Одиночные антенны облучатели реферат

Обновлено: 03.07.2024

Принимающая головка, находящаяся в фокусе параболического зеркала антенны, состоит из трех частей: облучателя, поляризатора и конвертера (рис. 8.1).

Эти функционально различные блоки конструктивно можно объединить и выполнить в одном корпусе (попарно или все три элемента вместе).

Отраженный параболической антенной сигнал идет на облучатель. Его назначение — передать принятую антенной энергию телевизионного ретранслятора спутника по волноводу к конвертеру.

Облучатель — один из важнейших узлов антенной системы, поэтому к нему предъявляются определенные требования: диаграмма направленности должна быть осесимметричной и без боковых лепестков; облучатель не должен сильно затенять параболическую антенну, так как это приводит к искажению ее диаграммы направленности и снижению коэффициента использования поверхности параболоида вращения.

Облучателями параболических антенн служат слабонаправленные антенны. Это могут быть рупоры, щелевые антенны, спирали, диэлектрические антенны и др. Наиболее простыми являются облучатели в виде открытого конца волновода — прямоугольного или круглого сечения (рис. 8.2).

Волновод круглого сечения в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к облучателям антенных систем,— диаграмма направленности осесимметрична, в отличие от пирамидального (прямоугольного) волновода.

Конструкции облучателей для осесимметричной и офсетной антенн несколько различаются. Это связано с тем, что параболическая антенна характеризуется отношением ее фокусного расстояния к диаметру параболоида вращения (F/D).

В конструкции современных облучателей предусмотрены три металлических кольца для лучшей фокусировки электромагнитных волн и обеспечения более узкой диаграммы направленности антенны. Таким образом, облучатель является направленной антенной, которая установлена в фокусе параболического отражателя (рис. 8.3, 8.4).

Облучатель устанав ливается для более пол ного использования по верхности зеркала и реа лизации максимального коэффициента усиления антенны.

Электромагнитная вол на, распространяющаяся в пространстве от переда ющей антенны спутника до антенны наземной стан ции, характеризуется по ляризацией, т. е. ориента цией вектора напряжен ности электрического по ля Е относительно поверх ности Земли (см. гл. 1, п. 5).

Поляризатор является устройством, которое обе спечивает выбор необходимого вида поляризации принимаемой радиоволны. Обычно поляризатор устанавливается между облучателем и конвертером (рис. 8.5). При сборке важно обеспечить герметичность соединения. Так, например, резиновые прокладки должны точно располагаться в металлических пазах и не иметь перекосов.

По принципу своего действия поляризаторы могут быть механическими, ферритовыми (электромагнитными) и импульсными ферритовыми.

В состав механического поляризатора входит петлеподобный или штыревой проводник (3) (элемент связи с электрическим трактом конвертера) и исполнительный механизм (6) (рис. 8.6). Элемент связи (4) входит в электромагнитное поле волновода и преобразует его энер

гию в электрический ток. Такую же роль выполняет любая телевизионная антенна, которую мы привыкли видеть на крышах зданий или мачтах.

Для того чтобы в элементе связи развивалась максимальная электродвижущая сила, которая в его проводнике создает наибольшее электрическое поле, необходимо придать зонду такое же положение, как и излучателю антенны на спутнике. Соответственно приемная система должна отделять сигналы одной поляризации от другой и принимать их отдельно.

В механических поляризаторах переход с одной поляризации на другую осуществляется повышением напряжения питания от 13 В (V поляризация) до 18 В (Н поляризация). Система с переключением позволяет получать два фиксированных значения поляризации, выбор которой происходит механическим перемещением — поворотом вокруг своей оси элемента связи с помощью шагового электродвигателя. Наличие подвижных элементов снижает надежность механического поляризатора.

В электромагнитном поляризаторе (рис. 8.7) выбор поляризации (рис. 8.8) осуществляется изменением величины тока в катушке (3), намотанной на ферритовый сердечник (2). Надежность такого поляризатора выше, так как отсутствуют подвижные механические детали. К тому же, поляризаторы с токовым управлением позволяют выполнять плавную подстройку поляризации.

