Jak ustawić antenę satelitarną

 

JAK USTAWIĆ ANTENĘ SATELITARNĄ

Aby umożliwić łatwy i tani odbiór programów telewizyjnych (jak również radiowych bądź innych usług np. dostęp do internetu) za pomocą satelity, należało zapewnić stałe położenie satelity na niebie. Ponieważ każdy przedmiot umieszczony w kosmosie w pobliżu Ziemi, aby nie spadł pod wpływem ziemskiej grawitacji, jest wprawiony w ruch wokół naszej planety. Dzięki równowadze siły grawitacji i siły przyśpieszenia odśrodkowego możliwy jest ruch obiektu na stabilnej orbicie. Okres obrotu (czas potrzebny do zatoczenia pełnego koła orbity) zależy od ciężaru obiektu i odległości. Poprzez dobór odległości od Ziemi i dobór ciężaru satelity znaleziono orbitę, na której obiekt może się poruszać z prędkością kątową identyczną jak prędkość kątowa obrotu dziennego Ziemi. Taką orbitę nazywa się orbitą geostacjonarną. Satelity są rozmieszczone nad równikiem. Na satelitach umieszczone są anteny nadawcze które emitują fale radiowe uformowane w wiązki w określone miejsca na Ziemi. Im szersza wiązka (tzn. pokrywa większy obszar na powierzchni Ziemi) to moc docierającego sygnału jest większa. Początkowe układy antenowe charakteryzowały się wiązkami o łagodnie zanikającej sile sygnału. Wewnątrz strefy odbioru należało się liczyć z dużymi wahaniami mocy odbieranego sygnału. Obecne anteny na satelitach potrafią nadawać fale radiowe w wiązkach o 'ostrym' przejściu do strefy braku odbioru. Ponadto wewnątrz obszaru moc sygnału nieznacznie się waha. Jako przykład podam charakterystyki wiązek: starego satelity, rysunek 1a i nowego typu rysunek 1b. Na moc nadawanego sygnału nakłada się kilka ograniczeń. Pierwszy to maksymalna dopuszczalna moc sygnału promieniowanego w kierunku Ziemi. Ma to zapobiegać szkodliwemu wpływowi mikrofal na organizmy żywe, a ponadto redukuje wzajemne zakłócanie się sygnałów z różnych satelitów. Następne ograniczenie to moc jaką można zasilać elektronikę satelity. Wielkość baterii słonecznych jest ograniczona przez konieczność zachowania konkretnej masy satelity aby mógł się poruszać po orbicie geostacjonarnej. Antena odbierająca sygnał nadawany przez satelitę musi być kierunkowa aby nie odbierać sygnałów od innych satelitów. Dodatkowo od anteny wymaga się tzw. zysku energetycznego. Wynika on z faktu iż powierzchnia czaszy anteny jest wielokrotnie większa niż powierzchnia odbiorcza w konwerterze. Im większa czasza tym większy zysk energetyczny anteny. W praktyce oznacza to że większe anteny lepiej sobie radzą z obiorem słabych sygnałów.
 

Położenie anteny odbiorczej
Jak już wcześniej napisałem zadanie anteny jest odbiór sygnałów z konkretnego kierunku i jego 'wzmocnienie' (zysk energetyczny) przed doprowadzeniem fal radiowych do konwertera. W odróżnieniu od anten TV naziemnej nie wystarczy tylko ustawienie anteny względem płaszczyzny poziomej. Konieczne jest jej ustawienie również w płaszczyźnie pionowej. Jako miary ustawienia anteny przyjęto podawać: azymut, czyli kąt pomiędzy kierunkiem południowym a kierunkiem odbioru anteny w płaszczyźnie poziomej; jak również elewację czyli kąt odchylenia od pionu anteny (czyli zorientowanie anteny w płaszczyźnie pionowej). Ponieważ azymut może oznaczać obrócenie w jednym z dwóch kierunków, to przyjęto azymut skręcenia anteny w kierunku wschodnim podawać jako wartości ujemne, a w kierunku zachodnim jako wartości dodatnie. Typową miarą kątów azymutu i elewacji są stopnie.

