Исследование параболических антенн

Государственный комитет РФ  по связи и информатизации

                     Сибирский государственный университет

                          телекоммуникаций и информатики

                                        Л.К. Андрусевич

                                        А.А. Ищук

                Исследование параболических антенн

                            Методические указания

                             к лабораторной работе

                                  Новосибирск 2008

Цель работы: изучить принцип работы параболической антенны и исследовать ее характеристики и свойства

                     Основные теоретические сведения

   Параболическая антенна является одним из видов зеркальных

антенн. Основными элементами конструкции зеркальных антенн являются металлическое зеркало (рефлектор) и слабонаправлен-

ная антенна, используемая в качестве облучателя рефлектора. В отличие от проволочных (вибраторных) антенн в зеркальных антеннах функции формирователя диаграммы направленности и функции источника возбуждения первичного поля разделены. Диаграммообразующим элементом антенны является рефлектор, а роль источника первичного поля  выполняет облучатель. В зависимости от требований, предъявляемых  к антеннам, применяются различные типы рефлекторов : плоские и уголковые отражатели, параболоиды вращения, параболические цилиндры и др. Наиболее широкое распространение в системах радиосвязи получили  антенны с рефлектором в виде параболоида.

    Введем основные определения. Раскрывом (апертурой) параболической антенны называется плоскость, опирающая на края зеркала (рис.1). Раскрыв  параболоида вращения имеет форму круга. Фокусным расстоянием f параболического зеркала называется расстояние от фокуса до вершины зеркала. Фокальной осью называется прямая линия, проходящая через фокус и вершину зеркала. Углом раскрыва зеркала ψ₀ называется угол, образованный фокальной осью и  прямой, соединяющей фокус зеркала и крайнюю точку раскрыва.

                                           Рис.1 Виды зеркал

    Параболой называется геометрическое место точек, находящихся на одинаковом расстоянии от фокуса и директрисы. На этом основании, как следует из рис.2, основным свойством параболического зеркала является то, что сумма расстояний от фокуса до поверхности зеркала FA и от поверхности зеркала до его раскрыва AB является величиной постоянной при любых  углах раскрыва. Поэтому, если в фокус зеркала поместить источник сферических волн, то поверхность раскрыва становится синфазной поверхностью. Следовательно, антенна с параболическим рефлектором трансформирует сферическую волну в волну с

                                         Рис.2 Свойства параболы

плоским фронтом (плоскую волну). При этом ширина диаграммы направленности антенны оказывается равной нулю. В действительности направленные свойства параболической антенны значительно отличаются от этого предела. Это объясняется тем, что приведенные рассуждения основаны на законах геометрической (лучевой) оптики и не учитывают дифракционные (волновые) процессы на краях зеркала, в принципе исключающие образование плоских волновых фронтов (принцип Гюйгенса–Френеля). Поэтому определение направленных свойств параболической антенны на основании законов геометрической оптики дает тем более точные результаты, чем больше размеры раскрыва антенны по отношению к длине волны.

В инженерной практике для простоты расчетов раскрыв принято считать синфазно возбужденной поверхностью.

    Для расчета диаграммы направленности параболической антенны применяют метод, в основе которого лежит предположение, что источником вторичного излучения являются не токи проводимости, текущие по поверхности зеркала, а воображаемые источники (элементы Гюйгенса), расположенные в плоскости раскрыва, образующие сплошную решетку синфазных излучателей. Из курса « Электромагнитные поля и волны» известно, что плотность воображаемых поверхностных токов в раскрыве можно представить через характеристики поля в раскрыве (через векторы Е и Н).