Зеркальные антенны

Зеркальными называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра – линейным.

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.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны – рис.8.

Рис. 8 – Зеркальная антенна

На рисунке: 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.

Геометрические характеристики параболоидного зеркала


Вспомним основные геометрические свойства параболоида (рис. 9).

Нормаль к поверхности параболоида в любой точке лежит в плоскости, содержащий ось Z, и составляет угол с прямой, соединяющей эту точку с фокусом.

Любое сечение параболоида плоскостью, содержащее ось Z, является параболой с фокусом в точке F. Кривая, получающаяся при сечения параболоида плоскостью, параллельной оси Z, является также и параболой с тем же фокусным расстоянием f.

Рис. 9 – Геометрические характеристики параболоидного зеркала

Из первого свойства следует, что если поместить точечный источник электромагнитных волн в фокусе параболоида, то все лучи после отражение будут параллельны оси Z.

Это означает, что отраженная волна будет плоской с фронтом, перпендикулярным оси Z параболоида (рис. 10).

Рис. 10 – Формирование плоского фронта волны

Из второго свойства следует, что для анализа вопросов отражения волн от поверхности зеркала и наведения на нем токов можно ограничиться рассмотрением любого сечения зеркала плоскостью, проходящей через ось Z или параллельно ей. Кроме того, из второго свойства вытекает, что для контроля точности изготовления параболического зеркала достаточно иметь только один шаблон.

При анализе параболических зеркал удобно одновременно использовать различные системы координат, переходя в процессе анализа от одной к другой, более удобной для последующих расчетов. Такими системами координат являются:

1. Прямоугольная с началом в вершине параболоида и осью Z, совпадающей с осью его вращения. Уравнение поверхности зеркала в этой системе координат имеет вид

.

2. Цилиндрическая система . Здесь и - полярные координаты, отсчитываемые в плоскости Z=const. Угол отсчитывается от плоскости XOZ. Уравнение параболоида в этих координатах будет

.

Цилиндрическую систему координат удобно использовать при определении координат точек истока (т.е. точек источников поля).

3. Сферическая система координат с началом в фокусе F и полярной осью, совпадающей с осью Z. Здесь - полярный угол, отсчитываемый от отрицательного направления оси - азимут, тот же, что в цилиндрической системе. Уравнение поверхности зеркала в этой системе координат нами уже было получено: . Эта система координат удобна для описания диаграммы направленности облучателя.

4. Сферическая система координат с началом в фокусе параболоида. Здесь - полярный угол, отсчитываемый от положительного направления оси Z; - азимут, отсчитываемый от плоскости XOZ. Эта система координат удобна для определения координат точки наблюдения и будет использована при расчете поля излучения.

Поверхность, ограниченная кромкой параболоида и плоскостью , называется раскрывом зеркала. Радиус этой поверхности называется радиусом раскрыва. Угол , под которым видно зеркало из фокуса, называется углом раскрыва зеркала.

Форму зеркала (рис. 11) удобно характеризовать либо отношением радиуса раскрыва к двойному расстоянию (параметру параболоида) либо величиной половины раскрыва . Зеркало называют мелким, или длиннофокусным, если , глубоким, или короткофокусным, если .

Рис. 11 – Выбор формы зеркала

Легко найти связь между отношением и углом .

Из рис. 11 следует, что

;

откуда

.

У длиннофокусного параболоида , у короткофокусного . При (фокус лежит в плоскости раскрыва зеркала) .

Апертурный метод расчета поля излучения

В апертурном поле излучения зеркальной антенны находится по известному полю в ее раскрыве. В этом методе, в качестве излучающей рассматривается плоская поверхность раскрыва параболоида с синфазным полем и известным законом распределения его амплитуды.

Амплитудный метод в том виде, в котором он используется на практике, является менее точным, чем метод расчета через плотность тока. Это объясняется тем, что в этом случае поле в раскрыве зеркала находится по законам геометрической оптики. Следовательно, не учитывается векторный характер поля и, как результат этого, не учитывается составляющие с паразитной поляризацией. Однако в пределах главного лепестка и первых боковых лепестков, т.е. в наиболее важной для нас области диаграммы направленности, оба метода практически дают одинаковые результаты. Поэтому на практике наибольшее распространение получил апертурный метод расчета как более простой.

Задача нахождения поля излучения зеркальной антенны при апертурном методе расчета, как и в общей теории антенн, разбивается на две:

1. Вначале находится поле в раскрыве антенны (внутренняя задача).

