Satelitní anténa , také satelitní komunikační anténa , je anténa používaná k příjmu a (nebo) vysílání rádiových signálů mezi satelitními pozemskými stanicemi a umělými pozemskými družicemi , v užším smyslu - anténa používaná při organizování komunikace mezi pozemskými stanicemi s přenosem přes satelity . V satelitní komunikaci se používají různé typy antén, nejznámější jsou reflexní parabolické antény ( „satelitní paraboly“, angl. Satellite Dish ), masivně používané v různých oblastech, od satelitních TV a VSAT sítí . do vesmírných komunikačních center. Aktivně se rozvíjí použití fázovaných anténních polí pro satelitní komunikaci , které umožňují vysokorychlostní nasměrování antény na satelit výhradně elektronickými metodami. Běžné jsou slabě směrové satelitní paraboly, které nevyžadují žádné navádění, a to jak externí, tak zabudované do přijímačů satelitního navigačního signálu , satelitních telefonů a dalších zařízení. V závislosti na účelu satelitního komunikačního systému lze použít i jiné typy antén.
V satelitních pozemských stanicích se v závislosti na účelu systému používají antény různých typů. Výběr konkrétního typu je dán frekvenčním rozsahem [1] , ve kterém je komunikace organizována, požadovaným ziskem anténního systému a také cenovými a provozními omezeními (velikost, hmotnost, pracnost instalace a použití) [2] .
Nejznámější oblastí použití parabol je příjem satelitních televizních programů. Odhaduje se, že je k nim připojena více než polovina všech televizorů [3] . Pro příjem signálů širokopásmového televizního vysílání je nutný dostatečně vysoký zisk antény, proto se používají směrové reflektorové antény, hovorově označované jako „satelitní paraboly“ [4] . V 70. – 80. letech 20. století se pro příjem a vysílání televizních signálů v pásmu C používaly zrcadlové antény o rozměrech metrů a desítkách metrů, instalované na speciálních vesmírných komunikačních stanicích [5] [6] . Přijímací stanice sovětského systému " Ekran " , které prováděly přímé analogové televizní vysílání v rozsahu decimetrových vln od konce 70. let do poloviny 20. století , byly vybaveny sestavami vlnových kanálových antén , které byly rovněž značně objemné a umožňovaly příjem pouze jedné program [6] . V 90. letech 20. století bylo díky přechodu na vysokofrekvenční pásmo Ku a růstu satelitní energie možné pro příjem satelitního vysílání používat levné antény malých rozměrů, asi 1 metr a později i méně. začal růst domácích instalací satelitního příjmu [7] . Hlavní stanice kabelové sítě jsou také vybaveny satelitními anténami, obvykle většími než pro domácí příjem, aby byla zajištěna rezerva zisku, a tedy spolehlivost příjmu v nepříznivých podmínkách [8] . Uzly distribuční družicové sítě, které doručují signál do regionálních telecenter, nadále využívají pásmo C, protože je odolnější vůči povětrnostním vlivům, a jsou vybaveny anténami o velikosti metru [9] .
Další oblastí, kde jsou satelitní paraboly široce používány, jsou VSAT (nebo malé satelitní pozemské stanice) širokopásmových systémů přenosu dat , jako je satelitní internet a soukromé komunikační sítě . Takové stanice přijímají i vysílají rádiové signály a musí splňovat požadavky rádiových předpisů [10] . Požadavky na jejich antény jsou mnohem vyšší než na televizní „nádobí“, a to jak z hlediska přesnosti výroby, tak z hlediska pevnosti konstrukce a přesnosti nasměrování. Antény VSAT musí na sobě držet nejen přijímací konvertor , ale i vysílací jednotku , při vysílání nerušit okolní a ostatní satelitní stanice a udržet si svou polohu i při silném zatížení větrem [2] . VSAT stanice nejsou tak běžné jako satelitní TV antény, ale jsou poměrně široce používány a jsou nepostradatelné v mnoha oblastech lidské činnosti [11] [12] . Antény prvních VSAT stanic pracujících v C-pásmu měly velikost 2,5 metru. Moderní malé stanice pásem Ku a Ka jsou vybaveny anténami o typických velikostech od desítek centimetrů do jednoho a půl metru [13] .
