Antena paraboliczna

Erdfunkstelle , duża paraboliczna antena satelitarna w Raisting , Bawaria , Niemcy , największy obiekt do komunikacji satelitarnej na świecie. Posiada Cassegrain .

Antena paraboliczna to antena wykorzystująca reflektor paraboliczny , zakrzywioną powierzchnię o kształcie paraboli w przekroju poprzecznym , do kierowania fal radiowych . Najbardziej rozpowszechniona forma ma kształt czaszy i jest popularnie nazywana anteną talerzową lub czaszą paraboliczną . Główną zaletą anteny parabolicznej jest wysoka kierunkowość . Działa podobnie do szperacza lub latarki reflektor do kierowania fal radiowych w wąskiej wiązce lub odbierania fal radiowych tylko z jednego określonego kierunku. Anteny paraboliczne mają jedne z najwyższych zysków , co oznacza, że ​​mogą wytwarzać najwęższe szerokości wiązki spośród wszystkich typów anten. Aby uzyskać wąskie szerokości wiązki, reflektor paraboliczny musi być znacznie większy niż długość fali używanych fal radiowych, dlatego anteny paraboliczne są używane w części widma radiowego o wysokiej częstotliwości , w UHF i mikrofalach ( SHF ) częstotliwości, przy których długości fal są na tyle małe, że można zastosować reflektory o dogodnych rozmiarach.

Anteny paraboliczne są używane jako anteny o dużym zysku do komunikacji punkt-punkt , w zastosowaniach takich jak mikrofalowe łącza przekaźnikowe przenoszące sygnały telefoniczne i telewizyjne między pobliskimi miastami, bezprzewodowe łącza WAN / LAN do przesyłania danych, komunikacji satelitarnej i anteny komunikacyjne statków kosmicznych . Stosowane są również w radioteleskopach .

Innym dużym zastosowaniem anten parabolicznych są anteny radarowe , które muszą transmitować wąską wiązkę fal radiowych w celu lokalizowania obiektów, takich jak statki, samoloty i pociski kierowane . Są również często używane do wykrywania pogody. Wraz z pojawieniem się domowych odbiorników telewizji satelitarnej anteny paraboliczne stały się powszechną cechą krajobrazów współczesnych krajów.

Antena paraboliczna została wynaleziona przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza podczas odkrycia fal radiowych w 1887 r. Podczas swoich historycznych eksperymentów używał cylindrycznych reflektorów parabolicznych z wzbudzonymi iskrami antenami dipolowymi w ich ogniskach zarówno do nadawania, jak i odbioru.

Anteny paraboliczne opierają się na geometrycznej właściwości paraboloidy, zgodnie z którą tory FP ₁ Q ₁ , FP ₂ Q ₂ , FP ₃ Q ₃ mają tę samą długość. Zatem sferyczne czoło fali emitowane przez antenę zasilającą w ognisku F czaszy zostanie odbite w wychodzącej płaskiej fali L poruszającej się równolegle do osi VF czaszy .

Projekt

Zasada działania anteny parabolicznej polega na tym, że punktowe źródło fal radiowych w ognisku przed paraboloidalnym odbłyśnikiem z materiału przewodzącego zostanie odbite w skolimowaną płaską wiązkę fal wzdłuż osi odbłyśnika. I odwrotnie, nadchodząca fala płaska równoległa do osi zostanie skupiona w punkcie w ognisku.

Typowa antena paraboliczna składa się z metalowego reflektora parabolicznego z małą anteną zasilającą zawieszoną przed reflektorem w jego ognisku, skierowaną do tyłu w kierunku reflektora. Odbłyśnik jest metalową powierzchnią uformowaną w paraboloidę obrotową i zwykle ściętą w okrągłym obrzeżu, który tworzy średnicę anteny. W antenie nadawczej prąd o częstotliwości radiowej z nadajnika jest dostarczany kablem linii transmisyjnej do anteny zasilającej , który przekształca je w fale radiowe. Fale radiowe są emitowane z powrotem w kierunku czaszy przez antenę zasilającą i odbijają się od czaszy w postaci równoległej wiązki. W antenie odbiorczej przychodzące fale radiowe odbijają się od czaszy i są skupiane w punkcie na antenie zasilającej, która przekształca je w prądy elektryczne, które przemieszczają się linią transmisyjną do odbiornika radiowego .

