Параболические антенны

Параболические антенны. Пользуясь методами геометрической оптики, нетрудно заключить, что степень концентрации электромагнитной энергии, переносимой волной в каком-либо направлении в пространстве, будет тем больше, чем ближе направления лучей к параллельным. Применяя этот вывод к антеннам, имеющим плоский излучающий раскрыв, можно сказать, что в плоскости раскрыва поле должно быть синфазным.

Таким образом, чтобы получить антенну, которая концентрирует излучаемую электромагнитную энергию около какого-либо направления, используя в качестве источника электромагнитных волн простейший излучатель, например полуволновой вибратор, необходимо иметь такое устройство, которое преобразует радиально расходящиеся лучи в параллельные или, что равносильно, преобразует сферический фронт в плоский. В качестве одного из таких устройств можно использовать металлическое зеркало, если профиль его подобрать соответствующим образом.

Итак, будем искать профиль зеркала, которое в результате отражения преобразует сферический фронт в плоский. Для этого, очевидно, достаточно рассмотреть плоскую задачу, поскольку сферический фронт имеет осевую симметрию.

Рис.3. Определение профиля зеркала.

Пусть лучи, определяющие сферический фронт, исходят из точки F (рис.3), т.е. пусть эта точка совпадает с фазовым центром источника электромагнитных волн.

Предположим, что L есть сечение отражающей поверхности зеркала, форма которого должна быть такой, чтобы лучи после отражения от зеркала по законам геометрической оптики (угол отражения равен углу падения), оказались параллельными. При выполнении этого условия сферический фронт будет преобразовываться в плоский, так как волновая поверхность пересекает лучи под прямым углом.

Для определения профиля зеркала воспользуемся тем, что оптическая длинна пути вдоль любого луча, начинающегося на одной эквифазной поверхности и оканчивающегося на другой, имеет одно и тоже значение. Введём полярные координаты r и y с полюсом в точке F, где r есть радиус-вектор точки профиля зеркала, а y - угол, составляемый радиус-вектором r с полярной осью, которая проходит через точку F и параллельна отражённым лучам (рис.3). Рассмотрим два луча - один луч, идущий по направлению полярной оси, и второй луч, идущий под углом y. Оптические длины путей вдоль этих лучей от точки F до любой прямой, перпендикулярной полярной оси, должны совпадать. Обращаясь к рисунку , имеем :

Q = f + l = r + r cosy - ( f - l) ,

откуда

r = 2f / (1+ cosy) . Полученное выражение представляет собой уравнение параболы в полярных координатах. Таким образом, чтобы преобразовать сферический фронт в плоский, отражающая поверхность зеркала должна иметь форму параболоида вращения, а источник электромагнитных волн (облучатель) должен быть расположен так, чтобы его центр совпал с фокусом параболоида (пологая при этом что зеркало находится в дальней зоне облучателя).

Точка пересечения параболы и её оси называется вершиной параболы. Отрезок OF (рис.3) есть фокусное расстояние параболы f .

Рис.4.Длиннофокусное (а) и короткофокусное (б) параболические зеркала.

Максимальное значение r , определяемое краем зеркала, называется радиусом раскрыва зеркала r₀ , а плоская поверхность, ограниченная краем зеркала, называется раскрывом параболического зеркала (рис.4). Наряду с радиусом раскрыва можно говорить о диаметре зеркала, который будем обозначать через d, так что d = 2r₀ . Пусть значению r = r₀ соответствует угол y = y₀ . Угол 2y₀ называется углом раскрыва зеркала. Если угол раскрыва меньше 180^о, зеркало называется короткофокусным (рис.4). Для длиннофокусных зеркал r₀< 2f ; для короткофокусных зеркал r₀>2f . По ряду причин в антеннах применяются главным образом длиннофокусные зеркала.

На предыдущую страницу. На стартовую страницу. На следующую страницу.