параболічні антени
1. Призначення параболічної антени
Антеною називається радіотехнічне пристрій, призначений для випромінювання або прийому електромагнітних хвиль. Антена є одним з найважливіших елементів будь-якої радіотехнічної системи, пов'язаної з випромінюванням або прийомом радіохвиль. До таких систем відносять: системи радіозв'язку, радіомовлення, телебачення, радіоуправління, радіорелейного зв'язку, радіолокації, радіоастрономії, радіонавігації та ін. В конструктивному відношенні антена являє собою дроти, металеві поверхні, діелектрики, магнітодіелектрики.
Дзеркальні антени є найбільш поширеним типом спрямованих антен в сантиметровому, дециметровому і, почасти в метровому діапазонах хвиль. Широке використання дзеркальних антен пояснюється простотою конструкції, можливістю отримання майже будь-якого застосовуваного на практиці діаграми спрямованості, високим коефіцієнтом корисної дії, малої шумовий температурою, хорошими діапазонними властивостями і т.д. У радіолокаційних застосуваннях дзеркальні антени дозволяють легко отримати рівносигнального зону, допускають одночасне формування сумарних і різницевих діаграм спрямованості загальним дзеркалом. Деякі типи дзеркальних антен можуть забезпечувати досить швидке хитання променя в значному секторі кутів. Дзеркальні антени є також найбільш поширеним типом антен в космічного зв'язку і радіоастрономії.
Класичними представниками дзеркальних антен є параболічні антени, які можуть виконуватися у вигляді параболоїда обертання, параболічного циліндра або параболічного циліндра, обмеженого паралельними провідними площинами.
2. Пристрій параболічної антени
Параболічна антена складається з відображає металевого дзеркала в формі параболоїда обертання і випромінювача, що знаходиться в його фокусі. У будь-якій точці площини розкриву дзеркала параболічної антени електромагнітне поле синфазно, що визначається властивістю параболи: сума відстаней від фокуса до будь-якої точки параболи і від цієї точки до площини розкриву завжди постійна.
На рис.1 зображена параболічна антена для діапазону частот 1215 - 1300 МГц. У фокусі параболічного дзеркала (рис. 1) встановлюється опромінювач, зображений на рис. 2. Параболічне дзеркало укріплено на обертовому підставі, яке дозволяє фіксувати антену в необхідному положенні.
Мал. 1 Параболічна антена
1 - каркас, 2 - відображають дроти, 3 - опромінювач, 4 -хомутік, 5 - поліетиленова штанга, 6 - диск, 7 - хомут
Рис.2 Конструкція опромінювача
1 - труба, 2 - елементи вібратора, 3 стрижень, 4 - кабель коаксіальний, 5 - шайба, 6 - заглушка, 7 - шайба
Опромінювач є полуволновий розрізний вібратор з рефлектором. Харчування до опромінювача підводиться коаксіальним кабелем з хвильовим опором 75 Ом. Опромінювач укріплений на параболическом дзеркалі в двох точках за допомогою хомутиков 4 і штанг 5 з поліетилену довжиною 1 м, на кінцях яких встановлені гвинти М4 довжиною 25 - 30 мм.
Каркас параболічного дзеркала виготовлений з дюралюмінієвої дроту діаметром 6 - 8 мм. У центральній частині каркаса параболічного дзеркала встановлений диск 6 діаметром 200 мм з листового дюралюмінію, до якого прикріплені опромінювач, поворотний пристрій і радіальні частини каркаса дзеркала. На зібраний каркас з боку випуклої частини дзеркала натягують відображають дроти 2 (дзеркало антени).
Антена проста у виготовленні, має незначну парусність і практично не вимагає настройки.
3. Принцип дії параболічної антени
Розглянемо принцип дії дзеркальної антени. Електромагнітна хвиля, що випромінює опромінювачем, досягнувши провідної поверхні дзеркала, збуджує на ній струми, які створюють вторинне поле, зазвичай зване полем відбитої хвилі. Для того щоб на дзеркало потрапляла основна частина випромінювань електромагнітної енергії, опромінювач повинен випромінювати тільки в одну півсферу в напрямку дзеркала і не випромінювати в іншу півсферу. Такі випромінювачі називають односпрямованим.
