Параболическая антенна

Параболическая антенна — это антенна , которая использует параболический отражатель , изогнутую поверхность с поперечным сечением в форме параболы , для направления радиоволн . Наиболее распространенная форма имеет форму тарелки и обычно называется тарелочной антенной или параболической тарелкой . Главное преимущество параболической антенны заключается в том, что она имеет высокую направленность . Она функционирует аналогично отражателю прожектора или фонарика , направляя радиоволны в узкий луч или принимая радиоволны только с одного определенного направления. Параболические антенны имеют одни из самых высоких коэффициентов усиления , что означает, что они могут создавать самую узкую ширину луча среди всех типов антенн. ^[1]^[2] Для достижения узкой ширины луча параболический отражатель должен быть намного больше длины волны используемых радиоволн, ^[2]^[3] поэтому параболические антенны используются в высокочастотной части радиоспектра , [ ^4]^{: стр.302} на частотах УВЧ и СВЧ , 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 релейные линии, которые передают телефонные и телевизионные сигналы между близлежащими городами, беспроводные WAN/LAN- соединения для передачи данных, спутниковая связь и антенны связи космических аппаратов. Они также используются в радиотелескопах .

Другое широкое применение параболических антенн — это антенны радаров , ^[4]^{: стр.302} , которым необходимо передавать узкий луч радиоволн для обнаружения таких объектов, как корабли, самолеты и управляемые ракеты . Они также часто используются для определения погоды. ^[2] С появлением домашних спутниковых телевизионных приемников 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 возбуждаемыми искрой дипольными антеннами в их фокусах как для передачи, так и для приема.

Дизайн

Принцип работы параболической антенны заключается в том, что точечный источник радиоволн в фокусе перед параболоидальным отражателем из проводящего материала будет отражаться в коллимированный плоский волновой пучок вдоль оси отражателя. ^[5]^{: стр.481}^[3] И наоборот, входящая плоская волна, параллельная оси, будет фокусироваться в точку в фокусе.

Типичная параболическая антенна состоит из металлического параболического отражателя с небольшой антенной-фидером, подвешенной перед отражателем в его фокусе и направленной назад к отражателю. ^[2]^[3] Отражатель представляет собой металлическую поверхность, сформированную в параболоид вращения и обычно усеченную в круговой ободок, который образует диаметр антенны. ^[2] В передающей антенне радиочастотный ток от передатчика подается через кабель линии передачи к антенне-фидеру , которая преобразует его в радиоволны. Радиоволны излучаются обратно к тарелке антенной-фидером и отражаются от тарелки в параллельный луч. В приемной антенне входящие радиоволны отражаются от тарелки и фокусируются в точке на антенне-фидере, которая преобразует их в электрические токи, которые проходят через линию передачи к радиоприемнику .

Параболический отражатель

Рефлектор может быть изготовлен из листового металла, металлического экрана или проволочной решетки и может быть либо круглой тарелкой, либо иметь различные другие формы для создания различных форм луча. Металлический экран отражает радиоволны так же эффективно, как и сплошная металлическая поверхность, если его отверстия меньше одной десятой длины волны , поэтому экранные отражатели часто используются для уменьшения веса и ветровых нагрузок на тарелку. ^[4]^{: стр. 302} Для достижения максимального усиления форма тарелки должна быть точной в пределах небольшой доли длины волны, около одной шестнадцатой длины волны, чтобы гарантировать, что волны из разных частей антенны поступают в фокус в фазе . ^[4]^{: стр. 302} Большие тарелки часто требуют поддерживающей ферменной конструкции позади них для обеспечения необходимой жесткости.

Рефлектор, сделанный из решетки из параллельных проводов или прутков, ориентированных в одном направлении, действует как поляризационный фильтр, а также как рефлектор. Он отражает только линейно поляризованные радиоволны, причем электрическое поле параллельно элементам решетки. Этот тип часто используется в антеннах радаров . В сочетании с линейно поляризованным рупорным облучателем он помогает отфильтровывать шум в приемнике и уменьшает ложные возвраты.

