Рефлекторная антенна. Устройство антенны

Использование: в антенной технике. Сущность изобретения: рефлектор антенны выполнен из обшивок, между которыми размещен заполнитель. На одной из обшивок размещена отражающая поверхность, выполненная из уложенных внахлест отражающих элементов в форме криволинейных или правильных многоугольников. Обшивки могут быть выполнены многослойными, а каждый слой - из элементов в форме криволинейных или правильных многоугольников, слои обшивок расположены симметрично относительно заполнителя. Кроме того, слои на вершине образованы из элементов в форме криволинейных квадратов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к конструкциям рефлекторов антенн. Известен также рефлектор антенны, выполненный в виде многослойной конструкции с отражающим слоем из металлизированной ткани, исходным материалом для которой служат синтетические или натуральные волокна, покрытые медью, серебром или никелем. Для формирования отражающей поверхности ткань, предварительно пропитанную связующим, разрезают на фигурные клинья. Для этого методом центрального проектирования с помощью компьютера раскраивают на клинья ткань и, располагая клинья внахлестку, формируют криволинейную отражающую поверхность зеркала. Такой крой препрега отражающей поверхности рефлектора антенны не обеспечивает изотропности этого слоя относительно оси вращения параболоида в силу наличия выделенных направлений клиньев, что ведет к неравномерности механических характеристик и, следовательно, искажению радиотехнических характеристик. При укладке клина неизбежна вытяжка препрега, так как параболоид является неразвертывающейся поверхностью, деформация клина при его наложении на эту поверхность с нарушением угла ячеек сетки, что влияет на структурные свойства рефлектора антенны, такие как модуль упругости, прочность, а также на температурную деформацию рефлектора. При перепадах температур в процессе изготовления рефлектора и его эксплуатации в материале отражающего слоя возникают внутренние напряжения, ведущие к расслаиванию. Явления нарушения однородности заготовок препрега усиливаются с увеличением диаметра рефлектора, а следовательно, с увеличением длины кусков препрега, что способствует образованию складок, морщин и тому подобных неравномерностей. Кроме того, выкладка параболического рефлектора большого диаметра нетехнологична, так как раскрой фиксирует местоположение каждого клина. Целью изобретения является создание рефлектора антенны, преимущественно параболической формы, обладающего высокими радиотехническими характеристиками, повышенной надежностью и жесткостью за счет минимизации внутренних напряжений и поводок в процессе изготовления его и эксплуатации, а также повышение технологичности. Для достижения цели рефлектор антенны, преимущественно параболической фоpмы, выполнен в виде многослойного изделия, включающего ячеистый или пористый заполнитель, расположенный между обшивками, при этом внутренняя обшивка содержит отражающий слой, выложенный с нахлестом из криволинейных или правильных многоугольников, например, в виде криволинейной трапеции или шестиугольных фигур. Слои обшивок также могут быть выложены из криволинейных или правильных многоугольников, например, шестиугольных фигур. Слои внутренней и наружной обшивок рефлектора антенны расположены зеркально относительно ячеистого заполнителя. Слои, расположенные на вершине рефлектора антенны, выполнены из криволинейных квадратов. Рефлектор заявляемой конструкции обеспечивает высокие радиотехнические характеристики антенны за счет того, что слои обшивок выложены из элементов в виде правильных многоугольников, преимущественно пяти- или шестиугольников, при этом слои ориентированы относительно друг друга поворотом на постоянный угол. С учетом сторон и зеркального расположения слоев обшивок относительно ячеистого заполнителя получается равномерная, практически изотропная по механическим свойствам жесткая параболическая поверхность, исключающая отклонения от заданной геометрии в процессе изготовления и эксплуатации рефлектора антенны. Сравнительно короткие стороны криволинейных многоугольников обеспечивает хорошее наложение на параболическую поверхность, увеличивающее механическую прочность конструкции. Возможность унифицировать элементы обеспечивает технологичность изготовления рефлектора антенны, исключает отходы при крое и снижает затраты на его изготовление. На фиг. 1 представлен рефлектор антенны (общий вид); на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 узел II на фиг.2. Рефлектор антенны представляет собой многослойное изделие, включающее внутреннюю обшивку 1, наружную обшивку 2, расположенный между ними сотовый заполнитель 3. Обшивки выполнены многослойными, при этом слои выполнены из криволинейных или правильных многоугольников 4. Внутренняя обшивка имеет отражающий слой 5, представляющий собой два слоя углеродного волокна, уложенные под углом 90 o относительно друг друга. Отражающий слой 5 расположен между внешним 6 и внутренним 7 слоями внутренней обшивки рефлектора антенны, выполненными из стеклоткани. Наружная обшивка 2 выполнена из четырех слоев стеклоткани. Схема выкладки наружной обшивки является зеркальным отражением схемы выкладки внутренней обшивки относительно сотового заполнителя ПСП на основе бумаги финелон и фенольного связующего. Изготовление рефлектора диаметром 2 м для антенны с фокусным расстоянием 82 см, предназначенной для работы в диапазоне 10-12 ГГц на длине волны 2,5-3 см. Изготовление рефлектора антенны включает следующие операции. Изготовление внутренней обшивки. Внутреннюю многослойную обшивку изготавливают последовательной сборкой пакета: сначала на поверхность неметаллической оснастки выкладывают первый слой стеклоткани Т-11, пропитанной термореактивный связующим на основе эпоксидной смолы "Спорт" в направлении "0". Далее выкладывают второй и третий отражающие слои из углеродного волокна ЭЛУР-0,08 и, располагая их относительно друг друга под углом 90 o , а относительно первого слоя под углом 45 o . После чего выкладывают четвертый слой из стеклоткани Т-11, пропитанной связующим "Спорт" под углом 90 o относительно первого слоя. Каждый из четырех слоев выкладывают с перехлестом заготовок, полученным раскроем препрега, в виде криволинейной трапеции. Геометрические размеры криволинейной трапеции определяли экспериментально, высота трапеции составила 30 см, а ширина 40 см. Технологический пакет упаковывают в герметизирующий чехол и проводят вакуумное формование при температуре 130 o и давлении 0,5-0,7 кг/см 2 в течение 2 ч. На изготовленную таким образом обшивку наносят слой клея ВК-51 и укладывают несущий слой из сотового заполнителя ПСП на основе бумаги финелон и фенольного связующего с ячейкой 5 мм и высотой 50 мм. На несущий слой из сотового заполнителя выкладывают внешнюю обшивку рефлектора, состоящую из четырех слоев стеклоткани Т-11, пропитанной термореактивным связующим "Спорт", из предварительно раскроенных заготовок в виде криволинейной трапеции. При этом схема выкладки слоев наружной обшивки является зеркальным отражением схемы выкладки слоев внутренней обшивки рефлектора. Собранный технологический пакет упаковывают в герметизирующий чехол и проводят вакуумное формование также при 130 o и давлении 0,5-0,7 кГ/см 2 в течение 2 ч. Изготовленный таким образом рефлектор антенны соответствовал заданным радиотехническим характеристикам.

