Другие зеркальные антенны

Стремление улучшить параболические зеркальные антенны, а также расширить их функции или добиться некоторых специальных эффектов привело к созданию целого ряда зеркальных антенн разных типов. Рассмотрим некоторые из них.

К числу зеркальных следует отнести рупорно-параболи­ческую антенну (рис.14а), которая образована частью поверх­ности параболоида вращения, соединенной с пирамидальным рупо­ром, так что его фазовый центр находится в фокусе зеркала. В этой конструкции осуществлено полное 'вынесение облучателя из поля излучения зеркала и очень мало обратное излучение за края рас­крыва. Рупорно-параболическая антенна имеет коэффициент ис­пользования раскрыва порядка х=0,65÷0,75. Это - совершенная и сравнительно простая 'конструктивно, но несколько громоздкая антенна: угол раскрыва рупора должен составлять 30÷45°, что при практически используемых размерах раскрыва приводит к зна­чительным размерам всей антенны

Основными достоинствами рупорно-параболической антенны являются широкий рабочий диапазон частот, в пределах которого обеспечивается весьма высокая степень согласования с питающей линией, и чрезвычайно низкий уровень бокового и обратного излу­чений. Рабочий диапазон рупорно-параболических антенн ограни­чивается снизу только размерами поперечного сечения питающего волновода, а сверху - точностью выполнения отражающего пара­болического зеркала. В настоящее время известны, например, рупорно-параболические антенны, используемые в диапазоне 3000 ÷11 000 Мгц. Коэффициент отражения от входа антенны не превышает при этом 1,5-2%.

Низкий уровень задних лепестков рупорно-параболических антенн является весьма ценным качеством в условиях радиорелейной линии, где этим определяется хорошее «защитное действие» антенны. Например, при кнд порядка 40 дб уровень задних лепест­ков может быть около 70 дб. Следует подчеркнуть, что обычные параболические антенны при таком же кнд имеют задние лепестки порядка 50 дб. Благодаря низкому уровню боковых и задних лепестков переходное затухание между двумя соседними рупорно-параболическими антеннами очень велико.

На рис. 14б схематически изображена сегментно параболическая антенна в двух вариантах питания.

Рис. 14

Антенна образована поверхностью параболического цилиндра и двумя близко расположенными плоскостями. Облучателем может слу­жить открытый конец волновода или вертикальный вибратор, сое­диненный с коаксиальной линией и снабженный контррефлекто­ром. Если электрический вектор перпендикулярен плоскостям, между ними возбуждается волна ТЕМ, а при параллельном пло­скостям электрическом поле — волна Н₀₁.Чтобы высшие поля заведомо отсутствовали, расстояние между плоскостями в первом случае не должно превышать l/2, а во втором — lа. На рис.14в показано применение сегментно-параболической антенны в каче­стве облучателя зеркала в виде параболического цилиндра.

Зеркальные антенны применяются при построении так называе­мых перископических систем. У подножия мачты располагается параболическое зеркало, излучение которого на­правлено в зенит и отражается в горизонтальном направлении помещенным на мачте плоским зеркалом. Очевидно, что такая система может использоваться вместо того, чтобы помещать параболиче­ское зеркало на вершину мачты, для чего требуется вести туда длинный волноводный тракт.

При построении перископических систем находит также при­менение принцип фокусировки. Поскольку - в аспекте геометрической опти­ки такое зеркало обладает свойством концентрировать излуче­ние в одном из фокусов, когда в другом находится точечный ис­точник, то на практике один из фокусов совмещают с фазовым центром облучателя эллипсоида, а в области другого располагают переизлуча­тель. Благодаря фокусировке по­вышается кпд передачи от излу­чателя к переизлучателю (умень­шается «переливание» энергии за края переизлучателя), что ве­дет к возрастанию коэффициента усиления перископической системы. Принцип фокусировки может быть реализован и иным путем: «сужение» потока энергии в области переизлучателя достигается и при параболическом излучателе при вынесении первичного облу­чателя из фокуса параболоида. Дальнейшее улучшение перископи­ческой системы может быть достигнуто, если вместо плоского пере­излучающего зеркала взять параболическое.

