РадиоЛоцман - Все об электронике

Устройство и схемотехника спутникового приемного комплекта. Часть 3 - Поляризатор и деполяризатор

Глава 1 из книги C. Л. Корякина-Черняка «Справочник по ремонту и настройке спутникового оборудования»

Продолжение

Начало читайте здесь:

Часть 1. Общая структурная схема комплекта. Отражатели антенн для спутникового телеприема

Часть 2. СВЧ тракт спутниковой антенны. Облучатель

Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства

1.5. Поляризатор и деполяризатор

Поляризация электромагнитных волн

  Примечание.
Для более эффективного использования частотного диапазона несущие волны передаются в поляризованном виде. Это позволяет удвоить число передаваемых программ.

Различают два вида поляризации электромагнитных волн:

  • линейную поляризацию, в результате которой образуются плоские вертикальные и горизонтальные волны (рис. 1.21);
  • круговую поляризацию, в результате которой образуются круговые правые и левые волны (рис. 1.22).
  Внимание.
При настройке на частоту интересующего канала надо одновременно выставить и нужную поляризацию. На европейских спутниках, в основном, используется линейная поляризация, а на российских – исключительно круговая.
Линейная поляризация сигнала
Рис. 1.21. Линейная поляризация сигнала
Круговая поляризация сигнала
Рис. 1.22. Круговая поляризация сигнала

Можно сказать, что в конвертере имеется две антенны, каждая из которых принимает сигнал только одно поляризации: либо вертикальную, либо горизонтальную (рис. 1.23).

Устройство антенного блока конвертера
Рис. 1.23. Устройство антенного блока конвертера
  Примечание.
Поляризация сигнала, который передается со спутника, строго параллельна (Н) или перпендикулярна (V) поверхности Земли только на долготе самого спутника.

Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена относительно ее поверхности.

  Правило.
Чем дальше долгота точки приема находится от долготы спутника, тем этот угол наклона больше.

В соответствии с этим поляризатор размешается под большим или меньшим углом к поверхности Земли. Причины необходимости подстройки конвертера в зависимости от географического положения приемной антенны показаны на рис. 1.24.

Влияние географического положения приемной антенны и спутника
Рис. 1.24. Влияние географического положения приемной антенны и спутника
  Примечание.
При настройке на частоту интересующего канала надо одновременно выставить и нужную поляризацию.

Особенности выбора вещателем поляризации

  Примечание.

Если внимательно посмотреть на таблицы спутниковых каналов, окажется:

  • большинство транспондеров Ku-диапазона имеют линейную поляризацию (горизонтальную или вертикальную);
  • большинство транспондеров C-диапазона имеют круговую поляризацию.

Может последовать логичный вопрос: есть ли конкретная причина, почему поляризации были распределены таким образом? Причина на самом деле существует. Но необходимо сказать пару слов о поляризации в целом, и вспомнить школьный курс физики.

Электромагнитная волна состоит из электрической и магнитной составляющих. Они всегда возникают одновременно. Вектор электрического поля перпендикулярен вектору поля магнитного, и оба они перпендикулярны направлению распространения волны (рис. 1.25).

Проекция электромагнитной волны
Рис. 1.25. Проекция электромагнитной волны

Если между электрическим и магнитным векторами не существует сдвига фазы, то это линейная поляризация. Вертикальной или горизонтальной она называется в зависимости от ориентации электрического вектора по отношению к плоскости экватора.

  Примечание.
Если сдвиг составляет ±90°, то речь идет о круговой поляризации.

Сдвиг на 90° (положительный или отрицательный) означает, что когда электрическое поле достигает максимума, магнитное поле равно нулю, или наоборот.

  Примечание.
Если сдвиг фазы имеет иные значения (не 0/180° и не ±90°), то это круговая поляризация.

В зависимости от знака перед 90°, поляризация будет правой круговой или левой круговой.

Исходя из вышеизложенного материала, напрашивается простой вывод: намного проще выпустить качественный конвертер для линейной поляризации, чем для круговой поляризации.

  Примечание.
Именно поэтому большинство конвертеров Ku-диапазона выпускаются для приема линейной поляризации.

Одним из известных недостатков линейной поляризации можно назвать необходимость точной подстройки угла крепления конвертера в зависимости от географического местоположения приемной антенны. В случае с круговой поляризацией никакой подстройки конвертера не требуется – достаточно установить его в фокус антенны.

Менее известна, но гораздо более значима чувствительность сигналов с линейной поляризацией к ротации Фарадея, вызываемой магнитным полем Земли.

