Антенна со смещенным облучателем (офсетная антенна)
Рисунок 1. Офсетная антенна – часть параболоида
Антенна со смещенным облучателем (офсетная антенна)
Одним из недостатков зеркальных антенн с облучателями является создание облучателем тени, затенение им зеркала в случае, когда он находится на пути луча антенны. В режиме приема область тени представляет собой некоторое пятно на поверхности зеркала непосредственно перед облучателем. В режиме излучения облучатель вместе с элементами его крепления создает препятствие для лучей, исходящих от рефлектора параболической антенны.
Для решения этой проблемы облучатель может быть смещен из фокуса. Такую антенну называют антенной со смещенным облучателем или офсетной антенной. В офсетной антенне облучатель находится в стороне от пути распространения волн так, что искажения диаграммы направленности антенны не происходит. Облучатель направлен вверх относительно оси параболоида, при этом нижняя часть параболоида удаляется из конструкции антенны (Рисунок 1). В результате получается параболоид меньших размеров с увеличенным фокусным расстоянием. Следовательно, облучатель размещается на большем расстоянии от рефлектора и поэтому должен обладать более высокой направленностью для того, чтобы избежать потерь за счет прохождения лучей мимо рефлектора. Поэтому для такой конструкции требуется облучатель больших размеров и, как правило, она сложнее и дороже в изготовлении.
кромки
апертуры
Рисунок 2. Геометрия офсетной параболической зеркальной антенны
В коммерческих антеннах со смещенным облучателем, таких как спутниковые зеркальные антенны, вырезка из параболоида вращения не круглая, а овальная. Кромка рефлектора эффективной офсетной антенны должна проходить через точки одинаковой плотности мощности излучения облучателя – она может быть овальной или даже яйцевидной с учетом эксцентриситета облучателя. Это можно продемонстрировать, проведя эксперимент с фонариком. Если луч фонарика направлен перпендикулярно поверхности экрана, то форма освещенной части круглая. Если же фонарик освещает экран под некоторым углом, то форма освещенной части имеет яйцевидную форму. Поэтому, например, коммерческая антенна для приема спутникового телевидения имеет ширину 1,25 м и высоту 1,35 м. В проекции эта фигура принимает круглую форму эффективной апертуры (Рисунок 2).
Рисунок 3. Офсетная антенна с рефлектором в виде «апельсиновой кожуры»
Такая круглая апертура нежелательна особенно для двухкоординатных радиолокаторов. Для таких радиолокаторов угловой размер луча антенны в азимутальной плоскости должен быть как можно меньше, тогда как в угломестной плоскости этот размер должен иметь заданное значение, как правило, в интервале от 15 до 30 градусов. Следовательно, параболическая антенна при смещенном облучателе – это не просто прямоугольная вырезка из параболоида (как, например, в антеннах, формирующих веерный луч), но имеет более округлую форму. Целью такой конструкции является наиболее эффективное использование поверхности отражателя с как можно меньшей площадью. Поскольку расстояние между облучателем и разными участками поверхности рефлектора для офсетной антенны не является одинаковым, то и плотность излучения на кромке рефлектора, сформированного облучателем с симметричной диаграммой направленности, будет различной. Чем дальше участок поверхности рефлектора от облучателя, тем меньше плотность излучения на нем. По этой причине некоторые участки, находящиеся на внешней (по отношению к облучателю) части рефлектора, вносят меньший вклад в формирование диаграммы направленности антенны. Поэтому участки, вносящие совсем небольшой (в соответствии с заданным при разработке антенны критерием) вклад, могут быть удалены. В результате получается форма рефлектора, напоминающая часть апельсиновой кожуры. Поэтому такие антенны часто называют «антенной апельсиновой кожуры» (в англоязычной литературе – Orange-Peel Antenna).
Большинство радиолокаторов с параболическими антеннами используют принцип смещенного облучателя. Эта структура имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что высокая мощность передатчика не отражается прямо на облучатель. В антеннах с симметричным расположением облучателя мощность, отражаемая рефлектором, частично возвращается на облучатель, что приводит к ухудшению коэффициента стоячей волны в линии питания антенны. Таким образом, нагрузка выходного каскада передатчика будет ниже при использовании антенны со смещенным облучателем.