Поляризация сигнала, который передается со спутника, строго параллельна (Н) или перпендикулярна (V) поверхнос-

ти Земли только на долготе самого спутника. Если прием осуществляется более на Восток или на Запад, то из-за кривизны поверхности Земли плоскость поляризации больше наклонена относительно ее поверхности. Чем дальше долгота точки приема находится от долготы спутника, тем этот угол наклона больше. В соответствии с этим поляризатор

размешается под большим или меньшим углом к поверхности Земли.

Подобная проблема возникает в том случае, если антенну устанавливают с позиционированием на несколько спутников. Для каждого ИСЗ угол наклона свой, поэтому и необходима плавная токовая подстройка поляризации. Для каждого спутника выбирают свое значение управляющего тока и угол наклона плоскости поляризации к горизонту.

На европейских спутниках (ASTRA, EUTELSAT и др.) в основном используется линейная поляризация, а на российских (GALS1, GALS2, TDF2) — только круговая. Для приема круговых волн перед поляризатором устанавливают еще один элемент — деполяризатор, который преобразует круговую поляризацию в линейную (рис. 8.9).

Устройство, преобразующее один вид поляризации поля в волноводе круглого сечения (2) в другой, представляет собой отрезок волновода, в котором имеются продольные неоднородности в виде диэлектрических пластин (материал тефлон или др.) (1) и металлических стержней (Н или V). Очевидно, что фазовые скорости волн, у которых векторы f напряженности электрического поля параллельны или перпендикулярны пластинам или стержням, различны.

Пусть в волноводе круглого сечения с продольными неоднородностями распространяется линейно поляризованная волна, у которой вектор Е образует с плоскостью неоднородностей угол 45°. Разложим этот вектор на две составляющие: параллельную и перпендикулярную плоскости неоднородности. На входе деполяризатора обе составляющие поля одинаковые и имеют одинаковые фазы. Если длина, параметры и конфигурации пластин или стержней подобраны таким образом, что на выходе устройства разность фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими вектора f равна 90° (3.14/2), то на выходе устройства вместо линейно поляризованного поля получим поле с круговой поляризацией. Это и есть поляризатор 3.14/2. Если в такой поляризатор поступает поле с круговой поляризацией, то оно преобразуется в поле с линейной поляризацией. В зависимости от положения диэлектрической пластины и штырей в волноводе осуществляется преобразование круговой поляризации в вертикальную или горизонтальную.

В ряде случаев при приеме сигналов с обоими видами

Поляризаторы различаются еше и с точки зрения дискретности (прерывистости) изменения поляризации. В механических поляризаторах плоскость поляризации меняется дискретно на 90°. Поляризаторы с токовым управлением позволяют плавно изменять плоскость поляризации.

Существуют также импульсно-ферритовые поляризаторы, в которых поляризационный зонд передвигается с помощью механизма. Для управления этим механизмом к поляризатору посылается последовательность импульсов, длительность которых несет информацию о требуемом положении поляризатора. В таких поляризаторах плоскость поляризации меняется дискретно, но с небольшим шагом дискретизации.

Электромеханические поляризаторы требуют трех управляющих сигналов от ресивера, в то время как магнитным необходимы только два (рис. 8.10).

Преимуществом электромеханических поляризаторов по сравнению с магнитными являются несколько меньшие потери сигнала. Сейчас электромагнитные поляризаторы используются в основном в С/Кu-роторах.

В качестве облучателей зеркальных антенн используют слабонаправленные излучатели, которые излучают в пределах полупространства на зеркало и не излучают в обратном направлении (в свободное пространство). Теоретически оптимальной ДН является ДН рис.6.

Целесообразно остановиться на выборе облучателя в соответствии с диапазоном волн. Облучатель питается линией передачи СВЧ, соответствующего диапазона и удобно, чтобы облучатель был естественным продолжением питающей линии.

Рис.6.Оптимальная ДН облучателя.

Так в дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона удобно использовать вибратор, который возбуждается коаксиальной линией, являющейся элементом крепления. Непосредственное соединение симметричного вибратора с коаксиальной линией приводит к возникновению тока на наружной поверхности линии, излучению коаксиальной линии и искажению ДН вибратора. Для соединения симметричного вибратора с коаксиальной линией применяют симметрирующие устройства [8] рис.7.

