Антенны с передним питанием - прямофокусные, осесимметричные

Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметрич­ная имеет отражающую зеркальную поверхность параболоидного типа, в фокусе которой находятся первичный облучатель. Название

антенны говорит о себе - первичный облучатель размещен прямо в фокусе симметричного параболоида. Пораболоидная поверхность определяет параметры и качество прямофокусной антенны, и поэто­му целесообразно рассмотреть ее свойства и особенности.

Параболоидная поверхность - это поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси OF (рис. 5.5).

Парабола - это геометрическое место точек на плоскости, кото­рые равноудалены от фокуса F и прямой L, т. е. ЦО3 = 0₃F; L₂0 = OF и т.п. Прямая OF- ось параболы.

Параболоид вращения, полученный вращением параболы во­круг оси OF, симметричный и его поверхность имеет следующие свойства:

• лучи, выходящие из фокуса F и отраженные от любой точки внутренней поверхности, проходят одинаковое расстояние от фокуса до поверхности раскрыва (апертуры), т.е. FO + = FО₂ + О₂К₂ =FО₃+ и т.п ;

• все лучи, выходящие из фокуса параболоида и отраженные его поверхностью, излучаются из раскрыва параллельным пучком, что является одним из условий получения острой диаграммы на­правленности и, как следствие, большого коэффициента усиления антенны. Таким образом, раскрыв антенны можно рассматривать как поверхность, в любой точке которой изменение поля электро­магнитной волны происходит одновременно, т.е. синфазно. Однако амплитудное распределение поля в плоскости раскрыва будет не­равномерным. Причина здесь в следующем.

Рис. 5.5. Геометрические свойства параболы

От точечного первичного облучателя, находящегося в фокусе, до поверхности параболоида распространяется сферическая вол­на. По мере отклонения от центральной оси FO сферическая волна

проходит все большие расстояния от фокуса до поверхности (от­резки F0₂ > FO1 > FO и т.п.) и по этой причине ее амплитуда уменьшается к краям поверхности - изменяется обратно пропор­ционально пройденному расстоянию. В раскрыве параболоида соз­дается неравномерное распределение электромагнитного поля -максимальное в центре и уменьшающееся к краям, что и необхо­димо, так как при этом уменьшаются уровни боковых лепестков в диаграмме направленности, которые образуются наряду с основ­ным. Только нужно определить, какое уменьшение интенсивности освещения (спад) к краям параболоида необходимо получить, -если уменьшение небольшое, то значительная часть энергии будет уходить за края - происходит "перелив" энергии, а если снижение очень большое, то это означает, что освещается только централь­ная его часть и таким образом уменьшается действующая поверх­ность. Поэтому находят компромисс между уменьшением дейст­вующей поверхности и потерями энергии за счет "перелива", кото­рый (компромисс) заключается в следующем.

Для максимального использования поверхности параболоида (основного зеркала) необходимо, чтобы в его раскрыве было рав­номерное по амплитуде распределение электромагнитного поля. Для этого, очевидно, необходимо удалять от поверхности парабо­лоида первичный точечный облучатель, а так как он всегда разме­щается в фокусе, то необходимо увеличивать фокусное расстояние или, по-другому, уменьшать угол раскрыва параболоида. Если угол раскрыва меньше 90°, то фокус находится вне параболоида и с уменьшением угла поверхность его освещается все равномернее. С другой стороны, при этом увеличивается часть излучаемой пер­вичным облучателем энергии, которая уходит, "переливается" за края параболоида, рассеивается вне. Рассеяние энергии снижает к.п.д. антенны в целом, а равномерное освещение поверхности па­раболоида повышает коэффициент использования площади рас­крыва. Здесь определенно существует компромисс между длиной фокусного расстояния и площадью раскрыва, т. е. диаметром пара­болоида. Так как коэффициент усиления антенны прямопропорцио-нален произведению (где - коэффициент полезного дейст­вия антенны в целом; - коэффициент использования поверхно­сти раскрыва), то существует определенное оптимальное значение отношения фокусного расстояния к поверхности (диаметру) рас­крыва, при котором произведение максимально. Это искомое значение лежит в интервале (0,3...0,4) f/D и коэффициент исполь­зования поверхности раскрыва антенны при этом составляет 0,5...0,7. Для антенн со смещенным облучателем (офсетных) опти­мальное отношение f / D (D - малая ось эллипса, принимаемая за условный диаметр) лежит в пределах 0,5...0,6. Меньшее значение соответствует антеннам меньшего размера. Приведенное значение данного отношения и есть искомый компромисс между снижением действующей поверхности антенны и потерями энергии за счет "перелива".

При рассмотрении антенн с передним питанием предполагалось, что первичный облучатель - точечный, т.е равномерно излучающий во все стороны. Однако точечный облучатель создает недостаточное уменьшение интенсивности излучения к краям основного зеркала. Поэтому, чтобы равномерно и интенсивно освещать поверхность зеркала антенны и при этом обеспечить минимальный "перелив", на практике используется не точечный, а поверхностный облучатель, т.е. состоящий из множества точек.

Таким классическим облучателем для параболоидных антенн яв­ляется рупор. Рупор хорошо согласует волновод с нагрузкой - с ос­вещаемой поверхностью зеркала антенны. Увеличивая или умень­шая раскрыв рупора, можно получить высокую интенсивность осве­щения поверхности зеркала и в то же время обеспечить минималь­ный "перелив".

Направленные свойства параболоидных антенн

Электромагнитные волны излучаются антенной через ее рас­крыв (апертуру). Необходимым условием получения острой на­правленности излучения антенны, как отмечалось, является требо­вание, чтобы все лучи, выходящие из фокуса зеркала (параболои­да) и отраженные его поверхностью, излучались из раскрыва па­раллельным пучком.

Кроме этого, существует еще одно важное условие получения острой направленности параболоидной антенны. В раскрыве ан­тенны излучение происходит элементарными электромагнитными полями, которые, интерферируя между собой, ослабляются к краям и усиливаются к центру. В результате излучаемые электромагнит­ные волны концентрируются в узком направлении. Это выполняет­ся при условии, что площадь раскрыва антенны значительно больше квадрата длины волны, так называемого кроссовера. Сте­пень концентрации зависит от их соотношения - чем большая пло­щадь раскрыва антенны по отношению к кроссоверу или чем боль­ший диаметр D антенны по отношению к длине волны , тем острее направленность и, как следствие, более высокий коэффициент уси­ления антенны.