Что такое параболическая антенна. Схема и принцип действия параболической антенны Смотреть что такое "параболическая антенна" в других словарях

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).

Параболическая антенна представляет собой радиотехническое устройство, используемое в качестве приемника или излучателя электромагнитных волн. В каждой радиотехнической системе, излучающей или передающей радиоволны, антенна играет главную роль и является важнейшим элементом. Это, в первую очередь, такие системы как телевизионные, радиосвязи, радиоуправления, радиовещания, радиолокации, радиорелейной связи, радионавигации, радиоастрономии. Классическая конструкция включает в себя металлические поверхности, специальные провода, магнитодиэлектрики, диэлектрики.

Зеркальные антенны - надежная локация

Самый распространенный тип направленных антенн - это зеркальные антенны, работающие в различных диапазонах радиоволн. Такое распространение они получили из-за простоты своей конструкции. Они надежно работают в- любой направленности, имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, сравнительно низкую шумовую температуру, широкий диапазон работы. При использовании в радиолокации зеркальные антенны позволяют легко находить нужный объект.

Параболические являются наиболее типичными представителями зеркальных антенн. Они представляют собой параболический цилиндр, параболоид вращения, либо параболический цилиндр, ограниченный проводящими параллельными плоскостями.

Устройство параболической антенны

Классическая параболическая антенна представляет собой металлическое отражающее зеркало в виде параболоида вращения и находящийся в- его фокусе излучатель. У них практически в любой точке плоскости зеркала наблюдается синфазное электромагнитное поле. Такое состояние определяется основным свойством параболы: постоянная сумма расстояний от любой точки параболы до фокуса. Облучатель изготавливается в виде разрезного полуволнового вибратора с рефлектором. Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого составляет 75 Ом. Облучатель закрепляется на площади параболического зеркала как минимум в двух точках с помощью полиэтиленовых штанг, длиной 1 метр и хомутиков.

При изготовлении каркаса параболического зеркала используется дюралюминиевая проволока диаметром 6-8 мм. В центре каркаса устанавливается дюралюминиевый диск диаметром 200 мм, к которому крепятся непосредственно сам облучатель, поворотное устройство и радиальные части зеркального каркаса. После сборки каркаса на него с выпуклой стороны устанавливают отражающие провода. Параболическая антенна очень проста в изготовлении, обладает небольшой парусностью и вообще не требует какой-либо настройки.

Принцип действия

Облучатель излучает электромагнитную волну, которая дойдя до проводящей поверхности зеркала, возбуждают на ней токи, создающие вторичное поле, называемое полем отраженной волны. В целях попадания на зеркало основной части излучения, облучатель должен производить излучение в направлении зеркала в одну полусферу и не излучать в другую. Такие облучатели носят название однонаправленных.

Исследуемая в данной работе антенна состоит из параболического зеркала 1 и облучателя 2, помещенного в фокус параболоида (рис.3). В качестве облучателя используется слабонаправленная полосковая антенна, а в качестве зеркала - поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси Z (параболоид вращения).

Антенна характеризуется следующими геометрическими размерами (рис.3):

Радиусом раскрыва R;

Фокусным расстоянием F;

Углом раскрыва 0 .

В прямоугольной системе координат (рис.3) поверхность параболоида описывается выражением:

x2 + y2 = 4Fz (4).

Антенна сохраняет все свои характеристики при выполнении следующего условия:

Здесь - длина волны в свободном пространстве, соответствующая излучаемому или принимаемому сигналу. Условие позволяет при анализе принципа действия антенны пренебречь в первом приближении дифракционными эффектами и рассматривать ее с позиции геометрической оптики.

На рис.4 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.3).

Следует отметить два свойства рассматриваемой поверхности зеркала, которые формулируются следующим образом.

1. Расстояние от точки F называемой фокусом параболоида, лежащего на его оси (ось z), до любой точки Мi , лежащей на прямой МN, перпендикулярной оси, по ломаным путям FPiMi (Pi - точка на зеркале) одинаковы (FP1M1 = FP2M2 =);

2. Нормаль n к поверхности зеркала в любой точке лежит в плоскости чертежа рис.2 и составляет угол /2 с прямой, соединяющей эту точку на зеркале с точкой F и с прямой параллельной оси.

Эти геометрические свойства поверхности определяют принцип действия антенны. Рассмотрим ее работу в режиме передачи. Волна, формируемая полосковым излучателем малых размеров 2 , близка по своим свойствам к неоднородной сферической. С позиций геометрической оптики ее можно представить лучами FPi (рис.4), которые падают на поверхность параболоида. Вследствие второго свойства параболического зеркала, после отражения от него лучи будут распространяться по траекториям, параллельным оси антенны. Таким образом ломанные линии FPiMi представляют собой части траекторий этих лучей.

Благодаря первому свойству параболического зеркала фазовый набег на различных частях траекторий FPiMi оказывается одинаковым. Легко понять, что поверхность, на которой фазы лучей, отраженных от зеркала, будут одинаковы (фазовый фронт волны), представляет собой плоскость, перпендикулярную к оси z (рис.3,4). Это означает, что созданная облучателем волна, близкая по свойствам к сферической, преобразуется в плоскую. Таким образом, параболическое зеркало трансформирует относительно широкую диаграмму направленности излучателя (400 - 700) в узкую, шириной в доли градуса.