CKS "Dubna" . Vlevo - NEC Mark IV (32 metrů), postavený pro vysílání olympijských her-80 v systému Intelsat , vpravo - TNA-57 (12 metrů), vysílání v systému " Ekran " [14] .
Antény pro příjem satelitní TV v obytném domě.
VSAT antény v pásmu Ku a Ka .
Telekomunikační centrum "Shchelkovo" operátora Gazprom space systems .
Směrové antény by měly být orientovány co nejpřesněji směrem k kosmické lodi, přes kterou se práce odehrává. Pro práci s družicemi na geostacionární oběžné dráze je anténa namířená, když je instalována, pro družice na jiných oběžných drahách, stejně jako při práci v pohybu, je vyžadováno nepřetržité sledování družice anténou [15] . Systémy pro nepřetržité udržování antény ve směru družice výrazně komplikují a prodražují její konstrukci, proto je velká pozornost věnována zavádění technologií fázovaných anténních polí do satelitní komunikace , které umožňují učinit antény kompaktnějšími a implementovat elektronické řízení navádění, bez mechanického pohybu [16] .
V mnoha aplikacích mobilních družicových komunikací , jako je navigace, telefonování, nízkorychlostní přenos dat, nízkonákladové, nízkosměrové antény, které nevyžadují neustálé nasměrování na satelit [17] . Takové antény jsou například součástí jakéhokoli zařízení s funkcemi příjmu signálů GPS / GLONASS [18] .
Zrcadlové antény jsou nejběžnějším typem směrových satelitních antén [19] . Zrcadlové antény se používají v různýchdružicových komunikačních pásmech , od decimetrových vln po Ka-pásmo , a na různých typech stanic - od jednotlivých televizních přijímacích systémů až po vesmírná komunikační centra. Velké zrcadlové antény se používají v centrech pro přenos signálu satelitního vysílání, na centrálních satelitních komunikačních stanicích a na hlavních vysokorychlostních kanálech [20] .
Jak to fungujeAnténní zrcadlo (reflektor, reflektor) shromažďuje veškerou energii rádiových vln dopadající na jeho plochu v jeho ohnisku . Aby se zabránilo vzájemnému tlumení rádiových vln přicházejících do ohniska, je zrcadlo vyrobeno ve formě rotačního paraboloidu , kdy rádiové vlny odražené z libovolného bodu na povrchu zrcadla dosahují ohniska v jedné fázi . Takové antény se nazývají paraboloidní nebo častěji parabolické [21] .
V ohnisku je instalován ozařovač - malá přídavná anténa, která osvětluje zrcadlo. Zářič musí mít vyzařovací diagram, který odpovídá rozměrům reflektoru, protože pokud není osvětlena celá plocha zrcadla, zisk antény nemůže dosáhnout maxima možného. Na druhou stranu, pokud směrovost napájení není dostatečně úzká, část energie je vyzařována marně, což také snižuje zisk antény. Při přenosu navíc dochází k rušení okolních zařízení a při příjmu se zvyšuje hladina hluku. V tomto případě musí ozařovač pracovat v celém frekvenčním rozsahu, pro který je anténa určena. Reflektorovou anténou se vlastně stává pouze koordinovaný systém "zrcadlo + ozařovač" jako sestava. K vytvoření požadovaného napájecího diagramu se používají rohy , dielektrické čočky , lze použít i jiné typy směrových antén [22] .
Šířka vyzařovacího diagramu a zisk antény reflektoru závisí na poměru její apertury k vlnové délce , přesnosti výroby zrcadla (odchylky musí být řádově menší než vlnová délka), faktoru využití povrchu , v závislosti na zvolené konstrukci antény a vlastnostech jejího napájení, přesnosti instalace částí antény (zrcátka, ozařovač, případně protiodrazka) vůči sobě navzájem. Bod zaostření anténního reflektoru nezávisí na použitém frekvenčním rozsahu, takže stejné zrcadlo může být použito v různých rozsazích, když jsou na něm instalovány různé přívody a požadavky na přesnost výroby pro nejvyšší frekvenci (krátkovlnné) z používaných rozsahů jsou splněny. Čím vyšší je frekvenční rozsah antény, tím užší je její vyzařovací diagram a vyšší zisk při stejné velikosti zrcadla [23] .
