Влияние отражений от зеркала на входное сопротивление антенны (реакция зеркала на облучатель)

Выше было отмечено, что в осесимметричных ЗА часть отраженных от зеркала лучей перехватывается облучателем (этот нежелательный эффект называется реакция зеркала). В основном облучатель принимает волны, отраженные от области вершины зеркала. Очевидно, что чем больше КНД облучателя, тем большую мощность он перехватывает. При этом в питающей облучатель линии передачи возникает волна, распространяющаяся к источнику, аналогичная по действию отраженной волне, возникающей в линии вследствие ее рассогласования с нагрузкой. Антенна оказывается плохо согласованной по входу.

Отраженную волну можно скомпенсировать с помощью какого-либо согласующего устройства, устанавливаемого у вершины зеркала (вспомогательное зеркало). Однако действие такого устройства будет эффективным только на фиксированной частоте, поскольку с изменением частоты (из-за изменения разности хода лучей) вновь появится отраженная волна.

Рис. 9.11. Принцип построения ЗА с вынесенным облучателем

Если антенна излучает поле вращающейся поляризации, то реакция зеркала на облучатель будет практически отсутствовать — при отражении от зеркала излучаемой облучателем волны направление вращения плоскости поляризации изменяется на обратное, вследствие чего она не принимается облучателем. Удачным способом устранения реакции зеркала на облучатель в широкой полосе частот является применение невзаимных устройств, например ферритовых вентилей и циркуляторов. Они устанавливаются в волноводном тракте перед облучателем и, внося сравнительно малые потери для прямой волны, на 20—25 дБ ослабляют отраженную волну. Наиболее радикальный способ уменьшения реакции зеркала состоит в выносе облучателя из поля отраженных от зеркала лучей. Для этого облучатель устанавливают в фокусе зеркала (разворачивают) так, чтобы направление его максимального излучения составило некоторый угол с фокальной осью зеркала (рис. 9.11) [3, 5, 10, 11]. При этом облучается только часть зеркала, расположенная выше его оси, и отраженные от нее лучи проходят мимо облучателя. Необлучаемая часть зеркала удаляется (осенесимметричная антенна).

Двухзеркальные антенны

Рассмотренные зеркальные параболические антенны по сравнению с другими типами антенн обладают хорошими электрическими характеристиками, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно простую конструкцию. Наряду с этими достоинствами они обладают недостатками, а именно: большая длина волноводного тракта от антенны до приемопередатчика и его размещение в поле излучения антенны; сложность обеспечения равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве с сохранением высокого значения полного КИП; зачастую неприемлемые продольные размеры антенны и др. Поэтому наряду с однозеркальными ЗА были разработаны двухзеркальные антенны, у которых названные выше недостатки проявляются в меньшей степени либо отсутствуют.

Рассмотрим две типовые конструкции двухзеркальных антенн: Кассегрена (рис. 9.12, а) и Грегори (рис. 9.12, б) [5].

а б

Рис. 9.12. Двухзеркальные антенны

В этих антеннах используются два зеркала: основное — большое (обычно параболическое) зеркало и вспомогательное — малое зеркало, выполненное либо в виде части гиперболоида вращения в антенне Кассегрена, либо в виде части эллипсоида вращения в антенне Грегори.

Пусть облучатель с фазовым центром в точке F₂ излучает в направлении малого зеркала сферическую волну. В силу геометрических свойств гиперболы (или эллипса) отражаемая малым зеркалом волна, снова оказываясь сферической, как бы исходит из одной точки — фокуса гиперболы (или эллипса) F₁, совмещенного с фокусом большого зеркала параболической формы. Эта волна и преобразуется большим зеркалом в плоскую в его раскрыве. Второй фокус малого зеркала F₂ совмещается с фазовым центром облучателя (обычно рупора).

В антенне Кассегрена угол раскрыва большого зеркала может быть больше 180^o . В антенне Грегори угол может быть лишь меньше 180° (если >180°, то отраженные от одной половины малого зеркала лучи на пути к большому встретят вторую половину малого зеркала, т.е. будут им затенены). Поэтому большие (основные) зеркала антенны Грегори могут быть только длиннофокусными.

Двухзеркалъные антенны обладают рядом преимуществ по сравнению с однозеркальными. Вспомогательное зеркало облегчает формирование заданного амплитудного распределения в раскрыве основного зеркала и обеспечивает сравнительно высокий полный КИП антенны. Поскольку в двухзеркальной антенне облучатель можно расположить близко к основному зеркалу, упрощается и укорачивается тракт питания облучателя, облегчается крепление линии передачи и облучателя. Укорочение линии питания ведет к уменьшению тепловых потерь в ней и снижению шумовой температуры тракта питания, что важно при использовании ЗА в системах спутниковой и космической радиосвязи.

Оптимизация двухзеркальной антенны заключается в подборе профилей зеркал в соответствии с заданной формой ДН облучателя. Основными требованиями, предъявляемыми к форме ДН облучателя оптимизируемой антенны, являются ее осевая симметрия и минимальное «переливание» энергии за пределы сектора облучения малого зеркала. Двухзеркальные антенны оптимизированных конструкций обладают полным КИП, достигающим 0,7—0,8 [3, 5, 10].

Облучатели зеркальных антенн

В качестве облучателей зеркальных параболических антенн применяют слабонаправленные антенны, формирующие однонаправленное излучение. Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. Если облучатель не обладает однозначно выраженным фазовым центром, как, например, пирамидальный рупор, то оптимальное положение такого облучателя относительно фокуса зеркала находится экспериментальным путем. ДН облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве зеркала при малом переливании энергии через его края, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков.

Ширина полосы рабочих частот ЗА, в основном, зависит от облучателя и реакции зеркала, поэтому облучатель должен быть достаточно широкополосным как по направленным свойствам, так и по согласованию. Основная поляризация излучения ЗА определяется поляризацией ЭМВ, формируемых облучателем.

В диапазоне УВЧ и в низкочастотной области СВЧ диапазона обычно применяются вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий передачи. Для получения однонаправленного излучения активный вибратор снабжают контррефлектором в виде одного или нескольких пассивных вибраторов, а также в виде металлической пластины, например диска диаметром около длины волны излучения. Фазовый центр облучателя находится между вибратором и контррефлектором.

На частотах от единиц ГГц и выше применяются гибридные волноводно-вибраторные и щелевые облучатели, питаемые с помощью волноводов. Вибраторные облучатели целесообразно использовать в случае довольно глубоких параболических зеркал (при 2Ψ₀ = 120—180°).

Для построения ЗА с круговой поляризацией часто используют спиральные или турникетные облучатели.

В СВЧ и КВЧ диапазонах широко применяют волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели, обеспечивающие большую мощность излучения и имеющие лучшие диапазонные свойства, чем вибраторные. Облучатели на основе круглых и квадратных волноводов, конических и пирамидальных рупоров с фазирующей секцией позволяют получать излучение с круговой поляризацией. Для управления поляризацией излучения используются те же облучатели без фазирующей секции, но с электрически управляемым поляризатором на входе; для одновременной работы с двумя ортогональными поляризациями на входе облучателя устанавливают поляризационный селектор (разделитель) с равным делением мощности [2, 3, 5, 10].