Неосесимметричные (офсетные) антенны

У антенн Кассегрена контррефлектор - вспомогательное зеркало и у прямофокусных (осесимметричных) антенн первичный облуча­тель и конструктивно связанный с ним малошумящий усилитель-конвертер с узлом для крепления закрывают центральную часть ос­новного зеркала, то есть наиболее важную его область. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих облучатель (при сравнимых их поперечных размерах с длиной волны), и самого облучателя приводит к дополнительному нежелательному рассеянию энергии и, как следствие, к уменьшению эффективной площади раскрыва, снижению усиления антенны и появлению боковых лепестков в диаграмме направленности, что особенно проявляется у неболь­ших антенн, диаметр которых меньше одного метра.

Перечисленные недостатки можно почти полностью исключить, применив неосесимметричную (офсетную) антенну, конструкция которой изображена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Конструкция антенны со смещенным облучателем (Off-set антенна)

Как видно из рис. 5.9, антенное зеркало в этом случае не параболо­ид, а только часть его. В тоже время повернутый первичный облу­чатель по-прежнему находится в фокусе теоретического парабо­лоида. Однако он не попадает в основной лепесток диаграммы на­правленности излучения, так как вообще не закрывает поверхность зеркала. Благодаря этому параметры офсетной антенны очень хо­рошие, кроме наличия небольшого недостатка - появления у нее перекрестной поляризации электромагнитных волн из-за неосесимметричной конструкции.

Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанав­ливать два облучателя - конвертера, располагая их в фокальной плоскости. Это дает возможность вести прием со спутников, нахо­дящихся на соседних позициях геостационарной орбиты (в преде­лах 7...8°), например, с семейства спутников Astra (19,2° в.д.) и Hot Bird (13° в.д.) без перенаправления антенны. Следует отметить еще один положительный фактор офсетных антенн, дающий им преимущества перед прямофокусными, и особенно важный для пользователей в северных широтах: офсетные антенны и прямо-фокусные под разными углами "смотрят" в небо, т.е. имеют разные углы места. Выпадающий зимой снег и другие осадки накапливают­ся в зеркале прямофокусной антенны и могут быть причиной помех и даже порой могут привести к прекращению приема. Этого не слу­чается при применении офсетных антенн, так как выпадающие осадки легко соскальзывают с поверхности зеркала или вообще не попадают на нее. У антенн этого типа уровень боковых лепестков диаграммы направленности на 5 дБ меньше, чем у прямофокусных, что очень важно. Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно находящихся на геостационарной орбите, предъявляются жесткие требования к диаграммам направленности

как передающих антенн, так и приемных. Это приводит к необходи­мости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приемных прямофокусных антенн на классические -офсетные.

Поверхность офсетной антенны получают сечением параболоидной поверхности наклонной плоскостью (рис. 5.10). Плоскость сечения - плоскость раскрыва, представляет собой эллипс с малой осью - D. Со спутника раскрыв офсетных антенн "виден", как круг малого диаметра D (также как и у прямофокусных). Поэтому малый диаметр D эллипса называют условным диаметром.

Важным вспомогательным параметром для расчета офсетной ан­тенны является расстояние А от нижней части эллипса до оси теоре­тического полного параболоида. У прямофокусных антенн расстоя­ние A=D/2, а у офсетных A<D/2, где D - малый диаметр эллипса. Не­обходимо отметить, что из-за конструктивных особенностей эксплуа­тационные характеристики офсетных антенн существенно отличают­ся от прямофокусных. У офсетных антенн отношение F/D=0,5...0,6, т.е. несколько больше, чем у прямофокусных, что связано со смеще­нием первичного облучателя. Угол между перпендикуляром к плоско­сти раскрыва офсетной антенны и перпендикуляром к плоскости рас­крыва прямофокусной образует так называемый офсетный угол — угол смещения или угол поворота плоскости раскрыва. Для офсетных антенн разных конструкций, расположенных в одних и тех же широ­тах, этот угол имеет фактически одно и тоже значение (для средних широт около 26...27°) и офсетные антенны устанавливаются на этот угол вертикальнее прямофокусных.

 

Рис. 5.10. Формирование поверхности офсетной антенны

 

Рис. 5.11. Офсетная антенна диаметром 1,0 м для приема со спутников:

частота 11,7... 12,5 ГГц; усиление 38,5 дБ; коэффициент стоячих волн 1,2;

ширина диаграммы направленностина уровне половинной мощности 2 °;

поляризация круговая

При установке антенны следует различать офсетные антенны с раскрывом круглой формы и классические офсетные антенны с эл­липтической формой раскрыва. Офсетные антенны "круглой" фор­мы изготавливаются с целью уменьшения производственных за­трат, их удешевления. У них раскрыв - это круг с загнутыми краями. Подобные антенны имеют ряд существенных недостатков. Напри­мер, очевидно, что площадь круга, вписанного в эллипс, меньше площади этого эллипса, поэтому усиление "круглых" офсетных ан­тенн меньше стандартных классических офсетных при равных раз­мерах малого диаметра D. Для спутника раскрыв "круглой" офсет­ной антенны "виден" не как круг. Второй существенный недостаток "круглой" офсетной антенны - это невозможность точного теорети­ческого расчета положения ее точки фокуса.

В итоге можно отметить, что типовые классические офсетные антенны малогабаритны, экономичны, достаточно хорошо изучены и в силу своих достоинств находят широкое применение для прие­ма телевизионного вещания со спутников, хотя их изготовление обходится несколько дороже, чем прямофокусных. На рис. 5.11, в качестве примера, показана офсетная антенна и приведены ее параметры.

