Конический рупор

В коническом рупорном облучателе c круглым раскрывом также, как и в питающем круглом волноводе, существует основной тип волны Н₁₁. Требования к размеру раскрыва конического рупора аналогичны требованиям для пирамидального рупора. Длина конического рупора также выбирается из условия требуемого КБВ в питающем фидере.

Рис.3.2. Конический рупор

Диаграммы направленности конического рупора рассчитываются по тем же формулам, что и для открытого конца круглого волновода (3.3, 3.4).

3.3 Расчет геометрических характеристик антенны

Обычно расчет начинается с определения радиуса раскрыва параболического зеркала. При расчете геометрии земных антенн космической связи в задании на технический проект указывается рабочая частота f, мощность бортового передатчика P1, коэффициент усиления бортовой антенны G1, требуемая мощность на входе приемника P2, а также расстояние между пунктами связи r. При расчете антенн ретрансляторов радиорелейных линий обычно коэффициент усиления антенн задается техническими условиями на проектирование.

Радиус раскрыва зеркала определяется коэффициентом усиления антенны, необходимым для обеспечения на входе приемного устройства заданной мощности сигнала Р_2.

Величина G₂ находится из формулы:

(3.5)

откуда (3.6)

где _ф1, _ф2 – коэффициенты полезного действия фидеров на передаче и приеме. В расчетах обе величины можно положить равными 0.8, F- множитель ослаблении волны в атмосфере Земли, который находится из соответствующих графиков [3], r – расстояние от спутника до места расположения земной станции.

Радиус раскрыва зеркала находится из условия:

, (3.7)

где  ( КИП) - коэффициент использования поверхности раскрыва,

S_т – площадь облучателя, вызывающая теневой эффект.

В случае однозеркальных параболических антенн коэффициент использования поверхности раскрыва находится в пределах 0.5-0.6.

Фокусное расстояние зеркала определяется из формулы:

, (3.8)

где ₀ – угловая апертура зеркала.

Половина угловой апертуры обычно выбирается в пределах 60⁰-75⁰ и корректируется совместно с фокусным расстоянием и радиусом раскрыва до получения требуемого коэффициента усиления антенны. В случае облучателя в виде открытого конца волновода угловая апертура ₀ может превысить 90⁰.

Профиль зеркала в декартовых координатах рассчитывается по формуле параболы в декартовых координатах:

, (3.9а)

а в полярных координатах:

(3.9б)

3.4 Расчет диаграммы направленности антенны

Диаграмма направленности антенны рассчитывается приближенными методами. Обычно расчет производится по известному закону распределения поля в раскрыве зеркала. Поле в раскрыве рассчитывается по формуле:

, (3.10)

где Е_макс – амплитуда поля у вершины зеркала.

Для большинства облучателей эта формула хорошо аппроксимируется выражением:

, (3.11)

Формула для диаграммы направленности параболической антенны:

, (3.12)

где:  («пьедестал») - отношение амплитуды поля на краю зеркала к амплитуде поля у его вершины,

U = kRsin, J₁(U), J₂(U) – функции Бесселя первого рода первого и второго порядка соответственно,

 - угол, отсчитываемый от фокальной оси антенны.

Часть отраженных от зеркала лучей, на пути которых расположен облучатель, перехватывается этим облучателем. В результате в тракте питания облучателя возникает отраженная волна. Данное явление называется реакцией зеркала на облучатель. Наиболее простым и эффективным способом устранения реакции зеркала на облучатель является установка компенсирующей пластины у вершины зеркала (рис.3.1). Диаметр пластины d и ее расстояние от вершины зеркала t следует рассчитывать по следующим формулам:

, , (3.13)

где f – фокусное расстояние зеркала.

Рис.3.3. Устранение реакции зеркала на облучатель

На космических линиях связи широкое распространение в качестве земных антенн получили двухзеркальные параболические антенны (рис.3.4). По сравнению с однозеркальной антенной двухзеркальная антенна имеет более низкую шумовую температуру и более высокий коэффициент усиления. Антенна содержит два зеркала с совмещенными фокусами - главное большое параболическое зеркало и малое гиперболическое зеркало. Облучатель антенны находится в фокусе второй (мнимой) ветви гиперболы.

Рис. 3.4. Двухзеркальная антенна

Особенностью конструкции двухзеркальной антенны является более высокий коэффициент использования поверхности большого зеркала по сравнению с однозеркальной антенной. Его значение может достигать величины порядка 0.7÷0,8. Чаще всего применяется двухзеркальная антенна, построенная по принципу оптического телескопа Кассегрена.

Расчет антенны обычно начинается с определения радиуса большого зеркала по формуле (3.7). Для определения основных размеров антенны вводится понятие эквивалентного зеркала (рис.3.4). Таким образом, расчет двухзеркальной антенны сводится к расчету эквивалентной по электрическим характеристикам однозеркальной антенны. Ниже приводится сводка формул для расчета основных размеров антенны.

Диаметр малого зеркала D_м = (0,06…0,2)D_б и уточняется по формуле:

,

f_б = (0,3…0,5)D_б; tg ; ;

m = = 2  5; ; ;

; . (3.14)

В качестве облучателя антенны, как правило, применяется пирамидальный или конический рупор.