Параболическая антенна

Тип антенны

Erdfunkstelle , большая параболическая антенна спутниковой связи в Райстинге , Бавария , Германия , крупнейшее сооружение спутниковой связи в мире. Имеет корм типа Кассегрена .

Параболическая антенна — это антенна , в которой для направления радиоволн используется параболический отражатель — изогнутая поверхность с формой поперечного сечения параболы . Самая распространенная форма имеет форму тарелки и в народе называется тарелочной антенной или параболической тарелкой . Основным преимуществом параболической антенны является то, что она имеет высокую направленность . Он действует аналогично прожектору или отражателю фонарика : направляет радиоволны узким лучом или принимает радиоволны только с одного определенного направления. Параболические антенны имеют один из самых высоких коэффициентов усиления , а это означает, что они могут создавать самую узкую ширину луча среди антенн любого типа. ^{[1] [2]} Для достижения узкой ширины луча параболический отражатель должен быть намного больше длины волны используемых радиоволн, ^[2] поэтому параболические антенны используются в высокочастотной части радиоспектра , на УВЧ и микроволновые ( СВЧ ) частоты, на которых длины волн достаточно малы, чтобы можно было использовать отражатели удобного размера.

Параболические антенны используются в качестве антенн с высоким коэффициентом усиления для связи «точка-точка» , в таких приложениях, как микроволновые ретрансляционные линии, которые передают телефонные и телевизионные сигналы между близлежащими городами, беспроводные каналы WAN / LAN для передачи данных, спутниковая связь и антенны связи космических кораблей. . Они также используются в радиотелескопах .

Другое широкое применение параболических антенн — это радиолокационные антенны, которым необходимо передавать узкий луч радиоволн для обнаружения таких объектов, как корабли, самолеты и управляемые ракеты . Их также часто используют для определения погоды. ^[2] С появлением домашних приемников спутникового телевидения параболические антенны стали обычным явлением в ландшафтах современных стран. ^[2]

Параболическая антенна была изобретена немецким физиком Генрихом Герцем во время открытия им радиоволн в 1887 году. Во время своих исторических экспериментов он использовал цилиндрические параболические отражатели с дипольными антеннами с искровым возбуждением в их фокусах как для передачи, так и для приема.

Параболические антенны основаны на геометрическом свойстве параболоида, заключающемся в том, что пути FP ₁ Q ₁ , FP ₂ Q ₂ , FP ₃ Q ₃ имеют одинаковую длину. Таким образом, сферический волновой фронт, излучаемый облучающей антенной в фокусе F тарелки , будет отражаться в исходящую плоскую волну L , распространяющуюся параллельно оси VF тарелки .

Дизайн

Принцип действия параболической антенны заключается в том, что точечный источник радиоволн в фокусе перед параболоидным отражателем из проводящего материала будет отражаться в коллимированный пучок плоских волн вдоль оси отражателя. И наоборот, падающая плоская волна, параллельная оси, будет фокусироваться в точке фокуса.

Типичная параболическая антенна состоит из металлического параболического отражателя с небольшой облучающей антенной , подвешенной перед отражателем в фокусе ^[2] , направленной назад к отражателю. Отражатель представляет собой металлическую поверхность, имеющую форму параболоида вращения и обычно усеченную круглым ободом, составляющим диаметр антенны. ^[2] В передающей антенне радиочастотный ток от передатчика подается по кабелю линии передачи на питающую антенну , которая преобразует его в радиоволны. Радиоволны излучаются облучающей антенной обратно к тарелке и отражаются от тарелки в параллельный луч. В приемной антенне входящие радиоволны отражаются от тарелки и фокусируются в точке на питающей антенне, которая преобразует их в электрические токи, которые проходят по линии передачи к радиоприемнику .

Параболический отражатель

Параболическая антенна типа проволочной сетки, используемая для передачи данных MMDS на частоте 2,5–2,7 ГГц. Его питание осуществляется с помощью вертикального диполя, расположенного под небольшим алюминиевым отражателем на стреле. Он излучает вертикально поляризованные микроволны.

