Технические приёмы и решения

Технические приёмы и решения Осесимметричная антенна При использовании длиннофокусных рефлекторов, оптимального облучения их поверхности удаётся достичь, применяя рупорные облучатели. При этом необходимо помнить, что рупоры, обладающие большим собственным углом раскрыва, имеют более узкие диаграммы направленности, а у рупоров с малым собственным углом раскрыва диаграмма направленности шире.

При использовании короткофокусных рефлекторов, оптимального их облучения удаётся достичь, применяя облучатели в виде рупоров, у которых собственный угол раскрыва очень мал или равен нулю. Рупором, у которого угол раскрыва равен нулю, может служить открытый конец волновода.

В качестве такой антенны удобно использовать осесимметричный параболический рефлектор, оборудовав его круглым волноводом из дюралюминиевых трубок. Для диапазонов 11 и 12 ГГц конвертер (смеситель, гетеродин и даже МШУ) можно выполнить в виде модулей из коротких отрезков стандартных прямоугольных волноводов, широко применяемых в радиолокационных и других СВЧ устройствах трёхсантиметрового диапазона. При этом для подключения такого конвертора к круглому волноводу антенны необходим модульный переходник [4] (рис.14), имеющий плавный переход от круглого волновода к прямоугольному. Передачи спутникового телевидения ведутся как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией радиоволн. Поэтому приём с той или иной поляризацией обеспечивается поворотом модуля-переходника и всего конвертера на конце круглого волновода, выведенного за заднюю поверхность параболического рефлектора.

Рис.14. Осесимметричная параболическая антенна.

В настоящее время нашли широкое распространение конструкции, в которых компактный конвертер расположен непосредственно в фокусе параболического рефлектора. Однако при расположении конвертера, состоящего из нескольких отдельных модулей, за рефлектором удобнее настраивать эти модули и экспериментировать, не затеняя некомпактным модульным конвертером, рукой или частью своего тела рабочей поверхности параболического рефлектора. В такой конструкции потери энергии принятого сигнала на коротком отрезке круглого волновода малы и ими можно пренебречь.

Как в широко распространённых конструкциях, где конвертер расположен в фокусе параболического рефлектора, так и в конструкции с волноводом между облучателем и конвертером, необходимо добиваться максимального согласования облучателя с рефлектором и волноводом, а последнего с входом конвертера, добиваясь наличия, в основном, режима бегущей волны в этой цепи. С этой целью широкое применение в параболических антеннах находят рупорные облучатели, хорошо согласующиеся как с самим параболическим рефлектором, так и с волноводом или входом конвертера. Однако такие облучатели применимы лишь с длиннофокусными рефлекторами и из-за значительного удаления облучателя от рефлектора конструкция антенны оказывается довольно громоздкой.

Гораздо компактней получается антенна с короткофокусным рефлектором, в котором облучатель приближён к поверхности рефлектора, но в этом случае вместо рупорных с узкой диаграммой направленности приходится применять облучатели в виде открытого конца волновода с широкой диаграммой направленности. Однако он хуже, чем рупор, согласуется с параболическим рефлектором, а в цепи волновод-конвертер неизбежно рассогласование и, как следствие этого, появление там отражений и стоячих волн.

Применение облучателя на основе круглого волновода даёт возможность обеспечить сбор с рефлектора энергии радиоволн любой поляризации. Однако из-за неидеального согласования круглого волновода (круглого облучателя) с входом конвертера, построенного на основе отрезков прямоугольного волновода, также неизбежно появление дополнительных отражений и стоячих волн.

Для уменьшения потерь энергии принятого сигнала во входных цепях модульного конвертера приходится применять согласующие устройство в виде модуля-трансформатора сопротивлений [3] (рис.14), представляющего собой отрезок круглого волновода с изменяемой длинной. Изменяя длину этого модуля, можно достичь лучшего согласования на входе конвертера, ориентируясь на наименьшие потери полезного сигнала в этой цепи.

Приведём описание трёх конструкций осесимметричных антенн с параболическим рефлекторами, имеющими различные фокусные расстояния (длиннофокусным, со средним фокусным расстоянием и короткофокусным). Первые две антенны выполнены с облучателями в виде открытого конца круглого волновода, а третья - по схеме Кассегрена с рупорным облучателем.

Длиннофокусная осесимметричная антенна Наиболее простой из этих трёх можно назвать параболическую осесимметричную антенну (рис.14) с относительно длиннофокусным (F = 0,28 м) рефлектором диаметром 0,67 м. Угол раскрыва рефлектора 2y равен 118⁰ . Диаметр круглого волновода и облучателя в виде его открытого конца рассчитан и выбран таким, чтобы диаграмма облучателя хорошо вписывалась в угол раскрыва рефлектора с целью получения максимально возможного коэффициента использования поверхности рефлектора (около 0,6). Коэффициент усиления такой антенны - около 35 дБВт, а ширина диаграммы направленности - 2,5⁰^.

