Первая параболическая антенна, разработанная Генрихом Герцем

Параболическая антенна была изобретена немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году. Герц использовал цилиндрические параболические рефлекторы для искрового возбуждения дипольных антенн во время своих экспериментов. Антенна имела размер апертуры в 1,2 метра шириной и использовалась на частоте около 450 МГц. Отражатель был сделан из цинковой листовой стали. С двумя такими антеннами, одна из которой была передающей, а другая - приёмной, Герц успешно продемонстрировал существование электромагнитных волн, которые 22 годами раньше были предсказаны Максвеллом.

Обычно в зеркальных антеннах происходит преобразование более широкой диаграммы направленности облучателя в узкую диаграмму направленности самой антенны .

Кромка зеркала и плоскость Z образуют поверхность, называемую раскрывом зеркала. При этом радиус R называется радиусом раскрыва, а угол 2ψ - углом раскрыва зеркала. От угла раскрыва зависит тип зеркала :

• если ψ < π/2 - зеркало называют мелким или длиннофокусным;
• если ψ > π/2 - глубоким или короткофокусным,
• если ψ = π/2 - средним.

Фокус облучателя антенны может как располагаться в фокусе зеркала F, так и быть смещённым относительно него. Если фокус облучателя расположен в фокусе антенны, то она называется прямофокусной . Прямофокусные антенны существуют различных размеров, в то время как осенесимметричные антенны, облучатель которых находится не в фокусе зеркала, обычно не превышают в диаметре более 1,5 м . Такие антенны часто называют офсетными . Преимущество офсетной антенны - это бо́льший коэффициент усиления антенны, что обусловлено отсутствием затенения раскрыва зеркала облучателем . Рефлектор офсетных антенн представляет собой боковую вырезку из параболоида вращения. Фокус облучателей в таких антеннах расположен в фокальной плоскости рефлектора.

Зеркальная антенна может иметь дополнительное эллиптическое зеркало (двухзеркальная схема Грегори) или дополнительное гиперболическое зеркало (двухзеркальная схема Кассегрена), с фокусами, расположенными в фокальной плоскости зеркальной антенны. При этом облучатель расположен в фокусе дополнительного зеркала.

Зеркальная антенна может иметь одновременно несколько облучателей, расположенных в фокальной плоскости антенны. Каждый облучатель формирует диаграмму направленности, направленную в нужном направлении. Облучатели могут работать в разных диапазонах волн ( , , ) или каждый одновременно в нескольких диапазонах.

Расположение фокуса и фокальной плоскости зеркала антенны не зависит от рабочего диапазона волн.

В зависимости от поставленных задач и облучателя зеркальная антенна формирует одну узконаправленную суммарную, суммарно-разностную диаграмму направленности (для пеленгаторов) или одновременно несколько разнонаправленных диаграмм - при использовании нескольких облучателей.

Типы зеркал

В технике наибольшее распространение нашли следующие типы зеркал:

Особенности конструкции

Зеркало обычно состоит из диэлектрической основы (углепластик - для космических антенн), которую покрывают металлическими листами, проводящей краской, фольгой . При этом листы часто являются перфорированными или представляют собой сетку, что обусловлено стремлением снизить вес конструкции, а также максимально снизить сопротивление ветру и осадкам. Однако такое несплошное зеркало приводит к следующим последствиям: часть энергии проникает сквозь зеркало, что приводит к ослаблению КНД антенны, и усилению излучения позади рефлектора. Эффективность антенны с несплошным зеркалом рассчитывается по формуле T = P p r P p a d {\displaystyle T={\frac {P_{pr}}{P_{pad}}}} , где P p r {\displaystyle P_{pr}} - мощность излучения позади рефлектора, а P p a d {\displaystyle P_{pad}} - мощность излучения рефлектора (падающей волны) . Если T < 0 , 01 {\displaystyle T<0,01} , несплошное зеркало считают хорошим. Данное условие обычно выполняется при диаметре отверстий перфорированного зеркала менее 0 , 2 λ {\displaystyle 0,2\lambda } и суммарной площади отверстий до 0 , 5 − 0 , 6 {\displaystyle 0,5-0,6} от всей площади зеркала . Для сетчатых зеркал диаметр отверстий не должен превышать 0 , 1 λ {\displaystyle 0,1\lambda } .

