МНОГОЛУЧЕВЫМИ антеннами (МЛА) называют антенны с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности (ДН) для краткости называемая «ЛУЧОМ». Да, мы в предыдущих мини-лекциях рассматривали антенны типа: одна антенна, — один луч. Теперь надо привыкать к новому понятию, одна антенна и много-много лучей! И самое главное совсем независимых друг от друга! Получается, что по-старинке много-много радиостанций, а антенна одна. Вот только не совсем такая к какой мы привыкли?! Для чего же такие антенны нужны?
Вот только не говорите, что впервые слышите про мобильники и сотовую связь, спутниковую связь и телевидение. Про военные штучки-дрючки я уже и не говорю... И если про мобилы и спец-связи через спутники нас как-то не очень колыхает, а вот TV?! И даже если Вы не причём, то всё равно как-то нервирует пропадание сигналов цифрового... Думаю нам достаточно вникнуть в TV-проблемы, а остальные плюс-минус такие же! Хотим мы или нет, но про эти, чёртовы спутники поговорить придётся... С детства Вы уже привыкли, что разговор про спутники и орбиты, это разговор об одном и том же.
Итак! Орбиты бывают следующие: ПОЛЯРНЫЕ, НАКЛОННЫЕ и ЭКВАТОРИАЛЬНЫЕ (ГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ). Кроме геостационарных остальные бывают низкоорбитальные и наоборот высокоорбитальные. ПОЛЯРНЫЕ, это орбиты плоскость которых проходят не только (как и у всех) через центр земного шара, но и через оба полюса земли. Стало быть полярные мотаются под углом к плоскости экватора 90°. НАКЛОННЫЕ как раз под острым углом в 63° с высотой апогея равной 40000 км. и перигея в 500 км. То бишь орбиты эллиптические (не путайте с эпилепсией?!). Для круглосуточной связи нужны как минимум три спутника. Мало того, нужно чтобы на приёмной стороне антенны крутили своей башкой непрерывно, следя за пролётом спутника! Такая система (гражданская, для TV) была под названием «ОРБИТА»! Как у нас в Рассее заведено, сначала забросили, а потом всё разрушили... Всё это в полной мере существовало до тех пор пока не появилась возможность использовать экваториальную или как с удовольствием её называют ГЕОСТАЦИОНАРНУЮ орбиту! Точнее техническую сторону как на земле, так и на спутнике! Особенность такой орбиты в том, что спутник несущийся как «самашедший» в направлении вращения земли и имеющий одну и ту же угловую скорость... Ну, да он как бы висит над одной (подспутниковой) (ПТ) точкой экватора на высоте 36000 км. Точнее на 35785 км.. Нет не все в куче над одной, а каждый над своей! Этих спутников развелось как блох на паршивой собаке! :-)) Ну, дык?! Утром деньги, — вечером стулья! Ведь TV, это лишь малая толика всей этой затеи!
Если раньше не каждый крутой житель планеты мог иметь приёмную станцию «ОРБИТЫ», то теперь, этих тарелок... А, что же с этими, низкоорбитальными? Их используют конечно же в мирных целях всякие МКС и толерантные спутники-«шпиёны»! Куды ж без них?! С кем поведёшься от того и пандемия, мать яя?! Кто бы сомневался?!
А, что собственно спутник делает? В смысле кроме того, что мотаются по орбите? Он, спутник, РЕТРАНСЛЯТОР, своего рода релейная линия! Линия включающая в себя наземную станцию (передающую информацию). Пункт приёма, обработки на спутнике и передающую часть направляющую нужную информацию в нужную сторону! На земле же как повезёт?! То ли местные телецентры транслируют нам со спутника на наши родные каналы, либо мы сами посредством спутникового приёмника и личной тарелки. Либо коллективной, варианты разные...
Начнём разговор с земной, более простой части. Зеркальная, апертурная антенна придумывалась как одна антенна-один луч. Параболическое зеркало, а в фокусе приёмная антенна (облучатель). Дальше-больше! Сместив облучатель в сторону уже не нужно было направлять тарелку на спутник и тем более подстраиваться под него тарелкой. Аналогично перевести на другую позицию, другого спутника. Следующим шагом стало применение от двух облучателей и более с перевода на теперь уже приёма нескольких спутников. Получается, что одна тарелка (как антенна) имеет несколько ДН (лучей), то есть она является МНОГОЛУЧЕВОЙ! Вот на рис.4 она и есть! Два облучателя-две ДН, а антенна двухлучевая. Несколько сложнее, для большего числа облучателей. Там применяют второе, отражающее зеркало. Облучатели же смотрят со стороны тарелки. Но это сути не меняет. Тем же тёмным делом занята и сферическая линза Люнеберга. Схема с тремя облучателями на рис.9, а на рис.10, на пять облучателей, во всей красе. Вот только есть два нюанса... Размер шара должен соизмерим с размером аналогичной тарелки. И второй, установка несколько сложнее чем простой тарелки!
