фокусное расстояние большого зеркала двухзеркальная антенна

 Охранные системы  [ 9 ] префокальными, или системами Кассегрена (рис. 2, а, б); схемы, у которых малое зеркало расположено за фокусом (рис. 2, в, г), называются зафокальными (системы Грегори).Подробная классификация таких систем имеется в книге Д. Д. Максутова [11. Несмотря на определенную аналогию между двухзеркальными антеннами и бптическими двухзеркальными телескопами, имеется ряд принципиальных различий между ними, и практически методы расчета астрономических инструментов можно применять только очень осторожно при проектировании двухзеркальных антенн, а во многих случаях они совершенно неприменимы. Достаточно указать, что расчеты двухзеркальных телескопов проводятся только вблизи оси (параксиальной области), а в случае антенн интерес представляют широкие пучки лучей; астрономическая оптика имеет дело с весьма длиннофокусными системами FIDA, такие системы в антенной технике практически не встречаются. В антенной технике более многообразны параметры, которые необходимо обеспечить, например, коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и т. д. (см. подробнее статью И. В. Вавиловой и К- И. Могильниковой в настоящем сборнике). Поэтому, несмотря на внешнее сходство двухзеркальных телескопов с простейшими двухзеркальными антеннами, методы проектирования и расчеты последних совершенно отличны.Простейшие двухзеркальные антенны по своим электрическим свойствам вполне эквивалентны параболическому зеркалу с соответствующим фокусным расстоянием Рэ [21. Порядок построения эквивалентной параболы ясен из рис. 3. Эквивалентное параболическое зеркало имеет тот же диаметр, что.и большое параболическое зеркало соответствующей двухзеркальной антенны-, а фокусное расстояние определяется фокусным расстоянием большого зеркала f и эксцентриситетом малого зеркала е:Рис. 2. Схемы простейших двухзеркальных системе~ 1е+ 1В раскрыве эквивалентного параболического зеркала будет такое же распределение поля, как и в раскрыве двухзеркальной антенны, за исключением участка, затененного малым зеркалом. Введение эквивалентного параболического зеркала облегчает проектирование реального облучателя для простейшей двухзеркальной антенны.В простейшей двухзеркальной антенне наличие в раскрыве малого зеркала вызывает провал в амплитудном распределении по раскрыву. Это в свою очередь вызывает уменьшение коэффициента усиления и повышение уровня боковых лепестков.В первом приближении оценить уменьшение максимума излучения в главном направлении можно по следующей формуле:d \ 2Рис. 3. Схема построения эквивалентного параболоидаа = 2коэффициент усиления при этом надо помножить на (1 -а).Это выражение справедливо для равномерного распределения амплитуды поля в круглом раскрыве; в действительности обычно поле на краях раскрыва спадает и уменьшение усиления поэтому будет еще большим. Что касается изменения уровня боковых лепестков за счет экранирующего влияния малого зеркала, то резче всего это проявляется на увеличении уровня первого бокового лепестка, который при diD - 0,25 возрастает почти вдвое (по мощности). При этом же соотношении диаметров малого и большого зеркал коэффициент усиления у простейшей двухзеркальной антенны снижается примерно на 15% по сравнению с эквивалентной параболической антенной. Поэтому в простейших двухзеркальных антеннах диаметр малого зеркала не должен превышать 0,2-0,25 диаметра большого зеркала.Ниже мы рассмотрим способы уменьшения экранирующего влияния в случае металлических зеркал, но это уже связано с построением зеркал, отличных от параболических и гиперболических или эллиптических.3. Вопросы построения двухзеркальных антенн по заданной диаграмме направленностиВ предыдущем параграфе мы рассматривали простейшие двухзеркальные антенны. Однако возможности двухзеркальных антенн в отношении комбинации форм поверхностей зеркал значительноРис. 