Zrcadlová anténa

Zrcadlová anténa  - anténa, ve které se elektromagnetické pole v otvoru vytváří odrazem elektromagnetické vlny od kovového povrchu speciálního zrcadla ( reflektoru ). Zdrojem vlny je obvykle malý zářič umístěný v ohnisku zrcadla. Ve své roli může být jakákoli jiná anténa s fázovým středem, která vysílá kulovou vlnu. Hlavním účelem reflektorových antén je přeměnit kulové nebo válcové čelo vlny na ploché čelo [1] .

Historie

Parabolickou anténu vynalezl německý fyzik Heinrich Hertz v roce 1887. Hertz během svých experimentů používal válcové parabolické reflektory k jiskření dipólových antén. Anténa měla velikost otvoru 1,2 metru na šířku a byla používána na frekvenci asi 450 MHz . Reflektor byl vyroben ze zinkového ocelového plechu. Se dvěma takovými anténami, jednou vysílací a jednou přijímací, Hertz úspěšně prokázal existenci elektromagnetických vln, které Maxwell předpověděl o 22 let dříve.

Italský vynálezce Guglielmo Marconi použil parabolický reflektor ve 30. letech 20. století při pokusech pro přenos signálů na loď ve Středozemním moři . V roce 1931 byla zavedena radioreléová telefonní komunikace na frekvenci 1,7 GHz přes kanál La Manche pomocí reflektorové antény. První velkou parabolickou anténu s průměrem reflektoru 9 m sestrojil v roce 1937 radioastronom Grote Reber na svém dvorku. S její pomocí zkoumal hvězdnou oblohu.

Rozvoj radaru za 2. světové války dal impuls k vývoji nových forem parabolických antén, vznikly antény se sektorovými vyzařovacími diagramy. Po válce vznikly parabolické antény o průměru zrcadla 60 metrů (Bear Lakes v SSSR ), 100metrový radioteleskop v Green Bank v Západní Virginii a další.

V 60. letech 20. století se pro pozemní radioreléové komunikační sítě začaly široce používat reflektorové antény. První parabolická anténa používaná pro satelitní komunikaci byla postavena v roce 1962 v Gunhilly v Cornwallu v Anglii , aby fungovala s komunikačním satelitem Telstar. Anténa Cassegrain byla vyvinuta v Japonsku v roce 1963 společnostmi NTT, KDDI a Mitsubishi Electric . Nástup počítačů v 80. letech 20. století schopných provádět složité výpočty vyzařovacích diagramů parabolických antén vedl k vývoji složitých asymetrických a vícezrcadlových antén.

Obecné informace

Zrcadlové antény jsou jednou z nejběžnějších úzce směrovaných antén v rozsahu VHF [1] .

Obvykle u reflektorových antén se širší vyzařovací diagram zdroje převádí na úzký vyzařovací diagram samotné antény [1] .

Hrana zrcadla a rovina Z tvoří plochu zvanou otvor zrcadla. V tomto případě se poloměr R nazývá poloměr clony a úhel 2ψ se nazývá úhel clony zrcadla. Typ zrcátka závisí na úhlu clony [2] :

• pokud ψ < π/2, zrcadlo se nazývá malé nebo dlouhé ohnisko;
• pokud ψ > π/2 - hluboké nebo krátké ohnisko,
• pokud ψ = π/2 - průměr.

Ohnisko anténního napájení může být umístěno jak v ohnisku zrcadla F, tak vůči němu posunuto. Pokud je ohnisko ozařovače umístěno v ohnisku antény, nazývá se přímé ohnisko . Antény s přímým ohniskem se dodávají v různých velikostech, zatímco podzimně symetrické antény, jejichž napájení není v ohnisku zrcadla, obvykle nepřesahují průměr 1,5 m [3] . Takové antény jsou často označovány jako offsetové antény . Výhodou offsetové antény je větší zisk antény, který je dán absencí zastínění zrcadlové apertury posuvem [3] . Reflektorem ofsetových antén je boční výřez rotačního paraboloidu. Ohnisko ozařovačů v takových anténách je umístěno v ohniskové rovině reflektoru.

Reflektorová anténa může mít přídavné eliptické zrcadlo (dvouzrcadlové Gregoryho schéma ) nebo přídavné hyperbolické zrcadlo ( dvouzrcadlové Cassegrainovo schéma ), s ohnisky umístěnými v ohniskové rovině reflektorové antény. V tomto případě je ozařovač umístěn v ohnisku přídavného zrcadla.

