12.4. Зеркальные антенны

На РРЛ широко распространены зеркальные параболические антенны. Это объясняется их относительно простои конструкцией, возможностью получения больших значений КНД, хорошими ди­апазонными свойствами, относительно невысокой стоимостью. Зеркала или рефлекторы выполняются из материала с хорошей проводимостью: алюминия и его сплавов или пластмассы с металлизированной отражающей поверхностью. Для предотвращения коррозии поверхности рефлекторов окрашивают. Большое распро­странение получили рефлекторы, являющиеся частью поверхно­сти параболоида вращения — поверхности, образованной враще­нием параболы вокруг ее оси. Плоскость, образуемая наружными краями рефлектора, является раскрывом антенны, осесимметрич­ные антенны (рис. 12.6,а) имеют раскрыв в форме круга. На рис. 12.6,6 показана осенесимметричная антенна с облучателем, вынесенным из поля волны, отраженной рефлектором.

Антенны с высокими значениями КНД имеют размеры раскры­ва, значительно превышающие длину волны. Для таких антенн при хорошей проводимости рефлектора можно считать, что радио­волны, падающие на рефлектор, отражаются от него по законам геометрической оптики. Из свойств параболы известно, что ab = =Fb; a'b'=Fb' ; a"b" = Fb" (рис. 12.6,8). Следовательно, для любых волн, отраженных рефлектором, пути от фокуса F до линии раскрыва MX равны между собой и равны расстоянию между параллельными прямыми АВ (директрисой) и MN. Если фазовый центр облучателя, создающего сферическую волну, совместить с фокусом зеркала F, то вследствие равенства длин лучей плоскость раскрыва рефлектора будет являться плоскостью одинаковых фаз. В результате действия рефлектора сферическая волна облучате­ля преобразуется в плоскую, а широкая ДН — в узкую.

Уравнение поверхности параболоида вращения в прямоуголь­ных координатах у²+z²= 4fx, а в полярных p=2f/(l+cosψ), где f=OF — фокусное расстояние. Для расчета профиля (сече­ния) поверхности рефлектора уравнение параболоида вращения решают относительно х, полагая z=0, x= у²/4f. Изменяя у от ну­ля до Ro, определяют расстояние от оси Ох до поверхности реф­лектора в различных его сечениях. Фокусное расстояние f, угол и радиус Ro раскрыва связаны между собой уравнением

sinψ₀=Ro/f (l + (Ro/2f)²).

Параболическое зеркало называют короткофокусным, когда его угол раскрыва 2ψ₀>π, при этом R₀>2f. Для длиннофокусного зеркала 2ψо<π и Ro<2f.

Облучатель должен обладать односторонней в направлении рефлектора направленностью, обеспечивать необходимое амплитудное распределение поля в раскрыве, иметь устойчивый фазо­вый центр, совмещенный с фокусом зеркала, создавать малое затенение раскрыва и иметь требуемую рабочую полосу частот.

В качестве облучателей могут использоваться слабонаправленные антенны — вибраторные, рупорные, спиральные и т. д. Полуволновые вибраторы с апериодическим или вторичным реф­лектором просты, создают малое затенение, но узкополосны. Широкополосными являются рупорные облучатели, но они больше затеняют раскрыв антенны. Рупорные облучатели применяются на частотах от 600 МГц и выше. Спиральные облучатели позволя­ют получить волны с эллиптической поляризацией, близкой к кру­говой. Поле, созданное облучателем, должно быть по возможности равномерным в раскрыве рефлектора и быстро спадать за его пределами. При малом фокусном расстоянии, которое соответст­вует глубокому рефлектору 1 (рис. 12.7,а), почти вся энергия об­лучателя попадает на рефлектор (высокий коэффициент перехва­та), но края рефлектора облучаются малым полем Е₁ , отражен­ным от краев рефлектора (рис. 12.7,в), вносят небольшой вклад в формирование ДН, что понижает КИП раскрыва. В антеннах с большим фокусным расстоянием, мелким рефлектором 2 поле в раскрыве более равномерно (рис. 12.7,6), но значительная часть энергии облучателя рассеивается, не попадая на рефлектор.

Рис. 12.7. Распределение поля в раскрыве рефлектора

Рис 12.8. К образованию перекрестной модуляции

Рис. 12.9. Вынос облучателя из фокуса

В зеркальных антеннах, особенно короткофокусных с глубокими рефлек­торами, наблюдается явление перекрестной поляризации. Перекрестная поляри­зация образуется следующим образом. Линейный, например, вертикальный об­лучатель на поверхности рефлектора создает токи, имеющие как вертикальную σ_в (рабочую), так и горизонтальную σ_г (паразитную) составляющие (рис. 12.8). Во всех квадрантах токи σв имеют одно направление.

Токи же σ_г в соседних квадрантах встречны. Для осесимметричных антенн в главном направ­лении волн с перекрестной поляризацией нет. Однако в плоскости, состав­ляющей угол 45° к плоскостям Е и Н, существует направление, в котором вол­ны от квадранта 2 за счет разности хода лучей Δr = 0,5λ опережают на π, а от квадранта 4 отстают на л от полей, созданных квадрантами 1 и 3. В этом направлении поля паразитной поляризации оказываются синфазными и обра­зуют максимум излучения или приема.

