5.4Наиболее распространенные типы параболоидных антенн для приема со спутников
К наиболее распространенным типам антенн для приема спутникового телевизионного вещания относятся:
- антенна с передним питанием (осесимметричная) — прямофокусная (рис. 5.4, а);
- антенна, с передним питанием (неосесиметричная) — офсетная (рис. 5.4, б);
- двузеркальная осесимметричная антенна — антенна Кассегрена (рис. 5.4, в);
- двузеркальная офсетная (неосесимметричная) — антенна Грегори (рис. 5.4, г).
Как видно, наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, — это положение первичного облучателя по отношению к основному зеркалу.
Основное зеркало
представляет собой параболоид, точнее
внутреннюю поверхность параболоида,
металлическую или металлизированную.
Для работы в диапазоне СВЧ очень важно
качество этой поверхности, которая для
принимаемых электромагнитных волн
должна быть, зеркальной. Но нельзя
понимать в буквальном смысле, что антенна
в этом случае имеет зеркальную поверхность.
Любая поверхность, способная отражать
электромагнитные волны, будет зеркальной
для длин волн много больших, чем размер
ее не-однородностей; Обычно полагают,
что размер неоднородностей не должен
превышать
/8,
где
— длина волны. Однако для параболоидной
поверхности, принимающей и отражающей
электромагнитные волны диапазона
10,5..12,5 ГГц, необходимо более высокое
качество поверхности, так как влияние
неоднородностей здесь сказывается
дважды — при падении волн на поверхность
и при отражении их от поверхности.
Поэтому размеры неоднородностей не
должны превышать
/15...
/20.
Следует отметить, что для высоко-качественных
антенн требования к поверхности еще
более строгие и размер неоднородностей
у них не превышает
/25. От качества поверхности параболоида,
точности его формы зависят ширина
диаграммы направленности антенны, ее
коэффициент усиления, уровень боковых
лепестков и шумовые параметры.
5.5Антенны с передним питанием — прямофокусные, осесимметричные
Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметричная имеет отражающую зеркальную поверхность параболоидного типа, в фокусе которой находятся первичный облучатель. Название антенны говорит о себе — первичный облучатель размещен прямо в фокусе симметричного параболоида. Пораболоидная поверхность определяет параметры и качество прямофокусной антенны, и поэтому целесообразно рассмотреть ее свойства и особенности.
Параболоидная поверхность — это поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси OF (рис. 5.5).
Парабола — это геометрическое место точек на плоскости, которые равноудалены от фокуса F и прямой L, т. е. L1O=O3F; L2O= ОF и т.п. Прямая OF — ось параболы.
Параболоид вращения, полученный вращением параболы вокруг оси OF, симметричный и его поверхность имеет следующие свойства:
- лучи, выходящие из фокуса F и отраженные от любой точки внутренней поверхности, проходят одинаковое расстояние от фокуса до поверхности раскрыва (апертуры), т.e. FO1 + О1К1 = FО2+ О1К1= =FO2+ O2K2=FO3+O3K3 и т.п.
- все лучи, выходящие из фокуса параболоида и отраженные его поверхностью, излучаются из раскрыва параллельным пучком, что является одним из условий получения острой диаграммы направленности и, как следствие, большого коэффициента усиления антенны. Таким образом, раскрыв антенны можно рассматривать как поверхность, в любой точке которой изменение поля электромагнитной волны происходит одновременно, т.е. синфазно. Однако амплитудное распределение поля в плоскости раскрыва будет неравномерным. Причина здесь в следующем.
От точечного первичного облучателя, находящегося в фокусе, до поверхности параболоида распространяется сферическая волна. По мере отклонения от центральной оси FO сферическая волна
проходит все большие расстояния от фокуса до поверхности (отрезки FO2 > FO1 > FO и т.п.) и по этой причине ее амплитуда уменьшается к краям поверхности — изменяется обратно пропорционально пройденному расстоянию. В раскрыве параболоида создается неравномерное, распределение электромагнитного поля— максимальное в центре и уменьшающееся к краям, что и необходимо, так как при этом уменьшаются уровни боковых лепестков в диаграмме направленности, которые образуются наряду с основным. Только нужно определить, какое уменьшение интенсивности освещения (спад) к краям параболоида необходимо получить,— если уменьшение небольшое, то значительная часть энергии будет уходить за края — происходит "перелив" энергии, а если снижение очень большое, то это означает, что освещается только центральная его часть и таким образом уменьшается действующая поверхность. Поэтому находят компромисс между уменьшением действующей поверхности и потерями энергии за счет "перелива", который (компромисс) заключается в следующем.
Для максимального
использования поверхности параболоида
(основного зеркала) необходимо, чтобы
в его раскрыве было равномерное по
амплитуде распределение электромагнитного
поля. Для этого, очевидно, необходимо
удалять от поверхности параболоида
первичный точечный облучатель, а так
как он всегда размещается в фокусе, то
необходимо увеличивать фокусное
расстояние или, по-другому, уменьшать
угол раскрыва параболоида. Если угол
раскрыва меньше 90', то фокус находится
вне параболоида и с уменьшением угла
поверхность его освещается все
равномернее. С другой стороны, при этом
увеличивается часть излучаемой первичным
облучателем энергии, которая уходит,
"переливается" за края параболоида,
рассеивается вне. Рассеяние энергии
снижает к.п.д. антенны в целом, а равномерное
освещение поверхности параболоида
повышает коэффициент использования
площади раскрыва. Здесь определенно
существует компромисс между длиной
фокусного расстояния и площадью раскрыва,
т. е. диаметром параболоида. Так как
коэффициент усиления антенны
прямопропорционален произведению
(где у — коэффициент полезного действия
антенны в целом;
,
— коэффициент использования поверхности
раскрыва), то существует определенное
оптимальное значение отношения фокусного
расстояния к поверхности (диаметру)
раскрыва, при котором произведении е
максимально. Это искомое значение лежит
в интервале (0,3...0,4) 1 / D и коэффициент
использования поверхности раскрыва
антенны при этом составляет 0,5...0,7. Для
антенн со смещенным облучателем
(офсетных) оптимальное отношение f / D
(D
— малая ось эллипса, принимаемая за
условный диаметр) лежит в пределах
0,5...0,6. Меньшее значение соответствует
антеннам меньшего размера. Приведенное
значение данного отношения и есть
искомый компромисс между снижением
действующей поверхности антенны и
потерями энергии за счет "перелива".
При рассмотрении антенн с передним питанием предполагалось, что первичный облучатель — точечный, т.е равномерно излучающий во все стороны. Однако точечный облучатель создает недостаточное уменьшение интенсивности излучения к краям основного зеркала. Поэтому, чтобы равномерно и интенсивно освещать поверхность зеркала антенны и при этом обеспечить минимальный "перелив", на практике используется не точечный, а поверхностный облучатель, т.е. состоящий из множества точек.
Таким классическим облучателем для параболоидных антенн является рупор. Рупор хорошо согласует волновод с нагрузкой — с освещаемой поверхностью зеркала антенны. Увеличивая или уменьшая раскрыв рупора, можно получить высокую интенсивность освещения поверхности зеркала и в то же время обеспечить минимальный "перелив".