Принцип действия параболической антенны

Параболическая антенна используется для создания остронаправленного излучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз превышают рабочую длину волны. Антенна состоит из металлического зеркала (рефлектора) параболической формы и облучателя, расположенного в ее фокусе. В работе исследуется антенна с зеркалом в виде параболоида вращения (рисунок 1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром 2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностью зеркала - его вершиной. Расстояние f от вершины зеркала до фокуса F называется фокусным расстоянием. На следующем рисунке показан ход лучей в параболической антенне.

Рисунок 1 - Схема параболической антенны.

Рисунок 2 - Ход лучей в параболической антенне.

Выбор геометрических размеров параболического зеркала

Для расчета диаметра раскрыва зеркала воспользуемся формулой из радиолокации:

Все значения нам известны, тогда выражаем из формулы G - коэффициент усиления антенны:

Зная, что G=Д ?a, где Д - коэффициент направленного действия антенны (положив?a=1 - КПД), G=Д.

В результате Д=7127.

Где S - геометрический размер раскрыва зеркала (S=?r2); ? - коэффициент использования зеркала, который показывает насколько эффективно используется вся поверхность зеркала, обычно составляет 0.64?0.65 (0.7).

Диаметр раскрыва зеркала является функцией требующейся ширины диаграммы направленности, а также несколько зависит от амплитудной и фазовой характеристики в раскрыве зеркала. Закон распределения амплитуд поля вдоль поверхности раскрыва зеркала определяется диаграммой излучения облучателя, если пренебречь потерями при отражении от зеркала. Для большинства применяющихся облучателей распределение амплитуд в одной из плоскостей (горизонтальной или вертикальной) вдоль раскрыва зеркала можно с достаточной точностью апроксимировать законом (1-x2) p, где х - координата, откладываемая от оси антенны; р = 0,1,2,3 - некоторое целое число.

Проведем расчет радиуса выпуклой части зеркала. Для этого строится график функции радиуса раскрыва от расстояния у(x) =(4f·x) 0.5, где f- расстояние до фокуса. В результате получен график представленный на рисунке 12.

Рисунок 3 - Зависимость радиуса раскрыва от расстояния.

Радиус параболической части зеркала равен 0.9м. В результате полностью определены геометрические размеры зеркала.

Выбор облучателя, и его расчет

Для дальнейших расчетов требуется выбрать облучатель который бы удовлетворял данной антенне. Одной из важных частей параболической антенны является первичный облучатель, помещаемый в фокусе зеркала. В идеале к нему предъявляются следующие требования: 1) облучатель не должен излучать энергию в направлении, противоположном направлению на зеркало, так как это излучение не фокусируется зеркалом и поэтому искажает основную диаграмму направленности; 2) диаграмма облучателя должна обеспечивать равномерное облучение зеркала и получение таким образом максимального коэффициента направленного действия; 3) диаграмма облучателя должна быть такой, чтобы фаза поля в раскрыве зеркала была постоянной. Облучатель, вполне удовлетворяющий этим требованиям, практически не существует. При конструировании параболических антенн используют облучатели в виде полуволнового вибратора, открытого конца волновода, рупора и щели, хотя они только частично удовлетворяют перечисленным требованиям.

Рассмотрим подробнее некоторые типы облучателей.

Ор-би-та спут-ни-ка но-сит на-зва-ние гео-ста-ци-о-нар-ной, ес-ли при вра-ще-нии Зем-ли спут-ник все-гда ви-сит над од-ной и той же точ-кой зем-ной по-верх-но-сти. Та-кие ор-би-ты за-ча-стую ис-поль-зу-ют-ся в си-сте-мах свя-зи и по-зи-ци-о-ни-ро-ва-ния.

Спут-ник, ко-то-рый Вы ви-ди-те на кар-тин-ке, яв-ля-ет-ся сим-во-лом кос-ми-че-ской про-грам-мы на-шей стра-ны. Это «СОЮЗ-ТМ ».

А вот так в ка-кой-то мо-мент вы-гля-де-ла за-став-ка про-грам-мы «Вре-мя» - ос-нов-ной ин-фор-ма-ци-он-ной те-ле-про-грам-мы стра-ны.

Ну а в мульт-филь-ме мы по-смот-рим, как про-ис-хо-дит про-цесс пе-ре-да-чи сиг-на-ла, на-при-мер, совре-мен-но-го спут-ни-ко-во-го теле-ви-де-ния.