Блестящий металлический параболический отражатель также может фокусировать солнечные лучи. Поскольку большинство тарелок могут концентрировать достаточно солнечной энергии на структуре подачи, чтобы серьезно перегреть ее, если они случайно будут направлены на солнце, сплошные отражатели всегда покрываются слоем матовой краски.

Антенна питания

Фидерная антенна в фокусе рефлектора обычно представляет собой антенну с низким коэффициентом усиления , например, полуволновой диполь или (чаще) небольшую рупорную антенну, называемую фидерным рупором . В более сложных конструкциях, таких как Кассегрена и Грегориана, вторичный рефлектор используется для направления энергии в параболический рефлектор от фидерной антенны, расположенной вдали от первичной фокальной точки. Фидерная антенна подключается к соответствующему радиочастотному (РЧ) передающему или принимающему оборудованию с помощью коаксиальной кабельной линии передачи или волновода .

На микроволновых частотах, используемых во многих параболических антеннах, для передачи микроволн между антенной-фидером и передатчиком или приемником требуется волновод . Из-за высокой стоимости волноводных трасс во многих параболических антеннах входная радиочастотная электроника приемника расположена на антенне-фидере, а 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 быть расположен в точке подачи.

Преимущество параболических антенн заключается в том, что большая часть структуры антенны (вся, кроме антенны-фидера) нерезонансная , поэтому она может работать в широком диапазоне частот (т. е. в широкой полосе пропускания ). ^[3] Все, что необходимо для изменения рабочей частоты, — это заменить антенну-фидер на ту, которая работает на желаемой частоте. Некоторые параболические антенны передают или принимают на нескольких частотах, имея несколько антенн-фидеров, установленных в фокальной точке, близко друг к другу.

Параболические антенны

Параболические антенны с фасонным лучом

Типы

Параболические антенны различаются по форме:

Параболоидный или тарелочный – Рефлектор имеет форму усеченного параболоида с круглым ободом. Это наиболее распространенный тип. Он излучает узкий луч в форме карандаша вдоль оси тарелки.
- Закрытая тарелка – Иногда к ободу тарелки прикрепляется цилиндрический металлический экран.^[6] Кожух защищает антенну от излучения с углов вне оси главного луча, уменьшая боковые лепестки . Иногда он используется для предотвращения помех в наземных микроволновых линиях связи, где несколько антенн, использующих одну и ту же частоту, расположены близко друг к другу. Кожух покрыт изнутри материалом, поглощающим микроволновое излучение. Кожухи могут уменьшить излучение заднего лепестка на 10 дБ.^[6]
Цилиндрический – Рефлектор изогнут только в одном направлении и плоский в другом. Радиоволны фокусируются не в точке, а вдоль линии. Иногда источником 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 за пределы концов, и это называется антенной-таблеткой или сырной антенной .
Антенны с формованным лучом – Современные рефлекторные антенны могут быть спроектированы для создания луча или лучей определенной формы, а не только узких «карандашных» или «веерных» лучей простых тарелочных и цилиндрических антенн, упомянутых выше.^[7] Для управления формой луча используются два метода, часто в сочетании:

Формованные отражатели – отражателю можно придать некруглую форму или различные изгибы в горизонтальном и вертикальном направлениях, чтобы изменить форму луча. Это часто используется в антеннах радаров. Как общий принцип, чем шире антенна в заданном поперечном направлении, тем уже будет диаграмма направленности в этом направлении.

Антенна «Апельсиновая корка» — используется в поисковых радарах, представляет собой длинную узкую антенну в форме буквы «С». Она излучает узкий вертикальный веерообразный луч.

Массивы облучателей – Для создания луча произвольной формы вместо одного облучателя можно использовать массив облучателей, сгруппированных вокруг фокальной точки. Антенны с массивом облучателей часто используются на спутниках связи, в частности, на спутниках прямого вещания , для создания диаграммы направленности нисходящего канала для покрытия определенного континента или зоны покрытия. Они часто используются с антеннами вторичного отражателя, такими как Кассегрен.

