Исследование электрических характеристик параболической антенны: Методические указания к практическому занятию

Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики.

Л.К. Андрусевич,  А.А. Ищук

Параболическая антенна

Методические указания к практическому занятию

Новосибирск 2008

Цель занятия:  Исследовать электрические характеристики  

параболической антенны        

Основные  теоретические сведения

Параболические  антенны применяются, как правило, в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн.

Параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения (зеркала) (рис. 1) и облучателя, установленного в фокусе зеркала.

Параболическая поверхность образуется в результате вращения параболы с фокусом в точке  F вокруг фокальной оси  Z.

                           X

фокус параболы

                                       А                           

                                 

 

                             

0                                     F       Z            2R₀

y                                                     

 

B                         

Рис. 1

          X              f₀                                        

                                                                     поверхность равных фаз  

                                    M      

 

y₀                     

 

F                          Z   

 

N

Рис. 2

Если в точку   F  поместить  источник сферической волны, то расходящийся  пучок лучей, отражающихся от поверхности параболоида   по законам геометрической оптики, превращается в пучок лучей, параллельных фокальной оси Z (рис. 2). Таким образом, параболическая поверхность трансформирует сферическую волну в плоскую, Любая плоскость, перпендикулярная оси  Z, является синфазно возбужденной поверхностью. Одна из таких плоскостей, опирающаяся на  края параболоида,  называется  его раскрывом.

Облучатель параболического зеркало представляет собой слабонаправленную антенну, которая должна облучать внутреннюю поверхность зеркала и не создавать поле, проходящее мимо него. С помощью параболических антенн удается получать весьма узкие диаграммы направленности.

В случае параболоида вращения раскрыв имеет круглую форму, с радиусом R₀, который связан с углом раскрыва зеркала ψ₀ формулой:

R₀ = 2f₀ tg ().                                           (1)

Форма зеркала обычно характеризуется отношением  R₀ / 2f или половиной угла раскрыва ₀.

Зеркало называется длиннофокусным  (мелким), если  R₀ / f₀   <   1  или ₀ <  p , короткофокусным  (глубоким), если  R₀ / 2f₀   >   1    или    ₀ >  p/2 .  Если фокус находится в плоскости раскрыва зеркала, то R₀ / f₀ = 1  и   ψ₀ = p/2.

Направленные свойства параболической антенны находятся в прямой зависимости от того, как распределяется амплитуда напряженности поля по раскрыву. В любом случае, амплитуда напряженности поля уменьшается в направлении от вершины параболоида к его периферии (к краям). Это легко объяснить при рассмотрении рис.3. В проекции на плоский раскрыв линии тока проводимости, текущего по вогнутой поверхности зеркала, представляет собой семейство кривых линий.

Рис.3. Картина поля в раскрыве

Точно такую же картину в плоскости раскрыва представляет семейство силовых линий напряженности электрического поля. На рис.3 видно, что в направлении к краям зеркала амплитуда вертикальной составляющей напряженности электрического поля уменьшается за счет того, что увеличивается амплитуда напряженности поля горизонтальной составляющей. По обе стороны от вершины параболоида горизонтальная составляющая имеет разный знак и поэтому не участвует в излучении .

С увеличением фокусного расстояния амплитуда поля в раскрыве распределяется более равномерно, как показано на рис. 4.

Рис.4. Распределение амплитуды поля в раскрыве

 

Раскрыв параболической антенны можно представить как сплошную антенную решетку из элементов Гюйгенса. Как следует из теории антенных решеток, максимально узкий главный лепесток диаграммы направленности (ДН) имеет место у равноамплитудных решеток. Поэтому длиннофокусные параболические антенны имеют более узкий главный лепесток ДН по сравнению с короткофокусными.

Распределение амплитуды поля в раскрыве зеркала зависит не только от фокусного расстояния (кривизны зеркала), но и от диаграммы направленности облучателя. Чем она уже, тем менее равномерно распределена амплитуда поля в раскрыве (и соответственно шире главный лепесток ДН параболической антенны). Таким образом, если антенна должна обеспечить высокую разрешающую способность за счет узкого главного лепестка ДН то применяются длиннофокусные антенны со слабонаправленными облучателями.

Однако это вступает в противоречия с достижением максимального коэффициента направленного действия (КНД) антенны. Зависимость КНД антенны от фокусного расстояния и ДН облучателя имеет сложный характер. С ростом фокусного расстояния при фиксированной ДН облучателя, увеличивается доля мощности облучателя, не попадающая на зеркало. Это приводит к уменьшению КНД. Но с  увеличением фокусного расстояния поле в раскрыве зеркала распределяется более равномерно, что приводит к увеличению КНД. На величину КНД влияет также ширина ДН облучателя. Чем оно больше, тем больше КНД, но при этом увеличивается доля мощности облучателя, идущая мимо зеркала, что уменьшает КНД.