Что такое параболическая антенна
6.1. Параболические антенны
6.1. Параболические антенны
Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура — это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.
Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 6.1). Точка F — фокус и линия АВ — директриса. Точка М с координатами х, у — одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.
Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:
у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (6.1)
По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. Чем же заслужила внимание данная антенна?
Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 6.2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало парабо
лоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 6.3).
Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.
Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм — всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.
Спутниковая антенна — единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй — офсетными.
Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых
Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.
Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.
Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного
меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.
Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.6.
Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.
Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.
Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.
Роль коэффициента усиления параболической антенны можно проанализировать с помощью электрической лампочки (рис. 6.7, а). Свет равномерно рассеивается в окружающее пространство, и глаз наблюдателя ощущает определенный уровень освещенности, соответствующий мощности электролампочки.
Однако если источник света поместить в фокус параболоида с коэффициентом усиления 300 раз (рис. 6.7, б), его лучи после отражения поверхностью параболоида окажутся параллельны его оси, а сила цвета будет эквивалентна источнику мощностью 13 500 Вт. Такую освещенность глаз наблюдателя воспринять не может. На этом свойстве, в частности, основан принцип работы прожектора.
Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид — это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).
Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.
Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности яв-
ляется ширина в 1. 2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.
Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.
Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.
Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида практически невозможно. Любое отклонение от реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, которые ухудшают качество принимаемого изображения, снижается коэффициент усиления антенны. Искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн: под воздействием ветра и атмосферных осадков; силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны.
Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.
Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.
С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.
Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора. При покупке антенны необходимо обратить внимание на наличие искажений рабочей поверхности антенны. Иногда бывает, что при нанесении антикоррозийных и декоративных покрытий на зеркало антенны ее «ведет» и она приобретает форму пропеллера. Проверить это можно, положив антенну на ровный пол: края антенны везде должны касаться поверхности.
Параболическая антенна – основы применения, сборка и установка
Параболическая антенна в научных источниках может именоваться параболическим отражателем или зеркальной антенной. Это технологичное устройство, предназначенное для сбора энергии. Попадая на него, плоская волна преобразовывается в сферическую и концентрируется в точке фокуса. Возможен и обратный процесс, когда сферические волны преобразовываются в плоские. Для этого нужны вариабельные типы и формы устройства, которые зависят от целевого предназначения и сферы использования.
Распространенные сферы применения
В разговорной речи происходит отождествление понятий спутниковой и параболической антенны, но что это такое и зачем нужно такое устройство, в узком профессиональном аспекте, знают только специалисты. Есть различное оборудование, предназначенное для приема сигнала с одного из многочисленных спутников, находящихся на орбите Земли. Параболическая антенна – это один из типов принимающего устройства, в котором есть свои отдельные дифференциации.
Параболическая антенна часто ассоциируется со спутниковой
Их наличие обусловлено необходимостью принимать теле-, радиосигналы или обеспечивать доступ в Интернет. Функциональность может быть узконаправленной или универсальной, обеспечивать коммуникации, центры космической связи и сети, слабонаправленные применяются в спутниковой навигации и аналогичных телефонах.
Диаграмма направленности параболической антенны
История возникновения и развития
Г. Герц, в своей экспериментальной деятельности использовал параболические рефлекторы. Еще в конце позапрошлого века он изобрел антенну с апертурой более метра, работавшую на строго определенных частотах. При наличии в распоряжении ученого приемного и передающего устройства, он доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Затем началась эпоха усовершенствования и практического применения:
Обратите внимание! В послевоенные годы СССР и США разработали новые формы устройства, в которых диаметр зеркала стал достигать 60-100 метров. Сейчас они используются в системах передачи данных, перманентное усовершенствование и новые разработки ученых, позволили минимизировать необходимость в крупных конструкциях до 1,5 метров или даже десятков сантиметров.
Виды и конструктивные особенности
Зеркальные антенны – не единственный, но самый распространенный тип направленных антенн. Их применяют в самых вариабельных диапазонах и на различных типах станций. От функций и целенаправленности зависит размер, конструкция и материал изготовления. Зеркала изготавливаются из стали или алюминиевых сплавов, обладающих электропроводностью.
В последние годы их стали изготавливать из композитов или даже пластмасс, но при этом все равно должна быть отражающая поверхность – она тоже вариабельна. Может применяться сетка или фольга из металла, электропроводящая краска.
Есть и другие типы:
Внимание! Выбор спутниковой антенны для приема телесигналов должен быть продиктован несколькими соображениями – материалом (устойчивость к внешним воздействиям, при размещении на воздухе), типом отражателя и его качеством, количеством конверторов и способами их крепления. Немаловажное условие – качество, прочность и устойчивость к коррозии.
