Основні типи параболічної антени - Розробка методики розрахунку та програми для дослідження
Досліджувана у цій роботі антена складається з параболического дзеркала 1 і опромінювача 2, вміщеного у фокус параболоїда (рис.3). Як опромінювач використовується слабоспрямована полоскова антена, а як дзеркало - поверхня, утворена обертанням параболи навколо своєї осі Z (параболоїд обертання).
Антена характеризується такими геометричними розмірами (рис.3):
-радіусом розкриття R;
-фокусною відстанню F;
-кутом розкриття 0 .
У прямокутній системі координат (рис.3) поверхня параболоїда описується виразом:
Антена зберігає всі свої характеристики при виконанні наступної умови:
Тут - довжина хвилі у вільному просторі, що відповідає випромінюваному або прийнятому сигналу. Умова дозволяє при аналізі принципу дії антени знехтувати у першому наближенні дифракційними ефектами та розглядати її з позиції геометричної оптики.
На рис.4 зображено переріз параболоїда площиною, що проходить через вісь Z (рис.3).
Слід зазначити дві властивості аналізованої поверхні дзеркала, які формулюються в такий спосіб.
1. Відстань від точки F, яка називається фокусом параболоїда, що лежить на його осі (вісь z), до будь-якої точки Мi , що лежить на прямій МN, перпендикулярної до осі, по ламаних шляхах FPiMi (Pi - точка на дзеркалі) однакові (FP1M1 = FP2M2 = ) ;
2. Нормаль n до поверхні дзеркала у будь-якій точці лежить у площині креслення рис.2 і становить кут /2 з прямою, що з'єднує цю точку на дзеркалі з точкою F і прямої паралельної осі.
Ці геометричні властивості поверхні визначають принцип дії антени. Розглянемо її у режимі передачі. Хвиля, що формуєтьсяполосковим випромінювачем малих розмірів 2 близька за своїми властивостями до неоднорідної сферичної. З позицій геометричної оптики її можна подати променями FPi (рис.4), які падають на поверхню параболоїда. Внаслідок другої властивості параболічного дзеркала, після відбиття від нього промені поширюватимуться по траєкторіях, паралельних осі антени. Таким чином ламані лінії FPiMi є частиною траєкторій цих променів.
Завдяки першій властивості параболічного дзеркала фазовий набіг на різних частинах траєкторій FPiMi виявляється однаковим. Легко зрозуміти, що поверхня, де фази променів, відбитих від дзеркала, будуть однакові (фазовий фронт хвилі), є площину, перпендикулярну до осі z (рис.3,4). Це означає, що створена опромінювачем хвиля, близька за властивостями до сферичної, перетворюється на плоску. Таким чином, параболічне дзеркало трансформує відносно широку діаграму спрямованості випромінювача (400 - 700) у вузьку, шириною долі градуса.
Робота антени як прийому розглядається аналогічно. Плоска хвиля, що падає на дзеркало, фокусується ним (перетворюється на схожу) на опромінювач.
Як опромінювачі параболічних антен можуть бути використані:
- вібраторні опромінювачі, що є системою "активний - пасивний вібратор", "активний вібратор - плоский контррефлектор";
- рупорні опромінювачі (пірамідальні рупори, конічні рупори);
У цій роботі як опромінювач використовується малогабаритна полоскова антена, методи її аналізу розглянуті в окремому розділі.
При строгому аналізі дзеркальної параболічної антени використовується хвильовий підхід визначення поля у її дальньої зоні. Наприклад, при аналізі її роботи вЯк передавальна, визначаються вторинні струми, розподілені по поверхні параболічного дзеркала. Поява цих струмів обумовлена електромагнітною хвилею від опромінювача, що падає на дзеркало. Вторинні струми формують випромінювання антени в дальній зоні.
Кожен тип опромінювача забезпечує відмінний від інших розподіл вторинних струмів поверхнею параболічного дзеркала. Отже, тип опромінювача впливає характеристики спрямованості антени загалом.
