Диаграммы направленности LNB. Программа измерения ДН и примеры её оптимизации

[strannik]

.
В теме Юстировка офсетных антенн. Программа и примеры настройки http://satdx.club/viewtopic.php?f=4&t=450
мы с вами научились измерять наши параболические зеркала, рассчитывать большинство параметров и характеристик антенны, правильно юстировать LNB в точке фокуса нашей приёмной установки.
Но все эти максимально возможные параметры можно получить только при правильно выбранном и согласованном с зеркалом LNB.
Значит, пришло время измерить параметры нашего LNB и оптимизировать его для работы именно с нашим, конкретным зеркалом.

Диаграммы направленности LNB. Программа измерения ДН и примеры её оптимизации

В этой теме теоретические аспекты будут, но только во вторую очередь.
В первую очередь мы научимся в домашних условиях снимать ДН наших LNB, выбирать (при возможности) лучший из них для конкретной антенны.
Во-вторых, рассчитаем оптимальный облучатель для нашего зеркала. И не просто рассчитаем, но и гарантированно самостоятельно изготовим и протестируем.
В-третьих, совместим геометрически, по результатам наших рассчётов истинный фокус параболического зеркала с фазовым центром оптимального облучателя.
Останется только подстроить систему по реальному сигналу со спутника.

Начнём со снятия ДН LNB.
Для этого мною сделан такой стенд:
Как видите, для этого потребовался мотор (который вы потом используете для мотоподвеса вашей антенны), основа (из ДСП), четыре шурупа с широкими плоскими шляпками и стандартный держатель LNB c длинным болтом М6.
Но здесь возможны варианты. Всё зависит от ваших возможностей и фантазии. Важно, чтобы фазовый центр LNB находился как можно ближе к оси вращения хобота мотоподвеса.

В качестве источника сигнала я использую ретранслятор "наземного" Sat-TV MITRIS. Кроме того, есть ещё несколько точек (ретрансляторов), из которых исходит сигнал в Ku и С диапазонах.
Вы скажете: "Вам в Киеве хорошо, а что делать в "глубинке"?"
Возьмите обычный LNB для приёма сигналов круговой поляризации с гетеродином 10750МГц, в крайнем случае повысим частоту гетеродина верхнего Ku поддиапазона - без сигнала не останетесь

Стенд работает под управлением программы, которая с компьютерной карты посылает команды на поворот хобота и измеряет уровень сигнала с LNB.
По окончании цикла измерений программа отстраивает aфактическую ДН в полярной системе координат, затем обрабатывает её и выводит на тот же планшет в Декартовой системе координат угол поворота/уровень сигнала и определяет её ширину по уровням -3 и -10дБ.
Вот так выглядят результаты определения ДН:


На этом планшете две диаграммы:
- первая (чёрная ДН) получена вот с такого LNB Inverto Black c расфазированным рупором:

- вторая (красная ДН) с того же LNB, но со снятым рупором:

Как видите, разница заметна невооружённым глазом

На последнем фото хорошо видна конструкция расфазированного рупора и становится понятным, что его изготовление любому по плечу

Продолжение следует...

[strannik]

.
Давайте теперь внимательно рассмотрим диаграмму направленности (ДН) исходного облучателя LNB Inverto Black (красная кривая) и что дал нам дополнительный рупор (чёрная кривая).
Итак, красная ДН:
- Max RF=-44.8dBm, SNR=10.4dB;
- ширина ДН по уровню -3дБ составляет 41*;
- ширина ДН по уровню -10дБ составляет 73.8*;
- крутизна скатов ДН 0.22дБ/градус.

Теперь посмотрим, какие характеристики были получены при наращивании исходного облучателя LNB Inverto Black рупором из пивной банки, который был рассчитан мною для облучения антенны СА-902 с углом раскрыва зеркала в сторону фокуса 72*:
- Max RF=-43.4dBm - усиление облучателя увеличилось на 1.4дБ, SNR=11.3dB - соотношение сигнал/шум возросло на 0.9дБ;
- ширина ДН по уровню -3дБ составляет 41.8*, а по уровню -3дБ базового облучателя - 46*. Главный лепесток ДН стал шире, приобрёл кардиоидную форму, что весьма приветствуется для облучателей зеркальных антенн;
- ширина ДН по уровню -10дБ составляет 61.8* за счёт большего КУ, а по уровню -10дБ базового облучателя - ровно 72*, как и было заложено в расчёт;
- крутизна скатов ДН 0.38дБ/градус - в 1.4 раза лучше, что способствует лучшему подавлению бокового и тылового излучения.
Как видите, успехи на всех фронтах

Переходим к экспериментам с лидером среди LNB - Inverto Black Ultra.
У подопытного экземпляра я удалил внешнее дроссельное кольцо облучателя (оно мешало мне в экспериментах с двухзеркальной приёмной установкой). Второе кольцо имеет близкий к внешнему кольцу LNB Inverto Black диаметр, поэтому сопоставление облучателей будет корректным.