Отражатель может быть изготовлен из листового металла, металлического экрана или проволочной решетки и может иметь форму круглой тарелки или другой формы для создания луча различной формы. Металлический экран отражает радиоволны так же эффективно, как и твердая металлическая поверхность, если его отверстия меньше одной десятой длины волны , поэтому для уменьшения веса и ветровой нагрузки на тарелку часто используются экранные отражатели. Для достижения максимального усиления форма тарелки должна быть точной в пределах небольшой доли длины волны, чтобы волны из разных частей антенны достигали фокуса в фазе . Большие блюда часто требуют наличия позади них несущей стропильной конструкции для обеспечения необходимой жесткости.

Рефлектор, сделанный из решетки из параллельных проволок или стержней, ориентированных в одном направлении, действует как поляризационный фильтр , так и отражатель. Он отражает только линейно поляризованные радиоволны, при этом электрическое поле параллельно элементам гриля. Этот тип часто используется в антеннах радаров . В сочетании с рупором с линейной поляризацией он помогает фильтровать шумы в приемнике и снижает количество ложных возвратов.

Блестящий металлический параболический отражатель также может фокусировать солнечные лучи. Поскольку большинство тарелок могут сконцентрировать достаточно солнечной энергии на конструкции подачи, чтобы сильно перегреть ее, если они будут направлены на солнце, твердые отражатели всегда покрываются слоем плоской краски.

Питающая антенна

Облучающая антенна в фокусе рефлектора обычно представляет собой тип с низким коэффициентом усиления , например полуволновой диполь или (чаще) небольшую рупорную антенну , называемую облучающим рупором . В более сложных конструкциях, таких как Кассегрена и Грегориана, вторичный отражатель используется для направления энергии в параболический отражатель от облучающей антенны, расположенной вдали от первичной фокусной точки. Питающая антенна подключается к соответствующему радиочастотному (РЧ) передающему или приемному оборудованию посредством линии передачи коаксиального кабеля или волновода .

На микроволновых частотах, используемых во многих параболических антеннах, требуется волновод для проведения микроволн между питающей антенной и передатчиком или приемником. Из-за высокой стоимости волноводов во многих параболических антеннах радиочастотная электроника приемника расположена на питающей антенне, и принятый сигнал преобразуется в более низкую промежуточную частоту (ПЧ), чтобы его можно было передать на приемник. через более дешевый коаксиальный кабель . Это называется малошумящим блочным понижающим преобразователем . Аналогично в передающих антеннах микроволновый передатчик может располагаться в точке подачи.

Преимущество параболических антенн заключается в том, что большая часть конструкции антенны (вся, кроме питающей антенны) является нерезонансной , поэтому она может работать в широком диапазоне частот (т. е. в широкой полосе пропускания ). Все, что необходимо для изменения частоты работы – это заменить фидерную антенну на ту, которая работает на нужной частоте. Некоторые параболические антенны передают или принимают на нескольких частотах, имея несколько облучающих антенн, установленных в фокусе близко друг к другу.

Параболические антенны

Параболические антенны профилированного луча

Типы

Основные типы параболических антенных облучателей

Параболические антенны отличаются своей формой:

• Параболоид или тарелка  . Отражатель имеет форму усеченного параболоида с круглым ободом. Это наиболее распространенный тип. Он излучает узкий луч карандашной формы вдоль оси тарелки.
  • Закрытое блюдо  . Иногда к краю блюда прикрепляют цилиндрический металлический щит. ^[3] Кожух защищает антенну от излучения под углами за пределами оси главного луча, уменьшая боковые лепестки . Иногда его используют для предотвращения помех в наземных микроволновых линиях связи, где несколько антенн, использующих одну и ту же частоту, расположены близко друг к другу. Кожух покрыт внутри материалом, поглощающим микроволновое излучение. Защитные кожухи могут снизить излучение задних лепестков на 10 дБ. ^[3]
• Цилиндрический  – отражатель изогнут только в одном направлении и плоский в другом. Радиоволны фокусируются не в точке, а вдоль линии. Облучателем иногда является дипольная антенна, расположенная вдоль фокальной линии. Цилиндрические параболические антенны излучают веерообразный луч, узкий в изогнутом измерении и широкий в неизогнутом измерении. Изогнутые концы рефлектора иногда закрываются плоскими пластинами, чтобы предотвратить излучение с концов, и это называется антенной-таблеткой или сырной антенной .
• Антенны с профилированным лучом  . Современные рефлекторные антенны могут быть спроектированы так, чтобы создавать луч или лучи определенной формы, а не только узкие «карандашные» или «веерные» лучи простых тарельчатых и цилиндрических антенн, упомянутых выше. ^[4] Для управления формой луча используются два метода, часто в сочетании:

