Красить или нет?⁠⁠

На создание поста меня натолкнули многочисленные споры вокруг постов о покраске спутниковых телевизионных тарелок, которые периодически появляются на Пикабу. Антенны висят годами на улице, со временем их краска облупляется и поверхность окисляется, антенна теряет вид. В результате чего, люди с пятеркой по Изо и гипертрофированным чувством прекрасного берут в руки кисти и обновляют краску, иногда создавая реально красивые рисунки.

Ивановский пенсионер Юрий Кузнецов расписывает спутниковые тарелки

Противники этого дела, обычно из числа радиолюбителей, с пеной у рта доказывают, что этого делать нельзя, тк краска должна быть специальная, иначе волны будут поглощаться/рассеиваться и характеристики антенны испортятся.

Обе стороны приводят аргументы, но консенсуса обычно нет, тк обе стороны в чем-то правы.

В этой связи я решил внести свою лепту и промоделировать влияние лакокрасочного покрытия на характеристики антенны. Для моделирования буду использовать пакет численного моделирования Ansys HFSS 2020R2 (можно и другой, но умею только в этот), который использует различные численные методы на основе уравнений горячо любимого товарища Максвелла.

Пост постараюсь писать нарочито просто дабы не смущать разумением.

Ликбез.

Спутниковая антенна состоит из тарелки (или рефлектора/зеркала) и излучателя, который облучает (если антенна работает на передачу) или принимает (если на прием) сигнал, дальше будем называть его облучатель.

Принцип работы параболической антенны такой же как у линзы, все лучи пришедшие перпендикулярно в тарелку, собираются в одну точку (фокус). В фокусе стоит облучатель, который принимает сигнал и передает его дальше в обработку. На обычной спутниковой тарелке обработка происходит сразу после облучателя, сигнал усиливается и понижается частота. Поэтому облучатель в комплектах оборудования к спутниковому ТВ обычно называют конвертором, тк он совмещен с несколькими устройствами.

Если же лучи приходят не перпендикулярно, а под каким-то другим углом, то фокус будет смещен (offset) в сторону, туда же смещают облучатель. В России как раз популярны такие офсетные тарелки, со смещенным облучателем. Антенна усиливает в таком положении хуже, но лучше стекает вода, не образуется наледь и нет затенения облучателем. На рисунке выше показана как раз офсетная антенна.

Создание модели 1

Сразу оговорюсь, что модель в может быть не совсем точной с точки зрения геометрии, тк у разных производителей может отличаться крепление облучателя и его внутренняя геометрия. Я буду рассматривать влияние толщины и диэлектрической проницаемости краски на Коэффициент усиления антенны, который не учитывает проблему рассогласования излучателя (параметр Gain). На диаграмму безусловно влияют штанга, конструктив зеркала и тд, но в данном конкретном случае они лишь усложнят модель.

Для создания модели было использована встроенная утилита HFSS Antenna Toolkit, которая позволяет генерировать проекты различных антенн под заданные параметры.

Размеры снял с тарелки, которая есть у меня на даче. Диаметр зеркала 55 см, облучатель – конический рупор с круговой поляризацией, частота 10,75 ГГц. Смещение из фокуса – 25 см.

Для расчета использовался гибридный метод МКЭ (рассчитывается облучатель) + ИУ (рассчитывается зеркало). Для получения более качественной сетки использовались криволинейные элементы для поверхности зеркала.

Для описания лакокрасочного покрытия на тарелке использовалось граничное условие Layered Impedance. Толщина ЛКП задана через параметр T_kraska, диэлектрическая проницаемость краски – через параметр $EpsK.

Посмотрев в интернетах, задал пределы изменения толщины ЛКП от 50 мкм до 1 мм (если красить кистью от души в несколько слоев). Для диэлектрической проницаемости обычной краски те же интернеты дают значение в пределах 5 – 7, для расчета пределы варьирования задал побольше от 1 (воздух) до 10. Магнитную проницаемость оставил равной 1, тк маловероятно, что кто-то будет замешивать в краску с рынка магнитный порошок.

Из результатов видно, что краска практически не влияет на КСВ антенны, колебание которого происходит на уровне ошибки моделирования. На коэффициент усиления, влияние небольшое в худшем случае при толщине краски 1 мм и диэлектрической проницаемости 10, коэффициент усиления теряет 1 дБ, причем по опыту это завышенное значение, которое скорее всего вызвано ограничениями используемого граничного условия на поверхности тарелки.

Создание модели 2

Далее решил провести еще один расчет, на случай если, кто-то найдет проводящую ток краску для своей антенны.

В этом случае параметры выбрал немного другие. Для описания проводящего лакокрасочного покрытия на тарелке использовалось граничное условие Layered Impedance. Толщина ЛКП задана 100мкм, шероховатость поверхности параметром rud, объемная проводимость краски – через параметр $CondK.

После непродолжительного гугления нашел, что шероховатость поверхности принято делить по классам, где 1 (самый шершавый) не хуже 320мкм, а 5 (как у кота) не хуже 20 мкм (просьба не кидаться тапками блюстителей ГОСТов если что не так). Поэтому диапазон для параметра rud задал в пределах 1 до 300мкм.

Из учебников известно, что объемная проводимость Серебра равна 63 [МСм/м], железа равна 10 [МСм/м], поэтому параметр $CondK буду варьировать в пределах от 0,1 до 10 [МСм/м], тк краска скорее всего будет иметь меньшую проводимость, чем металлическое покрытие.

Результаты:

Из результатов второго моделирования видно, что в случае проводящей краски влияние практически отсутствует. КСВ антенны также колеблется на уровне ошибки моделирования. На коэффициент усиления, влияние еще меньше. Самая шершавая поверхность с объемной проводимостью в 100 раз меньшей проводимости железа отнимает у КУ 0,3 дБ, что и ожидаемо, тк поверхность зеркала для многих зеркальных антенн, делают вообще из мелкоячеистой сетки (например, на космических аппаратах это позволяет здорово экономить массу), эффективная объемная проводимость которой и того меньше.

Таким образом видно, что даже в случае довольно толстого нанесения краски с повышенным эпсилон не дает серьезного ухудшения Коэффициента усиления антенны. С проводящей краской такая же история.

Покраска тарелки не окажет серьезного влияния на просмотр ТВ, особенно если красить не в много слоев.

Важное дополнение: облучатель (а точнее его радиопрозрачную часть) лучше не трогать там влияние будет значительным. Покрасив его проводящей краской, Вы гарантировано лишитесь просмотра телепередач.