Satellietantennes
Weliswaar in beknopte vorm, wordt hier eens wat dieper ingegaan op de verschillende hoedanigheden van een antenne-type dat men (nog) niet dagelijks tegenkomt, namelijk voor satelliet-ontvangst. Iets uitgebreidere aandacht wordt besteed aan de pas ontwikkelde zogenaamde 'Vokurka-antenne', die reeds in december '77 in de rubriek selektuur even aan de orde kwam.
Vooral de laatste jaren gaat de satellietkommunikatie steeds meer aan betekenis winnen. Omdat er in de zeer nabije toekomst ook TV-satellieten zullen verschijnen, zal het voor velen zo langzamerhand interessant gaan worden om te weten hoe men deze uitzendingen kan ontvangen. Daar de voor satellietkommunikatie gebruikte frekwenties o.a. in het gebied rond 4 GHz (!) liggen, zal het duidelijk zijn dat het geen simpele zaak is om hiervoor een effektieve antenne te konstrueren.
Eigenschappen van satellietantennes
Belangrijke eigenschappen van satellietantennes zijn de antenneversterking G, die de sterkte van het ontvangen signaal mede bepaalt, en de ruistemperatuur T, die mede bepalend is voor de sterkte van de (storende) ruis. De verhouding tussen het ontvangen signaal en de ruis is bepalend voor de haalbare ontvangstkwaliteit.
Voor wat betreft de versterking gaat men uit van een antenne die uit alle richtingen even sterk ontvangt (of een veld uitzendt dat in alle richtingen even sterk is), een zogenaamde isotrope antenne. Een dergelijke antenne heeft per definitie een versterking van 0 dB. De isotrope antenne dient dan ook vaak als referentie-antenne waarop de winst van de andere antennes (t.g.v. de richtingswerking) gebaseerd is. Zo heeft bijvoorbeeld een dipool een winst (versterking of gain) van 2,15 dB (1,64 maal) t.o.v. de istrope antenne. In het algemeen geldt: hoe hoger de versterking, des te groter de afmetingen van de antenne. Niet alleen is een grotere antenne duurder, maar ook worden er hogere eisen aan de antenne-besturing en de mechanische konstruktie gesteld.
Voor satelliet-antennes moet de antenneversterking uiteraard voldoende zijn teneinde een akseptabele signaal/ ruis-verhouding te kunnen bereiken. In verband hiermee zal ook vaak een ruis-arme voorversterker gebruikt moeten worden. De kosten van deze voorversterker stijgen echter zeer progressief met de te leveren prestaties, zodat er een optimum bestaat tussen de afmetingen van de antenne en de te gebruiken voorversterker.
Behalve het signaal dat de antenne ontvangt, ontstaat er aan de uitgangsklemmen ook ruis. Is de antenne op de 'warme' aarde gericht, dan mist deze antenne evenveel als een (ohmse) weerstand, die dezelfde temperatuur als de 'warme' aarde bezit. Het ruis-vermogen van een weerstand is evenredig met de absolute temperatuur T (in kelvin). Als de temperatuur van de aarde 20°C is (20 + 273 = 293 kelvin), zegt men dat de ruistemperatuur van de hierop gerichte antenne 293 kelvin bedraagt.
Een satelliet-antenne is echter niet op de aarde gericht, maar op het heelal dat een temperatuur van nagenoeg 0 kelvin bezit. Een ideale satelliet-antenne heeft in zo'n geval dus een ruistemperatuur van 0 kelvin, hetgeen betekent dat er geen ruisspanning aanwezig is. In de praktijk heeft een satelliet-antenne echter geen ideale richtwerking en 'ziet' dus toch stiekem (hoewel zwakker) de 'warme' aarde, waardoor de ruistemperatuur hoger is dan 0 kelvin (bijv. 100 K) en er wel sprake is van een ruisspanning.
Resumerend kunnen we stellen dat een satelliet-antenne een hoge versterking G en een lage ruis-temperatuur T moet hebben. De kwaliteit van de antenne kunnen we uitdrukken in de G/T-verhouding (hoe groter de verhouding G/T, des te beter de antenne).
In voorgaande tekst kwam het begrip 'richtingswerking' al ter sprake. De richtingswerking van een antenne is in figuur 1 m.b.v. een antenne-diagram geïllustreerd. Dit diagram bestaat uit een hoofdlus en enige zijlussen. De zijlussen dienen zo klein mogelijk te zijn om storing en interferentie te voorkomen met aardse verbindingen of andere satellieten. Zoals reeds aangehaald is, hangt ook de 'antenne-temperatuur' van dit zijlus-nivo af. Tenslotte is een hoge polarisatieontkoppeling van belang. Dit is een nieuwe techniek om effektiever gebruik te maken van de toegewezen frekwenties door op een frekwentie zowel te zenden als te ontvangen met twee onderling loodrechte polarisatierichtingen (bijv, horizontaal en vertikaal). Om kommunikatie op deze manier mogelijk te maken moet de polarisatiescheiding minstens 30 dB bedragen.