• Фасонные отражатели  . Параболическому отражателю можно придать некруглую форму или различную кривизну в горизонтальном и вертикальном направлениях, чтобы изменить форму луча. Это часто используется в антеннах радаров. Общий принцип: чем шире антенна в заданном поперечном направлении, тем уже будет диаграмма направленности в этом направлении.

• Антенна «апельсиновая корка»  . Используется в поисковых радарах. Это длинная узкая антенна в форме буквы «С». Он излучает узкий вертикальный веерообразный луч.

Массив из нескольких рупоров на антенне радара наблюдения немецкого аэропорта для управления углом места луча.

• Массивы облучателей  . Чтобы создать луч произвольной формы, вместо одного облучателя можно использовать массив облучателей, сгруппированных вокруг фокусной точки. Антенны с решетчатым питанием часто используются на спутниках связи, особенно на спутниках прямого вещания , для создания диаграммы направленности нисходящей линии связи для покрытия определенного континента или зоны покрытия. Они часто используются с антеннами со вторичным рефлектором, такими как Кассегрена.

Параболические антенны классифицируются также по типу облучателя , то есть по способу подачи радиоволн на антенну: ^[3]

• Осевой , прямой фокус или передний фидер  . Это наиболее распространенный тип фидера, при котором фидерная антенна расположена перед тарелкой в ​​фокусе, на оси луча, и направлена ​​назад к тарелке. Недостатком этого типа является то, что облучатель и его опоры перекрывают часть луча, что ограничивает эффективность апертуры всего 55–60%. ^[3]
• Внеосевое или смещенное питание  . Рефлектор представляет собой асимметричный сегмент параболоида, поэтому фокус и антенна питания расположены на одной стороне тарелки. Целью этой конструкции является перемещение питающей конструкции с пути луча, чтобы она не блокировала луч. Он широко используется в домашних антеннах спутникового телевидения , которые достаточно малы, и в противном случае структура облучателя блокировала бы значительный процент сигнала. Смещенную подачу также можно использовать в различных конструкциях отражателей, таких как Кассегрена и Грегориана, как показано ниже.
• Кассегрена  . В антенне Кассегрена облучатель расположен на тарелке или позади нее и излучается вперед, освещая выпуклый гиперболоидный вторичный отражатель в фокусе тарелки. Радиоволны от источника отражаются от вторичного отражателя на тарелку, которая снова отражает их вперед, образуя исходящий луч. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что облучатель с его волноводами и « передовой » электроникой не нужно подвешивать перед тарелкой, поэтому он используется для антенн со сложными или громоздкими облучателями, таких как большие антенны спутниковой связи и радиотелескопы . Эффективность диафрагмы составляет порядка 65–70%. ^[3]
• Григорианский  — аналогичен конструкции Кассегрена, за исключением того, что вторичный отражатель имеет вогнутую ( эллипсоидную ) форму. Может быть достигнута эффективность диафрагмы более 70%. ^[3]

Схема подачи

Влияние диаграммы направленности облучающей антенны (небольшая поверхность в форме тыквы) на перелив. Слева: при использовании фидерной антенны с низким коэффициентом усиления значительная часть ее излучения попадает за пределы тарелки. Справа: при более высоком усилении почти все его излучение излучается в пределах угла тарелки.

