конца — редактору, специалистам, любителям, фанатам и просто инвесторам.

Велика Россия космическая, много у нее спутников и еще прибудет. А земля антеннами прибудет, иномарками и своими. Лучше, конечно, своих побольше, и не только парабол. Ведь столько интереса в небе будет, что притомишься вертеть ими туда-сюда, с запада на восток и обратно, да и шумновато будет. Космический телестранник, отдохнем на сфере.