  Примечание.
Ротация электромагнитных векторов никак не затрагивает сигналы с круговой поляризацией.

Однако, эффект Фарадея значительно уменьшается с ростом частоты, и поэтому в отличие от C-диапазона, в Ku-диапазоне практически незаметен. Именно поэтому использование линейной поляризации в C-диапазоне можно назвать рискованным.

Значимость данного фактора возрастает многократно при необходимости обеспечить сигналом территории, находящиеся вблизи магнитных полюсов Земли. Вещатели выбирают сами, какую территорию они хотят покрыть своим сигналом.

  Примечание.
Если на искомой территории высока вероятность атмосферных осадков (дождя, снега), либо же она располагается в высоких широтах и сигналу предстоит более длинный путь сквозь облака, то их выбор, скорее всего, падет на C-диапазон.

Уже отмечалось, что C-диапазон менее чувствителен к осадкам, в отличие от Ku-диапазона. А поскольку, наоборот, C-диапазон более чувствителен к эффекту Фарадея, круговая поляризация представляется лучшим вариантом (по материалам статей с интересного сайта http://www.pskovsat.ru/).

Устройство и работа поляризатора

  Определение.
Поляризатор – элемент, устанавливаемый между облучателем и конвертером, который предназначен для выбора необходимого вида поляризации принимаемой радиоволны.
Соединение облучателя и поляризатора
Рис. 1.26. Соединение облучателя и поляризатора

Т. е. поляризатор является устройством, которое обеспечивает выбор необходимого вида поляризации принимаемой радиоволны (рис. 1.26).

При сборке производителю важно обеспечить герметичность соединения. Так, например, резиновые прокладки должны точно располагаться в металлических пазах и не иметь перекосов.

  Внимание.
Поляризатор пропускает к конвертеру волны только одной выбранной поляризации.

В ходе развития спутникового оборудования создавались различные поляризаторы, отличающиеся по принципу действия:

  • механические, в состав которых входили петлеподобный или штыревой проводник (элемент связи с электрическим трактом конвертера) и исполнительный механизм;
  • поляризаторы с магнитным управлением, которые позволяли плавно изменять плоскость поляризации;
  • электромеханические поляризаторы, в которых поляризационный зонд передвигался механизмом. Для управления этим механизмом к поляризатору посылалась последовательность импульсов, длина которых несла информацию о требуемом положении поляризатора.

Этап 1. Сначала рассмотрим механический поляризатор. В его состав входит элемент связи с электрическим трактом конвертера (петлеподобный или штыревой проводник) и исполнительный механизм (рис. 1.27). Элемент связи, как антенна, входит в электромагнитное поле волновода и преобразует его энергию в электрический ток.

Для того чтобы в элементе связи развивалась максимальная электродвижущая сила, которая в его проводнике создает наибольшее электрическое поле, необходимо придать зонду такое же положение, как и излучателю антенны на спутнике. Соответственно, приемная система должна отделять сигналы одной поляризации от другой и принимать их отдельно.

Структурная схема механического поляризатора
Рис. 1.27. Структурная схема механического поляризатора

В механических поляризаторах переход с одной поляризации на другую осуществляется повышением напряжения питания от 13 В (V поляризация) до 18 В (Н поляризация). Система с переключением позволяет получать два фиксированных значения поляризации, выбор которой происходит механическим перемещением – поворотом вокруг своей оси элемента связи с помощью шагового электродвигателя.

  Примечание.
Наличие подвижных элементов снижает надежность механического поляризатора.

Этап 2. Рассмотрим электромеханические поляризаторы. В них плоскость поляризации меняется с небольшим шагом дискретизации. Но из-за наличия движущихся частей электромеханические поляризаторы менее надежны, чем магнитные, которые будут рассмотрены далее. Кроме того, электромеханические поляризаторы требуют трех управляющих сигналов от ресивера, в то время как магнитным поляризаторам нужны только два управляющих сигнала.

Преимуществом же электромеханических поляризаторов перед магнитными являются несколько меньшие потери сигнала. Сейчас электромеханические поляризаторы используются в основном в С/Ku-роторах.

  Примечание.
Потребность в плавном изменении поляризации возникает в системах, предназначенных для приема с нескольких спутников. Основная причина состоит в том, что поляризованные сигналы передаются с некоторых спутников не в строго вертикальной и горизонтальной плоскостях, а под определенным углом.
  Пример.
В Западной Европе, где уровень спутниковых сигналов высок, для приема нескольких позиций используются системы с полярной антенной и универсальным конвертером. Антенна и принимающая головка в таких случаях выбираются так, чтобы компенсировать потери сигнала, возникающие в связи с несоответствием плоскостей сигнала и поляризатора.