Figuur 1. Dit diagram toont de richtingswerking van een satelliet-antenne. De zijlussen (2) dienen zo klein mogelijk te zijn t.o.v. de hoofdlus (1).
Antennetypen
Veel gebruikte antennes zijn die van het reflektortype, waarvan de parabolische reflektor wel de bekendste is. In principe bundelt de reflektor de hoogfrekwent energie in een punt (of lijn) waar zich dan de eigenlijke antenne (ook vaak 'belichter' genoemd) bevindt. In de figuren 2, 3, 6 en 7 zijn enkele reflektor-antennes geschetst, namelijk de front-fed-parabool, de cassegrainparabool, de short-back-fire en de corner-reflektor. De twee eerst genoemde antennes worden het meest bij professionele satellietontvangst gebruikt.
De cassegrain-antenne heeft de gunstigste (laagste) antennetemperatuur omdat de belichter zijn overstraling uit de richting van het koude heelal ontvangt (zie figuur 3). Een nadeel van deze antenne is de schaduwwerking van de hulpreflektor. Dit kan voorkomen worden door slechts een deel van het parabool-oppervlak te gebruiken en de belichter zodanig te plaatsen dat het totale reflektoroppervlak benut wordt; dit zijn de zogenaamde offset-typen. Ook bij de front-fed-parabool kent men het offset-type. De figuren 4 en 5 tonen een schets van deze offset-parabolen. Amateurs die satellietsignalen willen ontvangen, staan voor grote problemen van mechanische aard die het maken van een nauwkeurig en glad parabolisch oppervlak met zich meebrengt. Zo veroorzaakt een oppervlakteoneffenheid van 2 mm bij een parabool voor 4 GHz al een versterkingsverlies van 1 dB (11%)! De short-back-fire en de corner-reflektor (zie figuur 6 en 7) bieden hier een voordeel omdat de reflekterende oppervlakken plat zijn en dus nauwkeuriger gemaakt kunnen worden. Het nadeel is echter dat de antenne-versterking beperkt is; het groter maken van het oppervlak levert niet die verhoging van de versterking op die men met parabolen kan bereiken. De short-back-fire geeft een maximale winst van ca. 13 dB bij een reflektordiameter van 2 λ (bij 4 GHz bedraagt de golflengte λ = 1/f × v = 8,3 cm). Een grotere reflektor heeft alleen zin als men het aantal dipolen ook vergroot. Hierbij ontstaan echter problemen bij het onderling koppelen van verschillende dipolen (zie literatuurverw.). De maximale versterking van de corner-reflektor is beperkt tot ca. 15 dB, terwijl de mechanische konstruktie wat eenvoudiger is dan de shortback-fire-antenne. Beide antenne-typen laten echter te wensen over wat betreft de G/T-verhouding, zijlusnivo en/of kruispolarisatie-ontkoppeling.
Toelichting bij de figuren 2 t/m 5:
1 = belichter
2 = hoofdreflektor
3 = hulpreflektor
4 = gewenste straling
5 = schaduwgebied
6 = ongewenste straling
Figuur 2. De front-fed-parabool; een professionele satellietantenne. Nadelen van deze antenne zijn de schaduwwerking van de belichter en de vrij hoge antennetemperatuur. Hier komt nog bij dat een parabolische reflektor moeilijk door een doehetzelver gemaakt kan worden.
Figuur 3. Een eveneens professionele antenne is de hier weergegeven cassegrain-antenne. T.o.v. de front-fed-parabool is de antenne-temperatuur lager maar de schaduwwerking (van de hulpreflektor) hoger.
Figuur 4. De offset-front-fed-parabool kent door een andere opstelling van de belichter geen schaduwwerking.
Figuur 5. Ook de cassegrain-antenne kan tot een offset-type omgebouwd worden.
Figuur 6. Het zij- (6a) en het vooraanzicht (6b) van de short-back-fire-antenne. De reflekterende oppervlakken van dit antenne-type zijn eenvoudig te konstrueren. De antenneversterking is helaas beperkt.
Figuur 7. Het zij- (7a) en het vooraanzicht (7b) van de corner-reflektor-antenne. De konstruktie van de antenne is eenvoudiger dan die van de short-back-fire. Ook deze antenne laat wat versterking betreft te wensen over.