Параболические антенны также классифицируются по типу питания , то есть по способу подачи радиоволн на антенну: ^[6]

Осевой , с прямым фокусом или фронтальный фидер – это наиболее распространенный тип фидера, при этом антенна фидера расположена перед тарелкой в фокусе, на оси луча, направлена назад к тарелке. Недостатком этого типа является то, что фидер и его опоры блокируют часть луча, что ограничивает эффективность апертуры всего до 55–60%.^[6]
Внеосевой или смещенный фидер – рефлектор представляет собой асимметричный сегмент параболоида, поэтому фокус и антенна фидера расположены с одной стороны тарелки. Цель этой конструкции – вывести структуру фидера из траектории луча, чтобы она не блокировала луч. Она широко используется в домашних спутниковых телевизионных антеннах, которые достаточно малы, чтобы структура фидера в противном случае блокировала значительную часть сигнала. Смещенный фидер также может использоваться в конструкциях с несколькими отражателями, таких как Кассегрена и Грегориана, ниже.
Кассегрена – В антенне Кассегрена облучатель расположен на тарелке или позади нее и излучает вперед, освещая выпуклый гиперболоидный вторичный отражатель в фокусе тарелки. Радиоволны от облучателя отражаются от вторичного отражателя к тарелке, которая отражает их снова вперед, формируя исходящий луч. Преимущество этой конфигурации заключается в том, что облучатель с его волноводами и « передней » электроникой не нужно подвешивать перед тарелкой, поэтому он используется для антенн со сложными или громоздкими облучателями, такими как большие антенны спутниковой связи и радиотелескопы . Эффективность апертуры составляет порядка 65–70%.^[6]
Григорианский – Похож на конструкцию Кассегрена, за исключением того, что вторичный отражатель имеет вогнутую ( эллипсоидальную ) форму. Может быть достигнута эффективность апертуры более 70%.^[6]

Схема подачи

Диаграмма направленности антенны -фидера должна быть адаптирована к форме тарелки, поскольку она оказывает сильное влияние на эффективность апертуры , которая определяет усиление антенны (см. раздел усиления ниже). ^[3] Излучение от фидера, которое выходит за пределы края тарелки, называется переливом и тратится впустую, уменьшая усиление и увеличивая задние лепестки , что может привести к помехам или (в приемных антеннах) увеличению восприимчивости к шуму земли. Однако максимальный коэффициент усиления достигается только тогда, когда тарелка равномерно «освещена» постоянной напряженностью поля по ее краям. Поэтому идеальная диаграмма направленности антенны-фидера будет иметь постоянную напряженность поля по всему телесному углу тарелки, резко падающую до нуля на краях. Однако практические антенны-фидеры имеют диаграммы направленности, которые постепенно падают на краях, поэтому антенна-фидер является компромиссом между приемлемо низким переливом и адекватным освещением. Для большинства передних рупоров-фидеров оптимальное освещение достигается, когда мощность, излучаемая рупором-фидером, на 10 дБ меньше на краю тарелки, чем ее максимальное значение в центре тарелки. ^[3]^[8]

Поляризация

Картина электрических и магнитных полей в устье параболической антенны — это просто увеличенное изображение полей, излучаемых антенной-фидером, поэтому поляризация определяется антенной-фидером. Для достижения максимального усиления обе антенны-фидера (передающая и принимающая) должны иметь одинаковую поляризацию. ^[9] Например, вертикальная дипольная антенна-фидер будет излучать пучок радиоволн с вертикальным электрическим полем, что называется вертикальной поляризацией . Приемная антенна-фидер также должна иметь вертикальную поляризацию, чтобы принимать их; если фидер горизонтальный ( горизонтальная поляризация ), антенна будет испытывать серьезную потерю усиления.

Для увеличения скорости передачи данных некоторые параболические антенны передают два отдельных радиоканала на одной частоте с ортогональными поляризациями, используя отдельные антенны-облучатели; 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 облучателе , ориентированными под прямым углом. Каждая антенна подключена к отдельному приемнику.

