Плоская спутниковая антенна

осесимметричный и офсетный. Трудоемкость изготовления параболического отражателя вынудила искать альтернативные конструкции антенн, более технологичных в производстве и самостоятельном изготовлении. К таким конструкциям относится плоский зональный отражатель Френеля (рис. 6.17).

Огюсте Жан Френель (1788—1828), французский физик, один из основателей волновой оптики, в процессе изучения дифракции света использовал метод разделения фронта волны на кольцевые зоны, названные впоследствии его именем.

Зональная антенна Френеля (ЗАФ) по принципу действия существенно отличается от обычно используемых антенн, содержащих в основе параболический отражатель. Описание антенны и методика ее расчета составлены В. Никитиным (Москва) и автором данной книги.

Антенный отражатель Френеля представляет собой проводящие концентрические кольцевые поверхности, расположенные в одной плоскости. Под воздействием падающей волны электромагнитного поля согласно принципу Гюйгенса каждое кольцо становится источником вторичного излуче-

ния, которое направлено в разные стороны в отличие от параболоида вращения, отражающего все лучи в направлении фокуса. Можно подобрать такую ширину каждого кольца зональной антенны и расстояние между ними, чтобы сигналы вторичного излучения от средних линий каждого кольца в определенной точке пространства совпадали по фазе. Для этого достаточно, чтобы расстояния между средними линиями колец и указанной точкой отличались на длину

волны сигнала — lв. Эту точку по аналогии с параболоидом можно назвать фокусом. В фокусе, как и в параболической антенне, находится облучатель.

На рис. 6.18 показано сечение (вид сбоку) верхней части центрального диска антенны и первого кольца. Если в качестве фокуса выбрана точка, которая находится на расстоянии f от плоскости с кольцами, то сигналы, излученные серединами колец, будут совпадать по фазе в фокусе при следующих значениях расстояний между краями колец и фокусом:

Сигналы, излученные серединой колец, оказываются в фазе с сигналом, излученным центром диска. Расфазировка между сигналами, излученными кромкой диска и его центром, а также кромками колеи и их серединой, составляет всего 1/4 длины волны.

Таким образом, расчет ЗАФ сводится к выбору места расположения фокуса F на воображаемой оси антенны, т. е. расстояния f от полотна антенны, и вычислению внутренних и наружных радиусов колец в зависимости от длины волны л, ретранслятора по формуле (6.2). Расстояние f не критично

и его выбирают в пределах 500...1000 мм (для антенн больших диаметров).

Сигналы, которые излучают края колеи, отличаются по фазе от сигналов, которые излучает окружность (находится в середине кольца), обеспечивающая синфазность. Широкие кольца обеспечивают широкополосность антенны. В связи с тем, что радиусы колеи ЗАФ зависят от длины волны сигнала, может показаться, что антенна является узкополосной и для каждой частоты (или длины волны) спутникового транспондера понадобятся соответствующие размеры колец. Однако расчеты показывают, что это не так.

Если радиусы колец рассчитаны для средней частоты диапазона 10,7...11,7 ГГц (длина волны 26,8 мм) или 11,7...12,5 ГГц (длина волны 24,8 мм), то для минимальной и максимальной частот диапазонов те окружности, которые соответствуют равенству фаз сигналов, будут располагаться на поверхности колец.

В табл. 6.2, 6.3 приведены результаты расчета размеров ЗАФ для указанных диапазонов частот. В формулу (6.2) последовательно подставляли в качестве значения n орядковые номера радиусов (четные номера соответствуют внутренним радиусам, нечетные — наружным, a r1— радиусу центрального диска). Расстояние f от центрального диска до фокуса F выбрано равным 1000 мм. Ширина колец уменьшается равнозамедленно. Радиолюбителю не обязательно изготовлять ЗАФв полном объеме. В случаях, когда в месте приема используется параболическая антенна диаметром 90 см, в конструкции ЗАФ можно ограничиться пятью кольцами (пятому кольцу соответствуют радиусы г10 и r11). При этом для диапазона частот 10,7...11,7 ГГц диаметр ЗАФ равен 1098 мм, для 11,7...12,5 ГГц — 1024 мм.

Таблица 6.2

Если рассчитать радиусы колеи для средней длины волны всего вещательного диапазона Ки (10,7...12,75 ГГц), на его краях эти «синфазные» окружности выходят за пределы поверхности колец. Поэтому на краях такого широкого диапазона синфазного сложения сигналов не получается.

В результате расчета получают радиусы «синфазных» окружностей, где п—номер кольца. Центральному диску соответствует n = 1. Ширину выбирают произвольно. На практике можно изготовить центральный диск радиусом 50 мм, а ширину каждого кольца взять равной 20 мм. В этом случае синфазная окружность находится примерно в середине кольца.

Зональная антенна плоская по форме, поэтому она значительно технологичнее в любительских условиях изготовления. Такая антенна может быть выполнена из большого куска фольгированного пластика или методом травления, или путем вырезания промежутков между кольцами. Ее также можно изготовить наклейкой колец из фольги или ровной жести на лист гетинакса, текстолита, оргстекла, древесно-волокнистого полотна (ДВП). Для снижения ветровой нагрузки в диэлектрическом основании антенны просверливают произвольное количество отверстий.

Основным недостатком зональной антенны по сравнению с параболической такого же диаметра является меньший коэффициент усиления, так как не вся энергия сигнала, попадающая на полотно антенны, направляется к облучателю. В условиях слабого сигнала потеря усиления даже на 2 дБ приводит к поражению сигнала шумами и потере цветности. Для компенсации недостатка коэффициента усиления ЗАО необходимо увеличивать диаметр полотна антенны, хотя при достаточной мощности спутникового ретранслятора и больших углах места (меньше влияют тепловые шумы Земли) для данной точки приема такая антенна обеспечивает хорошие результаты.

Закрепить конвертер в фокусе ЗАФ можно тем же способом, что и для прямофокусной параболической антенны