Коэффициент эллиптичности антенны что это

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ₀ и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ_0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ₀ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ_0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Е_ср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е₀ 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Е_оэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий D_э=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Источник

Теория радиоволн: антенны

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Источник

Приемные антенны

Приемная антенна предназначена для приема и концентрации электромагнитных волн, исходящих cо спутника-ретранслятора. Антенны, применяемые в установках непосредственного телевизионного вещания, не имеют каких-либо принципиальных отличий от антенн СВЧ, используемых в других радиосистемах. По мере развития спутниковой связи совершенствовалось и приемное оборудование. Новые достижения радиоэлектроники, повышение мощности ретрансляторов и установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40 — 60 см. К современной антенне, кроме достаточно жестких технических требований, предъявляются также требования экономической целесообразности, эстетики, надёжности эксплуатации.

В настоящее время приемные антенны СНТВ можно разделить на 2 типа:

Существуют также антенны других конструкций (рупорные, линзовые), но, несмотря на ряд ценных качеств, из-за высокой стоимости они находят лишь ограниченное применение. Однако не исключена возможность, что в дальнейшем они будут использоваться более широко.

Основные электрические характеристики приемных антенн

Рис.4.1. Сферические координаты точки наблюдения

При рассмотрении общих электрических параметров, характеризующих качество антенны, необходимо отметить, что, как следует из теории антенных устройств, приемные и передающие антенны имеют одни и те же электрические характеристики.

Рабочий диапазон волн — это диапазон, в пределах которого антенна сохраняет с заданной точностью свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование). Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использования антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит нескольких процентов от длины средней волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной, а если составляет несколько десятков процентов и больше — широкодиапазонной.

Существенное значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием программ спутникового ТВ вещания.

Наглядное представление о распределении энергии волн дает амплитудная характеристика направленности. Характеристика направленности приемной антенны определяется величиной наводимой в ней электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от направления в пространстве (или от угла падения приходящей волны).
Направление определяется азимутальным φ и меридиональным θ углами сферической системы координат (рис.4.1). При этом поле измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предполагается, что потери в среде отсутствуют.

Рис.4.2. Диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f (φ,θ). Пользоваться такой диаграммой неудобно. Поэтому на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f(φ) или f(θ) в полярной или декартовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по полю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, которая определяется зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве.

На рис.4.2 представлены нормированные f (φ, θ) диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат. Область 1 называют основным (главным) лепестком, области 2 — задними и боковыми лепестками. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень заднего и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы. Под шириной 2θ_0,5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в √2 раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.4.3). Поток мощности соответственно уменьшается вдвое. В некоторых случаях под шириной 2θ₀ подразумевают угол между направлениями (ближайшими к направлению максимума), вдоль которых напряженность поля равна нулю.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр – коэффициент направленного действия (КНД). Коэффициент направленного дей-ствия D — это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих равных условиях):

где P_ΣO — мощность излучения ненаправленной антенны; P_Σ — мощность излучения направленной антенны.

Коэффициент направленного действия приемной антенны показывает, какому увеличению мощности передатчика эквивалентно даваемое направленной антенной превышение сигнала над уровнем помех (по сравнению с приемом на ненаправленную антенну) при условии равномерного распределения помех во всех направлениях.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных в ней потерь.

Рис.4.3. Диаграммы направленности приемной антенны

Эффективная площадь антенны А характеризует площадь поверхности, с которой приемная антенна собирает энергию, и определяется как отношение максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку, к мощности ∏, приходящейся на единицу площади в падающей (не искаженной антенной) плоской волне:

где ∏ численно равно модулю вектора Пойтинга. Между эффективной площадью А и коэффициентом направленного действия D антенны существует следующая связь:

Поскольку параметр D применяется как к передающим, так и к приемным антеннам, постольку и параметр А также может быть использован для характеристики свойств любых антенн — и приемных, и передающих.
Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете, как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД:

Отношение мощностей в последнем выражении определяется при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема. Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в данном направлении. Если специальных оговорок не делается, то под коэффициентом усиления (так же, как и под коэффициентом направленного действия) подразумевается его максимальное значение, соответствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Антенна должна иметь возможно больший коэффициент усиления G и, следовательно, большие геометрические размеры, что делает ее дорогостоящим сооружением. Поэтому при заданной геометрической площади важно получить максимальный коэффициент усиления G. Фактически, из-за неточностей, допускаемых при изготовлении антенны, из-за деформаций, вызываемых ветровыми нагрузками, односторонним солнечным нагревом и т. п., реальное усиление оказывается ниже максимального.