Облучатель

Диаграмма направленности параболической антенны формируется облучателем . Облучателей в антенне может быть один или несколько, соответственно в антенне формируется одна или несколько диаграмм направленности. Делается это, например, для того, чтобы принимать сигнал одновременно с нескольких космических спутников связи.

Раскрыв облучателей расположен в фокусе параболического рефлектора или в его фокальной плоскости, если используется несколько облучателей в одной антенне. Несколько облучателей формируют в одной антенне несколько диаграмм направленности, это необходимо при наведении одной антенны сразу на несколько спутников связи.

Ширина луча

Параметры параболической антенны. Ширина ДН, уровень боковых лепестков, усиление

Угловая ширина луча антенны и её диаграмма направленности не зависит от того, работает ли антенна на приём или на передачу. Ширина луча определяется по уровню половинной мощности луча, то есть по уровню (-3 дБ) от его максимального значения. Для параболических антенн этот уровень определяется по формуле:

где K является фактором, который незначительно меняется в зависимости от формы отражателя, а d - диаметр рефлектора в метрах, ширина диаграммы по половинной мощности θ в радианах. Для 2-х метровой спутниковой антенны, работающей C диапазоне (3-4 ГГц на приём и 5-6 ГГц на передачу), эта формула даёт ширину диаграммы направленности около 2,6°.

Усиление антенны определяется по формуле:

При этом существует обратная зависимость между усилением и шириной луча.

Параболические антенны больших диаметров формируют очень узкие лучи. Наведение таких лучей на спутник связи становится проблемой, так как вместо основного лепестка можно навести антенну на боковой лепесток.

Диаграмма направленности антенны представляет собой узкий главный луч и боковые лепестки. Круговая поляризация в главном луче задаётся в соответствии с задачами, уровень поляризации в разных местах главного луча разный, в первых боковых лепестках поляризация меняется на противоположную, левая - на правую, правая - на левую.

Характеристики зеркальных антенн

Характеристики зеркальной антенны измеряются в дальней зоне.

• В однозеркальной антенне с круговой поляризацией облучатель должен иметь направление вращения поля, противоположное заданному направлению вращения поля антенны.
• Зеркальные антенны с направлением ДН на движущийся объект обычно имеют электропривод для отслеживания углового направления за объектом.
• Измерения ДН больших зеркальных антенн в дальней зоне связано с большими трудностями, связанными со значительными расстояниями от антенн до мест измерения их сигналов. Для измерений ДН используют шумовые сигналы от Солнца, спутников связи, большие коллиматорные антенны.
• Большие зеркальные антенны, расположенные в разных местах планеты Земля, используются в качестве элементов антенных решёток, для исследования дальнего космоса.

Применение

Параболические антенны используются в качестве антенн с большим усилением для следующих видов связи: радиорелейная связь между близлежащими городами, беспроводная связь WAN / LAN линий связи для передачи данных, для спутниковой связи и связи между космическими аппаратами. Они также используются для радиотелескопов.

Параболические антенны также используются в качестве радиолокационных антенн, управляющих кораблями, самолётами и управляемыми ракетами. С появлением домашних спутниковых телевизионных приёмников, параболические антенны стали особенностью ландшафтов современных городов.

Для проведения дальних любительских связей на коротких волнах широко используются направленные антенны различных типов. Сравнительно давно вошли в практику антенны типа "волновой канал", наиболее простые из которых содержат два элемента - активный полуволновой вибратор и пассивный рефлектор. Однако двухэлементные антенны с пассивным рефлектором не дают удовлетворительной направленности излучения.

