Параболикалық антенналар және спутниктік тарелкалар тарихы

Кіріспе

Параболалық антеннаның түрі

Спутниктік тарелка – байланыс спутнигіне немесе одан радио толқындар арқылы ақпаратты қабылдау немесе жіберу үшін арналған, табақ тәрізді параболалық антенна. Бұл термин көбінесе геостационарлық орбитадағы тікелей хабар тарату спутнигінен тікелей хабар таратуды қабылдайтын тарелканы білдіреді.

Тарих

Параболалық антенналар, «тарелка» деп те аталады, спутниктік теледидар пайда болмас бұрыннан қолданылып келген. «Спутниктік тарелка» термині 1978 жылы спутниктік теледидар индустриясының басталуымен пайда болды және байланыс спутниктерінен сигналдарды жіберіп және/немесе қабылдайтын тарелка антенналарды білдірді. Калифорния штатының Сан-Андреас қаласындағы Тейлор Ховард 1976 жылы әскери тарелканы өңдеп, оны қолданып спутниктік теледидар сигналдарын алған алғашқы адам болды. Алғашқы спутниктік теледидар тарелкалары C жолағындағы аналогты сигналдарды қабылдау үшін жасалды және өте үлкен болды. 1979 жылғы Neiman Marcus Рождестволық каталогының мұқабасында сатылымға шыққан алғашқы үй спутниктік телеарналары бейнеленген. Тарелкалардың диаметрі шамамен 6 метрге жететін. 1980-жылдардың басындағы спутниктік тарелкалар диаметріне дейін және шыны талшықтан жасалған, ішіне сым тор немесе алюминий фольгасы, қатты алюминий немесе болат кірістірілген. Сым тордан жасалған спутниктік тарелкалар 1980-жылдардың басында пайда болды және бастапқыда диаметрі 3 метр болатын. Алдыңғы технология жақсарғанда және LNB-ның шу көрсеткіші төмендегенде, бірнеше жылдан кейін олардың мөлшері 2 метрге дейін азайды, ал 1980-жылдардың соңында 2 метрге, 1990-жылдардың басында 1 метрге дейін қысқарды. Дегенмен, үлкен тарелкалар да қолданыла берді. 1990-жылдардың басында төрт ірі американдық кабельдік компаниясы орта қуатты спутниктерді пайдаланатын тікелей хабар тарату компаниясы PrimeStar-ды құрды. Ku жолағының салыстырмалы түрде күшті трансляциясы алғаш рет 90 см диаметріндегі тарелкаларды пайдалануға мүмкіндік берді. Бұл алғашқы кеңінен қолданылатын тікелей хабар тарату спутниктік теледидар жүйесі болды және 20 дюйм (51 см) көлеміндегі тарелкаларды пайдалануға рұқсат берді. Бұл тарелкалардың өлшемінің айтарлықтай төмендеуі спутниктік тарелкаларды көлік құралдарына орнатуға да мүмкіндік берді. Осындай өлшемдегі тарелкалар бүгінге дейін қолданылуда. Алайда, телеарналар C жолағындағы аналогты сигналдарды үлкен тарелкалармен таратуды әлі де қалайды, себебі C жолағындағы сигналдар Ku жолағындағы сигналдарға қарағанда жаңбырдан аз әсерленеді.

Parabolic antennas referred to as "dish" antennas had been in use long before satellite television. The term satellite dish was coined in 1978 during the beginning of the satellite television industry, and came to refer to dish antennas that send and/or receive signals from communications satellites. Taylor Howard of San Andreas, California, adapted an ex military dish in 1976 and became the first person to receive satellite television signals using it. The first satellite television dishes were built to receive signals on the C band analog, and were very large. The front cover of the 1979 Neiman Marcus Christmas catalog featured the first home satellite TV stations on sale. The dishes were nearly 20 feet (6 m) in diameter. The satellite dishes of the early 1980s were in diameter and made of fiberglass with an embedded layer of wire mesh or aluminium foil, or solid aluminium or steel. Satellite dishes made of wire mesh first came out in the early 1980s, and were at first 10 feet (3 m) in diameter. As the front end technology improved and the noise figure of the LNBs fell, the size shrank to 8 feet (2 m) a few years later, and continued to get smaller reducing to 6 feet (2 m) feet by the late 1980s and 4 feet (1 m) by the early 1990s. Larger dishes continued to be used, however. In the early 1990s, four large American cable companies founded PrimeStar, a direct broadcasting company using medium power satellites. The relatively strong Ku band transmissions allowed the use of dishes as small as 90 cm for the first time. This was the first widely used direct broadcast satellite television system and allowed dishes as small as 20 inches (51 cm) to be used. This great decrease of dish size also allowed satellite dishes to be installed on vehicles. Dishes this size are still in use today. Television stations, however, still prefer to transmit their signals on the C band analog with large dishes due to the fact that C band signals are less prone to rain fade than Ku band signals.

