Влияние положения первичного облучателя на направленность излучения антенны

Положение первичного облучателя по отношению к поверхности параболоида определяет форму и направление основного лепестка излучения антенны:

□ смещение первичного облучателя относительно фокуса (по­ложение фокуса остается неизменным) вдоль оси параболоида, ближе к его поверхности приводит к расширению основного лепест­ка в диаграмме направленности, но направление его не изменяет­ся, а остается прежним (рис. 5.20, а);

□ смещение первичного облучателя в плоскости фокуса, пер­пендикулярной оси параболоида (в фокальной плоскости), приво­дит к повороту основного лепестка в направлении, противополож­ном смещению (рис. 5.20, б). Это свойство антенной системы часто используется для приема со спутников, находящихся на разных по­зициях, без поворота антенны.

При значительном отклонении первичного облучателя от фокуса основной лепесток не только поворачивается, но и изменяется по форме - расширяется и уменьшается, а боковые лепестки увели­чиваются, уменьшая тем самым коэффициент усиления антенны, что сказывается тем сильнее, чем меньше фокусное расстояние.

Из приведенных на рис. 5.21 зависимостей видно, что потери усиления растут с увеличением фокусного расстояния (при неиз­менном диаметре параболоида) и при смещении первичного облу­чателя вдоль оси относительно фокуса параболоида.

­ Рис. 5.20. Изменение диаграммы направленности параболоидной антенны в зависимости от положения первичного облучателя

Для снижения потерь важно устанавливать первичный облуча­тель, совмещая его фазовый центр излучения точно с фокусом па­раболоида

Рис. 5.21. Потери усиления антенны L_s при смещении первичного облуча­теля вдоль оси относительно фокуса параболоида для различных отно­шений f /D

Волноводы

Волноводы, как и первичные облучатели, являются неотъемле­мой частью параболоидных антенн для приема электромагнитных волн диапазона СВЧ. Передача сигналов в этом диапазоне по коак­сиальным кабелям происходит со значительными потерями, поэто­му вместо кабеля для этих целей используются волноводы. Волно­водом может быть диэлектрический стержень, или определенным образом расположенные полосковые металлизированные линии в диэлектрике (компланарный волновод), или металлическая труба с хорошо обработанной внутренней поверхностью, представляющая канал для распространения в нем электромагнитных волн.

Металлические волноводы получили наибольшее применение. Они являются неотъемлемой частью параболоидных антенн для приема электромагнитных волн со спутников и преимущества их здесь следующие:

□ в волноводе отсутствует диэлектрическое наполнение и, следовательно, нет диэлектрических потерь, которые значительны на
СВЧ в коаксиальных кабелях;

□ в волноводе, как и в коаксиальном кабеле, электромагнитное поле сосредоточено между проводящими поверхностями и поэтому потери на излучение отсутствуют;

□ в волноводе нет внутреннего провода и потери в нем (в волноводе) на токи проводимости минимальны. Потери снижаются и за
счет того, что внутренняя проводящая поверхность волновода ка­чественно обработана. Она отполирована и покрыта хорошо про­ водящим металлом — серебром.

Волноводы бывают круглого, квадратного, эллиптического, прямо­угольного сечений и так называемые компланарные.

Наибольшее распространение получили волноводы круглых и прямоугольных сечений. Применение модифицированных волново­дов круглого сечения в качестве первичных облучателей позволяет принимать электромагнитные волны всех видов поляризаций. При необходимости принимать волны линейных поляризаций одновре­менно к концу круглого волновода присоединяют переходник, в ко­тором круглое сечение плавно (для хорошего согласования) пере­ходит в прямоугольное, что дает возможность принимать электро­магнитные волны линейных поляризаций с минимальными потерями. В случае неудовлетворительного согласования (плохо выпол­ненного перехода), неизбежно появляются отраженные и стоячие полны, приводящие к значительным потерям и дополнительным помехам.

Первое и важное требование к прямоугольному волноводу: рас­пространяющаяся в нем электромагнитная волна не должна видо­изменять свою форму.

