ры. Последнее достигается уменьшением рассеяния энергии в сторону земли и снижением до минимума потерь в линии передачи.

Указанные требования трудно обеспечить в обычных однозеркальных параболических антеннах, поэтому при разработке больших антенн рекомендуется применять многозеркальные схемы, позволяющие создать в раскрыве такое распределение поля, которое близко к равномерному на большей части раскрыва и резко спадает к его краям. При этом удается обеспечить высокий коэффициент использования и избежать рассеяния энергии за зеркало антенны, т. е. в сторону земли при ориентации в зенит [4].

Так, например, у двухзеркальной антенны можно получить шумовую температуру порядка 10" К при коэффициенте использования площади раскрыва около 0,6.

Наиболее высокая величина F достигается при применении ру-порно-параболических антенн. Благодаря малому рассеянию они имеют высокий коэффициент использования площади раскрыва (порядка 0,7) и низкую шумовую температуру (5-6° К).

5. Особенности методов измерений параметров больших антенн

Обычный метод измерения диаграммы направленности, как известно, сводится к следующему. Испытуемая антенна устанавливается на поворотное устройство. На некотором расстоянии от нее помещается неподвижная вспомогательная антенна. Испытуемая антенна может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи. В первом случае приемное устройство, подключенное к испытуемой антенне, регистрирует зависимость величины принятого сигнала, излученного вспомогательной антенной, от ориентации испытуемой антенны. Во втором - приемник, подключенный к вспомогательной антенне, регистрирует зависимость величины мощности, излучаемой испытуемой антенной, от ее ориентации относительно направления на вспомогательную антенну.

Диаграмма направленности антенны, вообще говоря, является характеристикой, не зависящей от расстояния. Однако это справедливо лишь на очень больших расстояниях от антенны, в так называемой дальней зоне. В ближней зоне диаграмма антенны существенно отличается от диаграммы на бесконечности и форма ее зависит от расстояния. Для каждой антенны в зависимости от ее размеров и длины рабочей волны существует минимальное расстояние Гт1п, на котором диаграмма направленности получается такой же, как на бесконечно больших расстояниях. Это расстояние определяется соотношением

2D- ,с-

tmin -• v-)

Отсюда сразу ясны те трудности, которые возникают при исследовании диаграмм направленности больших антенн сантиметрового

диапазона. Так, например, для Серпуховского радиотелескопа, имеющего зеркало диаметром 22 л, на волне 3 см, Гтш должно быть около 30 км. Особенно большие затруднения возникают при измерениях коэффициента усиления. Обычный метод измерения коэффициента усиления сводится к сравнению сигналов от вспомогательной антенны, принятых на испытуемую и эталонную антенны. В качестве эталонных антенн чаще всего применяются рупорные антенны, коэффициент направленного действия которых можно рассчитать с достаточно высокой точностью. Используются также и од-нозеркальные параболические антенны сравнительно небольших размеров, специально для этой цели откалиброванные. Метод сравнения дает хорошие результаты, когда коэффициенты усиления испытуемой антенны и эталонной отличаются не более чем в 5- 10 раз. Таким образом, для измерения коэффициента усиления больших антенн необходимы эталонные антенны диаметром в несколько метров. Эталонировать такие антенны и затем обеспечить неизменность их параметров в течение времени - задача весьма сложная. Указанные трудности измерений усугубляются влиянием земли. Дело в том, что, помимо прямого сигнала от вспомогательной антенны, эталонная и испытуемая антенны могут принимать паразитный сигнал, отраженный от земли. Это может дать существенную погрешность при измерении коэффициента усиления. Для того чтобы устранить влияние земли, вспомогательную антенну надо поднимать над землей и тем выше, чем больше расстояние tmin- Чтобы сократить расстояние между испытуемой и вспомогательной антеннами, Н. А. Есепкина разработала метод исследования диаграмм направленности в ближней зоне [81. Она показала, что, смещая облучатель из фокуса вдоль фокальной оси, удается получить диаграмму направленности антенны на близком рассто1НИи, практически совпадающую с диаграммой в дальней зоне. Метод Есепкиной оправдал себя при исследовании и настройке обычных однозеркальных параболических антенн, для которых необходимая величина смещения облучателя легко определяется аналитически. Возможность применения этого метода для исследования сложных многозеркальных антенн требует дополнительных подтверждений.