Kąty azymutu i elewacji anteny satelitarnej

Wartości katów azymutu i elewacji zależą od umiejscowienia anteny na Ziemi. W celu ich wyznaczenia musimy znać współrzędne geograficzne miejsca (szerokość i długość geograficzna) gdzie chcemy antenę zainstalować. Można posłużyć się mapami topograficznymi. Dla celów orientacyjnych Dla środka polski można przyjąć współrzędne: szerokość geograficzna 52 stopnie i długość geograficzna 19 stopni. Aby na podstawie współrzędnych geograficznych miejsca instalacji anteny obliczyć kąty azymutu i elewacji należy posłużyć się następującymi wzorami:

Kąt elewacji (El)
El = arctan[(cosx - 0,1513)/sinx]
wielkość pomocnicza x = arccos[cos(L-S) * cosB]
Kąt azymutu (Az)
Az = arctan[tan(L-S)/sinB]

gdzie:
S - długość kątowa pozycji satelity,
L - długość kątowa pozycji anteny,
B - szerokość kątowa pozycji anteny.

Do graficznego szacunkowego określenia kąta elewacji można się posłużyć rysunek poniżej

Wykres do przybliżonego określenia kata elewacji

Pozostaje jeszcze powiedzieć coś o położeniu konwertera. Otóż w celu zwiększenia pojemności zakresu częstotliwości używanego w telewizji satelitarnej przyjęto używać fale radiowe o określonej polaryzacji. W początkowym okresie używano polaryzacje kołowe (lewo i prawoskrętna). Obecnie stosuje się polaryzacje ortogonalne (tj. pionowa i pozioma). Jeśli polaryzacja fali radiowej odpowiada polaryzacji sondy w.cz. w konwerterze to mamy najlepsze warunki odbioru. Najsilniejsze tłumienie jest gdy polaryzacja fali jest obrócona o 90 stopni w stosunki do płaszczyzny polaryzacji sondy, która pobiera sygnał z fali w.cz. docierającej do czoła konwertera. Dla większości przypadków kierunek polaryzacji pionowej pokrywa się z kierunkiem pionowym na Ziemi gdy antena patrzy na satelitę dokładnie w kierunku południowym. Patrząc na rys.1 oraz patrząc na drogę słońca po niebie możemy wywnioskować że gdy antena patrzy dokładnie na południe to konwerter ma być ustawiony pionowo. Ale nie jest to regułą. Wyjątkiem są satelity Astra, gdzie płaszczyzna względem której zdefiniowano kierunki polaryzacji, jest skręcona o około 7 stopni w prawo patrząc w kierunku satelity. Gdy antena patrzy w kierunku zachodnim to konwerter należy obrócić w lewo patrząc od przodu anteny. Nie znam i nie spotkałem wzoru na obrót konwertera. Charakterystyki sond w konwerterach wykazują niewielkie tłumienie dla odchyleń polaryzacji sondy od polaryzacji fali do kąta około 5 - 10 stopni. Znając pozycje popularnych satelitów jak również współrzędne środka Polski to można zauważyć że antena będzie patrzyć w kierunku zbliżonym do południowego. Wynika z tego że na wstępie można ustawić konwerter w kierunku pionowym, a po odnalezieniu satelity dopiero skorygować kąt skręcenia konwertera. Dla Polski skręcenie konwertera jest prawie identyczne dla Astry 1 i Hot Bird'a. Różnica waha się od 1.5 do 3 stopni. Dokładne dane zamieściłem w tabeli.

Jeśli nie chcemy własnoręcznie obliczać odpowiednich kątów to polecam użycie programu SMW LINK. Można go ściągnąć. Program oprócz obliczenie kąta azymutu i elewacji podaje kąt obrócenia konwertera. Dodatkowo ma opcje obliczania położenia dodatkowego konwertera do odbioru sygnału z drugiego pobliskiego satelity za pomocą jednej anteny (tzw. zez). Zwrócę uwagę że ten program inaczej podaje kąt azymutu. Jest on zgodny z kompasem, tj. kierunek północny to 0 stopni i rośnie z kierunkiem obrotu wskazówek zegara. Ponadtodla Astry trzeba specjalnie wskazać satelitę Astra, aby program podał poprawny kąt obrotu konwertera.

