Зеркальные параболические антенны доклад

Обновлено: 06.05.2024

Параболическая антенна представляет собой радиотехническое устройство, используемое в качестве приемника или излучателя электромагнитных волн. В каждой радиотехнической системе, излучающей или передающей радиоволны, антенна играет главную роль и является важным элементом. Это, в первую очередь, такие системы как телевизионные, радиосвязи, радиоуправления, радиовещания, радиолокации, радиорелейной связи, радионавигации, радиоастрономии. Классическая конструкция включает в себя металлические поверхности, провода, магнитодиэлектрики, диэлектрики.

Зеркальные антенны – надежная локация

Самый распространенный тип направленных антенн – это зеркальные антенны, работающие в различных диапазонах радиоволн. Такое распространение они получили из-за простоты своей конструкции. Они надежно работают в- любой направленности, имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, сравнительно низкую шумовую температуру, широкий диапазон работы. При использовании в радиолокации зеркальные антенны позволяют легко находить нужный объект.

Параболические являются наиболее типичными представителями зеркальных антенн. Они представляют собой параболический цилиндр, параболоид вращения, либо параболический цилиндр, ограниченный проводящими параллельными плоскостями.

Устройство параболической антенны

Классическая параболическая антенна представляет собой металлическое отражающее зеркало в виде параболоида вращения и находящийся в- его фокусе излучатель. У них практически в любой точке плоскости зеркала наблюдается синфазное электромагнитное поле. Такое состояние определяется основным свойством параболы: постоянная сумма расстояний от любой точки параболы до фокуса.

Облучатель изготавливается в виде разрезного полуволнового вибратора с рефлектором. Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого составляет 75 Ом. Облучатель закрепляется на площади параболического зеркала как минимум в двух точках с помощью полиэтиленовых штанг, длиной 1 метр и хомутиков.

При изготовлении каркаса параболического зеркала используется дюралюминиевая проволока диаметром 6-8 мм. В центре каркаса устанавливается дюралюминиевый диск диаметром 200 мм, к которому крепятся непосредственно сам облучатель, поворотное устройство и радиальные части зеркального каркаса. После сборки каркаса на него с выпуклой стороны устанавливают отражающие провода. Параболическая антенна очень проста в изготовлении, обладает небольшой парусностью и вообще не требует какой-либо настройки.

Принцип действия

Облучатель излучает электромагнитную волну, которая дойдя до проводящей поверхности зеркала, возбуждают на ней токи, создающие вторичное поле, называемое полем отраженной волны. В целях попадания на зеркало основной части излучения, облучатель должен производить излучение в направлении зеркала в одну полусферу и не излучать в другую. Такие облучатели носят название однонаправленных.

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (1):

Параболические антенны
1. Назначение параболической антенны
Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др. В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики.

Зеркальные антенны являются наиболее распространенным типом направленных антенн в сантиметровом, дециметровом и, отчасти в метровом диапазонах волн. Широкое использование зеркальных антенн объясняется простотой конструкции, возможностью получения почти любого применяемого на практике диаграммы направленности, высоким коэффициентом полезного действия, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование суммарных и разностных диаграмм направленности общим зеркалом. Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном секторе углов. Зеркальные антенны являются также наиболее распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии.

Классическими представителями зеркальных антенн являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или параболического цилиндра, ограниченного параллельными проводящими плоскостями.

2. Устройство параболической антенны

Параболическая антенна состоит из отражающего металлического зеркала в форме параболоида вращения и излучателя, находящегося в его фокусе. В любой точке плоскости раскрыва зеркала параболической антенны электромагнитное поле синфазно, что определяется свойством параболы: сумма расстояний от фокуса до любой точки параболы и от этой точки до плоскости раскрыва всегда постоянна.

На рис.1 изображена параболическая антенна для диапазона частот 1215 – 1300 МГц. В фокусе параболического зеркала (рис. 1) устанавливается облучатель, изображенный на рис. 2. Параболическое зеркало укреплено на вращающемся основании, которое позволяет фиксировать антенну в требуемом положении.

Рис. 1 Параболическая антенна

1 – каркас, 2 – отражающие провода, 3 – облучатель, 4 –хомутик, 5 – полиэтиленовая штанга, 6 – диск, 7 – хомут

Рис.2 Конструкция облучателя

1 – труба, 2 – элементы вибратора, 3- стрежень, 4 – кабель коаксиальный, 5 – шайба, 6 – заглушка, 7 - шайба

Облучатель представляет собой полуволновый разрезной вибратор с рефлектором. Питание к облучателю подводится коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Облучатель укреплен на параболическом зеркале в двух точках с помощью хомутиков 4 и штанг 5 из полиэтилена длиной 1 м, на концах которых установлены винты М4 длиной 25 - 30 мм.