Плоские антенны

Для приема телевизионных программ со спутников также приме­няются плоские (пленарные) антенны или так называемые фазиро­ванные антенные решетки (ФАРы) и активные фазированные ан­тенные решетки (АФАРы). Они состоят из множества резонаторных

излучателей, которые имеют самую разнообразную геометрическую форму: прямоугольную, круглую, эллиптическую, квадратную и т.п.

На рис. 5.12 показан излучающий элементарный резонатор пря­моугольной формы. Он представляет собой прямоугольную метал­лическую пластину 1, нанесенную на диэлектрическую подложку 2 и экранирующую сплошную поверхность 3. Толщина диэлектрической подложки меньше 0,1 , где - длина СВЧ волны в свободном пространстве. Излучатель возбуждается полосковой линией 4. Эта система представляет собой резонатор с излучением через края I и II прямоугольника. Расстояние I между излучающими краями при­близительно равно , где - длина волны в диэлектрике); размер b определяет входное сопротивление антенны, составляю­щее сотни ом.

Излучатель прямоугольной формы при резонансе имеет коэф­фициент усиления около 6 дБ при относительной диэлектрической проницаемости подложки = 2,35 и тангенсе угла потерь tg < 10 '³.

Элементарные излучатели¹⁷ соединяются между собой опреде­ленным образом, образуя так называемую фазированную антенную решетку. В точках соединения сигналы складываются в фазе и ре­зультирующая мощность сигнала в антенне равна сумме мощно­стей сигналов, принятых всеми излучателями. Основной лепесток излучения направлен перпендикулярно ее поверхности, т.е. к плос­костям элементарных излучателей. Плоские антенны могут отли­чаться друг от друга формой элементарных излучателей, а также способом их возбуждения. Применяя разнообразные формы излучателей (рис. 5.13) и схе­мы их включения, можно создать антенну, работающую в нужном относительно широком диапазоне частот. Из всех форм излучате-

 

Рис. 5.12. Конструкция излучающей элементарной структуры

Рис. 5.13. Различные геометрические формы элементарных антенных излучателей

лей наилучшей диапазонностью обладают излучатели эллиптиче­ской формы.

При необходимости иметь излучатели с круговой поляризацией электромагнитной волны выбирают излучатель в форме эллипса или квадрата. Питание их в этом случае осуществляется по осям, расположенным в излучателе перпендикулярно друг другу с фазо­вым сдвигом 90°.

Большое значение для элементарных излучателей имеет мате­риал диэлектрической подложки. Основными качественными пока­зателями подложки здесь являются: максимальная диэлектриче­ская проницаемость ( = 2,35), минимальные потери в диэлектрике (tg< ), минимальные отклонения толщины подложки (мини­мальный разброс) и способность сохранять ее свою форму и пара­метры в различных климатических условиях эксплуатации. Наи­лучшие диэлектрические подложки, применяемые для элементар­ных излучателей, это подложки из фторопласта, ударного полисти­рола, органического стекла.

Соединяя элементарные излучатели определенным образом, получают плоскую антенну - так называемую антенную решетку. Если фазы всех элементарных излучателей равны, то сигналы от них будут суммироваться, и основной общий лепесток диаграммы направленности в этом случае будет перпендикулярен плоскости антенны и будет узким, так как в фазе складываются только сигна­лы, падающие перпендикулярно плоскости антенны. Такая антен­ная решетка называется фазированной (ФАР) - рис. 5.14.

Рассматриваемые плоские антенны на основе пассивных элемен­тарных излучателей обладают многими положительными свойства­ми. У плоских антенн отсутствуют первичный облучатель и волноводная система для передачи принятых электромагнитных волн, нет поляризатора, нет необходимости в волноводах прямоугольного

 

Рис. 5.14. Структура плоской антенны (ФАР)

сечения. Суммарная э.д.с, "собранная" со всех элементарных излу­чателей, подается непосредственно на вход малошумящего усили­теля-конвертера, который расположен с обратной стороны плоскости антенны, и не затеняет ее поверхности.

Кроме того, плоские антенны (ФАРы) весьма технологичны, так как для изготовления их используются прогрессивные способы: ме­тод печатного монтажа, напыление тонкопленочного металла на подложку из диэлектрика. Элементарные излучатели плоских ан­тенн, питающие цепи и другие соединения, изготавливаются в еди­ном технологическом процессе и имеют хорошую воспроизводи­мость (повторяемость). Это позволяет сделать плоскую антенну весьма дешевой и хорошего качества.

Однако у таких антенн наряду с достоинствами имеются и не­достатки, которые ограничивают их применение. У них:

□ высокий уровень кроссполяризационных потерь, которые мо­гут быть по самым разным причинам: из-за появления паразитного резонанса при больших неоднородностях в полосковых линиях, из-за излучения поверхностных волн и т.п.;

□ узкая частотная полоса, так как согласование возможно вы­полнить в полосе частот, не превышающей 7% от значения частоты несущей электромагнитной волны.

Такие антенны могут принимать электромагнитные волны толь­ко одного вида поляризации: горизонтальной, вертикальной или круговой (с правосторонним или левосторонним вращением векто­ра поляризации) и т.п. Это определяется формируемыми в про­цессе изготовления элементарными излучателями, формой, видом их возбуждения и местом подключения к ним возбуждающей линии. Для приема электромагнитных волн каждого вида поляризации требуется своя антенна.

Все же следует отметить, что ФАРы весьма удобны для пользо­вателей и по основным характеристикам, таким как диаграмма на­правленности основного лепестка, уровень боковых лепестков, шу­мовая температура, при небольших размерах (0,5 м), сравнимы с офсетными антеннами диаметром 0,6 м.