9.3. Зеркальные антенны

Во многих современных РТС УВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонов, например в системах радиолокации, радиоастрономии, радиорелейной и космической связи, спутникового телевизионного и радиовещания, широко применяются зеркальные антенны.

Зеркальной антенной (ЗА) называют совокупность слабонаправленного облучателя 1 и металлического отражателя (рефлектора, зеркала) 2 (рис. 9.8, а) [2, 5, 10]. В случае осесимметричного зеркала в виде тела вращения его форма выбирается так, чтобы сферический фазовый фронт ЭМВ 3, падающей от облучателя на зеркало, после отражения преобразовывался в плоский фронт ЭМВ 4. С точки зрения геометрической оптики лучи, расходящиеся от облучателя, в результате отражения от зеркала формируют параллельный пучок, обеспечивающий высокую направленность излучения антенны.

Классическим вариантом ЗА является антенна с осесимметричным зеркалом в виде параболоида вращения (рис. 9.8, а, б); на практике применяются также антенны с зеркалами в форме параболического цилиндра, усеченного параболоида (рис. 9.8, в, г) и антенны более сложных конструкций (например, двухзеркальные) [10]. В последние десятилетия были разработаны новые варианты ЗА на основе плоских зеркал в виде решеток полосковых излучателей, более компактные и технологичные. В то же время ЗА с такого рода плоскими зеркалами принципиально проигрывают традиционным по ширине полосы рабочих частот в силу частотной зависимости комплексных коэффициентов отражения ЭМВ от полосковых элементов.

а б в г

Рис. 9.8. Зеркальные антенны

По направленности излучения, эффективности, ширине рабочей полосы частот, возможности работы с практически любой поляризацией и простоте конструкции ЗА практически не имеют конкурентов среди остронаправленных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов [2, 3, 5].

Учитывая многообразие современных ЗА, их целесообразно классифицировать по основным отличительным признакам.

По числу зеркал различают одно- и многозеркальные (основную группу которых составляют двухзеркальные) антенны. По взаимной ориентации зеркал и облучателей ЗА относят к осесимметричным и осенесимметричным. В симметричных антеннах зеркало обладает осевой симметрией и отраженные от его вершины ЭМВ неизбежно проходят через облучатель. ЭМВ, принятые облучателем, направляются обратно к источнику СВЧ колебаний и в общем случае без принятия специальных мер нарушают нормальный режим работы антенны, что выражается в значительном ухудшении ее согласования по входу. В осенесимметричных антеннах (называемых также офсетными, или антеннами с вынесенным облучателем) ЭМВ, отраженные от зеркала, уходят в окружающее пространство, не попадая на облучатель. Такие ЗА характеризуются очень хорошим согласованием с питающей линией передачи, но обладают повышенным уровнем кроссполяризации, что приводит к снижению развязки между каналами при одновременной работе с двумя ортогональными поляризациями излучения.

По числу главных лепестков ДН зеркальные антенны разделяют на одно- и многолучевые; в простейшем случае число формируемых лучей равно числу облучателей.

По характеру кривизны поверхности основного зеркала различают параболические и сферические зеркала, зеркала с модифицированными профилями, обеспечивающие повышенный КИП (оптимизированные антенны), а также, с учетом последних достижений в технике ЗА, специальные плоские зеркала (обеспечивающие тот же эффект, что и параболические).

ЗА могут работать как с фиксированным в пространстве направлением максимального излучения, так и в режиме одно- или двухкоординатного сканирования (например, путем линейного смещения облучателя из фокуса, вращения облучателя вокруг фокальной оси зеркала, использования решетки коммутируемых облучателей и т.д.).

Принцип действия зеркальной параболической антенны

Рассмотрим геометрические свойства и принцип действия ЗА с зеркалом в виде симметричного тела вращения (рис. 9.9) [10]. ЭМВ, излучаемая облучателем, достигая электропроводящей поверхности зеркала, наводит на ней электрические токи, создающие вторичное ЭМП, обычно называемое полем отраженной волны.

Для обеспечения высокой эффективности антенны облучатель должен быть однонаправленным и создавать излучение только в направлении зеркала.

В раскрыве антенны (на плоской поверхности круглой формы, ограниченной кромками зеркала) отраженная зеркалом ЭМВ имеет плоский фазовый фронт, что позволяет получить узкую ДН излучения. Естественно, что в дальней зоне на расстояниях , много больших длины волны и радиуса зеркала R₀ , излучаемая антенной ЭМВ становится сферической.

