Тип параболической антенны с выпуклым вторичным рефлектором
Типы параболических антенн
В телекоммуникациях и радарах антенна Кассегрена представляет собой параболическую антенну , в которой облучатель антенны устанавливается на поверхности вогнутого главного параболического рефлектора или за ней и направлен на меньший выпуклый вторичный рефлектор, подвешенный перед первичным рефлектором. Луч радиоволн от облучателя освещает вторичный рефлектор, который отражает его обратно на главный рефлектор, который снова отражает его вперед, формируя желаемый луч. Конструкция Кассегрена широко используется в параболических антеннах, особенно в больших антеннах, таких как антенны наземных станций спутниковой связи , радиотелескопов и спутников связи .
Геометрия
Первичный отражатель представляет собой параболоид , в то время как выпуклый вторичный отражатель имеет форму гиперболоида . Геометрическим условием излучения коллимированного плосковолнового пучка является то, что облучающая антенна расположена в дальнем фокусе гиперболоида, в то время как фокус первичного отражателя совпадает с ближним фокусом гиперболоида. [1] Обычно вторичный отражатель и облучающая антенна расположены на центральной оси тарелки. Однако в конфигурациях Кассегрена со смещением первичный отражатель тарелки асимметричен, а его фокус и вторичный отражатель расположены по одну сторону от тарелки, так что вторичный отражатель частично не перекрывает луч.
Преимущества
Эта конструкция является альтернативой наиболее распространенной конструкции параболической антенны, называемой "фронтальная подача" или "первичный фокус", в которой сама антенна подачи устанавливается подвешенной перед тарелкой в фокусе, направленной назад к тарелке. Кассегрен - более сложная конструкция, но в определенных приложениях она имеет преимущества перед фронтальной подачей, которые могут оправдать ее повышенную сложность:
Антенны-фидеры и связанные с ними волноводы, а также « внешняя » электроника могут располагаться на тарелке или позади нее, а не подвешиваться спереди, где они блокируют часть исходящего луча. [1] [2] Поэтому такая конструкция используется для антенн с громоздкими или сложными фидерами, [1] например, наземных антенн спутниковой связи , радиотелескопов и антенн на некоторых спутниках связи .
Другое преимущество, важное для спутниковых наземных антенн и радиотелескопов , заключается в том, что, поскольку облучающая антенна направлена вперед, а не назад к тарелке, как в антенне с передним облучателем, боковые лепестки, вызванные частями луча, которые не попадают на вторичный отражатель, направлены вверх к холодному небу, а не вниз к теплой земле. [2] В приемных антеннах это снижает прием шума земли , что приводит к снижению шумовой температуры антенны .
Формирование двойного отражателя : наличие второй отражающей поверхности на пути сигнала дает дополнительные возможности для настройки диаграммы направленности для достижения максимальной производительности. Например, усиление обычных параболических антенн уменьшается, поскольку излучение антенны-фидера падает к внешним частям тарелки, что приводит к снижению «освещения» этих частей. При «формировании двойного отражателя» форма вторичного отражателя изменяется, чтобы направить большую мощность сигнала к внешним областям тарелки, что приводит к более равномерному освещению первичного, чтобы максимизировать усиление. Однако это приводит к тому, что вторичный отражатель больше не является точно гиперболическим (хотя все еще очень близок), поэтому свойство постоянной фазы теряется. Однако эту фазовую ошибку можно компенсировать, слегка изменив форму первичного зеркала. Результатом является более высокое усиление или отношение усиления/перелива за счет поверхностей, которые сложнее изготавливать и тестировать. [3] [4] Также могут быть синтезированы другие схемы освещения тарелки, например схемы с высокой конусностью по краю тарелки для сверхнизкого перелива боковых лепестков и схемы с центральным «отверстием» для уменьшения затенения облучателя.