Если сигнал с одного поляризационного канала принимается противоположно поляризованной антенной, это вызовет перекрестные помехи , которые ухудшают отношение сигнал/шум . Способность антенны разделять эти ортогональные каналы измеряется параметром, называемым перекрестной поляризационной дискриминацией (XPD). В передающей антенне XPD — это доля мощности от антенны одной поляризации, излучаемая в другой поляризации. Например, из-за незначительных дефектов тарелка с вертикально поляризованной антенной-фидером будет излучать небольшое количество своей мощности в горизонтальной поляризации; эта доля и есть XPD. В приемной антенне XPD — это отношение мощности сигнала, полученной с противоположной поляризацией, к мощности, полученной в той же антенне правильной поляризации, когда антенна освещается двумя ортогонально поляризованными радиоволнами равной мощности. Если антенная система имеет недостаточный XPD, для уменьшения перекрестных помех часто можно использовать алгоритмы цифровой обработки сигнала с подавлением перекрестной поляризационной помехи (XPIC) .

Двойная форма отражателя

В антеннах Кассегрена и Грегориана наличие двух отражающих поверхностей на пути сигнала дает дополнительные возможности для улучшения производительности. Когда требуется наивысшая производительность, может использоваться метод, называемый формированием двойного отражателя . Он включает изменение формы субрефлектора для направления большей мощности сигнала на внешние области тарелки, чтобы сопоставить известную схему подачи с равномерной подсветкой первичной, чтобы максимизировать усиление. Однако это приводит к тому, что вторичная антенна больше не является точно гиперболической (хотя она все еще очень близка), поэтому свойство постоянной фазы теряется. Однако эту фазовую ошибку можно компенсировать, слегка изменив форму первичного зеркала. Результатом является более высокое усиление или отношение усиления к переливу за счет поверхностей, которые сложнее изготавливать и тестировать. ^[10]^[11] Также могут быть синтезированы другие схемы освещения тарелки, такие как схемы с высокой конусностью на краю тарелки для сверхнизких боковых лепестков перелива и схемы с центральным «отверстием» для уменьшения затенения подачи.

Прирост

Направленные 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 равен: ^[3]^[12]

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

где:

$A$ — площадь апертуры антенны, то есть устья параболического рефлектора. Для круглой антенны-тарелки, , что дает вторую формулу выше. $A=\pi d^{2}/4$
$d$ — диаметр параболического отражателя, если он круглый.
$\lambda$ длина волны радиоволн.
$e_{A}$ 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 усиление. Усиление увеличивается пропорционально квадрату отношения ширины апертуры к длине волны, поэтому большие параболические антенны, такие как те, которые используются для связи космических аппаратов и радиотелескопов , могут иметь чрезвычайно высокое усиление. Применение приведенной выше формулы к антеннам диаметром 25 метров, часто используемым в решетках радиотелескопов и наземных спутниковых антеннах на длине волны 21 см (1,42 ГГц, обычная частота радиоастрономии ), дает приблизительное максимальное усиление в 140 000 раз или около 52 дБи ( децибел выше изотропного уровня). Самая большая параболическая антенна-тарелка в мире — это сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой на юго-западе Китая, который имеет эффективную апертуру около 300 метров. Усиление этой тарелки на частоте 3 ГГц составляет примерно 90 миллионов, или 80 дБи.

Эффективность апертуры e _A является переменной-ловушкой, которая учитывает различные потери, которые уменьшают усиление антенны от максимума, который может быть достигнут с данной апертурой. Основными факторами, снижающими эффективность апертуры в параболических антеннах, являются: ^[13]

