Параболическая антенна

Введение

 

Антеннами называются устройства, предназначенные для излучения и приема радиоволн. Антенны являются обязательным звеном любой системы радиосвязи. Электромагнитные колебания высокой частоты вырабатываются генератором, с помощью направляющей системы (фидера) подводятся к передающей антенне и излучаются ею в окружающее пространство в виде свободно распространяющихся радиоволн.

Приемная антенна извлекает из окружающего пространства часть энергии волны. Эта энергия по направляющей системе поступает на вход радиоприемного устройства, где после ряда преобразований происходит выделение заложенной в волне информации. Антенны обладают свойством обратимости, т.е. одна и та же антенна в принципе может работать и как передающая и как приемная. Однако в реальных условиях требования к передающим и приемным антеннам могут существенно отличаться. Так, передающая антенна должна обладать высокой излучающей способностью и максимально большим коэффициентом полезного действия, в то время как приемная антенна должна обеспечивать требуемую помехозащищенность (требуемое отношение сигнал/шум), что достигается за счет ее направленных свойств. Под направленными свойствами понимается способность антенны излучать или принимать радиоволны в переделах определенного телесного угла. В процессе разработки антенны решаются две задачи - внутренняя (синтез антенны) и внешняя (анализ). Под синтезом понимается определение законов распределения токов и напряжения по антенне для получения требуемых электрических характеристик антенны. В процессе анализа решается обратная задача, т.е. по известным законам распределения токов и напряжений по антенне определяются ее электрические характеристики. В строгом смысле обе задачи нужно решать на основе уравнений Максвелла (волновых уравнений) и соответствующих граничных условий. Однако, несмотря на кажуюся их внешнюю простоту, получить удобные для практического применения формулы далеко не всегда удается из-за очень больших математических трудностей. Даже в самом простом случае одиночного линейного излучателя окончательные выражения получаются весьма громоздкими. Поэтому на практике обычно применяют инженерные методы расчета, позволяющие получить более простые формулы, когда точность расчета удовлетворяют требованиям задачи. С этой целью используют модели, в которых в качестве прототипов применяют известные в теории цепей устройства (отрезки линий, четырехполюсники). Широко применяется также метод геометрической оптики. Направляющие системы (фидеры) должны обеспечивать максимально эффективную работу антенно-фидерного тракта. Поэтому фидер работает в согласованном режиме с генератором (или приемником) и антенной, обеспечивая режим бегущей волны. Фидер должен также обладать минимальными прямыми потерями (максимальным коэффициентом полезного действия). И, наконец, фидер не должен обладать антенным эффектом, т.е. не должен излучать или принимать радиоволны. На работу антенн определенное влияние оказывает среда, в которой (или над которой) распространяются радиоволны. Это влияние проявляется в изменении входного сопротивления и сопротивления излучения антенн, их коэффициента усиления и диаграммы направленности. Структура и специфика распространения полезных сигналов и сигналов помех часто являются опредляющими факторами при определении требований к типам и конструкции антенн в различных диапазонах волн.

Определение протяженности линии связи, азимута и угла места установки антенны

 

Угол, образованный направлениями линии радиосвязи и северного земного медиана, называют азимутом. Северное направление имеет азимут 00, восточное - 900, южное - 1800, западное - 2700. При нормальном состоянии ионосферы направление линии радиосвязи (ее проекция на поверхность земли) в горизонтальной плоскости совпадает с направлением дуг большого круга. Стационарные направленные антенны устанавливаются в соответствии с азимутом линии радиосвязи. Азимут линии радиосвязи определяются уравнениями:

 

сos Θ = sin Ш1*sin Ш2+cos Ш1*cos Ш2*cos (L2-L1);

sin α = [cos Ш2*sin (L2-L1)] / sin Θ;γ = [cos Ш1*sin (L2-L1)] / sin Θ,

 

где Ш1, Ш2,- географические широты и долготы пунктов радиосвязи; α и γ - углы сферического треугольника, смысл котрых ясен из рисунка. Поскольку спутник находится точно над экватором(о чем и свидетельствует стационарность), тогда Ш2=00.

 

cos Θ = cos Ш1*cos Ш2*cos(L2-L1) = cos 840*cos 00*cos (940-510) = -0.378; Θ = 1120;

sin α = 0; α = 00;γ = [cos Ш1*sin (L2-L1)] / sin Θ = [cos 840*sin (940-510)] / sin 1120 =- 0.636; γ = 1300.

 

Азимут установки антенны:

 

- α = 1800 - 00 = 1800.

Азимут линии радиосвязи:

 

- γ = 3600 - 1300 = 2300

 

Поскольку мы рассматриваем связь спутника с землей, то протяженность линии радиосвязи будет равна расстоянию между спутником и землей: r = 36000 км.

Выбор типа антенны

В комических линиях связи могут использоваться параболические, рупорно-параболические, спиральные и так далее. Рассмотрим некоторые из них.

Параболическая антенна

 

Однозеркальные параболические антенны

Параболическая антенна представляет собой параболоид вращения (зеркало), в фокусе которого располагается облучатель, роль которого выполняет слабонаправленная антенна (спираль, рупор, излучатель щелевого типа и др.).