Точно такие же волновод и облучатель можно применить для рефлекторов большего диаметра с большим фокусным расстоянием, но имеющих тот же угол раскрыва. При этом коэффициент использования поверхности останется прежним, а за счёт увеличения площади рефлектора усиление антенны возрастёт и ширина диаграммы направленности уменьшится. Коэффициент усиления по мощности для антенны с рефлектором большего диаметра можно подсчитать по приведённой выше формуле. Ширину диаграммы направленности (j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/D .

Среднефокусная осесимметричная антенна Во второй параболической осесимметричной антенне применён рефлектор от радиорелейной станции трёхсантиметрового диапазона диаметром 1 м, со средним фокусным расстоянием 30см. Большой угол раскрыва этого рефлектора (2y = 150⁰ ) потребовал более тщательного расчёта диаметра круглого волновода, открытый конец которого служит облучателем. По приблизительным оценкам коэффициент использования поверхности рефлектора этой антенны - около 0,6; коэффициент усиления - около 39 дБВт. Волновод и облучатель такой конструкции можно применить и для рефлекторов большего диаметра, но с таким же углом раскрыва. Коэффициент усиления по мощности и ширину диаграммы направленности антенны можно с рефлектором большего (или меньшего) диаметра можно приблизительно оценить по приведённым выше соотношениям. Короткофокусная осесимметричная антенна В третьей антенне (рис.16) может быть применён короткофокусный параболический рефлектор, у которого глубина соизмерима с фокусным расстоянием, а угол раскрыва 2y может достигать 180⁰ и более. Применение таких рефлекторов возможно лишь при условии наиболее полного использования их поверхности (коэффициент использования поверхности - в пределах 0,6…0,7). Это, в свою очередь, диктует необходимость создания облучателей с углом диаграммы направленности, равным углу раскрыва применённого короткофокусного параболического рефлектора. Так как конструирование таких облучателей вызывает целый ряд непреодолимых трудностей, то приходится применять вспомогательное зеркало, т.е. строить двухзеркальную антенну по схеме Кассегрена. Вспомогательное зеркало (контррефлектор) представляет собой симметрично усечённый гиперболоид вращения, один фокус О₁ которого должен совпадать с фокусом F параболического рефлектора. Во втором фокусе О₂ второй мнимой ветви гиперболоида располагают облучатель, в качестве которого использована рупорная антенна круглого сечения с не столь большим собственным углом диаграммы направленности. Он рассчитан таким, чтобы облучалась лишь поверхность гиперболического контррефлектора.

Если в двухзеркальной антенне, широко использовавшейся в радиолокационных системах на частотах 4 ГГц, применён параболический рефлектор диаметром 1,5 м с глубиной и фокусным расстоянием 0,38 м и углом раскрыва 180⁰ , то коэффициент усиления антенны на частоте 11 ГГц окажется равным не менее 43 дБВт при ширине диаграммы направленности 1,2⁰и коэффициент использования поверхности основного рефлектора около 0,6.

Неосесимметричная антенна В параболических неосесимметричных антеннах вынесенный облучатель и конвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения (рис.15).

Рис.15. Неосесимметричный параболический рефлектор.

Однако существенного выигрыша в усилении у этих антенн не получается, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала. К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором. Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. Единственным заметным достоинством неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем (Ofset Antenne) следует признать почти вертикальное к поверхности Земли расположение рефлектора, что позволяет уменьшить падение на него атмосферных осадков (дождя, снега, града и др.). Это очень важно в северных широтах, где такие осадки выпадают чаще, чем в южных.

Двухзеркальная антенна Полностью собрать энергию принятого сигнала с поверхности короткофокусного параболического рефлектора с большим углом раскрыва одним облучателем не удаётся. Это можно обеспечить, применив дополнительное гиперболическое зеркало (контррефлектор). В такой двухзеркальной антенне (рис.16) собственно облучатель собирает энергию с гиперболического рефлектора. Несмотря на то, что контррефлектор создаёт значительное затемнение для падающих на рефлектор лучей принимаемого сигнала, коэффициент использования поверхности рефлектора за счёт эффективного сбора с него энергии оказывается довольно высоким (0,6 … 0,7). С контррефлектора энергия собирается рупорным облучателем с относительно малым углом раскрыва. Кроме того, такой двухэтапный сбор энергии приводит к более плавному, а следовательно, и более полному согласованию облучателя с основным рефлектором. Это, казалось бы, должно существенно уменьшить стоячие волны. Однако отражённые от входа конвертера волны, попадающие на центральную часть контррефлектора, не уходят в свободное пространство, из-за чего уровень стоячих волн увеличивается.

Рис.16. Двухзеркальная антенна с гиперболическим рефлектором. Интересно отметить, что двухзеркальная антенна с гиперболическим контррефлектором названа именем Кассегрена, применившего в 1672г. такую систему для сбора энергии световых лучей от удалённых небесных светил, то есть в качестве телескопа. Ранее, в 1663г., Грегори предложил вариант двухзеркального телескопа с основным параболическим рефлектором и эллипсоидным контррефлектором. По схеме Грегори строятся лишь длиннофокусные двухзеркальные антенны, в которых к тому же, требуется более высокая точность исполнения контррефлектора, чем в антенне по схеме Кассегрена.

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