Мета роботи:
Вивчити принцип роботи дзеркальних антен; виконати розрахунок направлених властивостей антени.
Провести експериментальне дослідження діаграми випромінювання дзеркальної антени.
Загальні відомості про рупорні та дзеркальні антени.
Апертурні антени – це антени випромінювання в яких відбувається через розкрив, що зветься апертурою від латинського слова aperture – отвір.
До рупорних антен відносять в першу чергу такі антени як рупорні, лінзові і дзеркальні зображені на рисунку 1.
Рисунок 1 – Рупорні антени.
З самої назви цих антен слідує що їх конструкція і принцип функціонування аналогічні відповідним акустичним і оптичним системам, які в дійсності і являються їх прототипами.
Апертурні антени застосовуються в основному в діапазоні НВЧ, тобто на хвилях коротших 1м. Мала довжина хвилі дозволяє сконструювати антени, розміри яких значно більші довжини хвилі. Відповідно можна сконструювати гостро-направлені антени, що мають порівняно невеликі розміри. Крім того, можливе створення антен, що мають діаграму направленості особливої форми,
що визначається спеціальним призначенням антени (наприклад, антени огляду земної поверхні з борту літака та інше).
Апертурні антени довгі роки являлись основним типом радіолокаційних антен. Вони також знаходять широке застосування в радіонавігації, радіоастрономії, в радіотехнічних системах керування штучними супутниками Землі і космічними кораблями, в тропосферних і радіорелейних лініях зв’язку і т д.
У багатьох застосованих на практиці апертурних антен поле в розкриві має однакову поляризацію, близьку до синфазного, тобто незмінному по фазі, і характеризується амплітудою, яка або мало змінюється по розкриву або має максимум в середині і зменшується по краях розкриву. Для таких антен ширина діаграми направленості по половинній потужності приблизно визначається виразом
Коефіцієнт направленої дії можна визначити по приведеній вище формулам, якщо врахувати що коефіцієнт використання площі розкриву Ки=0,5...0,8. Тому КНД
Де S – площа розкриву.
Найбільш поширеними гостро-направленими антенами є дзеркальні параболічні антени. Їх широке застосування в самих різноманітних радіосистемах пояснюється простотою конструкції, можливістю отримання різних видів ДС, високим ККД, діапазонними властивостями та ін.
Дзеркальними називаються антени у котрих поле в розриві формується в результаті відбиття електромагнітної хвилі від металевої поверхні спеціального рефлектора (дзеркала). Джерелом електромагнітних хвиль зазвичай є елементарна антена, що називається опромінювачем. Саме дзеркало і опромінювач є основним елементом антени.
Рисунок 2. Принцип дії дзеркальної антени.
1 - дзеркало; 2 - опромінювач; 3 - сферичний фронт хвилі опромінювача; 4 - плоский фронт хвилі, відбитої від дзеркала; 5 - діаграма направленості опромінювача; 6 - діаграма направленості дзеркала.
Принцип дії найпростішої дзеркальної антени ілюструється на рисунку 2. Точковий опромінювач (наприклад, маленький рупор), розташований у фокусі параболоїда, створює в поверхні дзеркала сферичну хвилю. Дзеркало перетворює її в плоску, тобто розбіжний пучок променів перетвориться в рівнобіжний, чим і досягається формування гострої діаграми направленості.
Зміщення опромінювача в напрямку, перпендикулярному оптичній осі дзеркала, супроводжує відхилення напрямку головного максимуму випромінювання в бік, протилежний зміщенню опромінювача. Якщо обертати опромінювач навколо осі антени, то головний пелюсток буде також повертатися. Таким чином можна утворити рівносигнальну зону навколо осі антени з одночасним формуванням декількох ДС спільним дзеркалом (в тому числі сумарних і різницевих). Можна створити пристрій, який при відхиленні цілі від рівносигнальної зони буде виробляти сигнал похибки. Цей сигнал буде діяти на обертальний механізм і автоматично поверне антену так, щоб ціль знаходилась весь час в рівносигнальній зоні, а сигнал похибки дорівнював нулю. Таким чином можна забезпечити автоматичне слідкування за ціллю.
Дзеркальні антени мають гостру діаграму направленості, саме тому вони застосовуються в радіолокації, радіоастрономії і космічному радіозв’язку.
На сучасному етапі ці антени стрімко розвиваються. Чимало різних фірм випускає такі антени, деякі з них показані на рисунку 3.
Рисунок 3 - Супутникові антени, що випускаються промисловістю.
Дзеркало і опромінювач являються основними елементами дзеркальних антен. Дзеркало зазвичай виготовляється із алюмінієвих сплавів. Поверхні дзеркала надається форма, що забезпечує формування потрібної ДС. Іноді для зменшення парусності і ваги дзеркало виготовляють не суцільним, а решітчастим. Для такого дзеркала доля просо чуваної крізь неї потужності, яка йде на утворення небажаного заднього випромінювання, не повинна перевищувати 0,01–0,02%. Тому решітка повинна бути достатньо густою.
Класичними серед параболічних антен є антени, виконані в виді параболоїда обертання або параболічного циліндра. Дзеркала цих антен перетворюють сферичну чи циліндричну хвилю опромінювача в плоску хвилю при передачі, і навпаки при прийомі. Опромінювач, відповідно, розміщують в фокусі параболоїда чи вздовж фокальної лінії циліндричного дзеркала. Поряд з одно дзеркальними антенами застосовуються і двох дзеркальні параболічні антени, які позволяють утворити більш компактну конструкцію. В дводзеркальних антенах існує більше можливостей для регулювання розподілення поля в розкриві основного дзеркала за рахунок зміни профілю допоміжного дзеркала, а також ряд інших переваг.
Складний каркас дзеркала антени, який вміщує складальне ферментне кільце міцності і концентричні кільця із стержнів та гнучких зв’язків, розташованих навколо осі симетрії каркасу, який відрізняється тим, що з метою зменшення маси і підвищення надійності розкриву в кожному концентричному кільці кінці двох сусідніх стержнів з’єднані між собою паралельними гнучкими зв’язками, наприклад стальними канатами, обидва кінці кожного стержня з’єднані гнучкими зв’язками з нижніми кінцями двох сусідніх стержнів наступного кільця більшого діаметру, а обидва кінці кожного стержня зовнішнього концентричного кільця з’єднані гнучкими зв’язками зі складальним ферментним кільцем міцності.