Диаграмма направленности облучающей антенны должна быть адаптирована к форме тарелки, поскольку она оказывает сильное влияние на эффективность апертуры , которая определяет усиление антенны (см. раздел «Усиление» ниже). Излучение облучателя, выпадающее за пределы края тарелки, называется переливом и тратится впустую, уменьшая усиление и увеличивая задние лепестки , что может вызвать помехи или (в приемных антеннах) увеличить восприимчивость к наземному шуму. Однако максимальный выигрыш достигается только тогда, когда тарелка равномерно «освещена» с постоянной напряженностью поля по краям. Следовательно, идеальная диаграмма направленности фидерной антенны должна представлять собой постоянную напряженность поля по всему телесному углу тарелки, резко падающую до нуля по краям. Однако практические фидерные антенны имеют диаграмму направленности, которая постепенно спадает по краям, поэтому фидерная антенна представляет собой компромисс между приемлемо низким переливом и достаточным освещением. Для большинства передних рупоров оптимальное освещение достигается, когда мощность, излучаемая рупором, на краю антенны на 10 дБ меньше, чем ее максимальное значение в центре антенны. ^[5]

поляризация

Диаграмма электрических и магнитных полей в устье параболической антенны представляет собой просто увеличенное изображение полей, излучаемых питающей антенной, поэтому поляризация определяется питающей антенной. Для достижения максимального усиления обе фидерные антенны (передающая и приемная) должны иметь одинаковую поляризацию. ^[6] Например, вертикальная дипольная фидерная антенна будет излучать луч радиоволн с вертикальным электрическим полем, называемым вертикальной поляризацией . Для их приема приемная фидерная антенна также должна иметь вертикальную поляризацию; если питание горизонтальное ( горизонтальная поляризация ), антенна понесет серьезную потерю усиления.

Чтобы увеличить скорость передачи данных, некоторые параболические антенны передают два отдельных радиоканала на одной частоте с ортогональной поляризацией, используя отдельные фидерные антенны; это называется антенной с двойной поляризацией . Например, сигналы спутникового телевидения передаются со спутника по двум отдельным каналам на одной частоте с использованием правой и левой круговой поляризации . В домашней спутниковой антенне они принимаются двумя небольшими монопольными антеннами в рупоре , ориентированными под прямым углом. Каждая антенна подключена к отдельному приемнику.

Если сигнал из одного поляризационного канала принимается антенной с противоположной поляризацией, это вызовет перекрестные помехи , ухудшающие соотношение сигнал/шум . Способность антенны разделять эти ортогональные каналы измеряется параметром, называемым кросс-поляризационной дискриминацией (XPD). В передающей антенне XPD — это доля мощности антенны одной поляризации, излучаемая в другой поляризации. Например, из-за незначительных дефектов антенна с облучающей антенной с вертикальной поляризацией будет излучать небольшую часть своей мощности в горизонтальной поляризации; эта фракция и есть XPD. В приемной антенне XPD представляет собой отношение мощности принимаемого сигнала противоположной поляризации к мощности, принимаемой в той же антенне правильной поляризации, когда антенна освещается двумя ортогонально поляризованными радиоволнами одинаковой мощности. Если антенная система имеет неадекватный XPD, для уменьшения перекрестных помех часто можно использовать алгоритмы цифровой обработки сигналов подавления перекрестных поляризационных помех (XPIC) .

Формирование двойного отражателя

В антеннах Кассегрена и Грегориана наличие двух отражающих поверхностей на пути прохождения сигнала открывает дополнительные возможности улучшения характеристик. Когда требуется высочайшая производительность, можно использовать метод, называемый формированием двойного отражателя . Это включает в себя изменение формы вспомогательного отражателя, чтобы направить больше мощности сигнала на внешние области тарелки, чтобы сопоставить известную структуру излучения с равномерным освещением основного источника и максимизировать усиление. Однако это приводит к тому, что вторичная обмотка уже не является точно гиперболической (хотя она все еще очень близка к ней), поэтому свойство постоянной фазы теряется. Однако эту фазовую ошибку можно компенсировать, слегка изменив форму главного зеркала. Результатом является более высокий коэффициент усиления или коэффициент усиления/перетекания за счет поверхностей, которые сложнее изготовить и протестировать. ^{[7] [8]} Также можно синтезировать другие схемы освещения антенны, например, схемы с высокой конусностью на краю антенны для сверхнизких переливных боковых лепестков и схемы с центральным «отверстием» для уменьшения затенения подачи.