2. По известному полю в раскрыве определяется поле излучения (внешняя задача).

1.1. Определение поля в раскрыве параболоидного зеркала (рис. 12)

Поле в раскрыве определяется методом геометрической оптики. Всегда выполняется условие , следовательно, зеркало в дальней зоне и падающую от облучателя волну на участке от фокуса до поверхности зеркала можно считать сферической.

В сферической волне амплитуда поля изменяется обратно пропорционально . После отражения от поверхности зеркала волна становится плоской и амплитуда ее до раскрыва зеркала с расстоянием не изменяется. Таким образом, если нам известна нормированная диаграмма направленности облучателя , поле в раскрыве зеркала легко находится.

Рис. 12 - Определение поля в раскрыве параболоидного зеркала

Для удобства расчетов введем нормированную координату точки в раскрыве зеркала

.

Подставим значение и получим

в выражение для , после элементарных преобразований получаем

.

Очевидно, что и меняется в пределах .

Нормированное значение амплитуды поля в раскрыве определится выражением

.

Подставим в последнюю формулу значение , получим окончательно

.

Полученная формула – расчетная. Из нее видно, что амплитуда поля в раскрыве зеркала зависит только от радиальной координаты . Такая осевая симметрия в распределении поля явилась следствием допущения, что диаграмма направленности облучателя является функцией только полярного угла и не зависит от азимутального угла , хотя эта зависимость обычно выражена слабо. Вследствие этого в большинстве случаев можно ограничиться расчетом распределения поля в раскрыве только вдоль двух главных взаимно перпендикулярных направлений: параллельного оси X и оси Y. Система координат X,Y,Z ориентируется так, чтобы эти направления лежали в плоскости вектора (плоскость XOZ) и вектора (плоскость YOZ). Для этих плоскостей затем и рассчитывается поле излучения и диаграмма направленности антенны. Расчет ведется в предположении, что поле в раскрыве зависит только от радиальной координаты , а диаграмма направленности облучателя при расчете в плоскости вектора есть , а при расчете в плоскости вектора есть .

Таким образом, распределение поля в плоскости вектора будет несколько отличаться от распределения в плоскости , что противоречит принятой зависимости распределения поля только от радиальной координаты. Однако вследствие небольшого различия между функциями и принятые допущения не приводят к существенным погрешностям в расчетах и в тоже время позволяют учесть различия в диаграмме направленности облучателя в плоскостях и .

Из рис. 13 видно, что наиболее интенсивно облучается центр зеркала, а поле к его краям по амплитуде падает вследствие уменьшения значения и увеличения с увеличением . Типичное распределение нормированной амплитуды поля в раскрыве параболоидного зеркала показано на рис.:

Для упрощения последующих расчетов найденное значение целесообразно аппроксимировать интерполяционным полиномом

.

Рис. 13 – Зависимость F(R) от

.

Этот полином хорошо аппроксимирует фактическое распределение поля в раскрыве параболоида и для нахождения поля излучения при такой аппроксимации не потребуется громоздких вычислений. Излучение круглой площадки с распределением поля на ее поверхности, определяемым, уже было рассмотрено выше.

Узлами интерполяции, т.е. точками, где полином совпадает с ранее найденной функцией , будем считать точки раскрыва зеркала, соответствующие значениям : Тогда коэффициенты полинома определяется из системы уравнений:

На этом решение задачи определения поля в раскрыве параболоида можно считать законченным.

При инженерных расчетах для упрощения вычислений обычно можно ограничиться тремя членами полинома, т.е. положить m = 2. Тогда

В этом случае в качестве узлов интерполяции берут точки в центре раскрыва зеркала , на краю зеркала и приблизительно в середине между этими крайними точками . Коэффициенты этого полинома определяются системой уравнений:

Относительная погрешность, определяющая отклонение полинома от заданной функции , может быть вычислена по формуле

.

Расчеты показывают, что во многих случаях уже при трех членах полинома относительная погрешность не превышает 1-2%. Если требуется большая точность, следует брать большее число членов полинома.

1.2. Определение поля излучения параболоидного зеркала

Раскрыв зеркала представляет собой плоскую круглую площадку. Поле на площадке имеет линейную поляризацию. Фаза поля в пределах площадки неизменна, а распределение амплитуды описывается полиномом

.

Как было показано выше, каждый n-й компонент поля в раскрыве, представляемого полиномом, создает в дальней зоне напряженность электрического поля , где ,

где S – площадь раскрыва, E0 – амплитуда напряженности электрического поля в центре площадки, , - ламбда-функция (n + 1)-го порядка.