Излучение от антенны-облучателя выходит за пределы края тарелки и, таким образом, не влияет на основной луч.
Конус освещения фидера – максимальный коэффициент усиления для любой апертурной антенны достигается только тогда, когда интенсивность излучаемого луча постоянна по всей площади апертуры. Однако диаграмма направленности от фидерной антенны обычно сужается к внешней части тарелки, поэтому внешние части тарелки «освещаются» с меньшей интенсивностью излучения. Даже если фидер обеспечивает постоянное освещение по всему углу, образуемому тарелкой, внешние части тарелки находятся дальше от фидерной антенны, чем внутренние части, поэтому интенсивность будет падать с расстоянием от центра. Следовательно, интенсивность луча, излучаемого параболической антенной, максимальна в центре тарелки и падает с расстоянием от оси, что снижает эффективность.
Блокировка апертуры – В параболических тарелках с фронтальным питанием, где антенна-фидер расположена перед тарелкой на пути луча (а также в конструкциях Кассегрена и Грегориана), структура фидера и ее опоры блокируют часть луча. В небольших тарелках, таких как домашние спутниковые тарелки, где размер структуры фидера сопоставим с размером тарелки, это может серьезно снизить усиление антенны. Чтобы предотвратить эту проблему, в этих типах антенн часто используется смещенный фидер , где антенна-фидер расположена сбоку, вне 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 теоретических расчетов взаимных помех (на частотах от 2 до приблизительно 30 ГГц; обычно в фиксированной спутниковой службе ), где конкретные характеристики антенны не определены, для расчета помех используется эталонная антенна на основе Рекомендации МСЭ-R S.465, которая будет включать вероятные боковые лепестки для внеосевых эффектов.

Диаграмма направленности излучения

Диаграмма направленности немецкой параболической антенны. Главный лепесток *(вверху)* имеет ширину всего несколько градусов. Все боковые лепестки по крайней мере на 20 дБ ниже (1/100 плотности мощности) главного лепестка, а большинство — на 30 дБ ниже (если бы эта диаграмма была нарисована с линейными уровнями мощности вместо логарифмических уровней дБ, все лепестки, кроме главного, были бы слишком малы, чтобы их можно было увидеть).

В параболических антеннах практически вся излучаемая мощность сосредоточена в узком главном лепестке вдоль оси антенны. Остаточная мощность излучается в боковых лепестках , обычно гораздо меньших, в других направлениях. Поскольку апертура рефлектора параболических антенн намного больше длины волны, дифракция обычно вызывает много узких боковых лепестков, поэтому диаграмма направленности боковых лепестков сложная. Также обычно имеется задний лепесток , в противоположном направлении от главного лепестка, из-за перелива излучения от антенны-фидера, который не попадает на рефлектор.

Ширина луча

Угловая ширина луча, излучаемого антеннами с высоким коэффициентом усиления, измеряется шириной луча по половинной мощности (HPBW), которая представляет собой угловое расстояние между точками диаграммы направленности антенны , при котором мощность падает до половины (-3 дБ) своего максимального значения. Для параболических антенн HPBW θ определяется по формуле: ^[8]^[14]

\theta =k\lambda /d\,

где k — фактор, который немного меняется в зависимости от формы рефлектора и схемы освещения облучателя. Для идеального равномерно освещенного параболического рефлектора и θ в градусах k будет 57,3 (число градусов в радиане). Для типичной параболической антенны k приблизительно равен 70. ^[14]

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

Существует обратная зависимость между усилением и шириной луча. Объединив уравнение ширины луча с уравнением усиления, получим следующее соотношение: ^[14]

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

Формула диаграммы направленности

Излучение от большого параболоида с равномерно освещенной апертурой по существу эквивалентно излучению от круглой апертуры того же диаметра в бесконечной металлической пластине с равномерной плоской волной, падающей на пластину. ^[15] $D$

Картина поля излучения может быть рассчитана путем применения принципа Гюйгенса аналогичным образом к прямоугольной апертуре. Картина электрического поля может быть найдена путем оценки интеграла дифракции Фраунгофера по круглой апертуре. Она также может быть определена с помощью уравнений зоны Френеля . ^[16]

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

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

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

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

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

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 . Член всякий раз , когда . Таким образом, $D$ $\lambda$ $\theta$ $J_{1}$ $\theta _{0}$ $J_{1}(x)=0$ $x=3.83$

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

Когда апертура большая, угол очень мал, поэтому приблизительно равен . Это дает общие формулы ширины луча, ^[15] $\theta _{0}$ $\arcsin(x)$ $x$