W celu ułatwienia podaję tablicę zawierającą wartości elewacji, azymutu i kąta obrócenia konwertera. Zawiera ona dane dla satelity Hot Bird i Astra 1 dla różnych szerokości i długości geograficznych. Na jej podstawie można z dość dobrym przybliżeniem określić właściwe dane dla dowolnego miejsca w Polsce.

Hot Bird 13,0 E
Długość geogaficzna
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Astra 1 19.2 E
Długość geogaficzna
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

Wartości elewacji, azymutu i kąta obrotu konwertera dla różnych wartości długości i szerokości geograficznej

Elewacja - wartość kąta elewacji w stopniach.
Azymut - wartość kata azymutu mierzonego od kierunku południowego. Dodatnie wartości określają kierunek zachodni, ujemne wschodni.
Konwerter - wartość kąta skręcenia konwertera. Dodatnia wartość oznacza obrót w prawo patrząc w kierunku satelity (w lewo patrząc w kierunku czaszy anteny).

Z podanych wzorów, wykresu i tabeli wynika że dla naszego kraju maksymalny kąt elewacji nie przekracza 35 stopni. Wynika z tego fakt iż w pewnych porach roku miejsce orbity geostacjonarnej na niebie pokrywa się z drogą słońca. Ma to ogromne znaczenie ponieważ słońce jest silnym źródłem fal radiowych w tym mikrofal w zakresie częstotliwości używanym przez telewizję satelitarną. Ma to miejsce w okresie wiosennym i jesiennym. Wtedy w ciągu dnia około godzin południowych możemy się spodziewać kłopotów z odbiorem.

Konstrukcja i geometria anteny satelitarnej
Teraz zajmiemy się samą anteną satelitarną. Podstawowym typem jest antena paraboliczna. W jej osi znajduje się ognisko i tam umieszczany jest konwerter. Teoretycznie te anteny mają najlepsze parametry kierunkowe. Ognisko jest dość precyzyjne i niewielkie co zapewnia duży zysk i dobra kierunkowość. Niestety tego typu antena ma dwie istotne wady. Pierwsza to cień rzucany przez konwerter na czaszę anteny. W jego wyniku tracimy pewną część powierzchni czaszy. Czyli faktycznie mamy mniejszy zysk energetyczny. Druga wada to fakt że antena patrzy dość mocno odchylona od kierunku pionowego, co przy kształcie czaszy prowadzi do zalegania wody deszczowej na jej powierzchni. Również śnieg z łatwością utrzymuje się na powierzchni czaszy. W celu wyeliminowania wspomnianych wad zmieniono pozycja ogniska odchylając je ku dołowi. Antena wtedy patrzy ku górze. W ten sposób czasza jest ustawiona bardziej pionowo. Woda nie gromadzi się wewnątrz czaszy, śnieg trudniej zalega na powierzchni, a konwerter nie rzuca cienia na antenę. Anteny te nazywane są antenami offsetowymi. Z powodu braku cienia, antena offsetowa o średnicy 90 cm ma zbliżony zysk energetyczny co antena paraboliczna o średnicy 120 cm. Wadą anten offsetowych jest zazwyczaj nieco gorsza kierunkowość spowodowana mniej precyzyjnym ogniskiem.

Odbiór za pomocą anteny parabolicznej
(kolor czerwony) i offsetowej (kolor niebieski)

Producenci anten offsetowych nie zdecydowali się na ujednolicenie kąta odchylenia ogniska o osi czaszy. Z tego względu trudno będzie zastosować wiedzę o kącie elewacji, chyba że z anteną producent dostarczy nam wartość o którą należy skorygować kąt elewacji. Niestety w większości przypadków nie będziemy znali tej liczby. Czasem na elementach regulacji można znaleźć podziałkę z naniesionymi kątami elewacji. Ja nie spotkałem się z takim rozwiązaniem. W tej sytuacji możemy jedynie dokładnie określić azymut.

