Зеркальные и "не зеркальные" антенны для станций приема
спутникового вещания.

Анпилогов В.Р., "ВИСАТ-ТЕЛ", г. Москва, т/ф (095) 231 33 68, E-mail: avr@cts.ru

Антенна – это наиболее видимый (заметный) элемент станции приема спутникового вещания, а в совокупности с многообразием геометрических форм создается впечатление чрезвычайной важности и наукоемкости этого элемента. Можно сказать, что это - так, и - не так... Если вернуться на 50 лет назад, то с полным основанием можно сказать, что антенная техника была на передовых неисследованных рубежах науки, любое новое полезное решение и разработка на уровне изобретения. Здесь и физикам, и математикам было, где оттачивать свои знания и умение. Но шло время и многие вопросы "глубокой" теории ушли на второй план, поскольку были получены простые и замкнутые решения. Этому способствовало, от части, еще и то, что существовала проблема с ЭВМ, а персональные компьютеры, как известно, появились только в 80-х годах. Соответственно, решая задачу, необходимо было довести алгоритм ее решения до уровня простейших аналитических соотношений.

Конечно, и сегодня имеется множество задач, заслуживающих внимания. Например, решение внутренних и внешних векторных задач в интересах математического моделирования (трехмерного) СВЧ-устройств, решение обратных задач электродинамики не только в интересах синтеза устройств, но и в интересах развития новых приложений техники СВЧ для создания диагностической аппаратуры в медицине, геологоразведке и т.п. Однако это уже другая тема, далеко отстоящая от тематики журнала Broadcasting и антенной техники, как таковой. Поэтому вернемся к нашим антеннам.

В журнале Broadcasting №1за 2001г. опубликована статья, в которй предпринята попытка в упрощенном, общем виде, представить основополагающие соотношения для оценки коэффициента усиления и КНД антенны независимо от ее физических свойств. В данном случае более подробно рассмотрим свойства зеркальных антенн и антенных решеток, применяемых в станциях приема спутникового вещания. Cуществует множество публикаций по этой тематике. Однако с грустью, следует отметить, что сегодня многие из них, как минимум, мягко говоря, вводят читателя в заблуждение.

Для конкретности дальнейшего анализа примем в качестве примера Каталог "Спутниковые антенны" часть 1, выпущенный агентством "Сат-Инфо" к выставке Cable&Satellite-2001. Особо подчеркнем, что этот каталог полезен, поскольку, пожалуй, предпринята первая попытка представить параметры антенн предлагаемые на российском рынке различными компаниями для станций спутниковой связи и вещания , в том числе и приема спутникового вещания .