Наиболее удобными и перспективными при исследовании параметров больших антенн сантиметрового диапазона оказываются радиоастрономические методы измерений. Подробно с ними читатель может познакомиться в книгах А. Д. Кузьмина и А. Е. Сало-моновича [9] и Н. М. Цейтлина [10]. Суть этих методов заключается в том, что в качестве вспомогательной передающей антенны используются космические источники радиоизлучения, плотность потока которых достаточно хорошо известна. Наиболее мощными источниками являются Солнце, Луна, Крабовидная туманность, Кассиопея-А, Лебедь-А и др.

К испытуемой антенне присоединяется чувствительный приемник - радиометр с регистрирующим записывающим прибором.

Антенна направляется в упрежденную расчетную точку на небесной сфере, через которую вследствие суточного вращения земли должен пройти космический источник, используемый для измерений. Записывается прохождение источника через диаграмму направленности антенны.

По величине шумового сигнала, соответствующего максимуму диаграммы направленности, можно определить величину эффективной площади антенны

зф = - ,

где = 1,38-10" дж/град -- постоянная Больцмана; d - коэффициент, учитывающий соизмеримость угловых размеров диаграммы направленности исследуемой антенны и источника, а также неравномерность распределения яркостной температуры по источнику; для точечного источника d = 1; р - плотность потока источника; Та - шумовой сигнал, принятый антенной, в градусах Кельвина.

Для определения Та необходимо предварительно откалибровать радиометр по шумовому генератору, температура которого известна. В качестве таких генераторов используются, например, газоразрядные трубки.

Пользуясь радиометром, можно измерить и шумовую температуру антенны. При этих измерениях антенна направляется в «холодную» часть пространства, где отсутствуют источники радиоизлучения.

Шумы на входе радиометра будут характеризовать уровень фона и омические потери в самой антенне. Для того чтобы оценить уровень этих шумов, производится их сравнение с шумами холодной эталонной нагрузки с известной температурой. В качестве холодной нагрузки часто применяется согласованная нагрузка, помещенная в специальный дюар с жидким азотом.

Можно использовать также рупорную антенну, хорошо заэкранированную от излучения земли, раскрыв которой направлен в сторону «холодного» неба.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р у 3 е Д. Вопросы радиолокационной техники, 1956, № 2 (32).

2. R о b i е U X J. Annales de Radioelectricite, 1956, XI, 43, 29.

3. in и ф p и н Я. С. Корреляционные характеристики поля линейной антенны. Радиотехника и электроника, 1961, 6, П.

4. Бахрах Л. Д., Могильникона К. И. Изв. вузов (Радиофизика), 1964, VII, 4, 585. J к „

5. F о I d е S Р. Solid - State Electronics, Oct. 1962, 4, 319.

6. Н i п e s J. H., T i n g u e Li, T u г r i n R. H. Bell System TechiT. J., 1963 , 42 , 4, DT. 2.

7. H о g g D. C. Solid-state Electronics, Oct. 1962, 4, 307.

8. E cen ки и a H. A. Докл. AH СССР, 113, 1, 1957.

9. Кузьмин A. Д., СаломоновичА. E. Радиоастрономические методы измерений параметров антени. Изд-во «Советское Радио», М., 1964.

10. Цейтлин Н. М. Применение методов радиоастрономии в антенной технике. Изд-во «Советское Радио», М., 1966.

МНОГОЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

л. д. БАХРАХ

1. Введение

Зеркальные антенны - наиболее распространенный тип остронаправленных антенн в диапазоне СВЧ. Широкое распространение зеркальных антенн объясняется главным образом принципиальной простотой радиотехнического устройства, возможностью получения высокой направленности, сохранением направленных свойств в широкой полосе частот, малыми активными потерями, простотой конструкции и т. д. Зеркальные антенны позволяют удобно создавать диаграммы направленности различной формы и управлять ими. Простейшие однозеркальные антенны выполняются обычно в виде параболоида вращения или вырезки из параболоида и параболического цилиндра. Облучатель находится в фокусе параболического зеркала, которое преобразует сферический фронт волны, создаваемый облучателем, в плоскую волну. Параболический цилиндр трансформирует цилиндрическую волну, формируемую линейным источником, расположенным вдоль фокальной линии, также в плоскую волну. В тех случаях, когда требуется создать диаграмму направленности специальной формы (например, типа cosec 9 в вертикальной плоскости при обзоре радиолокационной станцией местности), применяются зеркальные антенны с зеркалами, отличными от параболических; форма их соответствующим образом рассчитывается .