В прямоугольном волноводе может распространяться электро­магнитная волна той линейной поляризации, у которой вектор на­пряженности электрического поля Е расположен параллельно его меньшей стороне, т.е. в нем могут распространяться электромаг­нитные волны горизонтальной или вертикальной поляризации в за­висимости от их пространственной ориентации по отношению к вол­новоду.

Прямоугольный волновод по этой причине обладает, как гово­рится, поляризационной избирательностью.

Прямоугольный волновод может выполнять роль фильтра, огра­ничивать прохождение электромагнитных волн, лежащих за преде­лами режима распространения "основной волны".

Электромагнитные волны распространяются в волноводе скач­кообразно, групповым падением/отражением от внутренних по­верхностей волновода. Чем меньше размеры широкой плоскости волновода по отношению к длине волны, тем меньше отражений и меньше потерь, так как при каждом падении/отражении электро­магнитная волна ослабевает.

С уменьшением длины волны количество возможных паде­ний/отражений увеличивается и когда размер широкой плоскости волновода окажется соизмеримым с половиной длины волны (, где а - внутренний размер широкой плоскости волновода), в вол­новоде будут создаваться условия появления стоячих волн, кото­рые не смогут достичь выхода волновода.

С другой стороны, когда длина электромагнитной волны при­ближается к размеру широкой плоскости волновода (), в нем могут появляться волны высшего порядка Н₀₂ и т.п., что крайне не­желательно, так нарушается условие: распространяющаяся в пря­моугольном волноводе электромагнитная волна не должна изме­нять свою конфигурацию.

Поэтому находят компромиссное решение: для создания в вол­новоде режима распространения "основной" волны, известной по специальной литературе как режим Н₀1, широкую плоскость волново­да делают больше половины длины волны, но меньше длины волны (). На практике размер широкой плоскости соответствует приблизительно трем четвертям длины волны (а = 3/4 ), что для электромагнитных волн диапазона частот 10,7... 12,5 ГГц состав­ляет" около 2 см. Электромагнитные волны, лежащие за пределами данного частотного диапазона, на выход волновода не попадают или попадают пренебрежительно малого уровня и это обеспечива­ет их фильтрацию.

Из волноводов прямоугольного сечения для приема электромаг­нитных волн со спутников во внешнем блоке применяются преиму­щественно волноводы типа R100 со сторонами 22,86x10,16 мм и R120 со сторонами 19,05x9,525 мм. Волновод R100 более рас­пространен, однако с R120 получается лучшее согласование и меньшие потери по краям частотного диапазона 10,7... 12,5 ГГц ( = 2,4...2,7 см). Очевидно, что оба они обеспечивают для элек­тромагнитных волн диапазона частот 10,7... 12,5 ГГц режим "ос­новной волны" (H ).

В системах спутникового телевизионного вещания почти всегда требуется переход с волновода на полосковую линию, что необхо­димо для подачи напряжения на вход малошумящего усилителя-конвертера

Поэтому распространяющуюся по волноводу электромагнитную волну (ее энергию) необходимо преобразовать в электрическое напряжение (ток).

Для этих целей используется электрический или магнитный виб­ратор: зонд или петля определенной длины (рис. 5.22). Чаще всего по

Рис. 5.22. Вариант конструкции перехода с волновода на полосковую ли­нию с зондом:

1 - волновод прямоугольного сечения; 2 - зонд (штырь), 3 - фторопластовый цилиндр; 4 - диэлектрический держатель; 5 - плата с усилителем-конвертером; 6 - металлизированная полосковая линия; 7 - подвижная задняя стенка (для настройки); а - размер, создающий режим "основной волны" (H ) для данного волновода

конструктивным соображениям применяется зонд, который встав­ляется внутрь волновода в широкой плоскости (в узел напряженно­сти электрического поля Е). Наведенная в нем э.д.с. подается по полосковому переходу на вход малошумящего усилителя-конвертера.