Параболични предавателни и приемащи антени. Основни видове параболични антени

Първо параболична антенапроектиран от Хайнрих Херц

Параболичната антена е изобретена от немския физик Хайнрих Херц през 1887 г. Херц използва цилиндрични параболични рефлектори, за да запали диполни антени по време на своите експерименти. Антената имаше размер на отвора 1,2 метра широк и беше използвана при честота от около 450 MHz. Рефлекторът е изработен от цинкова ламарина. С две такива антени, една предавателна и една приемаща, Hertz успешно демонстрира съществуването на електромагнитни вълни, които са предсказани от Максуел 22 години по-рано.

Обикновено при рефлекторните антени по-широката диаграма на излъчване на захранването се преобразува в тясна диаграма на излъчване на самата антена.

Ръбът на огледалото и равнината Z образуват повърхност, наречена отвор на огледалото. В този случай радиусът R се нарича радиус на отваряне, а ъгълът 2ψ се нарича ъгъл на отваряне на огледалото. Видът на огледалото зависи от ъгъла на отваряне:

ако ψ< π/2 - зеркало называют мелким или длиннофокусным;
ако ψ > π/2 - дълбок или къс фокус,
ако ψ = π/2 - средно.

Фокусът на антенното захранване може или да бъде разположен във фокуса на огледалото F, или да бъде изместен спрямо него. Ако фокусът на облъчвателя е разположен във фокуса на антената, тогава той се нарича директен фокус. Антените с директен фокус се предлагат в различни размери, докато есенно симетричните антени, чието захранване не е във фокуса на огледалото, обикновено не надвишават 1,5 m в диаметър. Такива антени често се наричат офсетни антени. Предимството на офсетната антена е по-високото усилване на антената, което се дължи на липсата на засенчване на отвора на огледалото от фида. Рефлекторът на офсетните антени е страничен изрез на параболоид на въртене. Фокусът на облъчвателите в такива антени е разположен във фокалната равнина на рефлектора.

Рефлекторната антена може да има допълнително елиптично огледало (двуогледална схема на Грегъри) или допълнително хиперболично огледало (двуогледална схема на Касегрен), с фокуси, разположени във фокалната равнина на рефлекторната антена. В този случай облъчвателят се намира във фокуса на допълнителното огледало.

Рефлекторната антена може едновременно да има няколко канала, разположени във фокалната равнина на антената. Всеки облъчвател формира диаграма на излъчване, насочена в желаната посока. Облъчвателите могат да работят в различни диапазони на дължина на вълната ( , , ) или всеки едновременно в няколко диапазона.

Местоположението на фокуса и фокалната равнина на огледалото на антената не зависи от работния диапазон на дължината на вълната.

В зависимост от задачите и облъчвателя рефлекторна антенаобразува една тясно насочена обща, сумарно-различна диаграма (за пеленгаторите) или няколко различно насочени диаграми едновременно - при използване на няколко облъчвателя.

Видове огледала

В технологията най-широко използвани са следните видове огледала:

Характеристики на дизайна

Огледалото обикновено се състои от диелектрична основа (въглеродни влакна - за космически антени), която е покрита с метални листове, проводима боя, фолио. В същото време листовете често са перфорирани или мрежести, което се дължи на желанието да се намали теглото на конструкцията, както и да се сведе до минимум устойчивостта на вятър и валежи. Но такова непродължително огледало води до следните последствия: част от енергията прониква през огледалото, което води до отслабване на насочеността на антената и увеличаване на радиацията зад рефлектора. Ефективността на антена с неплътно огледало се изчислява по формулата T = P p r P p a d (\displaystyle T=(\frac (P_(pr))(P_(pad)))), Където P p r (\displaystyle P_(pr))е мощността на излъчване зад рефлектора, и P p a d (\displaystyle P_(pad))- мощност на излъчване на рефлектора (падаща вълна). Ако T< 0 , 01 {\displaystyle T<0,01} , неплътното огледало се счита за добро. Това условие обикновено е изпълнено, когато диаметърът на отвора на перфорираното огледало е по-малък от 0 , 2 λ (\displaystyle 0,2\lambda )и общата площ на дупките до 0 , 5 − 0 , 6 (\displaystyle 0,5-0,6)от цялата площ на огледалото. При мрежестите огледала диаметърът на отворите не трябва да надвишава 0 , 1 λ (\displaystyle 0,1\lambda ) .

