Двухзеркальные антенны

Двухзеркальные антенны являются радиотехническим аналогом известных в астрономической оптике телескопов Кассегрена и Грегори. Двухзеркальная антенна состоит из большого зеркала, малого зеркала и облучателя (рис. 8.8). Большое зеркало является параболоидом вращения или вырезкой из него. Малое зеркало может быть частью двухполостного гиперболоида вращения (в системе Кассегрена) или частью эллипсоида (в системе Грегори).

Принцип действия двухзеркальной системы Касегрена основан на следующем известном свойстве гиперболического зеркала: если в одном из фокусовF₁ двухполостного гиперболоида вращения поместить точечный источник, то отраженные от поверхности второй полости гиперболоида лучи образуют расходящийся пучок с центром во втором фокусе F₂ (см. рис. 8.8,а).

Рис. 8.8  Двухзеркальные антенны: а – система Кассегрена, б – система Грегори; 1 – облучатель, 2 – малое зеркало, 3 – большое зеркало

Таким образом, для нормальной работы двухзеркальной антенны необходимо в одном из фокусов малого гиперболического зеркала (F₁) поместить фазовый центр облучателя, а второй фокус (F₂) совместить с фокусом параболического зеркала. В этом случае большое зеркало будет облучаться так, как если бы некоторый фиктивный облучатель находился в его фокусе. При этом следует учитывать, что ДН реального и фиктивного облучателей будут неодинаковыми.

Двухзеркальная система Грегори отличается от системы Кассегрена лишь тем, что вспомогательное зеркало является вырезкой из эллипсоида вращения (рис. 8.8, б). Последний обладает тем свойством, что если в один из его фокусов F₁ поместить сосредоточенный источник, то отраженные от внутренней поверхности лучи соберутся в его втором фокусе F₂. Следовательно, если фазовый центр облучателя поместить в один из фокусов эллипсоида F₁, а второй фокус F₂ совместить с фокусом параболического зеркала, то система будет работать аналогично предыдущей. Более распространенными являются антенны типа Кассегрена, так как они имеют меньшую осевую длину и обеспечивают меньшие фазовые искажения.

Основными достоинствами двухзеркальных антенн, по сравнению с однозеркальными, являются следующие:

• при одинаковых типах облучателей двухзеркальные антенны имеют меньшие продольные размеры и меньшую длину фидерного тракта от приемника или передатчика до облучателя, что способствует снижению шумовой температуры;

• они позволяют осуществить сканирование за счет перемещения малого зеркала, не прибегая к перемещению облучателя, вследствие чего становится ненужным подвижное сочленение в фидерном тракте;

• двухзеркальные антенны позволяют исключить воздействие отраженной от зеркала волны на облучатель и поляризационными методами устранить теневой эффект малого зеркала.

Недостатком является обратная реакция малого зеркала на облучатель и увеличенное затенение раскрыва по сравнению с однозеркальной схемой. Тем не менее, при оптимизации размеров малого зеркала и облучателя можно получить общий КИП порядка 0,6…0,65. Реакцию малого зеркала на облучатель уменьшают посредством специальной коррекции профиля малого зеркала, ставя, например, в его центр рассеивающую коническую насадку.

Для приближенного расчета ДН двухзеркальной антенны комбинацию большого и малого зеркал можно заменить одним эквивалентным зеркалом, которое также является параболоидом вращения. При этом как реальное, так и эквивалентное параболические зеркала имеют одинаковые диаметры. Связь между параметрами этих зеркал устанавливается соотношением

(8.48) где 2_рэ и f_э – угол раскрыва и фокусное расстояние эквивалентного зеркала;

2_р и f – угол раскрыва и фокусное расстояние реального зеркала.

Таким образом, благодаря введению понятия эквивалентного зеркала, расчет ДН двухзеркальной системы можно проводить апертурным методом, как и в случае однозеркальной антенны.

Применение двухзеркальных антенн целесообразно при формировании ДН с шириной менее 2…3 градусов. В противном случае возникают потери за счет «перелива энергии» через край малого зеркала.