Рис. 13.7.13.
Облучатель не является самостоятельной антенной. Он решает только одну задачу: энергию, пришедшую по фидеру от передатчика, равномерно «размазать» по поверхности зеркала так, чтобы получить максимальное усиление всей системы. А для этого:
Форма ДН облучателя должна быть согласована с формой зеркала и его f/D (пп. 13.7.2, 13.7.2.3). То есть иметь заданную в соответствии с f/D ширину ДН (п. 13.7.2.2). И эта ширина должна быть одинаковой (или близкой) в горизонтальной и вертикальной плоскости (т.к. зеркала в основном круглые).
Боковые и задние лепестки облучателя должны быть минимальны, т.к. они дают потерю усиления и рост боковых лепестков параболической антенны.
Фазовый центр облучателя должен быть точечным, а не размытым в пространстве. Кроме того, его положение в обеих плоскостях должно совпадать или быть близким.
Облучатель должен иметь возможность подстройки КСВ. Отраженная от зеркала волна, попадая назад в облучатель, изменяет поле вокруг него, а, следовательно, и его входной импеданс. Это называется влиянием зеркала. Происходит почти то же самое, что и в любой антенне над идеальной землей (п. 3.3.4). Только у нас роль земли играет рефлектор.
Площадь облучателя должна быть небольшой (для снижения затенения им зеркала).
Если параболическая антенна используется для космической связи (EME, например), то облучатель должен иметь возможность переключать поляризацию.
Такой набор требований делает создание облучателя непростой и не всегда реализуемой задачей.
Самым сложным делом является реализация заданной формы объемной ДН. Нам нужна направленная антенна, равномерно «освещающая» круглое зеркало и не излучающая никуда больше. То есть у облучателя требуется главный лепесток конической формы с одинаковой формой ДН в азимутальной и зенитной плоскостях. Это требование вытекает из геометрии круглого зеркала (случай эллиптических зеркал мы всерьез не рассматриваем, т.к. практически нереально делать зеркало под конкретный облучатель ).
Однако у почти у всех направленных антенн и форма, и ширина ДН в азимутальной и зенитной плоскостях отличаются. Например, у двухэлементной Уда-Яги по уровню – 10 дБ в азимутальной плоскости ДН имеет ширину 1200, а в зенитной – 2100.
Причина такой разницы в неодинаковости ДН в обеих плоскостях у одиночного элемента антенны продольного излучения (а все почти все облучатели ниже 3 ГГц таковыми являются). В примере с антенной Уда-Яги одиночный диполь имеет восьмерочную ДН в азимутальной плоскости, и круговую в зенитной. Применение второго элемента уменьшает эту разницу (из-за общего сужения ДН), но не устраняет её.
Выводы:
Одиночный элемент облучателя обязан иметь близкие по форме ДН в зенитной и азимутальной плоскостях. А для этого надо, чтобы он имел протяженность, как по горизонтали, так и по вертикали (поэтому, кстати, антенна Уда-Яги не может быть хорошим облучателем).
С ростом числа элементов облучателя общая диаграмма направленности меньше зависит от ДН одного элемента. Но влияние все равно остается. Так, для 12-ти элементной Уда-Яги ширина азимутальной ДН 540, а зенитной 580.
Очевидное решение: использовать рамочные элементы. Например, у прямоугольной рамки азимутальная и зенитная диаграммы направленности наиболее близки при соотношении сторон рамки 2:1 и питании в середину короткой стороны.
Двухэлементный облучатель из таких рамок показан в файле ...2el_obl.gaa и на рис. 13.7.13, на котором даны азимутальная и зенитная ДН одновременно. Такой облучатель подойдет для рефлектора с f/D = 0,45 (см. рис. 13.7.4 и 13.7.6).
Облучатель из 3 рамок, показанный в файле ...3el_obl.gaa и на рис. 13.7.14, имеет лучшее совпадение диаграмм. Но они более узкие, поэтому такой облучатель работает на зеркале с f/D = 0,52 (см. рис. 13.7.4 и 13.7.6).
Несмотря на прямоугольность рамок, оба облучателя двух предыдущих рисунков имеют правильную коническую ДН, те. Форма ДН одинакова не только в азимутальной и зенитной плоскости, но и для любой плоскости, повернутой на произвольный угол относительно оси X.
Я остановился на этом отдельно, потому что идентичность только зенитной и азимутальной ДН еще не гарантирует конусности луча (а, следовательно, и равномерности «освещения» рефлектора). Например, два синфазных диполя с небольшим рефлектором (имеется в виду маленький рефлектор облучателя, а не основной параболический) дают очень неплохое совпадение форм азимутальной и зенитной ДН (файлы ...2el_dip_obl.gaa, ...2el_dip_obl_m.gaa). Но если посмотреть объемную ДН, то выяснится, что форма основного лепестка не коническая, а пирамидальная, четырехугольная, и что под углами +450 относительно оси Х форма ДН ощутимо иная, чем по азимуту и по зениту. Следовательно, подойдет такой облучатель только для квадратного зеркала.