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

История

Первая параболическая антенна, построенная Генрихом Герцем в 1888 году. Частичный разрез, демонстрирующий искровой дипольный облучатель частотой 450 МГц.
Экспериментальный передатчик и приемник микроволн на частоте 12 ГГц Аугусто Риги, 1894 г.
Передатчик и приемник искры 1,2 ГГц Гульельмо Маркони, 1895 г.
Коротковолновая параболическая проволочная антенна 20 МГц, построенная Маркони в Херндоне, Великобритания, в 1922 году.
Вращающийся параболический морской радиомаяк Маркони 70 МГц на острове Инчкит, 1925 г.
Первый радиотелескоп : 9-метровая (30-футовая) антенна, построенная Гроте Ребером у себя во дворе в 1937 году.
Радар Вюрцбург-Ризе, построенный Германией во время Второй мировой войны, имел антенну диаметром 7,4 метра (24 фута).
100-метровый (300-футовый) радиотелескоп Эффельсберга, построенный в Бад-Мюнстерайфеле , Германия, в 1972 году, являвшийся самой большой апертурой управляемой антенны до 2000 года.
Антенна радара системы раннего предупреждения о нападении баллистических ракет ВВС США , Аляска, 1961 г., 400 на 165 футов
Радиотелескоп Аресибо , Пуэрто-Рико, высотой 305 метров (1001 фут) — самая большая параболическая тарелка до 2016 года, когда был построен китайский сферический телескоп с апертурой в 500 метров . Он рухнул в 2020 году.

Идея использования параболических отражателей для радиоантенн была взята из оптики , где способность параболического зеркала фокусировать свет в луч была известна со времен классической античности . Конструкции некоторых конкретных типов параболических антенн, таких как кассегреновские и григорианские , происходят от одноименных аналогичных типов рефлекторных телескопов , которые были изобретены астрономами в 15 веке. ^[17]^[2]

Немецкий физик Генрих Герц сконструировал первую в мире параболическую рефлекторную антенну в 1888 году. ^[2] Антенна представляла собой цилиндрический параболический рефлектор, изготовленный из цинкового листового металла, поддерживаемого деревянной рамой, и имела искровой разрядник, возбуждаемый 26-сантиметровым диполем в качестве питающей антенны вдоль фокальной линии. Ее апертура была 2 метра в высоту и 1,2 метра в ширину, с фокусным расстоянием 0,12 метра и использовалась на рабочей частоте около 450 МГц. С двумя такими антеннами, одна из которых использовалась для передачи, а другая для приема, Герц продемонстрировал существование радиоволн , которые были предсказаны Джеймсом Клерком Максвеллом примерно 22 годами ранее. ^[18] Однако раннее развитие радио было ограничено более низкими частотами, на которых параболические антенны были непригодны, и они не получили широкого распространения до Второй мировой войны , когда начали использоваться микроволновые частоты.

После Первой мировой войны, когда начали использоваться короткие волны , возрос интерес к направленным антеннам , как для увеличения дальности, так и для того, чтобы сделать радиопередачи более защищенными от перехвата. Итальянский пионер радио Гульельмо Маркони использовал параболические отражатели в 1930-х годах при исследовании передачи УВЧ со своей лодки в Средиземном море. ^{[17] В 1931 году была продемонстрирована}микроволновая релейная телефонная линия 1,7 ГГц через Ла-Манш с использованием антенн диаметром 3,0 метра (10 футов). ^[17] Первая большая параболическая антенна, антенна диаметром 9 м, была построена в 1937 году пионером радиоастрономии Гроте Ребером на его заднем дворе, ^[2] и обзор неба, который он провел с ее помощью, стал одним из событий, которые легли в основу радиоастрономии . [ ^17]

Развитие радаров во время Второй мировой войны дало большой толчок исследованиям параболических антенн. Это привело к развитию антенн с формообразующим лучом, в которых кривая отражателя отличается в вертикальном и горизонтальном направлениях, что позволяет создавать луч определенной формы. ^[17] После войны были построены очень большие параболические антенны в качестве радиотелескопов . 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-х годах антенны-тарелки стали широко использоваться в наземных сетях микроволновой ретрансляции связи, которые передавали телефонные звонки и телевизионные программы через континенты. ^[17] Первая параболическая антенна, использованная 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 . ^[19] Космический аппарат Voyager 1 , запущенный в 1977 году, в настоящее время находится в 24,2 миллиардах километров от Земли, самого дальнего искусственного объекта в космосе, и его 3,7-метровая антенна Кассегрена S и X-диапазона (см. изображение выше) все еще способна связываться с наземными станциями. Появление в 1970-х годах средств компьютерного проектирования, таких как NEC , способных рассчитывать диаграмму направленности параболических антенн, привело к разработке в последние годы сложных асимметричных, многоотражательных и многофидерных конструкций.