Odbłyśnik paraboliczny

Antena paraboliczna typu siatka druciana stosowana do łącza danych MMDS na częstotliwości 2,5-2,7 GHz. Zasilany jest przez pionowy dipol pod małym aluminiowym odbłyśnikiem na wysięgniku. Wypromieniowuje spolaryzowane pionowo .

Odbłyśnik może być zbudowany z blachy, metalowego ekranu lub drucianej kratki i może mieć postać okrągłego naczynia lub różnych innych kształtów, aby uzyskać różne kształty wiązki. Metalowy ekran odbija fale radiowe tak skutecznie, jak twarda metalowa powierzchnia, jeśli jego otwory są mniejsze niż jedna dziesiąta długości fali , więc reflektory ekranu są często używane w celu zmniejszenia ciężaru i obciążenia wiatrem anteny. Aby osiągnąć maksymalny zysk , kształt czaszy musi być dokładny w obrębie małego ułamka długości fali, aby zapewnić, że fale z różnych części anteny dotrą do ogniska w fazie . Duże naczynia często wymagają podtrzymującej kratownicy za nimi, aby zapewnić wymaganą sztywność.

Odbłyśnik wykonany z siatki równoległych drutów lub prętów zorientowanych w jednym kierunku działa zarówno jako filtr polaryzacyjny , jak i reflektor. Odbija tylko liniowo spolaryzowane fale radiowe, z polem elektrycznym równoległym do elementów grilla. Ten typ jest często używany w radarowych . W połączeniu z liniowo spolaryzowaną tubą zasilającą pomaga odfiltrować szumy w odbiorniku i zmniejsza fałszywe zwroty.

Błyszczący metalowy reflektor paraboliczny może również skupiać promienie słoneczne. Ponieważ większość czasz może skoncentrować wystarczającą ilość energii słonecznej na strukturze zasilającej, aby poważnie ją przegrzać, jeśli zdarzy się, że zostaną skierowane na słońce, solidne reflektory są zawsze pokrywane warstwą płaskiej farby.

Antena zasilająca

Antena zasilająca w ognisku reflektora jest zwykle typu o niskim wzmocnieniu , na przykład dipol półfalowy lub (częściej) mała antena tubowa zwana tubą zasilającą . W bardziej złożonych projektach, takich jak Cassegrain i Gregorian, stosuje się odbłyśnik wtórny do kierowania energii do odbłyśnika parabolicznego z anteny zasilającej umieszczonej z dala od głównego ogniska. Antena zasilająca jest połączona z powiązanym sprzętem nadawczym lub odbiorczym o częstotliwości radiowej (RF) za pomocą kabla koncentrycznego linia transmisyjna lub falowód .

Przy częstotliwościach mikrofalowych używanych w wielu antenach parabolicznych do przewodzenia mikrofal między anteną zasilającą a nadajnikiem lub odbiornikiem wymagany jest falowód . Ze względu na wysoki koszt przebiegów falowodowych, w wielu antenach parabolicznych przednia elektronika RF odbiornika znajduje się na antenie zasilającej, a odbierany sygnał jest konwertowany na niższą częstotliwość pośrednią (IF), dzięki czemu może być doprowadzony do odbiornika poprzez tańszy kabel koncentryczny . Nazywa się to konwerterem blokowym o niskim poziomie szumów . Podobnie w naczyniach nadawczych nadajnik mikrofalowy może być umieszczony w punkcie zasilania.

Zaletą anten parabolicznych jest to, że większość struktury anteny (cała z wyjątkiem anteny zasilającej) jest nierezonansowa , dzięki czemu może działać w szerokim zakresie częstotliwości (tj. w szerokim paśmie ). Aby zmienić częstotliwość pracy, wystarczy wymienić antenę zasilającą na taką, która działa na żądanej częstotliwości. Niektóre anteny paraboliczne nadają lub odbierają na wielu częstotliwościach dzięki kilku antenom zasilającym zamontowanym w ognisku, blisko siebie.

Anteny paraboliczne talerzowe

Osłonięte anteny przekaźników mikrofalowych na wieży komunikacyjnej w Australii.

Antena telewizji satelitarnej, przykład anteny z zasilaniem offsetowym.

Antena komunikacji satelitarnej Cassegraina w Szwecji.

Przesunięta antena gregoriańska używana w Allen Telescope Array , radioteleskopu na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w USA.

Anteny paraboliczne z wiązką kształtową

Pionowa antena typu „skórka pomarańczy” do wojskowego radaru wysokościowego, Niemcy.

