Антена Кассегрена — параболічна антена, у якій приймач () розташований на поверхні або позаду поверхні увігнутого головного параболічного відбивача й спрямований на менший опуклий вторинний відбивач, підвішений перед головним відбивачем. Пучок радіохвиль від приймача освітлює вторинний відбивач, який відбиває його назад до головного відбивача, а той знову відбиває його вперед, формуючи потрібний пучок випромінювання. Конструкцію Кассегрена широко застосовують у параболічних антенах, особливо великих, зокрема на , радіотелескопах і супутниках зв'язку.

Геометрія

Головний відбивач має форму параболоїда, а опуклий вторинний відбивач — гіперболоїда. Геометрична умова формування колімованого плоского хвильового фронту полягає в тому, що рупорний приймач розташований у дальньому фокусі гіперболоїда, тоді як фокус головного відбивача збігається з ближнім фокусом гіперболоїда. Зазвичай вторинний відбивач і приймач розміщують на центральній осі антени. Однак у зміщеній схемі Кассегрена головний відбивач є несиметричним, а його фокус і вторинний відбивач зміщені вбік відносно антени, тому вторинний відбивач не перекриває частину пучка.

Переваги

Ця конструкція є альтернативою найпоширенішій схемі параболічної антени, яку називають схемою з «лобовим опроміненням» або «первинним фокусом». У ній підвішена перед відбивачем у його фокусі й спрямована назад, у бік відбивача. Конструкція Кассегрена відносно складна, але в певних застосуваннях має переваги, які виправдовують її складність.

приймачі, пов'язані з ними хвилеводи та електроніку можна розмістити на відбивачі або позаду нього, а не підвішувати перед ним, де вони перекривають частину випромінюваного пучка. Тому цю конструкцію застосовують в антенах із громіздкими або складними приймачами, наприклад у наземних антенах супутникового зв'язку, радіотелескопах і антенах деяких супутників зв'язку. Ще одна перевага, важлива для наземних антен супутникового зв'язку та радіотелескопів, полягає в тому, що приймач спрямований уперед, а не назад у бік відбивача, як у схемі з лобовим опроміненням. Тому бічні пелюстки діаграми спрямованості, що виникають через частину випромінювання, яка не потрапляє на вторинний відбивач, спрямовані вгору, до холодного неба, а не вниз, до теплої поверхні Землі. У приймальних антенах це зменшує шум від випромінювання Землі і, як наслідок, загальну антени. Наявність другої відбивної поверхні на шляху сигналу дає додаткові можливості для оптимізації діаграми спрямованості з метою досягнення максимальної ефективності. Наприклад, коефіцієнт підсилення звичайних параболічних антен зменшується через те, що інтенсивність випромінювання приймача спадає до країв відбивача, унаслідок чого ці ділянки освітлюються слабше. У конструкціях із двома відбивачами форму вторинного відбивача змінюють так, щоб спрямувати більше енергії до периферійних ділянок головного відбивача, забезпечивши рівномірніше його освітлення та максимальний коефіцієнт підсилення. Унаслідок цього вторинний відбивач перестає бути точно гіперболічним (хоча залишається дуже близьким до цієї форми), через що втрачається властивість сталої фази. Однак цю фазову похибку можна компенсувати незначною зміною форми головного дзеркала. У результаті отримують вищий коефіцієнт підсилення або краще співвідношення коефіцієнта підсилення до втрат через випромінювання повз відбивач, хоча виготовлення й перевірка таких поверхонь є складнішими. Ще однією причиною використання конструкції Кассегрена є збільшення фокусної відстані антени, що, серед іншого, дає змогу зменшити рівень бічних пелюсток. Параболічні відбивачі, які використовують у дзеркальних антенах, мають велику кривину й малу фокусну відстань; фокус розташований поблизу входу в параболоїд, щоб зменшити довжину опор, які утримують приймач або вторинний відбивач. Фокусне відношення (f-число, тобто відношення фокусної відстані до діаметра відбивача) типових параболічних антен становить 0,25–0,8, тоді як для параболічних дзеркал в оптичних системах, таких як телескопи, воно дорівнює 3–8. У схемі з лобовим опроміненням «плоскіший» параболічний відбивач із великою фокусною відстанню потребував би надто складної опорної конструкції для жорсткого кріплення приймача відносно відбивача. Проте недоліком такого малого фокусного відношення є висока чутливість антени до незначних зміщень від фокуса: діапазон кутів, у межах якого вона ефективно фокусує випромінювання, є малим. У сучасних параболічних антенах радіотелескопів і супутників зв'язку часто використовують групи рупорних приймачів, розташованих навколо фокуса для формування потрібної діаграми спрямованості. Для цього потрібні добрі позаосьові фокусувальні властивості, характерні для систем із великим фокусним відношенням. Оскільки опуклий вторинний відбивач антени Кассегрена значно збільшує його, у таких антенах зазвичай застосовують саме конструкцію Кассегрена. Більша фокусна відстань також поліпшує розрізнення між ортогональними поляризаціями для позаосьових приймачів, що важливо для супутникових антен, які використовують два ортогональні режими поляризації для передавання окремих інформаційних каналів.

Недоліком конструкції Кассегрена є те, що рупорний приймач (або приймачі) повинен мати вужчу (тобто більший коефіцієнт підсилення), щоб сфокусувати випромінювання на меншому вторинному відбивачі, а не на більшому головному відбивачі, як у схемі з лобовим опроміненням. Кутова ширина, під якою вторинний відбивач видно з рупорного приймача, зазвичай становить 10–15°, тоді як головний відбивач у схемі з лобовим опроміненням займає 120—180°. Тому за однакової довжини хвилі рупорний приймач має бути довшим.

Антена з хвилевідним трактом променя  — це різновид складної антени Кассегрена з довгим шляхом поширення радіохвиль, який дає змогу розмістити приймально-передавальну апаратуру на рівні землі. Її використовують у дуже великих поворотних радіотелескопах і наземних супутникових станціях, де приймально-передавальна апаратура є надто складною та громіздкою або потребує занадто частого технічного обслуговування й модифікацій, щоб розміщувати її на відбивачі; наприклад, коли використовують підсилювачі з кріогенним охолодженням. Пучок вхідних радіохвиль від вторинного відбивача відбивається додатковими дзеркалами й проходить довгий звивистий шлях через осі азимутального монтування, завдяки чому антену можна повертати, не перериваючи проходження променя. Потім сигнал проходить униз через вежу антени до будівлі з приймально-передавальною апаратурою, розташованої на землі.

Історія Конструкцію антени Кассегрена запозичено в телескопа Кассегрена — різновиду телескопа-рефлектора, створеного близько 1672 року й приписуваного французькому священнику Лорану Кассегрену. Першу антену Кассегрена винайшли й запатентували Кокрейн і Вайтгед у компанії Elliot Bros у Боремвуді (Англія) в 1952 році. Пізніше цей патент (британський патент № 700868) був оскаржений у суді, але залишився чинним. Станом на вересень 2024 року Вояджер-1 перебуває на відстані 24,6 млрд кілометрів від Землі, що робить його найдальшим створеним людиною об'єктом у космосі. Його антена Кассегрена діаметром 3,7 м для S-діапазону та X-діапазону (див. зображення нижче) досі здатна підтримувати зв'язок із наземними станціями.

Див. також

Телескоп Кассегрена Телескоп Несміта

Примітки

Посилання

Стаття про дизайн субрефлектора Кассегрена