Почему так трудно настроить антенну?
Тот, кто сам настраивал полярную антенну классическим способом – "по солнцу" и спутникам, знает насколько трудна эта процедура для новичка. В форумах по спутниковому телевидению часто задаётся такой вопрос: «просидел весь день на крыше, но так и не настроил антенну – помогите». Существуют различные рекомендации по настройке таких антенн, но они весьма абстрактны с технической точки зрения. И с этим нельзя не согласиться. Все предлагаемые советы отражают лишь поверхностное описание неких общих принципов по проведению настроечных работ. А ведь приступая к настройке сложной механической системы, к которой можно отнести и полярный антенный комплекс, требуется как наличие чёткой инструкции, так и присутствие точных инструментов для настройки. Так, например, в схожей ситуации любителю астрономии, прежде чем начинать наблюдения в телескоп, также необходимо сначала осуществить его настройку. То есть, установить необходимый наклон полярной оси и совместить полярную плоскость с плоскостью, проходящей по линии север-юг в данной точке местности. Для этого любителю предложена чёткая инструкция и необходимый инструмент настройки – градусная шкала.

Продавая более сложный в настройке "полярный" антенный механизм, производители антенн лишили любителей "наблюдения" за спутниками как настроечных инструментов, так и чёткой инструкции.

Основные требования к конструкции антенны. Общее описание и сравнение двух способов настройки: общепринятого – по сигналам от спутников и технического – по виртуальным спутниковым позициям.

Начиная настройку "полярки" любым способом, необходимо запомнить простое правило – чем больший сектор обзора требуется установить на антенне, тем аккуратней должны быть собственные действия при производстве настроечных работ. Конструкция антенны должна также отвечать определённым техническим требованиям при любом способе настройки.

Обозначим их.

1. Так как весь антенный комплекс имеет немалый вес и большую парусность, необходимо уделить особое внимание тому, чтобы опора крепления антенны была прочно установлена. От качества этой установки зависит то, как долго антенна сможет точно отслеживать геостационарную дугу. Постоянное воздействие ветра на антенну может ослабить крепление опоры. Если труба немного сместится от строго вертикального положения, то одновременно с этим уменьшится сектор обзора антенны, или она вообще может перестать работать.

2. Поворотный механизм антенны должен иметь точные элементы сопряжения с так называемым стаканом крепления подвески к верхней опоре трубы. То есть , в момент установки стакана на вертикальную опору у антенной поворотной оси должен отсутствовать наклон в любую из сторон по линии запад-восток. Наклон этой оси при настройке должен осуществляться только по линии север-юг. При этом поворотная ось антенны должна находится в плоскости, которая проходит по-линии север-юг вертикально к центру Земли. В этом случае ось вращения Земли также окажется в этой плоскости. Примечание. Из-за того что поворотная ось антенны направлена на Полярную звезду, точно так же как и ось вращения Земли, ей дано название – полярная. Плоскость, проходящая через полярную ось антенны по линии север-юг к центру Земли, имеет идентичное название – полярная плоскость антенны.

3. На поворотной оси антенны должен отсутствовать радиальный люфт. Если сразу не устранить его, то качественно настроить такую антенну практически невозможно. Наличие люфта определить нетрудно. Для этого необходимо покачать эту ось из стороны в сторону радиально от центра к центру, предварительно отсоединив актуатор ( мотор ). Слабый стук укажет на наличие зазора между втулкой и полярной осью антенны.

4. Недопустима деформация и изогнутость краёв зеркала параболоида. Эти повреждения ведут к снижению усиления поступающего сигнала. Кроме того, наличие деформации на краях зеркала нарушит точность измерения углов места при настройке антенны техническим способом. Наличие искривления плоскости края зеркала – появление так называемой восьмёрки, легко проверить, если натянуть несколько нитей крест-накрест на края параболоида. Пересечение их в одной точке укажет, что зеркало не деформировано.