Про-ве-дём пря-мую и на-зо-вём её ди-рек-три-сой. Возь-мём точ-ку вне неё. Гео-мет-ри-че-ское ме-сто то-чек, рав-но-уда-лён-ных от ди-рек-три-сы и дан-ной точ-ки (фо-ку-са), на-зы-ва-ет-ся па-ра-бо-лой .

Ес-ли на-пра-вить на па-ра-бо-лу лу-чи све-та, па-рал-лель-ные её оси сим-мет-рии, то все лу-чи со-бе-рут-ся в фо-ку-се па-ра-бо-лы . Это свой-ство на-зы-ва-ет-ся оп-ти-че-ским свой-ством па-ра-бо-лы.

Вер-но и об-рат-ное. Ес-ли по-ме-стить лам-поч-ку в фо-кус, то лу-чи, от-ра-зив-шись от па-ра-бо-лы, пой-дут па-рал-лель-но , при-чём гра-ни-ца све-та бу-дет пря-мой.

Ес-ли про-вра-щать па-ра-бо-лу от-но-си-тель-но её оси сим-мет-рии, то по-лу-чит-ся уже по-верх-ность вра-ще-ния вто-ро-го по-ряд-ка - па-ра-бо-ло-ид . Так как в лю-бом се-че-нии плос-ко-стью, со-дер-жа-щей ось сим-мет-рии, по-лу-ча-ет-ся од-на и та же па-ра-бо-ла, то оп-ти-че-ское свой-ство вер-но и для па-ра-бо-ло-и-да. Ес-ли по-ме-стить лам-поч-ку в фо-кус па-ра-бо-ло-и-да, то лу-чи, от-ра-зив-шись от по-верх-но-сти, пой-дут па-рал-лель-но друг дру-гу . Об-рат-ное то-же вер-но.

Имен-но это свой-ство ис-поль-зу-ет-ся в спут-ни-ко-вых па-ра-бо-ли-че-ских ан-тен-нах . Так как спут-ник на-хо-дит-ся очень да-ле-ко от ан-тен-ны, то лу-чи мож-но счи-тать по-чти па-рал-лель-ны-ми, и при-ём-ник сиг-на-ла ста-вит-ся в фо-кус па-ра-бо-ло-и-да.

До-пол-ни-тель-ная ин-фор-ма-ция:

На ла-ты-ни focus озна-ча-ет «очаг, огонь» . Как ма-те-ма-ти-че-ский тер-мин сло-во «фо-кус»

6.1. Параболические антенны

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 6.1). Точка F - фокус и линия АВ - директриса. Точка М с координатами х, у - одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.

По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора MF^2 =FK^2+ MK^2. В то же время FK = = х - р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.

Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:

у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (6.1)

По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?

Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 6.2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало парабо

лоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 6.3).

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм - всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Спутниковая антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых

Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.

Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.

Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного

меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.

Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.6.

Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.

Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.

Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 6.7, а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.

Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления 300 раз (рис. 6.7, б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве, в частности, основан принцип работы прожектора.

Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид - это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.

Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности яв-

ляется ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.

Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.

Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение от реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.

Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.

С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.

Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны везде должны касаться поверхности.

Тема нашего сегодняшнего разговора - параболическая антенна. Дело в том, что многие ошибочно называют так все антенны для спутникового телевидения. На самом деле не все эти устройства - параболические антенны. Это всего лишь один тип этого оборудования. Давайте сначала дадим определение этому понятию. Итак, спутниковым называют зеркальное оборудование, предназначенное для того, чтобы принимать сигналы со спутников.

Теперь переходим непосредственно к видам. Параболическая антенна является самым распространенным из них. Применяется для приема радиопередач, а также предназначается для телевидения и обеспечения доступа в Интернет. Существует две разновидности таких устройств.

Первая разновидность - прямофокусная. Это классический тип параболоида вращения. Эта параболическая антенна может работать как в С-диапазоне, так и в Ku-диапазоне. Есть возможность работы устройства еще и в комбинированном режиме. Вторая разновидность - офсетная антенна. Данный вид наиболее распространен для индивидуального приема спутникового вещания. Данная антенна представляет собой эллиптический параболоид. Фокус этого сегмента находится ниже, чем геометрический центр устройства.

