PROJEKT 3

Część wstępna

1.

Prezentacja programu RASCAL

a) menu programu (różne warianty anten reflektorowych, parabolicznych),
b) sposób wprowadzania danych wejściowych,
c) źródło oświetlające w programie RASCAL,
d) okno źródła oświetlającego oraz anteny reflektorowej.

REFLEKTOROWA ANTENA PARABOLICZNA

I Zadania do wykonania

I.1 Zbadać wpływ charakterystyki źródła oświetlającego na parametry anteny: zysk,
szerokość wiązki 3dB, najwyższy poziom listka bocznego, współczynnik wykorzystania
apertury, straty na promieniowanie wsteczne oraz poziom polaryzacji ortogonalnej anteny
parabolicznej zasilanej centralnie.
Do obliczeń przyjąć następujące dane:
Częstotliwość pracy: f

0

= 10 GHz,

Ś

rednica zwierciadła d = 90 cm

Ogniskowa zwierciadła f = 45 cm.
Obliczenia wykonać w płaszczyźnie

ϕ

= 90

0

Pozostałe wielkości wejściowe przyjąć takie, jakie zaproponuje program.
Zmieniać charakterystykę źródła oświetlającego w zakresie odpowiadającym poziomowi
oświetlenia krawędzi apertury od -6dB do -16dB (ze skokiem 1 dB).
Wyniki umieścić w tabelce i skomentować. Określić wielkość apertury kątowej.
I.2 Powtórzyć obliczenia dla anteny zasilanej niesymetrycznie (tzw. „offsetowo”). Przyjąć
parametr projektowy „clearance” na poziomie 10, zaś kąt podświetlenia ok. 30

0

, tak aby

możliwe było wykonanie obliczeń (realizowalność fizyczna układu). Porównać parametry z
uzyskanymi w punkcie I.1.
I.3 Zaprojektować antenę zasilaną symetrycznie na częstotliwość f

0

= 29 GHz

Wymagania:
Zysk > 40 dB,
Szerokość wiązki 3dB < 0.6

0

.

Poziom listków bocznych – jak najniższy
Określić parametry anteny oraz jej wymiary, uwzględniając rozmiary źródła oświetlającego.
Przyjąć, że dla ww. źródła stosunek średnicy apertury do długości fali (parametr „Dblock”)
wynosi 4.
Ograniczenia mechaniczne:
0.4

≤

f

0

/d

≤

0.5

d/

λ

0

≥

30

Podstawy teoretyczne:

Anteny reflektorowe paraboliczne zaliczane są do grupy anten aperturowych tzn. anten, w
których daje się wyraźnie wyróżnić obszar apertury (powierzchni) promieniującej. W swojej
klasycznej postaci antena składa się z promiennika (źródła oświetlającego) oraz reflektora
(lustra) parabolicznego. Zasadę pracy anteny najłatwiej jest rozważyć na przykładzie lustra

będącego paraboloidą obrotową o jednakowych ogniskach w obu przekrojach ortogonalnych
(czyli paraboloidy obrotowej, otrzymanej przez obrót paraboli wokół osi symetrii). Jeśli
umieścimy promiennik w ognisku paraboloidy wówczas fala sferyczna docierająca do
reflektora, po odbiciu, przekształca się w falę płaską. W efekcie rozkład fazy w płaszczyźnie
apertury (w płaszczyźnie ogniska) jest jednorodny, co jest warunkiem niezbędnym uzyskania
wysokiej kierunkowości. Jeśli dodatkowo apertura będzie dostatecznie duża, a rozkład pola w
jej płaszczyźnie w miarę równomierny, to uzyskujemy antenę o dużej kierunkowości
(kilkadziesiąt dB). Dla tego typu anteny, przedstawionej w uproszczony sposób na rys.1,
definiuje się specyficzne dla tej anteny parametry fizyczne:

Rys.1 Antena paraboliczna oświetlona centralnie

1.

ś

rednicę zwierciadła parabolicznego d oraz ogniskową f,

2.

aperturę kątową 2

θ

0

(patrz rys.1). Jest to kąt, pod jakim widzimy aperturę z ogniska

zwierciadła.

