Принцип действия и классификация зеркальных антенн

Зеркальными называют антенны, в которых требуемые направленные свойства обеспечиваются за счет отражения электромагнитной волны от металлического зеркала (рефлектора) определенного профиля (1 на рис. 1.17). Источником электромагнитной волны, падающей на зеркало, является какая-либо слабонаправленная антенна, называемая облучателем (2 на рис. 1.17).

Рис. 1.17

В некоторых конструкциях зеркальных антенн может использоваться несколько зеркал, имеющих в общем случае разные профили. Это наиболее распространенный тип остронаправленных антенн, нашедший широкое применение в радиолокации, технике связи, радионавигации, радиоастрономии и других областях благодаря простоте конструкции, возможности получения разнообразных

по форме ДН, высокого КПД, малой шумовой температуры, хороших диапазонных свойств. Некоторые типы зеркальных антенн обеспечивают сравнительно быстрое качание луча в широком секторе, что важно при построении обзорных РЛС. С использованием зеркальных антенн могут быть построены моноимпульсные пеленгаторы, применяемые в радиолокационных станциях для определения угловых координат целей.

Антенны данного типа классифицируют по числу зеркал и форме их профиля. Наибольшее распространение на практике получили одно- и двухзеркальные антенны (рис. 1.18, з). По форме профиля различают антенны с параболическими, круговыми, плоскими и специального профиля зеркалами. К параболическим относят антенны, сечение которых некоторой плоскостью представляет собой дугу параболы. Очевидно, что параболическими являются антенны с поверхностью зеркала в виде параболоида вращения (рис. 1.18, а), параболического цилиндра (рис. 1.18, б), а также вырезок из них (рис. 1.18, в, г). Аналогичным образом круговые зеркала выполняются в виде части сферы (рис. 1.18, д), кругового цилиндра (рис. 1.18, е) или вырезок из них.

Антенны, имеющие зеркала с центральной симметрией, формируют осесимметричные (игольчатые) амплитудные ДН. Параболоцилиндрические и кругоцилиндрические антенны имеют веерные АДН с существенно различной шириной главного лепестка в перпендикулярных плоскостях. С помощью зеркал специального профиля (рис. 1.18, ж) формируют веерные диаграммы особой формы, например косекансные. В двухзеркальных антеннах (рис. 1.18, з) основное зеркало 1 обычно является параболоидом вращения, а дополнительное 2 (меньшего диаметра) может быть гиперболоидом вращения или частью эллипсоида.

Рис. 1.18

Из всех типов зеркал наилучшими фокусирующими свойствами обладают параболические, к которым относятся параболоид вращения, параболический цилиндр и вырезки из них. Рассмотрим антенны этого типа.

Характеристики зеркальных антенн в значительной степени определяются свойствами используемых в них облучателей, к которым предъявляются следующие требования:

АДН облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудно-фазовое распределение поля на раскрыве и иметь минимальное излучение вне угла раскрыва зеркала;

облучатель должен иметь точечный фазовый центр;

поперечные размеры облучателя должны быть малыми, чтобы снизить эффект затенения раскрыва;

электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для обеспечения работы антенной системы без пробоя;

рабочая полоса частот облучателя должна обеспечивать требуемые диапазонные свойства антенны;

конструкция облучателя должна быть простой и обеспечивать нормальную работу антенны в различных метеоусловиях.

Рис. 1.19

На практике находят применение следующие типы точечных облучателей (рис. 1.19): двухвибраторные облучатели, питаемые коаксиальной линией (рис. 1.19, а) или волноводом прямоугольного сечения (рис. 1.19, в); вибратор с плоским рефлектором (рис. 1.19, б); спиральная антенна (рис. 1.19, г); волноводно-рупорный облучатель (рис. 1.19, д); двухщелевой облучатель (рис. 1.19, е). Для одновременной работы на двух ортогональных поляризациях могут применятьсятурникетные облучатели. Наиболее совершенными являются рупорные облучатели, внутренняя поверхность которых гофрирована (т.е. представляет собой замедляющую структуру), что позволяет устранить кроссполяризационную составляющую и обеспечить осевую симметрию диаграммы направленности.

1.5.2. Принцип действия и основные радиотехнические
характеристики параболоида вращения полного профиля

Как указывалось выше, параболоид вращения полного профиля представляет собой поверхность, описываемую параболой при ее вращении вокруг своей оси.

Парабола является геометрическим местом точек, равноудаленных от некоторой прямой (директрисы) и точки F (фокуса), не совпадающей с этой прямой (рис. 1.20). Следовательно, для точки А, произвольно выбранной на параболе, . Тогда для точки параболы, лежащей на линии Oz, выполняется равенство:

, (1.19)

где f – фокусное расстояние, равное удалению вершины параболы от фокуса и от директрисы.

Рис. 1.20

Из определения параболы следует ее основное свойство: сумма расстояний от фокуса F до любой точки А на параболе и от этой точки А до точки А' на раскрыве зеркала есть величина постоянная . Благодаря указанному свойству оптические пути от фокуса до точек раскрыва оказываются одинаковыми, вследствие чего сферическая

волна, создаваемая точечным облучателем, помещенным в фокус, после отражения от параболоида вращения превращается в плоскую. Соответственно цилиндрическая волна, создаваемая линейным облучателем, преобразуется в плоскую параболическим цилиндром. В обоих случаях поле на излучающем раскрыве параболических антенн является синфазным, чем достигается высокая направленность излучения. Необходимо подчеркнуть, что равенство оптических путей в параболических зеркалах обеспечивается независимо от длины волны. Поэтому параболические зеркальные антенны обладают хорошими диапазонными свойствами, фактически определяемыми полосой пропускания облучателя и питающего его волновода.

Рассмотрим основные радиотехнические характеристики и параметры параболоида вращения полного профиля.