7.6.4 Зеркальные антенны

Зеркальными (рефлекторными) ан­теннами называются апертурные антенны, в которых используется явление отражения волн от металлического зеркала (рефлектора) для преобразования слабонаправленных электромагнитных волн, созда­ваемых первичным излучателем (облучателем), в остронаправленные волны, излучаемые в пространство.

Наиболее употребительные виды зеркал: параболоид вращения (рисунок 7.8, а, б) и параболический цилиндр (рисунок 7.8, б).

1– зеркало; 2 – облучатель; 3 – сферический фронт волны облучателя; 4 – плоский фронт отраженной волны; 5 – диаграмма направленности облучателя; 6 – диаграмма направленности зеркальной антенны

Рисунок 7.8 - Рефлекторы в виде параболои­да вращения (а), (б) и

параболического ци­линдра (в)

Параболоид представляет поверхность, описываемую параболой при ее вращении вокруг своей оси OZ. Параболический цилиндр описывается при перемещении параболы вдоль параллельных прямых, называемых образующими цилиндра. Встречаются и другие антенные зеркала, по­строенные на основе параболы. Все эти рефлекторные антенны иначе называются параболическими.

Раскрывом или апертурой такой антенны называется часть плоскости, ограниченная наружными краями рефлектора. Раскрыв парабалоида вращения имеет форму круга диаметром d. Раскрыв параболического цилиндра имеет форму прямоугольника (рисунок 7.8, в).

Фокусным расстоянием f параболического рефлектора называется кратчайшее расстояние от его поверхности до точки F, именуемой фокусом параболы. Фокальной линией параболического цилиндра называется линия, параллельная образующим цилиндрам и проходя­щая через фокус исходной параболы.

Углом раскрыва (2ξ₀) параболического рефлектора называется удвоенный угол ξ₀ между осью рефлектора и линией, соединяющей его фокус с крайней точкой параболы.

Рефлектор считается глубоким (короткофокусным), если 2ξ₀ > π, f <0,25d и фокус F находится внутри зеркала, если же 2ξ₀ < π, f > 0,25 d и фокус вынесен из плоскости раскрыва, то рефлектор считается мелким (длиннофокусным).

Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу, т. е. быть однонаправленным.

Электромагнитная вол­на, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, воз­буждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны.

В раскрыве антенны отраженная от зеркала волна имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с дли­ной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соот­ветствии с законами излучения становится сферической.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны поясняет рисунок 7.8, а. Точечный облучатель (например, маленький рупор 2), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала 1 сферическую волну 3. Зеркало преобразует ее в плоскую волну 4, т. е. расходящийся пучок лучей преобразу­ется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы на­правленности 6.

Отраженная от зеркала волна будет плоской, если длина оптического пу­ти всех лучей, идущих из точки F до зеркала и после отражения до плоскости раскрыва, будет одинаковой. Для этого поверхность зеркала должна быть по­верхностью параболоида вращения, образованного вращением параболы 1 (рисунок 7.8, а) вокруг оси OZ. Точечный источник сферической волны (фазовый центр источника) должен помещаться в фокусе параболоида, т. е. на фокусном расстоянии f от средней точки параболоида.

Действительно, если через точки параболы А, В, О, С, Е, ...(рисунок 7.9) провести нормали к ней и построить лучи падающих и отраженных волн, соблюдая равенство углов падения θ_пад и отражения θ_отр: θ_пад= θ_отр= θ/2, то лучи отраженных волн становятся параллельными, т. е. отраженные волны имеют плоский фронт и поэтому совпа­дают по фазе в любой плоскости, перпендикулярной оси рефлектора, в том числе в плоскости раскрыва LM.

Рисунок 7.9 – Падающие и отражен­ные волны при параболическом

рефлекторе

Внутренняя поверхность зеркала должна обладать максималь­но возможной проводимостью. Для уменьшения парусности и массы зеркала его иногда изготовляют не сплошным, а сетчатым или из пер­форированных листов. Размеры отверстий подбираются такими, что­бы через них просачивалось не более 1 ... 2% мощности волн, падаю­щих на зеркало.