Формула изобретения

1. Рефлектор антенны, содержащий отражающую поверхность, выполненную из отражающих элементов, уложенных внахлест на опорную оболочку, отличающийся тем, что опорная оболочка выполнена из обшивок, между которыми размещен пористый или ячеистый заполнитель, а отражающие элементы выполнены в форме криволинейных или правильных многоугольников и уложены на одну из обшивок. 2. Рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что каждый отражающий элемент выполнен в форме криволинейной трапеции или шестиугольника. 3. Рефлектор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обшивки выполнены многослойными, а каждый слой образован из элементов в форме криволинейных или правильных многоугольников. 4. Рефлектор по пп. 1 3, отличающийся тем, что слои обшивок расположены симметрично относительно ячеистого заполнителя. 5. Рефлектор по пп. 1 4, отличающийся тем, что слои на его вершине образованы из элементов в форме криволинейных квадратов.

• 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

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.

Антенны с уголковым рефлектором достаточно просты в изготовлении и по этой причине раньше пользовались у радиолюбителей большой популярностью. Эти антенны имеют усиление, сравнимое с усилением, которое обеспечивает антенна Уда-Яги, но по сравнению с последними требуют применения большего количества материалов.

Схема уголковой антенны (так иногда называют рассматриваемые антенны) приведена на рис. 6.53. Излучающим элементом обычно служит полуволновый диполь. Обычно этот элемент выполняют с малым отношением l/d , что способствует расширению диапазона рабочих частот. Уголковый рефлектор выполняется из набора диполей длиной H ≥ 0,6λ , размешенных на расстоянии G = 0,1λ друг от друга. Длина стороны рефлектора L зависит от расстояния S между вибратором и вершиной отражателя, а также от угла раскрыва уголкового рефлектора.

