Основные типы антенн

Зеркальные антенны. Это направленные антенны, содержащие первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Первичным излучателем (или облучателем) называют излучающий элемент антенны, связанный с фидером. На РРЛ, ТРЛ и ССС используют следующие зеркальные антенны: параболические, рупорно-параболические, двухзеркальные и др.

Принцип формирования направленного излучения рассмотрим на примере передающей параболической антенны (рисунок 8.1 а). Поверхность отражателя 1 является вырезкой из параболоида вращения и представляет собой металлическое зеркало. С фокусом зеркала F совмещен центр облучателя 2. Фокусное расстояние обозначено F*. Широко распространены рупорные облучатели, питаемые от волновода 3.

 

		в)

 

Рисунок 8.1 – Схемы параболических антенн:

а – осесимметричной; б – осесимметричной улучшенной;

в – неосесимметричной (1 – отражатель; 2 – облучатель; 3 – фидер).

 

Рупор излучает сферическую волну, которая, отражаясь от отражателя, превращается в плоскую в раскрыве антенны. Ход лучей показан на рисунке 8.1 а и в тонкими линиями со стрелками. Раскрывом называют плоскость S, перпендикулярную фокальной оси MN и ограниченную кромкой зеркала (рисунок 8.1 а) либо проекцией на нее этой кромки (рисунок 8.1 в).

В плоскости раскрыва все лучи должны быть параллельны, т.е. иметь одинаковую фазу. Кроме того, амплитуды лучей также должны быть одинаковы. За счет этого мощность излучения концентрируется в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва. Чем больше S, тем уже главный лепесток ДН антенны и больше G. На практике амплитуда поля в раскрыве S обычно спадает к краям. Следовательно, в создании направленного излучения участвует не вся апертура S, а ее часть, называемая эффективной площадью антенны. Чтобы лучше использовать антенну, стараются повысить ее КИП. С этой целью применяют рупорные облучатели с улучшенной ДН. На КИП влияют также точность изготовления поверхности зеркала, затенение раскрыва и др. Атмосферные осадки, скапливаясь на поверхности отражателя или попадая на облучатель, ухудшают электрические параметры антенны. Поэтому антенны защищают от осадков, применяя радиопрозрачные материалы. Облучатели закрывают кожухами, а раскрывы антенн – чехлами из гибкой пленки или защитными крышками.

Параболические антенны (ПА). В симметричной ПА (рисунок 8.1а, б) форма отражателя симметрична относительно фокальной оси. Облучатель оказывается в поле плоской волны. Часть энергии последней возвращается к облучателю, попадает в волновод и нарушает его согласование с антенной. Кроме того, облучатель и волновод затеняют раскрыв антенны, снижая ее КИП и ухудшая ее направленные свойства. Для улучшения согласования ПА устанавливают металлический диск 5 (рисунок 8.1б) на некотором расстоянии r от зеркала 1. Диаметр диска d и расстояние r подбирают такими, чтобы волны, переизлученные диском и зеркалом, у облучателя оказались в противофазе и компенсировали друг друга. Такая компенсация возможна только в узкой полосе частот, в пределах 0, 1 f, так как d и r зависят от f. Угол раскрыва параболического зеркала 2Y₀ (рисунок 8.3б) выбирают близким к p, что позволяет реализовывать k_з(q)=45…50дБ. При меньших углах раскрыва возрастает излучение рупора за кромку зеркала и падает k_з. Его повышают, устанавливая металлические защитные экраны 4 (рисунок 8.1б) в виде цилиндрических насадок на кромку зеркала. В таких улучшенных антеннах получают k_з(q)=55…70дБ. Коэффициент использования поверхности ПА около 0, 5; диаметр зеркала 1…5м. Осесимметричные ПА достаточно просты в изготовлении и сравнительно недороги.

Отражатель неосесимметричной ПА (рисунок 8.3в) не имеет симметрии относительно фокальной оси MN. Рупор оказывается вне поля плоской волны, переизлученной зеркалом. Поэтому у такой антенны согласование облучателя с волноводом много лучше, чем у осесимметричной и она имеет более широкий диапазон. Угол раскрыва зеркала неосесимметричной ПА не велик. Это снижает ее защитное действие. Для повышения kз устанавливают дополнительные экраны. На отечественных РРЛ применяют неосесимметричные антенны с круглым раскрывом диаметром 1, 1 и 1, 5 м типа АНК-1, 1 и АНК-1, 5. Зеркало представляет собой вырезку из параболоида вращения цилиндром. К нижней части зеркала присоединен металлический экран, улучшающий защитное действие антенны.

 

 

Рисунок 8.2 – Схема рупорно-параболической антенны

 

Облучатель выполнен на основе рупора с изломом образующей и закрыт крышкой из радиопрозрачного материала. Для каждого рабочего диапазона антенну комплектуют своим облучателем. Коэффициент усиления АНК-1, 1 меняется от 31 (4ГГц) до 40, 6дБ (11ГГц); для АНК-1, 5 соответственно от 33, 6 до 43дБ; КИП составляет 0, 6…0, 7. Защитное действие в диапазонах 4 и 11 ГГц в секторе углов180±45⁰ не хуже 53 и 70 дБ. Благодаря наклону зеркала на рабочей поверхности почти не скапливаются осадки. Поэтому антенны можно эксплуатировать без чехла для укрытия зеркала. Эти антенны при соизмеримых с осесимметричными ПА габаритах, массе и стоимости имеют более низкий уровень гарантированных огибающих боковых лепестков.