Работа антенны в режиме приема рассматривается аналогичным образом. Плоская волна, падающая на зеркало, фокусируется им (преобразуется в сходящуюся) на облучатель.

В качестве облучателей параболических антенн могут быть использованы:

Вибраторные облучатели, представляющие собой систему "активный - пассивный вибратор", "активный вибратор - плоский контррефлектор";

Рупорные облучатели (пирамидальные рупоры, конические рупоры);

Щелевые облучатели;

Спиральные облучатели.

В настоящей работе в качестве облучателя используется малогабаритная полосковая антенна, методы ее анализа рассмотрены в отдельном разделе.

При строгом анализе зеркальной параболической антенны используется волновой подход для определения поля в ее дальней зоне. Например, при анализе ее работы в качестве передающей, определяются вторичные токи, распределенные по поверхности параболического зеркала. Появление этих токов обусловлено падающей на зеркало электромагнитной волной от облучателя. Вторичные токи и формируют излучение антенны в дальней зоне.

Каждый тип облучателя обеспечивает отличное от других распределение вторичных токов по поверхности параболического зеркала. Следовательно, тип облучателя влияет на характеристики направленности антенны в целом.

Важным моментом при разработке конструкции зеркальной параболической антенны является согласование характеристик направленности облучателя и геометрических размеров зеркала. На рис.5 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.5) и отмечены точка фокуса F, в которой расположен облучатель и угол раскрыва ц0.

С практической точки зрения важно, чтобы энергия электромагнитной волны, создаваемой облучателем, по возможности полно перехватывалась и переотражалась зеркалом. Для этого диаграмма направленности облучателя должна быть ограничена прямыми AF и BF (рис.5).

На рис.5 изображена диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат и отмечены два уровня 1 и 0,3. Им соответствуют две пунктирные окружности. Пересечение этих окружностей с диаграммой направленности облучателя определяет направление главного максимума и направления, в котором амплитуда излучаемой волны уменьшается до уровня 0,3 от максимального значения.

На рис.5 прямые AF и BF проходят через эти точки пересечений. Это значит, что энергия электромагнитной волны облучателя, выходящая за пределы угла AFB не перехватывается облучателем и безвозвратно теряется. С практической точки зрения такой выбор соотношения между геометрией зеркала и характеристиками направленности облучателя оказывается оптимальным. Увеличения доли энергии, перехватываемой зеркалом требует увеличения геометрических размеров антенны в целом, что ведет к увеличению ее веса, площади и стоимости. С другой стороны это не приводит к существенному увеличению КПД антенны. Компенсировать энергетические потери в этом случае проще за счет незначительного увеличения мощности передатчика (при работе на прием) или чувствительности приемника (при работе на передачу).

Большое влияние на характеристики зеркальной параболической антенны оказывает точность, с которой фазовый центр используемого облучателя совмещен с точкой фокуса. На рис.6.а показано, что продольное смещение облучателя из фокуса приводит к распространению переизлученных зеркалом лучей (рассматривается режим работы антенны на передачу) по направлениям, составляющим различные углы с продольной осью антенны (ось z). Следовательно, фазовый фронт MN (рис. 6.а) переизлученной волны уже не является плоским. Легко понять, что это соответствует увеличению ширины диаграммы направленности антенны в целом.

На рис.6.б показано, что смещение облучателя из фокуса в поперечном направлении приводит к изменению направления главного максимума. Теоретический анализ показывает, что при незначительных смещениях d облучателя в поперечном направлении (порядка длины волны л принимаемого или передаваемого излучения) не происходит (в первом приближении) увеличения ширины главного максимума диаграммы направленности. Поэтому на практике часто механические перемещения облучателя используются для целей сканирования или подстройки характеристик направленности антенны.

При разработке конструкции антенны большое внимание уделяется минимизации "теневого эффекта". Он состоит в экранировке части параболического зеркала облучателем, имеющим конечные размеры. С одной стороны это ведет к неполному использованию энергии излученной или принимаемой волны.

С другой стороны этот эффект ведет к рассогласованию облучателя с питающей линией. Данный эффект иллюстрируется рисунком 7, на котором показано наличие в питающем облучатель фидере двух волн, распространяющихся во встречных направлениях - от генератора и от зеркала.

Для устранения "теневого эффекта" используются различные методы. На сегодняшний день наиболее эффективным из них является использование в качестве зеркала не центральной, а боковой части параболоида вращения. Как следует из рис.7, облучатель при этом уже не перекрывает зеркало и в питающем фидере не возникают волны, порожденные отражением от параболического зеркала.

Теоретический анализ показывает, что требования к точности выполнения геометрических размеров зеркала определяют допустимые отклонения порядка /8. При увеличении частоты требования к точности изготовления ужесточаются, что ведет к существенному удорожанию антенны в целом.

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.