Двузеркальниє осесиметричні антени - антени Кассегрена

Двузеркальниє осесиметричні антени - антени Кассегрена через свої достоїнства знайшли широке застосування в сучасних супутникових і наземних передавальних станціях. Використовуються вони і для прийому. Особливо зручні вони при організації і веденні інтерактивного зв'язку.

Для пояснення принципу їх роботи доцільно розглянути роботу телескопа Кассегрена. Він складається з двох дзеркал і оптичного приймача - людського ока або фотоапарата (мал. 5.6).

З мал. 5.6 видно, що первинне дзеркало - це велике увігнуте дзеркало, яке збирає всі промені світла, падаючі на його поверхню, і відображає їх у бік вторинного, невеликого опуклого дзеркала, що знаходиться в його фокусі. Вторинне дзеркало також відображає падаючий на нього потік світла і направляє його в отвір що знаходиться в середині первинного дзеркала.

Падаючі на поверхню первинного дзеркала промені від небесного світила практично паралельні осі телескопа і відбиті двічі вони фокусуються в отворі, в якому розташовується оптичний приймач, тобто людське око або фотоапарат.

Антена, що використовує такий принцип збору енергії, називається антенною Кассегрена. Схема її конструкції зображена на мал. 5.7.

Як видно, поверхня контррефлектора симетрична і найчастіше це поверхня гіперболоїда, що обертається, який має дві фокусні точки F^ і F2. Гіперболоїд розміщується так, щоб фокус Ff (уявний) співпадав з фокусом параболоїда F, а фокус F2 - з отвором раскрыва первинного опромінювача. Тоді фокус параболоїда F стає таким, що віртуально здається, уявним.

Оскільки поверхня параболоїда освітлює відбитими від поверхні контррефлектора електромагнітними хвилями, направленими на нього первинним опромінювачем, те освітлення параболоїда (основного дзеркала) буде таким', яким створює його первинний опромінювач через контррефлектор. Тому для освітлення контррефлектора потрібний первинний опромінювач великих розмірів, чим для антен з переднім живленням.

Мал. 5.6. Схема пристрою телескопа Кассегрена: 1 - вторинне дзеркало; 2 - первинне дзеркало; 3 - оптичний приймач

_ Як відомо, для максимального використання площі раскрыва антени необхідно забезпечити рівномірне освітлення поверхні параболоїда, що, як видно з попередніх міркувань, у антен з переднім живленням отримати досить складно, а у антен Кассегрена виходить відносно просто. Для цього змінюють (модифікують) форму контррефлектора так, щоб деяка частина енергії, що потрапляла до модифікації на центральну область основного дзеркала (параболоїда), перерозподілялася б до його країв і розподіл електромагнітного поля по амплітуді в раскрыве антени був би близький до рівномірного.

Мал. 5.7. Схема пристрою антени Кассегрена: 1 - параболоїдна поверхня; 2 - контррефлектор; 3 – первинний опромінювач

Оскільки розміри контррефлектора достатньо великі в порівнянні з довжиною хвилі (S контр ), то виявляється можливим отримати швидкий спад випромінюваної енергії за краями основного шмигала і забезпечити тим самим малий її "перелив". Але модифікована форма контрефлектора відрізняється від форми гіперболоїда і сферична хвиля, падаюча на такий контррефлектор і відбита від нього, вже відрізняється від сферичної. Тому виникаючі фазові спотворення компенсуються зміною форми основного дзеркала так, щоб за рахунок зміни довжини шляху, прохідної електромагнітними хвилями, поле в раскрыве антени стало б однорідним, синфазним.

