Текст книги "Антенны"

В промышленных условиях параболоид вытягивается из дюралюминиевого или стального листа с помощью мощных гидравлических прессов. К другой разновидности относятся параболоиды, изготовленные из пластических масс методом литья с последующей металлизацией поверхности напылением. В любительских условиях использовать эти методы практически невозможно. Однако в специальной литературе (например, http://www.teleradiocom.ru/arials/part1/part1.htm) неоднократно были описаны достаточно простые технологии изготовления самодельных параболоидов методом выклейки стеклотканью по шаблону с последующей оклейкой металлической фольгой. В тех же источниках приведены готовые таблицы вычисленных координат параболы одного определенного параметра, что позволяет избавиться от несложного, но громоздкого расчета. Если окажется, что целесообразно использовать параболу с другим значением параметра, такой расчет можно выполнить исходя из уравнения параболы: у² = 2рх.

Обычно расчет параболоида проводится с использованием вычислительной техники. В табл. 1 приведены результаты компьютерного расчета самой выгодной формы параболоида. Здесь значения абсциссы X (согласно рис. 44) заданы через 5 мм в интервале 0-1000 мм. Соответственно значениям X в средней колонке приведены значения ординат Y. Результаты расчетов параболоида Y_inv, по значениям X и Y приведены в правой колонке. Расчет сделан для фокусного расстояния 750 мм, которое обычно выбирается в пределах 0,2–0,4 от диаметра параболоида.

Рис. 44

Таблица 1. Расчет координат параболоида в декартовой системе (диаметр D = 2000 мм, фокус F = 750 мм)

По координатам (табл. 1) из стального листа толщиной 4–5 мм изготавливается лекало-шаблон (рис. 45). На этом рисунке цифрой 1 обозначены ребра жесткости, а цифрой 2 – лекало-шаблон, к которому и прикручиваются угольники (ребра) жесткости. Приваривать их к шаблону с помощью сварки нежелательно, так как при охлаждении металла могут нарушиться размеры лекала.

Рис. 45

На рис. 46 представлена конструкция поворотного устройства для изготовления параболического отражателя. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – подшипник, 2 – опора, 3 – потолок, 4 – стяжки, 5 – шаблон и 6 – пол. Лекало закрепляется в этом устройстве с помощью конических подшипников. Одна обойма подшипника закрепляется к полу (6), а другая – к потолку (3). Соединяются они с помощью оси, в центре которой установлено лекало. Оно находится на расстоянии 70–80 мм от пола (если шаблон разместить ниже, то будет неудобно работать).

Рис. 46

Пространство от пола до лекала заполняется кирпичами или камнями, а верхний слой изготавливается из армированного стальным проводом бетона.

Поворачивая шаблон, выравнивают верхний слой раствора. Добавляют немного сильного раствора, который состоит из цемента и мелкого гравия с песком (1:1). Перед смешиванием песок желательно просеивать через сито. По мере усадки нижнего слоя периодически добавляют новый раствор. Бетонная глыба имеет обратную форму параболы, поэтому она должна быть сделана с точностью до 0,5 мм.

Через одну-две недели поверхность глыбы шлифуют наждачной бумагой и покрывают парафином, устраняя небольшие неровности. Затем всю поверхность обмазывают воском или маслом и легко полируют. После такой обработки форма готова для формирования первой антенны-параболы.

Изготавливать форму-глыбу из гипса нежелательно, так как он очень быстро застывает. Форму можно делать из дерева (фанерных шайб), однако это более трудоемко. Подготовив форму, лекало и ось удаляют из центра. Следующий этап – наклейка антенны.

