Коэффициенты усиления и направленного действия параболической антенны

Как было показано выше, коэффициент усиления G антенны связан с ее коэффициентами направленного действия D и полезного действия η простым соотношением G = Dη.

Коэффициент полезного действия η зеркальной антенны учитывает тепловые потери энергии в облучателе, элементах крепления облучателя, краске, покрывающей внутреннюю поверхность зеркала, и т. д. Обычно принимают η = 1. Поэтому рассмотрим подробно определение КНД.

Коэффициент направленного действия зеркальной антенны можно рассчитать по формуле для КНД, заменив в ней апертурный КИП (ν_a) множителем ν_рез (результирующий или полный КИП), учитывающим уменьшение КНД из-за действия ряда факторов: переливания части, излученной облучателем, энергии через края зеркала, вызывающего увеличение УБЛ ДН зеркальной антенны в задних квадрантах (дальние боковые лепестки); ошибки в фазовом распределении на раскрыве; затенения части поверхности раскрыва облучателем и элементами его крепления; кроссполяризации излучаемого поля и др. Таким образом, D = v _рез 4πS /λ², где S - πR₀² - площадь раскрыва; ν_рез = ν_aν₁ν₂ν₃ν₄ν₅.... Здесь v_а— апертурный КИП раскрыва зеркала; ν₁ - множитель, определяемый переливанием части энергии через края зеркала; ν₂ - множитель, определяемый затенением; v₃ -множитель, определяемый фазовыми ошибками; ν₄ - множитель, учитывающий явление кроссполяризации; ν₅ - множитель, учитывающий дифракцию поля на кромке зеркала.

Множитель ν₁, называемый коэффициентом перехвата, - есть отношение мощности, излученной облучателем и перехватываемой зеркалом, к полной мощности, излученной облучателем, при этом потери в зеркале не учитываются. Если при заданной форме зеркала (R₀/f₀=const) расширять ДН облучателя (кривая 1 на рис. 9.11), то амплитудное распределение в раскрыве зеркала становится более равномерным (v_a растет). Однако вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящей мимо зеркала, приводящая к росту боковых лепестков (уменьшается v₁). При сужении ДН облучателя наоборот: уменьшается v_а и увеличивается v₁. Два противоположно действующих на результирующие КИП и КНД фактора при постоянной величине отношения R₀/f₀ или угла раскрыва зеркала γ₀ и изменяемой ширине ДН облучателя определяют условие оптимального облучения зеркала с точки зрения получения максимального КНД. Условие оптимального облучения примерно обеспечивается при Δ_kр = Е_kр/Е₀ =0,316 (-10 дБ), где Е_kр - напряженность поля на краю зеркала. При этом v_av₁ = 0,7...0,8.

С точки зрения получения максимального КНД при заданных размерах зеркала идеальной является ДН облучателя, изображенная на рис. 11 (кривая 2). Она должна быть осесимметричной и имеет два максимума в направлениях на края зеркала. Амплитудное распределение раскрыва зеркала в данном случае получается близким к равномерному (с учетом разных расстояний от фокуса зеркала до его вершины и краев), т.е. v_a = 1; пе­реливание энергии за края зеркала отсутствует (ДН имеет бесконечную крутизну ската), таким образом, v₁=1.

Для обеспечения высокого значения v_рез ДН облучателя должна иметь форму, по возможности приближающуюся к идеальной (например, кривая 3 на рис.9.11). Близкие к ней ДН можно получить с помощью расфазированных рупоров и их модификаций. Кроме того, надо исключить или уменьшить влияние других факторов, снижающих результирующий КИП антенны (устранить затенение раскрыва облучателем, снизить кроссполяризацию и т. д.).

Реализация высоких значений ν_рез, а следовательно, КНД антенн не является единственно важной задачей в практическом приложении. В антенных системах ряда радиослужб предъявляются высокие требования к УБЛ. Например, в системах спутни­ковой связи, использующих геостационарную орбиту, от уровня первых боковых лепестков, примыкающих к главному, во многом зависят помехозащищенность и электромагнитная совместимость, поэтому он должен быть ниже главного минимум на 25...30 дБ. В ряде случаев, в частности, в радиорелейной связи, важное значение имеет УБЛ в задних квадрантах в направлениях, близких к 180°. В этих направлениях излучение (коэффициент защитного действия) должно составлять не более -(60...70) дБ. Для параболических антенн с углами раскрыва 2γ₀ =120...180° КЗД составляет - (50...60) дБ.