Cik tas ir svarīgi: Satelītantenu apstarotāju īpatnības

Mūsdienās mikroviļņu konvertoriem trokšņu koeficients (NF) praktiski ir vienāds, bet daudzi nezina, ka plaši izmantotie "ofseta" (angliski "offset") antenu universālie Ku diapazona konvertori konstruktīvi tomēr nedaudz atšķiras, kaut gan vizuāli tie liekas vienādi. Tāpēc, piemēram, ar vienu un to pašu "galvu" uztvertais signāls no mazāka diametra paraboliskās antenas var izrādīties pat stiprāks, nekā no lielākas. Te gan nav nekādas mistikas - antenām vienkārši ir dažāda attiecība F/D (antenas fokusa attāluma attiecība pret diametru). Tieši tāpēc LNB apstarotāju konstrukcijas nav vienādas, un tas pareizai salāgošanai ir ļoti svarīgi. Apstarotājs - tā ir vāji vērsta antena, kas novietota paraboliskā atstarotāja fokusā, lai antenas uztverto enerģiju pa viļņvadu novadītu uz mikroviļņu konvertora ieeju. Problēma slēpjas unifikācijā, jeb atsevišķu LNB mezglu apvienošanā sistēmā - monoblokā. Nav vairs daudz izvēles iespēju.


Mūsdienu universālā LNB ieejas daļas konstrukcija

"Ofseta" antenām, ko pie mums vairumā gadījumu arī tirgo, attiecība F/D parasti ir robežās no 0,6 - 0,8. Tāpēc pārdošanā var atrast divu dažādu veidu LNB - antenām ar F/D = 0,6 - 0,7 un F/D = 0,7 - 0,8. Savukārt tiešā fokusa paraboliskajām antenām parasti F/D = 0,3 - 0,5 un, tad apstarotājs ir jāpiemeklē jau konkrētai attiecībai F/D. Pat ja to neņem vērā, kaut kāda bilde regulēšanas procesa beigās ekrānā parasti parādās, bet ne vienmēr tiek iegūts labākais rezultāts. Šeit ir svarīgi saprast, ka maksimālo uztveršanas kvalitāti var sasniegt tikai tad, ja antenas fokusa attālums  sakrīt ar apstarotāja atvēruma leņķi. Pretējā gadījumā uztvertais signāls var pat pilnībā pazust!
Attiecības F/D ietekme uz apstarotāja ģeometriskajiem parametriem