Если в параболической антенне рефлектор выполнен неточно, т. е. его действительный профиль на отдельных участках отличается от расчетного, то отраженные волны в раскрыве несинфазные. Это приводит к увеличению уровня боковых лепестков, т. е. ухудшению ДН. Если за допустимое отклонение фазы поля в ра­скрыве принять ±π/8, то профиль рефлектора в его центральной части должен выполняться с точностью ±λ/32. На краях рефлек­тора разность хода лучей оказывается несколько меньшей, мень­ше там и амплитуды поля, следовательно, и требования к точно­сти выполнения профиля на краях раскрыва несколько понижа­ются.

Облучатель должен точно устанавливаться в фокусе параболи­ческого рефлектора. Смещение облучателя из фокуса вдоль фокальной оси к рефлектору или от него приводит к симметричным фазовым искажениям в раскрыве антенны, в том числе и квадра­тичным. Это ухудшает ДН: направление главного излучения (при­ема) сохраняется, но расширяется основной лепесток, увеличи­ваются уровни боковых, уменьшаются КИП и КНД антенны.

Небольшое смещение облучателя из фокуса в направлении, перпендикулярном оси параболы, создает фазовые искажения в раскрыве, близкие к линейным (см. рис. 12.2,6), вызывая откло­нение направления основного лепестка ДН антенны в сторону, противоположную смещению облучателя (рис. 12.9).

Ослабление уровня боковых лепестков в секторе углов φ= 90... 270° в зеркальных антеннах достигается уменьшением токов, затекающих на теневую поверхность рефлектора, и уменьше­нием переизлучения от краев рефлектора. Для этого применяют глубокие зеркала, на раскрыв антенны устанавливают экраниру­ющие цилиндры (наподобие бленды), снабженные с внутренней стороны радиопоглощающим материалом, или покрывают поглощающим материалом края рефлектора, гасящим затекание токов на теневую поверхность.

Раскрыв антенны затеняется облучателем и элементами его крепления. Поле антенны с затененным раскрывом можно рассма­тривать как суммарное поле, созданное незатененным раскрывом с напряженностью +Е и созданное затеняющей поверхностью с напряженностью —Е (рис. 12.10). Результатом затенения является рост уровней боковых лепестков; ухудшение защитного действия антенны. С учетом затенения и других факторов для зеркаль­ных параболических антенн КИП v=0.5... 0,6. В осенесимметричных антеннах облучатель вынесен из поля отраженных волн и не затеняет раскрыв.

Осенесимметричные зеркальные антенны в виде части поверх­ности параболоида вращения (рис. 12.11,6) применяются на тро­посферных РРЛ с раскрывами зеркал 20x20 м и 30x30 м. На ча­стотах 0,7... 1 ГГц их КНД соответственно равен 43... 48 дБ. Ру­порные облучатели таких антенн выполняют с косым срезом раскрыва, закрываемого защитной (от влаги) диэлектрической кры­шкой (рис. 12.11,г). Наклонное положение крышки способствует уменьшению отражения энергии от нес в волновод.

В антеннах с круглым раскрывом ширина ДН по уровню 50% мощности в плоскостях Е и Н

φ_0,5=(70...75°)λ/2Ro. (12.10)

Антенну рассчитывают с определения площади и радиуса раскрыва по (12.8), полагая в ней v =0,5... 0.6. если задан КНД. или по (12.10), если за­дана ширина ДН. Выбирают облучатель и рассчитывают его ДН F(φ)_обπ В случае рупорного облучателя выполняют условие (12.4). Затем находят рас­пределение поля в раскрыве параболоида вращения

Е(φ)= F(φ)_обπ cos²(0,5φ) (12.11)

Если нет ограничений уровень боковых лепестков, принимают ослабление поля на краях раскрыва по сравнению с полем в центре на 10... 12 дБ — до уровня 0,25... 0,32. В этом случае угол φ, соответствующий значению Е(φ)=0.25... 0.32. соответствует ψ углу раскрыва зеркала. Зная ψ₀ и R₀, по (12.9) определяют фокусное расстояние f и по уравнению параболы рассчиты­вают профиль рефлектора. В случае круглого раскрыва ДН определяют по формуле

F(φ)= F₁(φ) (ΔJ₁(u)/u+4(1-Δ)J₂ (u)/u² (12.12)

где F₁(φ)=1+cos φ; J₁(u) и J₂ (u)— функции Бесселя (см. [1, табл. 12.1]); u = kR₀sin φ ; Δ = 0,25... 0,32 — относительное значение поля на краях раскрыва.

В случае прямоугольного раскрыва (рис. 12.1 l.в)

F(φ)= F₁(φ)(sin u / u +(1-Δ) (2-u²) sin u – 2u cos u)/u³)

где u=0,5kLsin φ ; L - длина прямоугольного раскрыва.

Расчет F(φ) ведут через интервалы углов φ_0,5 /(5... 6) в пределах главного и двух-трех боковых лепестков