• Особливо зручні для застосування антени Кассегрена, якщо необхідно вести передачі на різних частотах, тобто, якщо дзеркало антени необхідно освітлювати по черзі різними первинними опромінювачами, які мають різні розміри і конструкцію. У антен з переднім живленням заміна первинного опромінювача - вельми трудомісткий процес, особливо коли антена встановлена на висоті, а у антен Кассегрена все виходить набагато простіше. Якщо, наприклад, є декілька типів первинних опромінювачів придатних для освітлення одного і того ж контррефлектора, то їх по черзі можна поміщати в середину параболоїда. У теж час може бути необхідна і заміна контррефлектора. Тоді створюється єдина конструкція - контррефлектор-первичный опромінювач, жорстко сполучені один з одним, яку при необхідності можна зняти і встановити іншу, якщо є достатньо великий отвір в середині параболоїда. Отвір не зменшує ефективну поверхню антени, оскільки ця її частина закривається контррефлектором.

• У антен Кассегрена глибший (короткофокусний) параболоїд, тобто коротша антена, тому вигідно використовувати її в різних кліматичних умовах спільно з обтічником. Обтічник антени - це фторопластова плівка або кожух, які пропускають хвилі СВЧ. Він служить для захисту внутрішньої поверхні параболоїда і первинного опромінювача від атмосферних опадів і кріпиться попереду антени. У антен з безпосереднім переднім живленням фокус параболоїда віддалений від поверхні і, отже, потрібний в цьому випадку обтічник набагато більших розмірів.

Двохдзеркальна осесиметрична антена Кассегрена з модифікованим параболоїдом (основним дзеркалом) і контррефлектором (допоміжним дзеркалом) є основним типом

антен, вживаних на наземних передавальних станціях по лінії

Мал. 5.8. Антена Кассегрена: діаметр 2,2 м; частота 10,95... 11,7 Ггц; мінімальне посилення 46 дБ; коефіцієнт стоячих хвиль, не більше 1,2; ширина діаграми спрямованості на рівні половинної потужності 0,9°; поляризація лінійна

Земля-супутник, що пов'язане з можливістю отримання високих електричних характеристик, із зручностями монтажу і обслуговування. На мал. 5.8 як приклад показана антена Кассегрена.

Проте слід зазначити, що необхідні складні математичні розрахунки, вимоги по дуже точному виготовленню параболоїда великих розмірів і гіперболоїда (контррефлектора), роблять антени Кассегрена вельми дорогою конструкцією.

Неосесиметричні (офсетні) антени

У антен Кассегрена контррефлектор - допоміжне дзеркало і у прямофокусных (осесиметричних) антен первинний опромінювач і конструктивно пов'язаний з ним малошумливий підсилювач-конвертер з вузлом для кріплення закривають центральну частину основного дзеркала, тобто найбільш важливу його область. Наявність в полі випромінювання антени конструкцій, що підтримують опромінювач (при порівнянних їх поперечних розмірах з довжиною хвилі), і самого опромінювача приводить до додаткового небажаного розсіяння енергії і, як наслідок, до зменшення ефективної площі раскрыва, зниження посилення антени і появи бічних пелюсток в діаграмі спрямованості, що особливо виявляється у невеликих антен, діаметр яких менше одного метра.

Перераховані недоліки можна майже повністю виключити, застосувавши неосесиметричну (офсетну) антену, конструкція якої зображена на мал. 5.9.

Мал. 5.9. Конструкція антени із зміщеним опромінювачем (Off-set антена)

Як видно з мал. 5.9, антенне дзеркало в цьому випадку не параболоїд, а тільки частина його. У теж час повернений первинний опромінювач як і раніше знаходиться у фокусі теоретичного параболоїда. Проте він не потрапляє в основну пелюстку діаграми спрямованості випромінювання, оскільки взагалі не закриває поверхню дзеркала. Завдяки цьому параметри офсетної антени дуже хороші, окрім наявності невеликого недоліку - появи у неї перехресної поляризації електромагнітних хвиль із-за неосесиметричної конструкції.