Sākumā, analogās satelītu televīzijas laikos, kad LNB trokšņu koeficienti vēl nebija tik mazi kā tagad, šī bija būtiska lieta. Var teikt, ka ciparu televīzija ienesa daudz lielākas pielaides pat tehniski nozīmīgos sīkumos - labs attēls taču ir uzreiz, ko tur vēl lieki nopūlēties ar apstarotāju konstrukciju? Gan mikroviļņu tehnika, gan elektrodinamika kā tāda ir diezgan sarežģīta padarīšana, bet tiem, kam interesē, mēģināšu ko pastāstīt. 
Pirmais no jēdzieniem, kas būtu jāpatur prātā ir, ka antena vispārējā gadījumā ir apvēršama iekārta. Tas nozīmē, ka zinot raidošās antenas parametrus tādi būs arī uztverošajai antenai un otrādi. Elektromagnētiskā lauka sadalījums telpā ap antenu ir atkarīgs no attāluma līdz antenai. Tuvajā zonā vai tā sauktajā Releja zonā jauda ap starotāju ir kompleksa, kas norāda, ka daļa no šīs jaudas atbilst enerģijas svārstībām starp antenu un apkārtējo vidi. Tikai daļa no šīs enerģijas tiek izstarota apkārtējā telpā. Starojumu Releja zonā tuvināti var novērtēt ar ģeometriskās optikas metodēm, kaut arī šeit ir daudzas ar reaktīvās jaudas svārstībām saistītas parādības, kuras labāk apraksta garo līniju teorija. Tālajā zonā vai tā sauktajā Fraunhofera zonā praktiski ir tikai aktīvā jauda, kura elektromagnētiskā viļņa veidā izplatās apkārtējā telpā. Paraboliskajām antenām apstarotāju konstrukciju izvēlas ņemot vērā vajadzīgo elektromagnētiskā lauka amplitūdas un fāzes izkliedi. Ja apstarotājs tiek novietots parabolas fokusā, tad elementārā starotāja izstarotais sfēriskais vilnis tiek pārveidots plakanā viļņu frontē antenas atvērumā. Šāda paralēla staru kūļa virziena diagramma optiskajā tuvinājumā ir bezgalīgi šaura, bet reāli tā kā parabolas izmēri ir salīdzināmi ar viļņa garumu un būs novērojamas difrakcijas parādības, tad virziena diagrammas platums ir galīgs. Reāli virziena diagrammu ietekmē lauka sadalījums parabolas atvērumā pēc fāzes un amplitūdas, kuru lielā mērā ietekmē parabolas izgatavošanas precizitāte, apstarotāja atrašanās fokusā un apstarotāja virziena diagramma. Amplitūdas nevienmērīgs sadalījums atvērumā parādās tādēļ, ka posmā no fokusa līdz spogulim vilnis ir sfērisks, kura intensitāte samazinās, bet posmā no spoguļa līdz atvēruma plaknei tas ir plakans (amplitūdu nemaina). Tādēļ, novirzoties no antenas ass, lauka intensitāte atvērumā samazinās. Antenas virziena diagramma ir viens no antenas galvenajiem raksturlielumiem, kas parāda relatīvo starojuma intensitāti dažādos telpas virzienos. Faktiski virziena diagramma ir 3 dimensiju vienādojums,  bet parasti tā tiek zīmēta plaknē, fiksējot vienu no diviem telpas leņķiem (Sīkāk ar to var iepazīties RTU ETF Elektrodinamikas un vektoru analīzes kursā pie doc. J. Semeņako).
Būtisks trūkums ir tas, ka klasiskajai paraboliskajai antenai apstarotājs aizēno antenas atvēruma plakni, kas samazina šī laukuma izmantošanas efektivitāti. Īpaši jūtams tas bija PSRS laiku 0,67 m diametra antenai "bērnu ragaviņas" - jo mazāka ir antena, jo izteiktāks ir efekts. Šo problēmu labi novērš "ofseta" (ar nobīdītu fokusu) antenas, jo apstarotājs tad tiek iznests ārpus atvēruma laukuma, bet tad, lai nodrošinātu vēlamo lauka sadalījumu antenas atvērumā, tiek noteiktas augstas tehniskās prasības. Lūk, tieši tāpēc, lai labāk nodrošinātu salāgošanu, pārdošanā ir pieejami universālie LNB ar divu dažādu tipu apstarotājiem. "Ofseta" antenu tips pašlaik ir visbiežāk sastopamais. Uztveršanai tiek izmantota tikai paraboliskās antenas daļa, jeb "izgriezums", kuram ir ovāls profils. Domāju, ka klasiskās, lielās paraboliskās antenas tuvākajos gados no māju jumtiem pazudīs vispār, tā labvēlīgi izmainot apkārtējās vides ainavu. Salīdzinot ar tāda paša diametra klasiskajām jeb tiešā fokusa paraboliskajām  antenām, laukuma izmantošanas koeficients "ofseta" antenām pieaug par 10 - 15%. Parastajā antenā daļa no stariem, kas tiek izstaroti paralēli antenas asij, atstarodamies no spoguļa, nonāk atpakaļ apstarotājā. Šo parazītisko efektu sauc par "spoguļa pretreakciju", kas izraisa stāvviļņa koeficienta palielināšanas konvertora ieejā, tātad pasliktina salāgošanu un uztveršanas kvalitāti. "Ofseta" antenai šādas "spoguļa pretrekcijas" nav. Kā "ofseta" antenu apstarotājs parasti tiek izmantots neliela izmēra rupors (koniskas vai speciālas vairāku pakāpju formas). Turklāt, ideālā gadījumā, tam ir jābūt ar tādu virziena diagrammu, kas "redz"  tikai pašu "izgriezumu", jeb daļu no paraboliskā spoguļa. Rupora virziena diagramma vienmēr būs šaurāka nekā atvērta viļņvada galam. Lūk, foto ar  liela diametra pamestu (nogriezti kabeļi) "ofseta" antenu Olaines centrā no 90. gadiem. Šai antenai izliekums ir minimāls - tā ir garā fokusa antena (līmētā) ar divām universālajām (Markoni tipa) "galvām". Līdzīgu LNB, kā pirmo universālo ar dažādu trokšņu koeficientu V un H polarizācijās, es  iegādājos Rīgā firmā ROBOTEK 1993 - 1994 gadā. Apstarotājs ar platu rupora atvērumu tiek izmantots dēļ šaurās vērsuma diagrammas - tas vislabāk nodrošina LNB salāgošanu ar šāda tipa antenu.





