Параболична антена

             В тази статия съм се опитал да събера информация от различни източници в Интернет за параболичните антени. Малко история, теория, видове, приложения и разгледах един проблем за изчисляване на фокуса на параболична антена. Идеята на тази статия е да Ви даде обща информация по въпроса.

Параболичната антена е антена, която използва параболичен рефлектор, извита повърхност с формата на парабола на напречното й сечение, за насочване на радиовълни. Основното предимство на параболичната антена е, че тя има висока насоченост. Антената функционира като „фенерче с рефлектор” за насочване на радиовълните в тесен лъч, или получаване на радио вълни от само една определена посока. Параболичните антени са едни от най – добрите антени с насочено действие. Това означава, че може да осигурят много тесен лъч на насочено действие.  За да се постигне тесен лъч, размера на параболичния рефлектор трябва да бъде много по-голям от дължината на вълната на радиовълните за които се използва, затова параболичните антени се използват за честоти от УКВ честотния диапазон и по – високи, при които дължинината на вълната е достатъчно малка, за да е удобен размера на рефлектора.

Параболични антени се използват като антени за комуникация от точка до точка, за радиорелейни комуникации, безжични WAN / LAN комуникации за пренос на данни, сателитни комуникации и комуникационни антени на космически апарати. Те се използват и в радиотелескопите.

 

Малко история по въпроса.

Параболичната антена е използвана от немския физик Хайнрих Херц при неговото откритие на радио вълните през 1887 г. Той е използвал цилиндрични параболични рефлектори с искрови диполни антени в техния фокус за предаване и приемане на радиовълни по време на своите експерименти.

Интересно свойство на параболата!

Принципа на работа на параболичната антена е, че точков източник на радиовълни поставен във фокусната точка в предната част на параболичен рефлектор от проводящ материал ще бъдат отразени и насочени във вълнов лъч по оста на рефлектора и обратно, при входяща вълна успоредна на оста ще бъде насочена към фокусната точка синфазно.

Параболични антени са базирани на геометричното свойство на параболоида, че пътеките FB₁A₁, FB₂A₂ и FB₃A₃ са с еднаква дължина. Поради тази причина вълна, излъчена от антената във фокуса F ще бъде отразено в изходящо плоска вълна l  пътуваща успоредно на оста на рефлектора y.

Антената намираща се във фокуса на рефлектора е типичен полувълнов дипол или най-често се използва малка рупорна антена от различен вид, наричана „фиидхорн” (feed horn). В по-сложните параболични антени, като например Касегрейн и Григориан, се използва вторичен рефлектор за насочване на енергията от параболичния рефлектор на антената, който се намира далеч от фокусната точка.

При параболични антени  за микровълнови честоти, микровълните преминават от фиидхорна до предавателя или приемника с вълновод. Поради високата цена на вълноводите, в много от параболични антени ВЧ електрониката на приемника се намира във фокуса на рефлектора точно след фиидхорна, и получения сигнал се преобразува в по-ниска междинна честота, така че може да се отведе към приемника с по-евтин коаксиален кабел. Това обикновено се нарича (LNA – low noise amplifier). По същия начин, при предаване, микровълновия предавател може да бъде разположен в точката на фокуса на рефлектора.

Предимство на параболичните антени е, че тя може да се използва за широк честотен спектър. Всичко, което е необходимо за да се промени работната честотата е да се замени фиидхорна намиращ се във фокуса на антената. Някои параболични антени предават или приемат на няколко работни честоти с няколко фиидхорна, монтирани във фокусната точка, близо един до друг

Основни видове параболични антени.

Според вида на рефлектора

    - Параболична антена - Рефлекторът е оформен като параболоид. Това е най-често срещаният тип. Тя излъчва тесен лъч по оста на параболоида.

    - Закрита параболична антена – Поставя се цилиндричен метален щит (цилиндър), който се поставя на ръба на параболичната антена. Щитът предпазва антената от електромагнитни излъчвания, които не са по основната ос на антената. Използва се за предотвратяване на смущения в наземни радиорелейни линии, където антените са разположени близо едина до друга и използващи еднакви честоти. Щитът е покрит отвътре с микровълнов абсорбиращ материал. Щитът може да намали обратния лист на антената до 10 децибела.