В связи с проблемой качания луча в широком угле возрастает роль сферических зеркал. Сферическая поверхность в неко­торой части близка к параболической, так что при облучении ее близко расположенным источником формируется относительно узкий отраженный луч. На рис.15а показано два расположения облучателя вблизи сферической поверхности; направления форми­руемого луча обозначены стрелками. Вращение облучателя отно­сительно центра сферы вызывает поворот луча на тот же угол, причем в силу неизменности условий отражения (в пределах опре­деленного угла качания) ширина луча практически не меняется. Однако коэффициент использования поверхности зеркала оказы­вается низким.

Рис.15

Он зависит от вида характеристики направленно­сти облучателя (оптимальное расстояние которого от поверхности зеркала подбирается) и от угла качания.

Усовершенствование зеркаль­ной сферической антенны дости­гается на пути превращения ее в двухзеркальную антенну. В качестве облучателя берется зеркало специальной формы, об­лучаемое обычным «точечным» источником, характеристика на­правленности которого теперь уже не играет определяющей ро­ли, поскольку форма облучающе­го зеркала выбирается с тем рас­четом, чтобы при отражении от сферы формировался плоский фронт волны. Двухзеркальная сферическая антенна схематически изображена на рис. 15б

Рис.16

Различные двухзеркальные антенные системы в настоящее время играют важную роль. Используя принцип оптического телеско­па Кассегрэна, помещают перед параболическим зеркалом в каче­стве контррефлектора гиперболическое (рис. 16а). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом гиперболы F, и вследствие этого лучи, отраженные от гиперболического зеркала, можно рассматривать как идущие из расположенного за ним «вир­туального фокуса» F', который, как это понятно, должен совпадать с фокусом параболического зеркала. Облучатель (рис.15б) обыч­но представляет собой рупор, вмонтированный в основное зеркало. Если облучатель значительно больше длины волны, то по правилам геометрической оптики можно построить его изображение в гипер­болическом зеркале - «виртуальный облучатель», который показан на рис.15б пунктиром; изображение оказывается уменьшенным. Чтобы затенение пространства гиперболическим зеркалом было минимальным, размеры системы выбирают приблизительно так, что угол, под которым края облучателя видны из виртуального фокуса, близок к углу, под которым из центра параболического зеркала видны края гиперболического зеркала (в этом условии учитывается возможность затенения основного зеркала облучателем), рис.15в.

Двухзеркальная антенна типа Каесегрэна отличается рядом положительных качеств. Она удобна по конструкции и, в частности, дает возможность располагать подключаемую аппаратуру непо­средственно за зеркалом, избегая длинной линии передачи. Облу­чение зеркала производится сравнительно равномерно с быстрым спаданием интенсивности у краев, поскольку при отражении луча от облучающего гиперболического зеркала интенсивность умень­шается с ростом угла по отношению к оси системы. Таким образом, рассеяние сосредоточено, главным образом, в переднем полупро­странстве; уровень задних лепестков диаграммы невелик. Как уже отмечалось, это обстоятельство может быть важным ч в ряде применений, например в радиорелейных линиях. Приемная антен­на с малыми задними лепестками может быть «малошумящей» в результате малой чувствительности к излучению земли.

Выше рассмотрена лишь одна из распространенных двухзеркальных антенн типа Каесегрэна. Существуют различные модифи­кации таких антенн. Отметим, например, что вместо гиперболиче­ского контррефлектора может применяться плоский.

Итог

Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов. Применяют зеркальные антенны следующих типов: параболические антенны, Кассегрена антенны, рупорно-параболические антенны, сферические антенны, перископические антенны, зеркальные апланатические антенны и другие.

Список использованной литературы

1. Бахрах Л. Д., и Вавилова И. В. Сферические двухзеркальные антен­ны. «Радиотехника и электроника», - 1961, - № 7.

2. Никольский В.В. Антенны,- М.: «Связь»,- 1966, с.367

3. Домбровский И.А. Антенны,- М.: Связьиздат, 1957