Смотрите также

Спутниковая антенна
Спутниковое телевидение
Simulsat (квазипараболическая антенна, имеющая сферическую форму в одной плоскости и параболическую форму в другой)

Ссылки

^ Стро, Р. Дин, ред. (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . США: Американская лига радиорелейной связи. стр. 19.15. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ abcdefghi Stutzman, Warren L.; Gary A. Thiele (2012). Antenna Theory and Design, 3rd Ed. США: John Wiley & Sons. стр. 391–392. ISBN 978-0470576649.
^ abcdefg Bevelacqua, Peter J. (2011). "The Parabolic Reflector Antenna". Типы антенн . Веб-сайт Antenna-Theory.com . Получено 4 сентября 2024 г.
^ abcd Раджу, GSN (2006). Антенны и распространение волн. Pearson Education India. ISBN 9788131701843.
^ Карр, Джозеф; Хипписли, Джордж (2012). Практический справочник по антеннам, 5-е изд. (PDF) . McGraw-Hill. ISBN 9780071639590.
^ abcdef Lehpamer, Harvey (2010). Микроволновые сети передачи: планирование, проектирование и развертывание. США: McGraw Hill Professional. стр. 268–272. ISBN 978-0-07-170122-8.
^ А. Дэвид Олвер (1994) Микроволновые рожки и каналы , стр. 61-62
^ ab Straw, R. Dean, Ed. (2000). The ARRL Antenna Book, 19th Ed . США: Американская радиорелейная лига. стр. 18.14. ISBN 978-0-87259-817-1.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиоволн. John Wiley and Sons. С. 55–58. ISBN 978-0471743682.
^ 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.
^ Андерсон, Гарри Р. (2003). Проектирование фиксированной широкополосной беспроводной системы. США: John Wiley & Sons. стр. 206–207. ISBN 978-0-470-84438-0.
^ Паттан, Бруно (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии. США: Springer. стр. 267. ISBN 978-0-442-01357-8.
^ abc Minoli, Daniel (2009). Спутниковые системы проектирования в среде IPv6. США: CRC Press. стр. 78. ISBN 978-1-4200-7868-8.
^ ab Kraus, John Daniel; Marhefka, Ronald J. (2002). Антенны для всех применений. McGraw-Hill. ISBN 9780072321036.
^ Джон С. Слейтер и Натаниэль Х. Франк. Введение в теоретическую физику.
^ abcdef Olver, A. David (1994). Микроволновые рожки и каналы. США: IET. стр. 3. ISBN 978-0-7803-1115-2.
^ Лав, Аллан В. "Концепции больших космических антенн для ESGP" (PDF) . Rockwell International . Получено 31 июля 2009 г.
^ Макино, Сигеро (2006). "Исторический обзор систем рефлекторных антенн, разработанных для спутниковой связи компанией MELCO" (PDF) . ISAP2006-Международный симпозиум по антеннам и распространению радиоволн . Mitsubishi Electric Corp. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-04-25 . Получено 2011-12-24 .на сайте ISAP

Внешние ссылки

Медиа, связанные с параболическими антеннами на Wikimedia Commons

WiFi: параболическая антенна с фидером BiQuad
Онлайн-поиск спутников на основе Google Maps
Типы антенн: Параболическая антенна для WiFi
Онлайн-утилита наведения с использованием карт Google и списка спутниковых каналов: DishPointer — настройте спутниковую антенну
Анимация распространения сигнала от параболической антенны с YouTube
Учебное пособие по параболической рефлекторной антенне. Теория и практика.
Апплет усиления параболической антенны.
PlutoDirect.co.uk: Низкие цены на спутниковое и охранное видеонаблюдение