Спутниковые антенны: история и развитие

Введение

Тип параболической антенны

Спутниковая тарелка – это параболическая антенна дискообразной формы, предназначенная для приема или передачи информации посредством радиоволн со спутника связи или на него. Чаще всего под этим термином понимают тарелку, принимающую сигналы прямого вещания со спутников на геостационарной орбите.

История

Параболические антенны, называемые "тарелками", использовались задолго до появления спутникового телевидения. Термин "спутниковая тарелка" появился в 1978 году, в начале развития индустрии спутникового телевидения, и стал обозначать антенны, принимающие и/или передающие сигналы от спутников связи. Тейлор Говард из Сан-Андреаса, Калифорния, в 1976 году переоборудовал бывшую в употреблении военную антенну и стал первым человеком, принявшим с её помощью сигнал спутникового телевидения. Первые спутниковые тарелки были предназначены для приема аналогового сигнала в C-диапазоне и имели очень большие размеры. На обложке рождественского каталога Neiman Marcus 1979 года впервые были представлены домашние спутниковые телестанции для продажи. Диаметр этих тарелок составлял почти 6 метров. Спутниковые антенны начала 1980-х годов изготавливались из стекловолокна со встроенным слоем металлической сетки или алюминиевой фольги, либо из цельного алюминия или стали. Антенны из металлической сетки впервые появились в начале 1980-х годов и изначально имели диаметр 3 метра. По мере совершенствования технологий и снижения коэффициента шума LNB их размер уменьшился до 2 метров через несколько лет, и продолжал сокращаться до 2 метров к концу 1980-х и до 1 метра к началу 1990-х годов. Однако антенны большего размера продолжали использоваться. В начале 1990-х годов четыре крупные американские кабельные компании основали PrimeStar – компанию, осуществляющую прямое вещание со спутников средней мощности. Относительно сильный сигнал Ku-диапазона впервые позволил использовать антенны диаметром всего 90 см. Это была первая широко распространенная система спутникового телевидения с прямым вещанием, позволявшая использовать антенны диаметром до 51 см. Такое значительное уменьшение размеров антенн также позволило устанавливать их на транспортные средства. Антенны такого размера используются и сегодня. Тем не менее, телеканалы по-прежнему предпочитают передавать сигнал в аналоговом C-диапазоне, используя большие антенны, поскольку сигнал C-диапазона менее подвержен затуханию во время дождя, чем сигнал Ku-диапазона.

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.

Принцип действия

Параболическая форма антенны отражает сигнал в фокус антенны. В фокусе антенны, на кронштейнах, установлен прибор, называемый волноводным горном излучателем (или просто горном излучателем). Этот излучатель, по сути, является передней частью волновода, который собирает сигналы в фокусе или вблизи него и "направляет" их в малошумящий блок преобразования (LNB). LNB преобразует сигналы из электромагнитных или радиоволн в электрические сигналы и сдвигает частоту сигналов из спутниковых диапазонов C и/или Ku в диапазон L. Для прямой трансляции спутниковых сигналов используется LNBF, который объединяет в себе волноводный горн и LNB. В 2004 году Университет Ватерлоо представил новую форму всенаправленной спутниковой антенны, которая не использует направленную параболическую антенну и может быть установлена на мобильной платформе, например, на транспортном средстве. Теоретический коэффициент усиления (директивный коэффициент усиления) антенны увеличивается с ростом частоты. Фактический коэффициент усиления зависит от множества факторов, включая качество поверхности, точность формы и согласование с волноводным горном. Типичное значение для потребительской спутниковой антенны диаметром 60 см на частоте 11,75 ГГц составляет 37,50 дБ. При использовании более низких частот, например, в диапазоне C, конструкторы антенн имеют более широкий выбор материалов. Большой размер антенны, необходимый для низких частот, привел к тому, что антенны стали изготавливать из металлической сетки на металлическом каркасе. При более высоких частотах конструкции с металлической сеткой встречаются реже, хотя некоторые антенны имеют цельную тарелку с перфорацией. Распространенное заблуждение заключается в том, что LNBF (малошумящий блок/горн), устройство на передней части антенны, принимает сигнал непосредственно из атмосферы. Например, в одном из сюжетов BBC News показано, как "красный сигнал" принимается LNBF напрямую, вместо того чтобы быть направленным на антенну, которая благодаря своей параболической форме собирает сигнал в меньшую область и передает его в LNBF. Современные антенны, предназначенные для домашнего телевидения, обычно имеют диаметр от 43 см (18 дюймов) до 80 см (31 дюйм) и фиксируются в одном положении для приема сигнала Ku-диапазона с одной орбитальной позиции. До появления услуг прямого спутникового вещания домашние пользователи обычно использовали моторизованные антенны C-диапазона диаметром до 3 м для приема каналов с разных спутников. Однако слишком маленькие антенны все еще могут создавать проблемы, такие как затухание сигнала во время дождя и помехи от соседних спутников.

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.