Прирост

Направляющие качества антенны измеряются безразмерным параметром, называемым ее коэффициентом усиления , который представляет собой отношение мощности, принимаемой антенной от источника вдоль оси ее луча, к мощности, принимаемой гипотетической изотропной антенной . Коэффициент усиления параболической антенны составляет: ^[9]

${\displaystyle G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}}$

где:

• ${\displaystyle A}$– площадь апертуры антенны, то есть устья параболического отражателя. Для круглой тарельчатой ​​антенны , давая вторую формулу выше. ${\displaystyle A=\pi d^{2}/4}$
• ${\displaystyle d}$— диаметр параболического отражателя, если он круглый.
• ${\displaystyle \lambda }$это длина волны радиоволн.
• ${\displaystyle e_{A}}$— безразмерный параметр между 0 и 1, называемый эффективностью апертуры . Эффективность апертуры типичных параболических антенн составляет от 0,55 до 0,70.

Видно, что, как и в случае с любой апертурной антенной , чем больше апертура по сравнению с длиной волны , тем выше коэффициент усиления. Коэффициент усиления увеличивается пропорционально квадрату отношения ширины апертуры к длине волны, поэтому большие параболические антенны, например те, которые используются для связи космических кораблей и радиотелескопов , могут иметь чрезвычайно высокий коэффициент усиления. Применение приведенной выше формулы к антеннам диаметром 25 метров, часто используемым в решетках радиотелескопов и наземным спутниковым антеннам на длине волны 21 см (1,42 ГГц, общая радиоастрономическая частота), дает приблизительное максимальное усиление в 140 000 раз, или около 52. дБи ( децибелы выше изотропного уровня). Самая большая параболическая антенна в мире — это сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой на юго-западе Китая, эффективная апертура которого составляет около 300 метров. Коэффициент усиления этой антенны на частоте 3 ГГц составляет примерно 90 миллионов, или 80 дБи.

Эффективность апертуры e _A является всеобъемлющей переменной, которая учитывает различные потери, которые уменьшают усиление антенны от максимума, который может быть достигнут при данной апертуре. Основными факторами, снижающими эффективность апертуры параболических антенн, являются: ^[10]

• Перелив облучателя  . Некоторая часть излучения облучающей антенны выходит за пределы антенны и поэтому не вносит вклад в главный луч.
• Сужение облучаемой освещенности  . Максимальное усиление для любой апертурной антенны достигается только тогда, когда интенсивность излучаемого луча постоянна по всей площади апертуры. Однако диаграмма направленности облучающей антенны обычно сужается к внешней части тарелки, поэтому внешние части тарелки «освещаются» меньшей интенсивностью излучения. Даже если бы облучатель обеспечивал постоянное освещение по всему углу, образуемому тарелкой, внешние части тарелки находятся дальше от облучающей антенны, чем внутренние части, поэтому интенсивность будет падать по мере удаления от центра. Следовательно, интенсивность луча, излучаемого параболической антенной, максимальна в центре тарелки и падает по мере удаления от оси, снижая эффективность.
• Блокировка апертуры  . В параболических антеннах с фронтальной подачей, где облучающая антенна расположена перед тарелкой на пути луча (а также в конструкциях Кассегрена и Грегориана), конструкция облучателя и ее опоры блокируют часть луча. В небольших антеннах, таких как домашние спутниковые антенны, где размер облучающей конструкции сопоставим с размером антенны, это может серьезно снизить усиление антенны. Чтобы предотвратить эту проблему, в этих типах антенн часто используется смещенное облучающее устройство , при котором облучающая антенна расположена сбоку, за пределами области луча. Эффективность апертуры для этих типов антенн может достигать 0,7–0,8.
• Ошибки формы  . Случайные ошибки поверхности в форме отражателя снижают эффективность. Эта потеря аппроксимируется уравнением Рузе .

