Двухзеркальная антенна с поворотом поляризации

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

введение

 

Общими недостатками однозеркальных антенн (ОЗА) являются неудобство вывода высокочастотной энергии к облучателю, относительно большие продольные размеры (фокусное расстояние сравнимо с диаметром зеркала) и ограниченный сектор сканирования при смещении облучателя из фокуса в фокальной плоскости. Длинный фидерный тракт и система крепления облучателя увеличивают массу антенны, затенение раскрыва и рассеяние энергии. В случае использования сложных облучателей (моноимпульсные и сканирующие ОЗА) этот недостаток проявляется еще сильнее. При выборе размеров антенны для обеспечения необходимых параметров у обычной ОЗА мало степеней свободы, ее возможности ограничены сменой соотношения диаметра зеркала к фокусному расстоянию, а также изменением в небольших пределах диаграммы направленности (ДН) облучателя.

Этих недостатков практически  лишены многозеркальные антенны.

Двухзеркальные антенны (ДЗА) обычно имеют меньшие продольные размеры по сравнению с однозеркальными, позволяют более точно реализовать необходимые параметры, поскольку можно управлять размерами и формой большего количества элементов (два зеркала, облучатель, расстояние между ними). У двухзеркальных антенн облучатель можно размещать непосредственно у вершины основного зеркала. Это упрощает конструкцию антенны (особенно, если облучатель сложный) и укорачивает длину фидера, что способствует уменьшению массы антенны, увеличению ее КПД и снижению шумовой температуры.

Возможности двухзеркальных простых  и апланатических систем по сканированию путем перемещения отдельных элементов системы тоже выше, чем у обычных ОЗА. В ДЗА появляются дополнительные возможности для реализации широкоугольного сканирования и уменьшения затенения раскрыва с помощью использования малых зеркал, выполненных из параллельных проводов (трансрефлекторов), и больших зеркал с поворотом плоскости поляризации (твистрефлекторов). Затенение целиком устраняется в несимметричных ДЗА. ДЗА удобны для построения многоканальных и многофункциональных систем.

 

 

 

 

 

1. Общие сведения и простейшие схемы двухзеркальных антенн

На рисунке 1,а изображена общая схема двухзеркальной антенны. Она состоит из облучателя, электромагнитное излучение которого освещает поверхность небольшого зеркала, служащего для переизлучения падающей от облучателя волны в сторону зеркала большого размера. После отражения от последнего волна образует в его раскрыве требуемое амплитудно-фазовое распределение. В соответствии с размерами будем пользоваться терминами: «малое зеркало», «большое» или «основное зеркало».

Наиболее широкое распространение  в антенной технике получили зеркала, формы поверхности которых являются телами вращения кривых второго порядка - параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, - носящих название конических сечений.

Процессы переизлучения малым  зеркалом и формирования поля в раскрыве основного зеркала принято в  теории антенн трактовать с позиции  геометрической оптики, пользуясь концепцией падающих и отраженных лучей. При достаточно большом (в единицах длины волны) расстоянии облучателя от основного рефлектора, а также при достаточно большом радиусе кривизны обоих зеркал такая трактовка дает хорошее приближение к истинным результатам. Исходя из этой концепции, можно утверждать, что сферическая волна, излученная из фокуса параболоида, преобразуется зеркалом в плоскую, а исходя из какого-либо фокуса параболоида или эллипсоида после переизлучения, поле сохраняет сферическую форму фронта волны, но ее фазовый центр переносится во второй фокус малого зеркала.

Рисунок 1. Основные типы двухзеркальных антенн.

 

Если второй фокус (точку фазового центра) совместить с фокусом параболоида, то после второго переизлучения от параболоида образуется плоская волна. Рисунок 1 иллюстрирует эти положения на примере траектории лучей фокальной плоскости зеркал. Гиперболическое зеркало может быть обращено в сторону параболического выпуклостью или вогнутостью. Промежуточное положение между выпуклым и вогнутым параболоидами занимает плоскость. В случае плоского малого зеркала переизлученная сферическая волна имеет фазовый центр на расстоянии зеркального изображения точки фазового центра облучателя. Эллиптическое зеркало обращено всегда вогнутостью к параболическому.

