Параболічна антена — антена, у якій для спрямування радіохвиль використовується параболічний відбивач — вигнута поверхня з поперечним перерізом у формі параболи. Головною перевагою параболічної антени є висока спрямованість. Вона функціонує подібно до рефлектора прожектора чи ліхтарика, щоб направляти радіохвилі у вузький промінь або приймати радіохвилі лише з одного певного напрямку. Параболічні антени мають одні з найвищих коефіцієнтів підсилення, або, що приблизно те ж саме, найменшу . Щоб досягти вузької ширини променя, параболічний відбивач повинен бути набагато більшим, ніж довжина хвилі використовуваних радіохвиль, тому параболічні антени використовуються у високочастотній частині радіоспектра, для дециметрових, сантиметрових і мікрохвиль, для яких довжини хвиль достатньо малі, щоб можна було використовувати рефлектори зручного розміру.

Параболічними є антени супутникового телебачення та антени радіотелескопів. Параболічні антени використовуються як для зв’язку точка-точка в таких програмах, як мікрохвильові ретрансляційні канали, які передають телефонні та телевізійні сигнали між сусідніми містами, бездротові канали WAN/LAN для передачі даних, супутниковий зв’язок та зв’язок з космічними кораблями. Інше велике застосування параболічних антен — для радіолокаційних антен, яким потрібно передавати вузький промінь радіохвиль для визначення місцезнаходження кораблів, літаків або ракет.

Параболічну антену винайшов німецький фізик Генріх Герц під час відкриття радіохвиль у 1887 році. У своїх історичних експериментах він використовував циліндричні параболічні відбивачі як для передачі, так і для прийому сигналу.

Конструкція Принцип роботи параболічної антени полягає в тому, що точкове джерело радіохвиль у фокусі параболоїдного відбивача із провідного матеріалу буде відбиватися в майже паралельний промінь хвиль уздовж осі відбивача. І навпаки, плоска хвиля, що надходить паралельно осі, буде сфокусована в точку у фокусі.

Типова параболічна антена складається з металевого параболічного рефлектора з невеликою фідерною антеною, підвішеною перед рефлектором у його фокусі і спрямованою назад на рефлектор. Рефлектор — це металева поверхня, сформована у вигляді параболоїда обертання й зазвичай усічена по колу, яке й визначає діаметр антени. У передавальній антені радіочастотний струм від передавача подається через кабель до фідерної антени, яка перетворює його на радіохвилі. Радіохвилі випромінюються назад до параболоїда фідерною антеною та відбиваються від параболоїда у вигляді паралельного променя. У приймальній антені вхідні радіохвилі відбиваються від антени та збираються в її фокусі, а розташована там приймальна антена перетворює радіохвилі на електричний струм, який далі кабелем передається до радіоприймача.

Параболічний відбивач

Відбивач (також званий рефлектором) може бути виготовлений з листового металу або дротяної решітки, і може мати круглу або складнішу форму. Металева сітка відбиває радіохвилі так само ефективно, як суцільна металева поверхня, якщо її отвори менше однієї десятої довжини хвилі, тому для зменшення ваги та вітрового навантаження часто використовуються несуцільні рефлектори. Щоб досягти максимального підсилення, форма антени має бути точною в межах невеликої частки довжини хвилі, щоб гарантувати, що хвилі від різних частин антени надходять у фокус у фазі. Великі рефлектори часто вимагають підтримуючих фермових конструкцій позаду них, щоб забезпечити необхідну жорсткість.

Рефлектор, виготовлений із решітки з паралельних дротів або брусків, орієнтованих в одному напрямку, діє як поляризаційний фільтр. Він відбиває лише лінійно поляризовані радіохвилі з електричним полем, паралельним дротам відбивача. Цей тип антен часто використовується в радіолокаційних антенах. У поєднанні з лінійно поляризованою фідерною антеною це допомагає відфільтрувати шум у приймачі та зменшити похибки.