Wczesna cylindryczna antena paraboliczna, 1931, Nauen, Niemcy.

Antena radaru kontroli ruchu lotniczego w pobliżu Hanoweru w Niemczech.

Antena radaru obserwacyjnego lotniska ASR-9.

Antena typu „skórka pomarańczy” do radaru przeszukiwania powietrza, Finlandia.

typy

Główne rodzaje anten parabolicznych.

Anteny paraboliczne wyróżniają się kształtami:

• Paraboloidalny lub czasza - Odbłyśnik ma kształt paraboloidy ściętej z okrągłym obrzeżem. Jest to najczęstszy typ. Promieniuje wąską wiązką w kształcie ołówka wzdłuż osi naczynia.
  • Zasłonięte naczynie - Czasami do krawędzi naczynia przymocowana jest cylindryczna metalowa osłona. Osłona osłania antenę przed promieniowaniem z kątów poza główną osią wiązki, redukując listki boczne . Czasami jest używany do zapobiegania zakłóceniom w naziemnych łączach mikrofalowych, gdzie kilka anten korzystających z tej samej częstotliwości znajduje się blisko siebie. Osłona jest pokryta od wewnątrz materiałem pochłaniającym mikrofale. Osłony mogą zredukować promieniowanie płata tylnego o 10 dB.
• Cylindryczny – Odbłyśnik jest zakrzywiony tylko w jednym kierunku i płaski w drugim. Fale radiowe skupiają się nie w jednym punkcie, ale wzdłuż linii. Zasilanie jest czasami anteną dipolową umieszczoną wzdłuż linii ogniskowej. Cylindryczne anteny paraboliczne emitują wiązkę w kształcie wachlarza, wąską w wymiarze zakrzywionym i szeroką w wymiarze niezakrzywionym. Zakrzywione końce odbłyśnika są czasami zakryte płaskimi płytkami, aby zapobiec promieniowaniu z końców, i nazywa się to anteną bunkrową .
• Anteny z ukształtowaną wiązką - Nowoczesne anteny reflektorowe można zaprojektować tak, aby wytwarzały wiązkę lub wiązki o określonym kształcie, a nie tylko wąskie wiązki „ołówka” lub „wachlarza” prostych anten talerzowych i cylindrycznych wspomnianych powyżej. Do kontrolowania kształtu wiązki stosowane są dwie techniki, często w połączeniu:
  • Odbłyśniki kształtowe – Odbłyśnik paraboliczny może mieć nieokrągły kształt lub różne krzywizny w kierunku poziomym i pionowym, aby zmienić kształt wiązki. Jest to często stosowane w antenach radarowych. Zgodnie z ogólną zasadą, im szersza jest antena w danym kierunku poprzecznym, tym węższy będzie wzór promieniowania w tym kierunku.
    • Antena „skórki pomarańczy” - używana w radarach poszukiwawczych, jest to długa, wąska antena w kształcie litery „C”. Promieniuje wąską pionową wiązką w kształcie wachlarza.

Układ wielu rogów zasilających na antenie radaru dozorowania niemieckiego lotniska w celu kontrolowania kąta elewacji wiązki

• • Układy kanałów – w celu wytworzenia wiązki o dowolnym kształcie, zamiast jednego rogu zasilającego, można zastosować układ rogów zasilających skupionych wokół punktu ogniskowego. Anteny z zasilaniem macierzowym są często używane w satelitach komunikacyjnych, w szczególności w satelitach do transmisji bezpośredniej , w celu stworzenia charakterystyki promieniowania łącza w dół w celu pokrycia określonego kontynentu lub obszaru pokrycia. Są często używane z dodatkowymi antenami reflektorowymi, takimi jak Cassegrain.

Anteny paraboliczne są również klasyfikowane według rodzaju zasilania , czyli sposobu dostarczania fal radiowych do anteny:

