Дзеркальна антена 1

Параболічний радіотелескоп обсерваторії Arecibo Observatory в Пуерто Ріко. Діаметр рефлектора - 305 метрів, посилення - 70 dBi, працює на частоті близько 2.38 GHz. [1]

Дзеркальна антена - антена. у якій електромагнітне поле в розкриві утворюється за рахунок відображення електромагнітної хвилі від металевої поверхні спеціального дзеркала (рефлектора). Як джерело хвилі зазвичай виступає невеликий випромінювач, наявний у фокусі дзеркала. В його ролі може бути будь-яка інша антена з фазовим центром, що випромінює сферичну хвилю. Основна мета дзеркальних антен зводиться до перетворення сферичного або циліндричного фронту хвилі в плоский фронт [2].

Перша параболічна антена, розроблена Генріхом Герцем

Параболічна антена була винайдена німецьким фізиком Генріхом Герцем в 1887 році. Герц використовував циліндричні параболічні рефлектори для іскрового збудження дипольних антен під час своїх експериментів. Антена мала розмір апертури в 1,2 метра завширшки і використовувалася на частоті близько 450 МГц. Відбивач був зроблений з цинкової листової сталі. З двома такими антенами, вона з якої була передавальної, а інша - приймальні, Герц успішно продемонстрував існування електромагнітних хвиль, які 22 роками раніше були передбачені Максвеллом.

Розробка радарів під час Другої світової війни надала поштовх розробкам нових форм параболічних антени, були створені антени з секторними діаграмами спрямованості. Після війни були створені параболічні антени з діаметрами дзеркала в 60 метрів (Ведмежі озера в СРСР), 100 метровий радіотелескоп в Грін-Бенк, Західна Вірджинія і інші.

У 1960-х дзеркальні антени стали широко застосовуватися для наземних радіорелейних мереж зв'язку. Перша параболічна антена, яка використовується для супутникового зв'язку була побудована в 1962 році на Гунхіллі в Корнуолл, Англія, щоб працювати із супутником зв'язку Telstar. Антена Касегрена антена була розроблена в Японії в 1963 році в NTT, KDDI і Mitsubishi Electric. Поява в 1980-і роки комп'ютерів, здатних проводити складні розрахунки діаграм спрямованості параболічних антен, призвело до розробки складних асиметричним і многозеркальних антен.

Структура дзеркальної антени

Типова сумарно разностная діаграма параболічної антени з бічними пелюстками

Рефлектор офсетної антени вирізаний збоку з параболоїда обертання

Дзеркальні антени є одними з найпоширеніших вузько антен діапазону УКВ [2].

Зазвичай в дзеркальних антенах відбувається перетворення ширшої діаграми спрямованості опромінювача в вузьку діаграму спрямованості самої антени [2].

Кромка дзеркала і площину Z утворюють поверхню звану розкривом дзеркала. При цьому радіус R називається радіусом розкриття, а кут 2ψ - кутом розкриву дзеркала. Від кута розкриву залежить тип дзеркала [3]:

• якщо ψ <π/2 — зеркало называют мелким или длиннофокусным;
• якщо ψ> π / 2 - глибоким або короткофокусним,
• якщо ψ = π / 2 - середнім.

Фокус опромінювача антени може як розташовуватися в фокусі дзеркала F, так і бути зміщеним щодо нього. Якщо фокус опромінювача розташований у фокусі антени, то вона називається прямофокусной. Прямофокусниє антени існують різних розмірів, в той час як осенесімметрічние антени, опромінювач яких знаходиться не у фокусі дзеркала, зазвичай не перевищують в діаметрі більше 1,5 м [4]. Такі антени часто називають офсетними. Перевага офсетного антени це більший коефіцієнт посилення антени, що обумовлено відсутністю затінення розкриву дзеркала опромінювачем [4]. Рефлектор офсетних антен є бічну вирізку з параболоїда обертання. Фокус облучателей в таких антенах розташований в фокальній площині рефлектора.

Дзеркальна антена може мати додаткове еліптичне дзеркало (двухзеркальная схема Грегорі) або додаткове гіперболічне дзеркало (двухзеркальная схема Кассегрена), з фокусами, розташованими в фокальній площині дзеркальної антени. При цьому опромінювач розташований у фокусі додаткового дзеркала.

Дзеркальна антена може мати одночасно кілька опромінювачів, розташованих в фокальній площині антени. Кожен опромінювач формує діаграму спрямованості, спрямовану в потрібному напрямку. Опромінювачі можуть працювати в різних діапазонах хвиль (С. Ku. Ka) або кожен одночасно в декількох діапазонах.

Розташування фокуса і фокальній площині дзеркала антени не залежить від робочого діапазону хвиль.

Залежно від поставлених завдань і опромінювача дзеркальна антена формує одну вузькоспрямовану сумарну, сумарно-різницеву діаграму спрямованості (для пеленгаторів) або одночасно кілька різноспрямованих діаграм - при використанні декількох опромінювачів.

У техніці найбільшого поширення знайшли такі типи дзеркал:

1. параболічні дзеркала перетворять циліндричну або сферичну хвилю в плоску. Для циліндричної хвилі - дзеркало являє собою параболічний циліндр. для сферичної хвилі - параболоїд обертання [2].
2. сферичні дзеркала мало відрізняються від параболічних дзеркал з фокусною відстанню рівним половині радіуса сфери [2].
3. плоскі дзеркала в основному використовуються в вібраторних антенах і іноді в перископічних і гостронаправлених [2]. при цьому система з двох дзеркал, які перебувають під певним кутом один до одного, утворюють разом з симетричним вібратором (опромінювач) кутикової антену (тип дзеркала в даному випадку називають уголковим) [5].
4. дзеркала спеціального профілю частіше являють собою параболічні дзеркала з розрахованим відхиленням від параболічної поверхні. Основна мета використання таких антен - формування діаграми спрямованості спеціальної форми, наприклад, косекансной [2] або будь-якої заданої форми. Дзеркала спеціальної форми, можуть застосовуватися також для створення діаграми спрямованості, комформность зоні обслуговування, в якій працює радіостанція (приклад: супутник, базова станція стільникового зв'язку). Основна мета використання таких дзеркал - економія енергетичного ресурсу РЕЗ при максимальній якості прийому - передачі в зоні обслуговування.

