Antene parabolice
1. Scopul unei antene parabolice
O antenă este un dispozitiv radio proiectat să emită sau să primească unde electromagnetice. Antena este unul dintre cele mai importante elemente ale oricărui sistem de radioteleviziune asociat cu emisia sau recepția de unde radio. Astfel de sisteme includ :. sistem radio de comunicații, radio, televiziune, radio, comunicare cu microunde, radar, astronomie radio, navigație, etc. Antena structural este un fir, suprafața metalică, dielectrici, Magnetodielectrics.
Antenele cu oglindă sunt cele mai comune tipuri de antene direcționale în centimetri, decimetri și, în parte, în lungimi de undă ale metrului. Utilizarea la scară largă a antenelor oglinzilor se explică prin simplitatea designului, posibilitatea de a obține aproape orice model de direcționare practicabil, eficiență ridicată, temperatură scăzută a zgomotului, proprietăți bune de bandajare etc. În aplicațiile radar, antenele cu oglindă fac posibilă obținerea cu ușurință a unei zone egale, permite formarea simultană a diagramelor direcționale totale și diferențiale printr-o oglindă comună. Unele tipuri de antene cu oglindă pot oferi un fascicul suficient de curbat într-un sector semnificativ de unghiuri. Antenele cu oglindă sunt, de asemenea, cele mai comune tipuri de antene în comunicațiile spațiale și radioastronomie.
reprezentanți clasici antene reflector sunt antene parabolice care pot fi realizate sub forma unui paraboloid de revoluție sau un cilindru cilindru parabolic parabolic delimitată de planuri conductoare paralele.
2. Dispozitivul unei antene parabolice
O antenă parabolică constă dintr-o oglinda de metal reflectorizant sub forma unui paraboloid de revoluție și traductorul situat la concentrarea acesteia. În orice punct din planul de deschidere a fazei de oglinzi parabolice antenă câmp electromagnetic, care este determinată de proprietatea parabolei: suma distanțelor de la focalizarea la orice punct al parabolei și din acest punct la planul de deschidere este întotdeauna constantă.
Figura 1 prezintă o antenă parabolică pentru domeniul de frecvență 1215 - 1300 MHz. În centrul oglinzii parabolice (figura 1), iradiatorul prezentat în Fig. 2. Oglinda parabolică este montată pe o bază rotativă, care permite fixarea antenei în poziția necesară.
Fig. 1 Antena parabolică
1 - cadru, 2 fire reflectorizante, 3 - iradiator, 4 cleme, 5 - bara de polietilenă, 6 - disc, 7 - clemă
Fig.2 Designul iradiatorului
1 - țeavă, 2 elemente vibratoare, 3 pinioane, 4 - cablu coaxial, 5 - șaibă, 6 - ștecher, 7 - șaibă
Iradiajul este un vibrator de oprire la jumătate de undă cu un reflector. Alimentarea iluminatorului este furnizată printr-un cablu coaxial cu o rezistență la undă de 75 Ohm. Radiatorul este fixat pe o oglindă parabolică în două puncte prin cleme 4 și tije 5 din polietilenă cu o lungime de 1 m, la capete ale căror șuruburi M4 cu lungimea de 25-30 mm sunt instalate.
Rama oglinzii parabolice este realizată din sârmă durală cu diametrul de 6 - 8 mm. În partea centrală a cadrului oglinzii parabolice se află un disc 6 cu diametrul de 200 mm din duraluminiu de foaie, la care sunt atașate iradiatorul, dispozitivul de rotire și părțile radiale ale ramei oglinzii. Pe cadrul asamblat din partea laterală a părții convexe a oglinzii, firele de reflexie 2 (oglinda antenei) sunt trase.
Antena este usor de fabricat, are o usa usoara si nu necesita reglaj.
3. Principiul funcționării unei antene parabolice
Luați în considerare principiul antenei oglinzii. Valul electromagnetic emis de iradiator, ajungând la suprafața conducătoare a oglinzii, excită curenții care creează un câmp secundar, denumit de obicei câmpul unui val reflectat. Pentru ca oglinda să primească partea principală a energiei electromagnetice radiale, iradiatorul ar trebui să radieze numai într-o singură emisferă în direcția oglinzii și să nu radieze în cealaltă emisferă. Astfel de radiatoare sunt numite unidirecționale.