5. При любом способе настройки требуется правильно установить конвертер на антенне. При техническом способе ( её первый этап ), вместо направления антенны на спутниковый сигнал, используется её виртуальное направление на спутниковую позицию с применением градусной шкалы, которая в свою очередь согласована с направлением оптической оси параболоида. Ось облучателя конвертера, должна быть установлена максимально точно на линии оптической оси параболоида. Если же конвертер будет повёрнут чуть в бок по отношению к оптической оси, например, на один градус, то на такую же величину сместится максимум диаграммы направленности антенны. А это недопустимо! Технически антенна будет настроена правильно. Но во время второго этапа настройки полярная плоскость и линия север-юг будут совмещены с ошибкой. Произойдёт это потому, что при техническом способе настройки точное совмещение плоскостей производится с использованием конвертера и спутникового сигнала, а не тени от Солнца, как это делается при классическом способе. Неправильно установленный конвертер не позволит точно совместить полярную плоскость с линией север-юг. Из-за этого у антенны существенно уменьшится сектор обзора.
Другими словами, дуга, описываемая осью параболоида, не полностью совместится с геостационарной дугой, на которой располагаются спутники.
Возникшую ситуацию можно визуально представить как две полуокружности, горизонтально разнесённые чуть в стороны, одна из которых - отражение геостационарной дуги, а вторая – описываемая лучём парабола. Пока они в верхней части накладываются друг на друга, приём будет возможен. Но в местах, где эти полуокружности расходятся, диаграмма направленности антенны не сможет захватить сигнал от спутника.
Таким образом, ширина просматриваемого сектора обзора будет ограничена двумя точками расхождения ( рис. 1 ). Замечу, что из-за небрежного совмещения полярной плоскости антенны с линией север-юг, можно получить такую же ошибку, которая показана на рис. 1. Конвертер же здесь будет не причём.

Чем отличаются друг от друга оба способа?

Примечание. Для сравнения см. А.Б. Пономаренко, Спутниковое телевидение. – М., издательство МГОУ, Трансинфо, 1992, стр. 83-85 – Наведение антенны НТВ на геостационарные спутники.; см. также В.Н. Левченко, Спутниковое телевидение, издательство «ВНV – Санкт-Петербург», 1998год, Полярная подвеска, стр. 140-142 или см. Радио Библиотека «Символ-Р» Атенны спутниковые, КВ, УКВ, Си-Би, ТВ, РВ Издательство «Символ-Р» Москва, 1998, автор глав 1-9; 13 - В.А. Никитин стр. 118-125.; John Breeds Satellite Know How! 1998 sixth edition of satellite television installation guide, стр. 2-19 – 2-27.

Эти углы и наклон полярной оси в процессе работ устанавливаются автоматически, плавно приближаясь к максимуму точности. Фактически же, настройка антенны упрощена до такой степени, что производимые работы стали похожи на настройку фиксированной антенны с азимутально-угломестной подвеской. Более того, данный способ позволяет настроить антенну даже в собственной квартире, лишь бы была для неё опора, а используя закон симметрии, настраивать антенну можно не по трём виртуальным спутниковым позициям на мнимой геостационарной орбите, а по двум. При классическом способе качественную настройку по двум позициям осуществить почти невозможно, особенно это касается неопытных настройщиков. Довольно часто бывает что та или иная часть геостационарной дуги закрыта естественными препятствиями в виде деревьев или зданий. Настраивать антенну на оставшийся видимым сектор обзора становится весьма непростой задачей.

Чтобы правильно осуществить настройку полярной прямофокусной антенны техническим способом, необходимо внимательно изучить инструкцию прилагаемую ниже, а также заранее подготовить и установить на ней относительно точные угломерные инструменты.

Установка и применение дополнительных настроечных систем с увеличенной разрешающей способностью.

В начале необходимо круглую градусную шкалу закрепить на верхнем болте ( или на нижнем, кому как удобней ), через ось которого проходит поворотная ось полярной подвески антенны. Центр вращения шкалы должен быть точно совмещён с центром вращения оси этого болта. Иначе при поворотах антенны круглый край шкалы будет радиально смещаться из стороны в сторону относительно поворотной оси, то есть возникнет дисбаланс ( фото "дисбаланс" ),
из-за которого невозможно будет установить точный отсчёт градусных значений. Во избежание этого градусную шкалу необходимо отбалансировать следующим образом.