Европа

В Европе частоты, используемые службами DBS, составляют 10,7–12,75 ГГц на двух поляризациях H (горизонтальная) и V (вертикальная). Этот диапазон разделен на "низкий диапазон" с частотами 10,7–11,7 ГГц и "высокий диапазон" с частотами 11,7–12,75 ГГц. Это приводит к образованию двух частотных полос, каждая из которых имеет полосу пропускания около 1 ГГц и две возможные поляризации. В LNB эти частоты преобразуются в диапазон 950–2150 МГц, который выделен для спутникового телевидения и передается по коаксиальному кабелю между LNBF и приемником. Более низкие частоты используются для кабельного и эфирного телевидения, FM-радио и т.д. Только одна из этих частотных полос может быть передана по коаксиальному кабелю, поэтому для каждой полосы требуется отдельный кабель от LNBF к коммутационной матрице, либо приемник должен последовательно выбирать одну из четырех возможных конфигураций.

Конструкция систем

В жилой установке с одним приемником используется один коаксиальный кабель, идущий от ресивера в здании к LNB на спутниковой антенне. Электропитание LNB постоянным током осуществляется по тем же проводникам коаксиального кабеля, которые передают сигнал на ресивер. Кроме того, сигналы управления также передаются от ресивера к LNB по этому кабелю. Ресивер использует различные напряжения питания (13 / 18 В) для выбора вертикальной / горизонтальной поляризации антенны, а также включающий/выключающий пилотный тон (22 кГц) для переключения LNB между двумя частотными диапазонами. В более крупных установках каждому диапазону и поляризации соответствует отдельный кабель, поэтому от LNB к коммутационной матрице ("мультисвитчу") идет 4 кабеля. Это позволяет подключать несколько ресиверов к мультисвитчу по звездной топологии, используя тот же метод передачи сигналов, что и в установке с одним ресивером.

Спутниковый поисковик

Спутниковый искатель (или сат-финдер) – это прибор для измерения силы сигнала со спутника, используемый для точной ориентации спутниковых антенн на спутники связи, находящиеся на геостационарной орбите. Профессиональные спутниковые искатели обеспечивают более точную настройку антенны и предоставляют значения параметров принимаемого сигнала.

Моторная тарелка

Антенна, установленная на столбе и приводимая в движение шаговым двигателем или сервоприводом, может управляться и вращаться для наведения на любую спутниковую позицию в небе. Существует три конкурирующих стандарта: DiSEqC, USALS и позиционеры на 36 В. Многие ресиверы поддерживают все эти стандарты. Антенны с моторизованным приводом выпускаются в различных размерах, но для приема сигналов от удаленных спутников, предназначенных для обслуживания других регионов, требуется антенна диаметром не менее 10 метров. С DiSEqC и USALS спутниковая антенна автоматически наводится на один из шестнадцати ранее запрограммированных спутников при нажатии одной из кнопок канала на пульте дистанционного управления. Моторизованные спутниковые антенны, использующие USALS, могут обнаруживать другие спутники в группировке после того, как один из них найден и на него наведено. Большинство ресиверов, продаваемых в настоящее время, совместимы с USALS и DiSEqC 1.0 и 1.2.

Многоспутниковый

Каждая антенна стандартного размера позволяет одновременно принимать сигналы с нескольких различных спутниковых позиций без изменения её положения, просто добавив дополнительные LNB или используя специальные LNB Duo, тройные или четверные LNB-моноблоки. Однако некоторые конструкции значительно эффективнее оптимизируют одновременный приём с нескольких спутниковых позиций без перестановки антенны. Вертикальная ось функционирует как смещенный конический параболический-гиперболический рефлектор Кассегрена, а горизонтальная – как конический выпуклый рефлектор Кассегрена. Фокусное пятно от основной антенны перемещается по вторичному зеркалу, которое корректирует астигматизм благодаря своей изменяющейся кривизне. Эллиптическая апертура первичного зеркала спроектирована для соответствия деформированному освещению от рупоров. В связи с двойным перекрытием, такая конструкция более целесообразна для антенн большого диаметра. Переключение между спутниками возможно с помощью коммутаторов DiSEqC, добавленных к спутниковой установке, или встроенных в Duo LNB или Monoblock LNB. Большинство современных ресиверов совместимы как минимум с DiSEqC 1.0, который может автоматически переключаться между 4 спутниками (все современные Monoblock LNB) при смене каналов с помощью пульта дистанционного управления. DiSEqC 1.1 позволяет автоматически переключаться между 16 и более спутниковыми позициями (через каскадные коммутаторы). Антенны с моторизованным приводом обеспечивают более оптимальную фокусировку для заданного размера антенны; LNB всегда находится в центральном выравнивании с вещательным спутником, но коммутаторы DiSEqC быстрее моторизованных антенн DiSEqC, поскольку не требуют физического перемещения.

VSAT

Общим типом антенны является терминал с очень малой апертурой (VSAT). Он обеспечивает двустороннюю спутниковую интернет-связь как для частных лиц, так и для корпоративных сетей. В настоящее время большинство VSAT работают в C-диапазоне, который ограничен менее населенными регионами мира. В 2005 году производители антенн начали переходить на новые спутники, работающие на более высоких частотах, обеспечивая более высокую производительность при меньших затратах. Эти антенны варьируются от в большинстве применений, хотя VSAT в C-диапазоне могут достигать размера .

Домашние блюда

Любая металлическая поверхность, способная сфокусировать значительную часть отраженных микроволн, может быть использована в качестве параболической антенны с более низким коэффициентом усиления. Это привело к тому, что крышки мусорных баков, воки и другие подобные предметы стали использоваться в качестве антенн. Только современные малошумящие LNB и более высокая мощность передачи спутников DTH позволяют принимать полезный сигнал от таких неэффективных самодельных антенн.