În deschiderea antenei, undele reflectate au, de obicei, o față plană pentru a obține un model de direcție acută sau o față care oferă o diagramă cu o formă specială. În general (în comparație cu lungimea de undă și diametrul oglinzii) distanțele față de antenă, acest val în conformitate cu legile radiației devine sferic. Amplitudinea complexă a intensității câmpului electric al acestui val este descrisă prin expresie
unde este modelul de radiație normalizat format de oglindă.
P
Principiul acțiunii celei mai simple antene oglindite este prezentat în figura 3:
Fig.3 Schema de funcționare a unei antene parabolice
1 - Oglindă 2 - iradiatorul 3 - wavefront sferic iradiatorul 4 - plat iluminator val frontal, 5 - directivitate model iradiatorul 6 - directivitate model oglindă.
Un iradiaj spot (de exemplu, un corn mic) situat în centrul unui paraboloid creează o undă sferică în apropierea suprafeței oglinzii. Oglinda o transformă într-una plată, adică fasciculul divergent al razelor este transformat într-un fascicul paralel, care este formarea unui model de direcție acută.
4. Utilizarea oglinzilor parabolice în tehnologia antenei
Iradiajul sub forma unui vibrator electric elementar cu un reflector plat - "dipol-reflex" - poate fi realizat în construcția prezentată în figura 4a. Dipolul se alimentează pe o linie coaxială care trece de-a lungul axei de simetrie din spatele oglinzii și este atașată de el printr-un geam care asigură o alimentare simetrică. O jumătate din vibrator este conectat la conductorul extern al liniei, iar celălalt la continuarea unui cilindru metalic cu un sfert de undă construit ca o continuare a acestuia, la care este adecvat un conductor intern al liniei. Diametrul discului anti-reflector este de obicei de aproximativ 0,8 °. Centrul de fază al iluminatorului este aproximativ în planul unui catadioptru.
Structurally, iradiatorul este mai simplu, sub forma unui mic corn piramidal (Figura 4b). Dimensiunile deschiderii claxonului sunt selectate astfel încât lățimea unghiulară a lobului principal al modelului de radiație să fie aproximativ aceeași în planurile E și H. Se poate observa că ghidul de undă care alimentează cornul ușor distorsionează fracțiunea de radiație a oglinzii, "înlocuind" spațiul. În același timp, când cornul este iradiat, polarizarea încrucișată este mică, deoarece câmpul de iradiere este mai uniform.
Spre deosebire considerat „Waveguide corn» -irradiating de tell "waveguide-vibrator" (Fig. 4c) și "waveguide crestate" (ris.4g) iradiatoare alimenta waveguides fără umbrire spațiu mi.
Vibratoarele excitate de radiația ghidului de undă (Fig.4c) sunt întărite pe o placă metalică, care, perpendicular pe vectorul E, nu perturbă câmpurile. Cu dimensiunile sistemului prezentat în figură (cu primul vibrator puțin mai scurt și cel de-al doilea ușor mai lung decât jumătatea valului), radiația unidirecțională este furnizată oglinzii. Centrul de faze se află între vibratoare.
Fig.4 Tipuri de iradiatori
În practică, efectul iradierii inegale a oglinzii sau al scurgerii de energie a iradiatorului dincolo de marginea sa este mai semnificativ decât a fost luat în considerare în calculul aproximativ, ale cărui rezultate au fost citate. În plus, este necesar să se țină seama de deviațiile de fază cauzate de inexactitatea producției de oglinzi. Prin urmare, de obicei, nu este posibil să se atingă valoarea maximă de mai sus a lui x = 0,83. Cu abaterile de fază admise, factorul de utilizare poate fi
Iradierele pentru cilindrii parabolici pot fi compuse din mai multe vibratoare cu jumătate de undă amplasate pe linia focală. Acestea, în special, pot fi vibratoare de tip slot, alimentate de un roman de undă.