В качестве арматуры для антенны используют стеклоткань или другую плотную и гладкую ткань. Парабола клеится эпоксидной или полиэфирной смолой либо синтетическим столярным клеем. Клеящее вещество наносят тонким слоем на бетонную форму с помощью кисточки или пульверизатора. При этом эпоксидная смола должна быть перемешана с отвердителем. В этот раствор желательно добавить заполнитель, который предупреждает стекание смолы (например, мелко нарезанный порошок пенопласта). Затем на бетонную форму накладывают первый слой ткани (лучше цельный кусок на всю поверхность). Снова намазывают клей и накладывают второй слой, но уже из более грубой ткани. Так, не давая засохнуть нижним слоям, накладывают 3–5 слоев ткани.

Затем приступают к изготовлению восьми радиальных и двух окружных ребер жесткости. Первое окружное делают по краю антенны, второе (диаметром примерно 1000 мм) накладывают посередине. Ребра жесткости делают из пластин пенопласта, ширина и высота которых равна 100 мм, длина – 300 мм. Куски пенопласта приклеивают по окружности и радиусам. Через окружное ребро жесткости заворачивают лишние края ткани и тем самым формируют красивый бортик антенны.

Радиальные и центральные ребра жесткости оклеивают двумя-тремя слоями стеклоткани. В местах пересечения радиальных ребер с центровым ребром необходимо вклеить кусочки дерева размером 50x50x50 мм. На следующем этапе к ним будет крепиться антенна с площадкой поворотного механизма.

Металлические детали и ребра жесткости заклеивать в конструкцию антенны нежелательно, так как у металла и эпоксидной смолы разные коэффициенты расширения. После отвердевания клея, через сутки-двое, антенну снимают с формы, обезжиривают поверхность и начинают самую ответственную операцию – оклейку фольгой отражающей поверхности. Зеркало параболы изготавливают из полосок алюминиевой фольги, которую приклеивают только медленно засыхающим клеем БФ-2. Ширину фольги подбирают экспериментально. Наклеивать полоски нужно очень аккуратно: чем меньше складок, тем лучше будет отражение принимаемого сигнала. В процессе наклейки фольги следует соблюдать осторожность, так как можно порезать пальцы.

В фокусе осесимметричной антенны устанавливают конвертер. Чтобы неподвижно поддерживать его в этой точке, в конструкции антенны предусматривают дополнительное приспособление. Пример конструкции приспособления для крепления конвертера в фокусе осесимметричной параболической антенны приведен на рис. 47. Приспособление для крепления головки изготавливают из трех дюралюминиевых трубок, которые прикручивают к металлической шайбе с отверстием в центре для головки. По краям параболической антенны трубки закрепляют уголками. Точки крепления дюралюминиевых трубок размещают через 120° по поверхности антенны.

Рис. 47

Необходимо точно вычислить и затем обозначить (например, крестиком) центр параболоида. Параболоид устанавливают строго горизонтально и отвесом центрируют центр фокусной шайбы на трех дюралюминиевых трубках. Шайба должна находиться за фокусом на расстоянии 3–5 см от действительного фокуса. Это необходимо для свободного движения конвертера, настройки на наибольший сигнал.

Форму для выклейки параболических антенн меньшего диаметра (1,0–1,2 м) можно сделать другим способом. Рекомендуется такая последовательность изготовления формы.

Из стальной проволоки диаметром 4–5 мм делают каркас (рис. 48). Точками на этом рисунке обозначены места сварки элементов каркаса. Меридиональные (продольные) ребра каркаса предварительно изгибают по простейшему шаблону из толстой фанеры. Кривую для изготовления шаблона можно построить на миллиметровой бумаге как эквидистанту (равноотстоящую) с зазором 20–25 мм относительно профиля параболоида, рассчитанного при фокусном расстоянии F = 450 мм. Затем каркас обтягивают мелкоячеистой сеткой, закрепив ее проволокой.

Рис. 48

Далее изготавливают лекало-шаблон из листового дюралюминия или стали толщиной 4–5 мм, ось – из латуни или дюралюминия, втулку – из стали. Отверстие во втулке и ось шаблона изготавливают с допуском, обеспечивающим скользящую посадку по второму-третьему классу. Например, при диаметре оси 30 мм допуски для втулки и оси равны соответственно +0,021 и -0,021 мм. Конструкция лекала-шаблона и втулки приведена на рис. 49, при этом втулка обозначена цифрой 1, а лекало-шаблон – цифрой 2.