Изображенные на рисунке 1,б,в схемы двухзеркальных антенн с малыми выпуклыми и вогнутыми зеркалами в сторону большого зеркала заимствованы из астрономической оптики и названы соответственно именами изобретателей зеркальных телескопов Кассегрена и Грегори .

Антеннами Кассегрена и Грегори  не исчерпываются возможные варианты построения двухзеркальных антенн.

На рисунке 1,г показаны профили зеркал, у которых так же, как в схеме Грегори, один из фокусов эллипсоида F₁ совмещен с облучателем, а другой - F₂ с фокусом параболоида, но фокальные оси этих зеркал F₁F₂ и OF₂ образуют между собой угол, а осью симметрии в целом является прямая АА₁, смещенная относительно линии OF₂ на отрезок а, равый радиусу малого зеркала. По этой причине антенны, построенные по схеме на рисунке 1,г, называются антеннами со смещенной фокальной осью.

У таких антенн отсутствуют лучи, возвращающиеся после отражения от зеркала обратно к облучателю. Поэтому в приближении геометрической оптики можно считать, что в антенне на рисунке 1,г устранено влияние отраженной волны на облучатель. Схемы Кассегрена и Грегори без специальных мер отличаются весьма значительным влиянием на облучатель отраженной от малого зеркала волны.

Заметим, что у антенны со смещенной  фокальной осью лучи облучателя, близкие  к оси антенны, после отражения  от малого зеркала направляются на периферию большого зеркала, а лучи, попадающие на участки близкие к краю малого зеркала, направляются к центральной части раскрыва антенны. Поскольку максимум диаграммы направленности облучателя ориентирован, как правило, вдоль оси антенны и уровень поля убывает с отклонением от оси, то это ведет к усилению поля в периферийных областях и ослаблению поля в центральных областях раскрыва большого зеркала.

В двухзеркальных антеннах возможно большое зеркало сферической формы. Как и во всех других схемах, форма малого зеркала при сферическом большом зеркале рассчитывается таким образом, чтобы в раскрыве большого зеркала сформировался плоский фронт волны.

В отличие от параболической поверхности  сфера не имеет точки фокуса, но небольшая часть поверхности  сферы достаточно точно может быть аппроксимирована параболоидом с фокусным расстоянием, равным половине радиуса сферы. Поэтому по примеру схемы Кассегрена и Грегори малое зеркало двухзеркальной антенны с основным сферическим отражателем малой глубины должно иметь соответственно гиперболическую или эллиптическую форму. Если же поверхность основного зеркала составляет значительную часть сферы, то периферийные области малого зеркала будут иметь форму, отличную от гиперболической или эллиптической.

Дополнительный отражатель в двухзеркальных антеннах позволяет по- новому решать проблему качания (сканирования) главного лепестка диаграммы направленности. Если в однозеркальной антенне сканирование при неподвижном зеркале возможно лишь путем перемещения облучателя перпендикулярно фокальной оси, то в двухзеркальной антенне качание можно осуществить также и путем поворота малого зеркала вокруг его вершины. Однако в обоих случаях сканирование без заметного ухудшения направленных свойств допустимо лишь в весьма ограниченном секторе углов, что вынуждает в этих случаях при необходимости обзора обширных областей пространства предусматривать поворот всей антенно-фидерной системы. От этого недостатка свободны антенны со сферическими зеркалами, в чем и заключается их главное достоинство. В силу центральной симметрии сферического отражателя сканирование главного лепестка диаграммы направленности без искажения возможно путем совместного вращения малого зеркала и облучателя вокруг центра сферы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор типа поляризации облучателя.

 

Поляризационные характеристики облучателей для зеркальных антенн имеет смысл рассматривать с  двух точек зрения: выбор типа поляризации  и поляризационные аберрации. Выбор типа поляризации зависит от специфики применения антенны. Обычно встречаются следующие типы поляризации:

- фиксированная линейная,

- регулируемая линейная,

- крестообразная,

- круговая правовращающаяся,

- круговая левовращающаяся 

- эллиптическая.