KonstrukceAnténní zrcadlo je vyrobeno z elektricky vodivého materiálu (ocel, hliníkové slitiny) s antikorozním nátěrem . Pro snížení zatížení větrem a snížení hmotnosti zrcadla lze použít kovovou síť (za předpokladu, že průměr otvorů nepřesáhne 0,1*λ, kde λ je vlnová délka). Z technologických a ekonomických důvodů mohou být zrcadla vyrobena z nekovových materiálů - kompozitů ( uhlíkové vlákno , sklolaminát ) nebo plastů . Je-li anténní zrcadlo vyrobeno z nevodivého materiálu, je do jeho struktury dodatečně zavedena reflexní plocha z kovové fólie, síťoviny, elektricky vodivé barvy [24] .
Součástí antény je kromě reflektoru a ozařovače otočný talíř, který slouží k nasměrování antény na satelit, ruční nebo motorický. Točna zajišťuje stabilní polohu antény, která by se neměla měnit vlivem její hmotnosti a větru o rychlosti až 20-25 m/s a anténa by se neměla hroutit ani při výrazně větším zatížení větrem. Při provozu ve ztížených klimatických podmínkách lze na anténu instalovat systém proti námraze z topných těles nebo horkovzdušných pistolí instalovaných na zadní straně zrcadla [25] .
Osově symetrické antényOsově symetrické antény mají symetrické zrcadlo, jehož ohnisko je umístěno na ose symetrie. U antény s přímým ostřením ( ang. Prime Focus ) je ozařovač instalován v ohnisku, před zrcadlem. Používají se také dvouzrcadlová schémata, ve kterých je na ose antény instalováno malé přídavné protiodrazové zrcadlo a ozařovač je umístěn na straně zrcadla v ohnisku protiodrazky. Schémata s protireflektorem jsou obtížnější na výpočet, výrobu a konfiguraci, ale umožňují zmenšit rozměry antény a zjednodušit přístup ke zdroji, snížit úroveň postranních laloků vyzařovacího diagramu a teplotu šumu antény a v některých případech zlepšit faktor využití povrchu. Podavač nebo protireflektor a jeho nástavce zakrývají část zrcadla antény, což vede ke snížení efektivní clony. Proto se axisymetrická schémata používají hlavně na poměrně velkých (1,5 - 2 metry nebo více) anténách, jejichž zastíněná plocha je relativně malá [26] [27] .
Dvouzrcadlové (vpravo) a antény s přímým ohniskem (vlevo) centrální pozemské stanice satelitní sítě
Anténa s přímým ostřením pro příjem satelitní TV se zrcadlem z kovové síťoviny
Mobilní satelitní stanice s dvouzrcadlovou anténou s prstencovým ohniskem
Osově symetrická schémata se používají i pro antény malých průměrů mobilních družicových stanic [28] . Takové antény často využívají dvouzrcadlové schéma s prstencovým ohniskem tvořeným reflektorem speciálního tvaru [29] . Takové schéma je obtížné vypočítat a vyrobit, ale umožňuje zvýšit faktor využití povrchu, učinit anténu kompaktnější a zjednodušit její montáž [30] .
Offsetové antényOffsetové antény neboli antény s ofsetovým posuvem se získávají vyříznutím parabolického zrcadla. Vyzařovací diagram takové antény je posunut vzhledem k ose jejího zrcadla o úhel, který se nazývá offsetový úhel (nebo offsetový úhel). Offsetové antény mají asymetrický (oválný) tvar a jsou vertikálně poněkud protáhlé, čím silnější, tím větší je úhel ofsetu. Je to dáno tím, že zrcadlo antény je nakloněno vůči směru k satelitu a zároveň musí zajistit rovnoměrné osvětlení podávací plochy [31] . Podobně jako osově symetrické mohou být offsetové antény vyrobeny podle dvou zrcadlových schémat [32] .
Hlavní výhodou offsetových antén je, že ozařovač a jeho upevňovací prvky neblokují směr k satelitu a nezastiňují zrcadlo antény, což umožňuje zvýšit faktor využití povrchu [33] .