4. Модифицированная двухзеркальная антеннашире, например, параллельный пучок лучей (синфазный фронт) на выходе антенны можно получить, если задаться произвольной формой большого зеркала, а малое зеркало при этом рассчитать соответствующим образом. Отсюда возникла мысль о возможности задавать не только фазовый фронт на выходе антенны, но и амплитудное распределение по этому фронту [3, 4].Было показано, что для двухзеркальных антенн осевой симметрии или цилиндрических двухзеркальных антенн можно совершенно точно построить зеркала, обеспечивающие заданное распределение поля в раскрыве. При этом диаграмма направленности облучателя предполагается заданной. Для построения профилей зеркал нужно использовать еще дополнительное энергетическое соотношение, связывающее амплитудное распределение в раскрыве и диаграмму направленности облучателя. Для синфазных антенн осевой симметрии это уравнение энергетического баланса имеет вид5 Л2(Кб)КбйКб 5р2(ф)8Шфйфгде А {Y) - амплитудное распределение в раскрыве, Р(ф) - диаграмма направленности облучателя по мощности, Уб,ф -текущие координаты большого зеркала и диаграмма облучателя соответственно.Используя эти возможности двухзеркальных антенн, удается существенно повысить коэффициент использования площади раскрыва антенны и ее коэффициент усиления. Можно, во-первых, устранить присущие простейшей двухзеркальной антенне потери, связанные с рассеянием части энергии облучателя на малом зеркале. Ход лучей в такой модифицированной двухзеркальной антенне показан на рис. 4. Малое зеркало в вершине имеет заострение. При этом потери, определяемые формулой (4), уменьшаются примерно вдвое. Далее можно повысить коэффициент использования, задавшись при расчете равномерным или близким к равномерному распределением амплитуды в раскрыве; существенно отметить, при этом то важное обстоятельство, что края малого зеркала можно облучать значительно меньшим уровнем, чем однозеркальные параболические антенны или простейшие двухзеркальные антенны. Дело в том, что для упомянутых типов антенн, с точки зрения максимального коэффициента усиления, рекомендуется облучать края по уров-ню 10-12 дб (имеется в виду обычный облучатель рупорного типа). При этом достигается оптимальное соотношение для энергии, рассеиваемой облучателем за края зеркала, и допустимым спадом амплитуды на краях зеркала. В параболических системах жестко связано количество энергии, рассеиваемой облучателем за края зеркала, с характером амплитудного распределения в раскрыве зеркала. В рассматриваемых же двухзеркальных антеннах, рассчитываемых по заданному амплитудно-фазовому распределению в раскрыве. строго говоря, можно облучать малое зеркало по любому уровню диаграммы облучателя. Однако облучать малое зеркало по очень низкому уровню не следует, так как при этом возрастают размеры облучателя и он может частично экранировать лучи, отраженные от малого зеркала. Указанное обстоятельство ограничивает уровень облучения краев малого зеркала; вообще говоря, степень этого ограничения зависит от отношения D/k. Например, при D/k = 20 минимальный уровень облучения краев малого зеркала составляет 17 дб, а энергия, рассеиваемая облучателем за края зеркала, составляет примерно 6%. При увеличении D/X уровень облучения краев малого зеркала можно понизить до 20 дб. Расчетные и экспериментальные данные показывают, что коэффициент использования площади раскрыва симметричной двухзеркальной антенны может достигать 0,7-0,8. Последняя цифра относится к большим зеркальным антеннам. Двухзеркальные антенны осевой симметрии можно спроектировать, например, и для создания диаграмм, обеспечивающих оптимальное соотношение для ширины диаграммы и уровня боковых лепестков. При этом можно при приемлемом уровне боковых лепестков сузить диаграмму на 30-40% по сравнению с обычным косинусоидальным распределением поля по раскрыву.Перейдем теперь к общим вопросам создания двухзеркальных антенн двойной кривизны, не обладающих осевой симметрией. Точный синтез таких двухзеркальных антенн по заданной диаграмме направленности или амплитудно-фазовому распределению поля в раскрыве не может быть произведен. Однако приближенно можно рассчитать и в этом случае двухзеркальные антенны по заданной диаграмме. Здесь также используются геометрооптические соотношения при отражении от зеркал и уравнение энергетического баланса.