	Общие закономерности для несимметричных однозеркальных антенн
По существу, любая антенна – это преобразователь электромагнитного поля плоской волны в основную волну возбуждающей линии передачи (или наоборот). Очевидно, что это преобразование хочется выполнить без потерь. Большинство антенн с размером раскрыва до 2...2,5 м выполняются по однозеркальной несимметричной схеме. Часто, для упрощения их называют "офсетными". Основное зеркало такой антенны – это вырезка из симметричного параболического зеркала, что поясняется на рис.1. Все зеркальные антенны относятся к классу апертурных антенн. Раскрыв антенны(или ее апертура) – это проекция проекция основного зеркала на плоскость перпендикулярную лучам. Значения d1 и d2 могут быть равны или соответствовать малой и большой осям эллипса. Возможна и более сложная фигура проекции. Первый вопрос – почему "маленькие" антенны выполнены по "офсетной" схеме? Этому есть простое объяснение. Облучатель вынесен из зоны основного луча. Соответственно, он не затеняет раскрыв, что позволяет обеспечить максимально возможное усиление при минимальном уровене боковых лепестков. Отметим, что физические размеры облучателя примерно идентичны как для "маленьких", так и "больших" антенн. Соответственно, с увеличением размера антенны относительно площади затенения уменьшается и эффективность выноса облучателя снижается. Кроме того, как несложно заметить, усиление определяет проекция – раскрыв антенны. Увеличивая раскрыв офсетной антенны, все ощутимее растет ее физический размер и масса зеркала по сравнению с симметричной схемой. Второй вопрос – почему многие антенны имеют раскрыв в виде эллипса или иной фигуры отличной от круга? Ответ также имеет физическое объяснение. Облучатель выполнен на основе линии передачи, в которой может распространяться только собственный, специфический, тип электромагнитной волны. При переходе электромагнитной волны из открытого пространства в область раскрыва облучателя (или обратно) соблюдается условие непрерывности поля. Поскольку поле в раскрыве облучателя несимметрично, то и на поверхности зеркала наводятся пропорционально несимметричные по интенсивности токи (или поля) в ортогональных сечениях. Соответственно, для того, чтобы обеспечить симметричность распределения в раскрыве зеркала оно должно иметь форму отличную от круга. Этим достигается осе симметричность диаграммы направленности (ДН) антенны и максимизация усиления при минимизации размеров и, соответственно, массы основного зеркала. В качестве примера, на рис.2 представлена ДН в двух ортогональных плоскостях для круглого волновода. Облучение края зеркала выбирается примерно на уровне –10 дБ относительно максимума. Оптимальное соотношение d1/d2 (рис.1) в этом случае равно соотношению qЕ/qН (q ширина ДН по уровню минус 10дБ). Возвращаясь к упомянутому каталогу можно сделать вывод, что офсетные антенны, имеющие эллиптическую форму раскрыва зеркала, оптимальны с точки зрения теории. Например, из российских антенн этому условию отвечают антенны серии СТВ (№1) офсетного типа. Впрочем , как и антенны компании Funke. Правда, выигрыш в усилении незначительный (при прочих равных условиях). Но все же он есть.
	Основные соотношения для зеркальных антенн
Фундаментальное соотношение для оценки коэффициента усиления любой апертурной антенны Gp = 4pSrho/l**2,    (1) где Sr- площадь геометрической проекции основного зеркала (раскрыв), l - длина волны в воздухе, ho коэффициент использования площади раскрыва. Конкретное значение ho апертурной антенны зависит от многих факторов. Не вдаваясь в подробности, отметим, что уже давно установлено, - невозможно изготовить зеркальную антенну с КИП более 0.75. Естественно изготовитель всегда хочет немного приукрасить достигнутый КИП. Иногда в рекламных материалах можно обнаружить КИП и 0.8 и даже близким 1 (а иногда и более). Конечно, серьезно к таким данным относиться не следует. Интересно отметить, что "борьба" за КИП действительно актуальна, но только для "больших" антенн. Поясним это на простом арифметическом примере. Так, изменение значения КИП в пределах от 0.65 до 0.7 приводит к изменению усиления всего на 0.32 дБ. Эквивалентная площадь "маленькой" антенны диаметром 1м изменится всего на 0.04м кв., а "большой", диаметром 10м, соответственно на 4м кв. Легко представить, сколько затрат "в холостую" может быть выброшено при строительстве "большой" антенны. Для справки, самая большая зеркальная антенна в России находится в г. Уссурийск и имеет диаметр основного зеркала 70 м (вторая аналогичная антенна осталась на Украине , г. Евпатория). С другой стороны, соотношение (1) жестко взаимосвязано с шириной ДН. Например, для антенны с круглым (или почти круглым) раскрывом Gp=41253hS/( K l/ d)**2,    (2) где K – коэффициент, зависящий от закона распределения поля на зеркале. Потребовав равенства (1) и (2) при hS=ho , получим K = Ц 41253 / p = 64.65o,    (3) Найденное значение K соответствует обычно реализуемому закону распределения поля, которое характеризуется снижением его интенсивности на 10дБ на краю зеркала (отметим, что для прямоугольного раскрыва значение K другое). Отсуда следует, что зная ширину ДН по уровню 3дБ несложно определить усиление в максимуме луча (и наоборот) с достаточной для практике точностью. Как правило в рекламных материалах не любят приводить одновременно ширину ДН и усиление с указанием конкретной частоты (например, см. упомянутый Каталог). Ведь, еали завышен коэффициент усиления, то это легко проверяется и может оказаться , что расчетные размеры зеркала d окажутся более физически существующих (d= K l/Dq ). Особенно этим грешат материалы по фазированным антенным решеткам.