Ofsetová konstrukce má také řadu nevýhod. Ofsetová zrcadla velkých rozměrů jsou mnohem náročnější na výrobu a montáž než osově symetrická, proto se podle offsetového schématu staví malé antény (do 2,5 metru), sloužící k příjmu satelitní TV a u stanic VSAT , kde je možnost plného využití anténního zrcadla, aniž by zastínil jeho ozařovač, dává znatelný zisk v zesílení [33] . Při provozu s lineární polarizací mají offsetové antény nejhorší úroveň polarizačního oddělení [34] , což může vést ke zvýšení úrovně rušení od signálů sousední polarizace na stejném satelitu. Při práci s kruhovou polarizací je vyzařovací diagram ofsetové antény odlišný pro levou a pravou polarizaci, proto je při změně pracovní polarizace potřeba i současné nastavení směrování antény a efekt je tím znatelnější, čím větší velikost zrcadla [35] .
Při malých úhlech vertikálního vedení se náklon ofsetové antény vůči svislici stává negativním - zrcadlo "se dívá na zem", ačkoli je namířeno na satelit umístěný nad obzorem. V tomto případě může konstrukce otočného talíře omezit minimální úhel směřování vzhledem k tomu, že spodní hrana zrcadla dosedá na podpěru [36] .
Offsetové Ku-pásmové VSAT antény
Offsetová anténa pro příjem satelitní TV
Offsetová anténa v nízkém úhlu k satelitu
Plochá fázovaná anténní pole (PAR) se používají k vytvoření kompaktních satelitních antén různých rozsahů.
Jak to fungujePAR je tvořena mnoha koherentně napájenými zářiči, kterými mohou být páskové , rohové , štěrbinové a další typy antén [37] . Pokud signál dorazí ke všem emitorům ve stejné fázi (common-mode array), pak je anténní obrazec kolmý k její rovině [38] . Zisk takové antény závisí na poměru její velikosti (apertury) k vlnové délce, počtu a vzájemné poloze zářičů a na ztrátách ve vedeních, kterými jsou zářiče napájeny. Fázové pole, jako každá směrová anténa, vyžaduje mechanickou orientaci ve směru signálu. Při změně fázového poměru mezi zářiči se vyzařovací diagram fázového pole odchyluje vzhledem k rovině antény [38] , zisk antény klesá, čím více se vyzařovací diagram odchyluje od normálu [37] . Řízené fázové posuvy v silových vedeních zářičů PAR umožňují postavit anténu s elektronicky řízeným vyzařovacím diagramem , který nevyžaduje mechanický pohyb při nasměrování. Elektronické nasměrování antény, na rozdíl od mechanického, může být téměř okamžité. I když je implementace takového schématu poměrně komplikovaná a vede ke snížení zisku antény při změně vyzařovacího diagramu, je požadována v mnoha aplikacích satelitní komunikace [39] . Používá se také hybridní schéma ovládání PAA paprskového obrazce - elektronické snímání v jedné rovině a mechanický pohyb v druhé [40] .
Aplikace v satelitní komunikaciSatelitní antény vytvořené na základě fázovaných polí mají řadu omezení. Mohou pracovat pouze v relativně úzkém frekvenčním rozsahu (např. provoz v celém rozsahu od 10,7 do 12,75 GHz s jedinou anténou na bázi PAA je nemožný), jsou náročné na konstrukci a výrobu a mají vysokou cenu [41 ] . Na bázi sfázovaného pole se staví především satelitní antény s malou aperturou [28] .
Výhody antén na bázi PAA – kompaktnost a možnost elektronického řízení vyzařovacího diagramu – je činí žádanými v mobilních družicových komunikacích [16] . Sfázovaná pole se používají jako součást nositelných a mobilních stanic pásem Ku a Ka [40] , přenosné terminály Inmarsat BGAN ( L-band ) [42] , přenosné satelitní stanice pro speciální účely [43] . Vyvíjejí se nové typy satelitních antén založených na fázových polích využívajících řiditelné čočky z metamateriálů [44] , které by měly zlepšit jejich vlastnosti a v budoucnu snížit náklady na sériovou výrobu [45] . Na pozemských stanicích satelitní sítě SpaceX Starlink , kde je vyžadováno nepřetržité anténní sledování satelitů na nízké oběžné dráze, bylo plánováno použití fázových polí s elektronicky řízeným vyzařovacím diagramem, přičemž cena terminálu byla deklarována méně než 300 USD, ale při první etapa bylo navrženo použít výrazně dražší, odhadované antény [46] , kombinující elektronické navádění s předběžným mechanickým (vestavěné motory) [47] [48] .
