Антенны спутниковой связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Новокузнецкий техникум строительных технологий и сферы обслуживания»

Специальность: Радиосвязь, радиовещание и телевидение.

Реферат

по теме Антенны спутниковой связи

Выполнил:

студент 3-го курса

группы РРТ-21

Кудинов Андрей

2024 г.

Введение

Спутниковая связь - вид космической радиосвязи, который основан на использовании спутников связи. Спутниковая связь осуществляется между так называемыми земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными. (наземными либо установленными на летательных аппаратах) Итак, спутниковая связь помогает доносить информацию до любой точки мира из космоса. Спутниковой связью могут пользоваться сразу несколько человек, для этого существует система множественного доступа:

1. Множественный доступ, при котором каждому пользователю предоставляется отдельный диапазон частот.

2. Множественный доступ с временным разделением - каждому пользователю предоставляется время, за которое он может передавать или получать данные.

3. Множественный доступ с кодовым разделением - каждому пользователю выдается код, при котором он будет находиться с другими пользователями на одной частоте, но никто не будет мешать друг другу.

В жизни человека все быстро изменилось с появлением спутниковой связи. Сейчас можно использовать мобильную связь и оставаться в курсе дел, в контакте с родными и близкими, а также развлекаться и получать необходимую информацию. Через использование спутниковой связи можно разговаривать по телефону, смотреть телевизор, общаться и получать нужные данные в сети Интернет. Но больше всего человеку может быть пригодна навигация. Это позволяет пользователю не просто получать точные координаты своего местоположения, что может помочь в ситуации, если человек потерялся. Спутниковая связь позволяет нам сократить время при получении определенных услуг - найти ближайший магазин, или получить информацию о дорожной ситуации в определенном месте. Также, благодаря искусственным спутникам, человечество смогло составить точные карты, запечатлеть Землю из космоса и многое другое. И только с помощью спутникам мы можем узнавать прогнозы погоды. ИТОГ, Спутниковая связь - лучшее изобретение 20-ого века, без которого людям уже никак не обойтись. Если посмотреть на примеры использования данной связи, то уже невозможно представить, как же люди раньше без всего этого жили... Человек все меньше зависит от проводов там, где раньше этого было не избежать. Музыка и телевидение по воздуху, разговор с человеком за тысячи километров - все это уже не мечты, а реальность современного мира.

Антенна спутниковой связи

Спутниковая антенна -- это антенна, которая используется для приема и/или передачи радиосигналов между земными станциями спутниковой связи и искусственными спутниками Земли.

Спутниковая антенна - одно из наиболее эффективных средств приема и передачи сигналов в случаях, когда передача информации непосредственно от передатчика к приемнику затруднительна и требуется ретрансляция. Водители, общающиеся друг с другом по рации, охранники в торговых центрах - это, скорее, частные случаи, в которых задача связи решается наиболее примитивным образом благодаря ограниченности пространства и физическим свойствам радиоволн определенных частотных диапазонов. Однако, как только задача перестает быть привязана к определенной местности, а абоненты непредсказуемым образом рассеиваются практически по всей Земле - ни радиостанции, ни даже сотовая связь не в состоянии решить ее в общем виде и дать гарантию передачи информации от источника к получателю вне зависимости от их взаиморасположения. В этом случае, прежде чем сигналы достигнут конечного абонента, их необходимо ретранслировать

На заре развития отрасли в качестве ретранслятора использовалась даже Луна, от которой радиосигналы отражались обратно на Землю, по мере же развития космической техники наиболее надежными ретрансляторами стали искусственные спутники Земли - сначала геостационарные, то есть зависающие над Землей в одной конкретной точке и обслуживающие территории, находящиеся в непосредственной видимости, а затем и целые спутниковые группировки, охватывающие планету целиком и по мере своего орбитального движения передающие абонентов друг другу.

Таким образом, спутниковая антенна представляет собой инструмент приема и передачи радиосигналов от ретрансляторов, находящихся на искусственных спутниках Земли. С помощью спутниковых систем связи решаются задачи коммуникаций между людьми, мониторинга движения грузов, межмашинного взаимодействия, распространения спутникового телевизионного вещания или организации высокоскоростного широкополосного Интернет доступа, как, например, в случае со спутниковыми антеннами VSAT, содержащими в себе компактный спутниковый терминал.

