Параболические антенны

Антенны с усилением свыше 20 дБ, предназначенные для работы в диапазоне УКВ, обычно выполняются в виде параболических антенн. По сравнению с антенными решетками параболические антенны имеют более простое питание, большее значение коэффициента полезного действия. Кроме того, по самой своей природе зеркальные параболические антенны очень широкополосны, а дальнейшее расширение полосы частот достигается просто сменой облучателя антенны.

В настоящее время практически все профессиональные антенны, имеющие усиление более 30 дБ, построены на базе зеркальных антенн. Отметим, что размеры существующих зеркальных антенн огромны. Так, например, зеркальная антенна ионосферной обсерватории Корнелльского университета в Аресибо (Пуэрто Рико) имеет диаметр 305 м.

Большие размеры зеркальных антенн, с помощью которых реализуются большое усиление и малая ширина диаграммы направленности, требуют высокой точности изготовления профиля параболического зеркала. В свою очередь, это предъявляет жесткие требования к прочности антенны, которая должна функционировать без ухудшения параметров под воздействием ветровых нагрузок.

Радиолюбителям удалось выполнить ряд достаточно простых конструкций зеркальных антенн, предназначенных для работы в диапазонах 432 и 1296 МГц, внешний вид одной из них показан на рис. 6.63.

Рис. 6.63. Внешний вид параболической антенны

Ниже приведена основная информация, необходимая для проектирования зеркальных параболических антенн.

  1. В уголковой антенне только несколько лучей, отраженных вблизи точки A (см рис. 6.53б), распространяются вдоль оси антенны, а остальные рассеиваются. В параболической антенне все отраженные от рефлектора лучи параллельны оси антенны и участвуют в создании направленного излучения (рис. 6.64). Отметим, что в раскрыве параболической антенны создается плоский фронт волны.

    Рис. 6.64. Отражение лучей в параболе

  2. Только часть ФР, излученной облучателем электромагнитной энергии падает на рефлектор, а оставшаяся часть ФП проходит мимо зеркала. У современных зеркальных антенн отношение ФР/(ФР + ФП) составляет более 90%. Естественно, что у параболических антенн, сконструированных радиолюбителями, значение отношения ФР/(ФР + ФП) меньше, что определяется в основном несовершенством выполнения облучающей системы.

  3. Увеличение отношения ФР/(ФР + ФП) достигается благодаря проектированию облучателей с нужными характеристиками излучения. Наиболее часто радиолюбители применяют систему, состоящую из вибратора и рефлектора (W—R), изображенную на рис. 6.65а. В качестве облучателя используется также антенна обратного излучения (рис. 6.66). Диаграмма направленности антенны в целом и отдельно облучателя приведены на рис. 6.66б.

    Рис. 6.65. Облучатель параболической антенны для диапазона 1296 МГц Рис. 6.66. Параболическая антенна с облучателем в виде антенны обратного излучения

  4. Наибольшее усиление параболической антенны получается в случае, когда вся поверхность антенны возбуждена равномерно. Реальные конструкции антенн характеризуются неравномерностью амплитудного возбуждения, причем достаточно часто принимают специальные меры по уменьшению уровня облучения краев зеркала антенны, что приводит к значительному увеличению отношения F/B. В современных антеннах это отношение достигает 60...70 дБ.

  5. Диаграмма направленности параболической антенны является результатом сложения диаграмм переотраженной от рефлектора волны и поля излучателя (рис. 6.67). На рисунке, как и ранее, знаки + и — схематично показывают изменение фазы на 180°.

    Рис. 6.67. Диаграмма направленности параболической антенны

  6. Максимальное значение усиления параболической антенны, имеющей раскрыв с диаметром D, определяется по формуле G = (πD/λ)2. Графики, приведенные на рис. 6.68, позволяют определить усиление параболической антенны с диаметром рефлектора d на частотах 144; 432 и 1296 МГц1. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности может быть оценена по формуле θ0,5 = 58λ/D, а ширина диаграммы направленности по нулевому уровню излучения по формуле θ0 = 140λ/D.

    Рис. 6.68. Зависимость усиления параболической антенны от диаметра рефлектора

    Следует иметь в виду, что последние формулы справедливы только при условии равномерного возбуждении поверхности параболической антенны. Как уже отмечалось на практике, это не всегда выполняется, и поэтому оценки, полученные с помощью данных формул, дают минимальные значения искомых параметров. Реальные значения параметров всегда на несколько десятков процентов больше.

  7. Облучатель антенны находится в фокусе F параболы (рис. 6.69). Фокус параболы может находиться внутри раскрыва зеркала или лежать вне раскрыва. Это зависит от соотношения фокусного расстояния L и диаметра раскрыва параболы. Глубина параболического зеркала определяется с помощью параметра g = 16L2/D2. Большие значения параметра g характеризуют длиннофокусные системы, а малые — короткофокусные. Случай g = 1 соответствует параболическому зеркалу с углом раскрыва, отсчитываемым от фокуса антенны, равным 180°. Это означает, что фокус параболы лежит на линии, соединяющей края зеркала.

    Рис. 6.69. Схема параболических антенн

  8. Для уменьшения затенения раскрыва антенны облучателем (которое приводит как к снижению усиления, так и к росту уровня бокового излучения) применяют так называемую схему с вынесенным облучателем (рис. 6.69б). В этом случае в качестве отражающего зеркала используется неосесимметричная часть поверхности параболоида вращения.

    Иногда также используется другой тип рефлекторной антенны — параболический цилиндр (рис. 6.69в). Такая конструкция более проста в изготовлении, так как имеет кривизну только в одном сечении зеркала, а второе сечение представляет собой прямую линию. Напомним, что в обычной схеме параболической антенны зеркало имеет кривизну в обоих ортогональных сечениях. В качестве облучателя антенн с зеркалом в виде параболического цилиндра могут быть использованы антенны, создающие цилиндрическую волну.

  • 1. На практике усиление на 2—3 дБ ниже значения, рассчитанного по приведенной формуле или по графикам рис. 6.68. (Прим. ред.)