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
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. |
|
 |
| Рис. 1.21. |
Линейная 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).
 |
| 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.
 |
| 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).
 |
| 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. |
|
 |
| 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.
 |
| 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. |
|
 |
| 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).
 |
| 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) |
б)
 |
| 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.
 |
| 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