Для обеспечения симметричного возбуждения с помощью U – колена, разность длин отрезков питающей линии выбирается равной ( - длина волны в линии), а наружные поверхности закорачиваются. Длина отрезка l1должна обеспечивать согласование активных составляющих входного сопротивления антенны и коаксиальной линии.

Рис.7. Симметрирующие устройства: U – колено (a), четвертьволновый стакан (б).

Четвертьволновый стакан представляет собой металлический цилиндр длиной , припаянный с нижней стороны к наружной поверхности коаксиальной линии. Короткозамкнутая на конце четвертьволновая линия, образованная стаканом и внешней поверхностью коаксиальной линии, имеет высокое входное сопротивление и препятствует ответвлению тока на внешнюю поверхность линии.

В сантиметровом диапазоне вибраторный облучатель может возбуждаться волноводом рис.8.

Рис.8. Вибраторный облучатель, возбуждаемый прямоугольным волноводом.

Для однонаправленности используют вибратор с контррефлектором в виде диска рис.9. Диаметр вибратора выбирают из условий получения нужного диапазона частот и достаточной механической прочности. Практически диаметр вибратора часто полагают равным диаметру внутреннего провода питающей коаксиальной линии, чтобы уменьшить неоднородность в точке подключения вибратора, а также для удобства сборки. Диаметр контррефлектора рекомендуется брать D=0,815l рис. 9.

Рис.9. Схема антенны с параболическим отражателем.

б) Расчет диаграммы направленности облучателя с контррефлектором

Воспользуемся принципом зеркального изображения и заменим действие металлической поверхности контррефлектора пассивным вибратором, расположенным на расстоянии от активного и несущим ток, сдвинутый по фазе на 180° относительно тока в активном вибраторе рис. 10.

Рис.10.Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

Тогда в любой точке пространства поле будет определяться как сумма полей обоих вибраторов и может быть рассчитано умножением диаграммы, одиночного полуволнового симметричного вибратора F₁(q) на множитель решетки F₂(q)

где N — количество вибраторов (в рассматриваемом случае N=2);

d — расстояние между вибраторами;

q — угол между линией расположения вибраторов и рассматриваемым направлением (рис.9).

После преобразования множитель решетки примет вид

Для одиночного, горизонтально расположенного вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости определяется выражением

где E_q— поле в рассматриваемом направлении;E_max— поле в направлении максимального излучения (q=0°);q—угол, отсчитываемый от нормали к вибратору.

Окончательно диаграмму направленности в горизонтальной плоскости вибратора с контррефлектором можно записать в виде:

Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости определяется одним только множителем F₂(q), так как излучение одиночного горизонтального вибратора в этой плоскости ненаправленное.

Учитывая, что форма диаграммы направленности как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях для большинства применяющихся облучателей мало отличается друг от друга в пределах угла раскрыва зеркала, для упрощения в дальнейших расчетах используется в обоих плоскостях более широкая из диаграмм направленности.

в) Расчет входного сопротивления

Z_1,2 — наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором 2 в сопротивление активного вибратора 1.

Так как в рассматриваемом случае в пассивном вибраторе ток противоположен по фазе току в активном I₂=-I₁, то величина наведенного сопротивления связывается с величиной взаимного сопротивления следующим образом:

Величину взаимного сопротивления полуволновых вибраторов можно определить по графикам приложения 3

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

а величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения

Для согласования вибратора с питающим фидером желательно, чтобы входное сопротивление вибратора было чисто активным. Для получения чисто активного входного сопротивления вибратор укорачивают. Укорочение , необходимое для настройки в резонанс полуволнового вибратора, можно определить по формуле:

где l – длина плеча вибратора, a – радиус вибратора.

В случае тонких вибраторов укорочение составляет 3-5% от длины ; для толстых вибраторов – 15-20%.

Щелевой облучатель

Щелевой облучатель удобен при работе в наиболее короткой части сантиметрового диапазона (l=3 см и ниже), так как конструкция его наиболее компактна и проста для работы в этом диапазоне. Щелевой облучатель можно защитить от атмосферных влияний, закрыв его излучающие отверстия полистироловыми пластинками.

Рис.11.Щелевой излучатель с вертикальным (а) и горизонтальным (б) расположением щелей.

