Параболические антенны

Параболические антенны

 

1. Назначение параболической  антенны

 

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное  для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др. В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики.

Зеркальные антенны  являются наиболее распространенным типом  направленных антенн в сантиметровом, дециметровом и, отчасти в метровом диапазонах волн. Широкое использование зеркальных антенн объясняется простотой конструкции, возможностью получения почти любого применяемого на практике диаграммы направленности, высоким коэффициентом полезного действия, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование суммарных и разностных диаграмм направленности общим зеркалом. Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном секторе углов. Зеркальные антенны являются также наиболее распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии.

Классическими представителями  зеркальных антенн являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или параболического цилиндра, ограниченного параллельными проводящими плоскостями.

 

 

2. Устройство параболической антенны

Параболическая антенна  состоит из отражающего металлического зеркала в форме параболоида вращения и излучателя, находящегося в его фокусе. В любой точке плоскости раскрыва зеркала параболической антенны электромагнитное поле синфазно, что определяется свойством параболы: сумма расстояний от фокуса до любой точки параболы и от этой точки до плоскости раскрыва всегда постоянна.

На рис.1 изображена параболическая антенна для диапазона частот 1215 – 1300 МГц. В фокусе параболического  зеркала (рис. 1) устанавливается облучатель, изображенный на рис. 2. Параболическое зеркало укреплено на вращающемся основании, которое позволяет фиксировать антенну в требуемом положении.

Рис. 1 Параболическая антенна

1 – каркас, 2 – отражающие  провода, 3 – облучатель, 4 –хомутик, 5 – полиэтиленовая штанга, 6 – диск, 7 – хомут

 

Рис.2 Конструкция облучателя

1 – труба, 2 – элементы  вибратора, 3- стрежень, 4 – кабель  коаксиальный, 5 – шайба, 6 – заглушка, 7 - шайба

Облучатель представляет собой полуволновый разрезной вибратор с рефлектором. Питание к облучателю подводится коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Облучатель укреплен на параболическом зеркале в двух точках с помощью хомутиков 4 и штанг 5 из полиэтилена длиной 1 м, на концах которых установлены винты М4 длиной 25 - 30 мм.

Каркас параболического  зеркала изготовлен из дюралюминиевой проволоки диаметром 6 - 8 мм. В центральной части каркаса параболического зеркала установлен диск 6 диаметром 200 мм из листового дюралюминия, к которому прикреплены облучатель, поворотное устройство и радиальные части каркаса зеркала. На собранный каркас со стороны выпуклой части зеркала натягивают отражающие провода 2 (зеркало антенны).

Антенна проста в изготовлении, имеет незначительную парусность и  практически не требует настройки.

 

3. Принцип действия  параболической антенны

Рассмотрим принцип  действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В раскрыве антенны  отраженная волна обычно имеет плоский  фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается выражением

(1)

где - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке 3:

Рис.3 Схема принципа действия параболической антенны

1 – зеркало, 2 – облучатель, 3 – сферический фронт волны  облучателя, 4 – плоский фронт  волны облучателя, 5 – диаграмма  направленности облучателя, 6 – диаграмма  направленности зеркала.

 

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный  в фокусе параболоида, создает у  поверхности зеркала сферическую  волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

 

 

4. Применение параболических зеркал в антенной технике

Облучатель в виде элементарного электрического вибратора  с плоским отражателем — «дипольно-рефлекторный»  — может быть реализован в конструкции, показанной на рис.4а. Диполь питается коаксиальной линией, проходящей по оси симметрии за зеркало, и присоединен к ней при помощи стакана, обеспечивающего симметричное питание. Одна половина вибратора соединена с внешним проводником линии, а другая — с построенным как его продолжение металлическим четвертьволновым цилиндром, к которому подходит внутренний проводник линии. Диаметр дискового контррефлектора обычно составляет около 0,8l. Фазовый центр облучателя находится приблизительно в плоскости контррефлектора.

Конструктивно более  прост облучатель в виде небольшого пирамидального рупора (рис. 4б). Размеры раскрыва рупора выбираются с тем расчетом, чтобы угловая ширина главного лепестка диаграммы направленности была приблизительно одной и той же в Е- и Н-плоскостях. Можно отметить, что волновод, питающий рупор, несколько искажает доле излучения зеркала, «заменяя» пространство. В то же время при облучении рупором мала кросс-поляризация, так как поле облучения более однородно.

