Принцип действия параболической антенны

Параболическая антенна используется для создания остронаправленного излучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз превышают рабочую длину волны. Антенна состоит из металлического зеркала (рефлектора) параболической формы и облучателя, расположенного в ее фокусе. В работе исследуется антенна с зеркалом в виде параболоида вращения (рисунок 1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром 2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностью зеркала - его вершиной. Расстояние f от вершины зеркала до фокуса F называется фокусным расстоянием. На следующем рисунке показан ход лучей в параболической антенне.

Рисунок 1 - Схема параболической антенны.

Рисунок 2 - Ход лучей в параболической антенне.

Выбор геометрических размеров параболического зеркала

Для расчета диаметра раскрыва зеркала воспользуемся формулой из радиолокации:

Все значения нам известны, тогда выражаем из формулы G - коэффициент усиления антенны:

Зная, что G=Д ?a, где Д - коэффициент направленного действия антенны (положив?a=1 - КПД), G=Д.

В результате Д=7127.

Где S - геометрический размер раскрыва зеркала (S=?r2); ? - коэффициент использования зеркала, который показывает насколько эффективно используется вся поверхность зеркала, обычно составляет 0.64?0.65 (0.7).

Диаметр раскрыва зеркала является функцией требующейся ширины диаграммы направленности, а также несколько зависит от амплитудной и фазовой характеристики в раскрыве зеркала. Закон распределения амплитуд поля вдоль поверхности раскрыва зеркала определяется диаграммой излучения облучателя, если пренебречь потерями при отражении от зеркала. Для большинства применяющихся облучателей распределение амплитуд в одной из плоскостей (горизонтальной или вертикальной) вдоль раскрыва зеркала можно с достаточной точностью апроксимировать законом (1-x2) p, где х - координата, откладываемая от оси антенны; р = 0,1,2,3 - некоторое целое число.

Проведем расчет радиуса выпуклой части зеркала. Для этого строится график функции радиуса раскрыва от расстояния у(x) =(4f·x) 0.5, где f- расстояние до фокуса. В результате получен график представленный на рисунке 12.

Рисунок 3 - Зависимость радиуса раскрыва от расстояния.

Радиус параболической части зеркала равен 0.9м. В результате полностью определены геометрические размеры зеркала.

Выбор облучателя, и его расчет

Для дальнейших расчетов требуется выбрать облучатель который бы удовлетворял данной антенне. Одной из важных частей параболической антенны является первичный облучатель, помещаемый в фокусе зеркала. В идеале к нему предъявляются следующие требования: 1) облучатель не должен излучать энергию в направлении, противоположном направлению на зеркало, так как это излучение не фокусируется зеркалом и поэтому искажает основную диаграмму направленности; 2) диаграмма облучателя должна обеспечивать равномерное облучение зеркала и получение таким образом максимального коэффициента направленного действия; 3) диаграмма облучателя должна быть такой, чтобы фаза поля в раскрыве зеркала была постоянной. Облучатель, вполне удовлетворяющий этим требованиям, практически не существует. При конструировании параболических антенн используют облучатели в виде полуволнового вибратора, открытого конца волновода, рупора и щели, хотя они только частично удовлетворяют перечисленным требованиям.

Рассмотрим подробнее некоторые типы облучателей.

История [ | ]

Первая параболическая антенна, разработанная Генрихом Герцем

Параболическая антенна была изобретена немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году. Герц использовал цилиндрические параболические рефлекторы для искрового возбуждения дипольных антенн во время своих экспериментов. Антенна имела размер апертуры в 1,2 метра шириной и использовалась на частоте около 450 МГц. Отражатель был сделан из цинковой листовой стали. С двумя такими антеннами, одна из которой была передающей, а другая - приёмной, Герц успешно продемонстрировал существование электромагнитных волн, которые 22 годами раньше были предсказаны Максвеллом.

Обычно в зеркальных антеннах происходит преобразование более широкой диаграммы направленности облучателя в узкую диаграмму направленности самой антенны .

Кромка зеркала и плоскость Z образуют поверхность, называемую раскрывом зеркала. При этом радиус R называется радиусом раскрыва, а угол 2ψ - углом раскрыва зеркала. От угла раскрыва зависит тип зеркала :

• если ψ < π/2 - зеркало называют мелким или длиннофокусным;
• если ψ > π/2 - глубоким или короткофокусным,
• если ψ = π/2 - средним.

Фокус облучателя антенны может как располагаться в фокусе зеркала F, так и быть смещённым относительно него. Если фокус облучателя расположен в фокусе антенны, то она называется прямофокусной . Прямофокусные антенны существуют различных размеров, в то время как осенесимметричные антенны, облучатель которых находится не в фокусе зеркала, обычно не превышают в диаметре более 1,5 м . Такие антенны часто называют офсетными . Преимущество офсетной антенны - это бо́льший коэффициент усиления антенны, что обусловлено отсутствием затенения раскрыва зеркала облучателем . Рефлектор офсетных антенн представляет собой боковую вырезку из параболоида вращения. Фокус облучателей в таких антеннах расположен в фокальной плоскости рефлектора.

Зеркальная антенна может иметь дополнительное эллиптическое зеркало (двухзеркальная схема Грегори) или дополнительное гиперболическое зеркало (двухзеркальная схема Кассегрена), с фокусами, расположенными в фокальной плоскости зеркальной антенны. При этом облучатель расположен в фокусе дополнительного зеркала.

Зеркальная антенна может иметь одновременно несколько облучателей, расположенных в фокальной плоскости антенны. Каждый облучатель формирует диаграмму направленности, направленную в нужном направлении. Облучатели могут работать в разных диапазонах волн ( , , ) или каждый одновременно в нескольких диапазонах.

Расположение фокуса и фокальной плоскости зеркала антенны не зависит от рабочего диапазона волн.

В зависимости от поставленных задач и облучателя зеркальная антенна формирует одну узконаправленную суммарную, суммарно-разностную диаграмму направленности (для пеленгаторов) или одновременно несколько разнонаправленных диаграмм - при использовании нескольких облучателей.

Типы зеркал [ | ]

В технике наибольшее распространение нашли следующие типы зеркал:

Особенности конструкции [ | ]

Зеркало обычно состоит из диэлектрической основы (углепластик - для космических антенн), которую покрывают металлическими листами, проводящей краской, фольгой . При этом листы часто являются перфорированными или представляют собой сетку, что обусловлено стремлением снизить вес конструкции, а также максимально снизить сопротивление ветру и осадкам. Однако такое несплошное зеркало приводит к следующим последствиям: часть энергии проникает сквозь зеркало, что приводит к ослаблению КНД антенны, и усилению излучения позади рефлектора. Эффективность антенны с несплошным зеркалом рассчитывается по формуле T = P p r P p a d {\displaystyle T={\frac {P_{pr}}{P_{pad}}}} , где P p r {\displaystyle P_{pr}} - мощность излучения позади рефлектора, а P p a d {\displaystyle P_{pad}} - мощность излучения рефлектора (падающей волны) . Если T < 0 , 01 {\displaystyle T<0,01} , несплошное зеркало считают хорошим. Данное условие обычно выполняется при диаметре отверстий перфорированного зеркала менее 0 , 2 λ {\displaystyle 0,2\lambda } и суммарной площади отверстий до 0 , 5 − 0 , 6 {\displaystyle 0,5-0,6} от всей площади зеркала . Для сетчатых зеркал диаметр отверстий не должен превышать 0 , 1 λ {\displaystyle 0,1\lambda } .

Облучатель [ | ]

Диаграмма направленности параболической антенны формируется облучателем . Облучателей в антенне может быть один или несколько, соответственно в антенне формируется одна или несколько диаграмм направленности. Делается это, например, для того, чтобы принимать сигнал одновременно с нескольких космических спутников связи.

Раскрыв облучателей расположен в фокусе параболического рефлектора или в его фокальной плоскости, если используется несколько облучателей в одной антенне. Несколько облучателей формируют в одной антенне несколько диаграмм направленности, это необходимо при наведении одной антенны сразу на несколько спутников связи. θ = k λ / d {\displaystyle \theta =k\lambda /d\,} ,

где K является фактором, который незначительно меняется в зависимости от формы отражателя, а d - диаметр рефлектора в метрах, ширина диаграммы по половинной мощности θ в радианах. Для 2-х метровой спутниковой антенны, работающей C диапазоне (3-4 ГГц на приём и 5-6 ГГц на передачу), эта формула даёт ширину диаграммы направленности около 2,6°.

Усиление антенны определяется по формуле:

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

При этом существует обратная зависимость между усилением и шириной луча.

Параболические антенны больших диаметров формируют очень узкие лучи. Наведение таких лучей на спутник связи становится проблемой, так как вместо основного лепестка можно навести антенну на боковой лепесток.

Диаграмма направленности антенны представляет собой узкий главный луч и боковые лепестки. Круговая поляризация в главном луче задаётся в соответствии с задачами, уровень поляризации в разных местах главного луча разный, в первых боковых лепестках поляризация меняется на противоположную, левая - на правую, правая - на левую.

Характеристики зеркальных антенн [ | ]

Характеристики зеркальной антенны измеряются в дальней зоне.

Интересные факты [ | ]

Применение [ | ]

Параболические антенны используются в качестве антенн с большим усилением для следующих видов связи: радиорелейная связь между близлежащими городами, беспроводная связь WAN / LAN линий связи для передачи данных, для спутниковой связи и связи между космическими аппаратами. Они также используются для радиотелескопов.

Параболические антенны также используются в качестве радиолокационных антенн, управляющих кораблями, самолётами и управляемыми ракетами. С появлением домашних спутниковых телевизионных приёмников, параболические антенны стали особенностью ландшафтов современных городов.

Тема нашего сегодняшнего разговора - параболическая антенна. Дело в том, что многие ошибочно называют так все антенны для спутникового телевидения. На самом деле не все эти устройства - параболические антенны. Это всего лишь один тип этого оборудования. Давайте сначала дадим определение этому понятию. Итак, спутниковым называют зеркальное оборудование, предназначенное для того, чтобы принимать сигналы со спутников.

Теперь переходим непосредственно к видам. Параболическая антенна является самым распространенным из них. Применяется для приема радиопередач, а также предназначается для телевидения и обеспечения доступа в Интернет. Существует две разновидности таких устройств.

Первая разновидность - прямофокусная. Это классический тип параболоида вращения. Эта параболическая антенна может работать как в С-диапазоне, так и в Ku-диапазоне. Есть возможность работы устройства еще и в комбинированном режиме. Вторая разновидность - офсетная антенна. Данный вид наиболее распространен для индивидуального приема спутникового вещания. Данная антенна представляет собой эллиптический параболоид. Фокус этого сегмента находится ниже, чем геометрический центр устройства.

Такое расположение способствует устранению затенения полезной площади как облучателем, так и опорами для него. Поэтому эта параболическая антенна имеет коэффициент выше, чем предыдущая разновидность при одинаковой зеркальной площади. А установление облучателя ниже, чем центр тяжести антенны, позволяет увеличивать ее устойчивость во время воздействия ветра, ведь она крепится практически вертикально.

Благодаря расположению антенны в чаше исключается скопление Как известно, они способны довольно сильно влиять на качество сигнала. Угол наклона этой антенны может меняться, в зависимости от нахождения в той или иной географической широте. Этот вид антенн работает в таких же диапазонах, что и прямофокусные.

Следующая разновидность - тороидальные антенны. Этот продукт относится к новой категории приема спутниковых сигналов (без применения устройств для поворотов). Отличается такая антенна от всех предыдущих устройств тем, что ее парабола имеет лучше спроектированную поверхность отражения. Благодаря второму отражателю реализована возможность установления большего количества конвертеров приема сигнала.

Такая антенна изготавливается из специальной гальванизированной стали, которая покрывается полиэстеровым лаком. На ее держателе можно разместить максимум 16 конвертеров. Между ними допускается отступ минимум 3 градуса. Правда, монтаж требует четкого соблюдения угла, наклона и азимута. Преимущество этой антенны заключается еще в том, что на нее возможно установить специальный мотор, который способен поворачивать устройство в направлении необходимого спутника.

В последнее время актуальна параболическая антенна WiFi. Как вы догадались по названию, она способна работать без проводного подключения. Вот, в принципе, и все, что я хотел вам рассказать об антеннах.

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 6.1). Точка F - фокус и линия АВ - директриса. Точка М с координатами х, у - одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.

По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора MF^2 =FK^2+ MK^2. В то же время FK = = х - р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.

Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:

у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (6.1)

По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?

Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 6.2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало парабо

лоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 6.3).

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм - всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Спутниковая антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых

Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.

Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.

Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного

меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.

Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.6.

Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.

Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.

Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 6.7, а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.

Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления 300 раз (рис. 6.7, б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве, в частности, основан принцип работы прожектора.

Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид - это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.

Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности яв-

ляется ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.

Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.

Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение от реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.

Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.

С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.

Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны везде должны касаться поверхности.

Параболическая антенна представляет собой радиотехническое устройство, используемое в качестве приемника или излучателя электромагнитных волн. В каждой радиотехнической системе, излучающей или передающей радиоволны, антенна играет главную роль и является важнейшим элементом. Это, в первую очередь, такие системы как телевизионные, радиосвязи, радиоуправления, радиовещания, радиолокации, радиорелейной связи, радионавигации, радиоастрономии. Классическая конструкция включает в себя металлические поверхности, специальные провода, магнитодиэлектрики, диэлектрики.

Зеркальные антенны - надежная локация

Самый распространенный тип направленных антенн - это зеркальные антенны, работающие в различных диапазонах радиоволн. Такое распространение они получили из-за простоты своей конструкции. Они надежно работают в- любой направленности, имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, сравнительно низкую шумовую температуру, широкий диапазон работы. При использовании в радиолокации зеркальные антенны позволяют легко находить нужный объект.

Параболические являются наиболее типичными представителями зеркальных антенн. Они представляют собой параболический цилиндр, параболоид вращения, либо параболический цилиндр, ограниченный проводящими параллельными плоскостями.

Устройство параболической антенны

Классическая параболическая антенна представляет собой металлическое отражающее зеркало в виде параболоида вращения и находящийся в- его фокусе излучатель. У них практически в любой точке плоскости зеркала наблюдается синфазное электромагнитное поле. Такое состояние определяется основным свойством параболы: постоянная сумма расстояний от любой точки параболы до фокуса. Облучатель изготавливается в виде разрезного полуволнового вибратора с рефлектором. Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого составляет 75 Ом. Облучатель закрепляется на площади параболического зеркала как минимум в двух точках с помощью полиэтиленовых штанг, длиной 1 метр и хомутиков.

При изготовлении каркаса параболического зеркала используется дюралюминиевая проволока диаметром 6-8 мм. В центре каркаса устанавливается дюралюминиевый диск диаметром 200 мм, к которому крепятся непосредственно сам облучатель, поворотное устройство и радиальные части зеркального каркаса. После сборки каркаса на него с выпуклой стороны устанавливают отражающие провода. Параболическая антенна очень проста в изготовлении, обладает небольшой парусностью и вообще не требует какой-либо настройки.

Принцип действия

Облучатель излучает электромагнитную волну, которая дойдя до проводящей поверхности зеркала, возбуждают на ней токи, создающие вторичное поле, называемое полем отраженной волны. В целях попадания на зеркало основной части излучения, облучатель должен производить излучение в направлении зеркала в одну полусферу и не излучать в другую. Такие облучатели носят название однонаправленных.