Такое расположение способствует устранению затенения полезной площади как облучателем, так и опорами для него. Поэтому эта параболическая антенна имеет коэффициент выше, чем предыдущая разновидность при одинаковой зеркальной площади. А установление облучателя ниже, чем центр тяжести антенны, позволяет увеличивать ее устойчивость во время воздействия ветра, ведь она крепится практически вертикально.

Благодаря расположению антенны в чаше исключается скопление Как известно, они способны довольно сильно влиять на качество сигнала. Угол наклона этой антенны может меняться, в зависимости от нахождения в той или иной географической широте. Этот вид антенн работает в таких же диапазонах, что и прямофокусные.

Следующая разновидность - тороидальные антенны. Этот продукт относится к новой категории приема спутниковых сигналов (без применения устройств для поворотов). Отличается такая антенна от всех предыдущих устройств тем, что ее парабола имеет лучше спроектированную поверхность отражения. Благодаря второму отражателю реализована возможность установления большего количества конвертеров приема сигнала.

Такая антенна изготавливается из специальной гальванизированной стали, которая покрывается полиэстеровым лаком. На ее держателе можно разместить максимум 16 конвертеров. Между ними допускается отступ минимум 3 градуса. Правда, монтаж требует четкого соблюдения угла, наклона и азимута. Преимущество этой антенны заключается еще в том, что на нее возможно установить специальный мотор, который способен поворачивать устройство в направлении необходимого спутника.

В последнее время актуальна параболическая антенна WiFi. Как вы догадались по названию, она способна работать без проводного подключения. Вот, в принципе, и все, что я хотел вам рассказать об антеннах.

Работа спутниковых антенн, в частности тех, которые принимают телевизионный сигнал, основана на оптическом свойстве параболы. Парабола - это геометрическое место точек, равноудаленных от прямой (называемой директрисой) и от не лежащих на директрисе точки (называемой фокусом). Из приведенного определения параболы не сложно получить "школьное": парабола - это график квадратичной функции y=ax^2+bx+c (в частности, y=x^2).

Сформулируем упомянутое оптическое свойство параболы. Если в фокусе параболы поместить точечный источник света (лампочку) и включить его, то лучи, отразившись от параболы, пойдут параллельно оси симметрии параболы, причем передний фронт будет перпендикулярен оси.

Верно и обратное - если на параболу падает поток лучей, параллельных оси симметрии, то, отразившись от параболы, лучи придут в фокус, причём одновременно, если передний фронт потока лучей перпендикулярен оси.

При вращении параболы вокруг её оси симметрии получается параболоид вращения - поверхность второго порядка. При любом сечении параболоида плоскостями, проходящими через ось симметрии, получаются равные параболы с общим фокусом, поэтому параболоид также обладает оптическим свойством. Если поместить излучатель в фокус, то лучи, отразившись от поверхности, пойдут параллельно оси вращения. А если на параболоид падают лучи, параллельные его оси, то после отражения все они собираются в фокусе.

Оптическое свойство - принципиальная основа параболических антенн. Антенны могут вращаться, пример - параболические антенны в аэропортах, по форме являющиеся "ломтиками" огромных параболоидов, они и передают и принимают сигнал. Антенны могут быть неподвижными. К последнему типу относятся бытовые спутниковые телевизионные антенны ("тарелки"): их нацеливают на спутник-ретранслятор, находящийся высоко над Землёй на геостационарной орбите, после чего их положение фиксируется.

Поскольку спутник находится далеко от поверхности, приходящие от него лучи в точке приёма антенной можно считать параллельными. В фокусе спутниковой антенны находится приёмник, от которого сигнал по кабелю отправляется к телевизору.

Эта же идея применяется при создании прожекторов железнодорожных локомотивов, фар автомобилей, её можно использовать даже для приготовления еды в полевых условиях. Оптическое свойство параболы "знает" и мир живой природы. Например, некоторые северные цветы, живущие в условиях короткого лета и недостатка солнечных лучей, раскрывают лепестки в форме параболоида, чтобы "сердцу" цветка было теплее. «Параболическими» являются такие альпийские и арктические цветы, как прострел альпийский, беквичия ледниковая, полярный мак. Благодаря оптическому свойству параболы у таких цветов ускоряется созревание семян. Ещё одно полезное для цветов следствие свойства их параболичности — привлечение насекомых, которые любят «понежиться» в чаше цветка, а это влияет на процесс переноса пыльцы (опыление).