Основные свойства антенн с параболическими зеркалами

Вкачестве антенн, обладающих узкими диаграммами на­правленности и высокими коэффициентами усиления, наи­большее распространение получили параболические зеркала различного типа.

Выбор параболических зеркал в качестве антенн объяс­няется их следующими особенностями. Как известно, пара­бола является геометрическим местом точек, отстоящих от фокуса F (рис. 40) на таком же расстоянии, как и от фиксированной линии, именуемой директриссой (линия A''D", т. е. AF =АА"; BF = ВВ"; CF = СС"; DF = DD" и т. д.).Кроме того, касательная линия, проведенная к любой точке параболы (для примера точка В), образует равные углы j с линией, проведенной от этой точки обратно к фо­кусу F, и с линией, идущей из этой точки параллельно оси параболы. Уравнение параболы в обозначениях, имеющихся на рис. 40, имеет вид у² = 4 fz, где f — фокусное расстояние, равное OF. Расстояние от фокуса до директриссы равно удвоенному фокусному расстоянию и носит название пара­метра па-раболы (р =2f).

Если поместить в фокусе металлического параболиче­ского зеркала точечный источник электромагнитных колеба­ний, то радиоволны, падающие на параболическую поверх­ность, отразятся от нее в виде параллельного пучка лучей в соответствии со вторым свойством параболы.

Из первого свойства параболы следует, что длины путей всех лучей идущих из фокуса параболы до произвольной прямой A'D' перпендикулярной этим лучам, будут равны расстоянию до директриссы (FA -+- Л А' — FB -\- ВВ' --FC-\-CC' — A'A" и т. д.); следовательно, в силу равенства путей всех лучей и одинакового изменения фазы при отраже­нии от поверхности параболы линия A'D' будет линией рав­ной фазы. Иначе говоря, сферическая волна, исходящая из фокуса параболы, после отражения превращается в плоскую. Однако если в фокусе зеркала поместить источник, равно­мерно излучающий во все стороны, то на поле, отраженное зеркалом, будет налагаться поле прямого излучения самого источника (лучи, показанные в правой части рис. 40 пунк­тиром).

Наличие этого поля прямого излучения приводит к ухуд­шению направленных свойств антенны — к уменьшению ее коэффициента усиления и увеличению побочных лепестков. Для устранения этих нежелательных явлений у антенных систем применяют облучатели, обладающие однонаправ­ленными или близкими к ним характеристиками.

Антенны с параболическими зеркалами очень похожи на прожекторы, применяемые в светотехнике и дающие све­товой столб с утлом раствора, близким к нулю.

Однако реальные «радиопрожекторы» — параболиче­ские антенны — излучают не только в направлении фокаль­ной линии OZ, но и под углами к ней. Объясняется это тем, что в отличие от оптики размеры применяемых в антенной технике зеркал не слишком велики по сравнению с длиной волны, а вовсе не трудностями создания точечных источни­ков — облучателей параболических зеркал, как это иногда неправильно утверждается в некоторых популярных статьях.

Усиление, даваемое антеннами с параболическими зерка­лами, получается максимальным, когда источник сфериче­ских волн, находящийся в фокусе, обеспечивает равномерное (однородное) распределение поля в излучающем отвер­стии антенны.

В реальных антеннах эти условия оказываются трудновыполнимыми, из-за чего действующая площадь излучения зеркала оказывается меньше геометрической площади его отверстия. В частности, у антенн с зеркалами в виде парабо­лоидов вращения практически не удается получить коэф­фициент использования излучающего отверстия f больше 0,5-0,7.

Так как фокусное расстояние любой параболической по­верхности является параметром последней и его выбор, как правило, не связан с рабочей длиной волны, поле в раскрыве антенны остается синфазным независимо от изменения волны. Поэтому параболические антенны являются широко­диапазонными. Практически диапазонность их ограничи­вается требованиями к степени согласования входного со­противления облучателя и пределами допустимых углов раствора диаграмм направленности, которые изменяются прямо пропорционально длине волны.

Типы параболических зеркал

На практике применяют в основном четыре типа парабо­лических зеркал-отражателей (pис. 41).

Первый тип отражателя (рис. 41, а) представляет собой параболический цилиндр, вдоль фокальной линии которого располагаются линейные излучатели. Вследствие этого направленность антенной системы в плоскости фокальной линии (плоскость XOZ) зависит от числа облучающих элемен­тов, как и в плоскостных антеннах.

Направленность же этой антенны в перпендикулярной плоскости YOZ определяется в основном размерами парабо­лического цилиндра, отнесенными к длине волны.

Так, если в качестве облучателя параболического цилиндра применяются полуволновые вибраторы с рефлекто­рами (для устра­нения путаницы рефлектор у облучателя именуют контррефлектором), (рис. 41, а), то угол раствора диаграммы направлен­ности между точками половинного значения мощности в плоскости YOZ равен 51° , а сама диаграмма направ­ленности выражается кривой а, показанной на рис. 11.

Другой разновидностью являются антенны с рефлекто­рами в виде параболоидов вращения (рис. 41,б). Антенны этого типа применяются в тех случаях, когда необходимо получить «игольчатую» диаграмму направленности, т. е. узкую диаграмму, как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.

На рис. 41 в, изображена антенна с усеченным парабо­лоидом вращения, а на рис. 41 г — параболоид, ограничен­ный эллипсообразным контуром. Рефлектор последнего типа иногда называют параболоидом типа «лимонная долька» из-за некоторого внешнего сходства с последней.

Антенны, изображенные на рис. 41в и г, применяются для создания веерных и секторных диаграмм направленности с малым углом раствора в одной плоскости и широким в перпендикулярной к ней плоскости.

Для создания веерных диаграмм также применяются сегментно-параболические антенны, одна из разновидностей ко­торых показана на рис. 42. Эта антенна представляет собой параболический цилиндр небольшой высоты, закрытый с торцов металлическими пластинами. Диаграмма направ­ленности у сегментно-параболической антенны в плоскости YOZ подобна таковой у секторного рупора. В плоскости же XOZ она значительно уже, вследствие того, что в раскрыве сегментно-параболической антенны возникает плоская волна (за счет отражения от параболической поверхности), тогда как в раскрыве секторных рупорных антенн фронт волны цилиндрический.

Сегментно-параболические антенны применяются как самостоятельно, так и в качестве облучателей параболоцилиндрических антенн.

Параллельные пластины у сегментно-параболических ан­тенн обычно делают немного длиннее фокусного расстояния / и обеспечивают надежный кон­такт между ними и возбуждаю щей антенной. Принятие таких мер обеспечивает излучение подведенной к облучателю энергии только в направлении на параболическую поверхность и предотвращает возникнове­ние паразитных токов, выте­кающих из антенны на ее внешнюю поверхность, ибо на­личие таких токов может по­влечь появление развитых боковых лепестков в диаграмме направленности.

В правильно сконструированных сегментно-параболиче­ских антеннах коэффициент использования поверхности 7 несколько больше 0,8.