Другая причина использования конструкции Кассегрена — увеличение фокусного расстояния антенны, уменьшение боковых лепестков и другие преимущества. [2] [5] Параболические отражатели, используемые в антеннах-тарелках, имеют большую кривизну и короткое фокусное расстояние ; фокусная точка расположена вблизи устья тарелки, чтобы уменьшить длину опор, необходимых для удержания структуры облучателя или вторичного отражателя. Фокусное отношение (f-число, отношение фокусного расстояния к диаметру тарелки) типичных параболических антенн составляет 0,25–0,8 по сравнению с 3–8 для параболических зеркал, используемых в оптических системах, таких как телескопы. В антенне с передним питанием «более плоская» параболическая тарелка с большим фокусным расстоянием потребовала бы непрактично сложной опорной конструкции для удержания облучателя жестко по отношению к тарелке. Однако недостатком этого малого фокусного отношения является то, что антенна чувствительна к небольшим отклонениям от фокусной точки: угловая ширина, которую она может эффективно сфокусировать, мала. Современные параболические антенны в радиотелескопах и спутниках связи часто используют массивы облучателей, сгруппированных вокруг фокальной точки, для создания определенной диаграммы направленности. Они требуют хороших характеристик фокусировки вне оси большого фокального отношения, и поскольку выпуклый вторичный отражатель антенны Кассегрена значительно его увеличивает, эти антенны обычно используют конструкцию Кассегрена.
Более длинное фокусное расстояние также улучшает кроссполяризационную дискриминацию внеосевых сигналов [2] , что важно для спутниковых антенн, использующих два ортогональных режима поляризации для передачи отдельных каналов информации.
Лучевая волноводная антенна, тип конструкции Кассегрена, демонстрирующая сложный путь прохождения сигнала.
Недостатком Кассегрена является то, что рупор(ы) облучателя должны иметь более узкую ширину луча (более высокий коэффициент усиления ), чтобы сфокусировать свое излучение на меньшем вторичном отражателе, а не на более широком первичном отражателе, как в тарелках с фронтальным питанием. Угловая ширина, которую вторичный отражатель стягивает у рупора облучателя, обычно составляет 10–15°, в отличие от 120–180°, которые стягивает главный отражатель в тарелке с фронтальным питанием. Поэтому рупор облучателя должен быть длиннее для данной длины волны.
Лучевая волноводная антенна
Антенна с волноводом пучка — это тип сложной антенны Кассегрена с длинным радиоволновым путем, позволяющим размещать электронику подачи на уровне земли. Она используется в очень больших управляемых радиотелескопах и спутниковых наземных антеннах, где электроника подачи слишком сложна и громоздка или требует слишком много обслуживания и изменений, чтобы разместить ее на тарелке; например, те, которые используют криогенно охлаждаемые усилители. Луч входящих радиоволн от вторичного отражателя отражается дополнительными зеркалами по длинному извилистому пути через оси альтазимутальной монтировки , поэтому антенну можно направлять, не прерывая луч, а затем вниз через антенную башню к зданию подачи на уровне земли.
История
Конструкция антенны Кассегрена была адаптирована из телескопа Кассегрена , типа рефлекторного телескопа, разработанного около 1672 года и приписываемого французскому священнику из провинции Англия Лорену Кассегрену . Первая антенна Кассегрена была изобретена и запатентована Кокраном и Уайтхедом в Elliot Bros в Борехэмвуде, Англия, в 1952 году. Патент, британский патентный номер 700868, впоследствии был оспорен в суде, но был выигран. [6] Космический аппарат Voyager 1, запущенный в 1977 году, по состоянию на сентябрь 2024 года находится в [обновлять]24,6 миллиардах километров от Земли, [7] являясь самым дальним искусственным объектом в космосе, и его 3,7-метровая антенна Кассегрена S и X-диапазона (изображение ниже) все еще способна связываться с наземными станциями.
^ abc Чаттерджи, Раджешвари (2006). Теория и практика антенн (2-е изд.). Нью-Дели: New Age International. стр. 188. ISBN 978-81-224-0881-2.
^ abcd Welch, WJ (1976). "Типы астрономических антенн". Методы экспериментальной физики . Том 12, часть B: Радиотелескопы . Нью-Йорк: Academic Press. стр. 13–14. ISBN0-12-475952-1. Получено 14.01.2012 .
^ Галиндо, В. (1964). «Проектирование двухзеркальных антенн с произвольным распределением фазы и амплитуды». Труды IEEE по антеннам и распространению радиоволн . 12 (4). IEEE: 403–408. Bibcode : 1964ITAP...12..403G. doi : 10.1109/TAP.1964.1138236.
^ Уильямс, У. Ф. (1983). «Проектирование радиочастот и прогнозируемая производительность будущей 34-метровой двухзеркальной антенной системы с использованием облучателя XS с общей апертурой» (PDF) . Отчет о ходе работ по телекоммуникациям и сбору данных . 73 : 74–84. Бибкод :1983TDAPR..73...74W. Архивировано (PDF) из оригинала 09.10.2022.