IMG_6469.JPG

Установил на стенд Inverto Black Ultra и, не очищая планшет и не меняя настройки программы, зарегистрировал ДН (синяя кривая):

DD_12177_24.09.2015 + IBU.jpg

Как видите, за счёт дополнительного каскада усиления в МШУ конвертера

2015-09-26_111354 IBU.jpg

уровень сигнала на 9дБ выше, а ДН "улетела" вверх за пределы планшета :)
Скорректировав диапазон вывода ДН, зарегистрировал их без рупора (синяя кривая) и с рупором (красная ДН):

Крутизна спада ДН IBU.jpg

Исходный облучатель (без одного кольца) - синяя ДН:
- Max RF=-36.4dBm, SNR=10.5dB;
- ширина ДН по уровню -3дБ составляет 57.8*;
- ширина ДН по уровню -10дБ составляет 72*;
- крутизна скатов ДН 0.3дБ/градус.

После установки рупора - красная кривая:
- Max RF=-34.3dBm - усиление облучателя увеличилось на 2.1дБ, SNR=12dB - соотношение сигнал/шум возросло на 1.5дБ;
- ширина ДН по уровню -3дБ составляет 39*, а по уровню -3дБ базового облучателя - 56*. Главный лепесток ДН стал шире, приобрёл кардиоидную форму, что есть гуд;
- ширина ДН по уровню -10дБ составляет 46.5* за счёт большего КУ, а по уровню -10дБ базового облучателя - ровно 78*;
- крутизна скатов ДН 0.4дБ/градус - в 1.3 раза лучше.
Таким образом, существенно улучшены параметры облучателя очень простым и доступным образом

Технология расчёта и изготовления рупора позволяет использовать и оптимизировать для вашей антенны практически любой стандартный рупорный LNB, в том числе для эффективного облучения прямофокусных антенн (до 140* раскрыва)

[strannik]

.
Пример расчёта и испытания расфазированного рупора
Антенна - самодельный прямофокус 0.9м с углом раскрыва 140*, направлена на позицию 4.8*Е ГСО
Исходный LNB - Titanium TSX с отпиленным рупором для работы в мультифиде на позицию 15*W ГСО
Расчётная ДН (программа Sabor):

Диаграмма-2.jpg

Рупор изготовлен из меди 0.3мм, полированной и спаянной встык:

02032008511.jpg

Герметизация и крепёж - полиэтиленовой пробочкой от питьевой воды:

02032008515.jpg

Результаты приёма в 20-ти градусном мультифиде:

Уровень Тelstar-12.jpg

[stasalt]

cтранник в дополнительный каскад самостоятельно паяли транзистор?..

[strannik]

cтранник в дополнительный каскад самостоятельно паяли транзистор?..

Ценю ваш тонкий юмор :)
В большинстве "бюджетных" LNB всего два каскада усиления в составе МШУ (в том числе в LNB Inverto Black).
В Inverto Black Ultra конструкторы добавили третий каскад усиления, что обеспечивает подъём уровня слабых сигналов до необходимой для нормальной работы преобразователя величины.
Соответственно, и общий коэффициент преобразования увеличивается для всех сигналов.
Отмеченный стрелочкой на фото каскад собран на полевом транзисторе V75 с высокой подвижностью электронов. Это очень хороший транзистор с высоким КУ и низким уровнем собственных шумов. Часто в "бюджетных" LNB его ставят в первый каскад МШУ.

[strannik]

@strannik

В первую очередь мы научимся в домашних условиях снимать ДН наших LNB

Юрий, я считал Вас образованным человеком (только не понятно в какой области), и Вы очень хорошо знаете, понимаете как, и при каких условиях снимаются ДН антенн, облучателей и т.д. (БЭК камеры)
А здесь пишите такую ерунду...- про домашние условия..., может быть ещё через тройной стеклопакет?

Мерси за комплиман :P
Конечно же, я знаю про ближнюю и дальнюю зоны, про безэховые камеры (в том числе в десятки раз больше показанных вами).
Но я ставлю перед собой реальные задачи, а потому и решаю их успешно. При этом стараюсь, чтобы каждый желающий мог повторить эксперимент.
Я поставил задачу практически снять диаграмму направленности LNB - и сделал это (кстати, через тройное стекло двойного стеклопакета :) - вы снова угадали, вам положена призовая игра )
Насколько предложенная методика снятия ДН точна и достоверна - давайте обсуждать, я отвечу на любые ваши вопросы.
Но, согласитесь, ДН LNB с штатным облучателем и с дополнительным рупором отличаются на величины в разы больше погрешностей измерений и дают представление о полезности (или бесполезности) дополнительного рупора для стандартного LNB.