• Прямофокусная параболічна дзеркальна антена

  

  Основні типи конструкція параболічних антен

  Дзеркало зазвичай складається з діелектричної основи (вуглепластик - для космічних антен), яку покривають металевими листами, що проводить фарбою, фольгою [5]. При цьому листи часто є перфорованими, або представляють собою сітку, що обумовлено прагненням знизити вагу конструкції, а також максимально знизити опір вітру і опадів. Однак таке несплошное дзеркало призводить до таких наслідків: частина енергії проникає крізь дзеркало, що призводить до ослаблення КНД антени, і посилення випромінювання позаду рефлектора. Ефективність антени з несуцільним дзеркалом розраховується за формулою T = P p r P p a d >>>>. де P p r> - потужність випромінювання позаду рефлектора, а P p a d> - потужність випромінювання рефлектора (падаючої хвилі) [5]. якщо T <0. 01 . несплошное зеркало считают хорошим. Данное условие обычно выполняется при диаметре отверстий перфорированного зеркала менее 0. 2 λ и суммарной площади отверстий до 0. 5 − 0. 6 от всей площади зеркала [5]. Для сетчатых зеркал диаметр отверстий не должен превышать 0. 1 λ [5] .

  Діаграма спрямованості параболічної антени формується облучателем. Опромінювачів в антені може бути один або кілька, відповідно в антені формується одна або кілька діаграм спрямованості. Робиться це, наприклад, для того, щоб приймати сигнал одночасно з декількох космічних супутників зв'язку.

  Розкривши облучателей розташований у фокусі параболічного рефлектора або в його фокальній площині, якщо використовується кілька опромінювачів в одній антені. Кілька облучателей формують в одній антені кілька діаграм спрямованості, це необхідно при наведенні однієї антени відразу на кілька супутників зв'язку.

  

  Параметри параболічної антени. Ширина ДН, рівень бічних пелюсток, посилення

  Кутова ширина променя антени і її діаграма спрямованості не залежить, чи працює антена на прийом або на передачу. Ширина променя визначається за рівнем половинної потужності променя, тобто за рівнем (-3 дБ) від його максимального значення. Для параболічних антен, то цей рівень визначається за формулою:

  де K є фактором, який ледь змінюються в залежності від форми відбивача, а d- діаметр рефлектора в метрах, ширина діаграми по половинній потужності θ в градусах. Для 2 - х метрової супутникової антени, що працює C діапазоні (3 - 4 ГГц. На прийом і 5 - 6 ГГц. На передачу), ця формула дає ширину діаграми спрямованості близько 2,6 °.

  Посилення антени визначається за формулою:

  При цьому існує зворотна залежність між посиленням і шириною променя.

  Параболічні антени великих діаметрів формують дуже вузькі промені. Наведення таких променів на супутник зв'язку стає проблемою, так як замість основної пелюстки можна навести антену на бічній пелюстка.

  Діаграма спрямованості антени є вузький головний промінь і бічні пелюстки. Кругова поляризація в головному промені задається відповідно до завдань, рівень поляризації в різних місцях головного променя різний, в перших бічних пелюстках поляризація змінюється на протилежну, ліва - на праву, права - на ліву.

  Характеристики дзеркальних антен

  
  • Ширина діаграми спрямованості (ДН) в заданих площинах (Е, Н) або у всіх напрямках
  • Форма ДН (контурна, кругова)
  • Коефіцієнт спрямованої дії
  • Коефіцієнт посилення в максимумі ДН антени [6]
  • Ефективна площа антени [7]
  • ККД антени
  • Рівень бічних пелюсток
  • КСВ
  • Поляризація (кругова-еліптична, лінійна) і розв'язка між ортогональними поляризациями.
  • Напрямок обертання поля антени
  • коефіцієнт поляризації
  • Діапазон робочих частот
  • Допустимі вітрові навантаження
  • Вага (для космічних антен)
  • У однозеркальная антени з круговою поляризацією опромінювач повинен мати напрямок обертання поля, протилежне заданому напрямку обертання поля антени.
  • Дзеркальні антени з напрямком ДН на об'єкт, що рухається зазвичай мають електропривод для відстеження кутового напрямку за об'єктом.
  • Вимірювання ДН великих дзеркальних антен в далекій зоні пов'язано з великими труднощами, пов'язаними зі значними відстанями від антен до місць вимірювання їх сигналів. Для вимірювань ДН використовують шумові сигнали від Сонця, супутників зв'язку, великі коллиматорние антени.
  • Великі дзеркальні антени, розташовані в різних місцях планети Земля, використовуються в якості елементів антенних решіток, для дослідження далекого космосу.

  Параболічні антени використовуються в якості антен з великим посиленням для наступних видів зв'язку: радіорелейний зв'язок між прилеглими містами, бездротовий зв'язок WAN / LAN ліній зв'язку для передачі даних, для супутникового зв'язку та зв'язку між космічними апаратами. Вони також використовуються для радіотелескопів.

  Параболічні антени також використовуються в якості радіолокаційних антен, які керують кораблями, літаками і керованими ракетами. З появою домашніх супутникових телевізійних приймачів, параболічні антени стали особливістю ландшафтів сучасних міст.