• Axial , prime focus lub front feed – Jest to najczęstszy rodzaj zasilania, z anteną zasilającą umieszczoną przed czaszą w ognisku, na osi wiązki, skierowaną w tył w kierunku czaszy. Wadą tego typu jest to, że podajnik i jego podpory blokują część wiązki, co ogranicza wydajność apertury tylko do 55–60%.
• Zasilanie poza osią lub z przesunięciem - Odbłyśnik jest asymetrycznym segmentem paraboloidy, więc ognisko i antena zasilająca znajdują się po jednej stronie czaszy. Celem tego projektu jest wysunięcie konstrukcji zasilającej z toru wiązki, tak aby nie blokowała wiązki. Jest szeroko stosowany w domowych telewizji satelitarnej , które są na tyle małe, że w przeciwnym razie struktura zasilania blokowałaby znaczny procent sygnału. Kanał offsetowy może być również używany w projektach z wieloma odbłyśnikami, takimi jak Cassegrain i Gregorian, poniżej.
• Cassegrain - W antenie Cassegraina , zasilanie znajduje się na lub za czaszą i promieniuje do przodu, oświetlając wypukły hiperboloidalny odbłyśnik wtórny w ognisku czaszy. Fale radiowe z kanału odbijają się od reflektora wtórnego do czaszy, która ponownie odbija je do przodu, tworząc wiązkę wychodzącą. Zaletą tej konfiguracji jest to, że zasilanie z falowodami i elektroniką „ front end ” nie musi być zawieszone przed anteną, dlatego jest używane do anten o skomplikowanych lub nieporęcznych kanałach, takich jak duża łączność satelitarna anteny i radioteleskopy . Skuteczność przysłony jest rzędu 65–70%.
• Gregoriański - podobny do projektu Cassegraina, z wyjątkiem tego, że odbłyśnik wtórny ma kształt wklęsły ( elipsoidalny ). Można osiągnąć skuteczność przysłony powyżej 70%.

Wzór paszy

Wpływ charakterystyki promieniowania anteny zasilającej (mała powierzchnia w kształcie dyni) na rozlanie. Po lewej: W przypadku anteny zasilającej o niskim wzmocnieniu znaczna część jej promieniowania wypada poza anteną. Po prawej: Przy wyższym wzmocnieniu zasilania prawie całe jego promieniowanie jest emitowane pod kątem anteny.

Charakterystyka promieniowania anteny zasilającej musi być dostosowana do kształtu czaszy, ponieważ ma ona duży wpływ na wydajność apertury , która określa zysk anteny (patrz sekcja Wzmocnienie poniżej). Promieniowanie z paszy, które wychodzi poza krawędź anteny, nazywane jest efektem rozlania i jest marnowane, zmniejszając wzmocnienie i zwiększając listki tylne , co może powodować zakłócenia lub (w antenach odbiorczych) zwiększenie podatności na szum gruntu. Jednak maksymalne wzmocnienie jest osiągane tylko wtedy, gdy czasza jest równomiernie „oświetlona” przy stałym natężeniu pola do jej krawędzi. Dlatego idealnym wzorcem promieniowania anteny zasilającej byłoby stałe natężenie pola w całym kącie bryłowym anteny, gwałtownie spadające do zera na krawędziach. Jednak praktyczne anteny zasilające mają wzorce promieniowania, które stopniowo zanikają na krawędziach, więc antena zasilająca jest kompromisem między akceptowalnie niskim efektem ubocznym a odpowiednim oświetleniem. W przypadku większości przednich rogów zasilających optymalne oświetlenie uzyskuje się, gdy moc emitowana przez rogi zasilające wynosi 10 dB mniej na krawędzi czaszy niż jej maksymalna wartość na środku czaszy.

Polaryzacja

Wzór pól elektrycznych i magnetycznych na wylocie anteny parabolicznej jest po prostu powiększonym obrazem pól emitowanych przez antenę zasilającą, więc polaryzacja jest określana przez antenę zasilającą. Aby osiągnąć maksymalny zysk, obie anteny zasilające (nadawcza i odbiorcza) muszą mieć tę samą polaryzację. Na przykład pionowa antena zasilana dipolem będzie emitować wiązkę fal radiowych o pionowym polu elektrycznym, zwanym polaryzacją pionową . Odbiorcza antena zasilająca musi również mieć polaryzację pionową, aby je odbierać; jeśli zasilanie jest poziome ( polaryzacja pozioma ) antena poniesie poważną utratę zysku.

Aby zwiększyć szybkość transmisji danych, niektóre anteny paraboliczne transmitują dwa oddzielne kanały radiowe na tej samej częstotliwości z ortogonalnymi polaryzacjami, używając oddzielnych anten zasilających; nazywa się to anteną z podwójną polaryzacją . Na przykład telewizji satelitarnej są transmitowane z satelity na dwóch oddzielnych kanałach na tej samej częstotliwości przy użyciu prawej i lewej polaryzacji kołowej . W domowej antenie satelitarnej są one odbierane przez dwie małe anteny jednobiegunowe w tubie zasilającej , zorientowanych pod kątem prostym. Każda antena jest podłączona do osobnego odbiornika.