Рис. 49

Перед заливкой горки в каркас вставляют соосно и фиксируют втулку шаблона (рис. 50). Каркас заливают раствором из малоусадочного цемента или смесью песка с жидким стеклом. При этом необходимо дать возможность схватиться нижним слоям раствора. Толщина купола готовой формы не должна превышать 20–25 мм, иначе она будет долго сохнуть. Верхний слой купола формируют, соскабливая шаблоном лишний, не совсем застывший раствор. Иллюстрация процесса формирования купола с помощью лекала-шаблона представлена на рис. 51, при этом введены следующие обозначения: 1 – купол, 2 – втулка, 3 – лекало-шаблон.

Рис. 50

Рис. 51

После высыхания формы в течение нескольких дней на ее поверхности могут появиться трещины. Их замазывают раствором эпоксидной смолы с наполнителем и снова выравнивают шаблоном. После полного высыхания поверхность зачищают мелкой наждачной бумагой.

Изготовление опорно-поворотных устройств. Для точной ориентации параболической антенны на искусственный спутник Земли в ее конструкции необходимо предусмотреть поворотные механизмы, которые позволяют изменять положение антенны по горизонтали и вертикали, жестко фиксировать выбранное направление (рис. 52–58). Так, на рис. 52 приведена конструкция поворотного устройства параболической антенны и введены следующие обозначения: 1 – конвертер, 2 – трубка фиксации положения конвертера в фокусе антенны, 3 – параболическая антенна, 4 – опорная стойка-мачта (конструкция более детально представлена на рис. 53), 5 – обойма оси вертикального поворота (конструкция более детально представлена на рис. 54), 6 – ось горизонтального поворота (конструкция более детально представлена на рис. 55), 7 – рама повоторных механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 56), 8 – кронштейн для начальной установки вертикального уклона антенны механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 57), 9 – рычаг горизонтального поворота антенны механизмов (конструкция более детально представлена на рис. 58), 10 – датчик горизонтали, 11 – защитная крышка, 12 – редуктор, 13 – цепь горизонтального поворота, 14 – датчик вертикали.

Рис. 52

Рис. 53

Рис. 54

Рис. 55

Рис. 56

Рис. 57

Рис. 58

Стойку антенны сваривают из стальных труб и обязательно закрепляют на фундаменте. При большом диаметре параболоида «ветровое» давление на его зеркало может достигать нескольких сот килограммов. Для обеспечения устойчивости и работоспособности антенны при скорости ветра до 25–30 м/с опорная стальная труба должна иметь диаметр 90-100 мм и толщину стенки 4–5 мм (высота трубы 1,2–2,0 м). Основание и раскосы для трубы лучше всего изготавливать из стального швеллера, ширина полки которого 40–50 мм. Для изготовления других силовых элементов конструкции (азимутальной втулки, угломестной рамы и других узлов) целесообразно использовать стальной уголковый прокат. Неподвижные соединения деталей из стали лучше делать электросваркой, что уменьшит люфты.

Чтобы знать, на какой спутник в данный момент ориентирована параболическая антенна, необходимо оснастить ее указателями поворота. Если антенна хорошо видна, можно установить на ней достаточно большие шкалы, показывающие углы поворота и подъема. Если такой вариант нецелесообразен, можно сделать электронное устройство управления антенной (рис. 59–60). На рис. 59 представлена конструкция устройства контроля положения антенны, при этом введены следующие обозначения: 1 – резистор вертикального датчика, 2 – резистор горизонтального датчика, 3 – шестерня привода, 4 – рычаг привода. Принципиальная электрическая схема индикатора угла поворота и подъема антенны приведена на рис. 60.

