Спутниковая антенна, также антенна спутниковой связи, спутниковая тарелка — антенна, используемая для приёма и/или передачи радиосигналов между земными станциями спутниковой связи и искусственными спутниками Земли, в более узком значении — антенна, используемая при организации связи между земными станциями с ретрансляцией через спутники. В спутниковой связи используются различные типы антенн, самый известный — зеркальные параболические антенны («спутниковые тарелки», ), массово применяемые в различных областях, от спутникового ТВ и сетей VSAT до центров космической связи. Активно развивается применение для спутниковой связи фазированных антенных решёток, позволяющих осуществлять скоростное наведение антенны на спутник исключительно электронными методами. Распространены слабонаправленные спутниковые антенны, не требующие никакого наведения, как внешние, так и встраиваемые в приемники сигналов спутниковой навигации, спутниковые телефоны и другое оборудование. В зависимости от назначения системы спутниковой связи могут применяться и другие типы антенн.
Применение антенн спутниковой связи В земных станциях спутниковой связи, в зависимости от назначения системы, применяются антенны различных типов. Выбор конкретного типа определяется диапазоном частот, в котором организуется связь, требуемым усилением антенной системы, а также ценовыми и эксплуатационными ограничениями (по размеру, весу, трудоемкости установки и использования).
Наиболее известная область применения спутниковых антенн — приём программ спутникового ТВ. По оценкам, к ним подключено более половины всех телевизоров. Для приёма широкополосных сигналов ТВ-вещания требуется достаточно высокое усиление антенны, поэтому применяются направленные зеркальные антенны, в просторечии именуемые «спутниковыми тарелками». В 1970—1980-е годы для приёма и передачи телевизионных сигналов в С-диапазоне использовались зеркальные антенны размером в метры и десятки метров, устанавливаемые на специальных станциях космической связи. Приемные станции советской системы «Экран», осуществлявшей с конца 1970-х до середины 2000-х годов непосредственное аналоговое ТВ-вещание в диапазоне дециметровых волн, оснащались сборками антенн типа волновой канал, также достаточно громоздкими и позволяли принимать только одну программу. К 1990-м, благодаря переходу в более высокочастотный Ku-диапазон и росту энергетики спутников, стало возможным использовать для приема спутникового вещания недорогие антенны небольшого размера, около 1 метра, а впоследствии и менее, и начался бурный рост домашних установок спутникового приёма. Головные станции кабельных сетей также оснащаются спутниковыми антеннами, обычно бо́льшего, чем для домашнего приёма, размера, чтобы обеспечить запас по усилению, а значит и надёжности приёма, в неблагоприятных условиях. Узлы распределительных спутниковых сетей, доставляющие сигнал в региональные телецентры, продолжают использовать С-диапазон, как более устойчивый к погодным условиям, и оборудованы антеннами размером в метры.
Еще одна область, где широко используются спутниковые тарелки — VSAT-станции (или малые земные станции спутниковой связи) систем широкополосной передачи данных, таких, как спутниковый интернет и ведомственные сети связи. Такие станции как принимают, так и передают радиосигналы и должны соответствовать требованиям регламента радиосвязи. Требования к их антеннам гораздо выше, чем к телевизионным «тарелкам», как по точности изготовления, так и по прочности конструкции и точности наведения. Антенны VSAT должны удерживать на себе не только приёмный конвертер, но и передающий блок, не создавать при передаче помех окружающим и другим спутниковым станциям и сохранять своё положение даже при сильной ветровой нагрузке. Станции VSAT не настолько распространены, как антенны спутникового ТВ, но применяются довольно широко и незаменимы во многих областях человеческой деятельности. Антенны первых станций VSAT, работавших в C-диапазоне, имели размер 2.5 метра. Современные малые станции диапазонов Ku и Ka оснащаются антеннами с типичными размерами от десятков сантиметров до полутора метров.
Направленные антенны должны быть максимально точно ориентированы в сторону космического аппарата, через который происходит работа. Для работы со спутниками на геостационарной орбите наведение антенны производится при её установке, для спутников на других орбитах, а также при работе в движении, требуется непрерывное сопровождение спутника антенной. Системы непрерывного удержания антенны в направлении спутника существенно усложняют и удорожают её конструкцию, поэтому большое внимание уделяется внедрению в спутниковую связь технологий фазированных антенных решёток, позволяющих сделать антенны более компактными и реализовать электронное управление наведением, без механического перемещения.
Во многих применениях мобильной спутниковой связи, таких как навигация, телефония, низкоскоростная передача данных, используются дешёвые слабонаправленные антенны, не требующие постоянного наведения на спутник. Такие антенны, например, входят в состав любого устройства с функциями приёма сигналов GPS/ГЛОНАСС.
Типы антенн земных станций спутниковой связи
Зеркальные антенны
Зеркальные антенны — наиболее распространённый тип направленных спутниковых антенн. Зеркальные антенны применяются в различных диапазонах спутниковой связи, от дециметровых волн до Ka-диапазона, и на различных типах станций — от систем индивидуального ТВ-приёма до центров космической связи. Зеркальные антенны большого размера применяются в центрах передачи сигналов спутникового вещания, на центральных станциях спутниковой связи, на магистральных высокоскоростных каналах.