Крім того, конструкція офсетної антени дозволяє встановлювати два опромінювачі - конвертери, розташовуючи їх у фокальній площині. Це дає можливість вести прийом з супутників, що знаходяться на сусідніх позиціях геостационарной орбіти (в межах 7...8°), наприклад, з сімейства супутників Astra (19,2° в.д.) і Hot Bird (13° в.д.) без перенаправлення антени. Слід зазначити ще один позитивний чинник офсетних антен, що дає їм переваги перед прямофокусными, і особливо важливий для користувачів в північних широтах: офсетні антени і прямо-фокусні під різними кутами "дивляться" в небо, тобто мають різні кути місця. Випадний зимою сніг і інші осідання накопичуються в дзеркалі прямофокусной антени і можуть бути причиною перешкод і навіть деколи можуть привести до припинення прийому. Цього не трапляється при застосуванні офсетних антен, оскільки випадні осідання легко зісковзують з поверхні дзеркала або взагалі не потрапляють на неї. У антен цього типу рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості на 5 дБ менший, ніж у прямофокусных, що дуже важливе. Через велику кількість функціонуючих супутників, що постійно знаходяться на геостационарной орбіті, пред'являються жорсткі вимоги до діаграм спрямованості

як передавальних антен, так і приймалень. Це приводить до необхідності заміни широко поширених двузеркальных антен Кассегрена і приймалень прямофокусных антен на класичні -офсетные.

Поверхню офсетної антени отримують перетином параболоїдної поверхні похилою площиною (мал. 5.10). Площина перетину - площина раскрыва, є еліпс з малою віссю - D. З супутника розкривши офсетних антен "видний", як круг малого діаметру D (також як і у прямофокусных). Тому малий діаметр D еліпса називають умовним діаметром.

Важливим допоміжним параметром для розрахунку офсетної антени є відстань А від нижньої частини еліпса до осі теоретичного повного параболоїда. У прямофокусных антен відстань A=D/2, а у офсетних A<D/2, де D - малий діаметр еліпса. Необхідно відзначити, що із-за конструктивних особливостей експлуатаційні характеристики офсетних антен істотно відрізняються від прямофокусных. У офсетних антен відношення F/D=0,5...0,6, тобто дещо більше, ніж у прямофокусных, що пов'язане із зсувом первинного опромінювача. Кут між перпендикуляром до площини раскрыва офсетної антени і перпендикуляром до площини раскрыва прямофокусной утворює так званий офсетний кут — кут зсуву або кут повороту площини раскрыва. Для офсетних антен різних конструкцій, розташованих в одних і тих же широтах, цей кут має фактично одне і теж значення (для середніх широт близько 26...27°) і офсетні антени встановлюються на цей кут вертикальнее прямофокусных.

Мал. 5.10. Формування поверхні офсетної антени

Мал. 5.11. Офсетна антена діаметром 1,0 м для прийому з супутників:

частота 11,7... 12,5 Ггц; посилення 38,5 дБ; коефіцієнт стоячих хвиль 1,2;

ширина діаграми направленностина рівні половинної потужності 2 °;

поляризація круг

При установці антени слід розрізняти офсетні антени з раскрывом круглої форми і класичними офсетними антенами з еліптичною формою раскрыва. Офсетні антени "круглої" форми виготовляються з метою зменшення виробничих витрат, їх здешевлення. У них розкривши - це круг із заломленими краями. Подібні антени мають ряд істотних недоліків. Наприклад, очевидно, що площа круга, вписаного в еліпс, менше площі цього еліпса, тому посилення "круглих" офсетних антен менше стандартних класичних офсетних при рівних розмірах малого діаметру D. Для супутника розкривши "круглої" офсетної антени "видно" не як круг. Другий істотний недолік "круглої" офсетної антени - це неможливість точного теоретичного розрахунку положення її точки фокусу.

У результаті можна відзначити, що типові класичні офсетні антени малогабаритні, економічні, досить добре вивчені і через свої достоїнства знаходять широке застосування для прийому телевізійного віщання з супутників, хоча їх виготовлення обходиться дещо дорожче, ніж прямофокусных. На мал. 5.11, як приклад, показана офсетна антена і приведені її параметри.