Na základě anténních polí se také vyrábějí ploché kompaktní antény pro domácí příjem satelitní TV [38] [41] , které vyžadují mnohem méně místa pro instalaci než klasické "paraboly" srovnatelné clony, jelikož nemají přívod umístěna před rovinou antény. To umožňuje jejich umístění nejen na ulici, ale i v interiéru (na okno, balkon, lodžii apod.), pokud místo instalace zajistí viditelnost satelitu [49] .
Plochá anténa pro příjem satelitní TV
Motorizovaná anténa pro satelitní komunikaci v pohybu na základě pole společného režimu
Terminál satelitního komunikačního systému Inmarsat BGAN
Slabě směrové (také všesměrové ) antény ( pásové , quadrifilární [50] ) se používají pro komunikaci přes nízkou oběžnou dráhu a geostacionární družice v satelitních telefonech , satelitním rádiu , příjmu signálů satelitní navigace a dalších aplikacích, kde není možné se plynule orientovat anténa. Takové antény mají široký vyzařovací diagram , což vede k příjmu velkého množství šumu (vysoká teplota šumu antény ) a nízkému odstupu signálu od šumu pro užitečný signál na vstupu přijímače, a tím k nízkému propustnost systému jako celku, ale umožňuje pracovat se satelity, umístěnými v zóně viditelnosti, bez dalšího navádění [17] .
Anténa mobilního satelitního komunikačního terminálu Iridium
Externí anténa pro GLONASS / GPS přijímače
Satelitní telefon Inmarsat
Směrové antény s postupnou vlnou a antény jim blízké ( spirála , vlnový kanál , log -periodické atd.), které mají znatelný zisk ve srovnání s nesměrovými, se používají v rozmezích metrů ( angl. VHF ) a decimetrů ( angl . UHF vlny , kde se zrcadlové antény s podobnými parametry stávají příliš velkými a složitými strukturami. Antény s pohyblivou vlnou se používají pro telemetrický příjem a komunikaci s družicemi na nízkých drahách, výměnu informací s meteorologickými družicemi , v amatérské radiokomunikaci přes družice, pro některé speciální druhy družicové komunikace [51] .
Taktický satelitní komunikační terminál
VHF komunikační anténa s kosmickou lodí
Anténa pro příjem telemetrie a sledování satelitů
Pro práci přes satelit je v první řadě nutné, aby mezi anténou a satelitem byla přímá viditelnost (neexistují žádné překážky, které by rušily průchod rádiového signálu). Za těchto podmínek nevyžadují slabě směrové antény vedení. Směrová anténa musí být orientována tak, aby se směr k satelitu shodoval s maximem jeho vyzařovacího diagramu. Malé antény v nízkofrekvenčních pásmech (L, C) mají široký vyzařovací diagram, např. u přenosného terminálu Inmarsat BGAN je šířka obrazce od 30° do 60° [42] . Takovou anténu stačí zhruba nasměrovat správným směrem, aby družice spadla do sektoru omezeného jejím schématem. Antény s úzkým vyzařovacím diagramem a vysokým ziskem vyžadují co nejpřesnější nasměrování.
Geostacionární družice jsou umístěny nad rovníkem a obíhají kolem Země s periodou rovnou periodě rotace Země. V ideálním případě je geostacionární satelit vzhledem k pozorovateli Země absolutně stacionární a satelitní sledování není nutné. Anténu stačí jednou nasměrovat a upevnit, další nasměrování je nutné pouze v případě posunutí antény [15] . Ve skutečnosti jsou geostacionární družice udržovány ve své poloze s určitou přesností, která je u moderních zařízení menší než 0,1° [52] . Pokud je anténní obrazec několikanásobně širší než maximální odchylka přístroje od místa, kde stojí, pak lze zdánlivý posun družice zanedbat a považovat jej za stacionární. Například šířka hlavního laloku v Ku-pásmu pro anténu o průměru 2,4 metru je asi 0,7 ° [53] , pro antény o průměru 0,9 metru - více než 1,5 ° [54] , pro menší antény - ještě více. S takovými anténami používanými na stanicích VSAT a při příjmu satelitní TV není nutné další sledování satelitu po nasměrování.