У розкриваючи антени відбита хвиля зазвичай має плоский фронт для отримання гострої діаграми спрямованості або фронт, що забезпечує отримання діаграми спеціальної форми. На великих (в порівнянні з довжиною хвилі і діаметром дзеркала) відстанях від антени ця хвиля відповідно до законів випромінювання стає сферичної. Комплексна амплітуда напруженості електричного поля цієї хвилі описується виразом
де - нормована діаграма спрямованості, сформована дзеркалом.
П
ринцип дії найпростішої дзеркальної антени приведений на малюнку 3:
Рис.3 Схема принципу дії параболічної антени
1 - дзеркало, 2 - опромінювач, 3 - сферичний фронт хвилі опромінювача, 4 - плоский фронт хвилі опромінювача, 5 - діаграма спрямованості опромінювача, 6 - діаграма спрямованості дзеркала.
Точковий опромінювач (наприклад, маленький рупор), розташований у фокусі параболоїда, створює у поверхні дзеркала сферичну хвилю. Дзеркало перетворює її в плоску, тобто розходиться пучок променів перетворюється в паралельний, чим і досягається формування гострої діаграми спрямованості.
4. Застосування параболічних дзеркал в антеною техніці
Опромінювач як елементарного електричного вібратора з плоским відбивачем - «дипольно-рефлекторний» - може бути реалізований в конструкції, показаної на рис.4а. Диполь харчується коаксіальної лінією, що проходить по осі симетрії за дзеркало, і приєднаний до неї за допомогою склянки, обеспечівающе-го симетричне харчування. Одна половина вібратора з'єднана із зовнішнім провідником лінії, а інша - з побудованим як його продовження металевим чвертьхвильові циліндром, до кото-рому підходить внутрішній провідник лінії. Діаметр дискового контррефлектора зазвичай становить близько 0,8. Фазовий центр опромінювача знаходиться приблизно в площині контррефлек-тора.
Конструктивно більш простий опромінювач у вигляді невеликого пірамідального рупора (рис. 4б). Розміри розкриву рупора вибі-раются з тим розрахунком, щоб кутова ширина головної пелюстки діаграми спрямованості була приблизно однієї і тієї ж в Е- і Н-площинах. Можна відзначити, що хвилевід, що живить рупор, дещо спотворює частці випромінювання дзеркала, «замінюючи» про-странство. У той же час при опроміненні рупором мала крос-поля-ризация, так як поле опромінення більш однорідним.
На відміну від розглянутого «волноводно-рупорного» опромінити-теля «волноводно-вібраторних» (рис. 4в) і «волноводно-щілинний» (ріс.4г) облучатели харчуються хвилеводами, що не затеняющі-ми простір.
Вібратори, порушувані випромінюванням хвилеводу (ріс.4в), зміцнюються на металевій пластинці, яка, будучи перпендикулярній вектору Е, що не обурює поля. При раз-заходи системи, зазначених на малюнку (при цьому перший вібратор дещо коротший, а другий - трохи довший напівхвилі), забезпечується односпрямоване випромінювання на дзеркало. Фазовий центр лежить між вібраторами.
Рис.4 Види облучателей
На практиці дія нерівномірності опромінювання-ня дзеркала або витоку енергії опромінювача за його краю буває значніше, ніж це враховано в наближеному розрахунку, результати якого наводилися. До того ж потрібно брати до уваги фазові відхилення, викликані неточністю виготовлення дзеркал. Тому зазвичай не вдається досягти зазначеного вище максимального значення x = 0,83. При допустимих фазових відхиленнях коефіцієнт використання може становити
Опромінювачі для параболи-чеських циліндрів можуть складу-ляться з декількох полувол-нових вібраторів, розташовуються-мих на фокальній лінії. Це, зокрема, можуть бути щеле-ші вібратори, що живляться віл-новодом.