Применение антенн спутниковой связи

Антенны приема спутникового сигнала используют соответственно задачам, которые выполняет та или иная система спутниковой связи. Востребованными отраслями считаются:

Телевидение;

Интернет;

Спутниковая телефония и радиовещание;

Сотовая связь;

Метеорология;

Навигация GPS и ГЛОНАСС;

VSAT-станции;

Связь с космическими аппаратами.

В зависимости от назначения всей системы спутниковой связи, в земных станциях используются различные виды спутниковых антенн, выбор которых определяется диапазоном частот, в котором организована работа систем, необходимым усилением системы антенн, а также эксплуатационными и ценовыми ограничениями.

Самая известная область применения спутниковых антенн - прием программ спутникового телевизионного вещания. Для приема широкополосных сигналов телевизионного вещания необходимо высокое усиление антенны, поэтому применяются зеркальные направленные антенны. Еще одна известная область использования спутниковых- VSAT-станции систем широкополосной передачи информации, к которым относятся ведомственные сети связи и спутниковый интернет. Данные станции могут принимать и передавать радиосигналы и должны соответствовать требованиям. Антенны, работающие в составе VSAT-станции, должны удерживать и передающий, и передающий приемный конвертер, не создавая при этом помех другим станциям и сохранять свое положение в условиях сильного ветра.

Принцип работы спутниковой антенны

Для начала кратко опишем, как работает спутниковое ТВ. Передающая станция на Земле транслирует сигнал с телевизионным контентом на спутник, находящийся на геостационарной орбите (то есть неподвижный относительно Земли). Со спутника сигнал направляется уже на Землю, и его принимают конечные пользователи. В случае со спутниковым интернетом всё работает похоже, отличие только в том, что это двусторонняя связь -- от пользователя на спутник идет запрос, он направляется спутником на станцию провайдера на Земле, которая направляет ответ на этот запрос, в свою очередь, обратно на спутник и далее к абоненту

Сигнал со спутника идет ненаправленный -- грубо говоря, он пронизывает собой пространство, и принять этот сигнал может любой, находясь в зоне действия спутника и имея специальное оборудование.

Спутниковая антенна и является таким оборудованием. Она состоит из чаши (той самой «тарелки») и конвертера (для спутникового интернета -- приёмо-передатчика). Сигнал отражается от чаши антенны и, благодаря форме этой чаши, направляется в одну точку, в которой и располагается конвертер. Эта точка называется фокусной. Конвертер сигнал принимает, усиливает, понижает его частоту и отправляет по кабелю к оконечному устройству -- ТВ-ресиверу (если это спутниковое ТВ) или модему (если это интернет).

Рис. 1

Виды спутниковых антенн

Самыми распространенными видами антенн спутниковой связи на сегодняшний день являются:

- Зеркальные спутниковые антенны

Рис. 2

Спутниковые антенны наиболее широко представлены в сегменте зеркальных антенн, в формате так называемых «тарелок», имеющих параболическую форму. Суть параболоида вращения как трехмерной геометрической фигуры состоит в том, что сигнал, попав на его поверхность вне зависимости от места отражается в одну точку - так называемый фокус параболической антенны, где и устанавливается приемник. Таким образом, параболическое зеркало собирает все попавшие на него сигналы в один пучок, после чего их можно соответствующим образом обработать и передать на устройство воспроизведения (телевизор, монитор, наушники, телефон и т.п.). В этом смысле «гиперболоид инженера Гарина» с точки зрения физики не смог бы аккумулировать энергию, однако, как объяснял сам Алексей Толстой, само по себе слово «гиперболоид» для фантастики звучит привлекательнее, чем «параболоид».

Рис. 3

Кроме зеркальных спутниковых антенн, для решения узкоспециальных задач связи, например, в военных целях, используются направленные спутниковые антенны других конструкций, в частности вибраторные, что наиболее характерно для сигналов дециметрового диапазона (UHF) и метрового (VHF). Такие антенны применяются в космической отрасли, обеспечивают телеметрию, космическую связь и т.п. В гражданских отраслях они практически не встречаются.

