Anteny ³¹cznoœci satelitarnej

Transkrypt

1 in. JAN BOGUCKI Instytut ¹cznoœci Warszawa Anteny ³¹cznoœci satelitarnej ntena jest to struktura obejmuj¹ca obszar przejœciowy miêdzy woln¹ przestrzeni¹ a lini¹ przesy³ow¹ prowadz¹c¹ od nadajnika albo do odbiornika. Aparat matematyczny i modele fizyczne stosowane przy opisie anten zale ¹ w du ym stopniu od czêstotliwoœci. W zakresie mniejszych czêstotliwoœci, gdzie pr¹d i napiêcie maj¹ bezpoœredni sens fizyczny, wygodnie jest uwa- aæ antenê za element obwodu. W zakresie wiêkszych czêstotliwoœci dogodniejsze jest podejœcie qausi-optyczne. Poniewa anteny promieniuj¹ najczêœciej pola o okreœlonej polaryzacji, mówi siê o polaryzacji anten, przyjmuj¹c, e polaryzacja jest taka, jaka jest polaryzacja pola elektrycznego promieniowanego przez ni¹. Spotyka siê anteny o polaryzacji liniowej (pionowej lub poziomej), o polaryzacji eliptycznej (w szczególnym przypadku ko³owej), a tak e o polaryzacji podwójnej, umo liwiaj¹cej np. promieniowanie (nadawanie) o jednej polaryzacji, a odbiór fali o polaryzacji prostopad³ej do niej. Rys. 1. Obszary obs³ugiwane przez satelity Eutelsat 16 o E.Kolory 40/45/50 oznaczaj¹ obszary o zastêpczej mocy promieniowania izotropowo 40 dbw, 45 dbw i 50 dbw W zale noœci od przeznaczenia, anteny dziel¹ siê na nadawcze i odbiorcze, mimo i mog¹ byæ charakteryzowane przez te same wielkoœci. Anteny nadawcze maj¹ za zadanie jak najlepiej wyemitowaæ energiê pola elektromagnetycznego nadajnika do otaczaj¹cej przestrzeni. Anteny umieszczone na satelicie mog¹ byæ w zale noœci od obszaru oœwietlanego o wi¹zce globalnej, strefowej czy punktowej. Czêsto stosuje siê anteny o kszta³towanej wi¹zce promieniowania, dopasowanej do konturu obs³ugiwanego obszaru (rys. 1). Natomiast naziemne anteny satelitarne s¹ wy³¹cznie o wi¹zce punktowej i zwykle s¹ to ma³e anteny satelitarnych terminali VSAT (Very Small Aperture Terminal) oraz satelitarnych stacji reporterskich SNG (Satellite News Gathering). Z punktu widzenia kompatybilnoœci elektromagnetyczne anteny s¹ newralgicznym elementem ca³ego systemu. Do niedawna anteny mikrofalowe by³y przedmiotem zainteresowania w¹skiej grupy specjalistów, jednak z wprowadzeniem telewizji satelitarnej i telefonii komórkowej sytuacja ta uleg³a zmianie. W celu okreœlenia jakoœci ca³ego systemu teletransmisyjnego bardzo wa ne s¹ parametry anten. Najistotniejsze z nich to: szerokoœæ wi¹zki poziom listków bocznych i promieniowania wstecznego zysk dopasowanie anteny (wspó³czynnik fali stoj¹cej) wspó³czynnik polaryzacji skroœnej zniekszta³cenia intermodulacyjne obci¹ alnoœæ stabilnoœæ mechaniczna. Rodzaje anten satelitarnych W zakresie mikrofal, w celu dobrego skupienia strumienia mocy, s¹ stosowane reflektory wykonane najczêœciej w postaci paraboloid obrotowych. W technice satelitarnej stosuje siê powszechnie kilka rodzajów anten parabolicznych: symetryczne podœwietlane (offset) dwureflektorowe (Cassegraina lub Gregory) Antena paraboliczna z promiennikiem umieszczonym w ognisku reflektora (rys. 2) konstrukcja symetryczna jest bardzo prosta i dlatego jest powszechnie wykorzystywana w technice satelitarnej. Dok³adnoœæ wykonania powierzchni reflektora ma du y wp³yw na jakoœæ anteny. Powinna byæ maksymalnie zbli ona do paraboloidy z b³êdem nie przekraczaj¹cym 0,5 mm dla pasma 12 GHz, tj. gdy d³ugoœæ fali wynosi 25 mm. by œrub lub nitów zwykle tylko nieznacznie pogarszaj¹ parametry anteny, ich powierzchnia bowiem jest mniejsza od 1% powierzchni reflektora. K¹t oœwietlania anteny jest równie bardzo istotny. Je eli rozwartoœæ k¹ta oœwietlenia jest zbyt ma³a (rys. 3a), to wykorzystywana jest tylko czêœæ powierzchni reflektora. A wiêc antena ma takie parametry elektryczne, jakby mia³a znacznie mniejsz¹ œrednicê od rzeczywistej. Nadmierna szerokoœæ wi¹zki promiennika powoduje przelewanie siê energii poza reflektor (rys. 3b), a tym samym wzrost poziomu promieniowania niepo ¹danego wokó³ anteny. Ze sposobem oœwietlania anteny jest zwi¹zany tzw. wspó³czynnik wykorzystania apertury. Oœwietlenie, przy którym uzyskuje siê najwiêkszy wspó³czynnik wykorzystania apertury powoduje jednak niedopuszczalnie wysoki poziom listków bocznych. Dlatego wymagany jest kompromis miêdzy maksymalnym wykorzystaniem powierzchni reflektora a poziomem listków bocznych. Uzyskuje siê go przez odpowiedni dobór kszta³tu reflektora i charakterystyki kierunkowoœci ro ka. Zwykle jako ro ek u ywa siê otwarty koniec falowodu ko³owego. Szerokoœæ charakterystyki kierunkowej falowodu o œrednicy równej d³ugoœci promieniowanej fali wynosi ok. 60 o. W praktyce uzyskuje siê wspó³czynnik wykorzystania apertury 0,65 przy poziomie listków bocznych równym - 20 db. 6

2 Rys. 2. Geometria symetrycznego reflektora parabolicznego Rys. 3. Niew³aœciwa rozwartoœæ k¹ta oœwietlenia reflektora: a zbyt ma³a, b zbyt du a Antenê centralnie oœwietlan¹ o œrednicy 3,8 m maj¹ca w zakresie czêstotliwoœci 10,95 12,75 GHz zysk 51,9 dbi *) i 3 db szerokoœæ wi¹zki równ¹ 0,45 o przedstawiono na rys. 4. Anteny te w zakresie czêstotliwoœci 3,7 4,2 GHz maj¹ zysk 42,5 dbi, a 3 db szerokoœæ wi¹zki jest równa 1,4 o. Niew¹tpliwie bardzo interesuj¹ca jest antena z plastycznym reflektorem. Zapotrzebowanie na takie anteny jest na satelitach o wyd³u onej orbicie. Aby zapewniæ te same warunki odbioru na powierzchni Ziemi, nale y w czasie lotu satelity zmieniaæ jej charakterystykê, a tym samym i zysk. Mo na to uzyskaæ przez mechaniczne kszta³towanie powierzchni siatkowego reflektora w czasie lotu satelity. Jednak nawet poprawnie wykonana antena symetryczna ma pewne wady, m.in. efekt blokowania polegaj¹cy na tym, e promiennik zas³ania czêœæ reflektora, a tym samym zmniejsza powierzchniê skuteczn¹ anteny, a wiêc i jej zysk. Tê wadê eliminuje antena podœwietlona (rys. 5). Kszta³t reflektora takiej anteny jest fragmentem powierzchni parabolicznej, nie zawieraj¹cej jednak wierzcho³ka. Do tego typu anten, maj¹cych d³ug¹ ogniskow¹, stosuje siê promiennik o znacznie mniejszej szerokoœci wi¹zki, ni dla anten symetrycznych. Paraboliczn¹ antenê podœwietlon¹ satelitarnej stacji reporterskiej ilustruje rys. 6. Jest to antena nadawczo-odbiorcza o zysku 40,5 dbi dla czêstotliwoœci 11,7 GHz (odbiór) i 42,0 dbi dla czêstotliwoœci 14 GHz (nadawanie). Natomiast anteny dwureflektorowe (rys. 7) eliminuj¹ zjawisko przelewania siê energii przez reflektor pomocniczy, gdy czêœæ energii omijaj¹ca reflektor jest kierowana w stronê nieba, którego temperatura szumowa **) jest niska. W tej sytuacji o szumowej temperaturze anteny decyduje tylko efekt rozpraszania energii przez podpory mocuj¹ce reflektor pomocniczy. Natomiast umieszczenie wzmacniacza bezpoœrednio przy Ÿródle oœwietlaj¹cym eliminuje straty w torze przesy- ³owym. Istniej¹ dwie podstawowe odmiany uk³adów dwureflektorowych: Cassegraina i gregoriañski. Uk³ad Cassegraina (rys. 7) sk³ada siê z g³ównego reflektora Rys. 4. Symetryczna antena paraboliczna Rys. 5. Geometria podœwietlonego reflektora parabolicznego parabolicznego i pomocniczego reflektora hiperbolicznego. Reflektor pomocniczy jest po³o ony miêdzy ogniskiem a wierzcho³kiem reflektora g³ównego w taki sposób, e jedno z tych ognisk (pozorne) pokrywa siê z ogniskiem reflektora parabolicznego. Drugie ognisko reflektora pomocniczego jest równoczeœnie ogniskiem ca³ego systemu antenowego i okreœla po- ³o enie Ÿród³a oœwietlaj¹cego. Zwykle ognisko to znajduje siê w pobli u wierzcho³ka reflektora g³ównego. W uk³adzie gregoriañskim rolê reflektora g³ównego pe³ni równie wycinek *) dbi zysk wzglêdem anteny izotropowej. **) Temperatura szumowa nieba wynosi od kilku do kilkudziesiêciu kelwinów. Pojêcie temperatury szumowej wyjaœniono szczegó³owo w [4]. 7

3 Rys. 6. Antena podœwietlana satelitarnej stacji reporterskiej Rys. 7. Geometria anteny dwureflektorowej Rys. 8. Antena dwureflektorowa paraboloidy zawieraj¹cy wierzcho³ek, a reflektor pomocniczy ma kszta³t eliptyczny. Poniewa obydwa ogniska reflektora le ¹ z jednej jego strony reflektor pomocniczy musi byæ umieszczony w odleg³oœci wiêkszej ni ogniskowa reflektora g³ównego. W zwi¹zku z tym, system gregoriañski jest mniej spójny ni uk³ad Cassegraina i z tego powodu równie rzadziej jest stosowany. Na rys. 8 przedstawiono antenê dwureflektorow¹ pracuj¹c¹ w Tridbinbilla w Australii. Œrednica reflektora wynosi 70 m, a jej zysk na czêstotliwoœci 8,45 GHz wynosi 75,9 dbi przy szerokoœci listka g³ównego 0,2. Nieraz stosuje siê równie anteny dwureflektorowe z przesuwanym subreflektorem umo liwiaj¹cym zmianê charakterystyki anteny, a wówczas szerokoœæ wi¹zki i zysk s¹ funkcj¹ jej rozogniskowania. Pomiary anten Podstawowe pomiary anten obejmuj¹ dwa podstawowe ich parametry: charakterystykê kierunkow¹ oraz zysk. Wyniki tych pomiarów pozwalaj¹ okreœliæ inne parametry anteny, jak szerokoœæ wi¹zki, poziom listków bocznych lub promieniowania wstecznego. Charakterystyka promieniowania Charakterystyka promieniowania anteny jest jednym z wa niejszych parametrów anteny, okreœla bowiem przestrzenny rozk³ad promieniowania energii. Charakterystykê promieniowania definiuje siê jako rozk³ad natê enia pola elektrycznego na powierzchni kuli o dostatecznie du ym promieniu, której œrodek pokrywa siê ze œrodkiem anteny. Wartoœci natê enia pola na powierzchni kuli zale ¹ od promienia kuli oraz od mocy promieniowanej przez antenê. Aby uniezale niæ siê od tych czynników, wszystkie wartoœci natê enia pola dzielimy przez wartoœæ maksymaln¹, uzyskuj¹c w ten sposób unormowan¹ charakterystykê promieniowania. Oczywiœcie, maksymalna wartoœæ charakterystyki unormowanej jest równa jednoœci. Dziêki temu ³atwo mo na porównaæ charakterystyki promieniowania ró nych anten. Charakterystyka promieniowania przedstawia pewn¹ zamkniêt¹ powierzchniê w ogólnym przypadku z³o- on¹ z kilku przestrzennych wi¹zek ró - nej postaci. Najwiêksz¹ z nich nazywamy wi¹zk¹ g³ówn¹ (listkiem g³ównym) pozosta³e wi¹zkami bocznymi (listkami bocznymi). Wykonanie wykresu trójwymiarowego jest k³opotliwe (szczególnie dawniej bez u ycia komputerów) i dlatego zwykle tradycyjnie ograniczamy siê do podania dwóch wzajemnie prostopad³ych przekrojów charakterystyki promieniowania. Charakterystykê promieniowania mo - na wyznaczyæ za pomoc¹ obliczeñ lub pomiarów. Pomiar polega na potraktowaniu badanej anteny jako elementu odbiorczego w stosunku do punktowego (umieszczonego w odpowiedniej odleg³oœci) Ÿród³a sygna³u pomiarowego rys. 9. Przez obracanie anteny (w okreœlonej p³aszczyÿnie) i jednoczeœnie notowanie wartoœci odbieranego sygna³u otrzymuje siê ¹dan¹ charakterystykê. Konieczne s¹ jednak odpowiednie warunki pomiarowe, do których mo na zaliczyæ: stosunkowo du y zysk anteny nadawczej (aby wyeliminowaæ wp³yw ró - nic fazowych czo³a odbieranej fali) o liniowej polaryzacji fali promieniowanej, wyraÿne wyró nienie listka g³ównego w stosunku do listków bocznych (co najmniej o 20 db), du a szerokoœæ wi¹zki pomiarowej, aby zminimalizowaæ zmiany natê enia pola w obrêbie p³aszczyzny mierzonej anteny. Dla anten o polaryzacji pionowej, Ÿród³em b³êdu mog¹ byæ tak e odbicia od powierzchni ziemi. Wyeliminowanie ich wymaga umieszczenia anteny badanej i nadawczej na znacznej wysokoœci. Charakterystyka anteny mo e byæ przedstawiona we wspó³rzêdnych prostok¹tnych lub biegunowych. W uk³adzie wspó³rzêdnych prostok¹tnych, na osi odciêtych znajduje siê wartoœæ odchy³ki k¹towej od kierunku maksymalnego promieniowania (rys. 10). Uk³ad wspó³rzêdnych biegunowych jest dogodniejszy do zobrazowañ charakterystyki promieniowania w pe³nym (360 o ) otoczeniu anteny. 8

4 Dyskryminacja polaryzacji, czyli ró - nica miêdzy t³umiennoœci¹ wnoszon¹ dla fali o polaryzacji niepo ¹danej (ortogonalnej) a t³umiennoœci¹ dla fali o polaryzacji po ¹danej, powinna byæ wiêksza od 25 db dla popularnych anten odbiorczych telewizji satelitarnej i jest zwykle wiêksza od 35 db dla anten profesjonalnych. Zysk anteny jest miar¹ jej jakoœci, œciœle zwi¹zany z jej kierunkowoœci¹. Jest on okreœlony stosunkiem (wyra onym zwykle w decybelach) natê enia pola anteny w kierunku po ¹danym i natê enia pola (w tym samym kierunku) wytworzonego przez antenê izotropow¹ (zasilan¹ t¹ sam¹ moc¹). Zysk najczêœciej okreœla siê w kierunku maksymalnej gêstoœci promieniowania anteny rzeczywistej. Du e wartoœci zysku odpowiadaj¹ ma³ym k¹tom rozwarcia wi¹zki. S¹ ró ne metody pomiaru zysku w technice antenowej. Mo e byæ on wyznaczony np. przez bezpoœredni pomiar porównawczy z anten¹ o zysku wzorcowym (rys. 11). Pomiar zysku, jak wspomniano, polega na porównaniu z bezstratnym Ÿród³em (1) gdzie: G B zysk badanej anteny [dbi], L s1 poziom sygna³u z badanej anteny [db], L s2 