Jeśli sygnał z jednego kanału polaryzacji zostanie odebrany przez antenę o przeciwnej polaryzacji, spowoduje to przesłuch , który pogorszy stosunek sygnału do szumu . Zdolność anteny do utrzymywania separacji tych ortogonalnych kanałów jest mierzona za pomocą parametru zwanego dyskryminacją polaryzacji krzyżowej (XPD). W antenie nadawczej XPD jest ułamkiem mocy z anteny o jednej polaryzacji wypromieniowanej w drugiej polaryzacji. Na przykład z powodu drobnych niedoskonałości czasza z anteną zasilającą spolaryzowaną pionowo będzie emitować niewielką część swojej mocy w polaryzacji poziomej; ta frakcja to XPD. W antenie odbiorczej XPD to stosunek mocy odbieranego sygnału o przeciwnej polaryzacji do mocy odbieranej w tej samej antenie o prawidłowej polaryzacji, gdy antena jest oświetlona przez dwie fale radiowe o równej mocy spolaryzowane prostopadle. Jeśli system antenowy ma nieodpowiedni XPD, cyfrowego przetwarzania sygnału z redukcją interferencji między polaryzacją (XPIC) często mogą być używane do zmniejszania przesłuchu.

Kształtowanie podwójnego odbłyśnika

W antenach Cassegraina i Gregoriana obecność dwóch powierzchni odbijających w ścieżce sygnału daje dodatkowe możliwości poprawy wydajności. Gdy wymagana jest najwyższa wydajność, można zastosować technikę zwaną kształtowaniem podwójnego odbłyśnika . Obejmuje to zmianę kształtu subreflektora w celu skierowania większej mocy sygnału na zewnętrzne obszary czaszy, odwzorowania znanego wzoru zasilania na równomierne oświetlenie pierwotnego, aby zmaksymalizować wzmocnienie. Powoduje to jednak, że element wtórny nie jest już dokładnie hiperboliczny (chociaż nadal jest bardzo blisko), więc właściwość stałej fazy zostaje utracona. Ten błąd fazy można jednak skompensować, nieznacznie poprawiając kształt zwierciadła głównego. Rezultatem jest wyższy zysk lub stosunek wzmocnienia do efektu ubocznego kosztem powierzchni, które są trudniejsze do wytworzenia i przetestowania. Można również zsyntetyzować inne wzorce oświetlenia czaszy, takie jak wzory z dużym zwężeniem na krawędzi czaszy w celu uzyskania bardzo niskiego efektu rozlania listki boczne i wzory z centralną „dziurą”, aby zredukować zacienianie paszy.

Osiągać

Główny artykuł: Zysk anteny

Właściwości kierunkowe anteny są mierzone za pomocą bezwymiarowego parametru zwanego jej wzmocnieniem , który jest stosunkiem mocy odbieranej przez antenę ze źródła wzdłuż osi wiązki do mocy odbieranej przez hipotetyczną antenę izotropową . Zysk anteny parabolicznej wynosi:

${\ Displaystyle G = {\ Frac {4 \ pi A} {\ lambda ^ {2}}} e_ {A} = \ lewo ({{ \frac {\pi d}{\lambda}}\right)^{2}e_{A}}$

Gdzie:

• ${\ displaystyle A}$ to obszar otworu anteny, czyli ujścia reflektora parabolicznego. $,$ anteny drugi
• $odbłyśnika$ parabolicznego, jeśli jest okrągły.
• ${\ displaystyle \ lambda}$ to długość fali fal radiowych.
• ${\ displaystyle e_ {A}}$ jest bezwymiarowym parametrem z przedziału od 0 do 1, zwanym wydajnością apertury . Efektywność apertury typowych anten parabolicznych wynosi od 0,55 do 0,70.

Można zauważyć, że podobnie jak w przypadku każdej anteny aperturowej , im większa apertura w porównaniu do długości fali , tym większy zysk. Zysk rośnie wraz z kwadratem stosunku szerokości apertury do długości fali, więc duże anteny paraboliczne, takie jak te używane do komunikacji statków kosmicznych i radioteleskopów , mogą mieć bardzo duży zysk. Stosując powyższy wzór do anten o średnicy 25 metrów, często stosowanych w radioteleskopów i naziemnych antenach satelitarnych na długości fali 21 cm (1,42 GHz, powszechnie stosowana radioastronomia częstotliwość), daje przybliżone maksymalne wzmocnienie 140 000 razy lub około 52 dBi ( decybele powyżej poziomu izotropowego ). Największą paraboliczną anteną talerzową na świecie jest Sferyczny Teleskop Radiowy o średnicy pięćset metrów w południowo-zachodnich Chinach, którego efektywna apertura wynosi około 300 metrów. Zysk tej anteny przy 3 GHz wynosi około 90 milionów, czyli 80 dBi.