- Всенаправленные спутниковые антенны

Помимо вышеперечисленных типов спутниковых антенн, нуждающихся в правильной ориентации на спутник, существуют разнообразные всенаправленные спутниковые антенны, используемые в тех случаях, когда отсутствует выделенное направление сигнала и возможность постоянно ориентировать антенну на источник. Такие антенны используются в конструкциях спутниковых телефонов, в системах геопозиционирования, в конструкциях спутниковых терминалов и т.п. Эти антенны предельно компактны и характеризуются максимально широкой диаграммой направленности, то есть равнозначны для сигналов с любой стороны.

Рис. 4

При таком подходе сложно выделить полезный сигнал на фоне окружающего шума, поэтому такие системы характеризуются низкой пропускной способностью, но, тем не менее, способны решать возложенные на них задачи.

- Офсетные спутниковые антенны и прямофокусные

Рис. 5

Возвращаясь к зеркальным антеннам, как к наиболее эффективным, можно отметить, что в зависимости от диаметра полотна их можно поделить на два вида.

В конструкции зеркальных спутниковых антенн существует один очень важный нюанс - где размещать облучатель (приемопередатчик). Если облучатель размещается непосредственно в фокусе, о чем подсказывает простая логика, то помимо наилучшего сбора отраженных от антенного полотна сигналов он своим присутствием затеняет значительную часть зеркала, ухудшая антенные характеристики. Наиболее явно этот негативный эффект проявляет себя на антеннах небольшого диаметра (до 1.3 м), поэтому на них облучатель смещается в сторону. Диаграмма направленности такой антенны также смещена, поэтому при ориентации антенны на спутник облучатель вообще не затеняет антенного полотна, позволяя спутниковой антенне работать с максимально возможной эффективностью. Угол отклонения диаграммы направленности называется углом офсета, и соответственно подобные конструкции называются офсетными антеннами.

Конструктивно офсетная тарелка представляет собой асимметричный отрезок параболоида вращения, где в нижнем фокусе расположен облучатель. Отражатель, напоминающий по форме эллипс, после сборки расположен практически вертикально или смотрит вниз. Ниже центра тяжести антенны устанавливают облучатель, что повышает сопротивление ветровым нагрузкам. Такие антенны для приема сигнала со спутника работают в диапазонах С или Ku. Не исключен прием в Ка-диапазоне или комбинация нескольких. Антенны спутниковой связи до 2.5 метров изготавливают по офсетной схеме, чтобы не затенять зеркало облучателем и усилить прием сигнала.

Преимущества: способны принимать более мощный спутниковый сигнал, не накапливают осадки, так как «смотрят вниз», компактны, просты в установке.

Недостатки: открытый для воздействия влаги конвертер.

Офсетные антенны больших диаметров нивелируют негативный эффект от затенения части зеркала расположенным в его фокусе облучателем невелик, поэтому конструкция большого диаметра с облучателем, расположенным точно в фокусе, также весьма эффективна: это осесимметричные или прямофокусные антенны.

Зеркало прямофокусной антенны симметрично. Оно напоминает поверхность, называемую параболоидом вращения, который образован движением параболы вокруг ее оси. Это исключает встречное подавление приходящих радиоволн в центральной точке, помогая им фокусироваться в одной фазе. Облучатель такой спутниковой тарелки установлен в точке фокусировки, перед зеркалом. Возможно также использование схем с двумя зеркалами, которые хоть и сложнее при изготовлении, настройке, расчетах, но уменьшают шумовую температуру, делают антенну компактнее. Во время работы прямофокусной антенны задействовано около 90% площади тарелки, так как волна проходит через каждый открытый участок, что важно для стабильного приема спутникового сигнала. Чем больше диаметр прямофокусной антенны, тем стабильнее принимаемый сигнал. От того, какой спутник задействован при трансляции, зависит необходимый размер устройства, который может составлять от 0.9 до 3.7 м и выше. Прием сигнала ведется чаще в KuЇ или C_диапазоне.

Преимущества: эффективное использование всей площади зеркала, возможность применения конвертера с неплотно прилегающей крышкой за счет его положения (направлен вниз).

Недостатки: скопление осадков в «чаше», загораживание конвертером части зеркала, что приводит к эксплуатации неполной площади тарелки, сложный монтаж.

