Направленные свойства параболоидных антенн

Электромагнитные волны излучаются антенной через ее рас­крыв (апертуру). Необходимым условием получения острой на­правленности излучения антенны, как отмечалось, является требо­вание, чтобы все лучи, выходящие из фокуса зеркала (параболои­да) и отраженные его поверхностью, излучались из раскрыва па­раллельным пучком.

Кроме этого, существует еще одно важное условие получения острой направленности параболоидной антенны. В раскрыве ан­тенны излучение происходит элементарными электромагнитными полями, которые, интерферируя между собой, ослабляются к краям и усиливаются к центру. В результате излучаемые электромагнит­ные волны концентрируются в узком направлении. Это выполняет­ся при условии, что площадь раскрыва антенны значительно больше квадрата длины волны, так называемого кроссовера. Сте­пень концентрации зависит от их соотношения - чем большая пло­щадь раскрыва антенны по отношению к кроссоверу или чем боль­ший диаметр D антенны по отношению к длине волны , тем острее направленность и, как следствие, более высокий коэффициент уси­ления антенны.

Двузеркальные осесимметричные антенны - антенны

Кассегрена

Двузеркальные осесимметричные антенны - антенны Кассегре­на в силу своих достоинств нашли широкое применение в совре­менных спутниковых и наземных передающих станциях. Использу­ются они и для приема. Особенно удобны они при организации и ведении интерактивной связи.

Для пояснения принципа их работы целесообразно рассмотреть работу телескопа Кассегрена. Он состоит из двух зеркал и оптическо­го приемника - человеческого глаза или фотоаппарата (рис. 5.6).

Из рис. 5.6 видно, что первичное зеркало - это большое вогну­тое зеркало, которое собирает все лучи света, падающие на его поверхность, и отражает их в сторону вторичного, небольшого выпуклого зеркала, находящегося в его фокусе. Вторичное зеркало также отражает падающий на него поток света и направляет его в отверстие находящееся в средине первичного зеркала.

Падающие на поверхность первичного зеркала лучи от небесно­го светила практически параллельны оси телескопа и отраженные дважды они фокусируются в отверстии, в котором располагается оптический приемник, т. е. человеческий глаз или фотоаппарат.

Антенна, использующая такой принцип сбора энергии, называется антенной Кассегрена. Схема ее конструкции изображена на рис. 5.7.

Как видно, поверхность контррефлектора симметрична и чаще всего это поверхность вращающегося гиперболоида, который име­ет две фокусные точки F^ и F₂. Гиперболоид размещается таким образом, чтобы фокус F_f (мнимый) совпадал с фокусом параболои­да F, а фокус F₂ - с отверстием раскрыва первичного облучателя. Тогда фокус параболоида F становится виртуально кажущимся, мнимым.

Так как поверхность параболоида освещается отраженными от поверхности контррефлектора электромагнитными волнами, на­правленными на него первичным облучателем, то освещение пара­болоида (основного зеркала) будет таким', каким создает его пер­вичный облучатель через контррефлектор. Поэтому для освещения контррефлектора нужен первичный облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием.

Рис. 5.6. Схема устройства телескопа Кассегрена: 1 - вторичное зеркало; 2 - первичное зеркало; 3 - оптический приемник

□ Как известно, для максимального использования площади раскрыва антенны необходимо обеспечить равномерное освеще­ние поверхности параболоида, что, как видно из предыдущих рас­суждений, у антенн с передним питанием получить довольно слож­но, а у антенн Кассегрена получается относительно просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора таким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модифи­кации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромаг­нитного поля по амплитуде в раскрыве антенны было бы близко к равномерному.

Рис. 5.7. Схема устройства антенны Кассегрена: 1 - параболоидная поверхность; 2 - контррефлектор; 3 – первичный облучатель

 

Так как размеры контррефлектора достаточно велики по срав­нению с длиной волны (S контр ), то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного юркала и обеспечить тем самым малый ее "перелив". Но модифи­цированная форма контрефлектора отличается от формы гипербо­лоида и сферическая волна, падающая на такой контррефлектор и отраженная от него, уже отличается от сферической. Поэтому воз­никающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, про­ходимой электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы однородным, синфазным.

□ Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, если необходимо вести передачи на разных частотах, то есть, если зер­кало антенны необходимо освещать поочередно различными пер­вичными облучателями, которые имеют разные размеры и конст­рукцию. У антенн с передним питанием замена первичного облуча­теля - весьма трудоемкий процесс, особенно когда антенна уста­новлена на высоте, а у антенн Кассегрена все получается намного проще. Если, например, имеются несколько типов первичных облу­чателей пригодных для освещения одного и того же контррефлек­тора, то их поочередно можно помещать в середину параболоида. В тоже время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создается единая конструкция - контррефлектор-первичный облучатель, жестко соединенные друг с другом, которую при необ­ходимости можно снять и установить другую, если имеется доста­точно большое отверстие в средине параболоида. Отверстие не уменьшает эффективную поверхность антенны, так как эта ее часть закрывается контррефлектором.

□ У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) па­раболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использо­вать ее в разных климатических условиях совместно с обтекате­лем. Обтекатель антенны - это фторопластовая пленка или кожух, которые пропускают волны СВЧ. Он служит для защиты внутренней поверхности параболоида и первичного облучателя от атмосфер­ных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредст­венным передним питанием фокус параболоида удален от поверх­ности и, следовательно, нужен в этом случае обтекатель гораздо больших размеров.

Двухзеркальная осесимметричная антенна Кассегрена с моди­фицированным параболоидом (основным зеркалом) и контрреф­лектором (вспомогательным зеркалом) является основным типом

антенн, применяемых на наземных передающих станциях по линии

 

Рис. 5.8. Антенна Кассегрена: диаметр 2,2 м; частота 10,95... 11,7 ГГц; минимальное усиление 46 дБ; коэффициент стоячих волн, не более 1,2; ширина диаграммы направлен­ности на уровне половинной мощности 0,9°; поляризация линейная

Земля-спутник, что связано с возможностью получения высоких электрических характеристик, с удобствами монтажа и обслужива­ния. На рис. 5.8 в качестве примера показана антенна Кассегрена.

Однако следует отметить, что необходимые сложные математи­ческие расчеты, требования по очень точному изготовлению пара­болоида больших размеров и гиперболоида (контррефлектора), делают антенны Кассегрена весьма дорогостоящей конструкцией.