Efektywność apertury eA jest zmienną chwytliwą, która uwzględnia różne straty, które zmniejszają zysk anteny od maksimum, jakie można osiągnąć przy danej aperturze _. Głównymi czynnikami zmniejszającymi efektywność apertury w antenach parabolicznych są:

• Przelewanie paszy – część promieniowania z anteny zasilającej wypada poza krawędź anteny, a zatem nie ma udziału w głównej wiązce.
• Stożek oświetlenia zasilającego – Maksymalny zysk dla dowolnej anteny aperturowej jest osiągany tylko wtedy, gdy intensywność wypromieniowanej wiązki jest stała na całym obszarze apertury. Jednak charakterystyka promieniowania z anteny zasilającej zwykle zwęża się w kierunku zewnętrznej części czaszy, więc zewnętrzne części czaszy są „oświetlane” niższym natężeniem promieniowania. Nawet jeśli zasilanie zapewniało stałe oświetlenie pod kątem wyznaczonym przez antenę, zewnętrzne części anteny są dalej od anteny zasilającej niż części wewnętrzne, więc intensywność spadałaby wraz z odległością od środka. Stąd intensywność wiązki emitowanej przez antenę paraboliczną jest maksymalna w środku czaszy i spada wraz z odległością od osi, zmniejszając wydajność.
• Blokada apertury - w czaszach parabolicznych z zasilaniem od przodu, w których antena zasilająca znajduje się przed czaszą na ścieżce wiązki (a także w projektach Cassegraina i Gregoriana), struktura zasilania i jej wsporniki blokują część wiązki. W małych antenach, takich jak domowe anteny satelitarne, gdzie rozmiar struktury zasilającej jest porównywalny z rozmiarem anteny, może to poważnie zmniejszyć zysk anteny. Aby zapobiec temu problemowi, tego typu anteny często wykorzystują zasilanie offsetowe , w którym antena zasilająca jest umieszczona z boku, poza obszarem wiązki. Wydajność apertury dla tego typu anten może sięgać od 0,7 do 0,8.
• Błędy kształtu – przypadkowe błędy powierzchni w kształcie odbłyśnika zmniejszają wydajność. Stratę tę przybliża równanie Ruze'a .

W przypadku rozważań teoretycznych dotyczących wzajemnych interferencji (na częstotliwościach od 2 do około 30 GHz; zwykle w stacjonarnej służbie satelitarnej ), gdzie specyficzna wydajność anteny nie została zdefiniowana, do obliczenia interferencji używana jest antena wzorcowa oparta na zaleceniu ITU-R S.465 , który będzie zawierał prawdopodobne listki boczne dla efektów pozaosiowych.

Charakterystyka promieniowania

Charakterystyka promieniowania niemieckiej anteny parabolicznej. Główny płat (u góry) ma tylko kilka stopni szerokości. Listki boczne są co najmniej 20 dB poniżej (1/100 gęstości mocy) listka głównego, a większość z nich jest o 30 dB poniżej. (Gdyby ten wzór został narysowany z liniowymi poziomami mocy zamiast logarytmicznymi poziomami dB, wszystkie płaty inne niż główny płat byłyby o wiele za małe, aby je zobaczyć).

W antenach parabolicznych praktycznie cała emitowana moc jest skoncentrowana w wąskim płacie głównym wzdłuż osi anteny. Pozostała moc jest wypromieniowywana w listkach bocznych , zwykle znacznie mniejszych, w innych kierunkach. Ponieważ apertura reflektora anten parabolicznych jest znacznie większa niż długość fali, dyfrakcja zwykle powoduje wiele wąskich listków bocznych, więc wzór listków bocznych jest złożony. Zwykle występuje również płatek tylny , w kierunku przeciwnym do płata głównego, ze względu na promieniowanie rozproszone z anteny zasilającej, które nie trafia w reflektor.