Эти антенны отличаются местом фокусировки луча. Прямофокусная антенна настраивается прямо на спутник, то есть «смотрит» строго вверх. У офсетной антенны фокусировка смещена, поэтому для наших широт она удобнее -- проще найти место для установки, внутрь не попадает снег и в ней не собирается дождевая вода. А вот в южных странах, как правило, все используют прямофокусные антенны.

Рис. 6

- Цельные или перфорированные

Перфорированные «тарелки», в отличие от цельных, имеют перфорацию, то есть маленькие дырочки. Беспокоиться о том, что площадь отражения таких антенн меньше -- не стоит, так как при их производстве учитывает длина волны сигнала, проще говоря, сигнал не проходит сквозь эти отверстия, как через сито, а остается «в блюдце». Зато перфорированная антенна имеет меньшие вес и парусность относительно цельной, что позволяет ее использовать, когда есть сложности с жестким креплением, либо в местности с частым сильным ветром.

- Особые виды: тороидальные и поворотные

Все видели привычные «тарелки», именно они входят в штатные комплекты спутникового ТВ различных провайдеров. Настраиваются на один спутник и принимают с него сигнал в одной поляризации.

А вот тороидальные антенны предназначены специально для приема сигнала с нескольких спутников и имеют дополнительный рефлектор и специальную ось для крепления нескольких конвертеров.

Такое устройство способно сформировать сразу несколько лучей (диаграмм направленности) в широком секторе. Рефлектор этой универсальной спутниковой антенны объединяет признаки параболического и сферического зеркал. Сигнал, который ведущий рефлектор принимает со спутника, отражается на дополнительный, а после этого транслируется на облучатель конвертера. Это помогает обойтись без поворотных устройств (актуатора, мотоподвеса), улавливая сигнал одновременно от большого количества спутников на одну антенну.

Преимущества: два отражателя, возможность приема сигнала сразу с нескольких спутников без перемены положения зеркала.

Недостатки: сложность изготовления и настройки.

Поворотные антенны используются для приема сигнала с нескольких спутников, находящихся далеко друг от друга. Такие антенны оснащены специальным поворотным механизмом. При переключении канала подается команда о перемещении антенны на тот спутник, с которого вещает нужный канал.

Рис. 7

- Спутниковые антенны ФАР

Спутниковые антенны наиболее сложной конструкции представляют собой фазированные антенные решетки (ФАР). ФАР -- класс антенн, состоящих из нескольких излучателей, где относительные фазы сигналов изменяются так, что эффективное излучение усиливается в одном желаемом векторе и подавляется в остальных. Решетка представлена излучающими элементами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга в одной плоскости. С ними соединены сигналы микроволнового диапазона, совпадающие по фазе, имеющие равные амплитуды. Сигнал микроволнового диапазона устанавливается задающим генератором, усиливается лампами бегущей волны, транзисторами. Такой тип нужен для производства компактных антенн спутниковой связи разных диапазонов, которые потом работают как портативные спутниковые терминалы.

Рис. 8

спутник антенна геостационарный

Суть ФАР заключается в возможности отклонять диаграмму направленности и изменять ее форму без изменения положения самой антенны, поэтому такие конструкции максимально используются в военных целях. Вместе с тем, данный подход весьма востребован для спутниковой передачи сигналов, конструктивно представляя собой компактные плоские полотна для размещения не только на улице, но и в помещениях.

Преимущества: возможность быстрого переключения с одной цели на другую, высокий коэффициент усиления, функционирование даже при выходе из строя одиночных элементов.

Недостатки: ограниченная область сканирования, сложная структура, высокая стоимость.

