Antena paraboliczna

Paraboliczna antena lub anteny Cassegraina, Gregorian, powszechnie nazywane parabola przez ogół społeczeństwa, pochodzi z teleskopu Cassegraina Laurent Cassegraina i gregoriańskiego teleskopu James Gregory . Jest to antena z paraboloidalnym reflektorem, opartym na geometrycznych właściwościach krzywej zwanej parabolą i powierzchni zwanej paraboloidą obrotu . Antena ta została zakwalifikowana jako uniwersalna, ponieważ teoretycznie działa na dowolnej częstotliwości lub długości fali , jednak jest używana tylko w paśmie L od 1,1 GHz i gdy pożądany jest wysoki zysk anteny . Szacuje się, że zainteresowanie reflektorem parabolicznym jest odczuwalne tylko przy średnicy większej niż czterokrotność długości fali transmitowanego sygnału. Z pewnymi wyjątkami radioamatorzy używają tego typu anten przede wszystkim powyżej 430 MHz , z parabolami, które w związku z tym przekraczają 3 metry średnicy.

Reflektor

Reflektor paraboliczny jest odpowiedzialny za koncentrację odbieranych lub transmitowanych fal ( radar , telewizja , ISM i Wi-Fi , radio amatorskie , łącza mikrofalowe lub fale emitowane przez gwiazdy w radioastronomii ) w kierunku anteny źródłowej, która znajduje się w ognisku przypowieść. Anteny paraboliczne o małej średnicy wykonane są z tłoczonej blachy ( stal lub aluminium ). W przypadku anten o dużej średnicy odbłyśniki są czasami wykonane z siatki drucianej, co wpływa na zmniejszenie oporu wiatru. Odbłyśnik nie może mieć wgłębień ani wypukłości o amplitudzie większej niż 5% długości fali, która dla celów informacyjnych wynosi 2,5 cm w telewizorze satelitarnym i 12,5 cm w przypadku 2,4 GHz .

Źródło

Sygnał do przesłania jest wytwarzany przez nadajnik , urządzenie składające się z lokalnego oscylatora, którego fala będzie modulowana, a następnie wzmacniana. Ten ostatni jest połączony z anteną za pomocą falowodu lub kabla koncentrycznego podłączonego do tuby zasilającej , potocznie nazywanej po prostu „źródłem”, umieszczonej w ognisku reflektora parabolicznego. Zadaniem źródła jest „oświetlenie” całej powierzchni odbłyśnika sygnałem, który ma zostać wyemitowany.

W przypadku anten odbiorczych sygnał pokonuje drogę zwrotną od anteny do tuby zasilającej (zwanej także „źródłem”), a następnie w falowodzie w tym czasie do odbiornika . Ten ostatni filtruje odbierane fale radiowe, aby wydobyć z nich informacje, które zostały w nich włączone podczas ich transmisji: dźwięki lub sygnały cyfrowe.

Istnieją cztery typy anten parabolicznych: anteny ze źródłem centralnym, anteny ze źródłem offsetowym, anteny Cassegraina i anteny gregoriańskie. Z podstawowymi konwencjonalnymi antenami sprawność wynosi około 60 ~ 65%, ale może osiągnąć 72% przy przesunięciu ostrości. Dzięki antenom Cassegraina i Gregoriańskim można uzyskać sprawności rzędu nieco ponad 80%. Przykład: antena konsumencka o standardowej i zwykłej średnicy 60 cm (65 × 60 cm i kącie przesunięcia 22,7 ° ) do odbioru telewizji satelitarnej i mająca wydajność 69%, zapewnia teoretyczny zysk 36,8 dBi przy 12,75 GHz . Kąt otwarcia <3 ° (2x 1,5 ° ) jest ogólnie zgodny z aktywnym rozstawem orbitalnym co 3 °.

Wyśrodkowana antena źródłowa

W antenach z ogniskiem pierwotnym (ang. Prime-focus ) odbłyśnik jest kołowy, a źródło jest umieszczone w osi płatka anteny. Taki układ sprawia, że źródło stanowi ekran dla fal i wydajności, a więc całkowity zysk anteny jest zmniejszony. Ten typ mocowania jest korzystnie stosowany w przypadku reflektorów o średnicach większych niż dwa metry, przy czym cień źródła i ramion wsporczych jest stosunkowo nieistotny.