Если на частотах телевизионных каналов еще можно мириться с использованием многоэлементных антенн, то для KB диапазонов (даже 28 Мгц) они вместе с вращающим устройством представляют чрезмерно громоздкие сооружения. В связи с этим все более широкое применение находят двухэлементные антенны с активным рефлектором. Дело в том, что антенны с питанием рефлектора имеют ряд преимуществ перед антеннами с пассивными элементами.

Коротко эти преимущества сводятся к следующему. Коэффициент усиления двухэлементной антенны с обоими активными элементами эквивалентен усилению полноразмерной трехэлементной антенны с пассивными директором и рефлектором. При одинаковых значениях коэффициента усиления двухэлементная система легче, проще в конструктивном отношении и обладает меньшими моментом инерции и парусностью. Антенны с активным питанием позволяют получить большее подавление излучения назад, что в условиях любительской связи важнее, чем получение максимально возможных для данной системы значений коэффициентов усиления. Вместе с тем следует отметить, что антенны с активным питанием сложнее в настройке и более критичны к изменению параметров.

Принцип работы двухэлементной антенны с питанием рефлектора заключается в создании двух противофазных полей равных амплитуд в направлении, обратном главному максимуму излучения системы. Применение активного рефлектора позволяет добиться равенства токов в обоих элементах антенны и разности фаз, необходимой для максимального ослабления излучения назад. Расчеты, проведенные по общеизвестным формулам теории антенн , показывают, что коэффициент усиления у такой антенны на 3,4 дб выше, чем у антенны с пассивным рефлектором, а максимальное подавление излучения назад (с учетом потерь в соединительной линии) составляет 40- 50 дб, в то время как в пассивных системах оно не превышает 25 дб. Ширина диаграммы в горизонтальной плоскости по уровню 0,707Е составляет 58°, а ширина луча в вертикальной плоскости при высоте подвеса l/2 и угле излучения 30° составляет 32°.

Описываемая двухэлементная антенна с активным рефлектором является модификацией антенны HB9CV , схема которой приведена на рис. 1. При оптимальном расстоянии между элементами, равном l/8, противофазные поля могут быть получены при запитывании элементов антенны с фазовым сдвигом 225°. Фазовый сдвиг 225° в питании рефлектора равен сумме фазовых сдвигов, возникающих за счет противофазной системы питания элементов (180°) и задержки в линии питания (45°).

Следует отметить, что в схеме антенны приведены ошибочные данные, не обеспечивающие требуемый сдвиг фаз при питании коаксиальным кабелем.

Принципиальным недостатком этой антенны является трудность получения необходимого фазового сдвига, что обусловлено выбранной схемой питания. Любой фидерной линии присущ коэффициент укорочения, связанный с ее конструкцией и примененными материалами Для используемых в антенной технике фидерных линий коэффициент укорочения обычно составляет 1,05-1,66. Следовательно, для схемы рис. 1 при питании в точках XX вместо требуемого сдвига фаз (за счет линии), равного 45°, будет получена величина, зависящая от типа примененной линии.

Схема антенны, свободной от этого недостатка и позволяющей получить практически любой сдвиг фазы между двумя активными элементами, показана на рис. 2.

Pиc.2

Точку подключения питающего фидера при известном коэффициенте укорочения линии легко определить по формулам:

где d - расстояние между элементами;
da - длина линии от точки включения до антенны;
dp - длина линии от точки включения до рефлектора;
Dlk - конструктивнее удлинение линии (10-20 см) и

где l - рабочая длина волны;
y - требуемый сдвиг фазы;
e - коэффициент укорочения.

Для питания антенны удобно пользоваться коаксиальным кабелем типа РК-75-7-11 (для которого e=1,52) и коаксиальным тройником типа ВР-193-Ф, делящим мощность поровну, между вибраторами. При использовании тройника для лучшего согласования необходимо в качестве соединительных линий использовать коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 ом (типа РК-150-4-11 или ему подобный).

При расчете длин элементов антенной системы (которые составляют 0,5l для рефлектора и 0,46l для собственно антенны) необходимо учитывать их коэффициент укорочения, зависящий от диаметра. Рассчитанные значения для антенны диаметром 22 мм и согласующей линии диаметром 20 мм даны в табл. 1. Здесь же указаны размеры согласующих элементов.

Размеры заготовок для антенны диапазона 14 Мгц приведены в табл. 2.

Конструкция антенны показана на рис. 3. Каждый элемент выполнен из трех секций, состоящих из дюралюминиевых трубок сопряженных диаметров, вдвигающихся одна в другую.

Pиc.3

Поскольку, наружный диаметр одной трубки равен внутреннему диаметру второй, система допусков не позволяет вогнать одну трубку в другую на значительную глубину. Поэтому вдоль трубки меньшего диаметра делается пропил на длину 400 - 500 мм, после чего обеспечивается надежное их сочленение. Необходимо обратить особое внимание на обеспечение надежного электрического контакта в месте сочленения. Нарушение контакта вызывает заметное ухудшение электрических параметров антенны. Для облегчения настройки на концы элементов надеты гибкие наконечники из сплава АМЦ-М (рис. 4).

Pиc.4

Элементы укрепляются на дюралевой трубе диаметром 40-45 мм с толщиной стенок 2 мм.

Для придания жесткости всей антенной системе она должна быть расчалена капроновой леской диаметром 1 мм (рис. 5).

Pиc.5

Остальные особенности конструкции видны из фотографии.

Вес антенной системы составляет всего 6,5 кг, что позволяет легко монтировать антенну одному человеку.

Для вращения антенны использован электродвигатель типа ПР-1 с вмонтированным внутрь корпуса потенциометрическим датчиком направления.

Настройку антенной системы производят исходя из необходимости получения наилучшего согласования антенны с питающим кабелем и максимального подавления заднего излучения.

При настройке целесообразно воспользоваться сигналом от местного источника, находящегося приблизительно в плоскости расположения элементов на расстоянии не менее 150- 200 м.

Последовательность настройки такова.

Определяют электрическую длину фазосдвигающих линий. Измерение и подгонка этого параметра должна быть проведена с точностью не хуже 2-3 электрических градусов. Изменяя длину согласующих элементов ya и yp добиваются приемлемого значения КСВ всей системы (не выше 1,5 на средней частоте диапазона). Регулируя длины la и lр, добиваются максимального подавления заднего излучения. На данном этапе достаточно добиться подавления в 20- 25 дб. Измерения следует провести в нескольких точках диапазона, после чего повторно регулируют y a и y p , добиваясь значения КСВ, близкого к единице.

Эти операции производят последовательно несколько раз до получения наилучших параметров антенны.

Желательно все измерения производить в рабочем положении антенны с тем, чтобы избежать влияния земли, Которое при малых высотах расположения антенны может сильно исказить результаты.

Следует заметить, что антенны с активными элементами имеют известную зависимость уровня подавления заднего излучения от угла места, что определяется различием в фазовых соотношениях для волн, приходящих под различными углами к горизонту. Для дальних связей, когда эти углы незначительны, подавление достигает 40-50 дб.

Литература:
1. С. И. Надененко. "Антенны". Связьтехиздат, Москва, 1959.
2. "Радио", 1965, № 11, стр. 22.
3. К. Ротхаммель. "Антенны". Изд-во "Энергия", Москва, 1967.

РАДИО N 9 1968 г., c.17-18.

• Перевод

Статья на перевод предложена alessandro893 . Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.

Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.

Слева – изотропная антенна, справа – направленная

Дипольная антенна

Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.

Диаграмма направленности

Антенна в виде несимметричного вибратора (монопольная)

Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.

Диаграмма направленности

Антенна "волновой канал ", антенна Яги-Уда, антенна Яги

Диаграмма направленности

Уголковая антенна

Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и уменьшающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.

Диаграмма направленности

Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов

Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.

Диаграмма направленности

Спиральная антенна

Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.

Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.

Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.

Диаграмма направленности

Ромбическая антенна

Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.

Диаграмма направленности

Двумерная антенная решётка

Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов - 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.

Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.

Диаграмма направленности

Рупорная антенна

Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.

Диаграмма направленности

Параболическая антенна

Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.

Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.

Диаграмма направленности

Антенна Кассегрена

Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.

Диаграмма направленности

Антенна Грегори

Слева – антенна Грегори, справа - Кассегрена

Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.

Офсетная (асимметричная) антенна

Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.

Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной

Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.

Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.

На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.

Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:

Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали.
У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.

Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.

Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.

Щелевая антенна

Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Диаграмма направленности

Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР)

Радар с МИГ-31

С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.

Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.

Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного МШУ (малошумящего усилителя), одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазовращателей.

Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:

На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.

Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:

Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.

Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.

Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазовращатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.

Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.

Фазовращатели с временной задержкой

Простейший тип фазовращателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.

Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)

Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.

Отражательный/квадратурный фазовращатель

Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазовращателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.

Векторный IQ-модулятор

Так же, как и у отражательного фазовращателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.

Фазовращатель на фильтрах верхних/нижних частот

Был изготовлен для решения проблемы фазовращателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазовращатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазовращатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазовращателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.

Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).

Активная фазированная антенная решётка

Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазовращателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.

У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазовращатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:

Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/шум лучше, чем у ПФАР.

Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.

Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.

Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки

Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.

Теги: Добавить метки

Или совокупность вторичных излучателей, расположенные по отношению к первичному излучателю со стороны, противоположной главному лепестку диаграммы направленности антенны с целью увеличения коэффициента направленного действия антенны

Употребляется в документе:

ГОСТ 24375-80

Телекоммуникационный словарь . 2013 .

Смотреть что такое "Рефлектор антенны" в других словарях:

рефлектор антенны - рефлектор Ндп. отражатель Вторичный излучатель антенны или совокупность вторичных излучателей, расположенные по отношению к первичному излучателю со стороны, противоположной главному лепестку диаграммы направленности антенны с целью увеличения… … Справочник технического переводчика

Рефлектор антенны - 397. Рефлектор антенны Рефлектор Ндп. Отражатель Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

РЕФЛЕКТОР - (ново лат., от лат. reflectere отклонять, загибать назад). Отражатель; вогнутое зеркало, для отражения лучей и усиления через это света; снаряд для отражения тепла. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910.… … Словарь иностранных слов русского языка

Рефлектор - Рефлектор отражатель или зеркало антенны либо другого источника или приёмника какого либо излучения. Рефлектор (телескоп) телескоп, объективом которого является зеркало. Рефлектор распространённое в обиходе название бытового… … Википедия

РЕФЛЕКТОР - (от лат. reflecto обращаю назад отражаю),1) отражатель устройство, состоящее из одного или нескольких зеркал и обеспечивающее почти полное отражение падающих на него электромагнитных (напр., световых) или звуковых волн. Отражающая поверхность… … Большой Энциклопедический словарь

рефлектор - а, м. reflecteur, нем. Reflektor <лат. reflectere обращать назад. 1. Отражатель света в форме вогнутого зеркала. БАС 1. В передней.. на стене висел жестяной подсвечник с рефлектором, какой в Москве почему то называется передней лампой.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

рефлектор - а; м. [от лат. reflectere обращать назад, отражать] 1. Отражатель лучей, исходящих от источника света. Надеть на лампу р. // Разг. Источник света, снабжённый таким отражателем. Осветить рефлекторами сцену. Работать при свете рефлекторов. 2.… … Энциклопедический словарь

РЕФЛЕКТОР - (от лат. reflecto загибаю назад, поворачиваю) 1) телескоп, в к ром изображение небесного светила создаётся вогнутым зеркалом или системой зеркал. Приёмник излучения может располагаться в гл. фокусе параболич. зеркала, сбоку от трубы Р., позади… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Рефлектор (зеркало) - Радиоантенна с рефлектором (задний, самый длинный стержень) … Википедия

Рефлектор - (от лат. reflecto обращаю назад отражаю) 1) Отражатель устройство, состоящее из одного или нескольких зеркал и обеспечивающее почти полное отражение падающих на него электромагнитных (напр., световых) или звуковых волн. Отражающая поверхность… … Астрономический словарь