- Автомобильные и судовые спутниковые антенны

В зависимости от назначения спутниковые антенны могут устанавливаться стационарно и настраиваться на определенное направление только один раз (что особенно характерно для приема спутникового ТВ), либо представлять собой мобильное устройство, нуждающееся в постоянном автоматическом позиционировании относительно спутника. Мобильные спутниковые антенны (включая автомобильные) имеют в своей конструкции систему автоматического ориентирования антенны в нескольких плоскостях, которая по мере движения транспортного средства удерживает антенну наведенной на спутник. Автомобильные ТВ антенны отличаются наиболее компактными размерами, а некоторые модели могут быть легко установлены даже на крыше легкового автомобиля. Принцип автоматической ориентации на спутник используется и в судовых спутниковых антеннах, устанавливаемых на судах и обеспечивающих взаимодействие судов между собой и с береговыми службами. Вне зависимости от ориентации судна или любого другого транспортного средства в пространстве, местоположения, качки и других факторов, система сориентирует морскую или автомобильную спутниковую антенну таким образом, чтобы обеспечить наилучшее прохождение спутниковых сигналов или, выражаясь научным языком, удерживать спутник в максимуме ее диаграммы направленности.

Рис. 9

- Спутниковая антенна бегущей волны (АБВ)

АБВ -- направленное устройство, где бегущая волна принимаемого сигнала проходит вдоль геометрической оси. Это собирательная линия, где закреплено несколько вибраторов, находящихся равноудаленно. Эти антенны применяются в диапазонах метровых (VHF), а также дециметровых (UHF) волн для связи со спутниками, находящимися на низких орбитах, получения данных с метеоспутников, телеметрии, для отдельных видов спутниковой связи специального назначения.

Преимущества: широкополосная, не требует настройки.

Недостатки: небольшой коэффициент усиления.

- Слабонаправленные спутниковые антенны

Устройства, излучающие свойства которых в любой момент времени практически одинаковы по всем направлениям. С помощью ССА осуществляется связь через геостационарные или низкоорбитальные спутники, а также они нашли применение там, где нет возможности менять положение, контролировать работу приемного устройства -- в спутниковой телефонии, радиовещании, системах спутниковой навигации.

Преимущества: автономность.

Недостатки: высокий уровень шума

Характеристики спутниковой антенны

Материал изготовления антенны

Вообще, спутниковая «тарелка» может быть изготовлена из любого радиоотражаемого материала -- например, один из лучших по этим свойствам металл -- это золото. Но по понятным причинам, для изготовления антенн используются более дешевые сталь и алюминий (реже -- не металл, а пластик).

Важные показатели для спутниковой антенны -- это её отражающая функция, износостойкость и вес. По большинству этих критериев алюминиевые антенны превосходят стальные, однако есть у них и один недостаток -- это мягкость. Сильный ветер может сорвать тарелку с крепления, вырвав чашу с саморезов.

Более экономичный вариант -- сталь. Она прочная и жесткая, при качественном покрытии служит до 10 лет. А вот дешевые стальные антенны заржавеют гораздо раньше.

Существуют также пластиковые антенны с металлическим напылением.

Современные мобильные спутниковые антенны изготавливаются из карбонового фиброволокна, что излишне для бытового использования, когда достаточно иметь стальную антенну с хорошим покрытием или, в крайнем случае, алюминиевую, что несколько дороже.

Диаметр

Чем больше «зеркало» антенны, тем большая площадь занята «сбором» спутникового сигнала, а значит, тем выше его усиление. Это значит, что чем слабее сигнал, тем больший размер антенны нужен.

Примерные соответствия между уровнями сигнала и размерами тарелок: 50 дБ -- 60 см, 47 дБ -- 90 см, 42 дБ -- 120 см

Диаметр антенны - важная характеристика, но качество принимаемого сигнала зависит от него не прямо пропорционально, поэтому оптимальной можно считать величину до 120 см. Диаметр спутниковой антенны, как правило, указывается в сопутствующих источниках информации, например, картах спутникового покрытия, инструкции к ресиверу и т.п. Если воспользоваться спутниковой антенной с небольшим запасом по диаметру, то скорее всего полученный результат будет оптимальным.

Качество штамповки

Точная геометрия антенны напрямую связана с её коэффициентом усиления. Качество штамповки несложно проверить: положить антенну на толстое стекло, и если по всей окружности тарелка плотно к нему примыкает, то всё в порядке. Если какие-то края не лежат на стекле или, тем более, вы видите коробление «винтом» -- качество штамповки оставляет желать лучшего.

Наведение спутниковых тарелок

Как наводят антенну на геостационарные спутники

Геостационарные спутники находятся над экватором, делая оборот вокруг Земли с промежутком времени, равным периоду вращения планеты. Часто необходимо однократно навести антенну, зафиксировав ее, а подстраивать только при смещении устройства. Для того, чтобы навести спутниковую тарелку, необходимо найти угол места, а также азимут, которые задают направление на спутник. Для линейной поляризации необходимо также вычислить угол поворота, зависящий от расположения антенны и спутника относительно друг друга. Точка стояния спутника, а также географические координаты антенны влияют на расчет угломестных и азимутальных величин, поворота поляризации.

Мультифид -- это группа устройств (в частности, конвертеров), способных принять сигнал сразу нескольких спутников на одну антенну. Этот вариант используется, когда имеется недостаточный прием сигнала с одного спутника. При наведении определяется угол места, азимут, учитывается положение конвертеров. Обычно для расчетов используется программа Satellite Antenna Alignment. Возможно подключение мультифида по схеме «один конвертер -- одна тарелка», что часто становится единственно возможным вариантом, например, при приеме сигнала со спутников, расположенных далеко друг от друга. Однако если они находятся рядом, а запас по уровню сигнала есть хотя бы для некоторых из них, то на одну тарелку можно установить несколько конвертеров. Спутниковую тарелку ориентируют на прием спутника с самым слабым сигналом, который будет принимать конвертер, находящийся в фокусе тарелки. Боковые конвертеры будут отвечать за прием сигналов с других спутников.

Моторизированное наведение

Моторизированное наведение антенн используется при:

- Автоматическом перенаведении тарелки на разные спутники;

- Автоматическом наведении тарелки на спутник при развертывании;

- Автоматическом сопровождении спутника.

Автоматическое перенаведение применяется для увеличения количества программ, принимаемых тарелкой в спутниковом телевидении. Комплекс действий выполняется при участии полярного подвеса, который позволяет с одним приводом менять азимут и угол места так, что антенна движется строго вдоль линии, где при взгляде с Земли расположены все геостационарные спутники. Полярный подвес нужно тщательно настраивать, а устанавливать его довольно сложно.

Автоматическое развертывание и наведение спутниковых антенн используется на мобильных станциях с целью обнаружения сигнала за максимально короткое время. Для этого есть контроллер, который находит нужные координаты через системы навигации (ГЛОНАСС, GPS), рассчитывает величину угла места, азимут, поляризацию для наведения на нужный спутник. После этого устройство фиксирует положение антенны спутниковой связи, захватывает сигнал со спутника и точно подстраивает антенну по его максимуму.

Автоматическое сопровождение спутника необходимо, чтобы удержать его при движении антенны на максимальной точке диаграммы направленности. Выполняется с помощью мотоподвеса или электроуправления диаграммой направленности при участии контроллера.

Автоматическое сопровождение незаменимо в следующих случаях:

? При работе станций для стабильной связи при движении (на автомобильном, железнодорожном, морском, авиатранспорте);

? При функционировании больших антенн, где ширину диаграммы направленности можно сравнить с возможным отклонением спутника от точки стояния;

? При работе антенн, предназначенных для взаимодействия со спутниками на негеостационарных орбитах.

В бытовых условиях моторизированное наведение осуществляется двумя способами: при участии спутникового мотоподвеса или с использованием позиционера и актуатора.

Мотоподвес состоит из электропривода, совмещенного в общий блок с электронной платой позиционера, ответственной за регулирование положения антенны. Такая конструкция распространена, потому что проста в установке, настройке. Но корректная работа возможна с антеннами не более 1.3 м.

Позиционер -- электрический прибор для управления исполнительным механизмом, «запоминающий» точное положение спутников, на которые ранее был настроен.

Актуатор -- электромеханический привод, который передвигает зеркало спутниковой антенны и управляется позиционером.

Помимо наличия электромотора необходима также точная настройка антенны с фиксацией на спутник.

Антенны являются наиболее «выдающейся» (во всех отношениях) и эффектной частью земных станций спутниковой связи. Параболическая антенна стала символом, своеобразной визитной карточкой именно спутниковой связи (несмотря на то что такие антенны используются и в других видах связи).

Спутниковые технологии предоставили населению широкий спектр возможностей для подсоединения к интернету даже в тех местностях, где нет стационарных точек подключения.

Размещено на Allbest.ru