Каркас параболического зеркала изготовлен из дюралюминиевой проволоки диаметром 6 - 8 мм. В центральной части каркаса параболического зеркала установлен диск 6 диаметром 200 мм из листового дюралюминия, к которому прикреплены облучатель, поворотное устройство и радиальные части каркаса зеркала. На собранный каркас со стороны выпуклой части зеркала натягивают отражающие провода 2 (зеркало антенны).

Антенна проста в изготовлении, имеет незначительную парусность и практически не требует настройки.
3. Принцип действия параболической антенны

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В раскрыве антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается выражением

где - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом.

П

ринцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке 3:

Рис.3 Схема принципа действия параболической антенны

1 – зеркало, 2 – облучатель, 3 – сферический фронт волны облучателя, 4 – плоский фронт волны облучателя, 5 – диаграмма направленности облучателя, 6 – диаграмма направленности зеркала.
Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

4. Применение параболических зеркал в антенной технике

Вибраторы, возбуждаемые излучением волновода (рис.4в), укрепляются на металлической пластинке, которая, будучи перпендикулярной вектору Е, не возмущает поля. При размерах системы, указанных на рисунке (при этом первый вибратор несколько короче, а второй - несколько длиннее полуволны), обеспечивается однонаправленное излучение на зеркало. Фазовый центр лежит между вибраторами.

Рис.4 Виды облучателей

На практике действие неравномерности облучения зеркала либо утечки энергии облучателя за его края бывает значительнее, чем это учтено в приближенном расчете, результаты которого приводились. К тому же нужно принимать во внимание фазовые отклонения, вызываемые неточностью изготовления зеркал. Поэтому обычно не удается достигнуть указанного выше максимального значения x=0,83. При допустимых фазовых отклонениях коэффициент использования может составлять

Облучатели для параболических цилиндров могут составляться из нескольких полуволновых вибраторов, располагаемых на фокальной линии. Это, в частности, могут быть щелевые вибраторы, питаемые волноводом.

Для устранения реакции зеркала облучатель может быть также вынесен из области раскрыва (рис. 4в).
5. Основные технические характеристики параболических антенн

Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T_) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/T_ (коэффициент шумовой добротности приёмного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру:

T_ = T_у + T_тр + T_а. (2)

Здесь T_у - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно T_у 40..60К); Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; T_а - эквивалентная антенная шумовая температура.

Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/T_ при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие T_тр и T_а. Уменьшение T_тр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Антенная температура T_а растёт при уменьшении угла места (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при = 5…7 0 в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места  увеличивается до 10 о .

Рис.5. Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси.

Таким образом, при постоянном диаметре зеркала с ростом фокусного расстояния что приводит к уменьшению угла _ , требуемая точность в установке облучателя снижается. Такой вывод имеет важное значение для практики, если речь идёт, например, об установке облучателя, который не имеет фазового центра.

Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещённым из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны , при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.

^ Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:

D = 4kF/  , (3)

где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = _  . (_ - диаметр зеркала.)

Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида. На рис.7 дана зависимость k от ₀/f ( f - фокусное расстояние ), рассчитанная в предположении, что облучателем является элементарный вибратор с рефлектором.

Рис.6. Зависимость коэффициента использования поверхности от _/ f.

Как видно, имеется оптимальное отношение _/ f = 1,3 при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При _f = 1,3, величина k равна 0,83. Оптимальное значение _ / f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы облучателя и от отношения _ / f. При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения _ / f (рис.7).

Рис.7. Оптимальная форма диаграммы облучателя.

Это обстоятельство приводит к уменьшению коэффициента k по мере уменьшения отношения _/f. Однако с другой стороны уменьшение отношения _f сопровождается увеличением равномерности облучения зеркала, что сопровождается увеличением коэффициента k. В результате действия двух указанных факторов получается оптимальное соотношение _f,

которое в случае элементарного вибратора с рефлектором равно 1,3.

Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром ^ D повышается при увеличении эффективной площади рефлектора S _эф и при уменьшении длинны волны принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):

G = 4S_эф/   , (4)

где S_эф = D 2 /4,

Здесь  - коэффициент использования поверхности рефлектора , показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель. Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах

4 ГГц (=7,5 см) и 12 ГГц ( 2,5 см),

будут отличаться в 9 раз. однако на сомом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).

Затухание L₀растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L₀ = 16  R  /  . Для диапазона 12 ГГц (  = 2,5 см ) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L₀ достигает 3,25 . 10 20 ( 203 дБВт ).

В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.