Для теоретического рассмотрения взаимных помех (на частотах от 2 до примерно 30 ГГц; обычно в фиксированной спутниковой службе ), когда конкретные характеристики антенны не определены, для расчета помех используется эталонная антенна, основанная на Рекомендации МСЭ-R S.465. , который будет включать вероятные боковые лепестки внеосевых эффектов.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности немецкой параболической антенны. Ширина главной доли (вверху) составляет всего несколько градусов. Все боковые лепестки расположены как минимум на 20 дБ ниже (1/100 плотности мощности) основного лепестка, а большинство из них - на 30 дБ ниже (если эта диаграмма была нарисована с линейными уровнями мощности вместо логарифмических уровней дБ, все лепестки, кроме основного мочка была бы слишком маленькой, чтобы ее можно было увидеть).

В параболических антеннах практически вся излучаемая мощность сосредоточена в узком главном лепестке вдоль оси антенны. Остаточная мощность излучается боковыми лепестками , обычно намного меньшими, в других направлениях. Поскольку апертура отражателя параболических антенн намного больше длины волны, дифракция обычно вызывает множество узких боковых лепестков, поэтому диаграмма боковых лепестков является сложной. Также обычно имеется задний лепесток в направлении, противоположном основному лепестку, из-за вторичного излучения от облучающей антенны, которое не попадает в отражатель.

Ширина луча

Угловая ширина луча, излучаемого антеннами с высоким коэффициентом усиления, измеряется шириной луча половинной мощности (HPBW), которая представляет собой угловое расстояние между точками диаграммы направленности антенны , при котором мощность падает до половины (-3 дБ) его максимальное значение. Для параболических антенн HPBW θ определяется по формуле: ^{[5] [11]}

${\displaystyle \theta =k\lambda /d\,}$

где k — коэффициент, незначительно меняющийся в зависимости от формы отражателя и диаграммы направленности освещения. Для идеального параболического рефлектора с равномерным освещением и θ в градусах k будет 57,3 (количество градусов в радианах). Для типичной параболической антенны k составляет примерно 70. ^[11]

Для типичной 2-метровой спутниковой антенны , работающей в диапазоне C (4 ГГц), эта формула дает ширину луча около 2,6°. Для антенны Аресибо на частоте 2,4 ГГц ширина луча составляет 0,028°. Поскольку параболические антенны могут создавать очень узкие лучи, их наведение может быть проблемой. Некоторые параболические антенны оснащены прицелом , поэтому их можно точно нацелить на другую антенну.

Существует обратная зависимость между усилением и шириной луча. Объединив уравнение ширины луча с уравнением усиления, получим следующее соотношение: ^[11]

${\displaystyle G=\left({\frac {\pi k}{\theta }}\right)^{2}\ e_{A}}$

Угол тета нормален к апертуре.

Формула диаграммы направленности

Излучение большого параболоида с однородной освещаемой апертурой по существу эквивалентно излучению круглого апертуры того же диаметра в бесконечной металлической пластине с падающей на пластину однородной плоской волной. ^[12] ${\displaystyle D}$

Диаграмму поля излучения можно рассчитать, применив принцип Гюйгенса аналогично прямоугольной апертуре. Диаграмму электрического поля можно найти, оценив интеграл дифракции Фраунгофера по круглой апертуре. Его также можно определить с помощью уравнений зоны Френеля . ^[13]

${\displaystyle E=\int \int {\frac {A}{r_{1}}}e^{j(\omega t-\beta r_{1})}dS=\int \int e^{2\pi i(lx+my)/\lambda }dS}$

где . Используя полярные координаты и . Учитывая симметрию, ${\displaystyle \beta =\omega /c=2\pi /\lambda }$ ${\displaystyle x=\rho \cdot \cos \theta }$ ${\displaystyle y=\rho \cdot \sin \theta }$

${\displaystyle E=\int \limits _{0}^{2\pi }d\theta \int \limits _{0}^{\rho _{0}}e^{2\pi i\rho \cos \theta l/\lambda }\rho d\rho }$

