Двузеркальные осесимметричные антенны - антенны Кассегрена

Двузеркальные осесимметричные антенны - антенны Кассегре­на в силу своих достоинств нашли широкое применение в совре­менных спутниковых и наземных передающих станциях. Использу­ются они и для приема. Особенно удобны они при организации и ведении интерактивной связи.

Для пояснения принципа их работы целесообразно рассмотреть работу телескопа Кассегрена. Он состоит из двух зеркал и оптическо­го приемника - человеческого глаза или фотоаппарата (рис. 5.6).

Из рис. 5.6 видно, что первичное зеркало - это большое вогну­тое зеркало, которое собирает все лучи света, падающие на его поверхность, и отражает их в сторону вторичного, небольшого выпуклого зеркала, находящегося в его фокусе. Вторичное зеркало также отражает падающий на него поток света и направляет его в отверстие находящееся в средине первичного зеркала.

Падающие на поверхность первичного зеркала лучи от небесно­го светила практически параллельны оси телескопа и отраженные дважды они фокусируются в отверстии, в котором располагается оптический приемник, т. е. человеческий глаз или фотоаппарат.

Антенна, использующая такой принцип сбора энергии, называется антенной Кассегрена. Схема ее конструкции изображена на рис. 5.7.

Как видно, поверхность контррефлектора симметрична и чаще всего это поверхность вращающегося гиперболоида, который име­ет две фокусные точки F^ и F₂. Гиперболоид размещается таким образом, чтобы фокус F_f (мнимый) совпадал с фокусом параболои­да F, а фокус F₂ - с отверстием раскрыва первичного облучателя. Тогда фокус параболоида F становится виртуально кажущимся, мнимым.

Так как поверхность параболоида освещается отраженными от поверхности контррефлектора электромагнитными волнами, на­правленными на него первичным облучателем, то освещение пара­болоида (основного зеркала) будет таким', каким создает его пер­вичный облучатель через контррефлектор. Поэтому для освещения контррефлектора нужен первичный облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием.

Рис. 5.6. Схема устройства телескопа Кассегрена: 1 - вторичное зеркало; 2 - первичное зеркало; 3 - оптический приемник

□ Как известно, для максимального использования площади раскрыва антенны необходимо обеспечить равномерное освеще­ние поверхности параболоида, что, как видно из предыдущих рас­суждений, у антенн с передним питанием получить довольно слож­но, а у антенн Кассегрена получается относительно просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора таким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модифи­кации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромаг­нитного поля по амплитуде в раскрыве антенны было бы близко к равномерному.

Рис. 5.7. Схема устройства антенны Кассегрена: 1 - параболоидная поверхность; 2 - контррефлектор; 3 – первичный облучатель

Так как размеры контррефлектора достаточно велики по срав­нению с длиной волны (S контр ), то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного юркала и обеспечить тем самым малый ее "перелив". Но модифи­цированная форма контрефлектора отличается от формы гипербо­лоида и сферическая волна, падающая на такой контррефлектор и отраженная от него, уже отличается от сферической. Поэтому воз­никающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, про­ходимой электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы однородным, синфазным.

• Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, если необходимо вести передачи на разных частотах, то есть, если зер­кало антенны необходимо освещать поочередно различными пер­вичными облучателями, которые имеют разные размеры и конст­рукцию. У антенн с передним питанием замена первичного облуча­теля - весьма трудоемкий процесс, особенно когда антенна уста­новлена на высоте, а у антенн Кассегрена все получается намного проще. Если, например, имеются несколько типов первичных облу­чателей пригодных для освещения одного и того же контррефлек­тора, то их поочередно можно помещать в середину параболоида. В тоже время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создается единая конструкция - контррефлектор-первичный облучатель, жестко соединенные друг с другом, которую при необ­ходимости можно снять и установить другую, если имеется доста­точно большое отверстие в средине параболоида. Отверстие не уменьшает эффективную поверхность антенны, так как эта ее часть закрывается контррефлектором.

• У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) па­раболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использо­вать ее в разных климатических условиях совместно с обтекате­лем. Обтекатель антенны - это фторопластовая пленка или кожух, которые пропускают волны СВЧ. Он служит для защиты внутренней поверхности параболоида и первичного облучателя от атмосфер­ных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредст­венным передним питанием фокус параболоида удален от поверх­ности и, следовательно, нужен в этом случае обтекатель гораздо больших размеров.

Двухзеркальная осесимметричная антенна Кассегрена с моди­фицированным параболоидом (основным зеркалом) и контрреф­лектором (вспомогательным зеркалом) является основным типом

антенн, применяемых на наземных передающих станциях по линии

Рис. 5.8. Антенна Кассегрена: диаметр 2,2 м; частота 10,95... 11,7 ГГц; минимальное усиление 46 дБ; коэффициент стоячих волн, не более 1,2; ширина диаграммы направлен­ности на уровне половинной мощности 0,9°; поляризация линейная

Земля-спутник, что связано с возможностью получения высоких электрических характеристик, с удобствами монтажа и обслужива­ния. На рис. 5.8 в качестве примера показана антенна Кассегрена.

Однако следует отметить, что необходимые сложные математи­ческие расчеты, требования по очень точному изготовлению пара­болоида больших размеров и гиперболоида (контррефлектора), делают антенны Кассегрена весьма дорогостоящей конструкцией.