Несимметричные двухзеркальные антенны представляют интерес в тех случаях, когда требуется получить различные диаграммы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Например, двухзеркальная антенна, проекции которой показаны на рис. 5, обеспечивает в плоскостях zx и zy различные диаграммы. На рис. 6, а, б показаны соответствующие диаграммы, причем в плоскости гу диаграмма типа созесЭ. В двухзеркальных несимметричных антеннах отсутствует экранировка малым зеркалом и поэтому боковые лепестки у них меньше, чем у двухзеркальных антенн осевой симметрии. Интересно отметить еще одно обстоятельство, характерноедля двухзеркальных антенн, а именно: можно задаваться произвольной формой раскрыва большого зеркала, при этом, в отличие от однозеркальных антенн, отсутствуют неизбежные большие потериРис. 5. Сечения и профиль зеркал системы, обеспечивающей специальные диаграммыРис. 6. Форма диаграмм в плоскостяхРис. 7. Двухзеркальная антенна с ромбической формой раскрывапри облучении таких зеркал. Например, можно задаться большим зеркалом с ромбическим раскрывом (рис. 7), при этом решение задачи облучения малого зеркала, сложная поверхность которогонапоминает лепестки цветка, не вызывает затруднений, а малое зеркало практически без потерь переизлучает энергию на большое зеркало. Зеркало с ромбическим раскрывом позволяет снизить лепестки в главных плоскостях, проходящих через диагонали ромба, почти на порядок, по сравнению с обычными антеннами с круглым раскрывом. Что касается выбора размеров малого зеркала, то, с точки зрения применения методов геометрической оптики, диаметр его не должен быть менее 4-5 К.Перейдем теперь к рассмотрению некоторых типов многозеркальных антенн.4. Двухзеркальные антенны осевой симметрии с металлическим малым зеркаломОбщие свойства двухзеркальных антенн осевой симметрии мы рассмотрели выше. Подчеркнем дополнительно их возможности. Не касаясь пока систем для радиоастрономии и космической связи, которые будут рассмотрены отдельно, отметим, что двухзеркальные антенны осевой симметрии простейшего вида (либо модифицированные) широко применяются как в наземных, так бортовых и корабельных станциях. Размеры их бывают самыми разнообразными. Диаметр большого зеркала - от 30 см до 10-15 м. Они применяются прежде всего в тех случах, когда требуется уменьшить про-дольные размеры системы и создать диаграмму направленности «карандашного» типа.Расположение облучателя вблизи вершины зеркала очень удобно, кроме того, может быть выбран рупорный облучатель, пропускающий большую мощность. В указанных антеннах удобно осуществ-Переход враш,енияОсь большогобомшогогркатРис. 8. Двухзеркальная антенна со сканирующим облучателемРис. 9. Двухзеркальная антенна со сканирующим малым зеркалом}ляется коническое сканирование луча либо путем вращения смещенного облучателя (рис. 8), либо, что еще конструктивнее и удобнее, путем вращения слегка наклоненного малого зеркала (рис. 9). В последнем случае отпадает необходимость в дополнительном переходе вращения у облучателя. Если надо обеспечить сканирование луча по двум различным конусам, то можно использовать два переключающихся малых зеркала, каждое из которых наклонено на соответствующий угол.Фоулдз и Комлос недавно опубликовали данные о широкополосной двухзеркальной антенне со специальным облучателем и мембраной на малом зеркале [5] для улучшения согласования в 30%-ном диапазоне частот. На рис. 10 показан узел: излучатель - малое зеркало такой антенны. Следует заметить, что в тени малого зеркала можно установить дополнительный отражатель с облучателем и реализовать таким образом комбинированную сдвоенную антенну.5. Двухзеркальные антенны с большим зеркалом сферической или сфероидальной формыАнтенны со сферическими зеркалами давно привлекают внимание специалистов, так как диаграмма направленности у них не искажается при качании. Само качание диаграммы производится перемещением облучателя относительно центра сферы. В бднозер-Рис. 10. Двухзеркальная антенна с мембраной на малом зеркале [ 9 ]