	Основные закономерности для фазированных антенных решеток
Фазированные антенные решетки (ФАР) – " не зеркальные антенны". Их основное достоинство не в лучших радиотехнических параметрах, как часто утверждается, а в том, что они занимают меньший объем ( но не площадь) и внешне могут выглядеть более изящно, чем зеркальные антенны. Особо следует отметить, что при прочих равных условиях масса ФАР всегда больше, чем масса зеркальной антенны ( как бы реклама не уверяла в обратном).Распределение поля в апертуре ФАР формируется дискретными излучателями. В результате возможно обеспечить равномерное распределение поля, что позволяет достичь величины апертурного КИП ( это одна из составляющихho) равной 1. На этом основании часто утверждают о потенциальных достоинствах ФАР перед зеркальными антеннами. Однако, это не совсем так, а точнее совсем не так. Здесь следует учитывать, что необходимо обеспечить запитку каждого излучателя ФАР, а это сопряжено с заметными вносимыми потерями различного характера. Поэтому ho (или hS) ФАР всегда хуже , чем у самой "плохой" зеркальной антенны. Особенно это заметно в Ku-диапазоне частот и выше. Более того, пониженное значение ho у ФАР связано в основном с повышенными тепловыми потерями в элементах запитки, а часто и в самих излучателях (например, микрополосковых). Соответственно, комплексный параметр шумовой добротности G/Tэкв снижается не только за счет уменьшения G, но и более высокого значения шумовой температуры Tэкв. Например, по данным Каталога для ФАР Comsat (№44) несложно установить, что ho = 0.43, для ФАР DBS (№27) не лучше 0.4. Иногда приводятся вообще некорректные данные: вместо усиления антенны дается значение усиления малошумящего конвертора (Каталог, антенны Kathrein, №11) или вовсе не приводится коэффициент усиления (Каталог, антенны Galaxis, №33). Часто завышается КИП. Так, для ФАР Samjiu приведено значение 0.65 при размере апертуры 38.5х54.5 см. Несложно установить, что в данном случае КИП не более 0.4. Существует и ряд других недостатков свойственных ФАР. Возникает естественный вопрос – почему же при всех указанных недостатках часто можно услышать и прочитать о перспективности ФАР? Конечно, ответ на этот вопрос требует конкретизации задачи, но основное это то, что ФАР возможно реализовать в виде активной ФАР, где каждому излучателю (или группе излучателей) соответствует свой усилительный элемент. Изменяя взаимную фазировку между усилительными элементами можно быстро перемещать в пространстве луч антенны. Во многих случаях это оказывается решающим достоинством ФАР. Например, при необходимости обеспечить прием спутникового ТВ для пассажиров авиалайнера (кстати , организация Inmarsat уже объявила о начале работ по такому проекту).
	Основные соотношения для ФАР
Если задан коэффициент усиления в максимуме луча, то число излучателей ФАР (рис.2) N= NbxNa=Gp/Gi , (4) где Gi – коэффициент усиления отдельного излучателя в максимуме луча (в разах). При этом расстояние (h) между фазовыми центрами излучателей (для простоты между геометрическоми центрами) должно отвечать условию ho @ l/p Ц Gi (5) Из (5), например, следует, что оптимальное усиление ФАР можно получить только в случае, если дисперсия Gi отвечает (1). Таким образом, ФАР можно создать из группы зеркальных антенн. Такая антенна (рис. 3), например, создана для автоматизированной системы управления полетом ракеты космического назначения ЗЕНИТ-3SL и установлена на корабле "Sea Lounch" (Морской Старт). Антенна работает в полосе частот 30%. Кроме того, здесь использовано еще одно достоинство ФАР – повышенная надежность. Действительно, отказ одного усилительного элемента приводит к незначительному снижению коэффициента усиления Gp=10lg(1 – Nотк./N) , (6) где Nотк. – число отказавших элементов. Очевидно, что чем больше число активных элементов, тем менее заметен выход из строя одного из них. По-видимому, применение ФАР для целей приема спутникового ТВ если и оправдано, то в редких (чаще специальных) случаях. Представленные упрощенные соотношения позволяют не только провести анализ достоверности рекламных материалов, но и выполнить экспресс-анализ корректности предлагаемых технических решений. Статья подготовлена в 2001г.