и использование функции Бесселя первого порядка дает картину электрического поля , ${\displaystyle E(\theta )}$

${\displaystyle E(\theta )={\frac {2\lambda }{\pi D}}{\frac {J_{1}[(\pi D/\lambda )\sin \theta ]}{\sin \theta }}}$

где – диаметр апертуры антенны в метрах, – длина волны в метрах, – угол в радианах от оси симметрии антенны, как показано на рисунке, – функция Бесселя первого порядка . Определение первых нулей диаграммы направленности дает ширину луча . Термин « когда угодно» . Таким образом, ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle J_{1}}$ ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle J_{1}(x)=0}$ ${\displaystyle x=3.83}$

${\displaystyle \theta _{0}=\arcsin {\frac {3.83\lambda }{\pi D}}=\arcsin {\frac {1.22\lambda }{D}}}$.

При большой апертуре угол очень мал и примерно равен . Это дает общие формулы ширины луча: ^[12] ${\displaystyle \theta _{0}}$ ${\displaystyle \arcsin(x)}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \theta _{0}\approx {\frac {1.22\lambda }{D}}\,{\text{(in radians)}}={\frac {70\lambda }{D}}\,{\text{(in degrees)}}}$

История

Идея использования параболических отражателей для радиоантенн была заимствована из оптики , где способность параболического зеркала фокусировать свет в луч была известна с классической античности . Конструкции некоторых конкретных типов параболических антенн, таких как Кассегрена и Грегориана , взяты из одноименных аналогичных типов телескопов-рефлекторов , которые были изобретены астрономами в 15 веке. ^{[14] [2]}

Немецкий физик Генрих Герц сконструировал первую в мире антенну с параболическим рефлектором в 1888 году ^. фокальная линия. Его апертура имела высоту 2 метра, ширину 1,2 метра, фокусное расстояние 0,12 метра и использовалась на рабочей частоте около 450 МГц. С помощью двух таких антенн, одна использовалась для передачи, а другая для приема, Герц продемонстрировал существование радиоволн , предсказанных Джеймсом Клерком Максвеллом примерно 22 года назад. ^[15] Однако раннее развитие радио было ограничено более низкими частотами, на которых параболические антенны были непригодны, и они не получили широкого распространения до окончания Второй мировой войны , когда начали использоваться микроволновые частоты.

Пионер итальянского радио Гульельмо Маркони использовал параболический отражатель в 1930-х годах при исследовании передачи УВЧ со своей лодки в Средиземном море. ^{[14] В 1931 году была продемонстрирована} микроволновая ретрансляционная телефонная связь на частоте 1,7 ГГц через Ла-Манш с использованием антенн диаметром 3,0 метра (10 футов). ^[14] Первая большая параболическая антенна, 9-метровая тарелка, была построена в 1937 году радиоастрономом Гроте Ребером на его заднем дворе, ^[2] и исследование неба, которое он провел с ее помощью, стало одним из событий, положивших начало области радио. астрономия . ^[14]

Развитие радаров во время Второй мировой войны дало большой импульс исследованиям параболических антенн. Это привело к развитию антенн с профилированным лучом, в которых кривая отражателя различна в вертикальном и горизонтальном направлениях, предназначенных для создания луча определенной формы. ^[14] После войны в качестве радиотелескопов были построены очень большие параболические тарелки . 100-метровый радиотелескоп Грин-Бэнк в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния , первая версия которого была завершена в 1962 году, в настоящее время является крупнейшей в мире полностью управляемой параболической антенной.

В 1960-е годы тарелочные антенны стали широко использоваться в наземных сетях микроволновой ретрансляционной связи, которые передавали телефонные звонки и телевизионные программы через континенты. ^[14] Первая параболическая антенна, используемая для спутниковой связи, была построена в 1962 году в Гунхилли в Корнуолле , Англия, для связи со спутником Telstar . Антенна Кассегрена была разработана в Японии в 1963 году компаниями NTT , KDDI и Mitsubishi Electric . ^[16] Появление в 1970-х годах инструментов компьютерного проектирования, таких как NEC , способных рассчитывать диаграмму направленности параболических антенн, привело в последние годы к разработке сложных асимметричных конструкций с несколькими отражателями и несколькими фидерами.

