Paraboolantennes
(primaire radiator)
Figuur 1: Principe van een antenne met een parabolische reflector
(primaire radiator)
Figuur 1: Principe van een antenne met een parabolische reflector
Paraboolantennes
De paraboolantenne is een antenne met een speciaal gebogen reflector waarvan de vorm van de bocht wordt bepaald door een parabool. De energie van elk vlak invallend golffront evenwijdig aan de as van de parabool wordt geconcentreerd in een brandpunt vóór de reflector. Omgekeerd wordt elke radiale stralingsbron ook fase-correct gereflecteerd tot een vlakke golf in dit brandpunt.
De paraboolantenne is het meest gebruikte type antenne in de radartechnologie. De illustratie toont de structuur van een „normale“ (symmetrische) paraboolantenne. De puntbron verlicht de symmetrische reflector.
De ronde reflector, een deel van een omwentelingsparaboloïde, is meestal een metalen constructie, vaak niet meer dan een rooster in een metalen frame. De gaten in het rooster moeten kleiner zijn dan λ/10. Deze reflector fungeert als een spiegel voor de elektromagnetische golven.
Volgens de wetten van de optica (en de geometrie) worden alle stralen die evenwijdig zijn aan de as van de antenne weerkaatst op het oppervlak van deze reflector. Deze stralen verlaten de straler in een bolvorm, worden bij de reflector gereflecteerd met een fasesprong van 180° en worden gevormd tot een vlak golffront waarin alle stralen evenwijdig zijn. Dit betekent dat de bundels geen padverschillen hebben tot op enig vlak loodrecht op de parabolische as.
Het diagram toont een geïdealiseerde vorm van een ronde radarreflector en deze antenne produceert een zeer smalle, zogenaamde potloodstraal. Heeft de reflector een elliptische vorm, dan wordt een waaiervormige bundel geproduceerd. Verkenningsradars hebben verticaal en horizontaal verschillende antennepatronen: een zeer smalle potloodstraal bij de zijwaartse hoek en een klassiek cosecant kwadraatpatroon bij de elevatiehoek.
Figuur 2: Richtingspatroon van een paraboolantenne
Figuur 2: Richtingspatroon van een paraboolantenne
Figuur 2: Richtingspatroon van een paraboolantenne
Dit ideale geval van fig. 1 doet zich in de praktijk echter niet voor. Als gevolg van fabricagefouten is de straling nogal lobvormig.
Fig. 3: Reëel antennepatroon van een paraboolantenne in logaritmische schaal, gemeten tijdens een kwaliteitscontrole.
Een paraboolantenne heeft een grotendeels rotatiesymmetrisch patroon met een hoge versterking, een hoge voor-achterverhouding en relatief kleine zijlobben.
De antenneversterking van een paraboolantenne kan met de volgende formule worden bepaald:
.print.png)
.png)
(1)
- ΘAz = halve waarde breedte in de zijwaartse hoek
- ΘEl = halve waarde breedte in de elevatiehoek
Hoewel dit slechts een benaderingsformule is, volstaat zij voor de meeste toepassingen en maakt zij het verband duidelijk tussen de antenneversterking en de halve waarde van de breedte van het antennepatroon.
Fig. 3: Reëel antennepatroon van een paraboolantenne in logaritmische schaal, gemeten tijdens een kwaliteitscontrole.
Fig. 4: 3D antennepatroon van een paraboolantenne, bepaald met een simulatieprogramma.
Fig. 4: 3D antennepatroon van een paraboolantenne, bepaald met een simulatieprogramma.
Opmerking: De verschillen tussen foto 2 en foto 4 hebben een betekenis: in figuur 2 is de afstand lineair, zodat de grootte van de zijlobben (in het bereik van duizendsten van de hoofdlob) niet meer zichtbaar is. In figuur 4 is de afstand logaritmisch, zodat de zijlobben gemakkelijk te herkennen zijn, maar het uiteinde van de hoofdlob is afgeplat.
„Enkele kromming“ of „dubbele kromming“ paraboolantennes
Afbeelding 5: „Enkele kromming“-reflector en „dubbele kromming“-reflector in vergelijking
Afhankelijk van het gewenste antennepatroon kan de reflector een eenvoudig parabolisch oppervlak zijn of de hierboven beschreven roterende parabolische vorm. Het gladde oppervlak gevormd volgens een eenvoudige parabool wordt „enkele kromming“ genoemd. Het wordt gebruikt in antenne constructie wanneer:
- geen verandering in de elevatiehoek van de stralingskarakteristiek van de primaire straler gewenst is;
- of in plaats van een brandpunt is een brandpuntslijn nodig die wordt bezet door meerdere naast of boven elkaar liggende radiatoren.
Indien een paraboolantenne slechts één primaire straler heeft, of indien extra primaire stralers „scheel“ zijn gemonteerd en een ander antennepatroon moeten vormen, dan is de „dubbele kromming“ van de paraboolantenne energetisch doeltreffender, aangezien de inkomende echosignalen ook precies worden gericht op het punt waar zij kunnen worden ontvangen. Bij een paraboolantenne met „enkele kromming“ en slechts één primaire straler, zou een deel van de energie naast de primaire straler terechtkomen. Een paraboolantenne met „enkele kromming“ heeft dus alleen zin als bijvoorbeeld de gehele brandpuntslijn door zenders wordt bezet, zodat de paraboolreflector zonder hoekfouten wordt verlicht (zoals bij de maritieme radar van het type 1022). Op deze manier kunnen de onvermijdelijke zijlobben van het antennepatroon althans worden verminderd omdat de vermogensverdeling tussen de afzonderlijke stralers beter kan worden geoptimaliseerd.
In het geval van didactische radar worden gewoonlijk afzonderlijke primaire stralers voor een gemeenschappelijke reflector gebruikt voor transmissie en ontvangst om kostenredenen. Met een parabolische antenne met „dubbele kromming“ kan slechts één van de primaire zenders in het brandpunt worden geplaatst: de andere zou ernaast liggen. De sterk gebundelde energie van de zender zou na weerkaatsing de ontvangende antenne in het geheel niet kunnen raken. Om deze reden hebben radartoestellen ook in dit geval slechts één parabolische antenne met „enkele kromming“, zodat de ontvangstantenne zich ook op de brandpuntslijn bevindt: zend- en ontvangstantennes zijn boven elkaar op deze verticale brandpuntslijn geplaatst. Niet erg effectief vanuit energetisch oogpunt: maar het doel is hier niet om een afstandsrecord te behalen, maar alleen om het principe te demonstreren.