Odbiór dwóch satelitów za pomocą jednej anteny.
Jest możliwe wykorzystanie jednej anteny do odbioru sygnałów z więcej niż jednego satelity. Najczęstszym rozwiązaniem jest odbiór z dwóch dość pobliskich satelitów, np. z Astry 1 i Hot Birda. Ponieważ wymaga to umieszczenia dwóch konwerterów bok siebie, to ich rozmiary ograniczają w praktyce minimalną różnicę położeń odbieranych satelitów. W praktyce to minimum wynosi około 5 stopni. Istnieją dwie możliwe konfiguracje anten z podwójnym konwerterem. Pierwsze rozwiązanie to umieszczenie drugiego konwertera obok tego umieszczonego we właściwym ognisku. W takiej konfiguracji dodatkowy konwerter odbiera sygnał z mniejszym zyskiem energetycznym. Można przyjąć że na antenie 90 cm drugi konwerter może mieć warunki odbioru takie jak na antenie 70 cm. Drugie rozwiązanie to dwa konwertery umieszczony po obydwu stronach właściwego ogniska. Pomimo że obydwa konwertery mają gorsze warunki odbioru, to pogorszenie jest jednakowe dla obydwu. W sumie ta konfiguracja jest lepszym rozwiązaniem. Dla odbioru z Astry 1 i Hot Birda w środkowej Polsce obydwa konwertery są wtedy umieszczone obok siebi w odległości w poziomie około 6 - 7 cm. W pionie można przyjąć te same położenie. Opisany wcześniej program SMW LINK daje nam mozliwość obliczenia położenia dodatkowego konwertera względem głównego umocowanego we właściwym ognisku. Ostatnio pojawiły się na rynku anteny o specjalnycm kształcie czaszy przewidzine do odbioru w dwoch satelitów. Jednak stosunkowo niewielkie ich rozmiary raczej nie powinny zachęcać do ich użytku w Polsce centralnej a zwłaszcza wschodniej.

Wybór anteny
Najpopularniejsze anteny to anteny offsetowe. W handlu spotkamy rozmaite modele o średnicach od 60 do 120 cm. Na zachodzie polski anteny już o srednicy 75 cm dadzą nam pewny odbiór. Natomiast na wschodzie średnice powinnismy używać anten raczej powyżej 100 cm. Oczywiście są w handlu anteny 60 cm, ale poza rejonami pod granicą niemiecka nie polecam ich stosowania. Oczywiście większa antena to lepszy i pewniejszy odbiór. Ale większa antena jest cięższa i jest bardziej podatna na wiatr. Dodatkowo na większą antenę musimy przeznaczyć więcej miejsca. Według mnie dla centralnej Polski najlepszy wybór to anteny o średnicy 85 - 95 cm. Przed zakupem warto obejrzeć elementy mocujące antenę. Jednocześnie te elementy zapewniają regulację kąta elewacji. Najgorsze są mocowania klamrami. Źle zaprojektowane mocowanie i regulacja elewacji podczas dokręcania śrub jest powodem zmian ustawienia anteny. Ponadto utrudnione będzie płynna regulacja pochylenia anteny. Niestety anteny o mniejszych średnicach prawie zawsze maja kiepskie systemy mocowania i regulacji elewacji. Najlepsze pod tym względem są anteny o średnicach powyżej 110 cm, gdzie dobra jakość wykonania tej części anteny jest typową cechą. Następny newralgiczny element całości anteny to mocowanie i podtrzymanie konwertera. Im większa średnica czaszy tym dalej odsunięty jest konwerter. Ciężar konwertera powoduje odkształcenia, które są przyczyną umieszczenia konwertera obok optymalnego ogniska. Podtrzymanie za pomocą trzech prętów uniemożliwi nam zamocowanie dodatkowego konwertera. Chociaż teoretycznie jest sztywniejsze to wykonane z cienkich prętów w końcowym efekcie nie gwarantuje stabilnego mocowania konwertera w ognisku anteny. Najlepszy jest pojedyńczy gruby pręt o dobrze ustalonym jego położeniu względem czaszy. Jeśli przewidujemy użycie dodatkowego konwertera (odbiór z Astry i Hot Birda za pomocą jednej anteny to powinniśmy pamiętać że ten dodatkowy konwerter będzie odbierał sygnały z mniejszym zyskiem energetycznym niż podstawowy konwerter.