Жұмыс істеу принципі

Дискідегі параболалық пішін сигналды дискінің фокус нүктесіне шоғырландырады. Дискінің фокус нүктесіне кронштейнге орнатылған құрылғы – тамақ беру мүйізі (feedhorn) деп аталады. Бұл тамақ беру мүйізі толқын жетекшісінің алдыңғы бөлігі болып табылады, ол фокус нүктесінде немесе оған жақын жердегі сигналдарды жинап, оларды төмен шулы блок-төмендеткішке (LNB) немесе LNB-ге "жеткізеді". LNB сигналдарды электромагниттік немесе радио толқындардан электр сигналдарына түрлендіреді және сигналдарды төмендетілген C және/немесе Ku жолақтарынан L жолағына ауыстырады. Тікелей спутниктік хабар тарату антенналары LNB және тамақ беру мүйізін біріктіретін LNBF-ты пайдаланады. 2004 жылы Ватерлоо университеті бағытталған параболалық дискіні пайдаланбайтын және көлік құралы сияқты мобильді платформада қолданыла алатын барлық бағытты спутниктік антеннаның жаңа түрін жариялады. Дискінің теориялық күшеюі (бағытты күшеюі) жиілік артаған сайын өседі. Нақты күшеюі беткі қаптама, пішіннің дәлдігі, тамақ беру мүйізінің сәйкес келуі сияқты көптеген факторларға байланысты. 11,75 ГГц жиілігіндегі тұтынушылық 60 см спутниктік дискінің әдеттегі мәні 37,50 дБ құрайды. Төменгі жиіліктерде, мысалы, C жолағында дискіні жобалаушылардың материалды таңдауға көбірек мүмкіндігі бар. Төменгі жиіліктер үшін қажетті үлкен дискінің мөлшері дискілердің металл қаңқаға бекітілген металл тордан жасалуына әкелді. Жоғары жиіліктерде торлы конструкциялар сирек кездеседі, бірақ кейбір конструкцияларда перфорацияланған қатты дискілер қолданылған. Жиі кездесетін жаңылыс пікір – LNBF (төмен шулы блок/тамақ беру мүйізі), дискінің алдыңғы жағындағы құрылғы, сигналды атмосферадан тікелей қабылдайды. Мысалы, BBC News-тің бір хабарламасында LNBF-ке тікелей жіберілмейтін, керісінше, дискіге жіберілетін "қызыл сигнал" көрсетілген, себебі оның параболалық пішіні сигналды кішірек аумаққа шоғырландырып, оны LNBF-ке жеткізеді. Үйге теледидар орнатуға арналған заманауи дискілердің диаметрі әдетте 43 см (18 дюйм) – 80 см (31 дюйм) аралығында болады және Ku жолағынан бір орбиталық позициядан сигнал қабылдау үшін бір орынға бекітіледі. Тікелей спутниктік хабар тарату қызметтері пайда болғанға дейін үй пайдаланушылары әртүрлі спутниктерден арналарды қабылдау үшін диаметрі 3 метрге дейінгі моторизацияланған C жолақты дискіні пайдаланған. Алайда, тым кішкентай дискілер де мәселе тудыруы мүмкін, мысалы, жаңбырдан сигналдың әлсіреуі және басқа спутниктерден кедергі.