Przesunięta antena źródłowa

Aby uniknąć wady zespołu ogniskująco-pierwotnego , powszechną praktyką jest odsunięcie źródła, odbłyśnik jest wtedy częścią paraboloidy o eliptycznym obrysie: jest to następnie określane jako źródło przesunięcia (w języku angielskim „offset parabola” ). Jednak taka konfiguracja wymaga większej tuby, jest trudniejsza do uzyskania i generalnie droższa w przypadku dużych reflektorów, takich jak radary . Wydajność jest jednak znacznie lepsza, zwłaszcza w przypadku małych anten, takich jak te używane przez ogół społeczeństwa do odbioru telewizji satelitarnej. Kolejna zaleta: reflektor może utrzymać prawie pionową pozycję nawet dla satelitów umieszczonych wystarczająco wysoko na niebie.

Antena Cassegraina i Gregoriańska

Aby antena o dużej ogniskowej była bardziej zwarta , stosuje się zespół typu Cassegraina , powszechnie stosowany w teleskopach . Odbłyśnik wtórny może być płaski lub hiperbolicznie wypukły, którego tylna ogniskowa pokrywa się z ogniskiem parabolicznego odbłyśnika głównego. Podczas montażu róg zasilający znajduje się w środku głównego reflektora i wysyła fale do odbłyśnika pomocniczego, który zwraca je do reflektora głównego.

Zespół zwany „parabolą gregoriańską” (znany również jako Grégory, nazwisko wynalazcy) jest złożeniem offsetowym wykorzystującym elipsoidalny odbłyśnik wtórny, taki jak zespół Cassegraina. Ten subreflektor ma wklęsłą powierzchnię po stronie odbłyśnika, podczas gdy w Cassegrain mieliśmy powierzchnię użytkową wypukłą.

Oprócz wyższych sprawności rzędu nieco ponad 80% anteny te mają przede wszystkim zwiększoną kierunkowość.

Diagram emisji

Rozmiar powierzchni tworzącej „reflektor paraboliczny” jest na ogół stosunkowo mały w porównaniu z długością fali emitowanego sygnału i nie można wówczas pominąć zjawiska dyfrakcji . Każdy punkt na powierzchni „reflektora” będzie promieniował jak źródło punktowe, a całkowite pole emitowane w punkcie jest spójną sumą wszystkich nieskończenie małych pól. Wszystko dzieje się tak, jak w przypadku dyfrakcji fali przez otwór. Zatem bez względu na typ anteny parabolicznej, wzór emisji składa się z głównego płata skierowanego w kierunku emisji i wtórnych płatów dookoła kuli wyśrodkowanej na antenie, który próbuje się zminimalizować.

Rozważ małą część anteny satelitarnej, która ma mniej więcej kształt prostokąta o wymiarach . Teoria dyfrakcji pokazuje, że amplituda fali emitowanej w kierunku określonym przez kąty (poziomy azymutalny kąt lub namiar ) i ( wzniesienie lub kąt wzniesienia ) w odległości od anteny dostatecznie dużej, aby można było zweryfikować przybliżenie Fraunhofera , jest równa ( jest kardynalną funkcją sinusową ): $l{\text{ par }}L$ $\,\theta$ $\,\phi$ $r$ $\operatorname {sinc}$

E(r,\theta ,\phi )=E_{0}.{\frac {Ll}{\lambda .r}}.\operatorname {sinc} \left(\pi {\frac {L}{\lambda }}.\sin(\phi ).\cos(\theta )\right)\operatorname {sinc} \left(\pi {\frac {l}{\lambda }}.\sin(\theta )\right)

Ogólnie uznajemy szerokość wiązki za kąt znajdujący się pomiędzy każdą stroną głównego listka, gdzie wartość natężenia sygnału nie spada poniżej 0,5 wartości piku, tj. −3 dB w skali logarytmicznej (w decybelach lub dB). Rozwiązując równanie z tą wartością otrzymujemy:

R_{\phi }\approx 0{,}886{\frac {\lambda }{L}}\qquad {\text{et}}\qquad R_{\theta }\approx 0{,}886{\frac {\lambda }{l}}

W zależności od typu anteny należy dodać kilka prostokątnych fragmentów, aby otrzymać wzór emisji dla ostatecznej anteny. Szczególnym, ale bardzo częstym przypadkiem jest antena, która tworzy kompletną parabolę o średnicy D.W tym przypadku rozdzielczość R (lub ) wynosi (w stopniach): $\,\Theta$

\Theta \approx 70{\frac {\lambda }{D}}

Powyższy wykres przedstawia kształt ewolucji mocy fali znormalizowanej względem maksymalnej emitowanej mocy w funkcji położenia i położenia takiej anteny parabolicznej. Widzimy, że pojawia się główny płat, w którym znajduje się większość emitowanej lub odbieranej energii. Definiuje się go jako wiązkę nadawczą lub odbiorczą anteny.