Aperturą kątową i parametry fizyczne zwierciadła wiąże zależność:

2

4

0

θ

ctg

d

f

=

(1)

O ile rozkład fazy w aperturze jest równomierny, o tyle rozkład amplitudy zależy od
charakterystyki promieniowania źródła oświetlającego i najczęściej jest nierównomierny.
Jako źródło oświetlające chętnie stosuje się anteny tubowe, zwykle tuby stożkowe. Należy
podkreślić, że tylko część mocy pochodzącej od źródła oświetlającego pada na lustro i po
odbiciu stanowi moc promieniującą z anteny.

W przybliżonej analizie anteny parabolicznej charakterystykę promieniowania źródła

oświetlającego półprzestrzeń, w której znajduje się lustro, aproksymuje się funkcją (cos

θ

)

n

.

Pozwala to określić jeden z podstawowych parametrów anteny parabolicznej, czyli
współczynnik wykorzystania apretury (ang. aperture efficiecy). Mówi on o stopniu
wykorzystania danej powierzchni apretury w stosunku do sytuacji, gdy apertura jest
oświetlona równomiernie (czyli optymalnie z punktu widzenia kierunkowości). Okazuje się,
ż

e dla każdego zwierciadła (scharakteryzowanego parametrami d i f) istnieje optymalna

charakterystyka źródła oświetlającego, gwarantująca uzyskanie maksimum współczynnika
wykorzystania apertury. Wartość tego maksimum to ok. 0.82. Oczywiście nie możemy
uzyskać wartości maksymalnej (równej 1), gdyż część mocy nie pada na zwierciadło.

d

f

θ

0

θ

0

d

Istnienie optymalnej charakterystyki promieniowania źródła można wytłumaczyć w
następujący sposób:
-jeśli źródło oświetlające ma charakterystykę prawie równomierną to wprawdzie uzyskujemy
równomierny rozkład amplitudy (czyli optymalny z punktu kierunkowości) ale znaczna część
mocy nie pada na reflektor, czyli jest tracona,
-jeśli źródło oświetlające ma charakterystykę silnie kierunkową, czyli większość mocy pada
na reflektor, to rozkład pola w apreturze jest silnie nierównomierny, co w konsekwencji
prowadzi do poszerzenia wiązki głównej i obniżenia własności kierunkowych.
Pomiędzy tymi dwoma skrajnymi sytuacjami istnieje więc optymalna charakterystyka
promieniowania źródła oświetlającego.

Dla anteny reflektorowej wprowadza się również parametr charakteryzujący straty

związane z mocą, która nie pada na lustro. Straty te określa się mianem strat na
promieniowanie wsteczne (lub w terminologii anglosaskiej spillover efficiency). Warto
zauważyć, że konstrukcja anteny powoduje, że część mocy padającej na lustro nie zostanie
wypromieniowana po odbiciu, gdyż źródło oświetlające i podpory, na których jest ono
umieszczone, zasłaniają aperturę. Efekt ten, w nomenklaturze anglosaskiej, nosi nazwę
blockage. W efekcie współczynnik wykorzystania apretury w realizowanych antenach jest
rzędu 0.5

÷

0.6.

W celu uniknięcia efektu przesłonięcia apertury można zwierciadło oświetlać

niesymetrycznie (tzw. offsetowo). W takim przypadku możemy jednak oczekiwać
pogorszenia pewnych parametrów np. poziomu polaryzacji ortogonalnej [3]. Ma to istotne
znaczenie, gdy antena jest przeznaczona do pracy z dwiema polaryzacjami. Konstrukcja takiej
anteny jest bardziej skomplikowana, zaś parametry jej są wrażliwe na tolerancje mechaniczne
wykonania.

Przedstawione powyżej informacje dotyczą anteny z pojedynczym reflektorem.

Osobną grupę stanowią anteny wieloreflektorowe. Umożliwiają one uzyskanie b. dużych
wartości kierunkowości, lecz ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana. Szersze
omówienie różnych konfiguracji tego typu anten można znaleźć w [1] i [2].

Literatura

[1] D. Bem: „Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”, WNT, Warszawa, 1973.
[2] W.L. Stutzman, G.A. Thiele: „ Antenna Theory and Design”, J. Wiley & Sons, 1981
[3] W. Zieniutycz: „Anteny – podstawy polowe” WKŁ, 2001