The parabolic shape of a dish reflects the signal to the dish's focal point. Mounted on brackets at the dish's focal point is a device called a feedhorn. This feedhorn is essentially the front end of a waveguide that gathers the signals at or near the focal point and 'conducts' them to a low noise block downconverter or LNB. The LNB converts the signals from electromagnetic or radio waves to electrical signals and shifts the signals from the downlinked C band and/or Ku band to the L band range. Direct broadcast satellite dishes use an LNBF, which integrates the feedhorn with the LNB. A new form of omnidirectional satellite antenna, which does not use a directed parabolic dish and can be used on a mobile platform such as a vehicle was announced by the University of Waterloo in 2004. The theoretical gain (directive gain) of a dish increases as the frequency increases. The actual gain depends on many factors including surface finish, accuracy of shape, feedhorn matching. A typical value for a consumer type 60 cm satellite dish at 11.75 GHz is 37.50 dB. With lower frequencies, C band for example, dish designers have a wider choice of materials. The large size of dish required for lower frequencies led to the dishes being constructed from metal mesh on a metal framework. At higher frequencies, mesh type designs are rarer though some designs have used a solid dish with perforations. A common misconception is that the LNBF (low noise block/feedhorn), the device at the front of the dish, receives the signal directly from the atmosphere. For instance, one BBC News downlink shows a "red signal" being received by the LNBF directly instead of being beamed to the dish, which because of its parabolic shape will collect the signal into a smaller area and deliver it to the LNBF. Modern dishes intended for home television use are generally 43 cm (18 in) to 80 cm (31 in) in diameter, and are fixed in one position, for Ku band reception from one orbital position. Prior to the existence of direct broadcast satellite services, home users would generally have a motorised C band dish of up to 3 m in diameter for reception of channels from different satellites. Overly small dishes can still cause problems, however, including rain fade and interference from adjacent satellites.

Еуропа

Еуропада DBS қызметтері H (көлденең) және V (тік) екі поляризацияда 10,7–12,75 ГГц жиіліктерін пайдаланады. Бұл диапазон 10,7–11,7 ГГц «төменгі жолаққа» және 11,7–12,75 ГГц «жоғарғы жолаққа» бөлінеді. Нәтижесінде, әрқайсысы шамамен 1 ГГц ені бар және екі мүмкін поляризациясы бар екі жиілік жолағы пайда болады. LNB-де олар 950–2150 МГц жиілігіне түрлендіріледі, бұл LNBF мен қабылдағыш арасындағы коаксиалды кабельдегі спутниктік қызмет үшін бөлінген жиілік диапазоны. Төменгі жиіліктер кабельдік және эфирлік теледидар, FM радио және басқалар үшін қолданылады. Коаксиалды кабельге тек осы жиілік жолақтарының біреуі сыяды, сондықтан әр жолаққа LNBF-тен коммутациялық матрицаға жеке кабель керек немесе қабылдағыш бір уақытта 4 мүмкіншіліктің біреуін таңдауы тиіс.

Жүйелерді жобалау

Бір қабылдағышқа арналған тұрғын үй орнатылымында ғимараттағы қабылдағыш декодерден тарелкадағы LNB-ге дейін бір коаксиалды кабель жүргізіледі. LNB-ге қажетті тұрақты ток электр қуаты, сигналды қабылдағышқа жеткізетін сол коаксиалды кабельдің өткізгіштері арқылы беріледі. Сонымен қатар, басқару сигналдары да қабылдағыштан кабель арқылы LNB-ге жіберіледі. Қабылдағыш тік/көлденең антенна поляризациясын таңдау үшін әртүрлі қуат көзі кернеулерін (13/18 В) пайдаланады, ал LNB-ге екі жиілік диапазонының біреуін таңдауды бұйыру үшін қосылып/өшірілетін пилоттық тонды (22 кГц) қолданады. Ірі орнатылымдарда әр диапазон мен поляризацияға жеке кабель қарастырылады, сондықтан LNB-ден «көпкоммутаторлық» коммутациялық матрицаға 4 кабель келеді, ол көптеген қабылдағыштарды жұлдыз тәрізді топологияда көпкоммутаторға қосуға мүмкіндік береді, бұл бір қабылдағыш орнатылымындағы сигнал беру әдісімен бірдей.

Спутник іздеушісі

Спутниктік іздеуші (немесе спутниктік іздеуші) — бұл геостационарлық орбитадағы коммуникациялық спутниктерге спутниктік тарелкаларды дәл бағыттау үшін қолданылатын спутниктік сигнал күшін өлшеу құралы. Кәсіби спутниктік іздеушілер тарелканы жақсырақ реттеуге және қабылданған сигналдың параметрлерін де көрсетуге мүмкіндік береді.