Montaż anteny.
Najpierw musimy zorientować nasz budynek względem kierunków geograficznych. Dobrze byłoby poznać współrzędne geograficzne. Jeśli w pobliżu znajdują się inne anteny satelitarne to można na nich się wzorować. Na tym etapie możemy już określić z przybliżeniem kierunek z którego docierać będzie sygnał do anteny. Możemy się posłużyć wzorami lub tabelą z pierwszej teoretycznej części artykułu. Teraz możemy poszukać optymalnych miejsc na montaż anteny. Teraz bierzemy pod uwagę wiele czynników. Pierwszy istotny to brak przeszkód w kierunku widzenia anteny. Drugi to ewentualne naturalne osłony przed wiatrem. Następnie dostępność podczas montażu lub ewentualnych przyszłych korektach i ostatnie również istotne to utrudnienie możliwej kradzieży. (Ostatnie dwa czynniki mogą być ze sobą w sprzeczności, wybieramy na drodze kompromisu). Po dokonaniu wyboru montujemy antenę i wstępnie ją ustawiamy. Niestety dla większości anten offsetowych nie będziemy mogli ustawić kąta elewacji. W tym celu ustawiamy wstępnie w środkowym położeniu. Jeśli to możliwe sugeruję wymianę śrub i nakrętek stalowych na mosiężne. Te ostatnie nie rdzewieją, co może nam się przydać gdy będziemy chcieli skorygować bądź zmienić ustawienie anteny.

Mierniki ustawienia anteny
Najlepsze są mierniki, które pozwolą nam na wybór odbieranej częstotliwości. Wtedy możemy rozpoznać satelitę, wstępnie ustawić antenę i dokładnie jak wyregulować na najlepszy odbiór słabych sygnałów. Niestety takie mierniki są dość drogie i raczej trudno dostępne. Drugi typ miernika jest woltomierzem wysokiej częstotliwości, który co najwyżej pozwoli wybrać polaryzację i ewentualnie zakres ale nie ma możliwości dostrojenia się do konkretnej częstotliwości. Te mierniki są tanie i względnie łatwo dostępne. Ponadto ich wykonanie w warunkach amatorskich jest możliwe dla średnio zaawansowanego elektronika hobbysty. Niestety taki miernik pozwoli nam jedynie wstępnie ustawić antenę. Identyfikacje możemy tylko przeprowadzić albo za pomocą tunera lub (nieco mniej pewne, i wymaga to wprawy oraz znajomości położenia satelitów) poprzez odszukanie kolejnych punktów odbioru i wyboru odpowiedniego. Trzeci miernik to tuner. Najlepszy do tego celu jest tuner analogowy (ale będzie nieprzydatny gdy na szukanym satelicie nie będzie nadawanych programów analogowych). W ostateczności posługujemy się tunerem cyfrowym.

Ustawienie anteny
Zanim przystąpimy do ustawiania anteny powinniśmy się zapoznać z częstotliwościami i nazwami programów tam nadawanych. Jeśli to możliwe powinniśmy znać przybliżoną siłę odbieranego sygnału.
Powinniśmy wybrać silny, średni i słaby przekaz satelitarny. W celu ułatwienia podaję tabelę z wybranymi częstotliwościami dla Hot Birda i Astry 1.

	Analogowe	Cyfrowe
	Hot Bird 13.0 E	Astra 1 19.2 E
Silne	10974H TRT Int. * 11431 H Polsat 11474 H TV Polonia 11727 V RTP Int.	10964 H ZDF 11229 V RTL * 11273 H Vox 11494 H ARD
Średnie	11280 V Joy TV * 11010 H Venus TV	11377 V Sky News *
Słabe	-	11656 V ORB 11686 V BR-alpha *

Wykaz kilku częstotliwości z podziałem na siłę sygnału
 

Podane częstotliwości dla tunerów cyfrowych posiadają transmisję o SR = 27500 i FEC = 3/4 Gwiazdką oznaczono częstotliwości zalecane.
 
