Зеркальные антенны (стр. 3 из 4)

В отличие от рассмотренного «волноводно-рупорного» облучателя «волноводно-вибраторный» (рис. 10в) и «волноводно-щелевой» (рис.10г) облучатели питаются волноводами, не затеняющими пространство.

Вибраторы, возбуждаемые излучением волновода (рис.10в), укрепляются на металлической пластинке, которая, будучи перпендикулярной вектору Е, не возмущает поля. При размерах системы, указанных на рисунке (при этом первый вибратор несколько короче, а второй - несколько длиннее полуволны), обеспечивается однонаправленное излучение на зеркало. Фазовый центр лежит между вибраторами.

Рис.10

На практике действие неравномерности облучения зеркала либо утечки энергии облучателя за его края бывает значительнее, чем это учтено в приближенном расчете, результаты которого приводились. К тому же нужно принимать во внимание фазовые отклонения, вызываемые неточностью изготовления зеркал. Поэтому обычно не удается достигнуть указанного выше максимального значения x=0,83. При допустимых фазовых отклонениях коэффициент использования может составлять

x=0,4÷0,6.

Облучатели для параболических цилиндров могут составляться из нескольких полуволновых вибраторов, располагаемых на фокальной линии. Это, в частности, могут быть щелевые вибраторы, питаемые волноводом.

Рис. 11

Параболическое зеркало может использоваться в качестве антенны в весьма широком диапазоне частот, который снизу ограничивается уменьшением относительных размеров раскрыва и усилением краевых эффектов, а сверху - трудностью соблюдения требуемых допусков конструкции. Поэтому рабочая полоса антенны определяется условиями согласования с линией передачи. При этом существенна «реакция зеркала» на облучатель. Предположим, что облучатель был согласован с линией без зеркала. Тогда в результате отражения от зеркала в питающей линии появится обратная волна, т. е. возникнет некоторое рассогласование. Если же облучатель согласован при наличии зеркала на фиксированной частоте, то реакция зеркала проявится при частотных отклонениях. В ряде случаев используются различные приемы частичного устранения реакции зеркала. Например, делается отверстие в его средней части (рис.11а) или помещается там металлический диск (рис. 11б). Диск при расстоянии от зеркала около четверти волны создает (как пассивная антенна) поле излучения, находящееся в противофазе с полем, подлежащим компенсации; нужная интенсивность излучения диска достигается подбором его размера. Впрочем, существуют приближенные формулы для диаметра диска d, и его расстояния от зеркала а (см. рис.11,), при которых компенсация реакции зеркала должна быть наилучшей:

Для устранения реакции зеркала облучатель может быть также вынесен из области раскрыва (рис. 11в).

Путем поперечного смещения облучателя из фокуса осуществляется качание луча параболической антенны. Это схематически показано на рис. 12. Вообще процесс сопровождается расширением основного максимума и увеличением бокового излучения, но при небольших углах качания указанные побочные эффекты невелики.

Рис. 12 Рис. 13

Отметим еще, что для облегчения веса и уменьшения действия ветра антенные зеркала часто делают решетчатыми, перфорированными и т. п. (рис.13). При этом необходимо, чтобы решетка содержала металлические элементы, параллельные вектору Е, а расстояние между ними было существенно меньше половины длины волны. Некоторое представление о действии промежутка между элементами решетки или также отверстия в листе дает аналогия с коротким участком запредельного волновода: излучение проходит через зеркало с отверстиями, но значительно ослабляется. Обычно для оценки действия решетчатых и подобных зеркал пользуются решениями задач дифракции на бесконечных плоских периодических системах.

5. Другие зеркальные антенны

Стремление улучшить параболические зеркальные антенны, а также расширить их функции или добиться некоторых специальных эффектов привело к созданию целого ряда зеркальных антенн разных типов. Рассмотрим некоторые из них.

К числу зеркальных следует отнести рупорно-параболическую антенну (рис.14а), которая образована частью поверхности параболоида вращения, соединенной с пирамидальным рупором, так что его фазовый центр находится в фокусе зеркала. В этой конструкции осуществлено полное 'вынесение облучателя из поля излучения зеркала и очень мало обратное излучение за края раскрыва. Рупорно-параболическая антенна имеет коэффициент использования раскрыва порядка х=0,65÷0,75. Это - совершенная и сравнительно простая 'конструктивно, но несколько громоздкая антенна: угол раскрыва рупора должен составлять 30÷45°, что при практически используемых размерах раскрыва приводит к значительным размерам всей антенны

Основными достоинствами рупорно-параболической антенны являются широкий рабочий диапазон частот, в пределах которого обеспечивается весьма высокая степень согласования с питающей линией, и чрезвычайно низкий уровень бокового и обратного излучений. Рабочий диапазон рупорно-параболических антенн ограничивается снизу только размерами поперечного сечения питающего волновода, а сверху - точностью выполнения отражающего параболического зеркала. В настоящее время известны, например, рупорно-параболические антенны, используемые в диапазоне 3000 ÷11 000 Мгц. Коэффициент отражения от входа антенны не превышает при этом 1,5-2%.

Низкий уровень задних лепестков рупорно-параболических антенн является весьма ценным качеством в условиях радиорелейной линии, где этим определяется хорошее «защитное действие» антенны. Например, при кнд порядка 40 дб уровень задних лепестков может быть около 70 дб. Следует подчеркнуть, что обычные параболические антенны при таком же кнд имеют задние лепестки порядка 50 дб. Благодаря низкому уровню боковых и задних лепестков переходное затухание между двумя соседними рупорно-параболическими антеннами очень велико.

На рис. 14б схематически изображена сегментно параболическая антенна в двух вариантах питания.

Рис. 14

Антенна образована поверхностью параболического цилиндра и двумя близко расположенными плоскостями. Облучателем может служить открытый конец волновода или вертикальный вибратор, соединенный с коаксиальной линией и снабженный контррефлектором. Если электрический вектор перпендикулярен плоскостям, между ними возбуждается волна ТЕМ, а при параллельном плоскостям электрическом поле — волна Н₀₁.Чтобы высшие поля заведомо отсутствовали, расстояние между плоскостями в первом случае не должно превышать l/2, а во втором — lа. На рис.14в показано применение сегментно-параболической антенны в качестве облучателя зеркала в виде параболического цилиндра.

Зеркальные антенны применяются при построении так называемых перископических систем. У подножия мачты располагается параболическое зеркало, излучение которого направлено в зенит и отражается в горизонтальном направлении помещенным на мачте плоским зеркалом. Очевидно, что такая система может использоваться вместо того, чтобы помещать параболическое зеркало на вершину мачты, для чего требуется вести туда длинный волноводный тракт.

При построении перископических систем находит также применение принцип фокусировки. Поскольку - в аспекте геометрической оптики такое зеркало обладает свойством концентрировать излучение в одном из фокусов, когда в другом находится точечный источник, то на практике один из фокусов совмещают с фазовым центром облучателя эллипсоида, а в области другого располагают переизлучатель. Благодаря фокусировке повышается кпд передачи от излучателя к переизлучателю (уменьшается «переливание» энергии за края переизлучателя), что ведет к возрастанию коэффициента усиления перископической системы. Принцип фокусировки может быть реализован и иным путем: «сужение» потока энергии в области переизлучателя достигается и при параболическом излучателе при вынесении первичного облучателя из фокуса параболоида. Дальнейшее улучшение перископической системы может быть достигнуто, если вместо плоского переизлучающего зеркала взять параболическое.

В связи с проблемой качания луча в широком угле возрастает роль сферических зеркал. Сферическая поверхность в некоторой части близка к параболической, так что при облучении ее близко расположенным источником формируется относительно узкий отраженный луч. На рис.15а показано два расположения облучателя вблизи сферической поверхности; направления формируемого луча обозначены стрелками. Вращение облучателя относительно центра сферы вызывает поворот луча на тот же угол, причем в силу неизменности условий отражения (в пределах определенного угла качания) ширина луча практически не меняется. Однако коэффициент использования поверхности зеркала оказывается низким.