На отечественных ТРЛ применяют неосесимметричные ПА, у которых контур раскрыва – прямоугольник 20´ 20 м (g=42дБ) и 30´ 30 м (g=45дБ). Облучателем служит пирамидальный рупор длиной до 3 м и раскрывом 1´ 1 м. Для защиты от осадков раскрыв рупора косо срезан и закрыт пластмассовой крышкой.

Рупорно - параболические антенны (РПА). В РПА (рисунок 8.2) неосесимметричное параболическое зеркало 1 соединено с пирамидальным рупором 2 по задней кромке и с помощью боковых металлических стенок 4, продолжающих рупор. Рупор соединяют с волноводом через переход 3 с плавно меняющимся сечением, обеспечивающим согласование. Чтобы через раскрыв 5 осадки и пыль не попадали внутрь антенны, его закрывают крышкой из пенопласта.

Металлические стенки антенны препятствуют непосредственному излучению рупора и защищают его от воздействия внешних мешающих полей. Поэтому РПА имеет высокое защитное действие. При вертикальной поляризации k_з(q)> 65 дБ, при горизонтальной он несколько хуже в секторе углов, примыкающих к 90⁰. Для улучшения защитных свойств конструкцию дополняют экранами. Защитные экраны 5, установленные по боковым кромкам раскрыва, снижают излучение антенны в секторе углов около 90⁰, а экран 3 на верхней кромке – в заднем полупространстве. Антенна с экранами имеет k_з(q)> 70 дБ.

		а)		б)

 

Рисунок 8.3 – Схемы двухзеркальных антенн с гиперболическим (а) и эллиптическим (б) контррефлекторами

 

За счет выноса облучателя из поля плоской волны и хорошего согласования с волноводом достигнут очень большой диапазон РПА. Она может работать в смежных диапазонах.

Площадь раскрыва антенны 5…15 м²; КИП составляет 0, 7…0, 6. Основные недостатки РПА – большие габаритные размеры, масса, стоимость. На отечественных РРЛ применяются антенны типа РПА-2п и ее модификацию РПА-2п-2 площадью раскрыва 7, 5 м² и коэффициентом усиления 39, 5 и 43 дБ соответственно на частотах 4 и 6 ГГц.

Двухзеркальные антенны. У них облучатель состоит из двух элементов (рисунок 8.3) рупора 1 и вспомогательного зеркала 2 (контррефлектора). Фазовый центр рупора совмещен с одним из фокусов F₁ контррефлектора, а фокус параболического отражателя 3 – со вторым его фокусом F₂. Параболическое зеркало излучает так, будто облучатель расположен в фокусе F₂.

Антенна двухзеркальная гиперболическая (АДГ) имеет гиперболическое вспомогательное зеркало (рисунок 8.3а). Хотя рупор и вынесен из поля плоской волны, но часть лучей, отражаясь от гиперболического зеркала, возвращается в рупор. Это ухудшает согласование рупора с фидером и снижает диапазон АДГ, хотя и в меньшей степени чем ПА. Кроме того, контррефлектор и элементы его крепления затеняют раскрыв и снижают КИП. В АДГ получают k_и=0, 45…0, 5 и k_з(q)=65дБ при углах раскрыва 180⁰.

Антенна двухзеркальная эллиптическая (АДЭ) имеет вспомогательное зеркало 2 в форме конуса, образующая которого представляет собой часть эллипса (рисунок 8.3б). Один из фокусов эллипса F₁ лежит на оси симметрии антенны АВ. Геометрическое место фокусов F₂ образует фокальное кольцо диаметром d. Параболическое зеркало состоит из двух симметричных частей. Их фокальные оси MN смещены относительно АВ на 0, 5 d. Вершина конуса 2, фокус F₂ и точки кромки зеркала 3 лежат на одной прямой. Лучи, отраженные от эллиптического зеркала, не попадают в рупор, что обуславливает широкий диапазон АДЭ. Эллиптическое зеркало отражателя, а крайние лучи (их амплитуды ниже) – к центру. Распределение амплитуды поля в раскрыве антенны становится более равномерным, чем у АДГ. Это позволяет получить k_и=0, 6…0, 65. Повышению КИП способствует отсутствие металлических тяг крепления конррефлектора. Последний соединяют с рупором в неразборный герметический блок путем заливки пространства между ними пенополиуретаном, который также предохраняет облучатель от осадков.

Высокое защитное действие (не хуже 65 дБ) обеспечивают направленные центральные лучи рупора на периферию параболического выбором Y₀=210⁰ и установкой дополнительных экранов. К кромке зеркала крепят цилиндрическую насадку, внешний срез которой меняется по специальному закону. Кроме того, ставят металлические кольца с тыльной стороны отражателя. При одинаковом с РПА усилении антенны типа АДЭ имеют меньшую массу и габаритные размеры. Так, например, антенна диаметром 3, 5 м (АДЭ-3, 5) в диапазоне 6 ГГц обеспечивает g=43, 5 дБ, но имеет массу в 3 раза меньшую, чем РПА-2п-2. Ее высота с экраном 3736 см. Применен расфазированный рупор с плавным переходом, обеспечивающий работу АДЭ-3, 5 в смежных диапазонах 4 и 6 ГГц, и сменный облучатель для диапазона 2 ГГц. Промышленность выпускает ряд двухзеркальных эллиптических антенн: АДЭ-1; АДЭ-3, 5; АДЭ-5; АМД-2, 5 и др.