Параболалық антенналар: түрлері мен қолданылуы

Кіріспе

Антенна түрі

Параболалық антенна – радио толқындарды бағыттау үшін параболалық рефлекторды, қимасы парабола пішініндегі иілген бетті пайдаланатын антенна. Ең көп таралған түрі ыдыс тәрізді және оны ыдыс антеннасы немесе параболалық ыдыс деп атайды. Параболалық антеннаның басты артықшылығы – жоғары бағыттылығы. Ол радио толқындарды тар сәуледе бағыттауға немесе радио толқындарды тек бір бағыттан қабылдауға арналған іздеу шамдары немесе фаралар сияқты жұмыс істейді. Параболалық антенналардың ең жоғары күшейту коэффициенті бар, яғни олар кез келген антенна түрінің ең тар сәуле енін қамтамасыз ете алады. Тар сәуле енін жетістіру үшін параболалық рефлектор пайдаланылатын радио толқындардың толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болуы керек. Қаптама антеннаны басты сәуле осінен тыс бұрыштардан келетін сәулеленуден қорғайды, жанама лепектерді азайтады. Ол кейде жер бетіндегі микротолқынды байланыс желілеріндегі кедергілерді болдырмау үшін қолданылады, онда бір жиілікті пайдаланатын бірнеше антенналар бір-біріне жақын орналасқан. Қаптаманың іші микротолқынды жұтатын материалмен қапталған. Қаптама артқы лепек сәулеленуін 10 дБ-ға дейін азайтуға мүмкіндік береді. Сәуленің пішінін басқару үшін екі техника қолданылады, көбінесе біріктіріліп:
Пішінделген рефлекторлар – Параболалық рефлекторға дөңгелек емес пішін немесе көлденең және тік бағыттағы әртүрлі қисықтықтар берілуі мүмкін, бұл сәуленің пішінін өзгертуге мүмкіндік береді. Бұл көбінесе радарлық антенналарда қолданылады. Жалпы принцип бойынша, антенна белгілі бір көлденең бағытта неғұрлым кең болса, сәулелену үлгісі сол бағытта соғұрлым тар болады. "Қызылша қабық" антеннасы – Іздеу радарларында қолданылатын, "С" әрпі тәрізді ұзын, тар антенна. Ол тар тік жапырақша тәрізді сәуле шығарады. Жекеленген таратқыштар массиві – Кез келген пішінді сәуле жасау үшін бір таратқыш мүйізінің орнына фокус нүктесінің маңында шоғырланған таратқыш мүйіздер массиві қолданылуы мүмкін. Массивтік таратқыштармен жабдықталған антенналар көбінесе байланыс спутниктерінде, әсіресе тікелей эфирлік спутниктерде белгілі бір континентті немесе қамту аймағын қамтитын төменгі сәулелену үлгісін жасау үшін қолданылады. Олар көбінесе Кассегрен сияқты екінші рефлекторлы антенналармен қолданылады. Параболалық антенналар таратқыштың түріне қарай да жіктеледі, яғни радио толқындары антеннаға қалай жеткізіледі:

A parabolic antenna is an antenna that uses a parabolic reflector, a curved surface with the cross sectional shape of a parabola, to direct the radio waves. The most common form is shaped like a dish and is popularly called a dish antenna or parabolic dish. The main advantage of a parabolic antenna is that it has high directivity. It functions similarly to a searchlight or flashlight reflector to direct radio waves in a narrow beam, or receive radio waves from one particular direction only. Parabolic antennas have some of the highest gains, meaning that they can produce the narrowest beamwidths, of any antenna type. In order to achieve narrow beamwidths, the parabolic reflector must be much larger than the wavelength of the radio waves used, The shroud shields the antenna from radiation from angles outside the main beam axis, reducing the sidelobes. It is sometimes used to prevent interference in terrestrial microwave links, where several antennas using the same frequency are located close together. The shroud is coated inside with microwave absorbent material. Shrouds can reduce back lobe radiation by 10 dB. Two techniques are used, often in combination, to control the shape of the beam:
Shaped reflectors – The parabolic reflector can be given a noncircular shape, or different curvatures in the horizontal and vertical directions, to alter the shape of the beam. This is often used in radar antennas. As a general principle, the wider the antenna is in a given transverse direction, the narrower the radiation pattern will be in that direction. "Orange peel" antenna – Used in search radars, this is a long narrow antenna shaped like the letter "C". It radiates a narrow vertical fan shaped beam. Arrays of feeds – In order to produce an arbitrary shaped beam, instead of one feed horn, an array of feed horns clustered around the focal point can be used. Array fed antennas are often used on communication satellites, particularly direct broadcast satellites, to create a downlink radiation pattern to cover a particular continent or coverage area. They are often used with secondary reflector antennas such as the Cassegrain. Parabolic antennas are also classified by the type of feed, that is, how the radio waves are supplied to the antenna:

Поляризация

Параболалық антеннаның аузындағы электр және магнит өрістерінің үлгісі – беріліс антеннасының сәулеленген өрістерінің масштабталған көрінісі болғандықтан, поляризация беріліс антеннасымен анықталады. Ең жоғары күш алу үшін, екі беріліс антеннасының (тарату және қабылдау) поляризациясы бірдей болуы керек. Мысалы, тік дипольдік беріліс антеннасы электр өрісі тік бағытта сәулеленетін радиотолқындар шоғын шығарады, бұл тік поляризация деп аталады. Оларды қабылдау үшін қабылдағыш беріліс антеннасы да тік поляризациялы болуы керек; егер беріліс көлденең болса (көлденең поляризация), антенна күшті жоғалтады. Деректердің жылдамдығын арттыру үшін кейбір параболалық антенналар екі бөлек беріліс антеннасын қолдана отырып, бір жиілікте ортогональды поляризациялармен екі бөлек радиоарнаны жібереді; мұндай антенна екіполяризациялық антенна деп аталады. Мысалы, спутниктік теледидар сигналдары спутниктен бір жиілікте оң және сол айналмалы поляризацияны пайдалана отырып, екі бөлек арна арқылы жіберіледі. Үйдегі спутниктік тарелкада олар тамақтандыру мүйізінде орналасқан екі кішкентай монопольдік антенналармен қабылданады, олар тік бұрышпен орналасқан. Әр антенна жеке қабылдағышқа қосылады. Егер бір поляризациялық арнадан сигнал қарама-қарсы поляризацияланған антеннамен қабылданса, бұл сигнал-шу қатынасын нашарлататын кедергі тудырады. Антеннаның осы ортогональды арналарды бөлек ұстау қабілеті XPD (cross polarization discrimination) деп аталатын параметрмен өлшенеді. Тарату антеннасында XPD – бұл бір поляризациялы антеннадан екінші поляризацияға сәулеленген қуаттың үлесі. Мысалы, шағын кемшіліктерге байланысты тік поляризацияланған беріліс антеннасы бар тарелка көлденең поляризациядағы қуатының аз бөлігін сәулелендіреді; бұл үлес XPD болып табылады. Қабылдау антеннасында XPD – антенна екі тең қуатты ортогональды поляризацияланған радиотолқындармен жарықтандырылғанда, қарама-қарсы поляризациядан алынған сигнал қуатының сол антеннада алынған дұрыс поляризациядағы қуатқа қатынасы. Егер антенна жүйесінде XPD жеткіліксіз болса, кедергіні азайту үшін көбінесе XPIC (cross polarization interference cancelling) цифрлық сигналды өңдеу алгоритмдері қолданылады.

The pattern of electric and magnetic fields at the mouth of a parabolic antenna is simply a scaled up image of the fields radiated by the feed antenna, so the polarization is determined by the feed antenna. In order to achieve maximum gain, both feed antennas (transmitting and receiving) must have the same polarization. For example, a vertical dipole feed antenna will radiate a beam of radio waves with their electric field vertical, called vertical polarization. The receiving feed antenna must also have vertical polarization to receive them; if the feed is horizontal (horizontal polarization) the antenna will suffer a severe loss of gain. To increase the data rate, some parabolic antennas transmit two separate radio channels on the same frequency with orthogonal polarizations, using separate feed antennas; this is called a dual polarization antenna. For example, satellite television signals are transmitted from the satellite on two separate channels at the same frequency using right and left circular polarization. In a home satellite dish, these are received by two small monopole antennas in the feed horn, oriented at right angles. Each antenna is connected to a separate receiver. If the signal from one polarization channel is received by the oppositely polarized antenna, it will cause crosstalk that degrades the signal to noise ratio. The ability of an antenna to keep these orthogonal channels separate is measured by a parameter called cross polarization discrimination (XPD). In a transmitting antenna, XPD is the fraction of power from an antenna of one polarization radiated in the other polarization. For example, due to minor imperfections a dish with a vertically polarized feed antenna will radiate a small amount of its power in horizontal polarization; this fraction is the XPD. In a receiving antenna, the XPD is the ratio of signal power received of the opposite polarization to power received in the same antenna of the correct polarization, when the antenna is illuminated by two orthogonally polarized radio waves of equal power. If the antenna system has inadequate XPD, cross polarization interference cancelling (XPIC) digital signal processing algorithms can often be used to decrease crosstalk.

Қос рефлекторды пішіндеу

Кассегрен және Грегориан антенналарында сигнал жолында екі шағылыстыратын беттің болуы өнімділікті жақсартуға қосымша мүмкіндіктер береді. Ең жоғары өнімділік қажет болғанда, "қос рефлекторды қалыптастыру" деп аталатын техника қолданылуы мүмкін. Бұл техника субрефлектордың пішінін өзгертіп, ыдыстың сыртқы аймақтарына көбірек сигнал қуатын бағыттауға, тамалдағыштың белгілі диаграммасын негізгі рефлектордың біркелкі жарықтандыруына бейімдеуге және күшейтуді максималдауға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл екінші рефлектордың енді нақты гиперболалық болмауына (бірақ ол бұрынғыдай жақын болып қалады) және тұрақты фаза қасиетінің жоғалуына әкеледі. Алайда, бұл фазалық қате негізгі айнаның пішінін сәл түзету арқылы толықтырылуы мүмкін. Нәтижесінде, күшейтудің жоғарылауы немесе күшейту/шашырау коэффициентіне қол жеткізіледі, бірақ бұл рефлектор беттерін жасау және тексеруді қиындатады. Сонымен қатар, ыдыстың жиегінде жоғары тік бұрылысқа ие, өте төмен шашырау бүйірлік лепелеріне және тамалдағыштың көлеңкесін азайту үшін орталық тесігі бар жарықтандыру схемалары сияқты басқа да ыдыс жарықтандыру схемаларын жасауға болады.

Сәулелену үлгісі

Параболалық антенналарда сәулеленген қуаттың басым бөлігі антенна осі бойымен тар негізгі сәуледе шоғырланады. Қалған қуат, әдетте әлдеқайда кішігірім, басқа бағыттардағы бүйірлік сәулелерде таралады. Параболалық антенналардың шағылыстырғыш апертурасы толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болғандықтан, дифракция көбінесе көптеген тар бүйірлік сәулелерді тудырады, сондықтан бүйірлік сәулелердің суреті күрделі болады. Сонымен қатар, ағызатын антеннадан шашыраған сәуле рефлекторды жіберіп алғандықтан, негізгі сәулеге қарама-қарсы бағытта артқы сәуле де болады.