На направленные свойства параболических антенн

При рассмотрении принципа действия параболического зеркала мы предполагали, что в его фокусе размещен точеч­ный источник. Реальные же облучатели имеют размеры, сравнимые с волной и часто даже превышающие ее.

Спрашивается, как же нужно размещать облучатель относительно фокуса? Какой из вибраторов — активный или пассивный у облучателей, показанных на рис. 43 и 44, должен находиться в фокусе зеркала?

Подобного рода вопросы всегда встают перед инжене­рами, разрабатывающими антенные устройства. И они дают на них такой ответ: с фокусом зеркала должна совпадать та точка облучателя, которая мысленно может рассматриваться как фазовый центр облучателя, т. е. как исходная точка сферических волн.

Местоположение фазового центра определяется экспери­ментальным путем. Опыт показывает, что у облучателей, по­казанных на рис. 43 и 44, фазовый центр расположен между активным и пассивным вибраторами, несколько ближе к пер­вому. У рупорных облучателей фазовый центр находится внутри него, в окрестностях горла рупора.

При условии, что если фазовый центр облучателя не будет совпадать с фокусом, возможны два случая.

Первым рассмотрим вариант продольной расфокусировки системы облучатель — зеркало, когда облучатель смещен в ту или иную сторону от фокуса вдоль оси OZ.

Обратимся к рис. 51 и построим ход отраженных от зер­кала лучей, считая, что в каждой точке параболоида отраже­ние радиоволны происходит по законам оптики как от плоского зеркала, касательного к параболе в данной точке.

Если при размещении облучателя в фокусе параболиче­ского зеркала отраженные лучи идут параллельно фокаль­ной оси OZ, то при перемещении облучателя из фокуса в сторону от зеркала (точка В) углы падения лучей в каждой точке зеркала увеличатся по сравнению с правильным рас­положением облучателя (j₂ > j₀). В силу известного закона оптики о равенстве углов падения углам отражения (j₁ = j₂), отраженные от зеркала лучи будут идти расходя­щимся пучком. При смещении же облучателя в точку А, лежащую за фокусом, отраженные лучи будут наклонены к оси OZ.

Так как волновые поверхности (фронт волны) перпенди­кулярны лучам, то во втором случае (точка А) фронт волны в раскрыве зеркала получается не плоским, а вогнутым; в первом случае фронт волны становится выпуклым.

В обоих случаях фронт волны симметричен относительно оси OZ, поэтому диаграмма направленности антенны при смещениях облучателя остается также симметричной, однако ее главный лепесток расширяется, сливаясь с первыми боко­выми лепестками.

При очень большой расфокусировке антенны может произойти даже раздвоение главного лепестка.

Представление о степени влияния искажений фронта волны в раскрыве антенны на ее коэффициент усиления дает рис. 52, на котором приведена зависимость уменьшения коэффициента усиления параболической антенны от абсо­лютной величины отклонения, а фазы отраженной волны у краев зеркала относительно фазы в центре его раскрыва.

За единицу на этом графике принято усиление идеальной антенны, у которой в излучающем отверстии создана плоская волна с равномерным распределением амплитуд.

На практике считают допустимыми отклонения фазы, не превышающие 1/8l. Уменьшение усиления антенны в этом случае не превосходит 8% (см. рис. 52).

У конкретных образцов антенн указанное требование вы­полняется за счет специальных конструктивных мер, исключающих возможность ошибочной установки облучателей и одновременно обеспечивающих взаимозаменяемость пос­ледних.

Рассмотрим теперь, как будут влиять на направленные свойства антенн поперечные перемещения облучателя.

Если вынести фазовый центр облучателя из фокуса в на­правлении, перпендикулярном оптической оси, то это приве­дет к несимметричному изменению фронта волны в раскрыве зеркала: он наклонится в сторону, противоположную смеще­нию облучателя (рис. 53). Но так как главный максимум излучения антенн всегда направлен по перпендикуляру к фронту волны, то в результате поперечной расфокусировки произойдет поворот главного максимума диаграммы направ­ленности на угол, равный углу наклона волны.

Одновременно несколько деформируется и сам главный лепесток. Степень этой деформации будет определяться тем, насколько сильно вынесен облучатель из фокуса.

Указанное свойство изменения направления главного ле­пестка диаграммы направленности при поперечном выносе облучателя широко используется в радиолокации для кача­ния (сканирования) луча.

Заканчивая краткое рассмотрение параболических антенн, укажем, что симметричные и несимметричные иска­жения фазы в их раскрывах могут произойти не только из-за расфокусировки облучателя, но и за счет отклонения профиля зеркала от параболического. Источником искаже­ний поля может быть и сам облучатель, если его волновой фронт отличается от сферического.

В условиях эксплуатации причинами всех этих искаже­ний могут быть как механические повреждения зеркала и облучателя, так и атмосферные осадки в зимнее время.

Наросты льда и снега на зеркале и облучателе, как пра­вило, изменяют расчетный ход лучей и оказываются элек­трически эквивалентными искривлению профиля зеркала или расфокусировке облучателя. Поэтому следует тщательно соблюдать все правила эксплуатации антенн, которые обычно излагаются в инструкциях и руководствах к конкрет­ной аппаратуре. Последнее замечание, разумеется, относится к антеннам всех типов.