Конструкция двухщелевого облучателя может быть осуществлена в виде закрытого на концах Т-образного прямоугольного волновода (рис.11). Щели в этом волноводе прорезаются симметрично относительно питающего волновода. В зависимости от заданной поляризации поля излучения облучатель располагается либо как оказано на рис.11а (для горизонтальной поляризации электри-ческого поля) либо как показано на рис. 11б (для вертикальной поляризации электрического поля).

Рекомендуется следующий порядок расчета такого двухщелевого облучателя:

а) Длину щели выбирают равной 0,47l, так как резонанс наступает не точно при длине щели ,а при несколько меньшей длине. Укорочение щели соответствует укорочению эквивалентного металлического вибратора.

б) При расчете согласования резонансной поперечной щели, прорезанной в широкой стенке прямоугольного волновода с волной H₁₀, принимаем, что волновод закорочен с одного конца, а другой конец
в направлении от щели к генератору согласован или бесконечен.
Расстояние от закороченного конца до оси щели рис.11 принимается равным ( длина волны в волноводе). Если резонансное сопротивление поперечной щели представить как последовательное сопротивление в эквивалентной схеме рис.12, то условие согласования щели с волноводом можно записать как равенство последовательного сопротивления щели волновому сопротивлению волновода.

Рис.12.Поперечная щель (а) и ее эквивалентная схема (б).

Сопротивление поперечной щели, прорезанной симметрично относительно оси, нормированное к волновому сопротивлению волновода, выражается следующим образом:

где a и b – размеры широкой и узкой стенок волновода;

l-длина волны генератора.

Поэтому условие согласования имеет вид

Из равенства (15) находят размер узкой стенки b волновода при выбранном размере широкой стенки а.

Согласование Т-образного волновода с питающим волноводом осуществляется при помощи сужения узкой стенки b питающего волновода и изменения длины реактивного штыря, ввинчиваемого в торец Т-образного волновода на его широкой стенке по оси симметрии облучателя.

в) Расстояние между щелями выбирают из условия получения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, мало отличающейся от формы диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Выбранное из этого условия расстояние между щелями по-

лучается порядка .Для расположения щелей по рис. 3а диаграмму направленности двухщелевого облучателя в горизонтальной плоскости определяют из формулы

где - волновое число; d — расстояние между щелями; q — угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости в этом случае рассчитывают по формуле

где f— угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели; Е_В— поле в рассматриваемом направленииf; E_В_ma_x—поле в направлении максимального излучения (f=0).

Для расположения щелей по рис. 106 диаграмму направленности в горизонтальной плоскости определяют из формулы

где q -угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости рассчитывают следующим образом:

где f — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Для обеспечения синфазного питания щелей в обоих плечах поперечного волновода щели должны быть расположены симметрично относительно питающего волновода. Каждое плечо рассчитывается на половинную мощность.

В сантиметровом диапазоне волн в качестве облучателя зеркальных антенн могут применяться стержневые и рупорные облучатели, возбуждаемые волноводом. Диэлектрические стержневые облучатели позволяют сузить ДН облучателя в двух плоскостях.

Также могут использоваться облучатели с вращающейся поляризацией право и левополяризованной волны: спиральные облучатели, волноводные или рупорные с вращающейся поляризацией поля.

Для создания антенн с широкой полосой необходимо иметь широкополосные облучатели. Известные широкополосные излучатели (логопериодические, биконические, взаимодополняющие структуры) обеспечивают перекрытие рабочего диапазона в несколько октав. Широкий интерес в настоящее время проявляется к излучателям Вивальди и к различным модификациям щелевых излучателей 18.

Рассмотренные широкополосные облучатели имеют недостаток: при работе в широкой полосе частот может перемещаться фазовый центр облучателя, что не обеспечивает фокусировку зеркала. Дефокусировка облучателя (аксиальная и по нормали) ухудшает ДН и приводит к отклонению луча. Известны требования к размерам ошибки дефокусировки облучателя - . Облучатель размещается в фокусе и к нему подводится линия передачи, которая желательно менее всего затеняла бы апертуру. Для устранения дефокусировки облучателя из-за конструкторско-технологических причин, климатических, эксплуатационных, нагрузочных, облучатель крепится и фиксируется с помощью волновода или дополнительных крепежных конструкций [19].