Блискучий металевий параболічний відбивач може фокусувати й сонячні промені. Параболічна антена, спрямована на сонце, може сконцентрувати достатню кількість сонячної енергії, щоб сильно перегріти розташований у фокусі приймач, тому суцільні відбивачі завжди покривають шаром фарби.

Фідерна антена Фідерна антена у фокусі рефлектора зазвичай є антеною з низьким коефіцієнтом підсилення, наприклад напівхвильовим диполем або (частіше) невеликою рупорною антеною, яка називається фідерним рупором. У складніших конструкціях, таких як кассегренівська або грегоріанська, використовується вторинний відбивач, який переправляє енергію від первинного відбивача на фідерну антену. Фідерна антена під’єднана до радіочастотного передавального або приймального обладнання за допомогою коаксіального кабелю або хвилеводу.

На мікрохвильових частотах, які використовуються в багатьох параболічних антенах, для проведення мікрохвиль між фідерною антеною та передавачем або приймачем потрібен хвилевід. Через високу вартість хвилеводів у багатьох параболічних антенах безпосередньо на фідерній антені розташована електроніка, яка перетворює прийнятий сигнал на сигнал нижчої проміжної частоти, який вже йде до приймача через дешевший коаксіальний кабель. Такий перетворювач називається понижувальним конвертером. Подібним чином, у фокусі передавальної антени може бути розташований мікрохвильовий передавач.

Однією з переваг параболічної антени є те, що більша частина її конструкції (усе, окрім фідерної антени) є нерезонансною, тому вона може працювати в широкому діапазоні частот (тобто в широкій смузі пропускання). Все, що необхідно для зміни частоти роботи, це замінити фідерну антену на таку, яка працює на потрібній частоті. Деякі параболічні антени передають або приймають на кількох частотах, маючи кілька фідерних антен, встановлених у фокусі, близько одна від одної.

Типи

Параболічні антени розрізняють за формами:

Параболоїд (paraboloidal або dish). Рефлектор має форму параболоїда, усіченого круглим краєм. Це найпоширеніший вид. Він випромінює вузький олівцевий пучок вздовж осі антени. Огорнутий параболоїд (shrouded dish). Іноді до краю параболоїда кріпиться циліндричний металевий бортик, який захищає антену від випромінювання під кутами поза віссю головного променя, зменшуючи бічні пелюстки. Іноді такий бортик також використовується для запобігання перешкодам від наземних мікрохвильових передавачів, наприклад, коли кілька сусідніх антен використовують одну частоту. Зсередини бортик покривають матеріалом, що поглинає мікрохвилі. Бортики можуть зменшити випромінювання у задню пелюстку на 10 дБ. Циліндрична (cylindrical). Такий відбивач вигнутий лише в одному напрямку та плоский в іншому. Радіохвилі фокусуються не в точці, а вздовж лінії. Інколи джерелом живлення є дипольна антена, розташована вздовж фокальної лінії. Циліндричні параболічні антени випромінюють промінь у формі віяла, вузький вздовж однієї осі й широкий вздовж іншої. Кінці рефлектора іноді закриті плоскими пластинами, щоб запобігти випромінюванню з цих кінців. Фігурна антена (shaped-beam antennas). Сучасні рефлекторні антени можуть бути розроблені для створення променя певної форми, а не просто вузьких олівцевоподібних або віялоподібних пучків, як у простих параболоїдів і циліндричних антенA. David Olver (1994) Microwave Horns and Feeds, p. 61-62. Щоб контролювати форму променя, використовуються два способи, часто в комбінації:

Фігурні відбивачі (shaped reflectors). Параболічному відбивачу можна надати некруглу форму або різну кривину в горизонтальному та вертикальному напрямках, щоб змінити форму променя. Це часто використовується в антенах радарів. Як правило, чим ширша антена в заданому поперечному напрямку, тим вужчою буде діаграма спрямованості в цьому напрямку. Антена «апельсинова кірка» ("Orange peel" antenna). Використовується в пошукових радарах. Це довга вузька антена у формі літери «C». Вона випромінює вузький вертикальний віялоподібний пучок.

