Сферичні антенні системи
Сферичні антенні
системи є кулею з діелектричного
матеріалу з опромінювачами, розташованими
на обручі, віддаленому від кулі на деяку
відстань. Основа такої антени - фокусуюча
діелектрична лінза. Як діелектричний
матеріал для виготовлення лінзових
антен широко використовуються поліетилен
і полістирол, коефіцієнт заломлення
яких рівний відповідно 1,5 і 1,6, тангенси
кута втрат 0,0003 і 0,0002. Коефіцієнт заломлення
у них
більше
одиниці, тобто швидкість розповсюдження
електромагнітної хвилі в діелектриці
менше швидкості світла в
раз.
У параболоїдних антенах отримання синфазного випромінювання обумовлене віддзеркаленням електромагнітних хвиль від поверхні параболоїда, а в лінзових - заломленням хвиль в лінзі. Пристрій лінзової антени показаний на мал. 5.15.
Сферичні хвилі, що створюються точковим первинним опромінювачем, першими досягають поверхні лінзи в її вершині, (крапка Про), а до решти крапок приходять вони тим пізніше, чим далі ці крапки віддалені від вершини лінзи. Електромагнітні хвилі уздовж осі проходитимуть довший шлях в діелектрику, в якому їх швидкість менша, ніж в повітрі.
Внаслідок цього час розповсюдження електромагнітної хвилі в лінзі збільшується у міру наближення до її осі. При гіперболічній формі заломлюючої поверхні лінзи в площині раскрыва формуються синфазні хвилі, що і потрібне для отримання гострої спрямованості антени.
Лінзові антени в порівнянні з параболоїдними мають ряд переваг:
Мал. 5 .15. Пристрій лінзової антени
Мал. 5.16. Пристрій (а) і принцип роботи (б) сферичної лінзової
антени
позначається тільки раз: при проходженні електромагнітних хвиль через освітлювану поверхню лінзи;
- дуже важливою гідністю лінзових діелектричних антен є те, що можна відносно легко управляти їх діаграмою спрямованості. І це знаходить широке застосування в так званих сферичних антенних системах, що складаються з декількох сферичних лінзових антен. Пристрій і принцип роботи такої системи показані на мал. 5.16.
Сферична лінзова антена є кулею, виготовленою з діелектрика з показником заломлення, що зменшується безперервно (плавно або ступінчасто) від центру кулі до поверхні згідно із законом:
,
де n - показник заломлення в крапці сфери, віддаленої від центру на відстань r; d - діаметр кулі.
У центрі (r = 0),
показник заломлення
а
на її поверхні (
)
він дорівнює одиниці, що забезпечує
узгодження лінзи з вільним простором.
Приблизно також змінюватиметься показник
заломлення
якщо
сферу виготовити з полістиролу, щільність
якого зростає до центру сфери. Найменш
щільний шар має
= 1,015, що вельми близько до показника
заломлення повітря.
Опромінювач лінзи точковий і на практиці представляє невеликий рупор. На обручі, що охоплює кулю і зміщеному щодо його екватора на кут місця, розміщуються первинні опромінювачі, положення яких на обручі відповідає координа координатам супутників. Опромінювачів може бути стільки, скільки супутників, з яких ведеться прийом. Така антенна система може приймати одночасно сигнали зі всіх супутників, що знаходяться в "видимій" частині неба, і незалежно фокусувати ці сигнали з протилежного боку кулі на певній відстані від його поверхні.
У сферичної антени відсутній опорно-поворотное пристрій, немає актуатора і немає необхідності в механічному повороті антени з одного супутника на іншій. Головне достоїнство сферичних антенних систем - це можливість одночасного прийому з декількох супутників незалежно один від одного. Такі антенні системи здатні замінити 7...8 лараболоидных антен, правда, вартість їх поки досить висока. Зовнішній вигляд сферичної антенної системи показаний на мал. 5.17.
Основним недоліком сферичних антен є їх нижчий к.п.д., чим у параболоїдних і, відповідно, нижчий коефіцієнт посилення, обумовлений втратами на віддзеркалення і поглинання електромагнітних хвиль СВЧ в матеріалі діелектрика.
Вести прийом з такими антенами можна тільки з могутніх супутників - ретрансляторів, що створюють високий рівень щільності потоку потужності або еквівалентної ізотропної випромінюваної потужності, що можливо в центрі Європи, оскільки там сконцентрована значна кількість супутників, що ретранслюють величезну кількість телепередач значної ППМ (ЕІЇМ).