Кроме рассмотренных выше облучателей, можно применять конические гофрированные волноводные и рупорные облучатели [2,3]. При построении моноимпульсных антенн в системах с точной пеленгацией используют моноимпульсные облучатели 3.

Бортовые зеркальные антенны обычно закрываются обтекателем или защитными укрытиями для предохранения от внешних воздействий. В отсутствии таковых необходима изоляция герметизация волноводного тракта.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

В зависимости от исходных требований возможны различные варианты расчета. I. Заданы такие характеристики антенны как КНД, УБЛ, , рабочая длина волны, можно рекомендовать выполнять расчет в следующем порядке:

1. По требованиям к характеристикам направленности выбирают диаметр раскрыва и необходимое амплитудное распределение, обеспечивающее заданные параметры (таблица 1).

2. Выбирается облучатель по указанным требованиям полосы и поляризации. Рассчитываются ДН облучателя и необходимый угол раскрыва для получения максимального КНД зеркальной антенны используются графики рис.3, позволяющие определить для заданной ДН угол раскрыва.

3. Поле в раскрыве аппроксимируется функцией, которая соответствует характеру облучателя и углу раскрыва.

4. Рассчитывается ДН по формуле для выбранной аппроксимирующей функции, в одной или двух плоскостях.

5. Значения основных характеристик (ширины луча и УБЛ), полученные в результате расчета ДН с применением таблицы 1 сравниваем с характеристиками, указанными в задании.

6. Составляется эскиз антенны с возбуждающим устройством, элементами крепления, вращающимся сочленением и укрытием для защиты соединений от атмосферных воздействий. При разработке конструкции должны быть использованы ГОСТы и желательно максимальное число стандартизированных элементов: крепеж, линии передачи, разъемы, фланцы.

II. Задан тип облучателя зеркальной антенны и остальные параметры, то выполняют расчет в следующем порядке:

Рис.6.Оптимальная ДН облучателя.

Рис.7. Симметрирующие устройства: U – колено (a), четвертьволновый стакан (б).

В сантиметровом диапазоне вибраторный облучатель может возбуждаться волноводом рис.8.

Рис.8. Вибраторный облучатель, возбуждаемый прямоугольным волноводом.

Рис.9. Схема антенны с параболическим отражателем.

б) Расчет диаграммы направленности облучателя с контррефлектором

Рис.10.Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

где N — количество вибраторов (в рассматриваемом случае N=2);

d — расстояние между вибраторами;

q — угол между линией расположения вибраторов и рассматриваемым направлением (рис.9).

После преобразования множитель решетки примет вид

в) Расчет входного сопротивления

Z_1,2 — наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором 2 в сопротивление активного вибратора 1.

Величину взаимного сопротивления полуволновых вибраторов можно определить по графикам приложения 3

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

а величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения

где l – длина плеча вибратора, a – радиус вибратора.

В случае тонких вибраторов укорочение составляет 3-5% от длины ; для толстых вибраторов – 15-20%.

Щелевой облучатель

Рис.11.Щелевой излучатель с вертикальным (а) и горизонтальным (б) расположением щелей.

Рекомендуется следующий порядок расчета такого двухщелевого облучателя:

Рис.12.Поперечная щель (а) и ее эквивалентная схема (б).

где a и b – размеры широкой и узкой стенок волновода;

l-длина волны генератора.

Поэтому условие согласования имеет вид

Из равенства (15) находят размер узкой стенки b волновода при выбранном размере широкой стенки а.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости в этом случае рассчитывают по формуле

Для расположения щелей по рис. 106 диаграмму направленности в горизонтальной плоскости определяют из формулы

где q -угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости рассчитывают следующим образом:

где f — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

ПОРЯДОК РАСЧЕТА

3. Поле в раскрыве аппроксимируется функцией, которая соответствует характеру облучателя и углу раскрыва.

4. Рассчитывается ДН по формуле для выбранной аппроксимирующей функции, в одной или двух плоскостях.

II. Задан тип облучателя зеркальной антенны и остальные параметры, то выполняют расчет в следующем порядке:

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.

Читайте также:

Одиночные антенны облучатели реферат

Доступные файлы (1):

Принцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке 3:

П

ринцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке 3: