Основните видове параболични антени - Разработване на изчислителен метод и програма за изследване
Антената, изследвана в тази работа, се състои от параболично огледало 1 и захранващо устройство 2, поставено във фокуса на параболоида (фиг. 3). Като захранващ канал се използва слабо насочена лентова антена, а като огледало се използва повърхност, образувана от въртенето на парабола около нейната ос Z (параболоид на въртене).
Антената се характеризира със следните геометрични размери (фиг. 3):
- радиус на отваряне R;
- фокусно разстояние F;
-ъгъл на отваряне 0 .
В правоъгълна координатна система (фиг. 3) повърхността на параболоид се описва с израза:
Антената запазва всички свои характеристики при следните условия:
Тук е дължината на вълната в свободното пространство, съответстваща на излъчения или получен сигнал. Условието позволява, когато се анализира принципът на работа на антената, да се пренебрегнат дифракционните ефекти в първото приближение и да се разгледа от гледна точка на геометричната оптика.
Фигура 4 показва разрез на параболоид от равнина, минаваща през оста Z (Фигура 3).
Трябва да се отбележат две свойства на разглежданата огледална повърхност, които се формулират по следния начин.
1. Разстоянията от точката F, наречена фокус на параболоида, лежаща на неговата ос (ос z), до произволна точка Мi, лежаща на правата МN, перпендикулярна на оста, по начупени траектории FPiMi (Pi - точка върху огледалото) са еднакви (FP1M1 = FP2M2 = );
2. Нормалната n към огледалната повърхност във всяка точка лежи в равнината на чертежа на фиг. 2 и сключва ъгъл /2 с правата, свързваща тази точка от огледалото с точката F и с правата, успоредна на оста.
Тези геометрични свойства на повърхността определят принципа на работа на антената. Помислете за работата му в режим на предаване. Образува се вълналентов радиатор с малки размери 2, е близък по своите свойства до нехомогенен сферичен. От гледна точка на геометричната оптика може да се представи чрез лъчи FPi (фиг. 4), които падат върху повърхността на параболоида. Поради второто свойство на параболичното огледало, след отражение от него, лъчите ще се разпространяват по траектории, успоредни на оста на антената. Така прекъснатите линии FPiMi представляват части от траекториите на тези лъчи.
Поради първото свойство на параболичното огледало, фазовото изместване на различни части от траекториите на FPiMi се оказва еднакво. Лесно е да се разбере, че повърхността, върху която фазите на отразените от огледалото лъчи ще бъдат еднакви (фазовият фронт на вълната) е равнина, перпендикулярна на оста z (фиг.3,4). Това означава, че вълната, създадена от облъчвателя, която е близка по свойства до сферичната вълна, се трансформира в плоска вълна. По този начин параболичното огледало трансформира относително широка диаграма на излъчване на излъчвателя (400 - 700) в тясна, широка част от градуса.
По подобен начин се разглежда работата на антената в режим на приемане. Плоска вълна, падаща върху огледало, се фокусира от него (трансформира се в конвергираща) върху облъчвателя.
Като облъчватели на параболични антени могат да се използват:
- вибраторни облъчватели, представляващи системата "активен - пасивен вибратор", "активен вибратор - плосък контрарефлектор";
- рупорни облъчватели (пирамидални рога, конични рога);
В тази работа като захранване се използва лентова антена с малък размер, методите за нейния анализ са разгледани в отделен раздел.
При строг анализ на отразяваща параболична антена се използва вълнов подход за определяне на полето в нейната далечна зона. Например, когато анализира работата си вкато предавателен се определят вторичните токове, разпределени по повърхността на параболичното огледало. Появата на тези токове се дължи на електромагнитната вълна, падаща върху огледалото от облъчвателя. Вторичните токове формират излъчването на антената в далечната зона.
Всеки тип захранване осигурява различно разпределение на вторичните токове по повърхността на параболичното огледало. Следователно типът на захранването влияе върху характеристиките на насоченост на антената като цяло.
Важен момент при разработването на дизайна на отразяваща параболична антена е координацията на характеристиките на посоката на захранването и геометричните размери на огледалото. Фигура 5 показва разрез на параболоид от равнина, минаваща през оста Z (фиг. 5) и маркирана фокусната точка F, където се намира подаването и ъгълът на отваряне φ0.
От практическа гледна точка е важно енергията на електромагнитната вълна, създадена от облъчвателя, да бъде по възможност напълно прихваната и преотразена от огледалото. За да направите това, диаграмата на излъчване на облъчвателя трябва да бъде ограничена до прави линии AF и BF (фиг. 5).
Фигура 5 показва диаграмата на излъчване на облъчвателя в полярната координатна система и маркира две нива 1 и 0,3. Те съответстват на два пунктирани кръга. Пресичането на тези кръгове с диаграмата на излъчване на облъчвателя определя посоката на основния максимум и посоката, в която амплитудата на излъчваната вълна намалява до ниво 0,3 от максималната стойност.
На фиг.5 линиите AF и BF минават през тези пресечни точки. Това означава, че енергията на електромагнитната вълна на облъчвателя, която излиза извън ъгъла AFB, не се прихваща от облъчвателя и се губи безвъзвратно. От практическа гледна точка, такъв избор на връзката между огледалната геометрия и характеристикитенасочеността на облъчвателя е оптимална. Увеличаването на дела на прихващаната от огледалото енергия изисква увеличаване на геометричните размери на антената като цяло, което води до увеличаване на нейното тегло, площ и цена. От друга страна, това не води до значително повишаване на ефективността на антената. В този случай е по-лесно да се компенсират загубите на енергия поради леко увеличение на мощността на предавателя (при работа на приемане) или чувствителността на приемника (при работа на предаване).
Точността, с която фазовият център на използваното захранване е подравнен с фокусната точка, има голямо влияние върху характеристиките на отразяващата параболична антена. Фигура 6.а показва, че надлъжното изместване на облъчвателя от фокуса води до разпространение на лъчите, преизлъчени от огледалото (разглежда се режимът на предаване на антената) в посоки, които сключват различни ъгли с надлъжната ос на антената (ос z). Следователно фазовият фронт MN (фиг. 6.a) на преизлъчената вълна вече не е плосък. Лесно е да се разбере, че това съответства на увеличаване на ширината на диаграмата на излъчване на антената като цяло.
Фигура 6.б показва, че изместването на облъчвателя от фокуса в напречна посока води до промяна в посоката на главния максимум. Теоретичният анализ показва, че при малки премествания d на захранването в напречна посока (от порядъка на дължината на вълната l на полученото или предаденото лъчение) няма (в първо приближение) увеличение на ширината на главния максимум на диаграмата на излъчване. Следователно, на практика, често механичните движения на захранването се използват за целите на сканиране или регулиране на характеристиките на насоченост на антената.
При разработването на дизайна на антената се обръща голямо внимание на минимизирането на "ефекта на сянката". Състои се в екраниране на част от параболатаогледала с облъчвател с крайни размери. От една страна, това води до непълно използване на енергията на излъчената или приета вълна.
От друга страна, този ефект води до несъответствие между облъчвателя и захранващата линия. Този ефект е илюстриран на фигура 7, която показва наличието във фидера, захранващ фидера, на две вълни, разпространяващи се в противоположни посоки - от генератора и от огледалото.
Използват се различни методи за премахване на "ефекта на сянка". Към днешна дата най-ефективният от тях е да се използва като огледало не централната, а страничната част на параболоида на революцията. Както следва от фиг. 7, облъчвателят в този случай вече не се припокрива с огледалото и вълните, генерирани от отражение от параболичното огледало, не се появяват във фидера.
Теоретичният анализ показва, че изискванията за точност на геометричните размери на огледалото определят допустимите отклонения от поръчката /8. С увеличаването на честотата изискванията за точност на производство стават по-строги, което води до значително увеличение на цената на антената като цяло.