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 delante del reflector primario. El haz de ondas de radio de la alimentación ilumina el reflector secundario, que lo refleja de vuelta al plato reflector principal, que lo refleja hacia delante de nuevo 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 comunicación .
Geometría
El reflector primario es un paraboloide , mientras que la forma del reflector secundario convexo es un hiperboloide . La condición geométrica para radiar un haz de ondas planas colimadas 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] Por lo general, el reflector secundario y la antena de alimentación están ubicados en el eje central del plato. Sin embargo, en configuraciones Cassegrain descentradas , el reflector del plato 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 "de alimentación frontal" o "de foco primario", en el que la antena de alimentación se monta suspendida delante de la antena parabólica en el foco, apuntando hacia atrás, hacia la antena. El Cassegrain es un diseño más complejo, pero en ciertas 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 del " extremo frontal " se pueden ubicar sobre o detrás de la antena, en lugar de estar suspendidas al 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 comunicación por satélite , radiotelescopios y las antenas de algunos satélites de comunicación .
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 de desbordamiento 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 de ruido de tierra , lo que resulta en una temperatura de ruido de antena más baja .
Conformación de reflector doble : la presencia de una segunda superficie reflectante en la trayectoria 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 externas de la antena, lo que da como resultado una menor "iluminación" de esas partes. En la "conformación de reflector doble", la forma del reflector secundario se altera para dirigir más potencia de señal a las áreas externas de la antena, lo que da como resultado una iluminación más uniforme del primario, para maximizar la ganancia. Sin embargo, esto da como resultado un secundario que ya no es precisamente hiperbólico (aunque todavía está muy cerca), por lo que se pierde la propiedad de fase constante. Este error de fase, sin embargo, 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 cono alto en el borde del plato para lóbulos laterales de derrame ultrabajo y patrones con un "agujero" central para reducir el sombreado de alimentación.
Otra razón para utilizar el diseño Cassegrain es aumentar la longitud focal de la antena, para reducir los lóbulos laterales, entre otras ventajas. [2] [5] Los reflectores parabólicos utilizados en antenas parabólicas tienen una gran curvatura y una longitud focal corta ; el punto focal se encuentra cerca de la boca del plato, para reducir la longitud de los soportes necesarios para sostener la estructura de alimentación o reflector secundario. La relación focal (número f, la relación entre la longitud focal y el diámetro del plato) de las antenas parabólicas típicas es de 0,25-0,8, en comparación con 3-8 para los espejos parabólicos utilizados en sistemas ópticos como los telescopios. En una antena de alimentación frontal, un plato parabólico "más plano" con una longitud 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 de manera efectiva es pequeño. Las antenas parabólicas modernas de los radiotelescopios y los satélites de comunicaciones suelen utilizar conjuntos de bocinas de alimentación agrupadas alrededor del punto focal para crear un patrón de haz particular. Estas requieren las buenas características de enfoque fuera del eje de una gran relación focal y, dado que el reflector secundario convexo de la antena Cassegrain la aumenta significativamente, estas antenas suelen utilizar un diseño Cassegrain.
La mayor distancia focal también mejora la discriminación por polarización cruzada de las señales fuera del eje, [2] importante en las antenas satelitales que utilizan los dos modos de polarización ortogonal para transmitir canales separados de información.
Una antena de guía de ondas de haz, un tipo de diseño Cassegrain, que muestra la complicada trayectoria de la señal.
Una desventaja del Cassegrain es que el o los cuernos 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 las antenas con alimentación frontal. El ancho angular que el reflector secundario subtiende en el cuerno de alimentación es típicamente de 10 a 15°, en oposición a los 120 a 180° que subtiende el reflector principal en una antena con alimentación frontal. Por lo tanto, el cuerno de alimentación debe ser más largo para una longitud de onda dada.
Antena de guía de ondas de haz
Una antena de guía de ondas de haz es un tipo de antena Cassegrain complicada con un largo camino de ondas de radio para permitir que la electrónica de alimentación se ubique a nivel del suelo. Se utiliza en radiotelescopios orientables muy grandes y antenas terrestres de satélite, donde la electrónica de alimentación es demasiado complicada y voluminosa, o requiere demasiado mantenimiento y alteraciones, para ubicarla en la antena; por ejemplo, aquellos que utilizan amplificadores enfriados criogénicamente. El haz de ondas de radio entrantes del reflector secundario se refleja en espejos adicionales en un largo camino sinuoso a través de los ejes de la montura altazimutal , por lo que la antena se puede orientar sin interrumpir el haz, y luego hacia abajo a través de la torre de antena a 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, número de patente británica 700868, fue posteriormente impugnada en los tribunales, pero prevaleció. [6] La nave espacial Voyager 1 lanzada en 1977 está, a septiembre de 2024 [actualizar], a 24,6 mil millones de kilómetros de la Tierra, [7] el objeto creado por el hombre más lejano en el espacio, y su antena Cassegrain de banda S y X de 3,7 metros (imagen de abajo) todavía puede comunicarse con estaciones terrestres.
^ abc Chatterjee, Rajeswari (2006). Teoría y práctica de las antenas (2.ª ed.). Nueva Delhi: New Age International. pág. 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. Recuperado el 14 de enero de 2012 .
^ Galindo, V. (1964). "Diseño de antenas de reflector dual con distribuciones arbitrarias de fase y amplitud". IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 12 (4). IEEE: 403–408. Bibcode :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 doble con forma de 34 metros utilizando la bocina de alimentación XS de apertura común" (PDF) . Informe de progreso de telecomunicaciones y adquisición de datos . 73 : 74–84. Código Bibliográfico :1983TDAPR..73...74W. Archivado (PDF) desde el original el 2022-10-09.
^ Cheng, Jingquan (2009). Los principios del diseño de telescopios astronómicos. Nueva York: Springer. pp. 359–360. ISBN978-0-387-88790-6.
^ Lavington, Simon (19 de mayo de 2011). Objetivos móviles Elliott-Automation y el amanecer de la era informática en Gran Bretaña, 1947-67 (1.ª ed.). Londres: Springer Verlag London Ltd. pág. 376. ISBN978-1-84882-933-6.
^ "¿A qué distancia está la Voyager 1 de la Tierra?" . Consultado el 13 de septiembre de 2024 .