Szerokość wiązki

Szerokość kątowa wiązki emitowanej przez anteny o dużym wzmocnieniu jest mierzona szerokością wiązki połowy mocy (HPBW), która jest odległością kątową między punktami charakterystyki promieniowania anteny , przy których moc spada do połowy (-3 dB) jego maksymalna wartość. Dla anten parabolicznych HPBW θ wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle \ teta = k \ lambda / d \,}$

gdzie k jest współczynnikiem, który zmienia się nieznacznie w zależności od kształtu odbłyśnika i wzoru oświetlenia zasilającego. Dla idealnego, równomiernie oświetlonego reflektora parabolicznego i θ w stopniach, k wynosiłoby 57,3 (liczba stopni w radianach). Dla typowej anteny parabolicznej k wynosi około 70.

Dla typowej 2-metrowej anteny satelitarnej działającej w paśmie C (4 GHz) wzór ten daje szerokość wiązki około 2,6°. Dla Arecibo na 2,4 GHz szerokość wiązki wynosi 0,028°. Ponieważ anteny paraboliczne mogą wytwarzać bardzo wąskie wiązki, ich wycelowanie może stanowić problem. Niektóre czasze paraboliczne są wyposażone w celownik , dzięki czemu można je dokładnie wycelować w drugą antenę.

Istnieje odwrotna zależność między wzmocnieniem a szerokością wiązki. Łącząc równanie szerokości wiązki z równaniem wzmocnienia, zależność jest następująca:

${\ Displaystyle G = \ lewo ({\ Frac {\ pi k} {\ theta}} \ prawej) ^ {2} \ e_ {A}}$

Kąt theta jest normalny do apertury.

Formuła wzoru promieniowania

Promieniowanie z dużej paraboloidy z jednorodnie oświetloną aperturą jest zasadniczo równoważne promieniowaniu z okrągłej apertury o tej samej średnicy $nieskończonej$ metalowej płytce z jednolitą falą płaską padającą na płytkę.

Wzór pola promieniowania można obliczyć, stosując zasadę Huygensa w podobny sposób do prostokątnej apertury. Wzór pola elektrycznego można znaleźć, oceniając całkę dyfrakcyjną Fraunhofera na kołowej aperturze. Można to również określić za pomocą równań strefowych Fresnela .

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

gdzie ${\ Displaystyle \ beta = \ omega / c = 2 \ pi / \ lambda}$ . $cdot \ sin$ biegunowych, i ${\ Displaystyle y = \$ rho Biorąc pod uwagę symetrię,

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

a użycie funkcji Bessela pierwszego rzędu daje wzór pola elektrycznego ${\ Displaystyle E (\ theta)}$ ,

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

gdzie jest średnicą $otworu$ anteny w metrach, jest długością fali w metrach, kątem w radianach od osi symetrii anteny, jak pokazano na $}$$\ displaystyle \ theta$ figura, a $jest$ funkcją pierwszego . Określenie pierwszych wartości zerowych wzoru promieniowania daje szerokość wiązki ${\ displaystyle \ theta _ {0}}$ . Termin ${\ Displaystyle J_ {1} (x) = 0}$ ilekroć ${\ Displaystyle x = 3,83}$ . Zatem,

${\ Displaystyle \ teta _ {0} = \ arcsin {\ Frac {3,83 \ lambda} {\ pi D}} = \ arcsin {\ Frac {1,22 \ lambda }{D}}}$ .

Gdy apertura jest duża, kąt $displaystyle$ bardzo mały, więc $\ arcsin (x)}$ jest w przybliżeniu równy ${\ displaystyle x}$ . Daje to wspólne wzory na szerokość wiązki,

${\ Displaystyle \ teta _ {0} \ około {\ Frac {1,22 \ lambda} {D}} \, {\ tekst {(w radianach) }}={\frac {70\lambda}}{D}}\,{\text{(w stopniach)}}}$

Historia

Pierwsza antena paraboliczna, zbudowana przez Heinricha Hertza w 1888 roku.

Krótkofalowa antena paraboliczna 20 MHz zbudowana przez Marconiego w Herndon w Wielkiej Brytanii w 1922 roku.

Pierwsza duża antena paraboliczna: 9-metrowy radioteleskop zbudowany przez Grote'a Rebera na jego podwórku w 1937 roku.

Pomysł wykorzystania reflektorów parabolicznych w antenach radiowych został zaczerpnięty z optyki , gdzie zdolność parabolicznego zwierciadła do skupiania światła w wiązkę była znana od starożytności . Konstrukcje niektórych określonych typów anten parabolicznych, takich jak Cassegrain i Gregorian , pochodzą z podobnie nazwanych analogicznych typów teleskopów zwierciadlanych , które zostały wynalezione przez astronomów w XV wieku.