Рис. 59

Рис. 60

В качестве датчиков углов поворота антенны используются обычные переменные резисторы (например, типа СП-1). Номиналы их сопротивлений не критичны. Они не обязательно должны быть одинаковыми, но их линейная характеристика должна быть типа А.

В качестве индикаторов используются миллиамперметры со стрелкой посередине. Калибровку показаний осуществляют следующим образом (рис. 60). Параболическую антенну устанавливают так, чтобы она приняла горизонтальное положение, и резистором R3 выставляют на ноль стрелку прибора РА1. Затем антенну поворачивают на 25°, чтобы она приняла вертикальное положение, и устанавливают стрелку прибора на крайнее деление шкалы. При этом резистор R5 находится в среднем положении.

Для регулировки горизонтального поворота антенну устанавливают в южном направлении. При этом резистор R6 на антенне также находится в среднем положении. Резистором R2 устанавливают на нуле стрелку прибора РА2. Поворачивают антенну на 90° и резистором R4 устанавливают стрелку прибора на крайнее деление шкалы.

Ручные механизмы для наведения параболической антенны часто представляют собой конструкцию типа «винт – качающаяся гайка» (рис. 61–62). На рис. 61 цифрами обозначены следующие элементы: 1 – рукоятка, 2 – шарнир, 3 – винт, 4 – втулка, 5 – гайка, 6 – элементы ОПУ.

Рис. 61

Рис. 62

На одном конце ходового винта на ОПУ шарнирно закреплена втулка (4), допускающая безлюфтовое вращение в ней винта (3). Гайка (5), через которую проходит винт (3), также выполнена в виде шарнира, установленного на другом элементе конструкции ОПУ, при повороте винта смещающейся (поворачивающейся) относительно элемента с прикрепленной к нему втулкой (4). Шарниры (2) позволяют изменить угловое положение ходового винта (3) при изменении взаимного положения узлов ОПУ (6), на которых шарнирно закреплены гайка (5) и втулка (4) механизма. Механизм наведения приводится в движение с помощью рукоятки (1).

Однако в большинстве случаев спутниковую антенну оснащают автоматической системой наведения на спутник. Устройство, состоящее из электродвигателя и привода для наведения антенны на различные спутники с помощью позиционера, называется актуатором (или актюатором). Позиционер, в данном случае, это специальное устройство для управления актуатором.

В актуаторе используется электродвигатель с редуктором, который представляет собой несколько (обычно 2–3) шестеренчатых передач и одну передачу «винт – гайка» для перемещения выдвижного штока в фиксированных пределах, снаружи шток закрыт герметичным кожухом.

Поскольку актуатор используется в течение небольшого промежутка времени (во время изменения ориентации антенны), то для удешевления конструкции используют электродвигатели малой мощности, работающие в форсированном режиме. Если по какой-то причине мотор сильного перегревается, то чтобы предотвратить поломку, термодатчик (биметаллическая пластина) разрывает цепь питания. Напряжение питания электродвигателя составляет, как правило, не более 36 В.

Актуатор закрепляется на опорно-поворотном устройстве и рефлекторе антенны. При выдвижении штока актуатора происходит поворот рефлектора вокруг полярной оси подвески. Конструкции актуаторов позволяют просматривать сектор геостационарной орбиты до 100 градусов.

Наиболее простые и дешевые устройства обеспечивают вращение антенной системы весом до 360 кг. В таких моделях установлены пластмассовые шестерни, а самосмазывающаяся передача «винт – гайка» изготовлена из сплава алюминия и бронзы. Более дорогие модели позволяют управлять подвеской весом до 700 кг – здесь уже используются стальные шестерни и шариковинтовая передача, обладающая меньшей фрикционной нагрузкой и, следовательно, более высоким КПД, что позволяет при том же прикладываемом усилии, что и в случае передачи «винт – гайка», увеличить полезную нагрузку.