Мотормен жұмыс істейтін ыдыс

Бір тіреуге орнатылған және басқыш қозғалтқыш немесе сервомотормен қоздырылатын тарелканы басқаруға және аспандағы кез келген спутниктік позицияға бұруға болады. Үш бәсекелес стандарт бар: DiSEqC, USALS және 36 В позиционерлері. Көптеген қабылдағыштар осы стандарттардың барлығын қолдайды. Мотормен жұмыс істейтін тарелкалар әртүрлі өлшемде болады, бірақ басқа аймақтарға сигнал беруге арналған алыс серіктерден сигнал алу үшін кем дегенде 1 метрлік тарелка қажет. DiSEqC және USALS көмегімен спутниктік тарелка, пульттің арнайы түймесін басқанда, бұрын бағдарламаланған он алты спутниктің біріне автоматты түрде бағытталады. USALS қолданатын моторлы спутниктік тарелкалар бір спутник табылғаннан және оған бағытталғаннан кейін, одан әрі шоқжұлдыздағы басқа спутниктерді де анықтай алады. Қазіргі уақытта сатылатын қабылдағыштардың көпшілігі USALS және DiSEqC 1.0 және 1.2 стандарттарымен үйлесімді.

Көп спутникті

Кез келген стандартты өлшемдегі антенна, антеннаны қайта бағыттамай, бірнеше түрлі спутниктік позициялардан бір уақытта сигнал қабылдауға мүмкіндік береді, бұл үшін қосымша LNB немесе арнайы екі, үш немесе төрт шығырлы моноблокты LNB пайдаланылады. Дегенмен, кейбір конструкциялар антеннаны қайта бағыттамай бірнеше спутниктен сигнал қабылдауды тиімдірек оңтайландырады. Тік ось өстік емес, қисайған параболалық-гиперболалық Кассегренды шағылыстырғыш ретінде, ал көлденең ось қисайған дөңес Кассегрен ретінде жұмыс істейді. Басты антеннадан келетін сигнал екіншілік антенна бетімен жылжиды, бұл қисықтығын өзгерту арқылы астигматизмді түзетуге көмектеседі. Бастапқы антеннаның эллипстік тесігі мүйіздерден келетін деформацияланған сигналға сәйкес келеді. Екі есе көп сигналдың төгілуіне байланысты, мұндай конструкция үлкен антенналар үшін тиімді. Спутниктер арасында ауысу спутниктік жүйеге қосылған DiSEqC коммутаторларын немесе екі немесе моноблокты LNB-лерге енгізілген DiSEqC коммутаторларын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Қазіргі уақытта сатылатын көптеген қабылдағыштар кем дегенде DiSEqC 1.0 стандартымен үйлесімді, ол пайдаланушы қашықтан басқару пульті арқылы арналарды ауыстырғанда 4 спутник арасында автоматты түрде ауыса алады (барлық заманауи моноблокты LNB-лер). DiSEqC 1.1 каскадты коммутаторлар арқылы 16 немесе одан да көп спутниктік позициялар арасында автоматты түрде ауысуға мүмкіндік береді. Мотормен басқарылатын антенналар берілген антеннаның мөлшері үшін жақсырақ оңтайлы фокус беруді қамтамасыз етеді; LNB әрқашан тарату спутнигімен дәл орталықта орналасады, бірақ DiSEqC коммутаторлары физикалық қозғалыс қажет болмағандықтан DiSEqC моторларынан жылдам.

VSAT

Тағамның кең таралған түрі – өте кішкентай апертуралық терминал (VSAT). Ол жеке тұлғалар мен ұйымдардың жеке желілері үшін екі бағытты спутниктік интернет байланысын қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта VSAT-тың көпшілігі C жолағында жұмыс істейді, бірақ бұл әлемнің сирек қоныстанған аймақтарымен шектелген. 2005 жылы тарелке өндірушілер жоғары жиілікте жұмыс істейтін жаңа спутниктерге көшуді бастады, олар төмен құнмен жоғары өнімділік ұсынады. Бұл антенналар көбінесе қолданылатын салаларға байланысты түрленеді, бірақ C жолағындағы VSAT-тар көлемі шамамен .

Үйге дайындалған тағамдар

Кез келген металл беті, шағылысқан микротолқындардың маңызды бөлігін бір нүктеде шоғырландыра алса, төменгі күшпен табақ антенна ретінде қолданылуы мүмкін. Осының нәтижесінде, қоқыс жәшіктерінің қақпақтары, қуыру қазандары және басқа да заттар "табақтар" ретінде пайдаланылып келеді. Тек қазіргі заманғы аз шулы LNB-лер және тікелей спутниктік теледидар (DTH) спутниктерінің жоғары қуаты ғана мұндай тиімсіз қолдан жасалған антенналардан пайдалы сигналды қабылдауға мүмкіндік береді.