Около её круглой кромки на неподвижной части подвески устанавливается острый штифт ( фото 1, "дисбаланс" и фото 3 ). В дальнейшем он будет использоваться как начало отсчёта спутниковых направлений относительно южного направления полярной плоскости антенны. При поворотах антенны вокруг её полярной оси ( установленная на ней градусная шкала также поворачивается ), можно заметить сначала увеличение, а затем уменьшение ( или наоборот ) зазора между круглой кромкой шкалы и этим штифтом. Радиально смещая её в ту или другую сторону относительно оси болта, необходимо добиться минимального изменения этого зазора во время поворотов антенны. Затем отбалансированная шкала с осторожностью закрепляется.

После балансировки шкалы можно приступать к синхронизации. Как же точно совместить невидимую оптическую ось параболоида с невидимой глазом полярной плоскостью антенны? На первый взгляд эту синхронизацию сделать невозможно. Однако это не так.

Известно, что при повороте зеркала антенны вокруг наклонённой поворотной полярной оси её луч очерчивает в пространстве параболу. Значит, если задать два одинаковых угла поворота антенны на запад и восток от её полярной плоскости, то есть от собственного направления 0о, но противоположных по значению, например, ±45о, то по закону симметрии мы должны получить два одинаковых у.м. на антенной плоскости.

Примечание. В данном случае азимут направления технический и более подходит к астрономическому, чем к геодезическому. Для упрощения восприятия при производстве настроечных работ, отсчёт предлагаю производить в обе стороны от точки направления на виртуальный юг полярной плоскости антенны, то есть от 0о на установленной шкале. «В геодезии принято отсчитывать азимуты от направления на точку севера по часовой стрелке ( через точки востока, юга и запада ) от 0 до 360о. В астрономии азимуты отсчитываются в том же направлении, однако часто начиная от точки юга. Тем самым астрономическое и геодезическое азимуты отличаются друг от друга на 180о, поэтому важно при решении той или иной задачи на небесной сфере выявить с каким именно азимутом приходится иметь дело.» - Энциклопедический словарь юного астронома, Н.П. Ерпылев, Москва, Педагогика, 1980, стр. 181.

Если теперь установить ось параболоида ( луч антенны ) в среднее положение – 0о, то есть направив его вдоль биссектрисы общего угла, в данном случае – угла 90о=45о(восток) +45о(запад) и подвести штифт к градусной шкале в положение 0о, то произойдёт синхронизация трёх элементов антенны: шкалы, луча параболоида и полярной плоскости антенны. В данном случае значение 0она градусной шкале окажется точным отражением направления оптической оси параболоида, а остриё штифта - местом прохождения полярной плоскости антенны. На практике это делается так.

1. Прежде чем приступать к синхронизации, необходимо вспомнить ранее прочитанное и ещё раз проверить чтобы отсутствовал наклон поворотной оси в любую из сторон от её полярной плоскости, то есть по линии запад-восток. Не выполнив это условие, дальнейшая точная настройка теряет всякий смысл! Подтверждение правильности крепления стакана к опоре, а следовательно и нулевого наклона полярной плоскости, можно проверить при помощи нити с отвесом. Труба с её опорой для установки антенны должна иметь строго вертикальное положение. Механизм поворотной полярной оси антенны должен быть правильно приварен к подвеске крепления стакана. Соблюдение этого условия лежит на совести производителя антенны. Если на вертикально установленной трубе всё же присутствует наклон полярной оси в любую из сторон по линии запад-восток, то качественно настроить антенну техническим способом будет также невозможно, как и классическим. Устранить дефект производителя можно косвенным образом, установив трубу крепления так, чтобы полярная ось антенны оказалась наклонённой только по линии север-юг, то есть полярная плоскость антенны совместилась с полярной осью Земли.

2. Используя транспортир с отвесом, установить примерный наклон полярной оси соответственно значению широты в месте приёма.