Рис.4.4. Колебания спутника-ретранслятора на геостационарной орбите

С увеличением значения G должна уменьшаться ширина главного лепестка диаграммы направленности. В случае уменьшения ширины диаграммы направленности до величин менее одного градуса необходимо снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают сложные гармонические годовые и суточные колебания, которые с Земли наблюдаются в форме изменяющейся восьмерки (рис.4.4).

К уменьшению коэффициента усиления G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Еще одна причина, заставляющая уделять особое внимание боковым лепесткам, состоит в необходимости обеспечения высокой помехозащищенности приемной установки.

Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников-ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т. д. Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки.

Большое значение имеют поляризационные свойства антенны. Распространяющаяся электромагнитная волна характеризуется векторами электрической Е и магнитной Н напряженности электромагнитного поля. Векторы Е и Н вдоль направления распространения волны непрерывно изменяют во времени свои значения в соответствии с законом, по которому изменялся ток в проводнике, возбудивший электромагнитную волну (рисунок 4.5). Особую роль при распространении волны играет пространственная ориентация этих векторов. Поляризация излучения определяется положением вектора Е. Зная направление этого вектора в пространстве и изменение этого направления во времени, можно составить представление о характере поляризации волны.

В случае линейной поляризации вектор напряженности электрического поля колеблется по направлению от положительного до отрицательного в вертикальной или горизонтальной плоскости (вертикальная или горизонтальная поляризация) (рис.4.5, а, б).

Более сложное представление имеет вращающаяся поляризация (рис.4.5, в). В этом случае вектор Е в точке наблюдения непрерывно меняет свою ориентацию. За период волны вектор Е делает один полный оборот в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Кривая, которую описывает конец этого вектора в точке наблюдения за один период, называется поляризационной характеристикой.

Поляризационная характеристика антенны с вращающейся поляризацией представляет собой эллипс. Определяющими параметрами эллипса, являются коэффициент эллиптичности т и угол наклона а (рис.4.6). Коэффициент эллиптичности представляет собой отношение малой полуоси эллипса (ОА = а) к большой (ОВ = b):

Коэффициент m в общем случае может принимать значения от 0 до 1 (0 соответствует линейно поляризованному полю, 1 — полю с круговой поляризацией). Углом наклона а называется угол между большой осью эллипса и координатной осью X (рис.4.6, в).
Для более полной оценки поля в точке наблюдения наряду с параметрами эллипса необходимо знать также направление вращения вектора Е и его начальную фазу (положение вектора Е в плоскости ХОY в момент времени t = 0).

В зависимости от направления вращения вектора Е различают поля правого и левого вращения. Полем левого вращения называется такое поле, вектор вращения Е которого вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу направлению распространения волны. Вектор Е поля правого вращения вращается против часовой стрелки.

Необходимо отметить, что поляризация волн, проходящих через направление максимального излучения (главный лепесток), называется главной, или основной. В других плоскостях имеется составляющая поля, поляризованная перпендикулярно основной поляризации. Эта составляющая называется кроссполяризационной и является нежелательной.
Уровень кроссполяризационного излучения определяется как отношение мощности, излучаемой антенной в направлении максимума на рабочем виде поляризации, к мощности, излучаемой этой же антенной, на побочном виде поляризации в направлении максимума побочного излучения.

Поляризация сигнала, излучаемого спутником-ретранслятором, определяется конструкцией его передающей антенны. Для обеспечения качественной телевизионного приема необходимо (!) чтобы поляризация приемной антенны соответствовала поляризации принимаемого сигнала.

Таким образом, исходя из приведенных выше сведений, можно сформулировать требования к основным характеристикам приемных антенн непосредственного телевизионного вещания. Антенны должны обладать:

Сегодня, приведенным выше требованиям, наиболее полно соответствуют зеркальные антенны, которые в основном и применяются в спутниковой радиосвязи.

Зеркальные антенны

Поверхность зеркала представляет собой вырезку из параболоида вращения — тела, образованного вращением кривой y=x 2 /4F (параболы) вокруг оси OY. Такое зеркало концентрирует в точке (0; F) энергию радиоволн, если они приходят с направления, совпадающего с направлением оси OY.

Источником (приемником) электромагнитной волны обычно служит небольшая элементарная антенна, называемая, в этом случае, облучателем зеркала, или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. На рис.4.8, а представлен вариант зеркальной антенны в качестве передающей.
В случае построения такой антенны как приемной (рис.4.8,6) облучатель является уже не источником электромагнитного излучения, а приемником, который принимает сфокусированный антенной сигнал и передает его в конвертор.

Однозеркальные антенны

Широко известный и исторически первый тип зеркальных антенн — осесимметричный параболический рефлектор с расположенным в его фокусе облучателем. Достоинствами такой антенны являются простота и относительно невысокая стоимость. Именно поэтому такие антенны более всего подходят для индивидуальных приемных установок. Принцип работы зеркальных антенн проще всего рассмотреть с помощью метода геометрической оптики. Схема осесимметричной параболической антенны изображена рис.4.9.

Действие параболического зеркала заключается в том, что лучи, расходящиеся из фокуса, после отражения от поверхности становятся параллельными (см. рис.4.8,а). Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. Если в фокусе параболической антенны поместить источник сферической волны, то после отражения от зеркала она преобразуется в плоскую.
В случае работы такой антенны в качестве приемной, падающая электромагнитная волна после отражения концентрируется в фокусе, в котором расположен облучатель. В качестве отражающих поверхностей, в основном, применяют металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей.

Методы геометрической оптики, согласно которым каждый луч облучателя, падающий на какую-либо точку параболоида, создает определенный отраженный луч, являются приближенными. Строго говоря, геометрическая оптика справедлива, если длина электромагнитной волны бесконечно мала по сравнению с размерами зеркала и радиусами его кривизны.
Более точное физическое объяснение принципа действия зеркальной антенны состоит в следующем. Энергия электромагнитного поля, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, может рассматриваться как элементарный источник, излучающий энергию в различных направлениях (широкая диаграмма направленности).
Для получения узкой диаграммы направленности, необходимо распределить энергию между элементарными источниками так, чтобы в нужном направлении поля их излучений оказались синфазными. На рис.4.9 приведены основные геометрические характеристики параболоидного рефлектора: Ro — радиус антенны; f — фокусное расстояние; В — глубина рефлектора; F — фокус зеркала; 2ψ₀ — угол раскрыва апертуры.

Часть плоскости z = z₀, ограниченная кромкой параболоида (см. рис.4.9), называется раскрывом зеркала. Радиус R_o этого круга называется радиусом раскрыва. Угол 2ψ₀, под которым видно зеркало из фокуса, называется углом раскрыва зеркала.

Рис.4.9. Геометрические характеристики параболоидного рефлектора

Диаграмма направленности параболической антенны полностью определяется распределением поля в ее раскрыве и соотношением между длиной волны и радиусом раскрыва зеркала. При фиксированном значении раскрыва зеркала главный лепесток диаграммы направленности будет наиболее узким при равноамплитудном распределении поля в раскрыве зеркала. Однако при таком распределении боковые лепестки будут большими.

Если амплитуда поля спадает к краям зеркала, то главный лепесток диаграммы направленности несколько расширяется, а уровни боковых лепестков уменьшаются. Во многих случаях уменьшение уровня боковых лепестков является весьма желательным, вследствие чего зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля уменьшалась при перемещении от центра раскрыва к его краям. Однако уменьшение амплитуды поля к краям площадки ведет к уменьшению коэффициента использования поверхности раскрыва, что нежелательно.
Вследствие этого ищется компромиссное решение вопроса о наиболее рациональном облучении зеркала. Если от зеркальной антенны стремятся получить наибольший коэффициент усиления, то зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля на его краях была на 10дБ ниже, чем в центре раскрыва. Если стремятся, по возможности, уменьшить, уровень боковых лепестков и, следовательно, собственную шумовую температуру антенны, то понижение амплитуды поля к краям зеркала достигает 15 — 20 дБ.
Как уже указывалось, распределение поля в раскрыве зеркала определяется диаграммой направленности облучателя и соотношением между радиусом раскрыва и фокальным параметром параболоида. Выбирая тот или иной облучатель, размер параболоида и значение фокусного расстояния, добиваются получения требуемой диаграммы направленности зеркальной антенны.

Диаграммы направленности зеркал различной глубины также различны. Это объясняется различием в распределении амплитуд поля в раскрыве зеркал. Менее глубокие зеркала облучаются более равномерно. Вследствие этого главный лепесток у них получается более узким, но зато боковые лепестки увеличиваются.

Получить заданное амплитудное распределение в раскрыве можно различными способами:

Рис.4.11. Использование цилиндрических экранов для уменьшения бокового излучения

Как следует из вышеизложенного, снижение уровня боковых лепестков может быть обеспечено спадом амплитуды возбуждения от центра к краю антенны. Но существуют и другие факторы, влияющие на дальнее боковое излучение, среди которых наиболее существенный — «перелив» излучения облучателя. Наиболее эффективный и простой способ ослабления влияния этих факторов — использование цилиндрических экранов (бленд). Они размещаются по контуру раскрыва зеркала (рисунок 4.11, а) и позволяют снизить дальнее боковое излучение на 5 — 10 дБ.

Продольный размер экрана подбирают так, чтобы уровень возбуждения его кромки был близок к нулю. Для уменьшения боковых лепестков в переднем полупространстве (z > 0) внутреннюю поверхность экрана иногда покрывают материалом, поглощающим излучение. Дифракционные поля, возникающие на кромке бленды, являясь синфазными, создают высокий уровень поля в обратном направлении. Для снижения этого уровня кромке можно придать специальную форму, при которой дифракционные поля от отдельных участков кромки будут расфазированы.
На рис.4.12 показаны возможные формы расфазирующих кромок. Аналогичного эффекта можно добиться применением скошенных бленд (рис.4.11,6).

Дифракционное излучение кромки может быть значительно уменьшено, если периферийную область зеркала сделать полупрозрачной. Это достигается ее перфорацией, причем диаметр отверстий должен увеличиваться по мере приближения к кромке, как это показано на рис.4.13.

Сравнительно простой способ подавления дифракционного поля заключается в использовании дополнительных экранов. Форма и число экранов могут быть самыми различными. На рис.4.14 показаны сечения параболических зеркал с экранами. Во всех случаях поле в заднем полупространстве формируется за счет дифракции поля облучателя на кромке экранов. Использование одиночного плоского экрана позволяет уменьшить величину напряженности поля в заднем полупространстве на 8 — 14 дБ, а двух экранов — на 20 — 25 дБ.
При этом точность изготовления и установки экранов могут быть невысокими.

Рис.4.12. Расфазирующие кромки

Рис.4.13. Перфорация зеркала для уменьшения дифракционного излучения

Рис.4.14. Параболическое зеркало уменьшения дифракционного излучения

Коэффициент направленного действия D параболической антенны удобно определять через эффективную площадь ее поверхности А:

где S = πR_o 2 — площадь раскрыва; v — коэффициент использования поверхности раскрыва.

где v_a — коэффициент использования, определяемый законом распределения амплитуды облучения по раскрыву антенны. Отдельные сомножители этого выражения не могут одновременно принимать своих максимальных значений.
Например, максимальный коэффициент усиления зеркальной антенны соответствует равномерному распределению поля в раскрыве (v_a= 1), при котором невозможно избежать утечки мощности облучателя за пределы зеркала. Широко распространенный компромиссный вариант состоит в том, что края антенны возбуждаются примерно на 10 дБ слабее, чем ее центр. При этом произведение v_a и v_y составляет 0,7 — 0,8.

Коэффициент направленного действия не отражает потерь энергии на рассеивание, т. е. потерь излучения вследствие его прохода от облучателя мимо зеркала. Поэтому КНД параболических зеркал не является параметром, достаточно полно характеризующим выигрыш, получаемый от их применения. Для более полной характеристики следует использовать такой параметр, как коэффициент усиления антенны:

где η — коэффициент полезного действия.

У зеркальных антенн с рупорным или волноводным облучателем кроссполяризационные составляющие небольшие. Из-за отсутствия симметрии уровень кроссполяризационного поля для зеркала со смещенным облучателем относительно высок. Возможность двукратного использования частот на основе развязки по поляризации ограничена деполяризующими факторами среды распространения: осадками, облаками и ионосферными слоями атмосферы.
Для волн с ортогональными поляризациями капли дождя, которые имеют сплюснутую форму, обусловливают различные эффективные длины путей, что влияет на уровень порождаемого ими кроссполяризационного излучения. В ионосфере происходит поворот плоскости поляризации линейно поляризованной волны, вызванный эффектом Фарадея. Это приводит к поляризационным потерям, обусловленным рассогласованием поляризаций принимаемого поля и приемной антенны.

Зеркальные антенны с вынесенным облучателем

Кроме классических зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсетные антенны), схематически изображенные на рис.4.15.

При расположении фазового центра облучателя в фокусе параболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением зеркала оптической оси. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала, вызывает отклонение направления главного максимума излучения в сторону, противо-положную смещению облучателя. На рис.4.16 представлены геометрические характеристики зеркальной антенны в случае, когда облучатель смещен на величину ΔХ.

Рассмотрим фронт волны в раскрыве зеркала приемной антенны. Если облучатель находился в фокусе F, луч доходит от любой точки раскрыва до точки F примерно за одно и то же время t. При размещении облучателя в точке F (рис.4.16) луч придет из точки А раньше, чем из точки В. В результате поле из точки А будет опережать по фазе поле из точки В и фронт волны отклонится на некоторый угол α.
Направление максимума излучения всегда перпендикулярно фронту волны, и, следовательно, вся диаграмма направленности отклонится на тот же угол а в сторону, противоположную смещению облучателя. Вынос облучателя приводит не только к отклонению диаграммы направленности, но и к ее искажению вследствие нарушения линейного закона изменения фазы поля в раскрыве (рис.4.17). Это расширяет главный лепесток и увеличивает уровень боковых лепестков, что ведет к снижению коэффициента усиления.
Чем мельче зеркало, тем меньше будут искажения при том же угловом смещении облучателя, т. е. тем на больший угол можно отклонить диаграмму направленности, сохраняя, в основном, ее форму. К недостаткам офсетных антенн следует также отнести более высокий уровень кроссполяризации, приводящий к дополнительным помехам.

Рис.4.15. Приемная офсетная зеркальная антенна		Рис.4.16. Отклонение диаграммы направленности, вызванное смещением облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида

Рис.4.17. Линии равных фаз отраженного от зеркала поля для различных смещений облучателя		Рис.4.18. Затенение облучателем и опорами поверхности рефлектора у неофсетной антенны

Рис.4.19. Ориентация прямофокусной (слева) и офсетной (справа) антенн на спутник

Осевая симметричность зеркала учитывается при установке и ориентации антенны. Прямофокусная антенна ориентируется так, чтобы ее оптическая ось (ось симметрии) совпадала с направлением на спутник. Ось же офсетной антенны должна быть отклонена от направления на спутник на некоторый угол ΔХ, что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата (рис.4.19).

Мультифокусные зеркальные антенны

Мультифокусные зеркальные антенны разработаны для обеспечения приема с нескольких (обычно 2 — 3) спутников ТВ программ одной антенной, не оснащенной поворотным устройством (рис.4.20). Облучатели крепятся при помощи дополнительного устройства (рис.4.21, 4.22).

В случае применения такой системы необходимо учитывать, что прием сигнала будет не так «чист», поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора (см. рис.4.20).

Рис.4.20. Сферическая геометрия мультифокусной антенны

Рис.4.21. Вариант крепления двух облучателей		Рис.4.22. Вариант крепления трех облучателей

Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала.

Особую популярность такие системы приобрели в Европе для просмотра ТВ каналов со спутников Hot Bird, Astra, Eutelsat и др.

Точность выполнения, технология изготовления и материалы рефлекторов

Изготовить зеркальную антенну, профиль которой полностью соответствовал бы выражениям, описывающим параболоид, невозможно, так же как невозможно сделать какое-либо устройство с абсолютной точностью.

Рассмотрим, как влияет отклонение формы поверхности зеркала от параболоида на характеристики антенны. Из анализа хода лучей в параболическом рефлекторе (рис.4.23) видно, что в результате отклонения формы поверхности изменяется расстояние, преодолеваемое лучами 1 и 2 от точки А до прямой БВ.
В результате электромагнитное поле в раскрыве антенны оказывается несинфазным (возникают фазовые ошибки). Эти ошибки приводят к ухудшению практически всех электрических характеристик антенны:

Кроме этого, при эксплуатации антенной системы возникает ряд нежелательных эффектов, приводящих к отклонению формы поверхности зеркала: деформация антенны под действием ветровой нагрузки; воздействие силы тяжести, приводящее к провисанию кромок зеркала, т. е. к его деформации; неравномерный нагрев поверхности зеркала под действием солнечных лучей, так же приводящий к деформации (перепад температур между поверхностью ориентированной к Солнцу, и поверхностью, ориентированной в область тени, может составлять до 15 °С). Суммарное отклонение профиля антенны определяется действием всех перечисленных факторов.

Рис.4.23. Ход электромагнитной волны в деформированном рефлекторе

Рефлекторы могут быть:

Определенный интерес вызывают перфорированные рефлекторы. Они представляют собой зеркало, по всей поверхности которого расположены отверстия.

Источник