В отличие от рассмотренного «волноводно-рупорного» облучателя «волноводно-вибраторный» (рис. 4в) и «волноводно-щелевой» (рис.4г) облучатели питаются волноводами, не затеняющими пространство.

Вибраторы, возбуждаемые излучением волновода (рис.4в), укрепляются на металлической пластинке, которая, будучи перпендикулярной вектору Е, не возмущает поля. При размерах системы, указанных на рисунке (при этом первый вибратор несколько короче, а второй - несколько длиннее полуволны), обеспечивается однонаправленное излучение на зеркало. Фазовый центр лежит между вибраторами.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4 Виды облучателей

На практике действие неравномерности облучения зеркала либо утечки энергии облучателя за его края бывает значительнее, чем это учтено в приближенном расчете, результаты которого приводились. К тому же нужно принимать во внимание фазовые отклонения, вызываемые неточностью изготовления зеркал. Поэтому обычно не удается достигнуть указанного выше максимального значения x=0,83. При допустимых фазовых отклонениях коэффициент использования может составлять

x=0,4÷0,6.

Облучатели для параболических цилиндров могут составляться из нескольких полуволновых вибраторов, располагаемых на фокальной линии. Это, в частности, могут быть щелевые вибраторы, питаемые волноводом.

 

 

 

 

                                            

Рис. 4

Параболическое зеркало  может использоваться в качестве антенны в весьма широком диапазоне  частот, который снизу ограничивается уменьшением относительных размеров раскрыва и усилением краевых эффектов, а сверху - трудностью соблюдения требуемых допусков конструкции. Поэтому рабочая полоса антенны определяется условиями согласования с линией передачи. При этом существенна «реакция зеркала» на облучатель. Предположим, что облучатель был согласован с линией без зеркала. Тогда в результате отражения от зеркала в питающей линии появится обратная волна, т. е. возникнет некоторое рассогласование. Если же облучатель согласован при наличии зеркала на фиксированной частоте, то реакция зеркала проявится при частотных отклонениях. В ряде случаев используются различные приемы частичного устранения реакции зеркала. Например, делается отверстие в его средней части (рис.4а) или помещается там металлический диск (рис. 41б). Диск при расстоянии от зеркала около четверти волны создает (как пассивная антенна) поле излучения, находящееся в противофазе с полем, подлежащим компенсации; нужная интенсивность излучения диска достигается подбором его размера. Впрочем, существуют приближенные формулы  для диаметра диска d, и его расстояния от зеркала а (см. рис.4,), при которых компенсация реакции зеркала должна быть наилучшей:

Для устранения реакции  зеркала облучатель может быть также  вынесен из области раскрыва (рис. 4в).

 

5. Основные технические характеристики параболических антенн

Одной из важнейших характеристик  наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T_S ) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/T_S (коэффициент шумовой добротности приёмного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру:

T_S = T_у + T_тр + T_а .  (2)

Здесь T_у - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно T_у ~ 40..60К); Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; T_а - эквивалентная антенная шумовая температура.

Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T_S при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие T_тр и T_а . Уменьшение T_тр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Антенная температура T_а растёт при уменьшении угла места D (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при D = 5…7⁰ в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла D путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места D увеличивается до 10^о .

Допуск на точность установки облучателя на оси зеркала должен соответствовать условию что отклонение от синфазного распределения не превышает p /4 . Это соответствует тому что | DZ | < l /8(1-cosy₀ ).

Рис.5. Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси.

Таким образом, при постоянном диаметре зеркала с ростом фокусного  расстояния что приводит к уменьшению угла y₀ , требуемая точность в установке облучателя снижается. Такой вывод имеет важное значение для практики, если речь идёт, например, об установке облучателя, который не имеет фазового центра.

Из-за неточности в установке  облучателя он может оказаться смещённым  из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.

Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:

D = 4p kF/l²,  (3)

где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = pr₀². (r₀ - диаметр зеркала.)

Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида. На рис.7 дана зависимость k от r₀ /f ( f - фокусное расстояние ), рассчитанная в предположении, что облучателем является элементарный вибратор с рефлектором.

Рис.6. Зависимость коэффициента использования поверхности от r₀ / f.

Как видно, имеется оптимальное отношение r₀ / f = 1,3 при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При r₀ / f = 1,3, величина k равна 0,83. Оптимальное значение r₀ / f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы облучателя и от отношения r₀ / f. При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения r₀ / f (рис.7).