Toelichting bij de figuren 6 t/m 8:
1 = belichter
2 = hoofdreflektor
3 = hulpreflektor
4 = gewenste straling
5 = schaduwgebied
6 = ongewenste straling
De Vokurka-antenne
Satelliet-antennes verkreeg men voorheen steeds door bestaande antennes zo goed mogelijk aan te passen aan de eisen die voor satellietkommunikatie gelden. Vácklav Vokurka echter ontwierp geheel nieuwe satelliet-antennes. In zijn proefschrift (zie literatuurverw.) beschrijft hij reflektor-antennes die op het eerste gezicht aan alle eerder genoemde voorwaarden voldoen. (Op al zijn antenne-ontwerpen is patent aangevraagd.)
Als reflektor wordt bij de Vokurkaantenne gebruik gemaakt van een parabolische cylinder (zoals de vorm van een sneeuwschuiver), waardoor het elektromagnetische veld gebundeld wordt tot een brandlijn (i.p.v. een brandpunt bij de normale parabool-antenne). Op deze brandlijn kan een belichter geplaatst worden. Als belichter zou een golfpijp dienst kunnen doen waarbij in de zijkant een gleuf is aangebracht.
Een tweede (hulp)reflektor kan eventueel het veld konvergeren, zodat een puntvormige belichter (bijv. het open eind van een golfpijp) gebruikt kan worden (zie figuur 8a).
Figuur 8. Twee Vokurka-antennes; een met twee (8a) en een met vier reflektors (8b). Niet alleen zijn de reflektors van deze antennes betrekkelijk eenvoudig door de amateur te konstrueren en kan door afscherming de antennetemperatuur verlaagd worden, maar ook kent dit antenne-type geen schaduwwerking.
Het antennesysteem is geschikt voor offset-toepassingen en de stralenbundel vanuit de belichter kan volledig afgeschermd worden met metalen platen (wave-guide-type), zodat alleen de hoofdreflektor 'belicht' wordt. Verder behandelt Vokurka in zijn proefschrift een antenne met 4 reflektors (zie figuur 8b).
De cylindrische reflektors van de Vokurka-antenne zijn betrekkelijk eenvoudig te konstrueren met een grote oppervlakte-nauwkeurigheid (effenheid). Een probleem vormt de belichter. Het uiteindelijk antenne-diagram is namelijk sterk afhankelijk van het stralingsdiagram van de belichter. In de antennesystemen van Vokurka worden gegroefde hoorns gebruikt die het voordeel hebben dat ze berekend kunnen worden, waarbij de praktijk goed overeenkomt met de teorie. Het maken van gegroefde hoorns is echter geen sinecure. Voor 'amateur-toepassingen' kunnen eventueel ook andere belichters gebruikt worden, bijvoorbeeld gladde hoorns. Omdat gladde hoorns ingewikkelde berekeningen opleveren, is hiermee nog niet geëxperimenteerd.
Uit het proefschrift kan de konklusie getrokken worden, dat de Vokurkaantenne weleens de antenne voor satellietkommunikatie zou kunnen worden. Ook voor amateur-toepassingen schijnt deze antenne interessant te zijn, omdat de reflektors betrekkelijk eenvoudig gekonstrueerd kunnen worden. Het wachten is alleen nog op een eenvoudige belichter (de eigenlijke antenne die de gebundelde straling omzet in elektrisch vermogen), die aan de gestelde eisen voldoet. Hopenlijk wordt deze belichter niet de 'bottle neck' voor de amateurs.
Figuur 9. Op deze kaart zijn de ontvangstgebieden voor verschillende OTS-antennes aangegeven. Helaas is de OTS (Orbital Test Satelite: een TV-test-satelliet, die vorig jaar gelanceerd werd) in zee gestort.
Figuur 10. Een voorbeeld van een cassegrainparabool-antenne (doorsnede 17 m). De antenne maakt deel uit van het OTS-grondstation te Fucino (Italië).
Figuur 11. Een front-fed-parabool-antenne, zoals op deze foto (doorsnede ca. 1,5 m), levert voldoende versterking om een TV-satelliet te ontvangen, maar is moeilijk door amateurs te vervaardigen. De 'sinterklaasstaf' dient om de belichter op de juiste plaats te brengen en om het signaal af (of toe) te voeren.
Literatuurverwijzing
- Proefschrift: Feeds and reflector antennas for shaped beams (Vdcklav Vokurka, TH-Eindhoven)
- The Antenna Engineering Handbook (H. Jasik, uitg. McGraw-Hill, New York)
- Antenna Handbook (uitg. ARRL, Newington, CT.06111, U.S.A.)
- Das Antennenbuch (K. Rothammel, uitg. Franckische Verlagshandlung, Stuttgart)