Как работает зеркальная антенна
Параболическое зеркало собирает волну, пришедшую с направления оси, в одну точку — фокус. В фокусе стоит облучатель: небольшой рупор или вибратор. На передачу всё происходит наоборот: облучатель освещает зеркало, а зеркало превращает сферическую волну в плоскую и формирует узкий луч. Усиление зависит от площади зеркала и длины волны, поэтому зеркальные антенны — самые «сильные» из распространённых.
Зеркальные антенны работают от сотен мегагерц до сотен гигагерц: в радиорелейной и спутниковой связи, радиолокации, метеорадарах, радиоастрономии и на антенных полигонах как эталон с большим усилением.
Прямофокусная схема проще всего; в схеме Кассегрена облучатель и приёмник у вершины зеркала, а кольцевой фокус уменьшает затенение раскрыва облучателем.
Схемы: прямой фокус, Кассегрен, кольцевой фокус
Прямофокусная
Облучатель стоит в фокусе перед зеркалом на опорах. Схема простая и широкополосная — облучатель можно заменить на другой диапазон. Минусы: облучатель и опоры затеняют часть раскрыва, а кабель или волновод идёт к фокусу вдоль опор, добавляя потери.
Кассегрена
Облучатель у вершины главного зеркала светит на выпуклый контррефлектор, а тот — на главное зеркало. Тракт короткий, приёмник или передатчик можно поставить сразу за зеркалом, облучатель смотрит назад и меньше принимает тепловой шум земли. Это схема спутниковых станций, радиоастрономии и моноимпульсных радаров сопровождения.
Кольцевой фокус
Облучатель и контррефлектор собраны в компактный узел, который меньше затеняет центр зеркала. Такие антенны дают высокий коэффициент использования раскрыва и низкие боковые лепестки при малом диаметре — популярный вариант для радиорелейных линий на 10–15 ГГц.
Усиление и диаметр
Усиление зеркала G = η·(πD/λ)², где D — диаметр, λ — длина волны, η — коэффициент использования поверхности (КИП), обычно 0,5–0,65. Удвоение диаметра или частоты даёт +6 дБ. Ниже — расчётные линии для диаметров каталога и точки всех моделей, у которых в таблице есть диаметр и усиление:
Паспортное усиление указано как «не менее» для всей полосы, поэтому точки поставлены на нижнюю частоту — там усиление минимально.
Точки лежат на расчётных линиях или немного ниже: у моделей каталога КИП на нижнем краю полосы от 0,29 до 0,51 (в середине ряда — 0,46). Для небольших зеркал это нормально — облучатель и опоры затеняют заметную часть раскрыва. Формулой удобно проверять паспорт: если заявленное усиление выше линии с КИП 0,7, цифре стоит не доверять.
Сверхширокополосные зеркала
Зеркало само по себе широкополосно — полосу ограничивает облучатель. С двухгребневым облучателем одна антенна работает, например, в полосе 1–18 или 6–18 ГГц. Такие антенны нужны для радиомониторинга, испытаний на ЭМС на больших дистанциях и измерительных полигонов. За широкую полосу платят меньшим КИП на краях диапазона и более широкий, чем по формуле, луч на нижних частотах, где облучатель освещает зеркало неравномерно.
| Диаметр, м | Полоса, ГГц | Усиление, дБи, не менее | Серия |
|---|---|---|---|
| 0,5 | 3–8 | 20 | АПР-СШ |
| 0,5 | 4–8 | 23 | АПР-СШ-2П |
| 0,6 | 6–18 | 28 | АПР-СШ |
| 1 | 2–6 | 21 | АПР-СШ |
| 1 | 2–6 | 23 | АПР-СШ-2П |
| 1 | 6–18 | 32 | АПР-СШ-2П |
| 1,5 | 1–18 | 20 | АПР-СШ |
| 2 | 1–6 | 22,5 | АПР-СШ-2П |
| 2,4 | 2–4 | 29 | АПР-СШ-2П |
| 2,5 | 1–2 | 24,5 | АПР-СШ-2П |
Ширина луча
Чем больше зеркало в длинах волн, тем уже луч: θ ≈ 70·λ/D градусов по уровню половинной мощности. Узкий луч даёт дальность и помехозащищённость, но требует точной установки и жёсткой опоры: ветер и нагрев не должны уводить луч больше чем на треть его ширины.
| Зеркало | Усиление при КИП 0,55, дБи | Ширина луча, ° | Пятно на 1 км, м |
|---|---|---|---|
| 0,3 м, 15 ГГц | 30,9 | 4,67 | 81 |
| 0,6 м, 10 ГГц | 33,4 | 3,50 | 61 |
| 1,2 м, 10 ГГц | 39,4 | 1,75 | 31 |
| 1,2 м, 38 ГГц | 51,0 | 0,46 | 8 |
| 0,8 м, 94 ГГц | 55,3 | 0,28 | 5 |
Метеорадар с зеркалом 0,8 м на 94 ГГц видит облако с разрешением в несколько метров на километре; радиорелейной антенне 0,6 м на 10 ГГц нужно навести пятно шириной больше 60 м — установка проще.
Облучатель и поляризация
Облучатель определяет поляризацию, полосу и боковые лепестки антенны. Каталог KADAMM даёт зеркала в четырёх поляризационных исполнениях: линейная, две линейные, круговая и двойная круговая. Двухполяризационные облучатели удваивают пропускную способность радиорелейной линии, круговая поляризация нужна в спутниковой связи и телеметрии, где антенна объекта поворачивается.
