Материал: Параболические антенны

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.

Устройство параболической антенны

Параболическая антенна состоит из отражающего металлического зеркала в форме параболоида вращения и излучателя, находящегося в его фокусе. В любой точке плоскости раскрывает зеркала параболической антенны электромагнитное поле синфазно, что определяется свойством параболы: сумма расстояний от фокуса до любой точки параболы и от этой точки до плоскости раскрывает 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 М 4 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 облучатель электромагнитный радиотехнический

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

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 раскрывании 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.

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 0,8. 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=0,4ч0,6.

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

Рис. 4.1

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.4.1а) или помещается там металлический диск (рис. 4.1б). 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. 4.1в).