"Ofseta" antenas apstarotājs F/D = 0,8 


Labākais 90. gados nopērkamais "ofseta" antenu apstarotājs F/D = 0,7 - 0,8 (no Didža Puča kolekcijas)

Lai paraboliskā antena nodrošinātu gan vajadzīgo pastiprinājuma koeficientu G, gan virziena diagrammas platumu un mazu blakus vāļu līmeni, spoguļa malām ir jāatdod ruporam par 10 - 12 dB mazāka jauda, nekā centram. Pēc amplitūdas iznāk, ka spoguļa malā elektromagnētiskā lauka amplitūdai ir jābūt trīs reizes mazākai nekā centrā. Ja rupora virziena diagramma ir šaurāka nekā nepieciešams konkrētajā gadījumā, tad efektīvi netiek izmantots viss antenas atvēruma laukums. Par piemērotu virziena diagrammu var uzskatīt tādu, kuras galvenās vāles platums 8 - 10 dB līmenī ir vienāds ar leņķi pie kura no fokusa punkta F ir redzamas spoguļa malas. Kombināciju: gandrīz plakans "šķīvis" (ar ļoti garu fokusa attālumu) un apstarotājs ar pārāk platu virziena diagrammu, var raksturot ar jūtamu enerģijas uztveršanu aiz spoguļa malām, kas noved pie blakus vālēm virziena diagrammā un trokšņu temperatūras pieaugumu. Tipiskākā kļūda satelītu televīzijas pirmsākumos bija tāda, ka bieži īsa fokusa (Padomju armijas, 4 GHz radioreleju līniju) antenām entuziasti centās pielietot apstarotāju -  atvērtu viļņvada galu ar koncentriskiem gredzeniem, kas paredzēts garāka fokusa antenām ar F/D = 0,35 - 0,37 un pat vairāk (tipiski lielumi F/D bija 0,4 - 0,5). Otra izplatīta kļūda bija vēlmē apstarotāju no fokusa punkta F vēl vairāk iznest uz āru, lai nodrošinātu lielāku reflektora atvēruma laukuma izmantošanu. Ne pie kā laba tas gan nenoveda, jo visa enerģija vienalga koncentrējās fokusa rajonā! Pilnībā savākt uztvertā signāla enerģiju no īsa fokusa paraboliskā reflektora tādā veidā nevar. Turklāt, ja apstarotāju iznes ārā no fokusa punkta F par 2 - 3 cm (apmēram viļņa garums), tad antenas galvenā virziena diagrammas vāle paplašinās apmēram 2 - 3 reizes un it kā sadalās divās daļās, bet pastiprinājums attiecīgi samazinās par 2 - 3  dB. Pirmajā tuvinājumā var uzskatīt, ka ar antenas fokusu F vajag savietot apstarotāja fāzes centru, kas atrodas apaļajā viļņvadā 5 - 7 mm dziļumā (ne ruporā ar kuru viļņvads varbūt arī beidzas, bet tieši viļņvadā). 



Firmas LATSAT tiešā fokusa alumīnija paraboliskā antena ar  Markoni tipa konvertoru no 90. gadiem Rīgā, Citadeles ielā

Firmas ROBOTEK antenu piedāvājums Latvijā 1992. gada septembrī. F/D = 0,3 - 0,4

Manā praksē ir bijušas arī tādas antenas, kurām apstarotāju es nelietoju vispār, jo iegūt vēl platāku virziena diagrammu, kāda piemīt atvērtam viļņvada galam, vienkārši nav iespējams. Protams, runa šeit neiet par divu spoguļu antenu sistēmām, kuras bieži izmanto tikai profesionāļi. Interesanti piezīmēt, ka divu spoguļu antenu ar hiperbolisko kontrreflektoru pirmais kā teleskopu pielietoja Kasegrēns 1672. gadā. Tā bija sistēma gaismas staru savākšanai no tāliem kosmiskiem objektiem. Nedaudz agrāk, 1663. gadā Gregorijs jau piedāvāja divu spoguļu teleskopu ar pamata parabolisko reflektoru un elipses veida kontreflektoru. Pēc Gregorija shēmas tagad tiek būvētas tikai garā fokusa divu spoguļu antenu sistēmas, kas turklāt prasa daudz lielākas kontrreflektora izgatavošanas un uzstādīšanas precizitātes nekā Kasegrēna tipa antenas. Abiem šiem antenu tipiem apstarotājs ir vērsts uz debess pusi nevis zemi, tāpēc trokšņu temperatūra divu spoguļu antenu sistēmām ir mazāka nekā viena ar tādu pašu pastiprinājuma koeficientu, kas labvēlīgi ietekmē LNB ieejā attiecību signāls - troksnis. Būtībā tā jau ir atsevišķa tēma, kas daudziem vienkārši nav saistoša. Vēl tikai gribu piebilst, ka pareizi noregulēt divu spoguļu lielu antenu sistēmu ir ļoti grūts un sarežģīts inženiertehniskais uzdevums. Diez vai pie mums atradīsies daudz tādu speciālistu, kas spēs to labi izdarīt...

Gregorija tipa satelītantena ar elipses veida kontrreflektoru  Rīgas centrā


Dažāda veida (klasiskās tiešā fokusa un "ofseta") satelītantenas pie Latvijas Televīzijas augstceltnes Rīgā, Zaķusalā

Viss šeit aprakstītais 
nav tikai "teorētiski prātojumi". Es 90. gados "līdz nelabumam" eksperimentēju ar dažādām gan klasiskajām, gan "ofseta"  antenām un to apstarotājiem, neko daudz tad vēl nezinot par mikroviļņu tehniku. Kaut kāda skaidrība, man radās tikai vēlāk, studējot tehnisko literatūru un cenšoties saprast kā labāk salāgot LNB ar antenām. Jā, tas reiz bija ļoti svarīgi, jo cīņa notika burtiski par katru trokšņu koeficienta 0,1 dB daļu. Jūs taču piekritīsiet, ka arī tagad ir labi, ja viss strādā tā kā vajag, vai ne?  
Tātad, kā pareizi izvēlēties apstarotāju paraboliskajai antenai? 
Pirmkārt, ja nav zināms antenas fokusa attālums, to var viegli noteikt pēc formulas, kur D - spoguļa diametrs, h - spoguļa dziļums: 

F=D2/16h


Ja attiecība F/D = 0,4 - 0,5, tad speciāls apstarotājs vispār nav vajadzīgs. Šim nolūkam var vienkārši izmantot atvērta viļņvada galu, kam ir visplatākā virziena diagramma. Es reiz pielāgoju šim nolūkam parastu universālo "ofseta" antenas LNB (par pāris eiro) - nozāģēju tam nost ieejas rupora veida daļu un iznāca gan lēti, gan labi. Pirkt atsevišķi speciālu klasisko tiešā fokusa antenas "galvu" un viļņvadu iznāk krietni dārgāk, īpaši tagad, kad visi uzstāda "ofseta" antenas. Tomēr ne vienmēr tas der, jo viļņvada diametrs ietekmē arī tā virziena diagrammu - jo diametrs ir mazāks, jo platāka iznāk šī diagramma. Antenām ar F/D = 0,45 - 0,5 Ku diapazonam izmanto 20 - 22 mm diametra viļņvadu, bet ja F/D = 0,37 - 0,42, tad piemērots būs 17 - 19 mm diametra viļņvads. Faktiski tā ir robeža. Vēl mazāku izmantot vairs nevar, jo tas būs aiz frekvenču diapazona 10,7 - 12,75 GHz robežas. 
Otrkārt, antenu ir jācenšās nopirkt komplektā ar konvertoru, tātad ar apstarotāju. Runa šeit iet par rūpnīcas piedāvājumu. Ir vēl tie varianti, par kuriem jau rakstīju sākumā: divu veidu LNB - antenām ar F/D = 0,6 - 0,7 un F/D = 0,7 - 0,8.


"Ofseta" antenu apstarotāji F/D = 0,6 - 0,7 


Klasisko parabolisko antenu apstarotāji F/D = 0,3 - 0,4 un LNB stiprinājums (no Didža Puča kolekcijas)

Apstarotājs - polarizators no analogās satelītu televīzijas pirmsākumiem. Pagriežot viļņvada pāreju par 90° (ar fiksāciju), mainās polarizācijas plakne. Konvertoru pieskrūvē pie apaļā viļņvada.



