Tipo de antena parabólica con reflector secundario convexo.
Tipos de antena parabólica
En telecomunicaciones y radar , una antena Cassegrain es una antena parabólica en la que la antena de alimentación está montada en o detrás de la superficie del plato reflector parabólico principal cóncavo y está dirigida a un reflector secundario convexo más pequeño suspendido frente al reflector primario. El haz de ondas de radio de la alimentación ilumina el reflector secundario, que lo refleja de regreso al plato reflector principal, que lo refleja nuevamente hacia adelante para formar el haz deseado. El diseño Cassegrain se utiliza ampliamente en antenas parabólicas, particularmente en antenas grandes como las de estaciones terrestres de satélite , radiotelescopios y satélites de comunicaciones .
Geometría
El reflector primario es un paraboloide , mientras que la forma del reflector secundario convexo es un hiperboloide . La condición geométrica para irradiar un haz de onda plana colimado es que la antena de alimentación esté ubicada en el foco lejano del hiperboloide, mientras que el foco del reflector primario coincide con el foco cercano del hiperboloide. [1] Generalmente el reflector secundario y la antena de alimentación están ubicados en el eje central del plato. Sin embargo, en configuraciones Cassegrain desplazadas , el reflector parabólico primario es asimétrico y su foco, y el reflector secundario, están ubicados a un lado del plato, de modo que el reflector secundario no obstruya parcialmente el haz.
Ventajas
Este diseño es una alternativa al diseño de antena parabólica más común, llamado "alimentación frontal" o "enfoque principal", en el que la antena de alimentación se monta suspendida delante del plato en el foco, apuntando hacia el plato. El Cassegrain tiene un diseño más complejo, pero en determinadas aplicaciones tiene ventajas sobre la alimentación frontal que pueden justificar su mayor complejidad:
Las antenas de alimentación y las guías de ondas asociadas y la electrónica " frontal " pueden ubicarse sobre o detrás del plato, en lugar de suspenderse en el frente, donde bloquean parte del haz saliente. [1] [2] Por lo tanto, este diseño se utiliza para antenas con alimentaciones voluminosas o complicadas, [1] como antenas terrestres de comunicaciones por satélite , radiotelescopios y antenas de algunos satélites de comunicaciones .
Otra ventaja, importante en las antenas terrestres de satélite y los radiotelescopios , es que debido a que la antena de alimentación está dirigida hacia adelante, en lugar de hacia atrás, hacia el plato como en una antena de alimentación frontal, los lóbulos laterales desbordados causados por partes del haz que no llegan al reflector secundario se dirigen hacia arriba, hacia el cielo frío, en lugar de hacia abajo, hacia la tierra cálida. [2] En las antenas receptoras, esto reduce la recepción del ruido del suelo , lo que resulta en una temperatura de ruido de la antena más baja .
Conformación de reflector dual : la presencia de una segunda superficie reflectante en la ruta de la señal permite oportunidades adicionales para adaptar el patrón de radiación para obtener el máximo rendimiento. Por ejemplo, la ganancia de las antenas parabólicas ordinarias se reduce porque la radiación de la antena de alimentación cae hacia las partes exteriores del plato, lo que da como resultado una menor "iluminación" de esas partes. En la "conformación de reflector dual", la forma del reflector secundario se modifica para dirigir más potencia de señal a las áreas exteriores del plato, lo que resulta en una iluminación más uniforme del primario, para maximizar la ganancia. Sin embargo, esto da como resultado una secundaria que ya no es precisamente hiperbólica (aunque todavía está muy cerca), por lo que se pierde la propiedad de fase constante. Sin embargo, este error de fase se puede compensar modificando ligeramente la forma del espejo primario. El resultado es una mayor ganancia, o relación ganancia/desbordamiento, a costa de superficies que son más difíciles de fabricar y probar. [3] [4] También se pueden sintetizar otros patrones de iluminación del plato, como patrones con un ahusamiento alto en el borde del plato para lóbulos laterales de desbordamiento ultra bajo y patrones con un "agujero" central para reducir las sombras de alimentación.