Полное поле в дальней зоне будет равно сумме полей, создаваемых каждым компонентом .

Выражение, определяемое суммой в последней формуле, представляет собой ненормированную диаграмму направленности антенны:

.

Для получения нормированной диаграммы направленности найдем максимальное значение . Максимум излучения синфазной площадки имеет место в направленности, перпендикулярном этой площадке, т.е. при . Этому значению соответствует значение . Заметим, что при любых n.

Следовательно,

.

Тогда

Эта формула описывает нормированную диаграмму направленности параболоидной зеркальной антенны и является расчетной. Постоянные коэффициенты зависят от распределения поля в раскрыве зеркала. Их значения определяются системой уравнений

Если ограничится тремя членами полинома, т.е. положить m=2, нормированная диаграмма направленности параболоидного зеркала опишется выражением

.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Коэффициент направленного действия параболической антенны удобно определить через эффективную поверхность , где - геометрическая площадь раскрыва, - коэффициент использования поверхности раскрыва.

Коэффициент использования площади раскрыва зеркала полностью определяется характером распределения поля в раскрыве. Как известно, для любых площадок, возбуждаемых синфазно, его величина определяется формулой .

В случае параболоидного зеркала имеем

Тогда, подставив значения, получим

.

Для приближенного расчета можно пренебречь зависимостью распределения поля от и считать, как мы это делаем в апертурном методе расчета, что амплитуда поля в раскрыве является функцией только координаты : . В этом случае формула упрощается и принимает вид

.

Данная формула в большинстве случаев дает вполне удовлетворительную точность и может быть принята за расчетную.

В качестве примера рассчитываем для двух случаев:

1. Амплитуда поля в раскрыве неизменна ;

2. Амплитуда поля изменяется по закону , т.е. на краях зеркала поле равно нулю.

Расчет по формуле дает для первого случая и для второго .

В реальных антеннах величина зависит от типа облучателя и формы (т.е. глубины) зеркала.

Зависимость коэффициента использования поверхности раскрыва от угла раскрыва для случая, когда облучателем является диполь с дисковым рефлектором приведена в справочниках. Распределение поля в раскрыве зеркала, облучаемого таким облучателем, является типичным для многих практических случаев.

Из рисунка видно, что коэффициента достигает единицы, когда Это объясняется тем, что поле в раскрыве очень мелких зеркал близко к равномерному. С увеличение глубины зеркала коэффициент довольно быстро падает.

Коэффициент направленного действия, определяемый как

,

не учитывает потерь энергии на рассеивание, т.е. потерь энергии, проходящей от облучателя мимо зеркала.

Поэтому КНД параболических зеркал в отличие от рупорных антенн не является параметром, достаточно полно характеризующим выигрыш, получаемый от применения направленной антенны. Для более полной характеристики следует использовать такой параметр, как коэффициент усиления антенны

,

где - коэффициент полезного действия.

Тепловым потерям электромагнитной энергии на поверхности зеркала можно пренебречь. Тогда под К.П.Д. параболической антенны следует понимать отношение мощности, падающей на поверхность зеркала , к полной мощности излучения облучателя :

Для определения этого отношения окружим облучатель сферой радиусом .Элемент поверхности сферы равен . Полная мощность излучения облучателя определяется выражением

,

где - амплитуда напряженности поля в направлении максимального излучения облучателя; - нормированная диаграмма направленности облучателя.

Соответственно мощность излучения, попадающего на зеркала будет

.

Таким образом, коэффициент полезного действия параболической антенны равен

.

Из этого выражения видно, что К.П.Д. целиком определяется диаграммой направленности облучателя и величиной .

Очевидно, чем больше угол , т.е. чем глубже зеркало, тем большая часть излученной энергии попадает на зеркало и, следовательно, тем больше К.П.Д.. Таким образом, характер изменения функции противоположен характеру изменения функции

.

Вычислим КПД для случая, когда облучателем является диполь с дисковым рефлектором. Диаграмма такого облучателя может быть выражена следующим образом

.

Для дальнейших вычислений необходимо выразить угол через углы и . Для этого рассмотрим рисунок, на котором плоскость параллельна плоскости раскрыва и проходит через точку на его поверхности, а ось совпадает с осью диполя и параллельна оси . Из рисунка видно, что

.

Отсюда .

Таким образом

.