Еще десять - пятнадцать лет тому назад почти все зеркальные антенны строились по однозеркальной схеме, и эти антенны в основном удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям. Однако развитие радиолокации, радиоастрономии и техники космической связи поставило перед антенной техникой новые задачи, решение которых с помощью однозеркальных антенн не представлялось возможным или было не оптимальным. Дело в том, что у однозеркальных антенн мало степеней свободы: все возможности их ограничены только изменением формы зеркала, а также изменением в весьма

небольших пределах диаграммы направленности облучателя. Это заставило искать новые системы зеркальных антенн, которые имели бы большее число степеней свободы и позволяли решать более широкий класс задач. В связи с этим и развивалась довольно быстро в последние годы и у нас и за рубежом техника многозеркальных антенн. Преимущества многозеркальных антенн будут яснее видны, когда мы будем описывать отдельные их типы. Отметим для примера здесь два их важных свойства. Первое, имеющее принципиальное значение, состоит в том, что многозеркальные антенны позволяют достаточно точно реализовать заданную диаграмму направленности. Второе свойство многозеркальных антенн, важное для многих практических применений, состоит в том, что облучатель в этих антеннах можно располагать непосредственно у вершины большого зеркала (рис. 1). Это, как мы увидим ниже, является чрезвычайно выгодным обстоятельством для различных классов устройств: радикально упрощает конструкцию антенны, особенно в случае многоканальных моноимпульсных систем бортовых и наземных станций. При этом отпадает нужда в длинных волноводах, идущих от облучателя к приемнику, что имеет место в однозеркальных антеннах, и которые являются основными источниками шума.

По мере развития многозеркальных антенн выявились их возможности обеспечивать более рациональное управление лучом в прострарстве путем перемещения отдельных элементов антенного устройства.

На базе многозеркальных антенн целесообразно реализовать комбинированные системы, выполняющие несколько функций. Но прежде, чем описывать более нли менее сложные системы многозеркальных антенн, рассмотрим простейшую модель двухзеркальной антенны и поясним принцип ее работы.

2. Схема и основные свойства простейшей двухзеркальной антенны

Основными элементами двухзеркальной антенны (рис. 1) являются: большой металлический отражатель (большое зеркало - /), малый отражатель (малое зеркало - 2) и облучатель, помещенный в фокусе системы F.

В простейшей двухзеркальной антенне форма большого зеркала выбрана в виде параболоида вращения или параболического цилиндра и формирует эта антенна параллельный пучок лучей. На примере этой системы яснее видна преемственность между одно- и двух-зеркальными антеннами. Облучатель двухзеркальной антенны выполняется таким образом, чтобы почти вся излученная им энергия направлялась в сторону малого зеркала , которое отражает падаю-

1 В силу свойства взаимности с тем же правом мы могли бы рассматривать двухзеркальную антенну как приемную; параметры ее были бы теми же.

Рис. 1. Схема двухзеркальной системы осевой симметрии

щую на него энергию в сторону большого зеркала, формирующего заданную диаграмму направленности. Будем полагать, что лучи в двухзеркальной антенне отражаются от зеркал согласно законам геометрической оптики. В большинстве встречающихся на практике случаев такое рассмотрение допустимо и целесообразно. Тогда, учитывая, что сечение большого зеркала - парабола, сечение малого зеркала должно иметь форму гиперболы (рис. 2, а, б) или эллипса (рис. 2, в, г), или прямой линии (рис. 2, д). На рис. 2

обозначены: F - фокус большого параболического зеркала, F- фокус двухзеркальной антенны. Пунктирными линиями показан ход крайних лучей в двухзеркальной системе. Как видно из рисунков, малое зеркало является преобразователем пучка лучей, исходящих из точки Fa, в пучок лучей, сходящихся в точку F. Для простейшей двухзеркальной антенны свойствами преобразовывать один сходящийся пучок лучей в другой, или, говоря иначе, один сферический фронт волны во второй, обладают конические сечения и, в частности, гипербола, эллипс, прямая. Диаметр малого зеркала d однозначно определяется, если заданы параметры большого зеркала (D - диаметр и F - фокусное расстояние, положение облучателя / и угол облучения края малого зеркала 2ф):

KFDjF- f)tg(f 8FD + (16f-D-)tg9

Эксцентриситет малого зеркала соответственно определяется

знак плюс соответствует эллиптическому зеркалу, а знак минус - гиперболическому.

Можно показать, что имеется несколько вариантов взаимного расположения параболического зеркала и малых зеркал в виде гипербол и эллипсов.

Уместно здесь заметить, что в оптике, в астрономических телескопах, в частности, издавна известны двухзеркальные системы.

По-видимому, идея создания простейших двухзеркальных антенн заимствована из астрономической оптики. Поэтому по аналогии с оптикой схемы двухзеркальных антенн, у которых малое зеркало размещено перед фокусом параболического зеркала, называются