Pro nasměrování antény je potřeba nastavit elevaci (nadmořská výška nad horizontem) a úhly azimutu , které určují směr k satelitu. Tyto úhly jsou vypočteny z geografických souřadnic místa instalace antény a polohy satelitu [55] .
Vícepaprskové systémy umožňují vytvořit několik vyzařovacích diagramů na jedné anténě a pracovat s několika satelity na geostacionární dráze bez otáčení antény. Vícepaprskové antény lze stavět na bázi standardních parabolických zrcadel ( multifeed ), na bázi zrcadel sférického a toroidního (toroidně-parabolického) profilu, na bázi fázovaných anténních polí [56] [39] .
MultifeedPři posunutí ozařovače v ohniskové rovině parabolického zrcadla se anténní obrazec odchyluje v opačném směru se současným poklesem zisku, a to tím větší, čím více je ozařovač posunut. To je základ vícepaprskového systému založeného na standardní reflektorové anténě - „ multifeed “. Systém je sestaven z několika ozařovačů ( konvertorů ) umístěných s přesazením od ohniska parabolické antény tak, že každý přijímá signál ze satelitů na různých orbitálních pozicích. "Multifid" se také nazývá konstrukční prvek (držák), na kterém jsou namontovány další převodníky. Maximální možná odchylka ozařovače od ohniska parabolické antény je cca 10° [56] .
Toroidní anténaPro současný provoz s mnoha družicemi v širokém sektoru geostacionární dráhy se používají toroidní antény [57] . Toroidní antény Simulsat [58] nebo CPI 700-70TCK [59] mohou současně přijímat až 35 satelitů umístěných na 70° širokém oblouku. Pro domácí příjem satelitní TV lze použít WaveFrontier nebo podobné toroidní antény, které umožňují přijímat signál z 16 satelitů na oblouku 40° nebo více [60] .
Motorizované anténní pohony se používají v následujících případech:
Automatické přesměrování antény mezi satelity se používá v satelitní televizi pro zvýšení počtu přijímaných programů. K tomu slouží polární závěs , který umožňuje pomocí jediného pohonu současně měnit azimut a elevační úhly tak, aby se anténa pohybovala podél „ Clarkova oblouku “ (čára, na které jsou všechny geostacionární satelity se nacházejí při pohledu ze Země). Osa rotace antény na polárním závěsu je rovnoběžná s osou rotace Země. Volba polohy, na kterou je anténa namířena, se provádí satelitním přijímačem nebo počítačovým satelitním tunerem pomocí polohovadla řízeného protokoly USALS nebo Diseqc . Při instalaci polárního věšáku je nutná pečlivá práce na jeho nastavení [61] .
Automatické nasazení a cíleníAutomatické navádění se používá v přenosných nebo přenosných mobilních družicových stanicích k rychlému navázání komunikace [62] . Pro nasměrování se používá samostatné zařízení - ovladač [63] , který pomocí satelitního polohovacího systému ( GPS , Glonass ) určí souřadnice antény a vypočítá úhly azimutu, elevace a polarizační rotace pro nasměrování na požadovaný satelit. Na základě vypočtených úhlů ovladač nastaví polohu antény, zkontroluje zachycení signálu z družice a provede přesné zacílení na maximum. V případě potřeby je možné přesměrovat z jednoho satelitu na druhý, jehož parametry musí být k dispozici i v ovladači.
Automatické satelitní sledováníAutomatické satelitní sledování - nepřetržité udržování v maximálním vyzařovacím diagramu při pohybu vzhledem k anténě. Autotracking lze provádět jak motorovými pohony antény, tak elektronickým řízením vyzařovacího diagramu [16] . Automatické sledování vyžaduje ovladač pro ovládání nasměrování antény. Automatické sledování se používá v následujících případech:
![]() |
---|
Satelitní televize | |||||
---|---|---|---|---|---|
Terminologie |
| ||||
Přístup |
| ||||
Zařízení |
|
Satelitní připojení | |
---|---|
Hlavní články | |
Zařízení | |
Standardy a protokoly | |
Operátoři satelitního vysílání |
|
Komunikační satelitní operátoři a služby | |
Výroba komunikačních satelitů |