5.6Направленные свойства параболоидных антенн

Электромагнитные волны излучаются антенной через ее раскрыв (апертуру). Необходимым условием получения острой направленности излучения антенны, как отмечалось, является требование, чтобы все лучи, выходящие из фокуса зеркала (параболоида) и отраженные его поверхностью, излучались из раскрыва параллельным пучком.

Кроме этого, существует еще одно важное условие получения острой направленности параболоидной антенны. В раскрыве антенны излучение происходит элементарными электромагнитными полями, которые, интерферируя между собой, ослабляются к краям и усиливаются к центру. В результате излучаемые электромагнитные волны концентрируются в узком направлении. Это выполняется при условии, что площадь раскрыва антенны значительно больше квадрата длины волны, так называемого кроссовера. Степень концентрации зависит от их соотношения — чем большая площадь раскрыва антенны по отношению к кроссоверу или чем больший диаметр D антенны по отношению к длине волны Х, тем острее направленность и, как следствие, более высокий коэффициент усиления антенны.

Двузеркальные осесимметричные антенны — антенны Кассегрена

Двузеркальные осесимметричные антенны — антенны Кассегрена в силу своих достоинств нашли широкое применение в современных спутниковых и наземных передающих станциях. Используются они и для приема. Особенно удобны они при организации и ведении интерактивной связи.

Для пояснения принципа их работы целесообразно рассмотреть работу телескопа Кассегрена. Он состоит из двух зеркал и оптического приемника — человеческого глаза или фотоаппарата (рис. 5.6).

Из рис. 5.6 видно, что первичное зеркало — это большое вогнутое зеркало, которое собирает все лучи света, падающие на его поверхность, и отражает их в сторону вторичного, небольшого выпуклого зеркала, находящегося в его фокусе. Вторичное зеркало трюке отражает падающий на него поток света и направляет его в отверстие находящееся в средине первичного зеркала.

Падающие на поверхность первичного зеркала лучи от небесного светила практически параллельны оси телескопа и отраженные дважды они, фокусируются в отверстии, в котором располагается оптический приемник, т. е. человеческий глаз или фотоаппарат.

Антенна, использующая такой принцип сбора энергии, называется антенной Кассегрена. Схема ее конструкции изображена на рис. 5.7.

Как видно, поверхность контррефлектора симметрична и чаще всего это поверхность вращающегося гиперболоида, который имеет две фокусные точки F> и F2. Гиперболоид размещается таким образом, чтобы фокус F) (мнимый) совпадал с фокусом параболоида F, а фокус F, — с отверстием раскрыва первичного облучателя.

. Тогда фокус параболоида F становится виртуально кажущимся, мнимым.

Так как поверхность параболоида освещается отраженными от поверхности контррефлектора электромагнитными волнами; направленными на него первичным облучателем, то освещение параболоида (основного зеркала) будет таким, каким создает его первичный облучатель через контррефлектор. Поэтому для освещения контррефлектора нужен первичный облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием.

Антенны Кассегрена имеют следующие преимущества перед антеннами с передним питанием. Как известно, для максимального использования площади раскрыва антенны необходимо обеспечить равномерное освещение поверхности параболоида, что, как видно из предыдущих рассуждений, у антенн с передним питанием получить довольно сложно, а у антенн Кассегрена получается относительно просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора таким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модификации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромагнитного поля по амплитуде в раскрыве антенны было бы близко к равномерному.

Так как размеры контррефлектора достаточно велики по сравнению с длиной волны (S контр > л ), то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного зеркала и обеспечить тем самым малый ее "перелив". Но модифицированная форма контрефлектора отличается от формы гиперболоида и Сферическая волна, падающая на такой контррефлектор и отраженная от него, уже отличается от сферической. Поэтому возникающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, проходимой электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы однородным, синфазным.

- Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, если необходимо вести передачи на разных частотах, то есть, если зеркало антенны необходимо освещать поочередно различными первичными облучателями, которые имеют разные размеры и конструкцию. У антенн с передним питанием замена первичного облучателя — весьма трудоемкий процесс, особенно когда антенна установлена на высоте, а у антенн Кассегрена все получается намного проще. Если, например, имеются несколько типов первичных облучателей пригодных для освещения одного и того же контррефлектора, то их поочередно можно помещать в середину параболоида. В тоже время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создается единая конструкция — контррефлектор-первичный облучатель, жестко соединенные друг с другом, которую при необходимости можно снять и установить другую, если имеется достаточно большое отверстие в средине параболоида. Отверстие не уменьшает эффективную поверхность антенны, так как эта ее часть закрывается контррефлектором.

- У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) параболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использовать ее в разных климатических условиях совместно с обтекателем. Обтекатель антенны — это фторопластовая пленка или кожух, которые пропускают волны СВЧ. Он служит для защиты внутренней поверхности параболоида и первичного облучателя от атмосферных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредственным передним питанием фокус параболоида удален от поверхности и, следовательно, нужен в этом случае обтекатель гораздо больших размеров.

Двухзеркальная осесимметричная антенна Кассегрена с модифицированным параболоидом (основным зеркалом) и контррефле котором (вспомогательным зеркалом) является основным типом антенн, применяемых на наземных передающих станциях по линии

Земля — спутник, что связано с возможностью получения высоких электрических характеристик, с удобствами монтажа и обслуживания. На рис. 5.8 в качестве примера показана антенна Кассегрена.

Однако следует отметить, что необходимые сложные математические расчеты, требования по очень точному изготовлению параболоида больших размеров и гиперболоида (контррефлектора), делают антенны Кассегрена весьма дорогостоящей конструкцией.