Ширину диаграммы направленности (, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: D .
6. Вывод

Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов.

Параболическая антенна (рис. 1,а) или антенна с параболическим зеркалом — одна из наиболее часто применяемых в радиолокации антенн. При равномерном облучении зеркала ДН параболической антенны является иглообразной. При облучении только части зеркала можно получить плоскую ДН. Параболические зеркальные антенны используются в РЛС для поиска и сопровождения целей, для решения большинства задач радиолокации.

Геометрические соотношения. Предполагается, что поверхность зеркала является идеально проводящей. В фокусе F зеркала расположен точечный облучатель. Из геометрических соотношений следует, что сферическая волна исходящая из фокуса F и попадающая на зеркало, преобразуется после отражения в плоскую волну, распространяющуюся в направлении положительной оси параболоида (рис. 1, б).

Уравнение поверхности параболоида имеет вид

где f= OF- фокусное расстояние параболоида (начало координат системы в точке О).

Рис. 1 Геометрические соотношения в антенне с параболическим зеркалом (а), принцип работы параболической антенны(б).

Угловой размер апертуры и диаметр зеркала D связаны следующей формулой:

Угловой размер апертуры показан на рис. 2 как функция f/D. Проектирование зеркала состоит в выборе параметров f/D и 2:

Рис.2. Зависимость полного углового размера апертуры 2от f/D для параболического зеркала.

распределения тока может объяснить зависимость уровня боковых лепестков от параметра KНД.

Требуемый КНД антенны определяет выбор диаметра апертуры D. Если задан КНД G_D, то

1.2. Принцип действия зеркальной антенны.

Зеркальная антенна представляет собой систему, состоящую из облучателя (слабонаправленной антенны) и металлического отражателя (зеркала). Форма зеркала определяется требованиями к диаграмме направленности антенны и может быть различной. В простейшем случае, когда диаграмма направленности не должна быть слишком узкой и не требуется какой-либо специальной формы ее, отражатель может быть плоским. Для получения диаграммы направленности с осевой симметрией применяют отражатель в форме параболоида вращения. Диаграммы направленности с различной шириной в вертикальной и горизонтальной плоскостях получают с помощью отражателей в виде усеченного параболоида или параболического цилиндра.

Рассмотрим принцип действия антенны с отражателем в виде параболоида вращения. Параболоид вращения представляет собой поверхность, описываемую параболой при вращении ее вокруг оси. Сама же парабола является геометрическим местом точек, равноудаленных от точки F, называемой фокусом, и прямой, называемой директрисой (рис. 3). Расстояние от фокуса до параболы вдоль фокальной оси называется фокусным расстоянием f, а расстояние от фокуса до директрисы — параметром параболы p = 2f. В декартовой системе координат с началом в вершине параболы уравнение параболоида вращения имеет вид

Парабола обладает тем важным свойством, что нормаль к ней в каждой точке (например, в точке A₁) делит

Рис.3. Параболическая антенна

пополам угол между направлением на фокус и направлением, параллельным фокальной оси. Если точечный облучатель, излучающий сферическую электромагнитную волну, т. е. волну, у которой фазовый фронт — сфера, поместить в фокус, то в соответствии с этим свойством облучающая волна будет отражаться от всех точек параболоида в параллельных его оси направлениях. При этом расстояния, проходимые волной от фокуса до любой точки на параболоиде и от нее до любой плоскости, перпендикулярной его оси, одинаковы. Действительно, поскольку по определению параболы AF=AB, A₁F=A₁B₁, . , то FA+AC=BA+AC=B₁A_l+A₁C₁=FA₁+ A₁C₁= . . ., вследствие этого во всех точках плоскости, перпендикулярной оси параболоида, фаза поля отраженной волны одинакова.

Волна, фазовый фронт которой плоскость, называется плоской, Таким образом, параболический отражатель преобразует сферическую волну облучателя в плоскую волну, распространяющуюся только в одном направлении.

Однако волна остается плоской только в пределах отражателя. Пройдя плоскость раскрыва отражателя, она вновь начинает расходиться в стороны, и на расстояниях, значительно превосходящих диаметр раскрыва, фронт ее снова становится сферическим. Направленность излучения при этом существенно зависит от отношения радиуса раскрыва R к длине волны λ. Чем больше это отношение, тем больше направленность, т.е. тем меньше расходится волна в стороны от фокальной оси.

Заметим, что облучатели радиолокационных антенн имеют размеры, сравнимые с длиной волны или даже превосходящие ее. Поэтому с фокусом параболоида должен совмещаться так называемый фазовый центр облучателя, под которым понимают центр излучаемой им сферической волны. Фазовый центр обычно определяют экспериментально.

