Сферические антенные системы

Сферические антенные системы представляют собой шар из диэлектрического материала с облучателями, расположенными на обруче, удаленном от шара на некоторое расстояние. Основа такой антенны - фокусирующая диэлектрическая линза. В качестве ди­электрического материала для изготовления линзовых антенн ши­роко используются полиэтилен и полистирол, коэффициент преломления которых равен соответственно 1,5 и 1,6, тангенсы угла потерь 0,0003 и 0,0002. Коэффициент преломления у них больше единицы, т.е. скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике меньше скорости света в раз.

В параболоидных антеннах получение синфазного излучения обусловлено отражением электромагнитных волн от поверхности параболоида, а в линзовых - преломлением волн в линзе. Устрой­ство линзовой антенны показано на рис. 5.15.

Сферические волны, создаваемые точечным первичным облу­чателем, первыми достигают поверхности линзы в ее вершине, (точка О), а к остальным точкам приходят они тем позже, чем дальше эти точки удалены от вершины линзы. Электромагнитные волны вдоль оси будут проходить более длинный путь в диэлектри­ке, в котором их скорость меньше, чем в воздухе.

Вследствие этого время распространения электромагнитной волны в линзе увеличивается по мере приближения к ее оси. При гиперболической форме преломляющей поверхности линзы в плос­кости раскрыва формируются синфазные волны, что и требуется для получения острой направленности антенны.

Линзовые антенны по сравнению с параболоидными имеют ряд преимуществ:

Рис. 5.15. Устройство линзовой антенны

□ при изготовлении линз требуется точность в четыре раза ниже, чем при изготовлении параболоидных антенн такого же диаметра. Причина в том, что неточность профиля зеркальных ан­тенн сказывается дважды: при падении электромагнитной волны на поверхность и при отражении от нее. А неточность профиля линзы

 

Рис. 5.16. Устройство (а) и принцип работы (б) сферической линзовой

антенны

сказывается только раз: при прохождении электромагнитных волн через освещаемую поверхность линзы;

□ очень важным достоинством линзовых диэлектрических ан­тенн является то, что можно относительно легко управлять их диа­граммой направленности. И это находит широкое применение в так называемых сферических антенных системах, состоящих из не­скольких сферических линзовых антенн. Устройство и принцип ра­боты такой системы показаны на рис. 5.16.

Сферическая линзовая антенна представляет собой шар, изго­товленный из диэлектрика с показателем преломления, умень­шающимся непрерывно (плавно или ступенчато) от центра шара к поверхности по закону:

,

где n - показатель преломления в точке сферы, удаленной от цен­тра на расстояние r; d - диаметр шара.

В центре (r = 0), показатель преломления , а на ее по­верхности () он равен единице, что обеспечивает согласова­ние линзы со свободным пространством. Примерно также будет изменяться показатель преломления , если сферу изготовить из полистирола, плотность которого возрастает к центру сферы. Наи­менее плотный слой имеет = 1,015, что весьма близко к показате­лю преломления воздуха.

Облучатель линзы точечный и на практике представляет не­большой рупор. На обруче, охватывающем шар и смещенном отно­сительно его экватора на угол места, размещаются первичные об­лучатели, положение которых на обруче соответствует координа координа­там спутников. Облучателей может быть столько, сколько спутников, с которых ведется прием. Такая антенная система может при­нимать одновременно сигналы со всех спутников, находящихся в "видимой" части неба, и независимо фокусировать эти сигналы с противоположной стороны шара на определенном расстоянии от его поверхности.

У сферической антенны отсутствует опорно-поворотное устрой­ство, нет актуатора и нет необходимости в механическом повороте антенны с одного спутника на другой. Главное достоинство сфери­ческих антенных систем - это возможность одновременного приема с нескольких спутников независимо друг от друга. Такие антенные системы способны заменить 7...8 лараболоидных антенн, правда, стоимость их пока довольно высокая. Внешний вид сферической антенной системы показан на рис. 5.17.

Основным недостатком сферических антенн является их более низкий к.п.д., чем у параболоидных и, соответственно, более низкий коэффициент усиления, обусловленный потерями на отражение и поглощение электромагнитных волн СВЧ в материале диэлектрика.

Вести прием с такими антеннами можно только с мощных спут­ников - ретрансляторов, создающих высокий уровень плотности потока мощности или эквивалентной изотропной излучаемой мощ­ности, что возможно в центре Европы, так как там сконцентрирова­но значительное количество спутников, ретранслирующих огромное количество телевизионных программ значительной ППМ (ЭИИМ).

Рис. 5.17. Внешний вид сферической антенной системы

Первичные облучатели

Сама по себе поверхность параболоида, т.е. поверхность зерка­ла не характеризует еще антенну в целом. Рассматривать такие параметры антенны как коэффициент усиления, коэффициент шу­ма и т.п. без учета характеристик первичных облучателей не имеет смысла. Первичные облучатели имеют важнейшее значение для параболоидных антенн диапазона СВЧ. От их конструкции и раз­мещения относительно основного зеркала зависят коэффициент использования площади раскрыва антенны, ее усиление, ширина диаграммы направленности, разделение электромагнитных волн по видам поляризаций и т.п. Поэтому, они должны удовлетворять сле­дующим основным требованиям:

□для получения максимального усиления антенны важно обеспе­чить по всей площади ее раскрыва синфазность излучения электро­магнитных волн, для чего необходимо фазовый центр излучения пер­вичного облучателя точно совмещать с фокусом основного зеркала;

□ для уменьшения уровня боковых лепестков в диаграмме на­правленности (побочных каналов приема) первичный облучатель должен освещать поверхность основного зеркала с уменьшающей­ся интенсивностью от центра к краям, не допуская большого "пере­лива" за края и обратного излучения "назад". Так как форма основ­ного зеркала - параболоид, то интенсивность освещения первич­ным облучателем должна иметь параболоидную зависимость с максимумом в центре;

□ если уровень боковых лепестков не имеет существенного зна­чения, то облучатель может создавать равномерное по амплитуде электромагнитное поле в раскрыве антенны;

□первичный облучатель и его крепление должны по возможности меньше закрывать поверхность основного зеркала во избежание ис­кажений основного лепестка в диаграмме направленности и появле­ния боковых лепестков. Для этого первичные облучатели для прямофокусных антенн изготавливаются минимальных размеров;

□первичный облучатель должен быть хорошо закреплен, чтобы под воздействием ветра не допускать механических перемещений и вибраций.

