Parabolaantenna

A raistingi földi állomás parabolaantennája, Bajorország

A parabolaantenna az apertúrával rendelkező antennák nagycsaládjába tartozik. Nagy nyereségű, éles irányhatású antennák. Általában két fő részből állnak:

• parabola alakú apertúrából
• primer sugárzóból.

Rendeltetésüktől és üzemi frekvenciájuktól függően többféle felépítésű és méretű parabolaantenna létezik, működési elvük viszont ugyanaz:

• A környezetből érkező elektromágneses hullámokat az apertúra egy pontba, a primer sugárzó irányába fókuszálja, a fókuszpontba gyűjtött elektromágneses hullámokat a primer sugárzó elektromos jellé alakítja.
• A primer sugárzóba táplált nagyfrekvenciás elektromos jelet a primer sugárzó elektromágneses hullámmá alakítja, ami az apertúráról visszaverődik, és az apertúra kialakításától függően valamilyen szögben kisugárzódik a térbe.

A primer sugárzó és az apertúra kapcsolata

Az apertúra nincs sem induktív, sem kapacitív csatolásban a primer sugárzóval, tehát nem parazitasugárzóként működik, hanem tükörként, ami egy pontba fókuszálja az elektromágneses sugárzást. Ebből következik, hogy az apertúra nincs hatással a primer sugárzó elektromos paramétereire.

A primer sugárzó minden esetben az apertúra fókuszpontjában található. Fontos követelmény, hogy a primer sugárzó sugárzási szöge akkora legyen, hogy a kisugárzott teljesítmény az apertúra felületére koncentrálódjon.

• Ha a primer sugárzó kisugárzási szöge nagyobb, akkor a kisugárzott teljesítmény egy része túlmegy az apertúrafelületen, az apertúrára kisebb teljesítmény jut, így romlik az antenna hatásfoka
• Ha a primer sugárzó kisugárzási szöge kisebb, akkor kisebb apertúrafelületre koncentrálódik a sugárzás, kisebb lesz az antenna hatásos felülete, így kisebb lesz az antenna nyeresége.

Az apertúra megszerkesztésénél a legfontosabb a parabola-vonal meghatározása. Ebböl forgatással képezhető forgásparaboloid, eltolással pedig hengerparaboloid. Ha ismerjük a primer sugárzó sugárzási szögét, és adott átmérőjű parabolát szeretnénk tervezni, a következőképp kell számolnunk:

${\displaystyle r={\frac {D}{2}}}$

${\displaystyle \phi ={\frac {\alpha }{2}}}$

${\displaystyle F={\frac {r}{\tan {\phi }}}}$

A vonal pontjainak a vezérsíktól számított távolságát meghatározhatjuk a középvonaltól számított távolság alapján:

${\displaystyle {\ce {p_{i}={\frac {i^2}{4F}}}}}$

${\displaystyle p_{n}={\frac {r^{2}}{4F}}}$

• α - a primer sugárzó kisugárzási szöge
• φ - a primer sugárzó kisugárzásának félszöge
• D - az apertúra átmérője
• r - az apertúra sugara
• F - fókusztávolság
• Fp - fókuszpont
• i - az apertúra közepétől számított távolság
• p_i - az apertúra egy pontja az apertúrától i távolságra
• p_n - a parabolavonal végpontja

Közvetlen megvilágítású parabolaantennák

A közvetlen megvilágítású parabolaantennáknál a primer sugárzó közvetlenül az apertúrára sugározza ki teljesítményét, vagy vevőantenna esetén közvetlenül a primer sugárzóra fókuszálódik az apertúrafelület által felvett teljesítmény.

Hengerparaboloid felületű apertúraantennák

A hengerparaboloid apertúra elkészítése egyszerű, akár házi módszerrel is elkészíthető. Nem kell mást tenni, mint egy alumínium- vagy acéllemezt meghajlítani a parabolavonal szerint. Így olyan antennához jutunk, amely a tengelyiránnyal párhuzamos polarizációban nagy nyereséget ad, az arra merőleges polarizációban pedig a nyeresége megegyezik a primersugárzó nyereségével. Az antennanyereség közelíthető a következő képlettel:

${\displaystyle G\approx {\sqrt {{\frac {4\pi ^{2}D^{2}}{4\lambda ^{2}}}{\frac {360^{2}}{\alpha ^{2}}}}}}$

${\displaystyle G_{dB}=10log_{10}{G}}$

Forgásparaboloid felületű apertúraantennák[1]

Forgásparaboloid antennákkal nagy antennanyereséget lehet elérni mind a vertikális, mind a horizontális polarizációs síkban. A főtükör fémlapból történő elkészítése viszont már ipari technológiát igényel. Nagyobb hullámhosszokon elterjedt az a megoldás, hogy dróthálóból vagy sík fémlapokból, szegmensenként alakítják ki az apertúrát. Ilyen esetekben hatásfokromlással kell számolni.