[strannik]

080320133533.jpg

Стенд для снятия ДН и источник излучения 10750МГц - обычный LNB для приёма с круговой поляризацией

Untitled-1.jpg

Вариант крепления мотора к лабораторному штативу и LNB с диаметром "шейки" 23.5мм к "хоботу"

Примеры зарегистрированных диаграмм направленности разных LNB с различными облучателями:

DD_12175_ТЕСТ-24.jpg

Мегасат с рупорным облучателем

DD_12175_ТЕСТ-35.jpg

EHKF 7101 c ДО и с дополнительным директором

DD_12175_ТЕСТ-53.jpg

Мегасат 0.1дБ

DD_12254_16.12_тест-5.jpg

Мегасат (на верху на штативе) со снятым ДО, но с директором на разных частотах

[strannik]

Но всё-таки я бы хотел услышать Ваше мнение, влияют ли на ДН исследуемого изделия такие факторы как отражение волны от посторонних предметов (подоконники, крыши и т.д. уж, не говоря про домашние железяки)?

"Но всё-таки..." -вы опять лукавите
В вашем предыдущем посте был только один вопрос (про три стекла), и я вам на него ответил. Вопрос, вынесенный в цитату, вы задаёте впервые.
Это я к тому, что хороший вопрос содержит в себе ответ на него :)
Естественно, все вышеперечисленные факторы влияют на ДН, и иногда очень сильно (я покажу это ниже).
Профессиональные конструкторы антенно-фидерной техники идут абсолютно правильным путём, избавляясь от помех и мешающих факторов, проводя свои эксперименты в безэховых камерах.

... не откажу себе в удовольствии представить вам одного из тайваньских инженеров, работой которых я восхищаюсь. Ведущий конструктор (или дизайнер на западный манер) Пэнь Юонэнь. Прошу любить и жаловать:

2015-10-01_105436 БезЭховаяКамера - мистер Пэн.jpg

А это безэховая камера, в которой он тестирует и отлаживает новые образцы:

2015-10-01_105319 БезЭховаяКамера.jpg

В том числе моноблок на три спутника, который вы видите у него в руках на верхнем фото.

"Специалисты" через губу заявляли, что у них на рынке таких ящиков (в котором сделана поглощающая обивка, как в БЭК) навалом, совершенно не обращая внимания на тот факт, что испытания проводятся в "ближней" зоне, а не в полномасштабной камере.
В чём же причина? (вопрос касается не умственных способностей "специалистов" , а причин отхода от канонов СВЧ антенной техники)
Да в том же, что и у меня - отсутствие необходимых площадей и необходимость практического решения задачи оптимизации LNB.
Моя любимая жена весьма толерантно относится к моему увлечению, вплоть до того, что разрешает держать в комнате антенну на мотоподвесе для моих экспериментов :) , но я не стал испытывать её ангельское терпение и превращать комнату в безэховую камеру
Но есть и другой путь: если не устранить, то хотя бы учесть и, по возможности, компенсировать мешающие факторы.
Именно этим путём я и пошёл.
Сравните две ДН в полярной системе координат:

DD_12178_23.09.2015 Test-3.jpg

Правда, что они мало похожи?
А посмотрите на эти же данные после обработки в моей программе снятия ДН, но уже в Декартовых координатах - максимальная разница составляет 0.3дБ, что находится на уровне шумов исследуемого LNB.
Высокая повторяемость результатов - это свидетельство высокой точности их получения

DD_12177_24.09.2015 Рупор Н-4.jpg

И, если голубая ДН "отскочила" от своих коллениарных "подружек" - это свидетельствует только об одном: условия эксперимента изменились. Точнее, я сдвинул стенд на подоконнике от угла окна. Обратите внимание, что локальный максимум на левом склоне ДН тут же уменьшился, что позволяет сделать вывод о его связи с отражением от вертикальной стойки оконного переплёта.