Приведенные выше рассуждения применимы и для профиля зеркала, преобра­зующего цилиндрическую волну в плоскую. Очевидно, в этом случае поверхность зеркала должна быть не параболоидом вращения, а параболическим цилиндром и линейный облучатель, являющийся источником цилиндрической волны, должен располагаться вдоль фокальной линии (рисунок 7.8, в).

Существенное влияние на ширину ДН оказывает неравномерность распределения амплитуды поля в раскрыве рефлектора. Одна из причин это­го состоит в том, что от облучателя до рефлектора распространяются сферические (в случае параболоида) или цилиндрические (в случае параболического цилиндра) волны, а после отражения от рефлектора – плоские волны. В сферической волне амплитуда напряженности поля изменяется обратно пропорционально расстоянию от излучате­ля, в цилиндрической – обратно пропорционально корню квадрат­ному из этого расстояния, а в плоской амплитуда напряженности поля остается постоянной. По мере отклонения от оси антенны пути сфери­ческих (цилиндрических) волн, идущих от облучателя до рефлектора, удлиняются и, следовательно, амплитуда этих волн уменьшается. Вто­рая причина: указанное ослабление поля от центра раскрыва к его границе усиливается тем, что в этом направлении плотность потока мощности облучателя уменьшается.

С уменьшением угла раскрыва большая часть энергии облучателя теряется за пределами рефлектора, но сам рефлектор облу­чается более равномерно. Рассеивание энергии понижает КПД антен­ны _А, а равномерность облучения рефлектора способствует повышению коэффициента использования поверхности , но так как коэффициент усиления антенны

(7.23)

прямо пропорционален произведению _А , то существует наиболее выгодное значение угла раскрыва рефлектора.

Обычно используют длиннофокусные параболоиды (2ξ₀<π).

Максимальный коэффи­циент усиления получается при та­ком значении 2ξ₀, при котором поле на краях раскрыва согласно ДН об­лучателя составляет примерно 0,3 по амплитуде и 0,1 по мощности от по­ля в центре раскрыва. Тогда произведение _А = 0,45 ... 0,65, угол раскрыва 2ξ₀ = 120 ... 140 градусов, шири­на главного лепестка ДН

2θ_О,5⁰ = (65... 70)°λ/d (7.24)

и уровень первого бокового лепестка – (22 ... 24) дБ.

Основными требованиями, предъявляемыми к облучателям рефлекторных антенн, являются:

1. Энергия от облучателя не должна, по возможности, выходить за пределы рефлектора; в частности, нужно исключить обратное излу­чение облучателя.

2. Если уровень боковых лепестков ДН антенны не имеет решаю­щего значения, то облучатель должен создавать равномерное по ампли­туде поле Е_т в раскрыве рефлектора.

3. Нужно свести к минимуму попадание волн, отраженных от зер­кала в облучатель, а через него в фидер. Такая реакция зеркала на облучатель вредна тем, что искажает ДН антенны и повышает k_св фидера.

4. Облучатель должен быть механически прочным, безотказно ра­ботать при излучении волн максимальной мощности, на которую рассчитывается вся антенная система.

5. Облучатель должен быть согласован во всей рабочей полосе частот как с фидером, так и с рефлектором.

Питание к облучателю параболической антенны подводят по коак­сиальному фидеру или волноводу с теневой или с освещен­ной части рефлектора.

В диапазоне дециметровых и более длинных волн применяются вибра­торные облучатели; на сантиметровых и миллиметровых волнах применяются волноводно –рупорные, щелевые облучатели [7]. Например,

волноводно – рупорные облучатели представляют собой либо открытый конец волновода, либо небольшой рупор, присоединенный к концу волновода.

Рисунок 7.10 – Возбуждение параболоида волноводно - рупориыми

облучате­лями

Приме­няются волноводы как прямоугольного сечения, так и круглою. Расположение волноводно – рупорных облучателей у зеркала показано на рисунке 7.10.