3. Повернуть антенну на валу полярной оси в положение, когда её плоскость примет приблизительный, но максимально возможный у.м.. Установив угломерный инструмент на плоскость зеркала и поворачивая антенну на полярной оси, по нити отвеса определяется изменение показаний градусных значений на сегменте транспортира. Когда максимальный у.м. приблизительно найден, то необходимо зафиксировать параболоид и подвеску с помощью штока в местах подсоединения мотора ( актуатора ).

4. Зафиксировав параболоид, установить положение штифта напротив значения 0о на гр. шкале ( см.фотографии ).

Осуществив с помощью градусной шкалы синхронизацию двух направлений, то есть совместив ось параболоида с полярной плоскостью антенны, появляется возможность производить точные градусные направления антенны по этой шкале относительно собственного южного направления полярной плоскости. Остриё штифта в данном случае отображает начало отсчёта градусных значений. Если при покупке антенны на её полярной оси уже установлена маленькая заводская шкала, то точность "синхронизации" вышеуказанным способом будет гораздо меньше, что негативным образом может отразится и на самой настройке антенны.

Чтобы приступить к точной настройке угла наклона полярной оси, необходимо знать точные значения хотя бы двух пар градусных направлений и точные углы места для каждого из них.

В данном случае вычислять значения виртуальных азимутальных направлений не надо, так как любое точное направление можно установить, используя градусную шкалу. Остаётся вычислить для этих направлений углы места. В результате возникнет график соотношений пар: Аз. - У.М.. Имея такой график, можно приступать к непосредственной настройке и проверке углов на антенне ( чем больше таких пар взято, тем нагляднее будет виден сам ход настройки антенны ). Вспомнив закон симметрии, вполне реально упростить настройку. При направлении ±45о противоположные значения углов места на антенной плоскости имеют одинаковые значения. Следовательно, все измерения можно производить, поворачивая параболоид от 0о только в одну удобную для нас сторону – на запад или на восток! Из вышеизложенного следует, что всю настройку можно осуществлять вообще по двум парам: по у.м. при значении 0о и по у.м. при значении 60о. Неопытному настройщику для большей наглядности и самопроверки желательно использовать несколько таких пар. Например, можно взять несколько градусных направлений: 0о, 30о, 60о и к каждому значению вычислить соответствующий угол места. Сразу же может возникнуть вопрос – как вычислить угол места, если неизвестно значение виртуальной спутниковой долготы для известного виртуального азимутального направления.

Вычислить виртуальную координату спутниковой долготы легко, если преобразовать формулу 1 для нахождения азимута в формулу 2 ( см. ниже ). А собственные координаты установки антенны лучше определять по топографической карте ( или используя спутниковое позиционирование – GPS), в которой значения широты и долготы выражаются в градусах, минутах и секундах, например, 58о40?30?. Чтобы не добавлять погрешность в вычислениях, значения минут и секунд обязательно переводятся в градусы. Значение минут при этом делится на шестьдесят, а секунд - на 3600.
Полученые результаты суммируются и записываются после запятой от целого числа. В данном случае имеем целые значения градусов и их десятые доли ?58,7о. Именно такие значения собственных координат необходимо подставлять в формулы. Чтобы сократить время на расчёт всех необходимых углов, можно ввести эти формулы в компьютер. Известная программа Excel сама справится с задачей. Если при вводе формул компьютер укажет на ошибку, необходимо проверить и, вместо запятой в компьютерной формуле 6, ввести точку ( как у кого настроен компьютер ). Пробелы между знаками так же недопустимы. Дробные значения собственных координат опять же могут записываться с точкой или с запятой в соответствии с тем, что принимает компьютер.

Использование этого рисунка и графика соотношений Аз.-У.М. позволяет настройщику косвенным образом контролировать свои правильные или неправильные действия при настройке угла наклона полярной оси. У него появляется возможность чётко и осознанно регулировать "поднятие или опускание" краёв дуги, добиваясь постепенной установки правильности угла наклона поворотной оси, а вместе с ним и точного дополнительного склонения плоскости параболоида.

Приступая к повторной настройке, надо помнить, что коррекции необходимо подвергнуть сразу два угла: в первую очередь подправляется полярный угол наклона поворотной оси, и затем сразу же восстанавливается точное значение у.м. для аз. 0о. Выполнив это условие, далее повторяется измерение значений углов места для остальных градусных направлений.