Otra razón para utilizar el diseño Cassegrain es aumentar la distancia focal de la antena y reducir los lóbulos laterales, entre otras ventajas. [2] [5] Los reflectores parabólicos utilizados en antenas parabólicas tienen una gran curvatura y una distancia focal corta ; el punto focal se ubica cerca de la boca del plato, para reducir la longitud de los soportes necesarios para sujetar la estructura de alimentación o reflector secundario. La relación focal (número f, la relación entre la distancia focal y el diámetro del plato) de las antenas parabólicas típicas es de 0,25 a 0,8, en comparación con 3 a 8 para los espejos parabólicos utilizados en sistemas ópticos como los telescopios. En una antena de alimentación frontal, un plato parabólico "más plano" con una distancia focal larga requeriría una estructura de soporte poco práctica y elaborada para mantener la alimentación rígida con respecto al plato. Sin embargo, el inconveniente de esta pequeña relación focal es que la antena es sensible a pequeñas desviaciones del punto focal: el ancho angular que puede enfocar efectivamente es pequeño. Las antenas parabólicas modernas de los radiotelescopios y satélites de comunicaciones suelen utilizar conjuntos de bocinas de alimentación agrupadas alrededor del punto focal para crear un patrón de haz particular. Estos requieren buenas características de enfoque fuera del eje de una relación focal grande y, debido a que el reflector secundario convexo de la antena Cassegrain la aumenta significativamente, estas antenas suelen utilizar un diseño Cassegrain.
La distancia focal más larga también mejora la discriminación por polarización cruzada de las señales fuera del eje, [2] importante en antenas de satélite que utilizan los dos modos de polarización ortogonal para transmitir canales de información separados.
Una antena de guía de ondas de haz, un tipo de diseño Cassegrain, que muestra la complicada ruta de la señal.
Una desventaja del Cassegrain es que las bocinas de alimentación deben tener un ancho de haz más estrecho (mayor ganancia ) para enfocar su radiación en el reflector secundario más pequeño, en lugar del reflector primario más ancho como en los platos de alimentación frontal. El ancho angular que subtiende el reflector secundario en la bocina de alimentación es típicamente de 10 a 15 °, a diferencia de los 120 a 180 ° que subtiende el reflector principal en un plato de alimentación frontal. Por lo tanto, la bocina de alimentación debe ser más larga para una longitud de onda determinada.
Antena de guía de ondas de haz
Una antena de guía de ondas de haz es un tipo de antena Cassegrain complicada con una trayectoria de onda de radio larga para permitir que la electrónica de alimentación se ubique al nivel del suelo. Se utiliza en radiotelescopios orientables de gran tamaño y antenas terrestres de satélite, donde la electrónica de alimentación es demasiado complicada y voluminosa, o requiere demasiado mantenimiento y modificaciones, para ubicarla en el plato; por ejemplo, aquellos que utilizan amplificadores refrigerados criogénicamente. El haz de ondas de radio entrantes desde el reflector secundario se refleja mediante espejos adicionales en un largo camino sinuoso a través de los ejes del soporte altazimutal , de modo que la antena se puede dirigir sin interrumpir el haz y luego bajar a través de la torre de la antena hasta un edificio de alimentación. a nivel del suelo.
Historia
El diseño de la antena Cassegrain fue adaptado del telescopio Cassegrain , un tipo de telescopio reflector desarrollado alrededor de 1672 y atribuido al sacerdote de la provincia francesa de Inglaterra, Laurent Cassegrain . La primera antena Cassegrain fue inventada y patentada por Cochrane y Whitehead en Elliot Bros en Borehamwood, Inglaterra, en 1952. La patente, la patente británica número 700868, fue impugnada posteriormente en los tribunales, pero prevaleció. [6]
^ abc Chatterjee, Rajeswari (2006). Teoría y práctica de antenas (2ª ed.). Nueva Delhi: New Age Internacional. pag. 188.ISBN 978-81-224-0881-2.
^ abcd Welch, WJ (1976). "Tipos de Antenas Astronómicas". Métodos de Física Experimental . vol. 12, Parte B: Radiotelescopios . Nueva York: Academic Press. págs. 13-14. ISBN0-12-475952-1. Consultado el 14 de enero de 2012 .
^ Galindo, V. (1964). "Diseño de antenas de doble reflector con distribuciones arbitrarias de fase y amplitud". Transacciones IEEE sobre antenas y propagación . 12 (4). IEEE: 403–408. Código Bib : 1964ITAP...12..403G. doi :10.1109/TAP.1964.1138236.
^ Willams, WF (1983). "Diseño de RF y rendimiento previsto para un futuro sistema de antena de reflector dual con forma de 34 metros que utiliza la bocina de alimentación XS de apertura común" (PDF) . Informe de Avance de Telecomunicaciones y Adquisición de Datos . 73 : 74–84. Código Bib : 1983TDAPR..73...74W. Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022.
^ Cheng, Jingquan (2009). Los principios del diseño de telescopios astronómicos. Nueva York: Springer. págs. 359–360. ISBN978-0-387-88790-6.
^ Lavington, Simon (19 de mayo de 2011). Objetivos móviles Elliott-Automation y el amanecer de la era de las computadoras en Gran Bretaña, 1947-67 (1 ed.). Londres: Springer Verlag London Ltd. p. 376.ISBN978-1-84882-933-6.
