www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Параболическая антенна

отражатель (вторичный излучатель)
облучатель
(первичный
излучатель)
фидер (волновод)

Рисунок 1. Принцип действия параболической зеркальной антенны

отражатель (вторичный излучатель)
облучатель
(первичный
излучатель)
фидер (волновод)

Рисунок 1. Принцип действия параболической зеркальной антенны

Параболическая антенна

Параболический отражатель, параболическая антенна, зеркальная антенна — это устройство, используемое для сбора или фокусировки энергии такой как, например, энергия электромагнитной волны. Плоские волны, падающие на такую антенну с направления, параллельного оси параболоида, преобразовываются в сферическую волну и фокусируются в точке, где находится фокус параболоида. И наоборот, сферическая выолна, излучаемая облучателем, расположенным в фокусе параболоида, отражаясь от его поверхности, преобразуется в плоскую волну, распространяющуюся вдоль оси симметрии зеркала.

Параболическая антенна, напоминающая своей формой тарелку, является одной из наиболее часто используемых в различных радиолокационных приложениях. На Рисунке 1 схематически изображена параболическая антенна. Такая антенна имеет в своем составе круговой параболический отражатель (зеркало) и точечный источник, расположенный в фокусе отражателя. Этот точечный источник называют облучателем, иногда — первичным излучателем.

Круговой параболический отражатель (параболоид) представляет собой конструкцию из металла, как правило, в виде каркаса (рамы), покрытого металлической сеткой с внутренней стороны. Для обеспечения требуемого отражения от зеркала размер ячейки сетки должен быть менее λ/10. Такое металлическая сетка работает как зеркало для электромагнитной энергии.

Для этого типа рефлектора, в соответствии с законами оптики и аналитической геометрии, все отраженные лучи будут параллельны оси параболоида, что, в идеале, означает формирование одного луча антенны, параллельного главной оси, без боковых лепестков. Поле, излучаемое рупорным облучателем, имеет сферический фронт. Волна, достигшая рефлектора и отразившаяся от него, меняет свою фазу на 180°. Угол отражения волны равен углу ее падения на рефлектор и поэтому после отражения все лучи будут параллельны.

На Рисунке 2 изображена идеализированная радиолокационная антенна в форме параболоида вращения, формирующая игольчатый луч (луч карандашного типа). Если отражатель имеет эллиптическую форму, то формируемый им луч будет иметь веерную форму. Поверхности антенн обзорных радиолокаторов имеют разную кривизну в горизонтальной и верткальной плоскостях, чем достигается требуемая ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости (игольчатый луч) и классическая косекансквадратная веерная диаграмма направленности по углу места.

Рисунок 2. Диаграмма излучения параболоида

Диаграмма излучения параболоида

Рисунок 2. Диаграмма излучения параболоида

Однако на практике невозможно достичь идельного результата, такого, как представлен на Рисунке 1. Диаграммы направленности реальных параболических антенн имеют коническую форму из-за неровностей поверхности рефлектора, возникающих при его изготовлении. Ширина основного лепестка может меняться от 1 … 2 градусов для одних радиолокаторов до 15 … 20 градусов для других.

задние лепестки
боковые лепестки
основной лепесток

Рисунок 3. Горизонтальное сечение реально измеренной диаграммы излучения параболической антенны в логарифмическом масштабе, измеренной при полевом эксперименте

Диаграмма рассеяния параболической антенны имеет в своем составе основной лепесток, направленный вдоль оси распространения волны, и несколько небольших боковых лепестков. При использовании рефлекторов такого типа возможно формирование очень узких лучей.

Коэффициент усиления антенны с параболическим отражателем может быть рассчитан следующим образом.

(1)

  • ΘAz — ширина луча в азимутальной плоскости;
  • ΘEl — ширина луча в угломестной плоскости.

Это приближенная формула, но дает хорошую оценку для большинства задач и поясняет взаимосвязь коэффициента усиления антенны и ширины ее диаграммы направленности.

main lobe
side lobes
back lobes

Рисунок 3. Горизонтальное сечение реально измеренной диаграммы излучения параболической антенны в логарифмическом масштабе, измеренной при полевом эксперименте

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма излучения параболической антенны, определенная путем математического моделирования

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма излучения параболической антенны, определенная путем математического моделирования

Обратите внимание: разница между Рисунком 2 и Рисунком 4 имеет следующий смысл. На Рисунке 2 дальность (продольная координата) откладывается в линейном масштабе, поэтому боковые лепестки не видны. На Рисунке 4 дальность откладывается в логарифмическом масштабе, поэтому боковые лепестки становятся видны, а верхушка главного лепестка приплюснута

Параболические антенны одинарной и двойной кривизны

Рисунок 5. Сравнение отражателей с поверхностями одинарной кривизны и двойной кривизны

Рисунок 5. Сравнение отражателей с поверхностями одинарной кривизны и двойной кривизны

Для поверхности одинарной кривизны или двумерного рефлектора вместо фокальной точки (фокуса) имеет место фокальная линия. Форму параболы имеет кромка такой поверхности, а сдвигая эту линию вдоль образующей, получаем форму всего рефлектора. Антенна радиолокатора Тип 1022 является примером такого типа дсумерного рефлектора.

Поверхность двойной кривизны или трехмерный рефлектор получается вращением параболы вокруг своей оси. В данном случае парабола будет наблюдаться с любого направления.