Reflektorová anténa může mít současně několik přívodů umístěných v ohniskové rovině antény. Každý ozařovač vytváří vyzařovací diagram nasměrovaný požadovaným směrem. Zářiče mohou pracovat v různých vlnových pásmech ( C , Ku , Ka ) nebo každý současně v několika pásmech.

Umístění ohniska a ohniskové roviny zrcadla antény nezávisí na provozním rozsahu vlnových délek.

V závislosti na úkolech a ozařovači tvoří reflektorová anténa jeden úzce směrovaný celkový, součtový diferenční obrazec (pro zaměřovače) nebo několik vícesměrných obrazců současně - při použití více ozařovačů.

Typy zrcadel

V technologii se nejčastěji používají následující typy zrcadel:

1. parabolická zrcadla transformují válcovou nebo kulovou vlnu na rovinnou vlnu. Pro cylindrickou vlnu je zrcadlem parabolický válec , pro kulovou vlnu je to rotační paraboloid [1] .
2. sférická zrcadla se jen málo liší od parabolických zrcadel s ohniskovou vzdáleností rovnou polovině poloměru koule [1] .
3. plochá zrcadla se používají hlavně u vibrátorových antén a někdy u periskopických a vysoce směrových [1] , přičemž soustava dvou zrcadel umístěných pod určitým úhlem vůči sobě tvoří spolu se symetrickým vibrátorem (posuvem) rohovou anténu (typ zrcadlo se v tomto případě nazývá rohové) [4] .
4. zrcadla se speciálním profilem jsou častěji parabolická zrcadla s vypočítanou odchylkou od parabolické plochy. Hlavním účelem použití takových antén je vytvoření vyzařovacího diagramu speciálního tvaru, například kosekantu [1] nebo jakéhokoli daného tvaru. Speciálně tvarovaná zrcadla lze také použít k vytvoření vyzařovacího diagramu, pohodlné oblasti služeb, ve které funguje rádiová stanice (příklad: satelit, mobilní základnová stanice ). Hlavním účelem použití takových zrcadel je úspora energetických zdrojů OZE při maximální kvalitě příjmu a vysílání v oblasti služeb.

• Parabolická reflektorová anténa s přímým zaostřením

• Offsetové parabolické reflektorové antény

• Toroidní reflektorová anténa

• Reflektorová anténa s obvodem Cassegrain

• Zrcadlový talíř na letišti Hannover, Německo

Designové prvky

Zrcadlo se obvykle skládá z dielektrické základny ( uhlíkové vlákno pro vesmírné antény), která je pokryta plechy, vodivou barvou a fólií [4] . Současně jsou plechy často perforované nebo síťované, což je způsobeno snahou snížit hmotnost konstrukce a minimalizovat odolnost proti větru a srážkám. Takové nesouvislé zrcadlo však vede k následujícím důsledkům: část energie proniká zrcadlem, což vede k oslabení směrovosti antény, a nárůstu záření za reflektorem. Účinnost antény s nepevným zrcadlem se vypočítá podle vzorce , kde je výkon záření za reflektorem a je výkon záření reflektoru (dopadající vlna) [4] . Pokud , nespojité zrcadlo je považováno za dobré. Tato podmínka je obvykle splněna, když je průměr otvorů děrovaného zrcadla menší než a celková plocha otvorů do celé plochy zrcadla [4] . U síťových zrcadel by průměr otvorů neměl přesáhnout [4] .

Ozařovač

Vyzařovací diagram parabolické antény je tvořen zdrojem . V anténě může být jeden nebo více zdrojů, v anténě je vytvořen jeden nebo více vyzařovacích diagramů. To se provádí například za účelem současného příjmu signálu z několika kosmických komunikačních satelitů.

Otvor ozařovačů je umístěn v ohnisku parabolického reflektoru nebo v jeho ohniskové rovině, je-li použito více ozařovačů v jedné anténě. Několik ozařovačů tvoří několik vyzařovacích diagramů v jedné anténě, to je nutné při nasměrování jedné antény najednou na několik komunikačních satelitů.

Viz také: Ozařovač .

Šířka nosníku

Úhlová šířka paprsku antény a její vyzařovací diagram nezávisí na tom, zda anténa vysílá nebo přijímá. Šířka paprsku je určena úrovní polovičního výkonu paprsku, tedy úrovní (-3 dB) od jeho maximální hodnoty. U parabolických antén je tato úroveň určena vzorcem:

kde K je faktor, který se mírně mění s tvarem reflektoru a d je průměr reflektoru v metrech, šířka polovičního výkonového diagramu θ v radiánech. Pro 2metrovou satelitní parabolu pracující v pásmu C (3-4 GHz příjem a 5-6 GHz vysílání) tento vzorec udává šířku paprsku asi 2,6°.

Zisk antény je určen vzorcem:

Mezi zesílením a šířkou paprsku existuje inverzní vztah.

Parabolické antény velkých průměrů tvoří velmi úzké paprsky. Nasměrování takových paprsků na komunikační satelit se stává problémem, protože namísto hlavního laloku můžete anténu nasměrovat na postranní lalok.

Vzor antény je úzký hlavní paprsek a postranní laloky. Kruhová polarizace v hlavním paprsku se nastavuje v souladu s úlohami, úroveň polarizace v různých místech hlavního paprsku je různá, v prvních postranních lalocích se polarizace mění na opačnou, zleva doprava, zprava doleva.

Charakteristika reflektorových antén

Charakteristiky reflektorové antény se měří ve vzdáleném poli.

• Šířka paprsku (DN) v daných rovinách (E, H) nebo ve všech směrech
• Tvar DN (obrysový, kruhový)
• Směrový koeficient
• Zisk na maximu anténního vzoru [5]
• Efektivní plocha antény [6]
• Účinnost antény
• úroveň bočního laloku
• SWR
• Polarizace (kruhově-eliptická, lineární) a oddělení mezi ortogonálními polarizacemi.
• Směr otáčení pole antény
• Polarizační koeficient
• Provozní frekvenční rozsah
• Povolené zatížení větrem
• Hmotnost (pro vesmírné antény)

Zajímavosti

• U jednozrcadlové antény s kruhovou polarizací musí mít napájení směr otáčení pole opačný než je směr otáčení pole antény.
• Reflektorové antény se směrovým vzorem nasměrovaným na pohybující se objekt mají obvykle elektrický pohon pro sledování úhlového směru za objektem.
• Měření RP velkých reflektorových antén ve vzdáleném poli je spojeno s velkými obtížemi spojenými se značnými vzdálenostmi od antén k místům, kde se měří jejich signály. Pro měření RP se používají šumové signály ze Slunce, komunikačních satelitů a velkých kolimátorových antén.
• Velké reflektorové antény umístěné na různých místech planety Země se používají jako prvky anténních polí pro průzkum hlubokého vesmíru.

Aplikace

Parabolické antény se používají jako antény s vysokým ziskem pro následující typy komunikace: rádiové relé mezi blízkými městy, bezdrátové datové spoje WAN/LAN, pro satelitní a kosmickou komunikaci. Používají se také pro radioteleskopy.

Parabolické antény se také používají jako radarové antény pro řízení lodí, letadel a řízených střel. S příchodem domácích satelitních televizních přijímačů se parabolické antény staly součástí krajiny moderních měst.

Viz také

• Satelitní anténa

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Příručka radioelektroniky / Ed. A. A. Kulikovský. - M .: Energie, 1967. - T. 1. - 316 s.
2. ↑ I.P. Zaikin, A.V. Totsky, S.K. Abramov, V.V. Lukin. Návrh mikrovlnných anténních zařízení / Ed. A. A. Kulikovsky .. - Charkov: Nat. letectví a kosmonautiky un-t „Khark. letectví Ústav", 2005. - S. 47. - 107 s.
3. ↑ 1 2 Reflector Antennas Archived 5. dubna 2011 na Wayback Machine na antenna.tj
4. ↑ 1 2 3 4 5 Shifrin Ya.S. Antény. — VIRTA je. Goborová L.A., 1976. - S. 239-241. — 408 s.
5. ↑ Zisk a směrovost se neshodují a jsou vzájemně propojeny prostřednictvím účinnosti antény .
6. ↑ Efektivní plocha antény souvisí se ziskem poměrem: . Poměr mezi efektivní a geometrickou plochou antény závisí na jejích konstrukčních vlastnostech. Větší antény, ceteris paribus, mají také větší účinnou plochu.