Рис. 31
По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора, MF2 = FK2 + MK2. В то же время FK = х – р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х – р/2)2 + у2 = (х + р/2)2. Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:
у2 = 2рх, или у = (2рх)0,5.
По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?
Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное) расстояние. Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 31б). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A + B = C + D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 31в).
Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, то есть расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.
Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной, и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм – всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.
Спутниковая антенна – единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный. Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй – офсетными. Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 32 а и 32б соответственно.
Офсетная антенна представляет собой вырезанный сегмент параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Такое устройство антенны устраняет затенение ее полезной площади облучателем и его опорами, что приводит к существенному повышению ее коэффициента полезного использования по сравнению с осесимметричной антенной при одинаковой площади их зеркал. К тому же облучатель офсетных антенн установлен ниже их центра тяжести, что увеличивает тем самым ее устойчивость при ветровых нагрузках.
Именно такая конструкция антенны является наиболее популярной для индивидуального приема спутниковых телепередач, хотя нередко используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.
Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.
Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.
Основные параметры . Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (TΣ) на входе приемного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/TΣ (коэффициент шумовой добротности приемного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру ТΣ = Ty + Tmp + Tа. Здесь Ту – шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Ту ~ 40-60К); Тmp – шумовая температура СВЧ-тракта, соединяющего антенну с малошумящим усилителем; Та – эквивалентная антенная шумовая температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/TΣ, при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tmp и Та. Уменьшение Tmp достигают, помещая МШУ как можно ближе к облучателю, то есть сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом – системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.