В последней формуле интегрирование по производится от 0 до , так как мы считаем, что облучатель излучает только в переднюю полусферу.

Интегрирование в этом случае упростится, а результат изменится незначительно, если положить .

В этом случае интеграл легко берется и КПД оказывается равным

.

Полученная формула дает простую зависимость КПД параболической антенны от угла раскрыва зеркала для случая, когда облучатель является электрическим диполем с дисковым рефлектором. Вследствие этого последняя формула может быть использована для ориентировочной оценки КПД параболоидных антенн во многих практических случаях.

Коэффициент усиления зеркальной антенны согласно пропорционален произведению . Вследствие разного характера зависимости сомножителей от это произведение должно иметь максимум.

В некоторых случаях под термином коэффициент использования поверхности (КИП) понимается величина , а произведение . В реальных параболических антеннах значение имеет величину .

7.3. Двухзеркальные антенны

Рассмотренные зеркальные параболические антенны по сравне­нию с другими типами антенн обладают хорошими электрическими характеристиками, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно простую конструкцию. Наряду с этими достоинствами они обладают недостатками, которые в ряде случаев не позволяют удовлетворить комплексу требований, предъявляемых к современным антеннам. Та­кими недостатками являются большая длина тракта от антенны до при­емопередающей аппаратуры и его размещение в поле излучения ан­тенны; сложность обеспечения амплитудного распределения поля в раскрыве, близкого к равномерному, с сохранением высокого значе­ния результирующего КИП; неприемлемые в ряде случаев про­дольные габаритные размеры антенны и др. Поэтому наряду с однозеркальными схемами антенн были разработаны так называемые двухзерколъные антенны, в которых перечисленные недостатки проявля­ются в меньшей степени либо полностью устраняются. Среди много­образия типов двухзеркальных антенн есть две классические: это двухзеркальные антенны Кассегрена (рис. 14, а) и Грегори (рис. 14,б).

В этих антеннах используются две отражающие поверхности: основная - большое (обычно параболическое) зеркало и вспомогатель­ная - малое зеркало, выполненное либо в виде части гиперболоида вращения (рис. 14,а), либо в виде части эллипсоида вращения (рис. 14,б).

Пусть облучатель с фазовым центром, находящимся в точке Fv излучает в направлении малого зеркала сферическую волну. В каждой точке поверхности зеркала соблюдается правило: угол отражения ра­вен углу падения. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы (или эллипса) отражаемая малым зеркалом волна, снова ока­зываясь сферической, как бы исходит из одной точки - фокуса гипер­болы (или эллипса) F1 совмещенного с фокусом большого зеркала - параболы. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Второй фокус малого зеркала F2 совмещается с фазовым центром об­лучателя (обычно рупора).

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами (рис. 15): R0 и Rм - соответственно радиусы раскрывов большого и малого зеркал, обычно Rм= (0,1...0,2)R0; 2γ0 - угол раскрыва большого параболоида; 2α0 - угол облучения источником (об­лучателем) краев малого зеркала; f0 - фокусное расстояние большого зеркала; fм - фокусное расстояние малого зеркала; 2с - расстояние между фокусами малого зеркала; е - эксцентриситет малого зеркала. Из перечисленных параметров независимыми являются четыре пара­метра, остальные могут быть определены через них. Обычно в каче­стве независимых переменных берутся R0, Rм, γ0, α0.

В антенне Кассегрена угол γ0 может быть больше 90°. В антенне Грегори угол γ0 может быть взят лишь меньше 90° (если γ0 > 90°, то отраженные от одной половины малого зеркала лучи на пути к боль­шому встретят вторую половину малого зеркала, т.е. будут им затене­ны). Поэтому антенны Грегори могут быть только длиннофокусными.

Рис. 14 – Конструкция двухзеркальных антенн

Рис. 15 – Графическое отображение параметров двухзеркальных антенн

Двухзеркальная антенна обладает рядом преимуществ по срав­нению с однозеркальной. Вспомогательное зеркало облегчает подбор наиболее благоприятного амплитудного распределения в раскрыве параболоида (подробный анализ показывает, что трансформация амп­литуд поля источника происходит только на малом зеркале; большое зеркало лишь выравнивает фазовое распределение) и тем самым обес­печивает сравнительно высокий результирующий КИП зеркала. Так как в двухзеркальной антенне облучатель можно расположить близко к основному зеркалу, то упрощается подводка питания к облучателю, укорачивается длина линии питания и облегчается крепление этой ли­нии и облучателя. Укорочение линии питания ведет к уменьшению потерь в ней и снижению шумовой температуры тракта питания, что важно при использовании антенн в спутниковой и кос­мической радиосвязи.