Особый интерес представляет собой антенная решётка. Либо линейная несколько излучателей в линию рис.5 либо двухмерная, плоская. Если подать сигнал одновременно на все излучатели синфазно то мы получим острую (почти) ДН. Луч направленный перпендикулярно линии излучателей либо плоскости решётки. Но луч при всём, будет только один! А, если подать на каждый излучатель через фазовращатель (задержку), фазовый фронт до этого был параллельно плоскости излучателей... Теперь же он может быть повёрнут под неким углом как на рис.5. При всём сама антенна-решётка будет неподвижной. Если более хотчее манипулировать фазами излучателей то с помощью двухмерной решётки можно создать многолучевую антенну. Устройство занимающаяся этим грязным делом называется ДИАГРАММООБРАЗУЮЩАЯ СИСТЕМА (ДОС). Вот такую загагулину на пять каналов-лучей Вы и видите на рис.8. Для простоты восприятия она изображена линейной. К сожалению такая антенна неэффективна и используется в основном на приём.
Наконец-то мы добрались до передающей стороны спутника. Более сложной и мерзопакостной во всех смыслах! И? И нам придётся узнать о некоторых понятиях? Нет не бандитских, а вполне простых, житейских.
1) Зона видимости спутника. Часть поверхности земли с которой спутник «виден» под углом места (угол между направлением на спутник и плоскости земли) больше чем условно взятый, скажем в 5°. Здесь и далее будем иметь ввиду «висящий» на геостационарной орбите. Для бродячих спутников это понятие сужается до мгновенной зоны! В том смысле, что она меняется при движении.
2) Зона покрытия. В этой зоне обеспечиваются энергетические соотношения для нормальной работы линии связи. А с точки зрения TV, уверенный приём, естественно с оговорками... Если станции связи могут находиться в каких-то определённых местах, то TV-приёмники могут находиться в любой точке зоны покрытия.
3) Зона обслуживания. В этой зоне кроме энергетических условий должны выполняться кроме прочего качество сигнала. Это соотношение сигнал-шум, уровень помех и не только посторонних, но зависящих в том числе от передающей стороны. В соответствие с выше сказанном, зона обслуживания всегда меньше зоны покрытия.
В общем виде Вы это и видите на рис.7, где ПТ — подспутниковая точка. Так ещё если со спутника опустить отвес то под действия сил притяжения земли отвес упрётся в эту точку на экваторе. ИСЗ — Искусственный Спутник Земли. Зона покрытия вовсе не обязательно должна иметь такой красивый вид?! Скорее наоборот. Вот на рис.1 Зона покрытия одного из европейских спутников (может «Hot Bird»?) правда что-то подозрительно приглажено всё это? Цифорки на изолиниях типа 53dBW показывают уровень сигнала. Чем дальше изолиния от Европы, тем сигнал слабее. А, нам-то, что с этого неграмотным? А, нам другие цифры дают, это диаметр (размер) тарелки при которым на этой изолинии возможен уверенный приём телефигни! На рис.2 красивенькая зона покрытия спутника «Intelsat 33e» луч (U34). Позиция 60.0°E c центром в Закавказье (Грузии?). Здесь 1 — диаметр тарелки 30см. 7 — 45см. Остальнные цифры, — промежуточные диаметры.
Ну, вот! Орбитально-спутниковый ликбез окончен и теперь самая мерзопакостная часть... Основная задача антенны спутника создать зону покрытия и не простую (от балды), а нужной конфигурации. Если нужно покрыть только Францию, то зачем распыляться на всю Европу? Или только Европу, то Украина и иже с ней каким боком? Вот и вся суть проблемы! Осталось понять как? Вырезать ножницами из тарелки кусок по форме Франции? Или как? Пока более понятны два варианта. Первый и второй!
Первый вариант! Есть такое понятие как КОНТУРНЫЕ ЗОНЫ (обслуживания, покрытия). Под контурными понимают конфигурацию зоны отличную от КРУГА. Стало быть и антенны должны иметь ДН (диаграмму направленности) которая бы формировала такие «неформатные» зоны. Такой антенной является зеркальная антенна! Но! Не простая и даже не золотая, а с изменённым профилем. Та же (с виду) тарелка, но вот с изуродованым гипербалоидом. Как? Вся тарелка (после тщательных расчётов) подвергается изменениям внешнего вида. Так ещё, для каждой зоны она (тарелка) имеет свой вид. Это когда тарелка разбивается на зоны где каждая отличается от гипербалоидной поверхности. Либо выше, либо ниже относительно поверхности того, истинного гипербалоида. На рис.8а такую Вы и видите. Нулевая зона это и есть часть истинного гипербалоида. Остальные (условно по яркостной шкале). Белый, возвышение на +5 +++ миллиметров. Самая чёрная (внизу) до -30 миллиметров. Вроде бы ещё и сама тарелка не совсем круглая. Но?! Это только для конкретной зоны покрытия!!! Для других, — другая! В реальности, делается массивная заготовка, матрица. И по ней штампуют саму, уже более тонкую тарелку. Тарелка облучается одним рупором и имеет один луч «освещающий» землю определённой формы пятном. В нашем случае в виде рогалика?! :-))
Здесь нужно учитывать тот момент, что антенна находится на очень коротком поводке, геостационарной орбиты. Вдобавок земля имеет форму чемодана с округлыми сторонами. И чем дальше на север (для наших широт), тем более вытянутой по сравнению с южной широтой. Вот как пример на рис.2 зона покрытия луча U34 спутника «Intelsat 33e». Если Вы думаете, что на земле за зоной обслуживания стоят заборы от известной заборостроительной фирмы, то Вы глубоко ошибаетесь. Просто в зоне гарантируются энергетические параметры, а за пределами, — как карта ляжет! И если для договора с заказчиками связи всё должно выполняться по высшему классу,то? То с телевидением более либерально! Мол вот Вам зонная нарезка и крутитесь как хотите?! Что мы и наблюдаем на так называемых картах зон покрытия. каждой нарезке соответствует свой диаметр тарелки. И чем дальше от «эпицентра», тем больше диаметр. Знакомые жители Европы (центра) в шутку говорили, что им стоит небольшую тарелку на руке выставить в форточку и всё! Смотри — не хочу?! Мы (на северо-западе) только с тарелкой в 1,5 метра! Ну, дык?!
Второй вариант! Наверняка Вы видели вышивку крестиком или бисером?! Кто-то занимался всем этим или даже занимается. Существуют так называемые ДИДАКТИЧЕСКИЕ (поучающие) детские игры. В них детям предлагается собрать какие-то фигуры или как бы рисунки из мелких частей в виде круга или шестигранника. Вот такими играми и заняты конструктора антенн с контурными ДН, что и предопределяет контура зон! Аналогично диаграмма составляется из отдельных парциальных диаграмм излучателей. Либо собирают из элементарных излучателей ту нужную конфигурацию антенны (как в играх) в виде кластера, либо собирается из более мелких кластеров. Излучение может быть как непосредственно, так и с использованием зеркал. На рис.3а пример мозаики из излучателей в виде трёхэлементного кластера. А почему пронумеровано? Потому-как излучатели с одной частотой излучения никак не могут между собой «ужиться»... Номер это отдельная частота, а излучатели с одной и той же частотой (номером) не соприкасаются! Плюс ко всему разделение существует и по поляризации: линейная разнополюсная и вращающаяся с разным направлением.
А как же нам разобраться со всеми этими прибамбасами? Ведь получается что в одном участке зоны одни условия, а в другом другие? А, что делать тем кто находится на линии соприкосновения? Посмотрите на рис.3 Эти следы-зоны оставляет спутник «Express AMU 1». Правда я считаю, что художник-чертёжник не всё правильно отобразил?! Зоны не соприкасаются, а перекрещиваются друг с другом. В зоне перекрещивания у нас есть выбор (частота и поляризация). Но по воле чертёжника есть места с непонятным выбором?! Но если учесть, что каждый луч всё-таки распыляется и в том числе сама зона, то такая чёткая картинка только в головах конструкторов!!! Вот на рис.2 Вы можете показать границу зоны? Нет, она расползается по поверхности. Да, есть граница по энергетике, а для нас обывателей нет. Подумаешь, а мы присобачим другую тарелку побольше! :-)) Другой вариант на рис.6 с перемежающимися семью лучами. Для лучшего восприятия подкрашены как лучи, так и сами тарелки! Это трёхзеркальная многолучевая антенна спутника «Экспресс-АМ6». Здесь зона покрытия близкая к круговой.
И под занавес, о применении многолучевых антенн в так называемой сотовой связи. Основная задача антенн состоит из в общем виде: обеспечения круговой (вокруг антенны) зоны покрытия и? И создание в этой зоне одинаковой напряжённости поля. А это можно осуществить, применяя косекансную ДН, диаграмму направленности. Так, на рис.5а показано как с помощью восьми излучателей сформирована косекансная ДН в вертикальной плоскости. Жёлтым подсвечена расчётная, идеальная косекансная ДН. А, на рис.5b восьми антеннами ДН в горизонтальной плоскости. Конечно это не единственный метод, но тема же наша именно про МНОГОЛУЧЕВЫЕ АНТЕННЫ! Если Вы ещё не забыли? То, что на рисунке лишь частный случай, а сколько их всего я не знаю?! Так как в этой сотовой я не работал и плюс ко всему мобильника у меня как не было, так и нет! Раз в месяц если и пользуюсь, и то чужим!..
P. S. Спутниковой тарелки и плюс остального, тоже... :-)))))