Основные свойства антенн с параболическими зеркалами

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 20Следующая ⇒

Вкачестве антенн, обладающих узкими диаграммами направленности и высокими коэффициентами усиления, наибольшее распространение получили параболические зеркала различного типа.

Выбор параболических зеркал в качестве антенн объясняется их следующими особенностями. Как известно, парабола является геометрическим местом точек, отстоящих от фокуса F (рис. 40) на таком же расстоянии, как и от фиксированной линии, именуемой директриссой (линия A''D", т. е. AF =АА"; BF = ВВ"; CF = СС"; DF = DD" и т. д.).Кроме того, касательная линия, проведенная к любой точке параболы (для примера точка В), образует равные углы j с линией, проведенной от этой точки обратно к фокусу F, и с линией, идущей из этой точки параллельно оси параболы. Уравнение параболы в обозначениях, имеющихся на рис. 40, имеет вид у² = 4 fz, где f — фокусное расстояние, равное OF. Расстояние от фокуса до директриссы равно удвоенному фокусному расстоянию и носит название параметра па-раболы (р =2f).

Если поместить в фокусе металлического параболического зеркала точечный источник электромагнитных колебаний, то радиоволны, падающие на параболическую поверхность, отразятся от нее в виде параллельного пучка лучей в соответствии со вторым свойством параболы.

Из первого свойства параболы следует, что длины путей всех лучей идущих из фокуса параболы до произвольной прямой A'D' перпендикулярной этим лучам, будут равны расстоянию до директриссы (FA -+- Л А' — FB -\- ВВ' --FC-\-CC' — A'A" и т. д.); следовательно, в силу равенства путей всех лучей и одинакового изменения фазы при отражении от поверхности параболы линия A'D' будет линией равной фазы. Иначе говоря, сферическая волна, исходящая из фокуса параболы, после отражения превращается в плоскую. Однако если в фокусе зеркала поместить источник, равномерно излучающий во все стороны, то на поле, отраженное зеркалом, будет налагаться поле прямого излучения самого источника (лучи, показанные в правой части рис. 40 пунктиром).

Наличие этого поля прямого излучения приводит к ухудшению направленных свойств антенны — к уменьшению ее коэффициента усиления и увеличению побочных лепестков. Для устранения этих нежелательных явлений у антенных систем применяют облучатели, обладающие однонаправленными или близкими к ним характеристиками.

Антенны с параболическими зеркалами очень похожи на прожекторы, применяемые в светотехнике и дающие световой столб с утлом раствора, близким к нулю.

Однако реальные «радиопрожекторы» — параболические антенны — излучают не только в направлении фокальной линии OZ, но и под углами к ней. Объясняется это тем, что в отличие от оптики размеры применяемых в антенной технике зеркал не слишком велики по сравнению с длиной волны, а вовсе не трудностями создания точечных источников — облучателей параболических зеркал, как это иногда неправильно утверждается в некоторых популярных статьях.

Усиление, даваемое антеннами с параболическими зеркалами, получается максимальным, когда источник сферических волн, находящийся в фокусе, обеспечивает равномерное (однородное) распределение поля в излучающем отверстии антенны.

В реальных антеннах эти условия оказываются трудновыполнимыми, из-за чего действующая площадь излучения зеркала оказывается меньше геометрической площади его отверстия. В частности, у антенн с зеркалами в виде параболоидов вращения практически не удается получить коэффициент использования излучающего отверстия f больше 0, 5-0, 7.

Так как фокусное расстояние любой параболической поверхности является параметром последней и его выбор, как правило, не связан с рабочей длиной волны, поле в раскрыве антенны остается синфазным независимо от изменения волны. Поэтому параболические антенны являются широкодиапазонными. Практически диапазонность их ограничивается требованиями к степени согласования входного сопротивления облучателя и пределами допустимых углов раствора диаграмм направленности, которые изменяются прямо пропорционально длине волны.

Типы параболических зеркал

На практике применяют в основном четыре типа параболических зеркал-отражателей (pис. 41).

Первый тип отражателя (рис. 41, а) представляет собой параболический цилиндр, вдоль фокальной линии которого располагаются линейные излучатели. Вследствие этого направленность антенной системы в плоскости фокальной линии (плоскость XOZ) зависит от числа облучающих элементов, как и в плоскостных антеннах.

Направленность же этой антенны в перпендикулярной плоскости YOZ определяется в основном размерами параболического цилиндра, отнесенными к длине волны.

Так, если в качестве облучателя параболического цилиндра применяются полуволновые вибраторы с рефлекторами (для устранения путаницы рефлектор у облучателя именуют контррефлектором ), (рис. 41, а), то угол раствора диаграммы направленности между точками половинного значения мощности в плоскости YOZ равен 51° , а сама диаграмма направленности выражается кривой а, показанной на рис. 11.

Другой разновидностью являются антенны с рефлекторами в виде параболоидов вращения (рис. 41, б). Антенны этого типа применяются в тех случаях, когда необходимо получить «игольчатую» диаграмму направленности, т. е. узкую диаграмму, как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.

На рис. 41 в, изображена антенна с усеченным параболоидом вращения, а на рис. 41 г — параболоид, ограниченный эллипсообразным контуром. Рефлектор последнего типа иногда называют параболоидом типа «лимонная долька» из-за некоторого внешнего сходства с последней.

Антенны, изображенные на рис. 41в и г, применяются для создания веерных и секторных диаграмм направленности с малым углом раствора в одной плоскости и широким в перпендикулярной к ней плоскости.

Для создания веерных диаграмм также применяются сегментно-параболические антенны, одна из разновидностей которых показана на рис. 42. Эта антенна представляет собой параболический цилиндр небольшой высоты, закрытый с торцов металлическими пластинами. Диаграмма направленности у сегментно-параболической антенны в плоскости YOZ подобна таковой у секторного рупора. В плоскости же XOZ она значительно уже, вследствие того, что в раскрыве сегментно-параболической антенны возникает плоская волна (за счет отражения от параболической поверхности), тогда как в раскрыве секторных рупорных антенн фронт волны цилиндрический.

Сегментно-параболические антенны применяются как самостоятельно, так и в качестве облучателей параболоцилиндрических антенн.

Параллельные пластины у сегментно-параболических антенн обычно делают немного длиннее фокусного расстояния / и обеспечивают надежный контакт между ними и возбуждаю щей антенной. Принятие таких мер обеспечивает излучение подведенной к облучателю энергии только в направлении на параболическую поверхность и предотвращает возникновение паразитных токов, вытекающих из антенны на ее внешнюю поверхность, ибо наличие таких токов может повлечь появление развитых боковых лепестков в диаграмме направленности.

В правильно сконструированных сегментно-параболических антеннах коэффициент использования поверхности 7 несколько больше 0, 8.

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