O oglindă parabolică poate fi utilizat ca antenă într-o gamă largă de frecvență, care este delimitată de mai jos efecte de margine Chiva-scăderea dimensiunilor relative ale deschiderii și întări-niem, ca mai sus - dificultăți de conformare Thr-balizelor toleranțelor de proiectare. Prin urmare, banda de lucru a antenei este determinată de condițiile de potrivire cu linia de transmisie. În același timp, o "reacție oglindă" a iradiatorului este esențială. Să presupunem că iradiatorul a fost aliniat cu linia fără o oglindă. Apoi, ca urmare a reflexiei din oglindă, apare un val invers în linia de alimentare, adică va exista o nealiniere. Dacă iradiatorul este coordonat în prezența unei oglinzi la o frecvență fixă, atunci reacția oglindă se va manifesta la abateri de frecvență. Într-o serie de cazuri, se folosesc diferite metode de eliminare parțială a reacției oglinzii. De exemplu, o deschidere este făcută în partea sa mijlocie (fig.4a) sau este amplasat un disc metalic acolo (fig.41b). Un disc cu o distanță de oglindă de aproximativ un sfert din undă creează (ca o antenă pasivă) un câmp de radiație care este în antifază cu câmpul care trebuie compensat; intensitatea necesară a radiației discului este realizată prin selectarea dimensiunii sale. Cu toate acestea, există formule aproximative pentru diametrul discului d și distanțele acestuia față de oglinda a (vezi figura 4), sub care compensarea reacției oglinzii ar trebui să fie mai bună:
Pentru a elimina reacția oglindă, iradiatorul poate fi, de asemenea, îndepărtat din zona de deschidere (figura 4c).
5. Principalele caracteristici tehnice ale antenelor parabolice
Una dintre cele mai importante caracteristici ale antenelor terestre este raportul dintre câștigul antenei (G) și temperatura totală a zgomotului (Tσp) la intrarea dispozitivului de recepție. Evident, pentru a crește raportul G / T (figura de zgomot a dispozitivului de recepție), câștigul antenei ar trebui să crească și temperatura totală a zgomotului ar trebui redusă:
Aici, Tu este temperatura de zgomot a amplificatorului LNA cu zgomot redus la care este atașată antena (de obicei Tu
40 ... 60 K); Ttr este temperatura de zgomot a traseului cu microunde, care conectează antena la LNA; Ta este temperatura echivalentă a zgomotului antenei.
Toate cele trei componente sunt comparabile, și pentru a crește raportul G / componentelor T o valoare dată a lui G (și, prin urmare, dimensiunea antenei) trebuie redusă TTR și Ta. Scăderea Tp se obține prin plasarea LNA cât mai aproape posibil de iradiator, adică scurtarea lungimii traseului de alimentare al antenei sau înlocuirea ghidul de fascicul ghid de undă canal - oglinzi sistem periscop între excitatorului și oglinda mică, ceea ce reduce în mod semnificativ puterea pierderii de traiectorie.
Temperatura antenei Ta crește odată cu scăderea unghiului de elevație (unghiul dintre direcția de radiație maximă și planul orizontal), din cauza creșterii absorbției undelor radio în atmosfera pământului adiacente și primind zgomot radiație termică a Pământului. Pentru a reduce influența zgomotului de la sol, este necesar să se asigure un nivel scăzut de sidelobe de antenă. Acest lucru face posibilă suprimarea zgomotului Pământului destul de puternic la = 5 ... 7 0 în banda 4/6 GHz, deoarece recepția lor are loc prin lobii laterale aproape de maxim. În plus, ca unghiul calea de la satelit la antena extinzându-se în straturile atmosferice dense este prelungită, ceea ce duce la o creștere a zgomotului generat de pierderile în atmosferă. În intervalele de înaltă frecvență 11/14 și 20/30 GHz, datorită creșterii semnificative a pierderilor în atmosferă, unghiul minim de ridicare de lucru crește la 10 °.
Toleranța pentru precizia instalării iradiatorului pe axa oglinzilor trebuie să satisfacă condiția ca abaterea de la distribuția în fază să nu depășească / 4. Acest lucru corespunde faptului că Z / 8 (1-cosφotri).
Figura 5. Toleranța pentru precizia instalării iradiatorului pe axa focală.