Необходимо определить, какую форму должно иметь зеркало для преобразования сферической или цилиндрической ЭМВ в плоскую (в раскрыве). Решение этой задачи с использованием метода геометрической оптики приводит к следующему выражению для профиля зеркала в полярной системе координат (рис. 9.9) [2, 3, 5, 10]:

, (9.24)

где — текущий угол, отсчитываемый от оси зеркала; — текущее расстояние от точки фокуса до произвольной точки на облучаемой поверхности зеркала; f — фокусное расстояние зеркала. Выражение (9.24) представляет собой уравнение параболы в полярной системе координат. При этом удвоенное фокусное расстояние называют параметром параболоида. Таким образом, поверхность зеркала должна быть поверхностью параболоида вращения, образованного вращением параболы вокруг оси z. Важно отметить, что профиль зеркала не зависит от длины волны, так что полоса рабочих частот ЗА фактически определяется только частотными характеристиками облучателя.

Для формирования пучка лучей, параллельного оси зеркала и образующего волну с плоским фазовым фронтом, в фокусе зеркала F должен находиться точечный источник, излучающий сферическую волну. Отметим, что сказанное выше справедливо в случае бесконечно малой длины волны, падающей на зеркало. В действительности длина волны конечна и отраженные от зеркала лучи образуют не вполне параллельный, расходящийся пучок; однако с учетом малости расстояния от поверхности зеркала до плоскости раскрыва этой расходимостью можно пренебречь и считать отраженную волну в раскрыве плоской, а сам раскрыв — синфазно возбужденным.

Рис. 9.9. Определение профиля зеркала

Для преобразования цилиндрической волны в плоскую поверхность зеркала должна иметь форму параболического цилиндра, а облучатель (соответственно, не точечный, а линейный) должен располагаться вдоль фокальной плоскости зеркала и излучать в направлении зеркала цилиндрическую волну.

Геометрические параметры параболического зеркала: фокусное расстояние f; радиус раскрыва ; угол раскрыва . Эти параметры связаны следующим соотношением [3, 10]:

. (9.25)

Форму зеркала удобно характеризовать отношением или углом раскрыва . Если <2 или <π, зеркало называется длиннофокусным (мелким); если >2 или >π, зеркало называется короткофокусным (глубоким). При расположении фокуса на пересечении оси зеркала с фокальной осью =2 и =π.

Приближенные методы расчета ДН зеркальной антенны

Основными приближенными методами расчета ДН ЗА являются апертурный и токовый [2, 3, 5, 10, 11].

Апертурный метод заключается в определении ЭМП излучения по известному распределению возбуждающего ЭМП на поверхности зеркала с использованием принципа эквивалентности. При этом не учитывается дифракция ЭМВ на кромке зеркала и излучение токов, возбуждаемых полем облучателя на неосвещенной поверхности зеркала; излучающей поверхностью считается только поверхность раскрыва. Расчет амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала выполняют с учетом ДН облучателя и формы зеркала, в достаточно обоснованном предположении, что зеркало по отношению к облучателю находится в дальней зоне.

Токовый метод расчета ДН ЗА предусматривает знание распределения поверхностных электрических токов на облучаемой поверхности зеркала. При этом считается, что токи возбуждаются только на внутренней поверхности зеркала; комплексный вектор поверхностной плотности тока определяется вектором напряженности магнитного поля, создаваемого падающей волной облучателя в данной точке на поверхности зеркала. Важно, что токовый метод позволяет учесть поляризационные эффекты в ЗА, в частности возникновение кроссполяризованной компоненты напряженности поля излучения [10, 11]. Расчет ДН токовым методом дает достаточно точные результаты в пределах главного лепестка и ближайших к нему одного-трех боковых лепестков ДН.

Точность расчетов по обоим методам возрастает с увеличением отношения и уменьшением отношения . С детальным изложением названных методов расчета ДН ЗА можно ознакомиться в работах [10, 11 ].

Коэффициенты усиления и направленного действия зеркальных антенн

Коэффициент усиления G зеркальной антенны, как и любой другой антенны, связан с ее КНД D и КПД η известным соотношением . КПД ЗА учитывает тепловые потери энергии СВЧ колебаний в облучателе, элементах его крепления, в металле зеркала, защитном слое краски и т.д. Практика показывает, что приближенно КПД ЗА можно считать равным единице. Особого же внимания заслуживает установление факторов, определяющих КНД ЗА

,

где — геометрическая площадь раскрыва; — коэффициент использования поверхности.

Применительно к ЗА в формуле для КНД апертурный КИП следует заменить комбинированным множителем (полный КИП), который представляется произведением , в котором — коэффициент использования поверхности, зависящий от амплитудного распределения напряженности электрического поля в излучающем раскрыве; — коэффициент, учитывающий «переливание» части энергии ЭМВ облучателя за края зеркала; — коэффициент, учитывающий затенение раскрыва облучателем; —коэффициент, учитывающий фазовые ошибки, т.е. отличие фазового фронта отраженной от зеркала ЭМВ в раскрыве ЗА от плоского; — коэффициент, учитывающий эффект возникновения кроссполяризованного излучения за счет возбуждения на зеркале токов как основного, так и паразитного ортогонального направлений; — коэффициент, учитывающий дифракцию ЭМВ облучателя на кромке зеркала [3, 5, 10, 11]. Рассмотрим некоторые из перечисленных коэффициентов.

Апертурный КИП определяется распределением амплитуды напряженности поля в раскрыве зеркала:

. (9.26)

Коэффициент , называемый также коэффициентом перехвата, представляет собой отношение доли мощности излучения облучателя, перехватываемой зеркалом, к полной мощности излучения облучателя. Очевидно, что при слишком широкой ДН облучателя зеркало будет облучаться достаточно равномерно, но значительная доля мощности бесполезно пройдет мимо зеркала. При слишком узкой ДН облучателя будет облучаться лишь часть зеркала, что улучшит перехват мощности, но снизит апертурный КИП. Поэтому при конкретных параметрах зеркала можно подобрать оптимальную ДН облучателя, при которой КНД антенны будет максимальным. Условие оптимального облучения зеркала состоит в том, что амплитуда напряженности электрического поля на краях зеркала Е_кр должна составлять приблизительно 0,316 от Е₀ — амплитуды поля в вершине зеркала (относительный уровень −10 дБ). При этом ≈0,7—0,8 [5]. На практике для достижения наилучшего облучения зеркала используют сложные облучатели с ДН специальной формы, например расфазированные рупоры.

Естественно, что для достижения высоких полного КИП и КНД антенны необходимо стремиться ослабить затенение раскрыва облучателем, снизить уровень излучения с кроссполяризацией и т.д.

Реально достижимые значения полного КИП однозеркальной ЗА в среднем составляют 0,45—0,8. Причем наиболее высокие значения КИП и низкие уровни кроссполяризации достигаются в антеннах с длиннофокусными зеркалами с углом раскрыва [5, 10].

Во многих применениях ЗА важно обеспечить не только высокий полный КИП, но и низкий УБЛ ДН, в том числе уровень заднего излучения (в направлении, противоположном главному), поскольку эти параметры ДН непосредственно влияют на электромагнитную совместимость и помехозащищенность РТС. Так, ЗА радиорелейных систем связи должны обеспечивать подавление мощности заднего излучения до уровня порядка −50 дБ и ниже; УБЛ ДН ЗА систем спутниковой радиосвязи должен быть не более −(25—30) дБ [2, 3].

Зеркала антенн небольших размеров обычно сплошные. Зеркала больших размеров, как правило, выполняют сетчатыми (для уменьшения парусности конструкции и массы антенны). Для ЗА с линейной поляризацией проводники сетки должны быть ориентированы параллельно плоскости поляризации облучателя; для обеспечения высокого коэффициента отражения расстояние между проводниками сетки выбирается менее половины минимальной рабочей длины волны. Для ЗА с круговой, переключаемой или двойной поляризацией сетка соответственно должна быть двумерной, например с квадратными ячейками.

Погрешности изготовления элементов конструкции ЗА и ее сборки неизбежно приводят искажению АФР поля в раскрыве антенны и, соответственно, к ухудшению формы ДН и других электрических параметров. Влияние систематических и случайных ошибок в АФР на характеристики ЗА описано, например, в [3, 5, 10] . Отметим, что при изготовлении зеркала важно обеспечить точность его формы и размеров. В [3, 5, 10] подробно рассмотрены требования к точности изготовления зеркала и показано, в частности, что отклонения формы от параболической в районе вершины не должны превышать .

Управление ДН зеркальной антенны

Если фазовый центр облучателя точно совмещен с фокусом F зеркала, то фронт волны, отраженной от зеркала, в его раскрыве оказывается плоским и направление главного максимума ДН совпадает с осью зеркала. Смещение облучателя в фокальной плоскости, иначе говоря, в направлении перпендикуляра к оптической оси зеркала вызывает отклонение направления главного максимума в сторону, противоположную смещению облучателя (рис. 9.10) [10].

Рис. 9.10. Отклонение ДН, вызванное смещением облучателя в фокальной плоскости параболического зеркала

Этот эффект легко поясняется отклонением фазового фронта отраженной волны на угол при смещении облучателя (рис. 9.10). Направление максимума излучения всегда перпендикулярно фронту волны, следовательно, ДН отклонится на тот же угол в сторону, противоположную смещению облучателя [10]:

,

при малых углах отклонения , тогда можно считать

, или в градусах . (9.27)

Вообще говоря, смещение облучателя приводит не только к отклонению ДН, но и ее искажению вследствие нарушения линейного закона изменения фазы поля в раскрыве.

Это приводит к расширению ДН и возрастанию УБЛ, что ведет к уменьшению КНД и КУ антенны. С увеличением фокусного расстояния зеркала при фиксированном диаметре искажения формы ДН при одном и том же смещении облучателя уменьшаются. Реализуемые на практике углы отклонения ДН от оси антенны обычно не превышают 5—8 значений ширины ДН по половинной мощности [3, 5, 10].

Рассмотренный способ отклонения ДН широко применяется на практике для построения сканирующих и многолучевых ЗА.