Параболічне дзеркало може використовуватися в якості антени в досить широкому діапазоні частот, який знизу ограни-чивается зменшенням відносних розмірів розкриву і зусилля-ням крайових ефектів, а зверху - труднощами дотримання тре-буєм допусків конструкції. Тому робоча смуга антени оп-ределяется умовами узгодження з лінією передачі. При цьому істотна «реакція дзеркала» на опромінювач. Припустимо, що опромінювач був узгоджений з лінією без дзеркала. Тоді в результа-ті відображення від дзеркала в живильної лінії з'явиться зворотна хвиля, т. Е. Виникне деяке неузгодженість. Якщо ж опромінити-тель узгоджений при наявності дзеркала на фіксованій частоті, то реакція дзеркала проявиться при частотних відхиленнях. У ряді випадків використовуються різні прийоми часткову компенсацію реакції дзеркала. Наприклад, робиться отвір в його середній частині (рис.4а) або поміщається там металевий диск (рис. 41б). Диск при відстані від дзеркала близько чверті хвилі створює (як пасивна антена) поле випромінювання, що знаходиться в протифазі з полем, що підлягають компенсації; потрібна інтенсивність-ність випромінювання диска досягається підбором його розміру. Втім, існують наближені формули для діаметра диска d, і його відстані від дзеркала а (див. Рис.4,), при яких когось компенсація реакції дзеркала повинна бути найкращою:
Для усунення реакції дзеркала опромінювач може бути також винесено з області розкриття (рис. 4в).
5. Основні технічні характеристики параболічних антен
Однією з найважливіших характеристик наземних антен є величина відносини коефіцієнта посилення антен (G) до сумарної шумової температури (T) на вході приймального пристрою. Очевидно, що для збільшення відносини G / T (коефіцієнт шумовий добротності приймального пристрою) слід збільшувати коефіцієнт посилення антени і зменшувати сумарну шумову температуру:
Тут Tу- шумова температура малошумящего підсилювача МШУ, до якого приєднана антена (зазвичай Tу
40..60К); Ттр - шумова температура тракту СВЧ тракту, що з'єднує антену з МШУ; Tа - еквівалентна антенна шумова температура.
Всі три складові порівнянні, і для збільшення відносини G / T при заданому значенні G (а значить, і розмірі антени) слід зменшувати складові tтр і Tа. Зменшення tтр досягають, поміщаючи МШУ можливо ближче до опромінювача, тобто скорочуючи довжину тракту харчування антени, або замінюючи хвилеводний тракт лучевода - системою перископічних дзеркал між опромінювачем і малим дзеркалом, що істотно знижує втрати в тракті харчування.
Антенна температура Tа росте при зменшенні кута місця (кут між напрямком максимального випромінювання і горизонтальною площиною) через збільшення поглинання радіохвиль в прилеглих до Землі шарах атмосфери і прийому шумів теплового випромінювання Землі. Для зменшення впливу шумів Землі необхідно забезпечити низький рівень бічних пелюсток антени. Це дозволяє при = 5 ... 7 0 в діапазоні 4/6 ГГц досить сильно пригнічувати шуми Землі, оскільки їх прийом відбувається через бічні пелюстки, близькі до максимуму. Крім того, при зменшенні кута шлях від ШСЗ до антени, що проходить в щільних шарах атмосфери подовжується, що веде до збільшення шумів, породжуваних втратами в атмосфері. У високочастотних діапазонах 11/14 і 20/30 ГГц, зважаючи на істотне зростання втрат в атмосфері мінімальний робочий кут місця збільшується до 10 о.
^ Допуск на точність установки опромінювача на осі дзеркала повинен відповідати умові що відхилення від синфазного розподілу не перевищує / 4. Це відповідає тому що Z / 8 (1-cos).
Рис.5. Допуск на точність установки опромінювача на фокальній осі.