Astfel, pentru un diametru constant al oglinzii cu o lungime focală în creștere, aceasta duce la o scădere a unghiului . Precizia necesară în instalarea iluminatorului este redusă. Această concluzie este importantă pentru practică, dacă, de exemplu, este vorba de instalarea unui iradiator care nu are un centru de fază.
Din cauza inexactității în instalarea iradiatorului, acesta poate fi deplasat din focalizare nu numai de-a lungul axei oglinzii, ci și într-o direcție perpendiculară pe această axă. Această prejudecată duce la o rotație a modelului antenei. în timp ce abaterea este în direcția opusă deplasării iradiatorului.
Coeficientul de direcționare D la direcția radiației maxime se calculează prin formula:
Factorul k este coeficientul de utilizare a suprafeței de deschidere a paraboloidului. Figura 7 prezintă dependența k pe 0 / f (f este lungimea focală), calculată pe ipoteza că iluminatorul este un vibrator elementar cu un reflector.
Figura 6. Dependența coeficientului de utilizare a suprafeței pe / f.
După cum se poate observa, există un raport optim / f = 1,3 pentru care k și, prin urmare, coeficientul de acțiune direcțional este maximizat. Pentru f = 1,3, valoarea lui k este egală cu 0,83. Valoarea optimă a lui ρ / f este determinată de următorii factori. O parte din energia radiată de iradiator trece de oglindă. Cantitatea de energie pierdută depinde de forma diagramei de iradiere și de raportul / f. Cu o anumită formă a diagramei de iradiere, pierderile de energie cresc cu raportul de scădere / f (figura 7).
Figura 7. Forma optimă a diagramei de iradiere.
Această circumstanță conduce la o scădere a coeficientului k, pe măsură ce raportul / f scade. Cu toate acestea, pe de altă parte, o scădere a raportului f este însoțită de o creștere a uniformității iradierii oglinzii, care este însoțită de o creștere a coeficientului k. Ca urmare a acțiunii acestor doi factori, obținem raportul optim f,
care în cazul unui vibrator elementar cu un reflector este de 1,3.
Câștigul G în raport cu puterea antenei cu un reflector parabolic cu diametrul D crește cu creșterea zonei efective a reflectorului S eff și cu o scădere a lungimii de undă a semnalului recepționat. Se constată prin formula (în unități relative):
Aici este coeficientul de utilizare a suprafeței reflectorului. arătând cât de multă putere semnalul colectat de către reflector cade în iradiere. Din formula rezultă că semnalele de la ieșirile antenelor cu reflectoare care au aceleași zone efective în intervale
vor diferi de 9 ori. Cu toate acestea, de fapt, nu există o astfel de diferență: în spațiul liber, energia undelor electromagnetice se descompune, determinată de o scădere a densității fluxului de putere atunci când se deplasează de la sursă (antena transmițătorului).
Atenuarea L0 crește odată cu creșterea distanței R și a lungimii de undă în scădere a oscilațiilor electromagnetice conform formulei: L0 = 16 R / . Pentru banda de 12 GHz ( = 2,5 cm) și distanța R de 36 000 km, atenuarea L0 atinge 3,25. 10 20 (
Ca rezultat, din cele două formule de mai sus, rezultă că pentru aceeași suprafață a reflectorului parabolic și care primesc antene de aceleași semnale de putere transmițător la ieșirea antenei în intervalul 4 și 14 GHz, va fi aproximativ aceeași.
Lățimea șablonului de radiație (, în grade) poate fi estimată aproximativ folosind relația: .
6. Concluzie
Antenele anticorozive sunt antene în care fenomenul de reflexie a oglinzilor de pe suprafețele metalice curbilare (oglinzi) este utilizat pentru a focaliza energia electromagnetică de înaltă frecvență. În mărime, oglinda este mult mai mare decât lungimea de undă. Modificări majore Antenele oglinzii sunt determinate de numărul de reflectoare: sunt cunoscute antenele cu o, două și trei oglinzi. Structurally, antenele oglinzilor sunt realizate sub formă de suprafețe metalice sau metalizate de diferite forme. Pentru a reduce masa de oglinzi și scad presiunea vântului (windage) pe oglinzile lor de suprafață de multe ori nu sunt realizate din material solid, și o grilă de fire sau plăci paralele, precum și foi metalice perforate.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: