|
Parabolické antény [1994] František Střihavka, OK1CA
Pro radioamatérská mikrovlnná pásma,t. j. od 1 GHz
výše, se jako nejvýhodnější anténa jeví anténa parabolická, parabolické zrcadlo
s vhodným ozařovačem. V následujícím článku bych chtěl shrnout poznatky o
použití parabolických antén, seznámit s výpočty a grafy, které usnadní návrh
ozařovače paraboly. Článek je zaměřen na využití parabol, které se dají získat
od různých profesionálních služeb, konstrukce parabolické antény je přece jenom
v amatérských podmínkách náročná (3). F = D2 / 16 h [1]
Další veličinou kterou potřebujeme znát je úhel otevření paraboly, t. j. úhel pod nímž jsou vidět okraje paraboly: 2 φ = 4 arctg ( 1/ (4F/D) ) [2] nebo tg φ = D / 2 ( F - h ) kde výslednou hodnotu úhlu φ (°) násobíme dvěmi a nebo použijme grafu 1., kde tvar paraboly určuje hodnota ohniskově vzdálenosti F ku průměru paraboly D. Tento poměr F/D se často udává v literatuře, protože tato hodnota nám určuje tvar paraboly, a používá se při návrhu ozařovačů pro jednotlivé kmitočty. Správně navrhnutý ozařovač má mít takový vyzařovací diagram, aby okraje paraboly byly ozářeny o 10 dB méně než střed. Tento stav je vhodný kompromis mezi dosaženým ziskem a správným vyzařovacím diagramem. Při menším vyzařovacím úhlu ozařovače nevyužíváme celou plochu paraboly a naopak při větším úhlu ozařujeme i prostor za parabolou. U takto správně navrhnuté antény můžeme vypočítat úhel vyzařovacího diagramu pro potlačení -3 dB (neboli poloviční výkon), což je hodnota běžná pro praktické využití, a napoví nám jak přesně musíme anténu směrovat. β (°) = 70 ( λ / D ) λ – vlnová délka [3] Velice zajímaví hodnota je zisk jaký má parabolická anténa pro daný kmitočet: Gi = 10 log [ 0,59 ( π D / λ )2 ] [4] nebo Gi = 17,82 + 20 log D + 20 log f ( f – kmitočet v GHz ) přičemž Gi je zisk v dB proti izotropnímu zářiči. Na tuto skutečnost bych rád upozornil protože zisk např. yagi antén se uvádí většinou v dBd, t. j. zisk proti dipólu, hodnota dBd je o 2,15 dB menší než hodnota G. Tuto skutečnost často využívají výrobci antén a uvádějí zisk v hodnotě Gi ‚ čímž si hodnotu zisku vylepšují o 2,15dB. Zisk parabolické antény můžeme také zjistit z grafu 5.
Plocha paraboly se vypočítá: P = π D2 / 4 [m2] [5] Tato hodnota nám pomůže při konstrukci mechanického uchycení parabolické antény, protože zvláště plné paraboly kladou nezanedbatelný odpor při větru. V případě že nemáme parabolu z plného materiálu, ale např. z pletiva, otvory by neměli být větší než 0,1 vlnové délky pro kterou anténu používáme. Ozařovače parabolických antén. Ozařovače pro pásma nad 1 GHz mohou být různého provedení podle účelu použití. Je třeba aby vyzařovací diagram ozařovače měl takový tvar, aby okraje paraboly byly ozářeny o 10 dB méně než střed a dále přenášel kmitočty pro které bude anténa použita. Oba požadavky nelze dát zcela do souladu a je třeba volit kompromis. Radioamatérská pásma jsou úzkopásmová, což umožňuje přizpůsobení ozařovače pro dané pásmo, ale lze také zkonstruovat ozařovač širokopásmový, který pokrývá dvě nebo i více radioamatérských pásem, což přináší provozní výhody v rychlém přechodu z jednoho pásma na druhé, při stejném nasměrování antény. Dříve se často používaly ozařovače typu dipól a reflektor, které jsou svou vyzařovací charakteristikou určeny pro paraboly hlubší s F/D kolem 0,25. Další možnost je použití logaritmickoperiodického ozařovače, který splňuje podmínku širokopásmovosti, ale potřebuje pro každý použitý kmitočet jiné umístění v ohnisku a proto se musí volit kompromis. Tento ozařovač byl popsán pro pásma 23 a 13 cm (13). Pro komunikaci přes satelity, případně EME lze konstruovat ozařovač ve tvaru spirálové antény, buď s pravo nebo levotočivou polarizací, pro satelitní provoz ji popsal ON6UG (8). Jako optimální pro radioamatérské použití se jeví konstrukce ozařovače jako vlnovodu a to buď ve tvaru kruhovém i nebo pravoúhlém. Pro pásma 23, 13 a 6 cm je výhodné použít kruhového vlnovodu s přechodem na koaxiální kabel. Pro pásmo 13 cm byl dobře popsán v RZ (10), přesto bych návrh kruhového vlnovodu znovu prošel a upozornil na vylepšenou variantu s tlumivkou ve tvaru límce (2). Vnitřní průměr kruhového vlnovodu (d) pro daný kmitočet vypočteme podle vzorce: d = λ / (1,71 až 1,31) [6] vlnová délka 1,71 platí pro vlnu H11, 1,3 platí pro vlnu E01 Průměr je lepší volit co největší vzhledem ke zvětšujícímu útlumu při přiblížení ke kritické vlnové délce, měl by být ovšem takový, aby vyzařovací diagram splňoval požadavky na ozáření paraboly (průměr kruhového vlnovodu (d) je zde vyjádřen ve vlnové délce): d (λ) = 1,35 ( F / D ) + 0,225 [7] nebo průměr (d) zvolíme podle grafu č.3. Jestliže takto vypočtený průměr ozařovače splňuje podmínku na přenos daného kmitočtu je vše v pořádku. Často musíme použít na kruhový vlnovod předem danou trubku, a pak volíme kompromis a nebude splněna podmínky správného ozáření krajů paraboly. Dále vypočítáme délku kruhového vlnovodu (L):
Kruhové vlnovody použité jako ozařovače napájíme pomocí koaxiálního kabelu, a proto je nutné zkonstruovat přechod koaxiální kabel - vlnovod. Tento přechod se obvykle realizuje pomocí anténky, o málo kratší λ/4, jejíž délku můžeme nastavovat (buď uštipováním nebo pomocí prodlužovacího šroubu). Vzdálenost umístění této anténky od zaslepeného konce (l) ozařovače určíme podle grafu č. 4. Horizontální asymptota tohoto grafu má úroveň λ/4‚ čili anténka nemá být blíž k zaslepenému konci ozařovače než λ/4. Vertikální asymptota grafu určuje hraniční průměr ozařovače pro přenos daného kmitočtu. Naposled navrhneme velikost a umístění límcové tlumivky. Tlumivka vylepšuje vyzařovací diagram ozařovače, tím že potlačuje postranní laloky ozařovače a výsledný efekt je potom zvýšený zisku celé antény až o 2 dB. Tlumivka má tvar mezikruží, vnitřní průměr mezikruží je vnější průměr kruhového ozařovače a vnější průměr (A) má hodnotu 2λ. Umístění tlumivky je třeba nastavit experimentálně, protože měření vyzařovací charakteristiky je v amatérských podmínkách obtížné, nejjednodušší je nastavit umístění tlumivky na maximální zisk antény. Celý problém je teoreticky i s praktickými ukázkami měření podrobně popsán v (2).
Praktický příklad návrhu ozařovače. Použité parabolické zrcadlo má průměr D = 120 cm a hloubku zrcadla = 20,3 cm. Podle vzorce (1) vypočteme ohnisko F = 44,3 cm a. průměr F/D je 0,37. Úhel otevření paraboly vypočteme pomocí vzorce (2) nebo určíme z grafu č. 1. Pro danou parabolu je úhel otevření 136,4°. Použitý kmitočet je radioamatérské pásmo 5,76 GHz‚ t. j. = 5,2 cm. Úhel vyzařovacího diagramu pro potlačení -3dB vypočteme podle vzorce (4) nebo určíme z grafu 5, pro danou parabolu a kmitočet je 3°. Předpokládaný zisk paraboly vypočteme podle vzorce (4) nebo určíme z grafu 5 a pro danou parabolu a kmitočet je 35 dBi. Údaje zisku jsou uvažovány pro účinnost cca 50%. Vnitřní průměr kruhového ozařovače vypočteme podle vzorce (7) je 37,7 mm. Kontrolou podle vzorce (6) zjistíme, že se můžeme pohybovat v rozsahu 30,4 až 40 mm, tuto podmínku splňujeme. Délku kruhového ozařovače (L) vypočteme podle vzorce (8) a je 89 mm. Umístění ozařovací anténky do ozařovače určíme podle grafu 4, vypočítaní průměr ozařovače je 0,725 vlnové délky a z grafu určíme umístění anténky ve vzdálenosti cca 0,45 λ od zaslepeného konce ozařovače což je vzdálenost 23,4 mm. Průměr tlumivky je 2 λ‚ t. j. 108 mm. Toto jsou ovšem hodnoty vypočtené, při realizaci narazíme na materiálové možnosti, je potřebné výše uvedené úvahy dodržet.
V případě, že bychom výpočtem dostali průměr
ozařovače větší, který nesplňuje podmínku uvedenou ve vzorci (6), musíme potom
upravit (rozšířit ) ústí ozařovače. Můžeme k tomu účely použít buď grafu č. 6,
nebo grafu podle DJ1SL uveřejněném v (10).
Použitá literatura: 1. Cylindrical feed horn for parabolic reflectors, N.J.Foot WA9HUV, Ham Radio 5/76 2. Second generation cylindrical feed born, N.J.Foot WA9HUV Ham Radio 5/82 3. Parabolic reflector element spacing, N.J.Foot WA9HUV Ham Radio 5/75 4. Parabolic reflector gain, W.E,Pfiester W2TQK 5. How to calculate a feet horn?, DL7YC, EME News 6. Une antenne parabolique á reflecteur de 6 métres de daamétre, L.Noblet F6GF, Radio REF 1/88 7. Use of small TVRO dishes for EME, B.Malowanchuk VE4MA 8. Eenwondige paraboolantenne voor satelliet communicatie, F de Guchteneire, ON6UG, Electron 8/90 9. A simple waveguide feed for abort local length dishes, D.Evens G3RPE, Radio Communication 10/76 10. Ozařovače paraboly pro 2,3 a 12 GHz. OK1-8251, Radioamatérský zpravodaj 6,7 / 89 11. Zwieband primarstrahler (1,2 GHz - 2,4 GHz) für parabolantennen, Herald Fleckner DC8UG, UKW Berichte 4/85 12. Deep dish feed horns revisited, B.Malowanschuk VE4MA, DUBUS 4/89
V roce 2009 přepsal a upravil se souhlasem OK1CA - OK1TEH. |
