Почему для спутникового телевидения используются специальные антенны?

В телевидении в единицу времени требуется передать в сотни раз больше информации, чем требуется для передачи, например, звука. Поэтому при одинаковых методах передачи сигнал телевидения занимает значительно более широкую полосу частот, чем сигнал радио. Полоса телевизионного сигнала в российском стандарте D — 8 МГц, в то время как полоса сигнала AM радиостанции — примерно 0,01 МГц. Для телевидения оказались непригодными длинные, средние и короткие волны: в диапазонах ДВ (30-300 кГц) и СВ (0,3-3 МГц) просто невозможно разместить даже один телевизионный канал, а во всем диапазоне KB (3-30 МГц) поместились бы лишь три телевизионных программы. Для наземного телевидения используются диапазоны метровых.(30-300 МГц) и дециметровых (300 — 3000МГц) волн. Чем выше частота, тем больше свойства радиоволн приближаются к свойствам света. Метровые и дециметровые волны «не умеют» огибать круглую поверхность Земли, они распространяются только прямолинейно, на расстояние прямой видимости. По этой причине антенны наземных телецентров поднимаются на высокие башни, чем больше высота телебашни, тем больше дальность действия телевизионного передатчика. Однако даже телебашни больших городов обеспечивают прием на удалении не более 100-200 км. В современном мире телевизионные программы необходимо транслировать на целые страны и континенты. Эту задачу и решает спутниковое телевидение. Если разместить телевизионный передатчик и антенну на огромной высоте над Землей, в ее прямой видимости будет находиться чуть ли не половина земной поверхности. Вот тут возникает ряд проблем. Чтобы этот передатчик работал, ему нужна электроэнергия. Провода с Земли к спутнику не протянешь, подвозить к нему топливо будет непомерно дорого, от ядерного реактора нечем отводить тепло. Поэтому вся аппаратура спутников питается от солнечных батарей, и мощность спутниковых телевизионных передатчиков невелика, как правило, 100-150 Вт. Для сравнения: наземные телевизионные передатчики в больших городах могут иметь мощность от 1 до 25 кВт. Другая проблема: если спутник вращается вокруг Земли, рано или поздно он оказывается с ее обратной стороны, заходит за горизонт — как Луна, например. Это недопустимо, ведь телевизионные программы необходимы круглосуточно. Поэтому спутники, используемые для телевидения, запускаются на так называемую геостационарную орбиту, которая расположена точно в плоскости экватора на удалении 35786 км от поверхности Земли. На этом расстоянии сила земного притяжения такова, что спутник может двигаться по орбите с угловой скоростью, точно равной угловой скорости Земли. Поэтому геостационарный спутник вращается вместе с Землей, оставаясь неподвижным относительно ее поверхности, как будто его насадили на спицу, проходящую через центр Земли. 35768 км — огромное расстояние, оно почти втрое больше диаметра нашей планеты! Таким образом, передатчик малой мощности располагается очень далеко от приемника, поэтому сигналы спутникового телевидения очень слабые. Чтобы обеспечить прием, используется ряд технических решений. В аналоговом спутниковом телевидении вместо обычной амплитудной модуляции используется частотная, что позволило снизить необходимое для приема отношение сигнал/шум более чем в 100 раз. Расплатой за выигрыш стало увеличение занимаемой полосы частот: для сигнала с ЧМ вместо 8 МГц потребовалось 36 МГц. Даже дециметровый диапазон для таких сигналов стал тесен, поэтому в спутниковом телевидении используется диапазон сантиметровых волн (3-30 ГГц), а точнее, два его поддиапазона, так называемые C-Band («си бэнд», 3400-4200 МГц) и Ku-Band («кей-ю бэнд», 10700-12750 МГц).

Другое решение — использование остронаправленных антенн, как на самом спутнике, так и в приемной системе. Передающая антенна спутника усиливает сигнал передатчика, сосредотачивая мощность на нужном направлении. Однако сделать усиление передающей антенны слишком большим нельзя — тогда вся мощность будет сконцентрирована на слишком маленьком участке земной поверхности. Чем большую территорию нужно обеспечить вещанием, тем меньше делается усиление передающей антенны. Мощность спутникового передатчика распределяется по некоторой площади. Распределение это неравномерно. В той точке зоны обслуживания, которая находится на оси передающей антенны, создается максимальная сила сигнала. Эта точка называется точкой прицеливания. В общем случае, чем дальше от точки прицеливания, тем сигнал слабее. Для оценки силы сигнала для каждого спутника в разных географических точках используются специальные карты, называемые footprint (отпечаток, след) или coverage zone («зона покрытия»). По-русски такие карты иногда именуются более благозвучно: «зона обслуживания». На них изолиниями соединяются точки земной поверхности, которым соответствует одинаковая ЭИИМ, эквивалентная изотропно излучаемая мощность (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP). Это мощность, которую должен был бы иметь передатчик спутника, если бы он работал на ненаправленную (изотропную) антенну, чтобы создать в данной точке земной поверхности сигнал такой же силы, которую создает реальный передатчик с направленной антенной. Другими словами, ЭИИМ — величина, учитывающая мощность спутникового передатчика и направленные свойства антенны для конкретного направления. ЭИИМ современных спутников в центре зоны обслуживания может составлять несколько сотен киловатт. Многие спутники имеют не одну, а несколько передающих антенн для вещания на разные страны, например, на Европу и Южную Африку. В этом случае для каждого «луча» (beam) составляется отдельная карта.

Теперь, когда мы знаем, что мощность спутникового сигнала распределяется по площади, легко понять назначение спутниковой приемной антенны. Ее задача — «собрать» эту мощность с некоторой площади и сконцентрировать в одной точке, где она будет преобразована в электрический сигнал. Понятно, что чем больше площадь антенны, тем больше будет мощность полезного сигнала на ее выходе. Отсюда следует очень важный вывод: усилительные свойства антенны зависят только от ее размеров, и практически не зависят от конструкции, формы, материала и т.п. На практике большое значение имеет также качество антенны — «кривая», механически поврежденная или просто сделанная грубо, будет работать хуже.