Применяя в двухзеркальной системе поверхности, несколько отличные от правильных параболоидов, эллипсоидов и гиперболои­дов (квазипараболические или оптимизированные антенны), можно добиться более равномерного амплитудного распределения поля в рас­крыве основного зеркала при меньшем переливании энергии через его края, чем это имеет место в обычной двухзеркальной антенне. Более равномерное амплитудное распределение в раскрыве большого зер­кала при большом коэффициенте перехвата обеспечивается малым зеркалом благодаря модификации формы его поверхности. При этом модифицированная форма поверхности большого зеркала восстанав­ливает синфазность возбуждения его раскрыва.

Оптимизация двухзеркальной антенны состоит в подборе про­филей зеркал в соответствии с заданной формой ДН облучателя. Ос­новными требованиями, предъявляемыми к форме ДН облучателя оп­тимизируемой антенны, являются ее осевая симметрия и минималь­ная утечка энергии вне сектора облучения малого зеркала (крутые ска­ты ДН).

7.4. Облучатели зеркальных антенн

В качестве облучателей зеркальных антенн применяют слабо­направленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается с фоку­сом зеркала. Если облучатель не обладает однозначно выраженным фазовым центром, как, например, пирамидальный рупор, то положе­ние такого облучателя относительно фокуса параболического зеркала подбирается экспериментально.

Диаграмма направленности облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом перели­вании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков.

Диапазонные свойства параболической антенны в основном за­висят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса про­пускаемых частот как по направленным свойствам, так и по согласова­нию.

Вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом диапазоне и в длинновол­новой части сантиметрового диапазона. Для создания однонаправлен­ного излучения используют контррефлекторы в виде пассивных виб­раторов или металлических дисков диаметром (0,7...0,8)А. Фазовый центр облучателя находится между вибратором и контррефлектором.

Вибраторы, питаемые с помощью волноводов, - волноводно-вибраторные облучатели (рис. 16) - применяют на волнах короче 10 см. В середине выходного отверстия волновода перпендикулярно линиям вектора Е устанавливается тонкая металлическая пластина, к которой крепят два вибрато­ра на расстоянии примерно (0,3...0,25)λ друг от друга. Вибраторы возбуждаются полем, выходящим из открытого конца волновода. Длины вибраторов подбира­ются так, чтобы второй вибратор играл роль контррефлектора. Фазовый центр располагается между вибраторами (ближе к первому из них). Вибраторные облучатели це­лесообразно использовать в случае довольно глу­боких параболических зеркал (при 2γ0 = 120... 180°).

Рис. 16 – Устройство волноводно-вибраторных облучателей

Для создания круговой поляризации можно применять спиральный илитурникетный облуча­тель (в виде крестовины). Облучатели этого типа использу­ются также в зеркальных антеннах, если переда­ваемые поля имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. В этом случае один из вибраторов предназначен для пе­редачи, другой - для приема.

На сантиметровых и более коротких волнах широко применяют волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели (рис. 17). Эти облучатели позволяют передавать большую мощность и имеют лучшие диапазонные свойства, чем вибраторные. Рупорный облучатель с фазирующей секцией позволяет получать волну с круго­вой поляризацией.

Облучатели, предназначенные для двухзеркальных неоптимизированных и оптимизированных антенн, должны иметь ДН с максиму­мами в направлении кромки малого зеркала и с небольшой впадиной в направлении его вершины. Близ­кую к такой ДН имеют расфазированные рупоры.

Среди различных типов рупорных антенн, позволяющих полу­чать требуемую форму ДН облучателя двухзеркальных антенн, назо­вем расфазированные рупоры, расфазированные рупоры с изломом конической образующей (рис. 17), расфазированные рупоры с диэлектрической втулкой (рис. 18), рупор с импедансными структура­ми (рис. 19).

7.5. Антенна - параболический цилиндр. Уголковая антенна

В ряде случаев необходимо в двух главных плоскостях иметь ДН, значительно отличающиеся по ширине. При этом пространствен­ная ДН будет в форме веера. Для получения веерной ДН размеры раскрыва антенны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях долж­ны быть различны. Такую диаграмму легко получить с помощью ан­тенны, состоящей из металлического зеркала, поверхность которого име­ет форму параболического ци­линдра, и линейного облучате­ля, расположенного вдоль фо­кальной оси этого цилиндра (рис. 20). Элементы линей­ного излучателя возбуждают­ся синфазно. Сечение цилин­дра плоскостью y0z представ­ляет параболу, а плоскостью x0z - прямую линию. Длина облучателя равна примерно длине (высоте) цилиндра h.