Неплохим вариантом является применение зигзагообразного элемента (рис. 4.3.18а). Правда, при использовании такого же элемента рефлектором (маленьким) ДН получается не очень симметричной (примерно как на рис. 13.7.14). А вот если взять сплошной рефлектор, то, подобрав его размеры, можно добиться почти полного совпадения форм главного лепестка по азимуту и зениту. Оптимальные размеры сплошного рефлектора получаются 0,76l х 0,73l (высота на ширину). Такой облучатель показан в файле ...obl2.gaa и на рис. 13.7.15. Он подходит для зеркала с f/D = 0,5 (см. рис. 13.7.4 и 13.7.6).
Обратим внимание, что изменением размеров сплошного рефлектора облучателя можно добиваться улучшения идентичности азимутальной и зенитной ДН.
До совершенства эта идея доведена в облучателе RA3AQ, показанном в файле ...RA3AQ.gaa и на рис. 13.7.16. В цилиндрический рефлектор диаметром 0,76l и высотой 0,21l на глубину 0,063l помещен рамочный вибратор. Совпадение азимутальной и зенитной ДН почти полное для всех углов. Такой облучатель подойдет для зеркала с f/D = 0,42 (см. рис. 13.7.4 и 13.7.6).
Вариант предыдущего облучателя с рефлектором диаметром 0,731l в форме сегмента сферы (ее радиус 0,77l) показан в файле ...obl_fB04.gaa и на рис. 13.7.17. От предыдущего облучателя этот отличается более широким лепестком, поэтому может «осветить» зеркало с f/D = 0,4 (см. рис. 13.7.4 и 13.7.6).
…Отвлекаясь от текущей темы. Параболическую антенну с облучателем рис. 13.7.17 с некоторой (весьма небольшой) натяжкой можно считать двухзеркальной антенной. Рассматривать двухзеркальные системы мы не будем (это совсем профессиональные антенны). Но они есть и решают ту же задачу: равномерно «осветить» и использовать зеркала с небольшим f/D. Но вернемся к нашим облучателям…
В них применяют и более сложные металлические рефлекторы. Устроены они принципиально так же, как облучатели рис. 13.7.16 и 13.7.17: металлическая полость сложной формы, внутри которой расположена антенна-возбудитель. Это получается уже рупор или открытый конец волновода. Делают это обычно на частотах выше 3 ГГц, поэтому в этой книге мы не будем рассматривать такие облучатели.
Для смены направления линейной поляризации облучатель вращают механически. Если нужны все поляризации (включая обе вращающиеся) и быстрая их коммутация, то применяют облучатель RA3AQ или рис. 13.7.17 с двумя точками питания (как на рис. 12.2.18 и 13.4.12) и схемой коммутации рис. 13.4.10.
О влиянии волны, отраженной от зеркала на входной импеданс облучателя мы в общих чертах уже говорили в начале этого параграфа. Теперь посмотрим на это в цифрах. На рис. 13.7.18 приведены графики КСВ исходно настроенного (имеющего КСВ = 1 без зеркала) облучателя в зависимости от диаметра зеркала в l для разных f/D. Эти графики вычислены для круглого параболического зеркала с уровнем возбуждения краев – 10 дБ.
Рис. 13.7.18. Из рис. 13.7.19 следует, что влияние зеркала на КСВ облучателя значительно в большинстве практических вариантов. Пренебречь им можно лишь если применяется очень большое (несколько десятков l в диаметре) зеркало с f/D < 0,5. Во всех остальных случаях уход КСВ облучателя будет большим и надо принимать меры для его согласования (например, изменять размеры).
Разберемся, почему графики рис. 13.7.18 выглядят именно так. Очевидно, что влияние зеркала на облучатель тем сильнее, чем большая часть энергии, отраженной рефлектором проходит сквозь облучатель.
Понятно, почему КСВ на рис. 13.7.18 улучшается с ростом диаметра зеркала: чем больше диаметр, тем меньшую часть апертуры занимает облучатель. Следовательно, большая часть отраженной от зеркала энергии пройдет мимо облучателя, не влияя на него.
Менее очевидно, почему рост f/D настолько увеличивает влияние зеркала (т.е. КСВ облучателя), что без подстройки согласования облучателя антенная система оказывается практически неработоспособной. Но и это проясняется, если обратиться к графикам рис. 13.7.4: угол видимости зеркала из фокуса быстро падает с ростом f/D до нескольких десятков градусов. Иначе говоря, для длиннофокусной (с большим f/D) параболы облучатель должен иметь узкую ДН, и, следовательно, высокое усиление и большую площадь раскрыва. И сквозь эту большую площадь проходит значительная часть отраженной от зеркала энергию. Иначе говоря, поле в ближней зоне облучателя сильно меняется. А это изменяет входной импеданс и КСВ.
Bonn, 28.07.2012