Важливим моментом при розробці конструкції дзеркальної параболічної антени є узгодження характеристик спрямованості опромінювача та геометричних розмірів дзеркала. На рис.5 зображено переріз параболоїда площиною, що проходить через вісь Z (рис.5) і зазначено точку фокусу F, в якій розташований опромінювач і кут розкриву ц0.
З практичної точки зору важливо, щоб енергія електромагнітної хвилі, створюваної опромінювачем, наскільки можна повно перехоплювалася і перевідбивалася дзеркалом. Для цього діаграма спрямованості опромінювача має бути обмежена прямими AF та BF (рис.5).
На рис.5 зображено діаграму спрямованості опромінювача в полярній системі координат і відзначено два рівні 1 і 0,3. Їм відповідають два пунктирні кола. Перетин цих кіл з діаграмою спрямованості опромінювача визначає напрямок головного максимуму та напрямки, в якому амплітуда випромінюваної хвилі зменшується до рівня 0,3 від максимального значення.
На рис.5 прямі AF та BF проходять через ці точки перетинів. Це означає, що енергія електромагнітної хвилі опромінювача, що виходить за межі кута AFB, не перехоплюється опромінювачем і безповоротно втрачається. З практичної точки зору такий вибір співвідношення між геометрією дзеркала та характеристикамиспрямованості опромінювача виявляється оптимальним. Збільшення частки енергії, що перехоплюється дзеркалом, вимагає збільшення геометричних розмірів антени в цілому, що веде до збільшення її ваги, площі та вартості. З іншого боку, це не призводить до істотного збільшення ККД антени. Компенсувати енергетичні втрати в цьому випадку простіше за рахунок незначного збільшення потужності передавача (під час роботи на прийом) або чутливості приймача (при роботі на передачу).
Великий вплив на характеристики дзеркальної параболічної антени надає точність, з якою фазовий центр опромінювача, що використовується, поєднаний з точкою фокусу. На рис.6.а показано, що поздовжнє зміщення опромінювача з фокусу призводить до поширення перевипромінюваних дзеркалом променів (розглядається режим роботи антени на передачу) за напрямками, що становлять різні кути з поздовжньою віссю антени (вісь z). Отже, фазовий фронт MN (рис. 6.а) перевипромінюваної хвилі не є плоским. Легко зрозуміти, що це відповідає збільшенню ширини діаграми спрямованості антени загалом.
На рис.6.б показано, що зміщення опромінювача з фокусу в поперечному напрямку призводить до зміни напряму головного максимуму. Теоретичний аналіз показує, що при незначних зсувах d опромінювача в поперечному напрямку (порядку довжини хвилі л випромінювання, що приймається або передається) не відбувається (у першому наближенні) збільшення ширини головного максимуму діаграми спрямованості. Тому на практиці часто механічні переміщення опромінювача використовуються для сканування або підстроювання характеристик спрямованості антени.
При створенні конструкції антени велика увага приділяється мінімізації "тіньового ефекту". Він полягає в екрануванні частини параболічногодзеркала опромінювачем, що має кінцеві розміри. З одного боку, це веде до неповного використання енергії випромінюваної або прийнятої хвилі.
З іншого боку цей ефект веде до неузгодженості опромінювача з лінією живлення. Даний ефект ілюструється малюнком 7, на якому показано наявність в живильному опромінювач фідер двох хвиль, що поширюються в зустрічних напрямках - від генератора і від дзеркала.
Для усунення тіньового ефекту використовуються різні методи. На сьогоднішній день найбільш ефективним з них є використання дзеркала не центральної, а бічної частини параболоїда обертання. Як випливає з рис.7, опромінювач при цьому вже не перекриває дзеркало і в фідері живлення не виникають хвилі, породжені відображенням від параболічного дзеркала.
Теоретичний аналіз показує, що вимоги точності виконання геометричних розмірів дзеркала визначають допустимі відхилення порядку /8. При збільшенні частоти вимоги до точності виготовлення посилюються, що веде до суттєвого подорожчання антени загалом.