Параболическая антенна в научных источниках может именоваться параболическим отражателем или зеркальной антенной. Это технологичное устройство, предназначенное для сбора энергии. Попадая на него, плоская волна преобразовывается в сферическую и концентрируется в точке фокуса. Возможен и обратный процесс, когда сферические волны преобразовываются в плоские. Для этого нужны вариабельные типы и формы устройства, которые зависят от целевого предназначения и сферы использования.

Распространенные сферы применения

В разговорной речи происходит отождествление понятий спутниковой и параболической антенны, но что это такое и зачем нужно такое устройство, в узком профессиональном аспекте, знают только специалисты. Есть различное оборудование, предназначенное для приема сигнала с одного из многочисленных спутников, находящихся на орбите Земли. Параболическая антенна – это один из типов принимающего устройства, в котором есть свои отдельные дифференциации.

Параболическая антенна часто ассоциируется со спутниковой

Их наличие обусловлено необходимостью принимать теле-, радиосигналы или обеспечивать доступ в Интернет. Функциональность может быть узконаправленной или универсальной, обеспечивать коммуникации, центры космической связи и сети, слабонаправленные применяются в спутниковой навигации и аналогичных телефонах.

Диаграмма направленности параболической антенны

История возникновения и развития

Г. Герц, в своей экспериментальной деятельности использовал параболические рефлекторы. Еще в конце позапрошлого века он изобрел антенну с апертурой более метра, работавшую на строго определенных частотах. При наличии в распоряжении ученого приемного и передающего устройства, он доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Затем началась эпоха усовершенствования и практического применения:

В первой трети ХХ столетия, Г. Маркони, изобретатель из Италии, смог передать сигнал на лодку, плававшую в море, на значительном расстоянии от берега.
Спустя год похожее устройство использовали для установки радиорелейной связи через широкий пролив.
Г. Гроте построил первую большую ПА и с ее помощью занимался исследованием звезд. Диаметр рефлектора даже не превышал десяти метров.
В годы Второй мировой началась целенаправленная работа над усовершенствованием радаров, что дало мощный импульс развитию и усовершенствованию устройств, привело к появлению нового типа антенн, снабженных секторными диаграммами.

Обратите внимание! В послевоенные годы СССР и США разработали новые формы устройства, в которых диаметр зеркала стал достигать 60-100 метров. Сейчас они используются в системах передачи данных, перманентное усовершенствование и новые разработки ученых, позволили минимизировать необходимость в крупных конструкциях до 1,5 метров или даже десятков сантиметров.

Виды и конструктивные особенности

Зеркальные антенны – не единственный, но самый распространенный тип направленных антенн. Их применяют в самых вариабельных диапазонах и на различных типах станций. От функций и целенаправленности зависит размер, конструкция и материал изготовления. Зеркала изготавливаются из стали или алюминиевых сплавов, обладающих электропроводностью.

В последние годы их стали изготавливать из композитов или даже пластмасс, но при этом все равно должна быть отражающая поверхность – она тоже вариабельна. Может применяться сетка или фольга из металла, электропроводящая краска.

Есть и другие типы:

осесимметричная, с одним или двумя зеркалами, симметричным или с контррефлектором, кольцевым фокусом;
офсетная, которая вырезана из параболического зеркала, со смещенной диаграммой направленности;
ФАР, или фазированные антенные решетки, из нескольких излучателей, с вариабельными типами антенн (полосковыми, упорными или щелевыми);
слабонаправленная, с широкой диаграммой направленности, несмотря на отдельные недостатки, работающая с визуально обнаруживаемыми спутниками и не требующая дополнительного наведения;
бегущей волны – усиленная (если сравнивать с ненаправленными, но работающая в метровом или дециметровом диапазоне).

Внимание! Выбор спутниковой антенны для приема телесигналов должен быть продиктован несколькими соображениями – материалом (устойчивость к внешним воздействиям, при размещении на воздухе), типом отражателя и его качеством, количеством конверторов и способами их крепления. Немаловажное условие – качество, прочность и устойчивость к коррозии.

Виды антенн типа парабола

Применение и сборка

Любое радиотехническое устройство, используемое, как излучатель или приемник – органичная часть системы и один из ее базовых элементов. Инструкции, как сделать своими руками, зависят от выбранного типа, размеров и целевого предназначения. Зеркальная антенна обладает весомыми преимуществами – работает в разных диапазонах. Такие устройства обладают относительно высоким КПД и достаточно низкой шумовой температурой. Параболические – их самый типичный представитель.

Простота устройства не означает, что при изготовлении своими руками, не нужно учитывать специфические требования индивидуального порядка.

Читайте также: