Зеркальная антенна

Зеркальная антенна — антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счет отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала (рефлектора). В качестве источника волны обычно выступает небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала. В его роли может быть любая другая антенна с фазовым центром, излучающая сферическую волну. Основная цель зеркальных антенн сводится к преобразованию сферического или цилиндрического фронта волны в плоский^[1].

Общие сведения

Структура зеркальной антенны

В последнее время зеркальные антенны одни из самых распространенных узконаправленных антенн диапазона УКВ^[1].

Обычно в зеркальных антеннах происходит преобразование более широкой диаграммы направленности облучателя в узкую диаграмму направленности самой антенны^[1].

Кромка зеркала и плоскость Z образуют поверхность называемую раскрывом зеркала. При этом радиус R называется радиусом раскрыва, а угол 2ψ — углом раскрыва зеркала. От угла раскрыва зависит тип зеркала^[2]:

• если ψ < π/2 — зеркало называют мелким или длиннофокусным;
• если ψ > π/2 — глубоким или короткофокусным,
• если ψ = π/2 — средним.

Фокус облучателя антенны может раполагаться как в фокусе зеркала F, так и смещенным относительно него. Если фокус облучателя расположен в фокусе антенны, то она называеся прямофокусной. Прямофокусные антенны существуют различных размеров, в то время как осенесимметричные антенны, облучатель которых находится не в фокусе зеркала, обычно не превышают в диаметре более 1,5 м^[3]. Такие антенны часто называют офсетными. Преимущество офсетной антенны это бо́льший коэффициент усиления антенны, что обусловлено отсутствием затенения раскрыва зеркала облучателем^[3].

Зеркальная антенна может иметь дополнительное эллиптическое зеркало (двухзеркальная схема Грегори) или дополнительное гиперболическое зеркало (двухзеркальная схема Кассегрена), с фокусами, расположенными в фокальной плоскости зеркальной антенны. При этом облучатель расположен в фокусе дополнительного зеркала.

Зеркальная антенна может иметь одновременно несколько облучателей, расположенных в фокальной плоскости антенны. Каждый облучатель формирует диаграмму направленности, направленную в нужном направлении. Облучатели могут работать в разных диапазонах волн (С, Ku, Ka) или каждый одновременно в нескольких диапазонах.

Расположение фокуса и фокальной плоскости зеркала антенны не зависит от рабочего диапазона волн.

Типы зеркал

В технике наибольшее распространение нашли следующие типы зеркал:

1. параболические зеркала преобразуют цилиндрическую или сферическую волну в плоскую. Для цилиндрической волны — зеркало представляет собой параболический цилиндр, для сферической волны — параболоид вращения^[1].
2. сферические зеркала мало отличаются от параболических зеркал с фокусным расстоянием равным половине радиуса сферы^[1].
3. плоские зеркала в основном используются в вибраторных антеннах и иногда в перископических и остронаправленных^[1], при этом система из двух зеркал, находящихся под определенным углом друг к другу, образуют вместе с симметричным вибратором (облучатель) уголковую антенну (тип зеркала в данном случае называют уголковым)^[4].
4. зеркала специального профиля чаще представляют собой параболические зеркала с рассчитанным отклонением от параболической поверхности. Основная цель использования таких антенн — формирование диаграммы направленности специальной формы, например, косекансной^[1] или любой заданной формы. Зеркала специальной формы, могут применяться так же для создания диаграммы направленности, комформной зоне обслуживания, в которой работает радиостанция (пример: спутник, базовая станция сотовой связи). Основная цель использования таких зеркал - экономия энергетического ресурса РЭС при максимальном качестве приема - передачи в зоне обслуживания.

• 

  Прямофокусная параболическая зеркальная антенна

• 

  Офсетные параболические зеркальные антенны

• 

  Тороидальная зеркальная антенна

• 

  Зеркальная антенна со схемой Кассегрена

Особенности конструкции

Зеркало обычно состоит из диэлектрической основы (углепластик - для космических антенн), которую покрывают металлическими листами, проводящей краской, фольгой^[4]. При этом листы часто являются перфорированными, или представляют собой сетку, что обусловлено стремлением снизить вес конструкции, а также максимально снизить сопротивление ветру и осадкам. Однако такое несплошное зеркало приводит к следующим последствиям: часть энергии проникает сквозь зеркало, что приводит к ослаблению КНД антенны, и усилению излучения позади рефлектора. Эффективность антенны с несплошным зеркалом рассчитывается по формуле $T = \frac{P_{pr}}{P_{pad}}$, где $P_{pr}$ - мощность излучения позади рефлектора, а $P_{pad}$ - мощность излучения рефлектора (падающей волны)^[4]. Если $T < 0,01$, несплошное зеркало считают хорошим. Данное условие обычно выполняется при диаметре отверстий перфорированного зеркала менее $0,2\lambda$ и суммарной площади отверстий до $0,5-0,6$ от всей площади зеркала^[4]. Для сетчатых зеркал диаметр отверстий не должен превышать $0,1\lambda$^[4].

Характеристики зеркальных антенн

• Ширина диаграммы направленности (ДН) в заданных плоскостях (Е, Н) или во всех направлениях
• Форма ДН (контурная, круговая)
• Коэффициент усиления в максимуме ДН антенны
• Уровень боковых лепестков
• КСВ
• Поляризация (круговая, линейная)
• Направление вращения поля антенны
• Коэффициент поляризации
• Диапазон рабочих частот
• Допустимые ветровые нагрузки
• Вес (для космических антенн)

Интересные факты

• В однозеркальной антенне с круговой поляризацией облучатель должен иметь направление вращение поля противоположное заданному направлению вращения поля антенны.
• Зеркальные антенны с направлением ДН на движущийся объект обычно имеют электропривод для отслеживания углового направления за объектом.
• Измерения ДН больших зеркальных антенн в дальней зоне связано с большими трудностями, связанными со значительными расстояниями от антенн до мест измерения их сигналов. Для измерений ДН используют шумовые сигналы от Солнца, спутников связи, большие коллиматорные антенны.
• Большие зеркальные антенны, расположенные в разных местах планеты Земля, используются в качестве элементов антенных решеток, для исследования дальнего космоса.

См. также

• Спутниковая антенна

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Справочник по радиоэлектронике / Под ред. А. А. Куликовского.. — М.: Энергия, 1967. — Т. 1. — 316 с.
2. ↑ И.П. Заикин, А.В. Тоцкий, С.К. Абрамов, В.В. Лукин Проектирование антенных устройств СВЧ / Под ред. А. А. Куликовского.. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2005. — С. 47. — 107 с.
3. ↑ ^{1 2} Зеркальные антенны на antenna.tj
4. ↑ ^{1 2 3 4 5} Шифрин Я.С. Антенны. — ВИРТА им. Гоборова Л.А., 1976. — С. 239-241. — 408 с.