Примечание. В зависимости от шага резьбы на регулировочной "полярной" гайке, повторный наклон полярной оси необходимо производить очень осторожно, дабы не переборщить и лишний раз не повторять потом все эти регулировки и измерения. К примеру, на моей антенне поворот гайки всего лишь на четверть оборота от правильного положения ведёт к изменению значения у.м. при аз. ±60опримерно на полградуса. Это критическая величина для антенны с диаграммой направленности в один градус ( 180см ). Преодолев эту величину, можно с уверенностью сказать, что сектор обзора антенны в данном случае не будет более чем 120о. А преодолев величину угла места на полградуса относительно правильного значения при аз. ±50о, сектор обзора антенны соответственно уменьшится до 100о. Обращаясь к рисунку вновь, можно заметить, что края геостационарной дуги как бы обрезаются и уходят из "поля зрения" луча антенны.

Добившись максимального соответствия значений углов с графиком Аз.-У.М, можно приступать к следующему этапу настройки – совмещению невидимой полярной плоскости антенны с невидимой линией север-юг, проходящей в месте установки антенны. Эта настройка осуществляется с высокой точностью, но опять же косвенным образом, используя принцип наведения на спутник антенны с азимутально-угломестной подвеской ( в начале статьи упоминается про снятую с опоры настроенную антенну, у которой вновь была осуществлена настройка на прежний спутник ).

1. Установив на уже настроенной антенне азимут направления на спутник, желательно на тот, что ближе к нулевому значению по азимутальной шкале, с помощью штока фиксируется данное положение антенны. Если все предварительные настройки были сделаны правильно, то у.м. установится автоматически. Для самопроверки можно измерить его значение на плоскости зеркала антенны и сравнить с вычисленным по формуле 3. Далее, не притрагиваясь к штоку, чуть ослабляется крепление стакана полярной подвески на опоре трубы и медленно поворачивается вся антенная система в южном направлении. В определённый момент, при правильно установленных частоте, поляризации и скорости потока, на экране должна появиться "картинка". Но она может и не появиться, если в данной точке приёма сигнал от спутника недостаточно мощный! Быстро или толчками поворачивая антенну, можно "проехать" мимо спутника, так как многие "цифровики" имеют свойство "задумываться", прежде чем показать "картинку". Допустим, изображение появилось. И так как у антенны фактический отсчёт собственного аз. направления начинается от её полярной плоскости, то, одновременно с появлением "картинки" при наведении луча антенны на спутник, мы почти точно автоматически совместили полярную плоскость антенны с вертикальной плоскостью, проходящей через ось Земли по линии север-юг в месте установки антенны. Указывая на "почти точно", надо помнить, что антенна имеет диаграмму направленности и в частности её максимум. То есть, при работе антенны луч параболоида можно представить как сильно вытянутую в пространстве каплевидную форму. Геометрически же оптическая ось параболоида проходит в середине этой "капли", то есть, по максимуму диаграммы направленности. Образно выражаясь, цепляясь боковыми краями этой "капли" за достаточно мощный сигнал от спутника, "картинка" может появиться тогда, когда точного совмещения оптической оси параболоида с направлением на спутник ещё не произошло, а следовательно и не совсем точно совместились плоскости. Точное же совмещение полярной плоскости антенны с линией север-юг не представляет большой сложности. Необходимо луч антенны установить в среднее положение её диаграммы направленности, то есть - между двумя крайними пропаданиями изображения ( или "зашумлённостями" при аналоговом сигнале ). Для этого можно установить на трубе крепления ( прямо под подвеской антенны ) третью шкалу или простую плоскость, и отметить на ней оба критических положения антенны, когда пропадает сигнал. В качестве маркера используется жёстко закреплённая на подвеске металлическая стрелка. Медленно поворачивая антенную систему на трубе, маркер должен слегка касаться этой шкалы. В момент пропадания сигнала на шкале делаются пометки. Затем необходимо установить антенну в среднее положение и осторожно, чтобы не возникло смещения, жёстко зафиксировать стакан подвески антенны на опоре трубы. Тонкую настройку можно считать законченной, если в достаточно широком секторе обзора реальные направления на спутники совпадают с показаниями на градусной шкале.

