Antena de espejo

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Antena de espejo  : una antena en la que el campo electromagnético en la abertura se forma debido al reflejo de una onda electromagnética desde la superficie metálica de un espejo especial ( reflector ). La fuente de la onda suele ser un pequeño emisor ubicado en el foco del espejo. En su función puede ser cualquier otra antena con un centro de fase que emita una onda esférica. El objetivo principal de las antenas reflectoras es transformar un frente de onda esférico o cilíndrico en un frente plano [1] .

Historia

La antena parabólica fue inventada por el físico alemán Heinrich Hertz en 1887. Hertz usó reflectores parabólicos cilíndricos para encender antenas dipolo durante sus experimentos. La antena tenía un tamaño de apertura de 1,2 metros de ancho y se utilizaba a una frecuencia de unos 450 MHz . El reflector estaba fabricado en chapa de acero zincado. Con dos antenas de este tipo, una transmisora ​​y otra receptora, Hertz demostró con éxito la existencia de ondas electromagnéticas, que Maxwell había predicho 22 años antes.

El inventor italiano Guglielmo Marconi utilizó un reflector parabólico en la década de 1930 en experimentos para transmitir señales a un barco en el Mediterráneo . En 1931, se estableció la comunicación telefónica por radioenlace a una frecuencia de 1,7 GHz a través del Canal de la Mancha utilizando una antena reflectora. La primera gran antena parabólica con un diámetro de reflector de 9 m fue construida en 1937 por el radioastrónomo Grote Reber en su patio trasero. Con su ayuda, exploró el cielo estrellado.

El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial impulsó el desarrollo de nuevas formas de antenas parabólicas, se crearon antenas con patrones de radiación sectoriales. Después de la guerra, se crearon antenas parabólicas con diámetros de espejo de 60 metros (Bear Lakes en la URSS ), un radiotelescopio de 100 metros en Green Bank, West Virginia, y otros.

En la década de 1960, las antenas reflectoras comenzaron a usarse ampliamente para las redes de comunicaciones de radioenlaces terrestres. La primera antena parabólica utilizada para comunicaciones por satélite se construyó en 1962 en Gunhilly en Cornualles, Inglaterra , para operar con el satélite de comunicaciones Telstar. La antena Cassegrain fue desarrollada en Japón en 1963 por NTT, KDDI y Mitsubishi Electric . El advenimiento de las computadoras en la década de 1980, capaces de realizar cálculos complejos de los patrones de radiación de las antenas parabólicas, condujo al desarrollo de antenas complejas asimétricas y de múltiples espejos.

Información general

Las antenas de espejo son una de las antenas de dirección estrecha más comunes en el rango de VHF [1] .

Por lo general, en las antenas reflectoras, un patrón de radiación más ancho de la alimentación se convierte en un patrón de radiación estrecho de la propia antena [1] .

El borde del espejo y el plano Z forman una superficie llamada abertura del espejo. En este caso, el radio R se denomina radio de apertura y el ángulo 2ψ se denomina ángulo de apertura del espejo. El tipo de espejo depende del ángulo de apertura [2] :

El foco de la alimentación de la antena se puede ubicar tanto en el foco del espejo F como desplazado en relación con él. Si el foco del irradiador se encuentra en el foco de la antena, entonces se llama foco directo . Las antenas de foco directo vienen en varios tamaños, mientras que las antenas con simetría otoñal, cuya alimentación no está en el foco del espejo, no suelen superar los 1,5 m de diámetro [3] . Este tipo de antenas se denominan a menudo antenas compensadas . La ventaja de una antena desplazada es una mayor ganancia de antena, que se debe a la ausencia de sombreado de la apertura del espejo por la alimentación [3] . El reflector de las antenas compensadas es un recorte lateral de un paraboloide de revolución. El foco de los irradiadores en dichas antenas se encuentra en el plano focal del reflector.

La antena reflectora puede tener un espejo elíptico adicional ( esquema Gregory de dos espejos ) o un espejo hiperbólico adicional ( esquema Cassegrain de dos espejos ), con focos ubicados en el plano focal de la antena reflectora. En este caso, el irradiador se encuentra en el foco del espejo adicional.

Una antena reflectora puede tener simultáneamente varias alimentaciones ubicadas en el plano focal de la antena. Cada irradiador forma un patrón de radiación dirigido en la dirección deseada. Los irradiadores pueden operar en diferentes bandas de onda ( C , Ku , Ka ) o cada uno simultáneamente en varias bandas.

La ubicación del foco y el plano focal del espejo de la antena no depende del rango de longitud de onda operativo.

Dependiendo de las tareas y del irradiador, la antena reflectora forma un patrón de suma-diferencia total estrechamente dirigido (para radiogoniómetros) o varios patrones multidireccionales al mismo tiempo, cuando se utilizan varios irradiadores.

Tipos de espejos

En tecnología, los siguientes tipos de espejos son los más utilizados:

  1. los espejos parabólicos transforman una onda cilíndrica o esférica en una onda plana. Para una onda cilíndrica el espejo es un cilindro parabólico , para una onda esférica es un paraboloide de revolución [1] .
  2. los espejos esféricos difieren poco de los espejos parabólicos con una distancia focal igual a la mitad del radio de la esfera [1] .
  3. los espejos planos se utilizan principalmente en antenas vibratorias y en ocasiones en antenas periscópicas y altamente direccionales [1] , mientras que un sistema de dos espejos ubicados en cierto ángulo entre sí, junto con un vibrador simétrico (alimentación) forman una antena de esquina (el tipo de espejo en este caso se llama esquina) [4] .
  4. los espejos de perfil especial suelen ser espejos parabólicos con una desviación calculada de la superficie parabólica. El objetivo principal de usar tales antenas es la formación de un patrón de radiación de una forma especial, por ejemplo, cosecante [1] o cualquier forma dada. También se pueden usar espejos con formas especiales para crear un patrón de radiación, un área de servicio cómoda en la que opera una estación de radio (ejemplo: satélite, estación base celular ). El objetivo principal de utilizar dichos espejos es ahorrar el recurso energético de la RES con la máxima calidad de recepción y transmisión en el área de servicio.

Características del diseño

El espejo generalmente consta de una base dieléctrica ( fibra de carbono para antenas espaciales), que está cubierta con láminas de metal, pintura conductora y papel de aluminio [4] . Al mismo tiempo, las láminas suelen ser perforadas o malladas, lo que se debe al deseo de reducir el peso de la estructura, así como de minimizar la resistencia al viento y las precipitaciones. Sin embargo, un espejo no continuo de este tipo tiene las siguientes consecuencias: parte de la energía penetra a través del espejo, lo que provoca un debilitamiento de la directividad de la antena y un aumento de la radiación detrás del reflector. La eficiencia de una antena con un espejo no sólido se calcula mediante la fórmula , donde es la potencia de radiación detrás del reflector y es la potencia de radiación del reflector (onda incidente) [4] . Si , un espejo no continuo se considera bueno. Esta condición suele cumplirse cuando el diámetro de los orificios del espejo perforado es menor y el área total de los orificios asciende a toda el área del espejo [4] . Para espejos de malla, el diámetro de los agujeros no debe exceder [4] .

Irradiador

El patrón de radiación de una antena parabólica está formado por una alimentación . Puede haber uno o más alimentadores en la antena, respectivamente, se forman uno o más patrones de radiación en la antena. Esto se hace, por ejemplo, para recibir una señal simultáneamente desde varios satélites de comunicación espacial.

La apertura de los irradiadores se encuentra en el foco del reflector parabólico o en su plano focal si se utilizan varios irradiadores en una antena. Varios irradiadores forman varios patrones de radiación en una antena, esto es necesario cuando una antena apunta a la vez a varios satélites de comunicación.

Ver también: Irradiador .

Ancho de haz

El ancho de haz angular de una antena y su patrón de radiación no dependen de si la antena está transmitiendo o recibiendo. El ancho del haz está determinado por el nivel de la mitad de la potencia del haz, es decir, por el nivel (-3 dB) de su valor máximo. Para antenas parabólicas, este nivel está determinado por la fórmula:

,

donde K es un factor que varía ligeramente con la forma del reflector, y d es el diámetro del reflector en metros, el ancho del patrón de media potencia θ en radianes. Para una antena parabólica de 2 metros que opera en la banda C (recepción de 3-4 GHz y transmisión de 5-6 GHz), esta fórmula da un ancho de haz de aproximadamente 2,6°.

La ganancia de la antena está determinada por la fórmula:

Existe una relación inversa entre la ganancia y el ancho del haz.

Las antenas parabólicas de gran diámetro forman haces muy estrechos. Apuntar dichos haces a un satélite de comunicación se convierte en un problema, ya que en lugar del lóbulo principal, puede apuntar la antena al lóbulo lateral.

El patrón de la antena es un haz principal estrecho y lóbulos laterales. La polarización circular en el haz principal se establece de acuerdo con las tareas, el nivel de polarización en diferentes lugares del haz principal es diferente, en los primeros lóbulos laterales la polarización cambia al contrario, de izquierda a derecha, de derecha a izquierda.

Características de las antenas reflectoras

Las características de una antena reflectora se miden en el campo lejano.

Datos interesantes

Aplicación

Las antenas parabólicas se utilizan como antenas de alta ganancia para los siguientes tipos de comunicaciones: retransmisión de radio entre ciudades cercanas, enlaces de datos WAN/LAN inalámbricos, para comunicaciones por satélite y naves espaciales. También se utilizan para radiotelescopios.

Las antenas parabólicas también se utilizan como antenas de radar para controlar barcos, aviones y misiles guiados. Con la llegada de los receptores domésticos de televisión por satélite, las antenas parabólicas se han convertido en una característica del paisaje de las ciudades modernas.

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Manual de radioelectrónica / Ed. A. A. Kulikovsky. - M. : Energía, 1967. - T. 1. - 316 p.
  2. ↑ IP Zaikin, AV Totsky, S. K. Abramov, V. V. Lukin. Diseño de dispositivos de antena de microondas / Ed. A. A. Kulikovsky .. - Jarkov: Nat. aeroespacial un-t “Khark. aviación Instituto”, 2005. - S. 47. - 107 p.
  3. ↑ 1 2 Reflector Antennas Archivado el 5 de abril de 2011 en Wayback Machine en antenna.tj
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Shifrin Ya.S. Antenas. — VIRTA ellos. Goborova L.A., 1976. - S. 239-241. — 408 pág.
  5. ↑ La ganancia y la directividad no coinciden y están interconectadas a través de la eficiencia de la antena .
  6. ↑ El área efectiva de la antena está relacionada con la ganancia por la relación: . La relación entre el área efectiva y geométrica de la antena depende de sus características de diseño. Las antenas más grandes, ceteris paribus, también tienen un área efectiva más grande.