Фідерні масиви (arrays of feeds). Щоб отримати пучок довільної форми, замість одного рупорного каналу можна використовувати масив рупорних каналів, згрупованих навколо фокуса. Антени з решітками живлення часто використовуються на супутниках зв’язку, зокрема супутниках прямого мовлення, для створення діаграми спрямованості для покриття певного континенту чи іншої необхідної зони покриття. Вони часто використовуються з вторинними рефлекторними антенами, такими як кассегренівська.

Параболічні антени також розрізняють за типом живлення, тобто за тим, як на антену подають радіохвилі:

Осьова або передня подача. Це найпоширеніший тип подачі, з фідерною антеною, розташованою у фокусі відбивача і спрямованою назад до відбивача. Недоліком цього типу є те, що фідерна антена та її опори блокують частину променя, що обмежує ефективність апертури до 55–60%. Позаосьова або зміщена подача. Рефлектор є асиметричним сегментом параболоїда, тому фокус і фідерна антена розташовані з одного боку антени. Метою цієї конструкції є переміщення конструкції подачі за межі траєкторії променя, щоб вона не блокувала промінь. Ця конструкція широко використовується в домашніх супутникових антенах, які настільки малі, що інакше фідерна антена блокувала б значну частину сигналу. Позаосьову конструкцію також можна використовувати в складніших системах, таких як кассегренівська та грегоріанська, наведені нижче. Кассегренівська. В кассегренівській антені джерело живлення розташоване на параболоїді або позаду нього. Воно випромінює вперед, освітлюючи опуклий гіперболоїдний вторинний відбивач у фокусі параболоїда. Радіохвилі від фідера відбиваються від вторинного рефлектора на параболоїд, який знову відбиває їх вперед, утворюючи вихідний промінь. Перевагою такої конфігурації є те, що джерело живлення з його хвилеводами та електронікою не треба підвішувати перед тарілкою, тому його використовують для антен зі складними або громіздкими джерелами, таких як великі антени супутникового зв’язку та радіотелескопи. Ефективність апертури становить 65–70%. Григоріанська. Подібна до кассегренівської конструкції, за винятком того, що вторинний відбивач має увігнуту ( еліпсоїдну) форму. Можна досягти ефективності апертури понад 70%.

Схема подачі

Діаграма спрямованості фідерної антени має бути адаптована до форми відбивача, оскільки вона сильно впливає на ефективність апертури, яка визначає коефіцієнт підсилення антени. Випромінювання від джерела, яке падає за межі відбивача, називається переливанням і втрачається, зменшуючи підсилення та збільшуючи бічні пелюстки, а в приймальних антенах також підвищуючи сприйнятливість до шуму й таким чином спричиняючи завади. Максимальне підсилення досягається тоді, коли тарілку рівномірно освітлено постійною напруженістю поля до її країв. Тому ідеальною діаграмою спрямованості фідерної антени була б постійна напруженість поля по всьому тілесному куту тарілки, яка різко падає до нуля на краях. Однак реальні фідерні антени мають діаграми спрямованості, які поступово спадають на краях, тому фідерна антена є компромісом між прийнятно низьким переливанням і адекватним освітленням. Для більшості фідерів оптимальне освітлення досягається, коли потужність біля краю відбивача на 10 дБ менша, ніж максимальне значення в його центрі.

Поляризація Діаграми електричних і магнітних полів, створюваних параболічною антеною, є просто збільшеним зображенням полів, які випромінює фідерна антена, тому поляризація визначається фідерною антеною. Щоб досягти максимального підсилення, обидві фідерні антени (передавальна та приймальна) повинні мати однакову поляризацію. Наприклад, вертикальна дипольна фідерна антена випромінює промінь радіохвиль з вертикальним електричним полем, що називається вертикальною поляризацією. Для їх прийому приймальна фідерна антена також повинна мати вертикальну поляризацію. Якщо в цьому випадку проводити спостереження на горизонтальній поляризації, прийнята потужність сигналу сильно зменшиться.