2. Если совмещение плоскостей производить всё же "по солнцу", необходимо отметить на плоскости ( установлена под подвеской ) линию, совпадающую с тенью от Солнца в истинный полдень. ( Многие заблуждаются и думают, что наступление истинного полудня соответствует 12 часам дня. В большинстве случаев это не так. ) Эта линия должна быть направленна к центру трубы. Подсоединив отвес снизу к центру вращения поворотной оси, необходимо повернуть всю антенную систему на опоре трубы так, чтобы остриё отвеса совместилось с этой линией.

Экспериментируя, настраивал и "по солнцу". В этом случае вся настройка полностью была осуществлена вслепую, то есть, вообще без использования спутниковых сигналов! Подключив ресивер, "сходу" сектор обзора антенны составил »70о ( по спутнику более 120 градусов ). Этот сектор, конечно же, мал, зато при такой настройке не понадобилось никаких вспомогательных электронных приборов. Возможно кого-то и такой результат устроит.

Совмещение плоскостей "по спутнику" гораздо точнее. Сигнал от него исходит фактически из точки на небосклоне, а расположены они на геостационарной орбите с высокой точностью ( имеются в виду не доживающие свой срок спутники ). Следовательно, погрешность при совмещении будет незначительной. Солнце, в отличии от звёзд, имеет угловые размеры. Находясь вблизи зенита, оно передвигается по небосклону практически по прямой, и простыми наблюдениями довольно трудно уловить наступление момента истинного полудня, то есть достижения высшей точки – зенита. Это трудно сделать даже при помощи морского секстанта, закреплённого на штативе. Чуть замешкаешься ( попробуй успей за Солнцем! ), даже на две минуты, и получишь погрешность в полградуса. А эта величина, как мы помним, является критической для остронаправленных антенн.

В заключение, хотелось бы ещё раз подчеркнуть, что гарантия успеха настройки полярной прямофокусной антенны техническим способом заключается, прежде всего, в точном выполнении предложенных здесь рекомендаций. Возможно, на первый взгляд, описанный способ настройки может показаться очень сложным по сравнению с различными версиями описания классического. Но, при наличии необходимых инструментов, во время работы быстро приходят необходимые навыки и осознание того, что ты действительно производишь настройку, а не тычешь "пальцем" в небо, как при классичеком способе.

Настройка офсетной поворотной антенны комбинированным способом.

Зная технический способ настройки прямофокусной полярной антенны, можно существенно упростить настройку офсетной полярной антенны, применяя комбинированный способ. Каким образом? Начинаем техническим способом, а заканчиваем классическим. То есть, технически осуществив балансировку шкалы, с её помощью синхронизируется луч антенны с полярной плоскостью самой антенны, как было описано выше. Установив по шкале известное градусное направление на самый южный спутник, при помощи штока закрепляется это положение антенны. Далее, производится поиск сигнала от данного спутника, используя принцип наведения антенны с азимутально-угломестной подвеской. То есть, в южном направлении ( по азимуту ), поворачивается на опоре трубы вся подвеска. При этом одновременно ведётся поиск сигнала наклоном вверх-вниз зеркала антенны по углу места. Настройщику важно найти среднее азимутальное положение подвески между пропаданиями сигнала. Добившись этого, будет осуществлено точное совмещение полярной плоскости антенны с линией север-юг ( в классическом способе это совмещение предлагается делать по "солнцу" ). Закрепив в этом положении подвеску на опоре трубы, этап технической настройки можно считать законченным. При этом дальнейшая настройка антенны классическим способом существенно упростится, так как теперь её необходимо будет осуществлять уже не в трех плоскостях одновременно, а только в двух – производить наклон полярной оси и деклинацию ( дополнительное склонение плоскости параболоида ). Ознакомиться с описанием классического способа настройки можно в различной литературе и в Интернете. Повторять его описание здесь нет необходимости.

Сергей Кузьмин г.Таллин