poziom sygna³u z wzorcowej anteny [db], Rys. 11. Uk³ad pomiarowy do pomiaru zysku anteny Rys. 9. Uk³ad pomiarowy do pomiaru charakterystyki anteny Rys. 10. Typowa charakterystyka promieniowania anteny satelitarnej Zysk izotropowym, bêd¹cym hipotetycznym elementem promieniuj¹cym energiê we wszystkich kierunkach. Jest on nierealizowalny w praktyce i s³u y zwykle do obliczeniowego wyznaczania kszta³tu charakterystyk promieniowania anten ró - nych typów. Wielkoœci¹ porównawcz¹ jest zwykle gêstoœæ mocy przep³ywaj¹ca przez jednostkê powierzchni. Dla zachowania prawid³owych warunków pomiaru nale y: zachowaæ w³aœciw¹ odleg³oœæ miêdzy antenami, wyeliminowaæ lub uwzglêdniæ wszystkie dodatkowe sygna³y odbite, w³aœciwie skierowaæ obie anteny, dopasowaæ po zmianie anteny, sprawdziæ pozosta³e czynniki, takie jak czêstotliwoœæ, sprawnoœæ detekcji, kalibracja t³umika. Powy sze postêpowanie oparte jest na za³o eniu znajomoœci wartoœci zysku anteny wzorcowej. Dok³adnoœæ wykonanych pomiarów w sposób decyduj¹cy okreœla definicja i szacunkowa wartoœæ zysku anteny wzorcowej. Zysk badanej anteny (rys. 11) oblicza siê z zale noœci: G W zysk wzorcowej anteny [dbi]. Przy testowaniu anten wa na jest odleg³oœæ miêdzy antenami nadawcz¹ i badan¹ im jest wiêksza, tym lepiej. Powinna ona byæ przynajmniej na tyle du a, by anteny znajdowa³y siê wzajemnie w swoich dalekich strefach promieniowania. Odleg³oœæ strefy dalekiej D d promieniowania anteny o ko³owej aperturze okreœla zale noœæ: (2) gdzie: D najwiêkszy rozmiar apertury badanej anteny [m], l d³ugoœæ fali w wolnej przestrzeni dla czêstotliwoœci pomiarowej [m]. Przyk³adowo, dla anteny z rys. 8 granicê strefy dalekiej D d wyliczymy dla czêstotliwoœci 8,45 GHz, tj. d³ugoœci fali równej l = 0,0355 m i podstawiaj¹c D = 70 m: (3) Dlatego dla du ych systemów antenowych ich parametry bada siê wykorzystu- 9

5 j¹c jako nadajnik radiolatarnie sztucznego satelity. Dopuszczalna wartoœæ zysku anten satelitarnych jest œciœle okreœlona i przyk³adowo dla anteny pasma 11/12 GHz, dla wi¹zki g³ównej anteny i 90% szczytów listków bocznych, wyra ony w db wzglêdem anteny izotropowej, powinien mieœciæ siê w granicach nastêpuj¹cych linii (obwiedni): Rys. 12. a antena satelitarna, b charakterystyka promieniowania a) dla fali o polaryzacji po ¹danej 29-25logj dbi dla 2,8 o j 7 o +8 dbi dla 7 o j 9,2 o 32-25logj dbi dla 9,2 o j 30 o -5 dbi dla 30 o j 70 o 0 dbi dla 70 o j 180 o b) dla fali o polaryzacji ortogonalnej 19-25logj dbi dla 2,8 o j 7 o -2 dbi dla 7 o j 180 o K¹tem miêdzy osi¹ wi¹zki g³ównej anteny a rozpatrywanym kierunkiem jest j. Definicja 90% szczytów listków bocznych charakterystyki anteny jest podana w zaleceniu ITU-R 732 [12]. Parametry mechaniczne Konstrukcja anteny powinna umo liwiaæ wycelowanie osi g³ównej wi¹zki promieniowania anteny w kierunku orbity geostacjonarnej z b³êdem nie wiêkszym ni b³¹d wycelowania powoduj¹cy spadek zysku anteny o 1 db dla dowolnej czêstotliwoœci, z zakresu czêstotliwoœci pracy terminala i dla ka dego k¹ta azymutu i elewacji dostêpnego dla anteny. Antena satelitarna nie powinna ulec trwa³emu odkszta³ceniu, ani nie powinna wymagaæ ponownej