Облъчвател

Диаграмата на излъчване на параболична антена се формира от захранване. В антената може да има едно или повече захранвания, съответно в антената се формират една или повече диаграми на излъчване. Това се прави, например, за да се получи сигнал едновременно от няколко космически комуникационни спътника.

Отворът на облъчвателите се намира във фокуса на параболичния рефлектор или в неговата фокална равнина, ако в една антена се използват няколко облъчвателя. Няколко облъчватели формират няколко радиационни модели в една антена, това е необходимо, когато насочвате една антена едновременно към няколко комуникационни сателита.

Ширина на лъча

Параболични параметри на антената. Ширина на лъча, ниво на страничен лъч, усилване

Ъгловата ширина на лъча на антената и нейната диаграма на излъчване не зависят от това дали антената предава или приема. Ширината на лъча се определя от нивото на половината мощност на лъча, т.е. от нивото (-3 dB) от максималната му стойност. За параболичните антени това ниво се определя по формулата:

θ = k λ / d (\displaystyle \theta =k\lambda /d\,),

където K е коефициент, който варира леко в зависимост от формата на рефлектора, а d е диаметърът на рефлектора в метри, ширината на модела на половин мощност θ в радиани. За 2-метрова сателитна антена, работеща в обхват C (3-4 GHz приемане и 5-6 GHz предаване), тази формула дава ширина на лъча от около 2,6°.

Усилването на антената се определя по формулата:

G = (π k θ) 2 e A (\displaystyle G=\left((\frac (\pi k)(\theta ))\right)^(2)\ e_(A))

Съществува обратна връзка между усилването и ширината на лъча.

Параболичните антени с големи диаметри образуват много тесни лъчи. Насочването на такива лъчи към комуникационен сателит се превръща в проблем, тъй като вместо към главния лоб, можете да насочите антената към страничния лоб.

Диаграмата на антената е тесен основен лъч и странични листа. Кръговата поляризация в главния лъч се задава в съответствие със задачите, нивото на поляризация в различните места на главния лъч е различно, в първите странични лобове поляризацията се променя на противоположна, отляво надясно, отдясно наляво.

Характеристики на рефлекторните антени

Характеристиките на рефлекторната антена се измерват в далечното поле.

При едноогледална антена с кръгова поляризация захранването трябва да има посока на въртене на полето, противоположна на посоката на въртене на полето на антената.
Рефлекторните антени с диаграма на насоченост, насочена към движещ се обект, обикновено имат електрическо задвижване за проследяване на ъгловата посока зад обекта.
Измерванията на RP на големи рефлекторни антени в далечното поле са свързани с големи трудности, свързани със значителни разстояния от антените до местата, където се измерват техните сигнали. За измерване на RP се използват шумови сигнали от Слънцето, комуникационни сателити и големи колиматорни антени.
Големи рефлекторни антени, разположени на различни места на планетата Земя, се използват като елементи на антенни решетки за изследване на дълбокия космос.

Приложение

Параболичните антени се използват като антени с високо усилване за следните видове комуникации: радиорелейни между близките градове, безжични WAN / LAN връзки за данни, за сателитни и космически комуникации. Използват се и за радиотелескопи.

Параболичните антени се използват и като радарни антени за управление на кораби, самолети и управляеми ракети. С появата на домашните сателитни телевизионни приемници, параболичните антени се превърнаха в характерна черта на пейзажите на съвременните градове.

6.1. Параболични антени

Приемането на сателитни телевизионни сигнали се осъществява от специални приемници, неразделна част от които е антената. За професионално и любителско приемане на сателитни предавания най-популярни са параболичните антени, поради свойството на параболоида на въртене да отразява лъчите, падащи върху неговия отвор, успореден на оста, в една точка, наречена фокус. Апертурата е частта от равнината, ограничена от ръба на параболоида на въртене.

Параболоид на въртене, който се използва като рефлектор на антената, се образува чрез въртене на плоска парабола около оста си. Параболата е геометричното място на точки, еднакво отдалечени от дадена точка (фокус) и дадена права линия (директриса) (фиг. 6.1). Точка F е фокусът, а правата AB е директрисата. Точка M с координати x, y е една от точките на параболата. Разстоянието между фокуса и директрисата се нарича параметър на параболата и се обозначава с буквата p. Тогава координатите на фокуса F са: (p/2, 0). Началото на координатите (точка 0) се нарича връх на параболата.

По дефиниция на парабола отсечките MF и PM са равни. Според Питагоровата теорема MF^2 =FK^2+ MK^2. В същото време FK = x - p/2, KM = y и PM = x + p/2, тогава (x - p/2)^2 + y^2 = (x + p/2)^2.

Поставяйки на квадрат изразите в скоби и привеждайки подобни членове, накрая получаваме каноничното уравнение на параболата:

y^2 = 2px, или y = (2px)^0,5. (6.1)

Според тази класическа формула са направени милиони антени за приемане на сателитни телевизионни сигнали. Какво й е на тази антена?

Успоредно на оста на параболоида лъчите (радиовълните) от спътника, отразени от апертурата към фокуса, преминават по същия (фокусно разстояние). Обикновено два лъча (1 и 2) падат върху зоната на отваряне на параболоида в различни точки (фиг. 6.2). Отразените сигнали и на двата лъча обаче преминават на същото разстояние до фокуса F. Това означава, че разстоянието A+B=C+D. Така всички лъчи, излъчвани от предавателната антена на сателита и към които е насочено парабо огледалото

loid, са концентрирани във фаза във фокуса F. Този факт се доказва математически (фиг. 6.3).

Изборът на параболичния параметър определя дълбочината на параболоида, т.е. разстоянието между върха и фокуса. При същия диаметър на отвора параболоидите с къс фокус имат голяма дълбочина, което прави изключително неудобно монтирането на облъчвателя на фокус. В допълнение, в параболоидите с къс фокус разстоянието от захранването до върха на огледалото е много по-малко, отколкото до неговите краища, което води до неравномерни амплитуди при захранването за вълни, отразени от ръба на параболоида и от зоната, близка до до горе.

Дългофокусните параболоиди имат по-малка дълбочина, инсталирането на облъчвателя е по-удобно и разпределението на амплитудата става по-равномерно. И така, с диаметър на отвора 1,2 m и параметър 200 mm, дълбочината на параболоида е 900 mm, а с параметър 750 mm - само 240 mm. Ако параметърът надвишава радиуса на отвора, фокусът, в който трябва да се намира захранването, се намира извън обема, ограничен от параболоида и отвора. Оптималната опция е, когато параметърът е малко по-голям от радиуса на отвора.

Сателитната чиния е единственият усилващ елемент на приемната система, който не въвежда собствен шум и не влошава сигнала и съответно изображението. Антените с огледало под формата на въртящ се параболоид са разделени на два основни класа: симетричен параболичен рефлектор и асиметричен (фиг. 6.4, 6.5). Първият тип антени обикновено се нарича директен фокус, вторият - офсет.

Офсетната антена е, така да се каже, изрязан сегмент от парабола. Фокусът на такъв сегмент е разположен под геометричния център на антената. Това елиминира засенчването на полезната площ на антената от захранването и нейните опори, което увеличава нейната ефективност при същата огледална зона с осесиметрична антена. В допълнение, облъчвателят е монтиран под центъра на тежестта на антената, като по този начин повишава нейната стабилност при ветровити условия.

Именно този дизайн на антената е най-често срещан при индивидуалното приемане на сателитна телевизия, въпреки че в момента се използват други принципи за конструиране на наземни сателитни антени.

Препоръчително е да използвате офсетни антени, ако размерът на антената до 1,5 m е необходим за стабилно приемане на програмите на избрания спътник, тъй като с увеличаване на общата площ на антената ефектът на огледалното засенчване става по-малко значим.

Офсетната антена е монтирана почти вертикално. В зависимост от географската ширина ъгълът му на наклон е лек

се променя. Тази позиция изключва събирането на атмосферни валежи в купата на антената, което значително влияе върху качеството на приемане.

Принципът на действие (фокусиране) на директно фокусирани (осесиметрични) и офсетни (асиметрични) антени е показан на фиг. 6.6.

За антените характеристиките на посоката са от особено значение. Благодарение на възможността за използване на антени с висока пространствена селективност се получава сателитна телевизия. Най-важните характеристики на антените са усилването и диаграмата на излъчване.

Усилването на параболичната антена зависи от диаметъра на параболоида: колкото по-голям е диаметърът на огледалото, толкова по-голямо е усилването.

Зависимостта на усилването на параболичната антена от диаметъра е дадена по-долу.

Ролята на усилването на параболичната антена може да се анализира с помощта на електрическа крушка (фиг. 6.7, а). Светлината се разпръсква равномерно в околното пространство и окото на наблюдателя възприема определено ниво на осветеност, съответстващо на мощността на електрическата крушка.

Въпреки това, ако източник на светлина се постави във фокуса на параболоид с усилване 300 пъти (фиг. 6.7, b), неговите лъчи, след отражение от повърхността на параболоида, ще бъдат успоредни на неговата ос и цветът мощността ще бъде еквивалентна на източник с мощност 13 500 W. Очите на наблюдателя не могат да възприемат такова осветление. По-специално на това свойство се основава принципът на работа на прожектора.

По този начин параболоидът на антената, строго погледнато, не е антена в разбирането си за трансформацията на силата на електромагнитното поле в сигнално напрежение. Параболоидът е само отражател на радиовълни, концентрирайки ги във фокус, където трябва да бъде поставена активната антена (фидер).

Диаграмата на антената (фиг. 6.8) характеризира зависимостта на амплитудата на напрегнатостта на електрическото поле E, създадено в определена точка, от посоката към тази точка. В този случай разстоянието от антената до тази точка остава постоянно.

Увеличаването на усилването на антената води до стесняване на главния лоб на диаграмата на излъчване, а стесняването му до по-малко от 1 ° води до необходимостта от снабдяване на антената със система за проследяване, тъй като геостационарните сателити осцилират около стационарната си позиция в орбита. Увеличаването на ширината на диаграмата на излъчване води до намаляване на усилването и следователно до намаляване на мощността на сигнала на входа на приемника. Въз основа на това оптималната ширина на главния лоб на диаграмата на излъчване е

ширината е 1 ... 2 °, при условие че предавателната антена на спътника се поддържа в орбита с точност от ± 0,1 °.

Наличието на странични листове в диаграмата на излъчване също намалява усилването на антената и увеличава възможността за получаване на смущения. В много отношения ширината и конфигурацията на диаграмата на излъчване зависят от формата и диаметъра на огледалото на приемната антена.

Най-важната характеристика на параболичната антена е точността на формата. Тя трябва да повтаря формата на параболоид на революция с минимални грешки. Точността на формата определя усилването на антената и нейната диаграма на излъчване.

Почти невъзможно е да се направи антена с идеална параболоидна повърхност. Всяко отклонение от реалната форма на параболичното огледало от идеалната се отразява на характеристиките на антената. Възникват фазови грешки, които влошават качеството на полученото изображение и усилването на антената намалява. Изкривяването на формата възниква и по време на работа на антените: под въздействието на вятър и валежи; земно притегляне; в резултат на неравномерно нагряване на повърхността от слънчевите лъчи. Като се вземат предвид тези фактори, се определя допустимото общо отклонение на профила на антената.

Качеството на материала също влияе върху характеристиките на антената. За производството на сателитни антени се използват главно стомана и дуралуминий.

Стоманените антени са по-евтини от алуминиевите, но по-тежки и по-податливи на корозия, така че антикорозионната обработка е особено важна за тях. Факт е, че много тънък приповърхностен метален слой участва в отразяването на електромагнитен сигнал от повърхността. Ако е повредена от ръжда, ефективността на антената е значително намалена. По-добре е първо да покриете стоманена антена с тънък защитен слой от някакъв цветен метал (например цинк) и след това да я боядисате.

При алуминиеви антени тези проблеми не възникват. Те обаче са малко по-скъпи. Промишлеността произвежда и пластмасови антени. Техните огледала с тънко метално покритие са подложени на изкривяване на формата поради различни външни влияния: температура, натоварвания от вятър и редица други фактори. Има мрежести антени, които са устойчиви на натоварване от вятър. Те имат добри теглови характеристики, но са се доказали зле при приемане на сигнали от Ki-лента. Препоръчително е да използвате такива антени за приемане на сигнали от C-обхвата.

Параболичната антена на пръв поглед изглежда като грубо парче метал, но въпреки това изисква внимателно боравене по време на съхранение, транспортиране и монтаж. Всяко изкривяване на формата на антената води до рязко намаляване на нейната ефективност и влошаване на качеството на изображението на телевизионния екран. Когато купувате антена, трябва да обърнете внимание на наличието на изкривяване на работната повърхност на антената. Понякога се случва, когато се нанасят антикорозионни и декоративни покрития върху огледалото на антената, то „води“ и приема формата на витло. Можете да проверите това, като поставите антената на равен под: краищата на антената трябва да докосват повърхността навсякъде.

y^2 = 2px, или y = (2px)^0,5. (6.1)

loid, са концентрирани във фаза във фокуса F. Този факт се доказва математически (фиг. 6.3).

Офсетната антена е монтирана почти вертикално. В зависимост от географската ширина ъгълът му на наклон е лек

Зависимостта на усилването на параболичната антена от диаметъра е дадена по-долу.

ширината е 1 ... 2 °, при условие че предавателната антена на спътника се поддържа в орбита с точност от ± 0,1 °.

y^2 = 2px, или y = (2px)^0,5. (6.1)

loid, са концентрирани във фаза във фокуса F. Този факт се доказва математически (фиг. 6.3).

Офсетната антена е монтирана почти вертикално. В зависимост от географската ширина ъгълът му на наклон е лек

Зависимостта на усилването на параболичната антена от диаметъра е дадена по-долу.

ширината е 1 ... 2 °, при условие че предавателната антена на спътника се поддържа в орбита с точност от ± 0,1 °.

Or-bi-ta satellite-no-sit-name-of-geo-sta-qi-o-nar-noy, ако с въртенето на Земята спътникът е винаги видим, седи над една и съща точка на земя в горната-но-сти. Такива или-би-вие за-често използвате в системата за комуникация и in-zi-qi-o-ni-ro-va-nia.

Sputnik, някой, когото виждате в програмата car-tin-ke, yav-la-et-sya symbol-in-scrap kos-mi-che-sky program-we are our country -us. Това е СОЮЗ-ТМ.

И така, в един момент, вие-изглеждате-де-ла за-став-ка програма-ние "Време" - основно-ново-в-ма-чи-он- Ной те-ле-про-грам-ние държава.

Е, в анимационния филм разглеждаме как pro-is-ho-dit процесът re-re-da-chi sig-na-la, например, modern-men-but th сателит-no-to-go- теле-ви-де-ния.

Ние-ние-ние-ние-ние-ние-ние-ние и ние-ние-ние-ние я наричаме ди-рек-три-сой. Нека вземем точка извън него. Geo-met-ri-che-s-едно място за проверка, равно на отдалечено от di-rivers-tri-sy и дадена точка-ki (fo-ku-sa), on- zy-va-et- ся па-ра-бо-лой.

Ако вие-дали-надясно-навивате върху pa-ra-bo-lu ray-chi на светлината, неговите пара-ral-lel-nye оси на симетрия, тогава всички ray-chi co-be-rut-sya в fo-ku-se pa-ra-bo-ly. Този имот е on-zy-va-et-xia op-ti-che собственост на pa-ra-bo-ly.

Вярно и обратното. Ако е възможно да поставите lam-poch-ku на фокус, тогава lu-chi, from-ra-ziv-shis от pa-ra-bo-ly, отидете pa-ral-lel-но, освен това, gra-ni-tsa светлина-та ще бъде пряка-моя.

Ако завъртите pa-ra-bo-lu от-no-si-tel-но от неговата ос на симетрия, тогава е по-добре да прочетете повърхността на въртене niya втори-ro-go подред - pa-ra-bo -lo-id. Тъй като във всеки se-che-nii равнината, съдържаща оста на симетрия, е една и съща двойка-ra-bo-la, тогава свойството op-ti-che е вярно за pa-ra-bo-lo-и -да. Ако е възможно да поставите lam-poch-ku във фокуса на pa-ra-bo-lo-and-yes, тогава beam-chi, from-ra-ziv-shis от top-no-sti, go-dut pa- рал-лел-но един на друг-гу. Обратното също е вярно.

А именно, този имот се използва в сателит-но-ко-ви па-ра-бо-ли-че-ски ан-тен-нах. Тъй като спътникът е on-ho-dit-sya много yes-le-ko от an-ten-na, тогава лъчите могат да се считат за почти par-ral-lel-us-mi, а когато -em-nick sig-na -la sta-vit-sya във фокуса pa-ra-bo-lo-i-da.

Допълнителна информация:

На ла-ти-ни фокусозначава "огнище, огън". Като ma-te-ma-ti-che-sky ter-min дума "фокус"