Widzimy, że aby zmniejszyć kątowe otwarcie anteny, istnieją dwie metody:

albo zwiększ rozmiar anteny
albo zmniejszyć długość fali / zwiększyć częstotliwość.

Płaska belka

Szczególnym przypadkiem promieniowania anteny parabolicznej jest wiązka płaska lub wachlarz, bardzo cienki z jednej osi i bardzo szeroki z drugiej. Jak widać powyżej, antena satelitarna daje bardzo skupioną wiązkę w jednym kierunku z . Ścinając część paraboli, jak na rysunku po lewej, wiązka pozostaje skoncentrowana w kierunku prostopadłym i rozszerza się w kierunku brakującej części. Zachowując tylko jeden sektor, można uzyskać bardzo cienką wiązkę w jednym kierunku i bardzo szeroką w drugim, a także w prawo. $\scriptstyle \phi =\theta$

Ten typ anteny jest używany w niektórych głównych radarach lotniskowych. Oś paraboloidy jest wtedy taka jak na obrazku po prawej stronie. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne określenie kierunku i odległości samolotu, ale nie jego wysokości. W tym celu stosuje się radar terenowy działający na tej samej zasadzie. Ponieważ oś niezbędna dla cienkiego przekroju belki musi być w tym przypadku pozioma, oś ściętej paraboloidy będzie w pionie (obrócona o 90 ° w porównaniu z poprzednim przypadkiem).

Aplikacje

Telekomunikacja i profesjonalne transmisje naziemne (łącza mikrofalowe)
Powiązania między Ziemią a satelitami
Fotoradary
Transmisja satelitarna , MMDS , dla ogółu społeczeństwa.
Radio amatorskie , Wi-Fi , ISM .
Radioastronomia

Telewizja satelitarna

W „talerzach” używanych do odbioru telewizji satelitarnej źródło jest bezpośrednio połączone z elementem odbiorczym, głowicą ( LNB ), która jest przetwornikiem częstotliwości o niskim poziomie szumów. Odebrany sygnał, którego częstotliwość jest rzędu 11 lub 12 GHz , jest transponowany na zakres częstotliwości od około 950 do 2 150 MHz, aby dotrzeć do odbiornika telewizyjnego. Jeśli odbierany jest tylko jeden satelita (lub konstelacja satelitów ) lub w przypadku anteny z silnikiem, używana jest tylko jedna głowica. Jeśli pożądany jest drugi satelita (lub druga pozycja orbitalna), system wykorzystuje ognisko pasożytnicze, przesunięte o około 7 cm (ale zależy od średnicy ogniskowej) od osi paraboli 80 cm . To sprawdzone urządzenie umożliwia przechwytywanie dwóch satelitów oddalonych o 6 ° (na przykład Hot-Bird 13 ° E i Astra 19 ° E) za pomocą jednego odbłyśnika, dwóch ogniskowych zasilających dwie głowice lub monoblokową głowicę z bisatelity. Dostępne są talerze multi-focus, obejmujące segment orbitalny od 28 ° E ( Astra 2) do 5 ° West ( Atlantic Bird 3 ).

Dla danej częstotliwości wzmocnienie anteny rośnie wraz ze wzrostem średnicy czaszy, podczas gdy kąt otwarcia maleje.

W przypadku częstotliwości poniżej 1 GHz , większe anteny satelitarne są zwykle zastępowane antenami Yagi , antenami typu quad itp., Ale w trudnych przypadkach spotykanych w TV-UHF parabola jest czasami preferowana jako „rake”.

Alternatywy

Do wychwytywania dwóch lub trzech satelitów można użyć anteny elipsoidalnej
antena toroidalna wykorzystuje dwa reflektory (skierowane do siebie), dzięki czemu fale zbiegają się w linii zamiast w jednym punkcie; co umożliwia odbiór kilku satelitów pod kątem do 40 °

Uwagi

http://www.cosmovisions.com/Cassegrain.htm
Fred Bayart , „ Biografia James Gregory, ” na www.bibmath.net (dostępny 4 maj, 2018 )
" Antena " , na Radartutorial (dostęp 20 maja 2012 )
„ Source shifted ” , w Radartutorial (dostęp 20 maja 2012 )
„ Antenne Cassegrain ” , w Radartutorial (dostęp 20 maja 2012 )
(w) Ginzburg, Dr. Sc Vera: O możliwości polepszenia rozdzielczości radaru przez anntenę paraboliczną wektora DP [PDF]
Christian Wolff i Pierre Vaillant, „ Flat beam antenna ” , na Radarturotial.eu (dostęp 6 stycznia 2016 r . ) .