regulacji, w wyniku dzia³ania wiatru o prêdkoœci do 130 km/h. Przy takim wietrze antena powinna utrzymaæ kierunek do satelity z dok³adnoœci¹ 20% szerokoœci wi¹zki, co odpowiada zmniejszeniu poziomu odbieranego sygna³u w granicach ±0,5 db. Szerokoœæ wi¹zki antenowej jest definiowana dla spadku poziomu mocy sygna³u o 3 db. Przy wyst¹pieniu wiatru o prêdkoœci miêdzy 130 km/h a 160 km/h dopuszczalne jest odchylenie osi g³ównej anteny od po ¹danego kierunku. Dopuszcza siê wówczas koniecznoœæ korekty po³o enia anteny. Przy wyst¹pieniu wiatru o prêdkoœci do 160 km/h nie powinno nast¹piæ trwa³e pogorszenie parametrów anteny: zmniejszenie zysku, odkszta³cenie charakterystyki kierunkowej lub pogorszenie t³umienia sygna³u o polaryzacji ortogonalnej. Antena satelitarna równie nie powinna ulec trwa³emu uszkodzeniu ani odkszta³ceniu w wyniku dzia³ania intensywnych opadów deszczu lub œniegu, a tak e wyst¹pienia skorupy lodowej o gruboœci do 25 mm. * * * Nale y jednoczeœnie wyjaœniæ pewn¹ kwestiê niezrozumia³¹ dla ludzi nie zwi¹zanych z technik¹, a zamieszkuj¹cych na obszarze w pobli u satelitarnych telewizyjnych stacji nadawczych. Otó, gdy stosowana jest antena o bardzo du ej œrednicy D, to zysk energetyczny takiej anteny jest bardzo du y, a wiêc moc emitowana mo e byæ ma³a dla osi¹gniêcia zamierzonego bilansu energetycznego ³¹cza satelitarnego. Wynika to st¹d, e antena o du ej œrednicy (rys. 12a) cechuje siê ma³¹ szerokoœci¹ k¹tow¹ Q wi¹zki g³ównej (rys. 12b), a tym samym poziom promieniowania niepo ¹danego wokó³ anteny jest minimalny, gdy poziom listków bocznych jest ma³y (du a wartoœæ L rys. 12b). A wiêc im wiêksza jest œrednica zastosowanej satelitarnej anteny nadawczej, tym bezpieczniej wokó³ niej chocia ludzie nie zwi¹zani z technik¹ oceniaj¹ sytuacjê akurat odwrotnie. PIŒMIENNICTWO [1] Bogucki J., Wielowieyska E.: T³umienie dodatkowe w ³¹czu satelitarnym. Przegl¹d Telekomunikacyjny + Wiadomoœci Telekomunikacyjne 1/1998 [2] Bogucki J., Dusiñski A.: Pomiary radiometryczne. Biuletyn informacyjny Instytutu ¹cznoœci 9/1995 [3] Bogucki J.: Mikrofalowe anteny s³u b sta- ³ych. Elektronizacja 1-2/2001 [4] Bogucki J.: Szum mikrofalowych urz¹dzeñ odbiorczych telewizji satelitarnej. Przegl¹d Telekomunikacyjny + Wiadomoœci Telekomunikacyjne 6/1998 [5] Dane katalogowe firmy Andersen Manufacturing Inc. [6] Everett J.: VSATs very small aperture terminals. Peter Peregrinous Ltd. London 1992 [7] [8] [9] Lo Y.T.: Antenna Handbook. Their Applications, and Design. Van Nostrand Reinhold Company. New York 1988 [10] Maral M., Bousquet M.: Satellite Communications Systems. Systems, Techniques and Technology. John Wiley & Sons. New York 1993 [11] Norma ETSI : Satellite Earth Stations (SES); Television Receive Only (TVRO- FSS) Satellite Earth Stations operating in the 11/12 GHz FSS bands [12] Norma ETSI Satellite Earth Stations and Systems (SES); Transmit-only or transmit-and-receive Very Small Aperture Terminals (VSATs) used for communications operating in the Fixed Satellite Service (FSS) 11/ 12/14 GHz frequency bands [13] Zalecenie ITU-R 732. Method for statistical processing of earth-station antenna sidelobe peaks