Как известно, парабола есть геометрическое место точек, равноудаленных от фокуса F и от директрисы при любых углах yn: FAn=AnBn.

 

FAnBn = BnAnCn = const при любых y.

 

Поэтому, если в фокусе параболической антенны установить источник сферических волн, то её раскрыв в соответствие с законами геометрической оптики будет представлять собой синфазную поверхность. Из сказанного непосредственно следует, что вся совокупность вторичных источников излучения (элементов Гюйгенса) в раскрыве формирует волну с плоским фронтом. Дифракционные явления на краях раскрыва входят в противоречие с законами оптики, и волна в принципе не может иметь строго плоский фронт. Однако в инженерных расчетах обычно пренебрегают этой неточностью и считают фронт излучаемой волны плоским, что значительно упрощает расчет электрических параметров антенны.

К недостаткам однозеркальной антенны относится:

. Высокая шумовая температура.

При работе в качестве приемной антенны земных станций на космических линиях связи облучатель направлен в сторону Земли и принимает всю совокупность сигналов помех в виде теплового излучения Земли, переотраженных сигналов от различных металлических конструкций, технических зданий и других объектов.

. Относительно низкий коэффициент защитного действия (КЗД).

Коэффициентом защитного действия называется отношение уровня сигнала на входе приемника, принимаемого с прямого и противоположного направлений:

 

 . (3.1)

 

Прием антенной с обратного направления осуществляется за счет заднего лепестка ДН, который у однозеркальных антенн относительно велик. КЗД однозеркальной антенны равен примерно 50 дБ.

. Относительно большой уровень боковых лепестков из-за «пьедестала» поля на краю антенны.

. Потери в фидере облучателя из-за его большой длины.

В большой мере перечисленных недостатков лишена двухзеркальная антенна.

Двухзеркальная антенна

Двухзеркальная антенна аналогична по принципу действия астрономическому телескопу, предложенному в 1672 г. французским оптиком Н. Кассегреном. Антенна имеет в своем составе основное (большое) параболическое зеркало и вспомогательное (малое) гиперболическое зеркало. Оба зеркала имеют совмещенный фокус в т. F. Фазовый центр облучателя расположен в фокусе F¢ второй мнимой ветви гиперболы (пунктир). Напомним, что гиперболой называется геометрическое место точек, разность расстояний от которых до фокусов F и F¢ равняется расстоянию между её вершинами (F¢An - FAn= =2a=const) при любых углах gn.

Тогда оптические пути лучей, исходящих из фокуса F¢ до раскрыва

большого зеркала, отличаются от оптических путей лучей, исходящих из фокуса F, на постоянную величину 2аk, где

 

.

 

Волна, отраженная от малого зеркала, как - будто возбуждается виртуальным источником сферической волны, расположенным в фокусе большого зеркала F, и в раскрыв большого зеркала образуется синфазная поверхность, как в случае однозеркальной антенны.

Преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной заключается в следующем.

1. Наличие вспомогательного зеркала позволяет легче подобрать требуемое распределение поля в раскрыв основного зеркала.

2. Облучатель устанавливается близко от основного зеркала, что укорачивает линию питания и, соответственно, уменьшаются потери. Упрощается конструкция крепления облучателя.

.   ДН облучателя направлена в сторону от поверхности Земли, из-за чего существенно уменьшается шумовая температура антенны.

.   Возможность использования короткофокусных параболоидов. Это снижает переливание энергии через край зеркала и, соответственно, увеличивает КЗД. В двухзеркальных антеннах КЗД может достигать 70 дБ.

Недостатком двухзеркальной антенны является значительный теневой эффект, создаваемый вспомогательным зеркалом, и реакция зеркала на облучатель. Теневой эффект растет с ростом раскрыва вспомогательного зеркала. Поэтому обычно его радиус R выбирается в пределах

 

R = (0,06¸0,2)R0,

 

где R0 - радиус основного зеркала.

При расчете распределения амплитуды поля в раскрыве большого зеркала вводится понятие эквивалентного зеркала, что значительно упрощает расчеты.

Эквивалентное зеркало представляет собой геометрическое место точек, образованных пересечением лучей, отраженных от основного зеркала и лучей, идущих от облучателя.

Радиусы раскрывов эквивалентного и основного зеркала одинаковы. Амплитудное распределение поля в раскрыве эквивалентного зеркала такое же, как и в раскрыве основного зеркала и рассчитывается по тем же формулам, что и для однозеркальной антенны. Фокусное расстояние эквивалентного зеркала больше фокусного расстояния основного зеркала. Поэтому амплитудное распределение поля в раскрыве основного зеркала двухзеркальной антенны более равномерное при заданной ДН облучателя по сравнению с распределением поля в раскрыве однозеркальной антенны при равном отношении . Благодаря этому КИП двухзеркальной антенны может достигать величины =0,7. Благодаря низкой шумовой температуре двухзеркальные антенны широко применяются на космических и радиорелейных линиях связи, на которых работа ведется с малыми уровнями полезного сигнала.