4.12. Зеркальные антенны

Высокая направленность излучения может быть получена помимо АР с помощью таких антенн, как рупорные, зеркальные и др. Характерной особенностью этих антенн является наличие излучающего раскрыва (апертуры), т.е. некоторой поверхности, через которую происходит излучение энергии.

Зеркальные антенны применяются в различных диапазонах частот: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом, деци­метровом и миллиметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструк­тивной простотой, воз­можностью полу­чения различных ДН, хоро­шими диапазонными свойствами и др.

Существуют различные типы зеркаль­ных антенн: параболические зер­кала (параболоид, усеченный па­раболоид и параболи­ческий цилиндр); сфе­рические зеркала, плоские и уголковые зеркала и др.

Рассмотрим более под­робно зеркальную параболи­ческую антенну. Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде части параболоида вращения и облучателя, установленного в фокусе параболоида (рис. 4.21).

Лучи (волны), идущие от облучателя (фокуса пара­болоида), возбуждают на поверхности зеркала вто­ричные токи, которые соз­дают вторичное электромаг­нитное поле. Параболическая поверхность обладает тем свойством, что лучи, отраженные от зеркала, «идут» параллельно его оптической оси и длина лучей, идущих из фокуса до апертуры одинакова для всех лучей.

Следовательно, к апертуре лучи приходят с одинаковыми фазами и сферический фронт волны облучателя преобразуется в плоский. Это и обуславливает высокую направленность параболической антенны (широкая ДН облучателя преобразуется в узкую ДН антенны).

Облучатель в точке F должен излучать волны, близкие к сферическим. Об­лучатель выбирается так, чтобы главный лепесток его ДН был ориентирован в направлении зеркала. При этом ширина лепестка должна быть такой, чтобы напряженность поля на краях зеркала была на 10 дБ меньше напряженности поля у его вершины. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экрани­рующее действие (теневой эффект) на поле, излучае­мое зеркалом. Диапазонные свойства параболической антенны в основном зависят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса пропускания частот. В качестве облучателя в основном используются директорные, рупорные и спиральные антенны.

ДН параболической антенны зависит от конструкции облучателя, его ДН и радиуса раскрыва зеркала. Сечение ДН плоскостью, проходящей через оптическую ось, имеет вид, представленный на рис. 4.11.

Ширина главного лепестка ДН зеркальной антенны существенно зависит от радиуса раскрыва зеркала. При выполнении условия оптимального облучения зеркала ширина главного лепестка ДН может быть определена по следующей формуле:

_0,5=(65…70)/2R₀, (4.42)

где R₀ – радиус раскрыва зеркала.

Коэффициент направленного действия параболической антенны в направлении главного лепестка определяется следующей формулой:

D = 4S/², (4.43)

где S – площадь раскрыва;  – длина волны;  – коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры.

Величина КИП определяет уменьшение КНД за счет различных факторов: переливание части излученной облучателем энергии через края зеркала, вызываю­щего увеличение уровня боковых лепестков ДН зеркальной антенны в задних квад­рантах (дальние боковые лепестки); ошибки в фазовом распределении на раскрыве за счет неточности изготовления поверхности зеркала; затенение части поверхности зеркала облучателем и системой его крепления и др. Как правило, КИП параболи­ческой антенны составляет 0,5 … 0,6, достигая в лучших случаях 0,75.

Современные параболические антенны для космической связи имеют большие радиусы раскрывов, вплоть до нескольких десятков метров. КНД таких антенн достигает сотни тысяч единиц, а ширина ДН нескольких минут.