Aby wykorzystać to w praktyce muszę podać że konwertery pracują w dwóch zakresach częstotliwości. Dolny od 10700 MHz do około 11900 MHz i górny od około 11550 MHz do 12750 MHz. Jako punkt graniczny przyjmuje się częstotliwość 11700 MHz. Dla dolnego zakresu częstotliwość oscylatora konwertera (LOF) wynosi 9750 Mhz. Dla górnego zazwyczaj 10600 MHz. Warto się upewnić. Te dane są wypisane na obudowie konwertera. Górny zakres jest wybierany przez włączenie sygnału 22kHz. Dolny jest aktywny gdy jego brak. Oznaczenia polaryzacji: H - pozioma, V - pionowa. Podane częstotliwości słabe w kolumnie cyfrowe nie zapewniają rozróżnienia pomiędzy Astrą 1 a Hot Bird'em (za wyjątkiem oznaczonych gwiazdką).
 
Jeśli mamy miernik selektywny to dostrajamy się do jednej z częstotliwości w wierszu silny. Jeśli mamy tuner analogowy to albo programujemy dany kanał lub wybieramy wcześniej zaprogramowany. W przypadku tunera cyfrowego posługujemy się miernikiem ustawienia anteny. Jeśli chodzi o Mediasat'a to istotny jest kolor paska a nie jego długość. Musimy pamiętać że pomiar za pomocą tunera cyfrowego jest obarczony dużą bezwładnością wskazań. Po każdym małym przesunięciu należy odczekać aż do zmiany odczytu. Jeżeli nie mamy profesjonalnego miernika to powinniśmy znaleźć miejsca pogorszenia odbioru i wybrać położenie środkowe. Następnie próbujemy skorygować ustawienie anteny na średnim sygnale. Teraz już tylko wykonujemy niewielkie przesunięcia. Po znalezieniu optimum. Teraz spróbujmy dobrać ustawienie konwertera i jego skręcenie nie zmieniając położenia anteny. Następnie ustawiamy antenę na słabym sygnale (na małych antenach może to być niewykonalne). Jeśli to ostatnie wykonywaliśmy za pomocą odpowiedniego miernika to powinniśmy to sprawdzić za pomocą tunera cyfrowego. W razie konieczności powtórzyć ustawienie na słabym sygnale. Na koniec możemy jeszcze popróbować z ustawieniem konwertera. Teraz możemy dokręcić śruby mocujące tak aby nie przestawić ani anteny ani konwertera. Po dokręceniu śrub, należy sprawdzić odbiór słabych sygnałów, sprawdzając czy nie nastąpiło przestawienie anteny. W tym celu delikatnie łapiemy z konwertera i z niewielką siłą odginamy pałąk mocujący w różnych kierunkach sprawdzając poziom sygnału najlepiej na tunerze cyfrowym. Jeśli mamy drugi dodatkowy konwerter to teraz próbujemy go ustawić ale ostrożnie aby nie przestawić anteny. Kolejność czynności identyczna jak dla pierwszego konwertera.

Ustawiliśmy antenę, co dalej?.
Po upływie pewnego okresu powinniśmy sprawdzić i ewentualnie skorygować ustawienie anteny. Dla nowo mocowanych powinniśmy to zrobić już po około trzech miesiącach. Później okres ten możemy stopniowo wydłużać. Jeśli w międzyczasie pojawiły się silne wichury to po ich ustaniu powinniśmy sprawdzić mocowanie anteny i ewentualnie skorygować jej ustawienie. Jeśli stwierdzimy pogorszenie się odbioru to po uprzednim sprawdzeniu kabla łączącego konwerter z tunerem równie kontrolujemy ustawienie anteny. Robimy to bez poluzowywania śrub mocujących delikatnie odginając pałąk podtrzymujący konwerter. W razie konieczności luzujemy śruby i przeprowadzamy normalną czynność ustawiania anteny ale z pominięciem etapu ustawiania na silnym sygnale. Powinniśmy pamiętać że warunki atmosferyczne mogą utrudniać odbiór sygnałów satelitarnych. Ponadto w okresach wiosennym i jesiennym słońce ma prawo osłabić odbiór. Niekiedy gęsta mgła lub niewielka chmura burzowa mogą silniej osłabić sygnał niż dość intensywny jesienny deszcz. Marznący deszcz może spowodować oblodzenie konwertera co całkowicie uniemożliwi odbiór programów satelitarnych.