Основные типы антенн

Зеркальные антенны. Это направленные антенны, содержащие первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Первичным излучателем (или облучателем) называют излучающий элемент антенны, связанный с фидером. На РРЛ, ТРЛ и ССС используют следующие зеркальные антенны: параболические, рупорно-параболические, двухзеркальные и др.

Принцип формирования направленного излучения рассмотрим на примере передающей параболической антенны (см.рисунок 8.1а). Поверхность отражателя 1 является вырезкой из параболоида вращения и представляет собой металлическое зеркало. С фокусом зеркала F совмещен центр облучателя 2. Фокусное расстояние обозначено F*. Широко распространены рупорные облучатели, питаемые от волновода 3.

Рупор излучает сферическую волну, которая, отражаясь от отражателя, превращается в плоскую в раскрыве антенны. Ход лучей показан на рисунке 8.1(а и в) тонкими линиями со стрелками. Раскрывом называют плоскость S, перпендикулярную фокальной оси MN и ограниченную кромкой зеркала (рисунок 8.1а) либо проекцией на нее этой кромки (см.рисунок 8.1в). В плоскости раскрыва все лучи должны быть параллельны, т.е. иметь одинаковую фазу. Кроме того, амплитуды лучей также должны быть одинаковы. За счет этого мощность излучения концентрируется в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва. Чем больше S, тем уже главный лепесток ДН антенны и больше G. На практике амплитуда поля в раскрыве S обычно спадает к краям. Следовательно, в создании направленного излучения участвует не вся апертура S, а ее часть, называемая эффективной площадью антенны (см.рисунок 8.3). Атмосферные осадки, скапливаясь на поверхности отражателя или попадая на облучатель, ухудшают электрические параметры антенны. Поэтому антенны защищают

а – осесимметричной; б – осесимметричной улучшенной;
в – неосесимметричной (1 – отражатель; 2 – облучатель; 3 – фидер)

Рисунок 8.1 – Схемы параболических антенн:

кожухами, а раскрывы антенн – чехлами из гибкой пленки или защитными крышками.

Параболические антенны (ПА). В симметричной ПА (см.рисунок 8.1а,б) форма отражателя симметрична относительно фокальной оси. Облучатель оказывается в поле плоской волны. Часть энергии последней возвращается к облучателю, попадает в волновод и нарушает его согласование с антенной. Кроме того, облучатель и волновод затеняют раскрыв антенны, снижая ее КИП и ухудшая ее направленные свойства. Для улучшения согласования ПА устанавливают металлический диск 5 (см.рисунок 7.1б) на некотором расстоянии r от зеркала 1. Диаметр диска d и расстояние r подбирают такими, чтобы волны, переизлученные диском и зеркалом, у облучателя оказались в противофазе и компенсировали друг друга. Отражатель неосесимметричной ПА (см.рисунок 8.3в) не имеет симметрии относительно фокальной оси MN. Рупор оказывается вне поля плоской волны, переизлученной зеркалом. Поэтому у такой антенны согласование облучателя с волноводом много лучше, чем у осесимметричной и она имеет более широкий диапазон. Угол раскрыва зеркала неосесимметричной ПА не велик. Это снижает ее защитное действие. Для повышения k_З устанавливают дополнительные экраны. На отечественных РРЛ применяют неосесимметричные антенны с круглым раскрывом диаметром 1,1 и 1,5 м типа АНК-1,1 и АНК-1,5. Зеркало представляет собой вырезку из параболоида вращения цилиндром. К нижней части зеркала присоединен металлический экран, улучшающий защитное действие антенны. Облучатель выполнен на основе рупора с изломом образующей и закрыт крышкой из радиопрозрачного материала. Для каждого рабочего диапазона антенну комплектуют своим облучателем. Коэффициент усиления АНК-1,1 меняется от 31 (4ГГц) до 40,6дБ (11ГГц); для АНК-1,5 соответственно от 33,6 до 43дБ; КИП составляет 0,6…0,7. Благодаря наклону зеркала на рабочей поверхности почти не скапливаются осадки.

Рупорно-параболические антенны (РПА). В РПА (см.рисунок 8.2) неосесимметричное параболическое зеркало 1 соединено с пирамидальным рупором 2 по задней кромке и с помощью боковых металлических стенок 4, продолжающих рупор. Рупор соединяют с волноводом через переход 3 с плавно меняющимся сечением, обеспечивающим согласование. Чтобы через раскрыв 5 осадки и пыль не попадали внутрь антенны, его закрывают крышкой из пенопласта.

