Управление ДН параболической антенны

 

Если фазовый центр облучателя сместить из фокуса в направлении, перпендикулярном оси зеркала (рис. 13.a), то поверхность раскрыва зеркала перестанет быть синфазной. Лучи 1 и 1’,2 и 2’, отраженные от поверхности зеркала, достигают поверхности раскрыва неодновременно. Можно показать, что при небольшом смещении облучателя Δx и достаточно длиннофокусном зеркале фазовое распределение поверхности раскрыва близко к линейному (3). Поэтому вынос облучателя из фокуса в направлении, перпендикулярном оси зеркала, приводит к повороту ДН в сторону, противоположную смещению облучателя. Угол поворота ДН θ_mах (рис. 13.б) при малых смещениях облучателя примерно равен углу смещения облучателя α₁, определяемому по формуле tgα₁=Δx/f₀. Синфазный фронт волны в раскрыве зеркала поворачивается на угол α₁. С увеличением Δх кроме линейного изменения фазы появляются заметные фазовые ошибки более высоких порядков, из которых наибольшую роль играют кубические (4). Знаки кубического и линейного фазового распределений противоположны (рис. 13.а). В этом случае ДН поворачивается на угол, меньший, чем α₁, главный лепесток становится несимметричным относительно своего максимума и УБЛ со стороны, противоположной смещению ДН, возрастает.

Смещение облучателя из фокуса используется в антеннах систем спутниковой связи и в радиолокации для сопровождения цели (ИСЗ, самолет и т. д.). Во избежание значительных искажений ДН из-за появления кубической фазовой ошибки угол поворота ДН должен быть невелик и обычно не может превышать нескольких значений ширины главного лепестка ДН (по половинной мощности).

При смещении облучателя из фокуса вдоль оси зеркала на поверхности раскрыва возникают квадратичные фазовые искажения, симметричные относительно вершины зеркала, что расширяет главный лепесток и увеличивает УБЛ ДН. При больших смещениях излучение в главном направлении уменьшается и главный лепесток раздваивается. Чтобы фазовая ошибка из-за смещения облучателя не превышала допустимого значения π/ 4, должно выполняться условие Δz_дon < λ /[8(1 - cos γ₀ )].

 

Двухзеркальные антенны

 

Рассмотренные зеркальные параболические антенны по сравнению с другими типами антенн обладают хорошими электрическими характеристиками, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно простую конструкцию. Наряду с этими достоинствами они обладают недостатками, которые в ряде случаев не позволяют удовлетворять комплексу требований, предъявляемых к современным антеннам. Такими недостатками являются: большая длина фидерного тракта от антенны до приемопередающей аппаратуры и его размещение в поле излучения антенны; сложность обеспечения амплитудного распределения поля в раскрыве, близкого к равномерному, с сохранением высокого значения результирующего КИП (v_peз); неприемлемые в ряде случаев продольные габаритные размеры антенны и др. Поэтому наряду с однозеркальными схемами антенн были разработаны, так называемые, двухзеркальные антенны, в которых перечисленные недостатки проявляются в меньшей степени либо полностью устраняются.

Среди многообразия типов двухзеркальных антенн есть две классические: это двухзеркальные антенны Кассегрена (рис. 14.а) и Грегори (рис. 14.б).

В этих антеннах используются две отражающие поверхности: основная -большое (обычно параболическое) зеркало и вспомогательная - малое зеркало, выполненное либо в виде части гиперболоида вращения (рис. 14.а), либо в виде части эллипсоида вращения (рис. 14.б).

Пусть облучатель с фазовым центром, находящимся в точке F₂, излучает в направлении малого зеркала сферическую волну. В каждой точке поверхности зеркала соблюдается правило: угол отражения равен углу падения. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы (или эллипса) отражаемая малым зеркалом волна, снова оказываясь сферической, как бы исходит из одной точки - фокуса гиперболы (или эллипса) F₁, совмещенного с фокусом, большого зеркала - параболы. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Второй фокус малого зеркала F₂ совмещается с фазовым центром облучателя (обычно рупора).

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами (рис. 15): R₀ и R_м - соответственно радиусы раскрывов большого и малого зеркал, обычно R_м=(0,1...0,2)R₀; 2γ₀ - угол раскрыва большого параболоида; 2α₀ - угол облучения источником (облучателем) краев малого зеркала; f₀ - фокусное расстояние большого зеркала; f_м - фокусное расстояние малого зеркала; 2с - расстояние между фокусами малого зеркала; е - эксцентриситет малого зеркала. Из перечисленных параметров неза­висимыми являются четыре параметра, остальные могут быть определены через них. Обычно в качестве независимых переменных берутся R₀, R_м, γ₀, α₀.