Таким чином, при постійному діаметрі дзеркала з ростом фокусної відстані що призводить до зменшення кута . необхідної точності в установці опромінювача знижується. Такий висновок має важливе значення для практики, якщо мова йде, наприклад, про встановлення опромінювача, який не має фазового центру.
Через неточності в установці опромінювача він може виявитися зміщеним з фокуса не тільки по осі дзеркала, а й в напрямку, перпендикулярному цій осі. Таке зміщення призводить до повороту діаграми спрямованості антени. при цьому відхилення відбувається в сторону протилежну зсуву опромінювача.
^ Коефіцієнт спрямованого действіяD до напрямку максимального випромінювання розраховується за формулою:
Множник k є коефіцієнтом використання поверхні розкриву параболоїда. На рис.7 дана залежність k від 0 / f (f - фокусна відстань), розрахована в припущенні, що облучателем є елементарний вібратор з рефлектором.
Рис.6. Залежність коефіцієнта використання поверхні від / f.
Як видно, є оптимальне співвідношення / f = 1,3 при якому k і, отже, коефіцієнт спрямованої дії виходить максимальним. При f = 1,3, величина k дорівнює 0,83. Оптимальне значення / f визначається наступними факторами. Частина енергії, випромінюваної облучателем, проходить повз дзеркала. Кількість втрачається енергії залежить від форми діаграми опромінювача і від ставлення / f. При заданій формі діаграми опромінювача втрати енергії збільшуються зі зменшенням відносини / f (рис.7).
Рис.7. Оптимальна форма діаграми опромінювача.
Ця обставина призводить до зменшення коефіцієнта k у міру зменшення відносини / f. Однак з іншого боку зменшення відносини f супроводжується збільшенням рівномірності опромінення дзеркала, що супроводжується збільшенням коефіцієнта k. В результаті дії двох зазначених факторів виходить оптимальне співвідношення f,
яке в разі елементарного вібратора з рефлектором одно 1,3.
Коефіцієнт усіленіяG по потужності антени з параболічним рефлектором діаметром ^ D підвищується при збільшенні ефективної площі рефлектора Sеф і при зменшенні довжини хвилі сигналу. Його знаходять за формулою (в відносних одиницях):
Тут - коефіцієнт використання поверхні рефлектора. показує яка частка потужності сигналу, зібраної рефлектором, потрапляє в опромінювач. З формули випливає, що сигнали на виходах антен з рефлекторами, у яких однакові ефективні площі в діапазонах
будуть відрізнятися в 9 разів. проте на сомом справі такого відмінності немає: у вільному просторі відбувається загасання енергії електромагнітних хвиль, яке визначається зменшенням щільності потоку потужності при видаленні від джерела (антени передавача).
ЗатуханіеL0 росте при збільшенні відстані R і зменшенні довжини хвилі електромагнітних коливань відповідно до формули: L0 = 16R / . Для діапазону 12 ГГц ( = 2,5 см) і відстані R. рівного 36 000 км, загасання L0 досягає 3,25. 10 20 (
У підсумку, з двох наведених формул випливає, що при однаковій площі параболічних рефлекторів прийомних антен і однакових потужностях передавачів сигнали на виходах антен в діапазонах 4 і 14 ГГц будуть приблизно однакові.
Ширину діаграми спрямованості (, в градусах) можна приблизно оцінити, користуючись співвідношенням: D.
6. Висновок
Дзеркальні антени - антени, в яких для фокусування високочастотної електромагнітної енергії використовується явище дзеркального відображення від криволінійних металевих поверхонь (дзеркал). За розмірами дзеркало значно перевершує довжину хвилі. Основні модифікації Дзеркальні антени визначаються кількістю відбивачів: відомі одно-, дво- і трёхзеркальние антени. Конструктивно дзеркальні антени виконують у вигляді металевих або металізованих поверхонь різної форми. Для зниження маси дзеркал і зменшення тиску вітру (парусність) на їх поверхню дзеркала нерідко виготовляють не з суцільного матеріалу, а з сітки проводів або паралельних пластин, а також з перфорованих металевих листів.