 
    - Цилиндрична антена - Рефлекторът е крива само в една посока и плоска в другата. Радиовълните постъпват на фокус не в точка, а в линия. Поставя се диполна антена разположена по протежение на фокусната линия. Цилиндрични параболични антени излъчват ветрилообразен лъч. Извитите краища на отражателя понякога са затворени с плоски плочи, за да се екранират краищата на антената.

Профилирани антени -. Съвременните рефлекторни антени могат да бъдат произвеждани от профили с различна форма.

        Оформени рефлектори - Параболичния рефлектор може да се оформи с некръгово сечение, и/или различни кривини в хоризонтална и вертикална посока, за да се промени формата на лъча. Това често се използва в радарните антени. Като общо правило е че колкото повече е широка антената в дадена напречна посока, толкова е по-тесен основния лъча от диаграмата на насочено действие в тази посока.

            Антена "Портокалова кора" - Използва се при сканиращи  радари, това е дълъга и тясна антена с формата на буквата "С". Антената има тесена вертикален лъч..

Според мястото на разположение на фиидхорна

             - С централно разположен фиидхорн - Това е най-често срещаният тип антени, при тях фиидхорна се намира в предната част на рефлектора във неговия фокус, по оста. Недостатък на този тип е, че фиидхорна и неговите държачи блокират част от лъча (създават радиосянка), която ограничава ефективната отразяваща повърхност.

- Офсетова - Рефлекторът е асиметричен сегмент на параболоид, така че фокусът и фиидхорна, се намират от едната страна на рефлектора. Целта при този вариант е да се измести фиидхорна от пътя на лъча, така че да не се блокира (няма радиосянка). Този вариант се използва широко в домашните сателитни телевизионни антени.

- Касегрейн - При антените Касегрейн, фиидхорна се намира върху или зад рефлектора Радиовълните от фиидхорна се отразяват обратно от вторичния рефлектор (хиперболоид) към основния рефлектор, който формира изходящия лъч. Едно от предимствата на тази конфигурация е, че фиидхорна, с неговите вълноводи и електроника не трябва да са пред основния рефлектор, те се използват за антени със сложнени или големи по размер фиидхорни, като например големи сателитни комуникационни антени или радиотелескопи.

            - Григориан - Подобно на дизайна Касегрейн, но вторичния рефлектор е вдлъбнат, (елипсоид).

Изчисляване фокуса на параболична антена

Позицията на фокуса на параболичната антена се изчислява от диаметъра на параболичната антена и нейната  дълбочина.

На фигурата по-долу е показана, парабола с фокус F (0, f) и неговата направляващата на у = -f.

 Използва се определението за парабола. Всяка точка M (x, y) на параболата е на еднакво разстояние от фокуса F (0, f) и направляващата D (x, -f). Следователно:

двете отсечки са равни FM = MD

дължината на       

 дължината на       

получава се уравнението

Повдигаме на квадрат двете страни и преобразуваме уравнението.

 След преобразуване ще се получи уравнението на параболата с участието на фокусното разстояние f.

 Сега ще Ви покажа практическо приложение, в която ние знаем размерите на параболичната антена и искаме да намерим фокусно разстояние. На фигурата по-долу са показани параметрите, които можем да измерим самостоятелно.

D е диаметърът на антената;

d е дълбочината на съда;

f е фокусното разстояние.

Точките     и   лежат на параболата, следователно

Което дава връзка между диаметъра D,  дълбочина d и фокусното разстояние f на рефлектора.

 Горната формула помага при намиране на положението на фиидхорна на параболични антени, тъй като дава фокусното разстояние F. Разбира се на практика формата на съда не е перфектна парабола и следователно са необходими малки корекции, когато позиционираме фиидхорна.

КАЛКУЛАТОР ЗА ПАРАБОЛИЧНА АНТЕНА