 Возможны также комбинации  различных типов поляризации.  Так, например, известен радиолокатор, в котором при плохой погоде круговая поляризация используется для подавления помех от дождя, а в отсутствие дождя работа ведется на линейно-поляризованных волнах. Эллиптическая поляризация требуется редко, однако при задании характеристик круговой поляризации обычно оговаривают допустимую эллиптичность или отношение осей.

Задание допуска на поляризацию  по существу означает введение допуска на ортогонально поляризованную составляющую и приводит к понятию поляризационных аберраций. Для большинства остронаправлеиных антенн требуется наличие заданной поляризации на оси. И если ортогонально поляризованная составляющая достаточно мала в точках на оси, поляризационную характеристику считают приемлемой. Однако существует много применений, в которых поляризационные аберрации значительны в широком угловом секторе и их нужно описывать диаграммой, а не заданием их значения на оси.

Наиболее известны диаграммы  поляризационных аберраций в  виде кроссполяризационных лепестков, расположенных вблизи оси параболоида (рисунок 2). У параболоида с вынесенным облучателем имеются ортогонально поляризованные компоненты, расположенные вблизи от оси. Как и можно было ожидать, сдвиг облучателя относительно оси сопровождается сдвигом диаграмм кроссполяризационных составляющих. Особенно заметны эти эффекты у антенн с дипольными облучателями; в случае рупорного облучателя их влияние менее существенно.

 

 

Рисунок 2. Кроссполяризационные лепестки

в параболоидной антенне.

 

Определение кроссполяризационных составляющих во вторичной диаграмме  излучения системы облучатель— зеркало производится по векторному полю облучателя и геометрии зеркала. Можно считать, что облучатель создает векторное поле на единичной сфере излучения (радиус сферы больше 2D²/λ). Это поле комплексных векторов называется векторной диаграммой излучения и может быть выражено через ортогональные составляющие, которые, в свою очередь, могут быть измерены.

По-видимому, наилучшим примером нежелательного влияния поляризационных аберраций является случай возбуждения в зеркальной антенне волны с круговой поляризацией. Для возбуждения волны с круговой поляризацией требуются две ортогонально-поляризованные волны одинаковой амплитуды и поэтому присутствие аберраций может оказаться серьезной проблемой. Отсюда следует, что наличие круговой поляризации в направлении максимума излучения облучателя не гарантирует наличия круговой поляризаций в направлении максимума излучения зеркала. В действительности было показано, что во многих случаях для получения оптимальной круговой поляризации в результирующей диаграмме направленности антенны желательно, чтобы поляризация облучателя отличалась от идеальной круговой. Для зеркал с полностью или частично параболическими профилями были разработаны методы, позволяющие установить связь между эллиптичностью поляризации облучателя и эллиптичностью поляризации излучения антенны.

 

3. Двухзеркальная антенна с поворотом поляризации

 

Недостатком двухзеркальных антенн является затенение раскрыва антенны малым зеркалом. Однако в случаях, когда используются волны с линейной поляризацией, затенение раскрыва можно значительно уменьшить. Для этого используются поверхности, при отражении от которых плоскость поляризации волны поворачивается на 90^о – твистрефлектор.

Твистрефлектор (рефлектор с поворотом поляризации) содержит (рисунок 3) поляризационную структуру 1 в виде набора параллельных проводников, имеющих одинаковую ширину (диаметр) d и шаг структуры S, размещенных над проводящей поверхностью 2 (экраном) на расстоянии L, например, с помощью диэлектрического материала 3 с малыми потерями. Ориентация проводников составляет угол 45^o к вектору поляризации падающего на твистрефлектор электромагнитного поля. Над указанной поляризационной структурой со стороны источника излучения размещена, по крайней мере, еще одна структура 4 с увеличенными шагом S₁ и расстоянием L₁.

Простейший твистрефлектор состоят из трансрефлектора, расположенного на расстоянии четверть длины волны от сплошного зеркала или другого трансрефлектора. Решетка из параллельных металлических пластин, образующих четвертьволновую пластину, дает твистрефлектор, если его наложить на сплошное зеркало. Твистрефлектор можно получить, воспользовавшись каким-либо природным или искусственным диэлектриком, чувствительным к поляризации волн.

 

Рисунок 3. Общий вид  твистрефлектора