Рис. 17 - Волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели,

расфазированные рупоры

Рис. 18 – Диэлектрическая втулка

Рис. 19 - Рупор с импедансными структура­ми

Рис. 20 – Антенна – параболический цилиндр

Если на поверхность цилиндра падает волна, то благодаря гео­метрическим свойствам параболы эта волна, отражаясь по законам геометрической оптики, трансформируется в плоскости y0z в плоскую. В плоскости x0z цилиндр не обладает трансформирующими свойства­ми. Поверхность раскрыва цилиндра АВCD имеет форму прямоуголь­ника со сторонами 2R0 = АВ и h и возбуждается синфазно. Синфазность возбуждения вдоль оси у обеспечивается трансформирующими свойствами параболического цилиндра в плоскости y0z, а вдоль оси х - тем, что все элементы линейного облучателя возбуждаются синфаз­но и создают вдоль оси облучателя синфазное поле.

Параболический цилиндр может облучаться с помощью синфазной многощелевой волноводной антенны, волноводной многовибраторной антенны, рупорной линейной решетки, сегментной параболической антенны, уголковой ан­тенны.

Уголковая антенна (рис. 21) со­стоит из зеркала (рефлектора 1), образо­ванного двумя плоскими металлически­ми пластинами, и вибратора (2) или сис­темы коллинеарных вибраторов, располо­женных в плоскости биссектрисы угла зеркала γ. Поле, излученное антенной, является суммой поля, излучаемого не­посредственно вибратором (облучате­лем), и поля, создаваемого вторичными токами, текущими по поверхности зеркала. Подбором угла γ и рассто­яния d от оси облучателя до вершины зеркала максимальное излуче­ние получается в направлении биссектрисы угла γ. Угол γ обычно бе­рется равным 180°/n, где n - целое число (1,2, 3...).

Рис. 21 – Устройство уголковой антенны

Уголковая антенна отличается конструктивной простотой. Креп­ление вибраторов можно осуществлять с помощью как диэлектричес­ких, так и «металлических» изоляторов, что предпочтительнее. Такая антенна при ее приемлемых размерах позволяет получать ДН шири­ной примерно до 20° (по половинной мощности). По своим направ­ленным свойствам антенна близка к параболическому цилиндру с та­кими же размерами.

7.6. Уровень излучения параболической антенны в области тени


В ряде случаев, в частности в радиорелейной связи, важное значение имеет уровень большого лепестка (УБЛ) в заданных квадрантах в направлениях, близких к 180°. В этих направлениях излучение (коэффициент защитного действия) должно состав­лять не более - (60 .. .70) дБ.

Удовлетворительную точность расчета излучения в области тени дает метод геометрической теории дифракции (ГТД). Как и геометрическая опти­ка, ГТД базируется на предположении, что энергия распространяется вдоль лучей, однако в отличие от геометрической оптики в ней помимо падающих, отраженных и преломленных лучей рассматриваются так называемые диф­ракционные лучи.

Напряженность поля, создаваемого в области тени параболической антенны, обусловлена в основном кра­евыми дифрагированными лучами, возникающими в ме­стах падения волны, создан­ной облучателем. В случае зеркальной антенны - это волна, созданная облучате­лем на краю (ребре) зеркала (рис. 22).

Рис. 22 – Волна, созданная облучателем на краю зеркала

В направлении оси зеркала поляризация дифрагированного поля, оп­ределяемого ребром антенны, соответствует поляризации поля облучателя, Кроссполяризационная составляющая поля для направлений, близких к оси зеркала, невелика.

Контрольные вопросы:

1. Антенны в виде открытого конца волновода.

2. Принцип действия рупорных антенн.

3. Свойства рупорных антенн.

4. Рупорные антенны с круговой поляризацией поля.

5. Устройство зеркальных антенн.

6. Характеристики зеркальных антенн.

7. Двухзеркальные антенны, конструкция.

8. Двухзеркальные антенны, принцип действия.

9. Преимущества двухзеркальных антенн.

10. Облучатели двухзеркальных антенн.

11. Антенна – параболический цилиндр.

12. Уголковые антенны.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

16 − = 6