Этап 3. Рассмотрим поляризатор с магнитным управлением (рис. 1.28). В нем выбор поляризации осуществляется изменением величины тока в катушке, намотанной на ферритовый сердечник.

Надежность такого поляризатора выше, так как отсутствуют подвижные механические детали. К тому же, поляризаторы с токовым управлением позволяют выполнять плавную подстройку поляризации.

  Примечание.
Поляризация сигнала, который передается со спутника, строго параллельна (Н) или перпендикулярна (V) поверхности Земли только на долготе самого спутника.
Принцип действия поляризатора с магнитным управлением
Рис. 1.28. Принцип действия поляризатора с магнитным управлением

Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена относительно ее поверхности.

  Правило.
Чем дальше долгота точки приема находится от долготы спутника, тем этот угол наклона больше. В соответствии с этим поляризатор размешается под большим или меньшим углом к поверхности Земли.

Подобная проблема возникает в том случае, если антенну устанавливают с позиционированием на несколько спутников. Для каждого ИСЗ угол наклона свой, поэтому и необходима плавная токовая подстройка поляризации. Для каждого спутника выбирают свое значение управляющего тока и угол наклона плоскости поляризации к горизонту.

Устройство и работа деполяризатора

  Определение.
Деполяризатор – это устройство, которое преобразует сигнал круговой поляризации в линейную.

На европейских спутниках в основном используется линейная поляризация, а на российских спутниках традиционно используется круговая поляризация. Поэтому возникает необходимость преобразования круговой поляризации в линейную. Для приема круговых волн перед поляризатором устанавливают деполяризатор.

Деполяризатор, преобразующий один вид поляризации поля в волноводе круглого сечения в другой, представлен на рис. 1.29. Это отрезок волновода, в котором имеются продольные неоднородности в виде диэлектрических пластин (материал тефлон или др.) и металлических стержней (Н или V).

Принцип действия деполяризатора
Рис. 1.29. Принцип действия деполяризатора
  Правило.
Если длина, параметры и конфигурации пластин или стержней подобраны таким образом, что на выходе устройства разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими вектора f равна 90° (3.14/2), то на выходе устройства вместо линейно поляризованного поля имеет место поле с круговой поляризацией.

Это и есть поляризатор 3.14/2. Если в такой поляризатор поступает поле с круговой поляризацией, то оно преобразуется в поле с линейной поляризацией. В зависимости от положения диэлектрической пластины и штырей в волноводе осуществляется преобразование круговой поляризации в вертикальную или горизонтальную. Так, деполяризатор преобразует круговую поляризацию в линейную.
Это устройство представляет собой пластину из тефлона, текстолита стеклотекстолита, фторопласта, стекла или другого диэлектрического материала. Устанавливают пластину в облучатель на определенном расстоянии от антенн конвертера, под углом 45 градусов между ними (рис. 1.30).

а)Конвертеры с установленным деполяризатором C-диапазона б)
Конвертеры с установленным деполяризатором Ku-диапазона
Рис. 1.30. Конвертеры с установленным деполяризатором:
a – C-диапазона; б – Ku-диапазона

Пластина может быть выполнена или из монолитного материала, или в виде решетки, вытравленной из фольгированного стеклотекстолита (рис. 1.31). Как утверждают разработчики этого изделия, благодаря такой форме и конструкции, увеличивается качество принимаемого сигнала (качество деполяризации сигнала) при приеме круговой поляризации сигналов С-диапазона.

Деполяризационная пластина для установки в конвертеры С-диапазона
Рис. 1.31. Деполяризационная пластина для установки в конвертеры С-диапазона
  Правило.
Фазовые скорости волн, у которых векторы f напряженности электрического поля параллельны или перпендикулярны пластинам или стержням, различны.
  Правило.
Если длина, параметры и конфигурации пластин или стержней подобраны таким образом, что на выходе устройства разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими вектора f равна 90° (3.14/2), то на выходе устройства вместо линейно поляризованного поля имеет место поле с круговой поляризацией.
  Совет.
Можно обойтись и без деполяризатора, если предстоит принимать передачи обоих видов в линейной поляризации с европейских спутников и в круговой – с «НТВ-Плюс» со спутника Eutelsat W4.

В этом случае будет иметь место проигрыш 3 дБ в уровне кругового сигнала, что соответствует увеличению требуемого диаметра антенны в 1.4 раза.


Из книги C. Л. Корякина-Черняка «Справочник по ремонту и настройке спутникового оборудования»

Продолжение читайте здесь

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя