Зеркальные антенны.

Зеркальные антенны наиболее широко используются в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн.

Достоинства зеркальных антенн:

• относительная простота конструкции;

• возможность получения диаграммы направленности почти любого типа;

• большой к.п.д.;

• могут применяться для быстрого перемещения (качания) диаграммы направленности без искажений ее формы в значительном секторе углов.

Зеркальные антенны используются в радиотелескопах, в космической связи. В настоящее время применяются главным образом зеркала с параболической формой поверхности (параболоид вращения и параболический цилиндр), в последнее время распространение получили сферический зеркальные антенны, либо двухзеркальные антенны с зеркалами специальной формы.

Параболоид вращения.

Поверхность образуется вращением вокруг оси Z параболы:

(8.1)

f – фокусное расстояние

— параметр параболы

Полученная таким образом поверхность определяется в декартовой системе координат уравнением:

(8.2)

D_з – диаметр раскрыва параболоида и частота связаны между собой отношением:

(8.3)

где — угол раскрыва параболоида.

Параболический цилиндр.

Поверхность образуется при движении параболы (8.1) вдоль оси OY, причем парабола все время параллельна плоскости XOZ. Фокус параболы при этом образует фокальную прямую FF’. Формула (8.3) в этом случае связывает размер раскрыва зеркала в направлении OX с фокусным расстоянием f и углом раскрыва f₀. Зеркало называют короткофокусным (глубоким), если , и длиннофокусным (мелким), если .

Для облучения параболоида вращения следует применять источник, создающий сферическую волну, а для параболического цилиндра – источник, излучающий цилиндрическую волну. Фазовый центр источника, облучающего параболоид вращения, должен находиться в фокусе, а линия фазовых центров линейного источника – вдоль фокальной линии параболического цилиндра. Тогда фазовый фронт волны в раскрыве антенны будет плоским.

Расчет диаграммы направленности зеркальной антенны.

Поле излучения зеркальной антенны является суммой полей, созданных зеркалом, непосредственно облучателем и металлическими конструктивными элементами, на поверхности которых протекают высокочастотные токи. Энергия облучателя, не перехваченная зеркалом, плюс энергия, рассеянная на элементах конструкции, увеличивают побочное излучение, что ведет к существенному ухудшению электрических характеристик зеркальной антенны.

Диаграмма направленности зеркальной антенны может быть рассчитана двумя способами:

• по токам на поверхности зеркала;

• по распределению поля в раскрыве.

Законы распределения и в первом, и во втором случаях определяются формой зеркала и диаграммой направленности облучателя. При расчетах полагают, что расстояние от облучателя до зеркала достаточно велико и диаграмма направленности облучателя остается такой же, как и в свободном пространстве.

Рассмотрим второй случай: поле в раскрыве зеркальной антенны определяется по формулам:

Для параболоида вращения:

где – ДН облучателя, - половина угла раскрыва рупора.

Для параболического циландра:

где - ДН линейного облучателя в плоскости XOY.

Зная распределение поля в раскрыве зеркала, его аппроксимируют одной из функций, для которых уже известны формулы, определяющие диаграмму направленности. Виды аппроксимирующих функций и формулы для вычисления диаграммы направленности приводятся в литературе.

КНД и оптимальный угол раскрыва зеркальной антенны.

При заданном диаметре зеркала D₃ и ДН облучателя КНД антенны является функцией угла раскрыва зеркала. Эта функция имеет максимальное значение при некотором угле раскрыва, который для данного облучателя называется оптимальным. Существование максимума КНД объясняется так:

В случае , при увеличении все большая часть энергии облучателя перехватывается зеркалом и отражается в направлении главного лепестка ДН антенны. Это должно повышать КНД, однако его росту препятствует неравномерность распределения АР в раскрыве. В случае , при уменьшении равномерность распределения амплитуды поля по раскрыву увеличивается, это увеличивает КНД, но все большая часть энергии облучателя проходит мимо зеркала в боковые лепестки, что уменьшает КНД. Наличие двух противоположно воздействующих на КНД факторов при изменении и объясняет существование , при котором КНД максимален.

Для большинства применяющихся на практике облучателей соответствует направлениям, в которых поле облучателя ослабевает на 9..10 дБ. Поэтому на практике считают, что угол раскрыва зеркала должен быть равен ширине ДН облучателя на уровне 0,1 по мощности.