Облучатели. В качестве облучателей зеркал параболических антенн применяют слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. При этом облучатель должен создавать в пределах угла раскрыва зеркала сферическую или близкую к ней волну.

Диаграмма направленности облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков. Структура излучаемого облучателем поля должна быть такова, чтобы было незначительным поле с поперечной поляризацией. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экранирующее действие (теневой эффект) на поле, излучаемое зеркалом; элементы крепления облучателя также не должны существенным образом искажать отраженное зеркалом поле. Диапазонные свойства параболической антенны в основном зависят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса пропускаемых частот, как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению. Облучатель и его тракт питания следует рассчитывать и конструировать так, чтобы заданная мощность пропускалась без возможности пробоя диэлектрика.

Если необходимо, чтобы антенна обладала большой широкополосностью, то в качестве облучателей могут использоваться логопериодические антенны, плоские и конические спирали.

Вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Для создания однонаправленного излучения используют контррефлекторы в виде пассивных вибраторов или металлических дисков диаметром 0,7–0,8λ, (рис. 63). Фазовый центр облучателя находится между вибратором и рефлектором. Диаграмма направленности облучателя с дисковым рефлектором близка к осесимметричной.

Рис. 63

Вибраторы, питаемые с помощью волноводов, – волноводно-вибраторные облучатели (рис. 64) – применяют на волнах короче 10 см. В середине выходного отверстия волновода устанавливается тонкая металлическая пластина перпендикулярно линиям вектора Е (напряженности электрического поля), к которой в их центре крепят два вибратора на расстоянии примерно 0,25-0,3λ друг от друга. Вибраторы возбуждаются полем, выходящим из открытого конца волновода. Длины вибраторов подбираются так, чтобы второй вибратор играл роль контррефлектора. Фазовый центр расположен между вибраторами (ближе к первому из них). Стенки волновода, параллельные вектору напряженности магнитного поля H, суживаются к концу для того, чтобы ослабить затенение зеркала волноводом. Вибраторные облучатели целесообразно использовать в случае довольно глубоких параболических зеркал (примерно при 2ψ₀ = 120–180°). Недостатком вибраторных облучателей является их узкополосность.

Рис. 64

Для создания круговой поляризации можно применить спиральный и крестообразный (турникетный) облучатель (рис. 65). Облучатели этого типа применяются также в зеркальных антеннах, если передаваемые и принимаемые поля имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. В этом случае один из вибраторов используют для передачи, другой – для приема.

Рис. 65

На сантиметровых и более коротких волнах широко применяют волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели (рис. 66). Иногда их используют на дециметровых волнах. Эти облучатели позволяют передавать большую мощность и превосходят по диапазонным свойствам вибраторные. Однако из-за наличия волновода они затеняют зеркало. Небольшой пирамидальный или конический рупор на конце волновода позволяет получить пространственную диаграмму направленности, сравнительно симметричную относительно оси зеркала. Такой облучатель имеет более узкую диаграмму направленности, чем волноводный, и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных параболоидов. Рупорный облучатель имеет значительно меньшее излучение в обратном направлении, чем волноводный. Применение рупорного облучателя с фазирующей секцией позволяет с помощью зеркала получить вращающуюся поляризацию. С помощью рупора можно обеспечить оптимальное облучение зеркала с углом раскрыва 2ψ₀ = 100–150°. Однако такие облучатели создают амплитудное распределение в раскрыве зеркала, далекое от равномерного. При этом утечка энергии за края зеркала довольно высока.

Рис. 66

Следует иметь в виду, что на практике фазовый фронт волны облучателя вблизи поверхности зеркала часто существенно отличается от сферического (это относится к некоторым вибраторным облучателям, несинфазным рупорам, логопериодическим облучателям и др.) и, кроме того, возможна неточность в установке облучателя. Все это приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны. Существуют различные способы уменьшения уровня боковых лепестков рупорных облучателей, обладающие, однако, существенными недостатками (снижение коэффициента усиления, изменение геометрических размеров и др.).