Лекция № 18. Зеркальные антенны. Учебные вопросы

1. Принцип работы и основные типы зеркальных антенн.

2. Геометрические параметры параболической зеркальной антен­ны, уравнение профиля зеркала.

3. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения: конструкция, типы облучателей. Амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве зеркала.

4. Направленные свойства зеркальной антенны и условия их оп­тимизации.

5. Типы зеркальных антенн.

1. Принцип работы и основные типы зеркальных антенн.

Зеркальными называют такие апертурные антенны, у которых ЭМП в раскрыве формируется в результате отражения ЭМВ первичного излучателя от металлической поверхности специальной формы, назы­ваемой зеркалом.

Конструктивно зеркальная антенна состоит из двух принципи­ально необходимых компонентов: облучателя и зеркала. Облучатель является первичным источником ЭМВ в зеркальной антенне и формиру­ет ЭМВ со сферическим (точечный облучатель) или цилиндрическим (линейный облучатель) фазовым фронтом, обеспечивая требуемое амплитудное распре­деление в раскрыве зеркала. Зеркало должно полностью отражать па­дающую на него ЭМВ так, чтобы ЭМП в его раскрыве было бы синфаз­ным с требуемым амплитудным распределением. Его изготавливают из хорошо проводящих металлов. Оно может быть сплошным или в виде сетки из проводников.

Принцип действия ЗА: с помощью зерка­ла, имеющего определенную форму и профиль, ЭМВ облучателя с расхо­дящимся фазовым фронтом (сферическим или цилиндрическим) преобра­зуется в раскрыве зеркала в ЭМВ с плоским фазовым фронтом. В результа­те этой трансформации фазового фронта ЭМВ облучателя КНД всей зеркальной антенны значительно увеличивается.

Типы зеркальных антенн.

ЗА могут классифицироваться по нескольким основным призна­кам:

1) В зависимости от формы зеркала:

- с зеркалом в виде параболоида вращения;

- с зеркалом в виде симметричной или несимметричной вырезки из параболоида вращения;

- с зеркалом в виде вырезки из параболического цилиндра;

2) В зависимости от количества зеркал:

- однозеркальные;

- двухзеркальные;

3) В зависимости от вида формируемой дн:

- с осесимметричной игольчатой ДН;

- с диаграммой направленности специального вида.

2. Геометрические параметры параболической зеркальной антен­ны, уравнение профиля зеркала.

Рассмотрим простейший тип зеркальной антенны ЗА с зеркалом в виде параболоида вращения, как это показано на рисунке:

Основные геометрическим параметры ЗА:

- точка О - вершина зеркала;

- точка F - фокус зеркала;

- отрезок OF = f – фокусное расстояние;

- ось OZ - фокальная ось зеркала;

- угол 2Φ₀ - угол раскрыва зеркала;

- 2R₀ диаметр раскрыва зеркала;

- h - глубина зеркала.

На рисунке также обозначены: M - произвольная точка на поверхности зеркала, наблюдаемая из фокуса под углом Φ, N - точка на раскрыве, соответствующая точке M, FM = ρ - расстояние от фокуса зеркала до точки M.

Уравнение профиля зеркала

Будем считать, что в фокусе зеркала находится точечный облу­чатель, создающий ЭМВ со сферическим фазовым фронтом. Для того чтобы ЭМВ в раскрыве зеркала имела бы плоский фазовый фронт, не­обходимо обеспечить равенство оптических длин путей, проходимых волной от облучателя до раскрыва для любых направлений. В качест­ве таких направлений возьмем направление вдоль фокаль­ной оси (цен­тральное направление) и произвольное направление под углом Ф к фокальной оси. Для этих двух направлений указанное требование можно записать в следующем виде:

, (1)

где FO = f; OO" = h; FM = ρ; MN = O'O".

из рисунка видим, что O'O" можно выразить следующим образом:

. (2)

С учетом (1) и обозначений на рисунке выражение (2) примет следующий вид:

. (3)

откуда окончательно получаем:

. (4)

Выражение (4) представляет собой уравнение параболы в полярной системе координат.

Таким образом, для преобразования волны со сферическим фазо­вым фронтом в волну с плоским фазовым фронтом необходимо иметь зеркало с профилем в виде параболы. В простейшем случае, если об­разующую параболу вращать вокруг фокальной оси, то получим повер­хность, называемую параболоидом вращения.

Между основными геометрическими параметрами зеркальной ан­тенны существует очевидная связь:

(5)