Облучатель должен осветить зеркало так, чтобы к краю мощность спадала на 10–12 дБ. Слишком широкий луч облучателя переливает мощность за край зеркала — растут боковые лепестки и приём шума земли; слишком узкий — зеркало используется не полностью. Для зеркал с разным отношением фокуса к диаметру нужны разные облучатели, поэтому их подбирают в паре.
Сверхширокополосные зеркала. У широкополосных облучателей КИП меняется по диапазону сильнее, и усиление на краях полосы может отличаться от расчёта на несколько дБ. Для измерений используйте калибровку усиления по частоте.
Боковые лепестки и развязка
Боковые лепестки — это мощность, излучаемая не туда. У простых прямофокусных зеркал они около −13…−15 дБ, у схем с контррефлектором и специальными облучателями — −18…−25 дБ. В радиорелейной связи и на спутниковых станциях боковые лепестки ограничены нормами, чтобы соседние антенны на одной мачте и соседние спутники не мешали друг другу. Развязку поляризаций 30–35 дБ дают хорошие облучатели и точное зеркало.
Моноимпульсные антенны
Моноимпульсная антенна Кассегрена имеет облучатель с несколькими каналами: суммарным и разностными по азимуту и углу места. Когда цель точно на оси, разностные каналы молчат; при отклонении в них появляется сигнал, знак которого показывает направление ошибки. Так антенна сопровождения держит цель по одному импульсу, без механического сканирования. В каталоге такие антенны есть на 8–40 ГГц.
Метеорадары и миллиметровый диапазон
Для метеорологических радаров нужны узкий луч, низкие боковые лепестки и хорошая развязка поляризаций — по ней отличают капли дождя от снега и града. Зеркала каталога для метеорадаров работают на 9,4, 35 и 94 ГГц, дают ширину луча от 2° до 0,17°, боковые лепестки −20…−25 дБ и развязку поляризаций 35 дБ. Есть двухдиапазонная модель на 35 и 94 ГГц с одним зеркалом диаметром 1,5 м.
Облучающие системы спутниковых антенн
У спутниковой станции облучатель — целая система: ортомодовые переходы, поляризаторы, фильтры приёма и передачи. Она разделяет диапазоны и поляризации, чтобы одна антенна передавала и принимала одновременно. В каталоге — облучающие системы для диапазонов C и Ku с переключаемой линейной и круговой поляризацией, для непосредственного телевещания и для Ka-диапазона с каналом сопровождения.
Колпак, обледенение и ветер
На открытом воздухе зеркало защищают радиопрозрачным колпаком или чехлом облучателя: снег и вода на облучателе дают заметные потери, особенно выше 10 ГГц. Колпак сам вносит 0,3–1 дБ потерь, а мокрый — больше, поэтому для ответственных линий используют гидрофобные покрытия и обогрев. Ветровая нагрузка растёт с квадратом диаметра, и для зеркал больше метра опору и ОПУ считают по ветру, а не по массе.
Установка и юстировка
Узкий луч требует точного наведения. Грубо антенну ставят по азимуту и углу места из расчёта, затем подстраивают по максимуму принимаемого сигнала: сначала по азимуту, потом по углу места, и повторяют. Важно не попасть на боковой лепесток — у него тоже есть максимум, но на 13–25 дБ ниже главного. После юстировки крепления затягивают так, чтобы не сбить наведение, и проверяют уровень ещё раз.
Точность поверхности
Отклонения поверхности зеркала от параболы снижают усиление. Потери по формуле Рузе: ΔG = 4,34·(4π·ε/λ)² дБ, где ε — среднеквадратичная ошибка поверхности. Чтобы потерять не больше 0,5 дБ, ошибка должна быть меньше λ/30: на 10 ГГц это 1 мм, на 94 ГГц — 0,1 мм. Поэтому зеркала миллиметрового диапазона фрезеруют из цельного алюминия, а большие низкочастотные делают из сетки или лепестков.
Типичные ошибки
- Берут зеркало с запасом по усилению, а потом не могут удержать узкий луч на мачте при ветре.
- Ставят облучатель от другого зеркала — не совпадает отношение фокуса к диаметру, падает КИП.
- Юстируют по боковому лепестку и теряют 15–20 дБ, не замечая ошибки.
- Забывают про потери мокрого колпака и снега на облучателе в энергетическом расчёте линии.
- Сравнивают усиление на разных частотах: паспорт даёт «не менее» для всей полосы.
Как выбрать зеркальную антенну
- Частота и полоса: узкополосное зеркало с рупорным облучателем или сверхширокополосное.
- Усиление: по энергетическому расчёту линии или дальности; диаметр — по формуле G = η·(πD/λ)².
- Ширина луча: насколько точно можно навести и удержать антенну.
- Схема: прямой фокус — просто и широкополосно; Кассегрен — короткий тракт и моноимпульс; кольцевой фокус — компактно с низкими лепестками.
- Поляризация: линейная, две линейные, круговая или двойная круговая.
- Вход: коаксиальный разъём или волноводный фланец; для миллиметров — волновод.
- Условия: ветровая нагрузка, обогрев от обледенения, радиопрозрачный колпак.
Модели KADAMM
Все серии — в разделе параболических антенн KADAMM.
| Частоты | 960 МГц – 40 ГГц |
| Моделей | 18 |
| Частоты | 8,2 – 112 ГГц |
| Моделей | 12 |
| Частоты | 6,57 – 18 ГГц |
| Моделей | 7 |
| Частоты | 5,3 – 94,1 ГГц |
| Моделей | 12 |