DD_12177_24.09.2015 Горизонт рупор-1.jpg

В азимуте -50* на зелёной кривой выскок амплитуды RF на 3дБ.
В теории измерений такиие аномальные значения при прекрасном совпадении диаграмм на других азимутах называют "ураганными" выскоками и отбраковывают при обработке данных.
В этом конкретном случае причиной выскока было фотографирование мною LNB в этом положении. Отражённая (точнее, дифрагированная) волна от моего фотоаппарата попала в раскрыв рупора и дала такой эффект

А теперь посмотрите на следущий планшет:

DD_12177_24.09.2015 IBU + IBU c рупором (чёрная и сиреневая).jpg

На нём вы видите несколько ДН LNB Inverto Black Ultra, которые были сняты вначале без рупора, а затем с рупором из пивной банки.
Как вы думете, при каком азимуте поворота "хобота" мотоподвеса я сфотографировал установку?

[strannik]

.

Но всё-таки я бы хотел услышать Ваше мнение, влияют ли на ДН исследуемого изделия такие факторы как отражение волны от посторонних предметов (подоконники, крыши и т.д. уж, не говоря про домашние железяки)?

"Но всё-таки..." -вы опять лукавите
В вашем предыдущем посте был только один вопрос (про три стекла), и я вам на него ответил. Вопрос, вынесенный в цитату, вы задаёте впервые.
Естественно, все вышеперечисленные факторы влияют на ДН, и иногда очень сильно (я покажу это ниже).
Профессиональные конструкторы антенно-фидерной техники идут абсолютно правильным путём, избавляясь от помех и мешающих факторов, проводя свои эксперименты в безэховых камерах.

... не откажу себе в удовольствии представить вам одного из тайваньских инженеров, работой которых я восхищаюсь. Ведущий конструктор (или дизайнер на западный манер) Пэнь Юонэнь. Прошу любить и жаловать:

2015-10-01_105436 БезЭховаяКамера - мистер Пэн.jpg

А это безэховая камера, в которой он тестирует и отлаживает новые образцы:

2015-10-01_105319 БезЭховаяКамера.jpg

В том числе моноблок на три спутника, который вы видите у него в руках на верхнем фото.

"Специалисты" через губу заявляли, что у них на рынке таких ящиков (в котором сделана поглощающая обивка, как в БЭК) навалом, совершенно не обращая внимания на тот факт, что испытания проводятся в "ближней" зоне, а не в полномасштабной камере.
В чём же причина? (вопрос касается не умственных способностей "специалистов" , а причин отхода от канонов СВЧ антенной техники)
Да в том же, что и у меня - отсутствие необходимых площадей и необходимость практического решения задачи оптимизации LNB.
Моя любимая жена весьма толерантно относится к моему увлечению, вплоть до того, что разрешает держать в комнате антенну на мотоподвесе для моих экспериментов :) , но я не стал испытывать её ангельское терпение и превращать комнату в безэховую камеру
Но есть и другой путь: если не устранить, то хотя бы учесть и, по возможности, компенсировать мешающие факторы.
Именно этим путём я и пошёл.
Сравните две ДН в полярной системе координат:

DD_12178_23.09.2015 Test-3.jpg

Правда, что они мало похожи?
А посмотрите на эти же данные после обработки в моей программе снятия ДН, но уже в Декартовых координатах - максимальная разница составляет 0.3дБ, что находится на уровне шумов исследуемого LNB.
Высокая повторяемость результатов - это свидетельство высокой точности их получения

DD_12177_24.09.2015 Рупор Н-4.jpg

И, если голубая ДН "отскочила" от своих коллениарных "подружек" - это свидетельствует только об одном: условия эксперимента изменились. Точнее, я сдвинул стенд на подоконнике от угла окна. Обратите внимание, что локальный максимум на левом склоне ДН тут же уменьшился, что позволяет сделать вывод о его связи с отражением от вертикальной стойки оконного переплёта.

DD_12177_24.09.2015 Горизонт рупор-1.jpg

В азимуте -50* на зелёной кривой выскок амплитуды RF на 3дБ.
В теории измерений такиие аномальные значения при прекрасном совпадении диаграмм на других азимутах называют "ураганными" выскоками и отбраковывают при обработке данных.
В этом конкретном случае причиной выскока было фотографирование мною LNB в этом положении. Отражённая (точнее, дифрагированная) волна от моего фотоаппарата попала в раскрыв рупора и дала такой эффект

А теперь посмотрите на следущий планшет:

DD_12177_24.09.2015 IBU + IBU c рупором (чёрная и сиреневая).jpg

На нём вы видите несколько ДН LNB Inverto Black Ultra, которые были сняты вначале без рупора, а затем с рупором из пивной банки.
Как вы думете, при каком азимуте поворота "хобота" мотоподвеса я сфотографировал установку?

[stasalt]

cтранник, переделайте линейный конвертор в круговой и повторите свой эксперимент по поводу фонящего кругового :) ….