Мал. 5.17. Зовнішній вигляд сферичної антенної системи
Первинні опромінювачі
Сама по собі поверхня параболоїда, тобто поверхня дзеркала не характеризує ще антену в цілому. Розглядати такі параметри антени як коефіцієнт посилення, коефіцієнт шуму і тому подібне без урахування характеристик первинних опромінювачів не має сенсу. Первинні опромінювачі мають найважливіше значення для параболоїдних антен діапазону СВЧ. Від їх конструкції і розміщення щодо основного дзеркала залежать коефіцієнт використання площі раскрыва антени, її посилення, ширина діаграми спрямованості, розділення електромагнітних хвиль по видах поляризацій і тому подібне Тому, вони повинні задовольняти наступним основним вимогам:
- для отримання максимального посилення антени важливо забезпечити за всією площею її раскрыва синфазность випромінювання електромагнітних хвиль, для чого необхідно фазовий центр випромінювання первинного опромінювача точно суміщати з фокусом основного дзеркала;
- для зменшення рівня бічних пелюсток в діаграмі спрямованості (побічних каналів прийому) первинний опромінювач повинен освітлювати поверхню основного дзеркала з інтенсивністю, що зменшується, від центру до країв, не допускаючи великого "переливу" за краї і зворотного випромінювання "назад". Оскільки форма основного дзеркала - параболоїд, то інтенсивність освітлення первинним опромінювачем повинна мати параболоїдну залежність з максимумом в центрі;
- якщо рівень бічних пелюсток не має істотного значення, то опромінювач може створювати рівномірне по амплітуді електромагнітне поле в раскрыве антени;
- первинний опромінювач і його кріплення винні по можливості менше закривати поверхню основного дзеркала щоб уникнути спотворень основної пелюстки в діаграмі спрямованості і появи бічних пелюсток. Для цього первинні опромінювачі для прямофокусных антен виготовляються мінімальних розмірів;
- первинний опромінювач повинен бути добре закріплений, щоб під впливом вітру не допускати механічних переміщень і вібрацій.
Первинні опромінювачі це невеликі субантени. Вони приймають електромагнітні хвилі, сфокусовані основним дзеркалом відповідно до власної діаграми випромінювання, і направляють їх у волноводно-полосковый перехід. Оскільки при розповсюдженні електромагнітних хвиль лінійних поляризацією від супутника до приймальної антени площина їх поляризації може
обернутися і не співпасти з площиною поляризації, на яку зорієнтований первинний опромінювач, то необхідно, щоб первинний опромінювач міг приймати електромагнітні хвилі як лінійних, так і кругових поляризацій. Тому первинний опромінювач по конструкції - це модифікований хвилевід круглого перетину. Необхідно відзначити, що хвилевід, відкритий на кінці, може самостійно передавати і приймати електромагнітні хвилі. Проте хвилевід як антена не придатний, оскільки у нього відкрита поверхня випромінювання мала, посилення невелике і вихід не узгоджується з відкритим простором. Через це коефіцієнт стоячих хвиль дуже великий. Щоб збільшити поверхню випромінювання і погоджувати її з відкритим простором, хвилевід роблять таким, що розширюється на кінці, і виходить рупорна антена. Хороша рупорна антена повинна бути достатньо довгою, без неоднородностей, оскільки будь-хто неоднорідності приводить до віддзеркалень електромагнітної хвилі, що розповсюджується в ній. Перехід від хвилеводу до рупора якраз і є такою неоднорідністю. Щоб максимально використовувати розкривши рупора, електромагнітне поле в будь-якій точці раскрыва повинне бути синфазним, тобто його зміни повинні відбуватися одночасно. Але електромагнітна хвиля уздовж краю рупора проходить довший шлях, ніж хвиля по центру і вона запізнюється щодо хвилі, що проходить по центру. Це приводить до несинфазности і до зниження інтенсивності випромінювання по краях раскрыва, що є потрібним і корисним в даному випадку. Тому рупори, використовувані як первинні опромінювачі для параболоїдних антен, по довжині невеликих розмірів. Застосування рупора як первинний опромінювач дає значні переваги перед точковим опромінювачем, - підбираючи розміри раскрыва рупора можна отримати необхідну діаграму спрямованості для освітлення поверхні параболоїда. Рупор добре погоджує хвилевід з поверхнею параболоїда. Нарешті, рупорний опромінювач більшою мірою, чим хвилеводний, усуває зворотне випромінювання - випромінювання "назад".
Розміщують рупор так, щоб фазовий центр його випромінювання співпадав з фокусом параболоїда, що дозволяє досягти максимальної ефективності використання поверхні антени і, отже, отримати високий коефіцієнт посилення. Модифіковані рупори, використовувані як опромінювачі в параболоїдних антенах, можуть мати різноманітні форми. Два варіанти конструкцій первинних опромінювачів типу "ребристий фланець", вживаних на практиці для осесиметричних антен, показані нижче.
Мал. 5.18. Широко вживані конструкції первинних опромінювачів
Система канавок на пасивному опромінювачі (мал. 5.18, а) служить для обмеження поверхневих струмів, що з'являються, і тим самим перешкоджає випромінюванню назад. На опромінювачі (мал. 5.18, би) система канавок замінена однією еквівалентною канавкою, що значно спрощує його виготовлення.
Рухомий відбивач, показаний на мал. 5.18, а, дозволяє змінювати діаграму спрямованості осесиметричної антени -при переміщенні до вільного кінця звужувати, а при видаленні від нього розширювати.
Рупори для офсетних антен є усіченим конусом з кутом раскрыва біля 45°, або з гладкою внутрішньою поверхнею, або з чвертьхвильовими канавками на ній. Довжина конуса рівна приблизно 50 мм, діаметр раскрыва 50...80 мм. Вони складніше по конструкції і більшого розміру, чим рупори для прямофо-кусных антен і краще узгоджуються з навколишнім простором.