Рассмотрим процесс отражения волны от уголкового рефлектора. Волна, падающая в точку A рефлектора, после отражения распространяется параллельно оси рефлектора. Волна, падающая на рефлектор выше или ниже точки A , после отражения распространяется под некоторым углом к оси рефлектора (см. рис. 6.53б ).

Для рефлектора с углом раскрыва α = 90° длина стороны рефлектора достигает значения 2S . В этом случае точка A находится на расстоянии 1,41S от вершины рефлектора. Если уменьшить угол раскрыва рефлектора с 90° до 60°, то точка A будет отстоять от вершины рефлектора уже на расстояние 1,73S . Поэтому в этом варианте, при котором не меняется длина стороны рефлектора, а только уменьшается угол раскрыва, усиление антенны не изменится. Усиление увеличится, если одновременно уменьшить угол раскрыва и удлинить до значения 3S длину стороны рефлектора.

Уменьшение высоты рефлектора H от 0,6λ до 0,3λ приводит вначале к уменьшению усиления, а потом и к изменению направления излучения главного лепестка диаграммы направленности.

Для того чтобы расширить полосу рабочих частот уголковой антенны, следует использовать широкополосный вибратор и выбирать антенну со следующими размерами S = 0,5 и L = 1,0λ . Обычно эффективная площадь поверхности раскрыва уголковых антенн A эфф = (1...2)λ 2 зависит от угла раскрыва антенны и длины сторон рефлектора.

Анализ уголковой антенны можно провести, пользуясь методом зеркальных изображений, согласно которому стороны рефлектора исключаются из рассмотрения, а их взаимодействие с реальным источником излучения заменяется рядом мнимых источников. На рис. 6.54а , б приведены эквивалентные схемы антенн, имеющих угол раскрыва соответственно 90° и 60° Схема, эквивалентная уголковой антенне с углом раскрыва 90°, имеет один реальный излучатель и три мнимых, причем фаза возбуждения мнимых диполей 2 и 4 отличается на 180° от фазы возбуждения реального диполя, а фаза возбуждения третьего мнимого диполя совпадает с фазой реального диполя. Диполи 2 и 4 отстоят от диполя 1 на расстояние 1,41S , а расстояние между этими диполями вдоль оси антенны составляет S . Результирующая диаграмма направленности четырехэлементной системы, у которой амплитуды токов в элементах одинаковы, а фазы возбуждения определены выше, является диаграммой излучения уголковой антенны.

Результирующая диаграмма направленности шести излучателей, один из которых является реальным излучателем, а пять - мнимыми, определяет диаграмму направленности уголковой антенны, имеющий угол раскрыва 60°.

Из графиков, приведенных на рис. 6.55, следует, что изменение расстояния S приводит к изменению формы диаграммы направленности. Диаграмма направленности в плоскости E уголковой антенны значительно шире, чем в плоскости H , для которой рефлектор играет основную роль.

О влиянии расстояния S на форму диаграммы направленности можно судить по рис. 6.55б , на котором представлены диаграммы в плоскостях E и H для уголковой антенны с углом раскрыва 90°. Изменяя угол раскрыва и расстояние S , можно регулировать усиление антенны. При малых расстояниях S усиление антенны изменяется так, как показано на рис. 6.56а , а при больших - как на рис. 6.56б , в . Значение усиления нормировано относительно усиления полуволнового диполя, размещенного в свободном пространстве. Угол 180° означает, что рефлектор выполнен плоским. Пунктирной линией показаны реальные значения усиления, отличающиеся от теоретических из-за наличия сопротивления потерь R пот = 1 Ом . Из графиков, приведенных на рис. 6.56б , в , следует, что изменение усиления антенны в зависимости от отношения S/λ носит осциллирующий характер: усиление сначала растет с увеличением S/λ , а затем уменьшается, далее вновь растет и т. д.

Входное сопротивление R A зависит от расстояния S и угла раскрыва антенны. Для анализа влияния этих параметров на R A можно воспользоваться графиками, приведенными на рис. 6.57а для малых значений S/λ и рис. 6.57б , в для больших значений S/λ . Анализ графиков показывает, что при больших значениях отношения S/λ входное сопротивление уголковой антенны, излучателем которой является полуволновый диполь, приближается к входному сопротивлению полуволнового диполя, размещенного в свободном пространстве.

В табл. 6.8 сведены основные параметры уголковой антенны, предназначенной для работы в диапазонах 145 и 432 МГц.

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