Неосесимметричные (офсетные) антенны

У антенн Кассегрена контррефлектор - вспомогательное зеркало и у прямофокусных (осесимметричных) антенн первичный облуча­тель и конструктивно связанный с ним малошумящий усилитель-конвертер с узлом для крепления закрывают центральную часть ос­новного зеркала, то есть наиболее важную его область. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих облучатель (при сравнимых их поперечных размерах с длиной волны), и самого облучателя приводит к дополнительному нежелательному рассеянию энергии и, как следствие, к уменьшению эффективной площади раскрыва, снижению усиления антенны и появлению боковых лепестков в диаграмме направленности, что особенно проявляется у неболь­ших антенн, диаметр которых меньше одного метра.

Перечисленные недостатки можно почти полностью исключить, применив неосесимметричную (офсетную) антенну, конструкция которой изображена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Конструкция антенны со смещенным облучателем (Off-set антенна)

Как видно из рис. 5.9, антенное зеркало в этом случае не параболо­ид, а только часть его. В тоже время повернутый первичный облу­чатель по-прежнему находится в фокусе теоретического парабо­лоида. Однако он не попадает в основной лепесток диаграммы на­правленности излучения, так как вообще не закрывает поверхность зеркала. Благодаря этому параметры офсетной антенны очень хо­рошие, кроме наличия небольшого недостатка - появления у нее перекрестной поляризации электромагнитных волн из-за неосесимметричной конструкции.

Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанав­ливать два облучателя - конвертера, располагая их в фокальной плоскости. Это дает возможность вести прием со спутников, нахо­дящихся на соседних позициях геостационарной орбиты (в преде­лах 7...8°), например, с семейства спутников Astra (19,2° в.д.) и Hot Bird (13° в.д.) без перенаправления антенны. Следует отметить еще один положительный фактор офсетных антенн, дающий им преимущества перед прямофокусными, и особенно важный для пользователей в северных широтах: офсетные антенны и прямо-фокусные под разными углами "смотрят" в небо, т.е. имеют разные углы места. Выпадающий зимой снег и другие осадки накапливают­ся в зеркале прямофокусной антенны и могут быть причиной помех и даже порой могут привести к прекращению приема. Этого не слу­чается при применении офсетных антенн, так как выпадающие осадки легко соскальзывают с поверхности зеркала или вообще не попадают на нее. У антенн этого типа уровень боковых лепестков диаграммы направленности на 5 дБ меньше, чем у прямофокусных, что очень важно. Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно находящихся на геостационарной орбите, предъявляются жесткие требования к диаграммам направленности

как передающих антенн, так и приемных. Это приводит к необходи­мости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приемных прямофокусных антенн на классические -офсетные.

Поверхность офсетной антенны получают сечением параболоидной поверхности наклонной плоскостью (рис. 5.10). Плоскость сечения - плоскость раскрыва, представляет собой эллипс с малой осью - D. Со спутника раскрыв офсетных антенн "виден", как круг малого диаметра D (также как и у прямофокусных). Поэтому малый диаметр D эллипса называют условным диаметром.

Важным вспомогательным параметром для расчета офсетной ан­тенны является расстояние А от нижней части эллипса до оси теоре­тического полного параболоида. У прямофокусных антенн расстоя­ние A=D/2, а у офсетных A<D/2, где D - малый диаметр эллипса. Не­обходимо отметить, что из-за конструктивных особенностей эксплуа­тационные характеристики офсетных антенн существенно отличают­ся от прямофокусных. У офсетных антенн отношение F/D=0,5...0,6, т.е. несколько больше, чем у прямофокусных, что связано со смеще­нием первичного облучателя. Угол между перпендикуляром к плоско­сти раскрыва офсетной антенны и перпендикуляром к плоскости рас­крыва прямофокусной образует так называемый офсетный угол — угол смещения или угол поворота плоскости раскрыва. Для офсетных антенн разных конструкций, расположенных в одних и тех же широ­тах, этот угол имеет фактически одно и тоже значение (для средних широт около 26...27°) и офсетные антенны устанавливаются на этот угол вертикальнее прямофокусных.

Рис. 5.10. Формирование поверхности офсетной антенны

Рис. 5.11. Офсетная антенна диаметром 1,0 м для приема со спутников:

частота 11,7... 12,5 ГГц; усиление 38,5 дБ; коэффициент стоячих волн 1,2;

ширина диаграммы направленностина уровне половинной мощности 2 °;

поляризация круговая

При установке антенны следует различать офсетные антенны с раскрывом круглой формы и классические офсетные антенны с эл­липтической формой раскрыва. Офсетные антенны "круглой" фор­мы изготавливаются с целью уменьшения производственных за­трат, их удешевления. У них раскрыв - это круг с загнутыми краями. Подобные антенны имеют ряд существенных недостатков. Напри­мер, очевидно, что площадь круга, вписанного в эллипс, меньше площади этого эллипса, поэтому усиление "круглых" офсетных ан­тенн меньше стандартных классических офсетных при равных раз­мерах малого диаметра D. Для спутника раскрыв "круглой" офсет­ной антенны "виден" не как круг. Второй существенный недостаток "круглой" офсетной антенны - это невозможность точного теорети­ческого расчета положения ее точки фокуса.

В итоге можно отметить, что типовые классические офсетные антенны малогабаритны, экономичны, достаточно хорошо изучены и в силу своих достоинств находят широкое применение для прие­ма телевизионного вещания со спутников, хотя их изготовление обходится несколько дороже, чем прямофокусных. На рис. 5.11, в качестве примера, показана офсетная антенна и приведены ее параметры.