Принцип действия Зеркало антенны (отражатель, рефлектор) собирает всю энергию попадающих на его площадь радиоволн в своём фокусе. Для того, чтобы в точке фокуса не возникало взаимного гашения приходящих в неё радиоволн, зеркало изготавливается в форме параболоида вращения, где радиоволны, отраженные от любой точки поверхности зеркала, достигают фокуса в одной фазе. Такие антенны называются параболоидными или, чаще, параболическими.
В точке фокуса устанавливается облучатель — небольшая дополнительная антенна, засвечивающая зеркало. Облучатель должен иметь диаграмму направленности, согласованную с размерами отражателя, поскольку если засвечивается не вся поверхность зеркала, усиление антенны не может достичь возможного максимума. С другой стороны, если направленность облучателя недостаточно узка, часть энергии излучается вхолостую, также снижая усиление антенны. Кроме того, возникают помехи окружающим устройствам при передаче, и увеличение уровня шума при приёме. При этом облучатель должен работать во всём диапазоне частот, для которого предназначена антенна. Собственно зеркальной антенной становится только согласованная система «зеркало+облучатель» в сборе. Для формирования нужной диаграммы облучателя используются рупоры, диэлектрические линзы, могут применяться и другие типы направленных антенн.
Ширина диаграммы направленности и усиление зеркальной антенны зависят от отношения её апертуры к длине волны, точности изготовления зеркала (отклонения должны быть на порядок меньше длины волны), коэффициента использования поверхности, зависящего от выбранной конструкции антенны и характеристик её облучателя, точности установки частей антенны (зеркала, облучателя, контррефлектора, если есть) относительно друг друга. Точка фокуса отражателя антенны не зависит от используемого диапазона частот, поэтому одно и то же зеркало может использоваться в различных диапазонах при установке на него различных облучателей и выполнения требований по точности изготовления для самого высокочастотного (коротковолнового) из используемых диапазонов. Чем в более высокочастотном диапазоне используется антенна, тем у́же её диаграмма направленности и выше усиление при одном и том же размере зеркала.
Конструкция Зеркало антенны изготавливается из электропроводящего материала (сталь, алюминиевые сплавы) с антикоррозионным покрытием. Для снижения ветровых нагрузок и уменьшения веса зеркала может использоваться металлическая сетка (при условии, что диаметр отверстий не превышает 0.1*λ, где λ — длина волны). По технологическим и экономическим соображениям зеркала могут изготавливаться из неметаллических материалов — композитов (углепластик, стеклопластик) или пластмасс. Если зеркало антенны изготавливается из непроводящего материала, в его структуру дополнительно вводится отражающая поверхность из металлической фольги, сетки, электропроводяшей краски.
Кроме рефлектора и облучателя, в состав антенны входит опорно-поворотное устройство, с помощью которого производится наведение антенны на спутник, ручное или моторизованное. Опорно-поворотное устройство обеспечивает стабильное положение антенны, которое не должно меняться под действием её веса и ветра со скоростью до 20-25 м/с, а разрушаться антенна не должна и при значительно бо́льших ветровых нагрузках. При работе в сложных климатических условиях на антенну может устанавливаться антиобледенительная система из установленных с обратной стороны зеркала нагревательных элементов или тепловых пушек.
Осесимметричные антенны Осесимметричные антенны имеют симметричное зеркало, фокус которого расположен на оси симметрии. У прямофокусной антенны () облучатель устанавливается в точке фокуса, перед зеркалом. Также используются двухзеркальные схемы, в которых на оси антенны устанавливается небольшое дополнительное зеркало-контррефлектор, а облучатель располагается со стороны зеркала в фокусе контррефлектора. Схемы с контррефлектором сложнее в расчёте, изготовлении и настройке, но позволяют уменьшить габариты антенны и упростить доступ к облучателю, снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности и шумовую температуру антенны, в некоторых случаях улучшить коэффициент использования поверхности. Облучатель или контррефлектор и его крепления затеняют часть зеркала антенны, что приводит к уменьшению эффективной апертуры. Поэтому осесимметричные схемы применяют в основном на достаточно больших (1,5 — 2 метра и более) антеннах, затеняемая площадь которых относительно невелика.
Осесимметричные схемы применяются также для антенн малого диаметра мобильных спутниковых станций. На таких антеннах часто используется двухзеркальная схема с кольцевым фокусом, формируемым рефлектором специальной формы. Такая схема сложна в расчёте и изготовлении, но она позволяет увеличить коэффициент использования поверхности, cделать антенну более компактной и упростить её сборку.
Офсетные антенны Офсетные антенны, или антенны со смещённым облучателем, получаются путём вырезки из параболического зеркала. Диаграмма направленности такой антенны смещена относительно оси её зеркала на угол, называемый углом офсета (или углом смещения). Офсетные антенны имеют несимметричную (овальную) форму и несколько вытянуты по вертикали, тем сильнее, чем больше угол офсета. Это объясняется тем, что зеркало антенны наклонено относительно направления на спутник и в то же время должно обеспечивать равномерную засветку поверхности облучателя. Как и осесимметричные, офсетные антенны могут быть выполнены по двухзеркальным схемам.
Основное преимущество офсетных антенн в том, что облучатель и элементы его крепления не перекрывают собой направление на спутник и не затеняют зеркало антенны, что позволяет увеличить коэффициент использования поверхности.