В антенне Кассегрена угол γ₀ может быть больше 90^o. В антенне Грегори угол γ₀ может быть взят лишь меньше 90° (если γ₀>90°, то отраженные от одной половины малого зеркала лучи на пути к большому встретят вторую половину малого зеркала, т. е. будут им затенены). Поэтому антенны Грегори могут быть только длиннофокусными.

Для расчета ДН двухзеркальной антенны необходимо знать амплитудное распределение в раскрыве большого зеркала, которое можно найти методом геометрической оптики. Для этого следует заменить двухзеркальную систему эквивалентным параболоидом и найти амплитудное распределение в его раскрыве.

Такой прием позволяет при расчете амплитудного распределения исключить из рассмотрения вспомогательное зеркало. Поверхность эквивалентного параболоида представляет собой геометрическое место точек пересечения лучей, создаваемых облучателем, находящимся в фокусе малого зеркала F₂, с лучами, отраженными от основного зеркала (см. рис. 15).

Двухзеркальная антенна по своим электрическим свойствам эквивалентна однозеркальной антенне с параболическим зеркалом с фокусным расстоянием f_э рассчитываемым по формулам, полученным методом геометрической оптики: f_э = (е +1)f₀/(е -1) (вспомогательное зеркало - гиперболоид); f_э =(е + 1)f₀/(1-е) (вспомогательное зеркало - эллипсоид); е - эксцентриситет малого зеркала.

Радиус раскрыва эквивалентного параболоида равен радиусу раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны R₀.  Величины f₀  и f_э связаны соотношением:

 

 

Амплитудные распределения в раскрывах эквивалентного параболоида и основного зеркала одинаковы и рассчитываются также, как в случае однозеркальной антенны. Для получения близкого к равномерному амплитудному распределению (максимального КИП) ДН облучателя должна быть похожа на идеализированную диаграмму, изображенную на рис. 11 (кривая 2).

Фокусное расстояние эквивалентного параболоида больше фокусного расстояния основного зеркала. Следовательно, при данном облучателе амплитудное распределение в раскрыве двухзеркальной антенны получается более равномерным, чем у однозеркальной антенны с таким же отношением R₀/f_0.

Двухзеркалъная антенна обладает рядом преимуществ по сравнению с однозеркальной. Вспомогательное зеркало облегчает подбор наиболее благоприятного амплитудного распределения в раскрыве параболоида (подробный анализ показывает, что трансформация амплитуд поля источника происходит только на малом зеркале; большое зеркало лишь выравнивает фазовое распределение) и тем самым обеспечивает сравнительно высокий результирующий КИП зеркала. Так как в двухзеркальной антенне облучатель можно расположить близко к основному зеркалу, то упрощается подводка питания к облучателю, укорачивается длина линии питания и облегчается крепление этой линии и облучателя. Укорочение линии питания ведет к уменьшению потерь в ней и снижению шумовой температуры тракта питания, что важно при использовании антенн в спутниковой и космической радиосвязи.

Применяя в двухзеркальной системе поверхности, несколько отличные от правильных параболоидов, эллипсоидов и гиперболоидов (квазипараболические или оптимизированные антенны), можно добиться более равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве основного зеркала при меньшем переливании энергии через его края, чем это имеет место в обычной двухзеркальной антенне. Более равномерное амплитудное распределение в раскрыве большого зеркала при большом коэффициенте перехвата (v₁) обеспечивается малым зеркалом благодаря модификации формы его поверхности. При этом модифицированная форма поверхности большого зеркала восстанавливает синфазность возбуждения его раскрыва.

Оптимизация двухзеркальной антенны состоит в подборе профилей зеркал в соответствии с заданной формой ДН облучателя. Основными требованиями, предъявляемыми к форме ДН облучателя оптимизируемой антенны, являются ее осевая симметрия и минимальная утечка энергии вне сектора облучения малого зеркала (крутые скаты ДН).

Антенны Кассегрена маркируются АДГ (антенна двухзеркальная с малым гиперболическим зеркалом), а антенны Грегори - АДЭ (антенна двухзеркальная с малым эллиптическим зеркалом). Цифра, следующая за АДГ или АДЭ, обозначает диаметр зеркала в метрах.