Рисунок 8.2 – Схема рупорно-параболической антенны

Металлические стенки антенны препятствуют непосредственному излучению рупора и защищают его от воздействия внешних мешающих полей. Поэтому РПА имеет высокое защитное действие. При вертикальной поляризации kз(θ)>65 дБ, при горизонтальной он несколько хуже в секторе углов, примыкающих к 90⁰. Для улучшения защитных свойств конструкцию дополняют экранами. Защитные экраны 5, установленные по боковым кромкам раскрыва, снижают излучение антенны в секторе углов около 90⁰, а экран 3 на верхней кромке – в заднем полупространстве. Антенна с экранами имеет kз(θ)>70 дБ.

Двухзеркальные антенны. У них облучатель состоит из двух элементов (см.рисунок 8.3) рупора 1 и вспомогательного зеркала 2 (контррефлектора). Фазовый центр рупора совмещен с одним из фокусов F1 контррефлектора, а фокус параболического отражателя 3 – со вторым его фокусом F2. Параболическое зеркало излучает так, будто облучатель расположен в фокусе F2.

Антенна двухзеркальная гиперболическая (АДГ) имеет гиперболическое вспомогательное зеркало (см.рисунок 8.3а). Хотя рупор и вынесен из поля плоской волны, но часть лучей, отражаясь от гиперболического зеркала, возвращается в рупор. Это ухудшает согласование рупора с фидером и снижает диапазон АДГ.

Антенна двухзеркальная эллиптическая (АДЭ) имеет вспомогательное зеркало 2 в форме конуса, образующая которого представляет собой часть эллипса (см.рисунок 8.3б). Один из фокусов эллипса F1 лежит на оси симметрии антенны АВ. Геометрическое место фокусов F2 образует фокальное кольцо диаметром d. Параболическое зеркало состоит из двух симметричных частей. Их фокальные оси MN смещены относительно АВ на 0,5d. Вершина конуса 2, фокус F2 и точки кромки зеркала 3 лежат на одной прямой. Лучи, отраженные от эллиптического зеркала, на попадают в рупор, что обуславливает широкий диапазон АДЭ. Эллиптическое зеркало направляет центральные лучи рупора на периферию параболического отражателя, а крайние лучи (их амплитуды ниже) – к центру.

Рисунок 8.3 – Схемы двухзеркальных антенн с гиперболическим (а) и эллиптическим (б) контррефлекторами

Повышению КИП способствует отсутствие металлических тяг крепления конррефлектора. Последний соединяют с рупором в неразборный герметический блок путем заливки пространства между ними пенополиуретаном, который также предохраняет облучатель от осадков. К кромке зеркала крепят цилиндрическую насадку, внешний срез которой меняется по специальному закону. Кроме того, ставят металлические кольца с тыльной стороны отражателя. Так, например, антенна диаметром 3,5 м (АДЭ-3,5) в диапазоне 6 ГГц обеспечивает g=43,5 дБ, но имеет массу в 3 раза меньшую, чем РПА-2п-2. Ее высота с экраном 3736 см.

Перископические антенные системы (ПАС). В ПАС (см.рисунок 8.4) внизу устанавливают антенну 1, например АДЭ, а на опоре 2 – плоское зеркало 3, которое направляет излучение на корреспондента. Целесообразно применение ПАС на пролетах с большими высотами установки антенн. Кроме того, РРС с низко установленными антеннами и короткими фидерами легче обслуживать, особенно в районах с неблагоприятными метеоусловиями. С этой позиции предпочтительна ПАС с неосимметричной антенной (см.рисунок 8.4б), в которой короткий фидер и облучатель расположены в здании. Такую ПАС называют трехэлементной. Наклон нижнего зеркала мешает скоплению осадков. Отечественные трехэлементные ПАС имеют нижнее зеркало в виде вырезки цилиндром из эллипсоида вращения с фокусным расстоянием по вертикальной и горизонтальной осям соответственно 70 и 5 м. Рупорный облучатель размещают на горизонтальной оси эллипсоида около фокуса. Высота подвеса верхнего зеркала 30…100 м. Диаметр раскрыва нижнего зеркала 3,2 м, верхнего – 3,9 м. Контур верхнего зеркала (см.рисунок 8.4в) несколько отличается от эллипса, что способствует снижению излучения в заднее полупространство. Коэффициент усиления такой ПАС составляет 40 и43 дБ соответственно на частотах 4 и 6 ГГц. В каждом частотном диапазоне применяют свой облучатель.

а – двухэлементная; б – трехэлементная; в – верхнее зеркало специальной формы

Рисунок 8.4 – Схема ПАС

Защитное действие достигает 65 дБ. Мешающие сигналы соседних станций, отражаясь от опоры и местных предметов, легко попадают на верхнее или нижнее зеркало, что снижает защитное действие антенны. Установка ПАС на УРС с двухчастотным планом недопустима.

Дата добавления: 2014-01-11