www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Anteny radarowe

Anteny paraboliczne

Reflektor (radiator wtórny)
Ekscytator
(pierwotna radiator)
Doprowadzenie (falowód)

Rysunek 1: Zasada działania anteny z reflektorem parabolicznym

Reflektor (radiator wtórny)
Ekscytator
(pierwotna radiator)
Doprowadzenie (falowód)

Rysunek 1: Zasada działania anteny z reflektorem parabolicznym

Anteny paraboliczne

Antena paraboliczna jest to antena ze specjalnie wygiętym reflektorem, którego kształt wygięcia określa parabola. Energia każdego czoła fali płaskiej padającej równolegle do osi paraboli jest skupiona w ognisku przed reflektorem. I odwrotnie, każde źródło promieniowania radialnego jest również odbijane fazowo do fali płaskiej w tym ognisku.

Antena paraboliczna jest najczęściej stosowanym typem anteny w technice radarowej. Ilustracja przedstawia budowę „normalnej“ (symetrycznej) anteny parabolicznej. Punktowe źródło światła oświetla symetryczny reflektor.

Okrągły reflektor, będący wycinkiem paraboloidy obrotowej, jest zazwyczaj konstrukcją metalową, często po prostu siatką w metalowej ramie. Otwory w siatce muszą być mniejsze niż λ/10. Reflektor ten działa jak zwierciadło dla fal elektromagnetycznych.

Zgodnie z prawami optyki (i geometrii), wszystkie promienie równoległe do osi anteny są odbijane od powierzchni tego reflektora. Promienie te opuszczają promiennik w kształcie kulistym, są odbijane od reflektora ze skokiem fazowym 180° i formowane w płaski front falowy, w którym wszystkie promienie są równoległe. Oznacza to, że promienie nie mają różnic w drodze do dowolnej płaszczyzny prostopadłej do osi paraboli.

Na rysunku pokazano wyidealizowany kształt okrągłego reflektora radarowego. Antena ta wytwarza bardzo wąską, tzw. ołówkową wiązkę. Jeśli reflektor ma kształt eliptyczny, powstaje wiązka wachlarzowa. Radary rozpoznawcze mają różne wzory anten w pionie i w poziomie: bardzo wąską wiązkę ołówkową pod kątem bocznym i klasyczny wzór cosecant squared pod kątem elewacji.

Rysunek 2: Charakterystyka kierunkowa anteny parabolicznej

Charakterystyka kierunkowa anteny parabolicznej

Rysunek 2: Charakterystyka kierunkowa anteny parabolicznej

Jednak ten idealny przypadek pokazany na rys. 1 nie występuje w praktyce. Ze względu na niedociągnięcia produkcyjne promieniowanie ma raczej kształt płata.

Płatki tylne
Płatki boczne
Płat główny

Rys. 3: Rzeczywisty wzór anteny parabolicznej w skali logarytmicznej, zmierzony podczas kontroli jakości.

Antena paraboliczna ma w dużym stopniu rotacyjnie symetryczny wzór o dużym zysku, wysokim stosunku przód-tył i stosunkowo małych listkach bocznych.

Zysk anteny parabolicznej można określić za pomocą następującego wzoru:

(1)

  • ΘAz = szerokość połówkowa w kącie bocznym
  • ΘEl = szerokość połówkowa w kącie elewacji

Chociaż jest to tylko wzór przybliżony, jest on wystarczający dla większości zastosowań i wyjaśnia zależność pomiędzy zyskiem anteny a szerokością połówkową wzorca antenowego.

Płatki tylne
Płatki boczne
Płat główny

Rys. 3: Rzeczywisty wzór anteny parabolicznej w skali logarytmicznej, zmierzony podczas kontroli jakości.

Rys. 4: Charakterystyka antenowa 3D anteny parabolicznej, wyznaczona za pomocą programu symulacyjnego.

Rys. 4: Charakterystyka antenowa 3D anteny parabolicznej, wyznaczona za pomocą programu symulacyjnego.

Uwaga: Różnice między rysunkiem 2 a rysunkiem 4 mają znaczenie: na rysunku 2 odległość jest liniowa, a więc wielkość płatów bocznych (w zakresie tysięcznych części płata głównego) nie jest już widoczna. Na rysunku 4 odległość jest logarytmiczna, więc płaty boczne są łatwo rozpoznawalne, ale wierzchołek płata głównego jest spłaszczony

Anteny paraboliczne "jednokrzywiznowe" lub "dwukrzywiznowe"

Rysunek 5: Porównanie odbłyśnika "jednokrzywiznowe" i odbłyśnika "dwukrzywiznowe".

Rysunek 5: Porównanie odbłyśnika jednokrzywiznowe i odbłyśnika dwukrzywiznowe.

W zależności od pożądanego wzoru anteny, reflektor może mieć prostą powierzchnię paraboliczną lub kształt paraboli obrotowej opisanej powyżej. Gładka powierzchnia ukształtowana według prostej paraboli nazywana jest jednokrzywiznowe. Stosuje się go w budowie anten, gdy:

Jeśli antena paraboliczna posiada tylko jeden promiennik pierwotny, lub jeśli dodatkowe promienniki pierwotne są zamontowane „na krzyż“ i mają tworzyć inny wzór antenowy, wówczas antena paraboliczna o dwukrzywiznowe jest energetycznie bardziej efektywna, ponieważ przychodzące sygnały echa są również skupiane dokładnie w punkcie gdzie mogą być odebrane. W przypadku anteny parabolicznej o jednokrzywiznowe z jednym promiennikiem głównym, część energii uderzyłaby obok promiennika głównego. Antena paraboliczna o jednokrzywiznowe ma więc sens tylko wtedy, gdy np. cała linia ogniskowa jest zajęta przez emitery, aby oświetlić reflektor paraboliczny bez błędów kątowych (jak w przypadku radaru morskiego typu 1022). W ten sposób można przynajmniej zredukować nieuniknione loby boczne w schemacie anteny, ponieważ rozkład mocy pomiędzy poszczególnymi promiennikami może być lepiej zoptymalizowany.

W przypadku radaru dydaktycznego, ze względu na koszty, do nadawania i odbioru stosuje się zwykle oddzielne promienniki pierwotne przed wspólnym reflektorem. W przypadku anteny parabolicznej o dwukrzywiznowe, tylko jeden z głównych emiterów mógłby być umieszczony w punkcie ogniskowym: drugi znajdowałby się obok niego. Silnie spiętrzona energia nadajnika nie byłaby w stanie po odbiciu w ogóle trafić do anteny odbiorczej. Z tego też powodu urządzenia radarowe posiadają w tym przypadku tylko jedną antenę paraboliczną o jednokrzywiznowe, tak że antena odbiorcza znajduje się również na jej linii ogniskowej: anteny nadawcze i odbiorcze są ustawione jedna nad drugą na tej pionowej linii ogniskowej. Nie jest to zbyt efektywne z energetycznego punktu widzenia: ale nie chodzi tu o osiągnięcie rekordu zasięgu, a jedynie o zademonstrowanie zasady działania.