Niemiecki fizyk Heinrich Hertz skonstruował pierwszą na świecie paraboliczną antenę reflektorową w 1888 r. Antena była cylindrycznym reflektorem parabolicznym wykonanym z blachy cynkowej wspartym na drewnianej ramie i miała dipol 26 cm wzbudzony iskiernikiem jako antena zasilająca wzdłuż linii ogniskowej . Jego apertura miała 2 metry wysokości, 1,2 metra szerokości, ogniskową 0,12 metra i była używana przy częstotliwości roboczej około 450 MHz. Za pomocą dwóch takich anten, jednej używanej do nadawania, a drugiej do odbioru, Hertz wykazał istnienie fal radiowych , które przewidział James Clerk Maxwell jakieś 22 lata wcześniej. Jednak wczesny rozwój radia był ograniczony do niższych częstotliwości, przy których anteny paraboliczne były nieodpowiednie i nie były one szeroko stosowane aż do okresu po II wojnie światowej , kiedy zaczęto stosować częstotliwości mikrofalowe.

Włoski pionier radiowy Guglielmo Marconi użył reflektora parabolicznego w latach trzydziestych XX wieku do badań transmisji UHF ze swojej łodzi na Morzu Śródziemnym. W 1931 roku zademonstrowano mikrofalowe przekaźnikowe łącze telefoniczne 1,7 GHz przez kanał La Manche przy użyciu talerzy o średnicy 3,0 metrów (10 stóp). Pierwsza duża antena paraboliczna, 9-metrowa antena, została zbudowana w 1937 roku przez pioniera radioastronomu Grote'a Rebera na jego podwórku, a przegląd nieba, który przeprowadził za jej pomocą, był jednym z wydarzeń, które zapoczątkowały dziedzinę radioastronomii .

Rozwój radaru podczas II wojny światowej dał wielki impuls do badań nad antenami parabolicznymi. Doprowadziło to do ewolucji anten z ukształtowaną wiązką, w których krzywa odbłyśnika jest inna w kierunku pionowym i poziomym, dostosowanych do wytwarzania wiązki o określonym kształcie. Po wojnie budowano bardzo duże czasze paraboliczne jako radioteleskopy . 100-metrowy radioteleskop Green Bank w Green Bank w Wirginii Zachodniej — którego pierwsza wersja została ukończona w 1962 roku — jest obecnie największą na świecie w pełni sterowalną czaszą paraboliczną.

W latach sześćdziesiątych anteny talerzowe stały się szeroko stosowane w naziemnych sieciach komunikacji mikrofalowej , które przenosiły rozmowy telefoniczne i programy telewizyjne na różnych kontynentach. Pierwsza antena paraboliczna używana do komunikacji satelitarnej została zbudowana w 1962 roku w Goonhilly w Kornwalii w Anglii w celu komunikacji z satelitą Telstar . Antena Cassegraina została opracowana w Japonii w 1963 roku przez firmy NTT , KDDI i Mitsubishi Electric . Pojawienie się komputerowych narzędzi do projektowania w latach 70., takich jak NEC , zdolny do obliczania charakterystyki promieniowania anten parabolicznych, doprowadził w ostatnich latach do opracowania wyrafinowanych projektów asymetrycznych, z wieloma reflektorami i wieloma źródłami zasilania.

Zobacz też

• Radio teleskop
• Antena satelitarna
• Telewizja satelitarna
• Simulsat (antena quasi-paraboliczna, która jest kulista w jednej płaszczyźnie i paraboliczna w innej)

Linki zewnętrzne

Media związane z antenami parabolicznymi w Wikimedia Commons

• WiFi: Antena paraboliczna z podajnikiem BiQuad
• Internetowa wyszukiwarka satelitów oparta na Mapach Google
• Rodzaje anten: Antena paraboliczna do WiFi
• Narzędzie wskazujące online za pomocą map Google i listy kanałów satelitarnych: DishPointer - Ustaw antenę satelitarną
• Animacja propagacji z anteny parabolicznej z YouTube
• Samouczek parabolicznej anteny reflektorowej Teoria i praktyka
• Aplet zysku anteny parabolicznej.
• PlutoDirect.co.uk : Niskie ceny sprzętu satelitarnego i CCTV