Nesen ceļu pie manis atrada vecs kompānijas Famaval (Portugāle) "ofseta" antenas spogulis Famaval LH 80 (Golden Interstar) bez konvertora stiprinājuma. Kāds talkas dienā to bija vienkārši izlicis izmešanai ārā. Formu spogulis nav zaudējis, virsmas stāvoklis ir samērā labs, cinkots un pārklāts ar speciālu laku. Atradu arī tehniskos parametrus: nobīdes jeb "ofseta lenķis" ir 23°; F = 521; materiāls - 0,7 mm tērauds; spoguļa iekšējais (darba) diametrs - 795x730; F/D = 0,64; laukuma izmantošanas efektivitāte - 71% (labs rādītājs); pastiprinājums - 36,7 dB (10,7 GHz), 37,5 dB (11,7 GHz), 38,3 dB (12,7 GHz). Protams, ja varētu atgriezties atpakaļ 90. gados, tad es tam uztaisītu gan "galvas" stiprinājumu, gan kronšteinu aizmugurē, tomēr tagad jautājums ir vairāk teorētisks (jaunu antenu droši vien var nopirkt lētāk). Kaut arī fokusa attālums šai antenai ir zināms (521 mm), kā lai atrod to punktu, pret kuru tad vērst LNB apstarotāju? Tieši šo jautājumu komentāros uzdod arī Rimants... Sameklēju labu un vecu publikāciju (pat pēc zīmējumiem viss ātri vien kļūst skaidrs) - varbūt šis jautājums interesē vēl kādu entuziastu.

"Ofseta"antenas spogulis bez LNB stiprinājuma


Komentāri

  1. Labdien! Ļoti interesants blogs. Paldies autoram.
    Gribu precizēt par divspoguļu antenu (tā laikam atrodas Cēsu ielā). Mazais spogulis tai ir elipsoīda formas, tādējādi, antenas sistēma nav Kasegrēna tipa bet gan Gregorian tipa.

    AtbildētDzēst
  2. Paldies, Rimant, par komentāru! Savu kļūdu izlaboju. Ir svarīgi, lai tehniskā informācija, kuras jau tā latviešu valodā internetā ir salīdzinoši maz, vienmēr būtu precīza un korekta. Vienmēr esmu gatavs uzklausīt ierosinājumus un labot neprecizitātes.

    AtbildētDzēst
    Atbildes
    1. Man tāda antena ir, tāpēc arī pamanīju neprecizitāti. Man patīk Kasagrēna un Gregorija antenas un esmu savācis 4 šādu antenu variācijas: Kasagrēna ofseta un tiešā fokusa, Gregorija ofseta un tiešā fokusa. Bet vēl man būtu jautājums par F/D rēķināšanu: Ofseta antenas gadījumā, D ir skaidrs, horizontālais izmērs, bet kas tiek uzskatīts par F? No antenas fokusa punkta līdz kurienei tas tiek mērīts?

      Dzēst
  3. Labs jautājums. Svarīgi saprast, ka ofseta antenai punkts uz kuru ir vērsts apstarotājs nav tik kritiski svarīgs kā klasiskajai simetriskajai parabolai. Parasti pārdošanā esošajām ofseta antenām apstarotāja atrašanās vieta jau ir noorientēta attiecībā pret spoguli. Ja tas tā nav, tad fokusu var noteikt. Patiesībā tas ir tīri matemātisks uzdevums. Sava raksta beigās pievienoju kāda ukraiņu radioamatiera materiālu no žurnāla "РадioAmatoр" 1993 gada 3/4 numura krievu valodā. Manuprāt pat pēc zīmējumiem var ļoti labi saprast kā atrast F ofseta antenai. Ja rodas vēl kādi jautājumi, tad plašāk tos var mēģināt risināt forumā:
    https://boot.ritakafija.lv/forums/index.php?/topic/170359-satel%C4%ABtu-v%C4%93sture/

    AtbildētDzēst
  4. Es tā dzirdēju, ka ofseta antenas gadījumā par F tiek uzskatīts nevis attālums no antenas fokusa līdz paraboloīda centram, bet attālums no antenas fokusa līdz punktam uz antenas virsmas uz kuru tiek tēmēta galviņa. Un šis attālums tiek saukts "efektīvais fokusa attālums" un, savukārt, ja šo attālumu dalīt ar antenas diametru (horizontālais izmērs) tad iegūsim F/D-ekvivalentu.

    AtbildētDzēst
  5. Rakstā minētā antena mainījusi saimnieku un arī maina atrašanās vietu [url=https://ibb.co/hmYtzVp][img]https://i.ibb.co/hmYtzVp/IMG-20191124-152324-Large.jpg[/img][/url]

    AtbildētDzēst

Ierakstīt komentāru

Šī emuāra populārākās ziņas

Satelītu televīzijas pionieri. Voldemārs Ketners: Pasaules iekarošana

WALKET: 1991. gada barikāžu laiks un pirmā Latvijas privātā TV Ogrē

Satelītu novietojums ģeostacionārajā orbītā