A parabolaantenna nyereségét a következő képlettel számíthatjuk ki:

${\displaystyle G={\frac {4\pi ^{2}D^{2}}{4\lambda ^{2}}}\eta }$

${\displaystyle G_{dB}=10log_{10}{G}}$

Ha adott nyereségre akarjuk tervezni az antennát, az egyenletet átrendezve kiszámíthatjuk, milyen átmérőjű apertúrát kell készíteni:

${\displaystyle D_{mm}=300{\frac {\sqrt {2*10^{0,1G_{dB}}}}{\pi f_{GHz}}}}$

• λ - az üzemi hullámhossz
• f - az üzemi frekvencia
• η - a hatásfok
• G - antennanyereség
• G_dB - antennanyereség decibelben
• D_mm - a parabolatükör átmérője mm-ben

Kisebb frekvenciák esetén a hatásfok lemezből kiképzett apertúra esetén akár 0.9 fölötti érték is lehet, a frekvencia növekedésével egyre inkább kritikus az apertúra anyaga. 100 GHz fölötti frekvenciákon már az apertúra festése is speciális festékanyagot igényel.

A hengerparaboloid és a forgásparaboloid antenna iránykarakterisztikái

Cassegrain rendszerű antennák[1]

A Cassegrain elnevezés eredetileg 2 tükrös csillagászati távcsövet takart, ugyanezzel a felépítéssel mikrohullámú antennát is létre lehet hozni. A Cassegrain rendszerű apertúrasugárzók 3 részből állnak:

• Főtükör - A környezetből érkező elektromágneses hullámokat a segédtükörre fókuszálja
• Segédtükör - A főtükörről érkező elektromágneses hullámokat tovább fókuszálja, a primer sugárzó irányába. A segédtükör formája forgáshiperboloid.
• Primer sugárzó - A fókuszált elektromágneses hullámot elektromos jellé alakítja

A Cassegrain rendszerű apertúrasugárzók előnyei

• A segédapertúra speciális kialakításával megvalósítható az amplitudóban egyenletes apertúramegvilágítás, ami nagyobb antennahatásfokot ad, vagyis kisebb méretek mellett nagyobb antennanyereséget lehet elérni.
• Mivel a primer sugárzó a főapertúra középpontjában van, így az antennaerősítő, transzponálóegység, egyéb elektronika elhelyezhető az antenna mögött, anélkül, hogy a hogy hosszú, nagy ívben hajlított kábelen kötnénk össze a primer sugárzóval.
• Könnyen megoldható a primer sugárzó és a hozzá tartozó elektronika cseréje az antenna megbontása nélkül.

A Cassegrain rendszerű apertúrasugárzók hátrányai

• A segédapertúra viszonylag nagy területet takar ki a főapertúra hatásos irányából.
• Bonyolult rendszer, nagyon pontos tervezést igényel.
• Nehéz antenna, erős és bonyolult tartószerkezetet igényel, különösen ha az antenna forgatása is szükséges.

Gregory apertúrasugárzó[1]

A Gregory antennarendszer annyiban különbözik a Cassegrain rendszertől, hogy segédapertúraként nem forgáshiperboloid, hanem forgási ellipszoid van használva.

Ofszetantenna[1]

Az eddig említett apertúrasugárzók hátránya az volt, hogy a primer sugárzó a fő sugárzási irányba esett, és így egy darabot kitakart a főapertúrából. Készíthető olyan paraboloid apertúra, melynek fókuszpontja kívül esik a fő sugárzási irányból, így megoldható a kitakarás általi hatásfokvesztés.

Az ofszetantennák tervezéséhez szükséges elméleti alapok már a II. Világháború idején megvoltak, viszont a nagy mennyiségű, bonyolult számítások miatt csak a számítógépek elterjedése tette lehetővé ipari megvalósítását.

Műsorszóró műholdak vételére ezt az antennatipust használják a legelterjedtebben.

Jegyzetek

1. Babits László - Vadász Ferenc. Műholdvevő antennák. Műszaki Könyvkiadó, Budapest (1990). ISBN 963-10-8638-0 

A Wikimédia Commons tartalmaz Parabolaantenna témájú médiaállományokat.