Первичные облучатели это небольшие субантенны. Они прини­мают электромагнитные волны, сфокусированные основным зерка­лом в соответствии с собственной диаграммой излучения, и на­правляют их в волноводно-полосковый переход. Так как при рас­пространении электромагнитных волн линейных поляризацией от спутника до приемной антенны плоскость их поляризации может

повернуться и не совпасть с плоскостью поляризации, на которую сориентирован первичный облучатель, то необходимо, чтобы пер­вичный облучатель мог принимать электромагнитные волны как линейных, так и круговых поляризаций. Поэтому первичный облуча­тель по конструкции - это модифицированный волновод круглого сечения. Необходимо отметить, что волновод, открытый на конце, может самостоятельно передавать и принимать электромагнитные волны. Однако волновод в качестве антенны не пригоден, так как у него открытая поверхность излучения мала, усиление небольшое и выход не согласуется с открытым пространством. Из-за этого ко­эффициент стоячих волн слишком велик. Чтобы увеличить поверх­ность излучения и согласовать ее с открытым пространством, вол­новод делают расширяющимся на конце, и получается рупорная антенна. Хорошая рупорная антенна должна быть достаточно длинной, без неоднородностей, поскольку любые неоднородности приводят к отражениям распространяющейся в ней электромагнит­ной волны. Переход от волновода к рупору как раз и является та­кой неоднородностью. Чтобы максимально использовать раскрыв рупора, электромагнитное поле в любой точке раскрыва должно быть синфазным, т.е. его изменения должны происходить одно­временно. Но электромагнитная волна вдоль края рупора проходит более длинный путь, чем волна по центру и она запаздывает отно­сительно волны, проходящей по центру. Это приводит к несинфазности и к снижению интенсивности излучения по краям раскрыва, что является нужным и полезным в данном случае. Поэтому рупо­ры, используемые в качестве первичных облучателей для параболоидных антенн, по длине небольших размеров. Применение рупо­ра в качестве первичного облучателя дает значительные преиму­щества перед точечным облучателем, - подбирая размеры раскры­ва рупора можно получить требуемую диаграмму направленности для освещения поверхности параболоида. Рупор хорошо согласует волновод с поверхностью параболоида. Наконец, рупорный облу­чатель в большей мере, чем волноводный, устраняет обратное из­лучение - излучение "назад".

Размещают рупор так, чтобы фазовый центр его излучения сов­падал с фокусом параболоида, что позволяет достичь максимальной эффективности использования поверхности антенны и, следова­тельно, получить высокий коэффициент усиления. Модифицирован­ные рупоры, используемые в качестве облучателей в параболоидных антеннах, могут иметь разнообразные формы. Два варианта конструкций первичных облучателей типа "ребристый фланец", при­меняемых на практике для осесимметричных антенн, показаны ниже.

Рис. 5.18. Широко применяемые конструкции первичных облучателей

 

Система канавок на пассивном облучателе (рис. 5.18, а) служит для ограничения появляющихся поверхностных токов и тем самым препятствует излучению назад. На облучателе (рис. 5.18, б) систе­ма канавок заменена одной эквивалентной канавкой, что значи­тельно упрощает его изготовление.

Подвижный отражатель, показанный на рис. 5.18, а, позволяет изменять диаграмму направленности осесимметричной антенны -при перемещении к свободному концу сужать, а при удалении от него расширять.

Рупоры для офсетных антенн представляют собой усеченный ко­нус с углом раскрыва около 45°, или с гладкой внутренней поверхно­стью, или с четвертьволновыми канавками на ней. Длина конуса рав­на приблизительно 50 мм, диаметр раскрыва 50...80 мм. Они слож­нее по конструкции и большего размера, чем рупоры для прямофо-кусных антенн и лучше согласуются с окружающим пространством.

Требования, предъявляемые к собственной диаграмме направленности первичного облучателя

Они вытекают из условия обеспечения наибольшей эффектив­ности функционирования антенны. Первичный облучатель, как вид­но, - это волновод круглого сечения с дополнительным отражате­лем - экраном, который служит в качестве пассивной апертуры, формирующей для основного зеркала (поверхности параболоида) необходимое освещение и препятствует обратному излучению на­зад. Для получения высокой эффективности антенны размеры ос­новного зеркала и конфигурация излучения первичного облучателя должны определенным образом соответствовать друг другу. Так как основное зеркало - это поверхность симметричного параболоида, то необходимо, чтобы основной лепесток излучения первичного

 

Рис. 5.19. Диаграмма направленности излучения первичного облучателя: 2Go - угол изменения интенсивности облучения (чувствительности) первич­ного облучателя; выбирается равным углу раскрыва параболоида (

 

облучателя был бы также симметричным и имел бы параболоидный закон распределения со спадом интенсивности к краям основ­ного зеркала на - 15 дБ для снижения "перелива" (рис. 5.19). Это значит, что с фокуса первичного облучателя не "видны" или почти не "видны" края параболоида. Уровень боковых лепестков первич­ного облучателя не должен превышать - 24 дБ.