Материал: Параболические антенны
Основные технические характеристики параболических антенн
Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (TS--) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/TS (коэффициент шумовой добротности приёмного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру:
TS--= Tу + Tтр + Tа. (2)
Здесь Tу - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно Tу ~ 40..60К); Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Tа - эквивалентная антенная шумовая температура.
Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T? при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа. Уменьшение Tтр 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 Tа 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 10о.
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-cosy_).
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--y_, 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 = pr_2.
(r_ - 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 r_--/ f.
Как видно, имеется оптимальное отношение
r_--/ f = 1,3
при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При r_--/--f = 1,3, величина k равна 0,83. Оптимальное значение--r_ / f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы облучателя и от отношения r_--/ f. При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения r_ / f (рис.7).
Рис.7. Оптимальная форма диаграммы облучателя.
Это обстоятельство приводит к уменьшению коэффициента k по мере уменьшения отношения r_/f. Однако с другой стороны уменьшение отношения r_--/--f сопровождается увеличением равномерности облучения зеркала, что сопровождается увеличением коэффициента k. В результате действия двух указанных факторов получается оптимальное соотношение r_--/--f,которое в случае элементарного вибратора с рефлектором равно 1,3.
Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром D повышается при увеличении эффективной площади рефлектора Sэф и при уменьшении длинны волны l--принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):
G = 4p--Sэф / l2, (4)
где
Sэф = hpD2/4,
Здесь h - коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель. Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (l=7,5 см) и 12 ГГц (l= 2,5 см),будут отличаться в 9 раз. однако на сомом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).
Затухание L0 растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны l--электромагнитных колебаний в соответствии с формулой:
L0 = 16p--2R2--/l2
Для диапазона 12 ГГц (l = 2,5 см) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L0 достигает 3,25 . 1020 (~203 дБВт).
В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.
Ширину диаграммы направленности (j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением:
j--=--69l/D
Вывод
Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов.
Литература
- 1. Антенны и устройства СВЧ / Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В. М Максимов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. - Изд. МАИ, 1999.- 528 с.: ил.
- 2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1. М.: "Высшая школа", 1970
- 3. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. М.: Горячая линия-Телеком, 2008