Смотрите также

• Радиотелескоп
• Спутниковая тарелка
• Спутниковое телевидение
• Simulsat (квазипараболическая антенна, сферическая в одной плоскости и параболическая в другой)

Рекомендации

1. Стро, Р. Дин, Эд. (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . США: Американская лига радиорелейной связи. п. 19.15. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
2. Штуцман, Уоррен Л.; Гэри А. Тиле (2012). Теория и конструкция антенн, 3-е изд. США: Джон Уайли и сыновья. стр. 391–392. ISBN 978-0470576649.
3. Лепамер, Харви (2010). Сети микроволновой передачи: планирование, проектирование и развертывание. США: McGraw Hill Professional. стр. 268–272. ISBN 978-0-07-170122-8.
4. А. Дэвид Олвер (1994) Микроволновые рожки и каналы , с. 61-62
5. Стро, Р. Дин, Эд. (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . США: Американская лига радиорелейной связи. п. 18.14. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
6. Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот. Джон Уайли и сыновья. стр. 55–58. ISBN 978-0471743682.
7. Галиндо, В. (1964). «Проектирование антенн с двойным отражателем с произвольным распределением фазы и амплитуды». Транзакции IEEE по антеннам и распространению . 12 (4). ИИЭР: 403–408. Бибкод : 1964ITAP...12..403G. дои : 10.1109/TAP.1964.1138236.
8. Уильямс, WF (1983). «РЧ-проектирование и прогнозируемые характеристики будущей 34-метровой антенной системы с двумя отражателями, использующей рупор с общей апертурой XS» (PDF) . Отчет о ходе работы в области телекоммуникаций и сбора данных . 73 : 74–84. Бибкод : 1983TDAPR..73...74W.
9. Андерсон, Гарри Р. (2003). Фиксированная конструкция широкополосной беспроводной системы. США: Джон Уайли и сыновья. стр. 206–207. ISBN 978-0-470-84438-0.
10. Паттан, Бруно (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии. США: Спрингер. п. 267. ИСБН 978-0-442-01357-8.
11. Миноли, Дэниел (2009). Проектирование спутниковых систем в среде IPv6. США: CRC Press. п. 78. ИСБН 978-1-4200-7868-8.
12. Краус, Джон Дэниел; Мархефка, Рональд Дж. (2002). Антенны для любого применения. МакГроу-Хилл. ISBN 9780072321036.
13. Джон К. Слейтер и Натаниэль Х. Фрэнк. Введение в теоретическую физику.
14. Олвер, А. Дэвид (1994). Микроволновые рожки и каналы. США: ИЭПП. п. 3. ISBN 978-0-7803-1115-2.
15. Лав, Аллан В. «Концепции большой космической антенны для ESGP» (PDF) . Роквелл Интернэшнл . Проверено 31 июля 2009 г.
16. Макино, Сигеро (2006). «Исторический обзор систем рефлекторных антенн, разработанных MELCO для спутниковой связи» (PDF) . ISAP2006 — Международный симпозиум по антеннам и распространению сигнала . Mitsubishi Electric Corp. Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 г. Проверено 24 декабря 2011 г.на сайте ИСАП

Внешние ссылки

СМИ, связанные с параболическими антеннами, на Викискладе?

• WiFi: Параболическая тарелка с податчиком BiQuad
• Онлайн-поиск спутников на основе Google Maps
• Типы антенн: Параболическая антенна для Wi-Fi.
• Онлайн-утилита наведения с использованием карт Google и списка каждого спутникового канала: DishPointer — настройте спутниковую антенну.
• Анимация распространения параболической параболической антенны с YouTube
• Учебное пособие по параболической отражательной антенне Теория и практика
• Апплет усиления параболической антенны.
• PlutoDirect.co.uk : Низкие цены на спутниковое оборудование и оборудование для видеонаблюдения