Применение и сборка
Любое радиотехническое устройство, используемое, как излучатель или приемник – органичная часть системы и один из ее базовых элементов. Инструкции, как сделать своими руками, зависят от выбранного типа, размеров и целевого предназначения. Зеркальная антенна обладает весомыми преимуществами – работает в разных диапазонах. Такие устройства обладают относительно высоким КПД и достаточно низкой шумовой температурой. Параболические – их самый типичный представитель.
Простота устройства не означает, что при изготовлении своими руками, не нужно учитывать специфические требования индивидуального порядка.
Самые общие сведения есть на приведенном ниже видео:
Спутниковые параболические антенны: свойства, особенности, принцип работы
Что такое параболическая спутниковая антенна
Конструкция параболической спутниковой тарелки
Зеркало такой антенны обладает изогнутой поверхностью с имеющим форму параболы поперечным сечением, собирает попадающие на него радиоволны в своем фокусе, где установлен облучатель.
Рефлектор тарелки изготавливается из материала, обладающего хорошей электрической проводимостью (алюминиевые сплавы, сталь), имеющего антикоррозионное покрытие. Также зеркало может быть выполнено из неметаллических материалов, таких, как пластмасса, углепластик, стеклопластик.
Конструкция антенны также предполагает наличие опорно-поворотного устройства (ОПУ), моторизованного или имеющего ручное управление, осуществляющего наведение системы на спутник, а также обеспечивающего стабильное положение тарелки. При работе в неблагоприятных климатических условиях конструкция может быть снабжена системой антиобледенения, представленной тепловыми пушками или нагревательными элементами.
Математическое обоснование эффективности параболических антенн
Параболой называется геометрическое место точек, удаленных на одинаковое расстояние от называемой директрисой прямой и от точки, не лежащей на ней (фокуса).
Параболу отражает график функции: y = ax2+bx+c. Ее оптические свойства заключаются в следующем: лучи, отражающиеся от помещенного в фокус параболы точечного источника света, будут перемещаться по оси симметрии параболы, а передний фронт будет проходить перпендикулярно этой оси. Если же на параболу попадает пучок параллельных оси симметрии лучей, то они одновременно придут к фокусу, отразившись от параболы, если передний фронт потока проходит перпендикулярно оси.
По этому же принципу построена работа параболического отражателя: при расположении излучателя в фокусе, отраженные от поверхности зеркала лучи будут двигаться параллельно оси вращения параболоида. Также при попадании на него лучей, параллельных оси, они собираются в фокусе.
Виды параболических спутниковых тарелок
Прямофокусная параболическая антенна
Зеркало такой тарелки симметрично, а фокус его находится на оси симметрии. Перед зеркалом в точке фокусировки расположен облучатель. Применяются также схемы с двумя зеркалами, уменьшающие шумовую температуру, размеры антенны, однако расчет их сложен, как и изготовление с последующей настройкой.
Прямофокусная тарелка позволяет задействовать около 90% полезной площади, что важно для бесперебойного приема спутникового сигнала. Однако конструкция имеет форму чаши, где легко скапливаются осадки, а конвертер может затенять полезную площадь, что приводит к снижению эффективности. Поэтому прямофокусная схема применяется для антенн большого диаметра (от 1.5−2 метров).
Офсетная параболическая тарелка
Представлена асимметричной вырезкой из параболоида вращения. Имеет смещенный в сторону от центра облучатель, где диаграмма направленности также «сдвинута» относительно оси отражателя на угол смещения (или офсета).
Зеркало овальной формы расположено почти вертикально или направлено вниз, а облучатель, установленный ниже центра тяжести тарелки, увеличивает сопротивление ветровым нагрузкам. Также устройства подобного типа могут принимать спутниковый сигнал большей мощности, компактны, просты в установке, не собирают осадки благодаря тому, что направлены вниз. Однако конвертер таких антенн открыт и подвергается воздействию влаги, поэтому требует дополнительной защиты.
Антенна Кассегрена
Представлена системой зеркал, имеющих двойное отражение, основанной на принципах работы оптического телескопа Кассегрена. Конструкцию составляют главное параболическое зеркало и дополнительное гиперболическое зеркало. Один из двойных гиперболических фокусов находится в фокусе всей системы по центру излучателя, другой — в фокусе параболы. Источник питания находится на антенне или позади, освещая вторичное зеркало в фокусе. Отражаясь от гиперболического зеркала, лучи идут к основному рефлектору, который снова отражает их вперед, что формирует выходящий луч.
Антенна Кассегрена широко распространена для функционирования в миллиметровом волновом диапазоне. Не требует подвешивания фидера перед зеркалом. Используется системами связи, работающими по типу «точка-точка», благодаря суженной диаграмме направленности, высокому коэффициенту усиления, а также системами спутниковой связи, радарами. Подобные тарелки экономически выгодны, имеют небольшие размеры, допускают различное размещение излучателя.
Антенна параболическая
Параболическая антенна представляет собой радиотехническое устройство, используемое в качестве приемника или излучателя электромагнитных волн. В каждой радиотехнической системе, излучающей или передающей радиоволны, антенна играет главную роль и является важным элементом. Это, в первую очередь, такие системы как телевизионные, радиосвязи, радиоуправления, радиовещания, радиолокации, радиорелейной связи, радионавигации, радиоастрономии. Классическая конструкция включает в себя металлические поверхности, провода, магнитодиэлектрики, диэлектрики.
Зеркальные антенны – надежная локация
Самый распространенный тип направленных антенн – это зеркальные антенны, работающие в различных диапазонах радиоволн. Такое распространение они получили из-за простоты своей конструкции. Они надежно работают в- любой направленности, имеют достаточно высокий коэффициент полезного действия, сравнительно низкую шумовую температуру, широкий диапазон работы. При использовании в радиолокации зеркальные антенны позволяют легко находить нужный объект.
Параболические являются наиболее типичными представителями зеркальных антенн. Они представляют собой параболический цилиндр, параболоид вращения, либо параболический цилиндр, ограниченный проводящими параллельными плоскостями.
Устройство параболической антенны
Классическая параболическая антенна представляет собой металлическое отражающее зеркало в виде параболоида вращения и находящийся в- его фокусе излучатель. У них практически в любой точке плоскости зеркала наблюдается синфазное электромагнитное поле. Такое состояние определяется основным свойством параболы: постоянная сумма расстояний от любой точки параболы до фокуса.
Облучатель изготавливается в виде разрезного полуволнового вибратора с рефлектором. Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого составляет 75 Ом. Облучатель закрепляется на площади параболического зеркала как минимум в двух точках с помощью полиэтиленовых штанг, длиной 1 метр и хомутиков.
При изготовлении каркаса параболического зеркала используется дюралюминиевая проволока диаметром 6-8 мм. В центре каркаса устанавливается дюралюминиевый диск диаметром 200 мм, к которому крепятся непосредственно сам облучатель, поворотное устройство и радиальные части зеркального каркаса. После сборки каркаса на него с выпуклой стороны устанавливают отражающие провода. Параболическая антенна очень проста в изготовлении, обладает небольшой парусностью и вообще не требует какой-либо настройки.
Принцип действия
Облучатель излучает электромагнитную волну, которая дойдя до проводящей поверхности зеркала, возбуждают на ней токи, создающие вторичное поле, называемое полем отраженной волны. В целях попадания на зеркало основной части излучения, облучатель должен производить излучение в направлении зеркала в одну полусферу и не излучать в другую. Такие облучатели носят название однонаправленных.
Диапазонная антенна – какую выбрать
Грозозащита для антенны
Антенна Харченко: расчет и изготовление
Турбокомпрессор устройство и принцип действия
Параболическая антенна
Орбита спутника носит название геостационарной, если при вращении Земли спутник всегда висит над одной и той же точкой емной поверхности. Такие орбиты зачастую используются в системах связи и позиционирования.
Спутник, который Вы видите на картинке, является символом космической программы нашей страны. Это «СОЮЗ-ТМ».
А вот так в какой-то момент выглядела заставка программы «Время» — основной информационной телепрограммы страны.
Ну а в мультфильме мы посмотрим, как происходит процесс передачи сигнала, например, современного спутникового телевидения.
Проведём прямую и назовём её директрисой. Возьмём точку вне неё. Геометрическое место точек, равноудалённых от директрисы и данной точки (фокуса), называется параболой.
Если направить на параболу лучи света, параллельные её оси симметрии, то все лучи соберутся в фокусе параболы. Это свойство называется оптическим свойством параболы.
Верно и обратное. Если поместить лампочку в фокус, то лучи, отразившись от параболы, пойдут параллельно, причём граница света будет прямой.
Если провращать параболу относительно её оси симметрии, то получится уже поверхность вращения второго порядка — параболоид. Так как в любом сечении плоскостью, содержащей ось симметрии, получается одна и та же парабола, то оптическое свойство верно и для параболоида. Если поместить лампочку в фокус параболоида, то лучи, отразившись от поверхности, пойдут параллельно друг другу. Обратное тоже верно.
Именно это свойство используется в спутниковых параболических антеннах. Так как спутник находится очень далеко от антенны, то лучи можно считать почти параллельными, и приёмник сигнала ставится в фокус параболоида.
На латыни focus означает «очаг, огонь». Как математический термин слово «фокус» ввёл Иоганн Кеплер в сочинении «Оптическая астрономия» (1604).
Смотри также
Параболическая антенна // Математическая составляющая / Ред.-сост. Н. Н. Андреев, С. П. Коновалов, Н. М. Панюнин. — Второе издание, расширенное и дополненное. — М. : Математические этюды, 2019. — С. 46—47, 297—302.