Antena reflectora parabólica | Su diseño, aplicaciones y más de 3 características importantes

Antena reflectora parabólica

Credito de imagen - "Amistad a bordo"(CC BY-NC-ND 2.0) por Elfo-8

Puntos de discusión

Introducción a la antena reflectora parabólica

La antena o radiador es un medio para irradiar y recibir información electromagnética. La antena reflectora parabólica es una de las antenas más utilizadas. Es un tipo particular de antenas reflectoras. El uso de antenas reflectoras comenzó con el inicio de la Segunda Guerra Mundial con el avance de las tecnologías de la comunicación.

El reflector más sencillo y más cómodo de implementar la antena reflectora es la antena 'Plane Reflector'. También hay algunos otros tipos de reflectores, como reflector de esquina, reflector parabólico, reflectores Cassegrain, reflectores esféricos. Los reflectores parabólicos tienen otro tipo conocido como 'Antena reflectora parabólica de alimentación frontal'.

¿Qué es una antena de cuerno? Explorar aquí!

Descripción general de la antena reflectora parabólica

Los parámetros de radiación de una antena reflectora se pueden actualizar mejorando el patrón estructural del suelo. La ciencia óptica entra en juego en este campo para este reflector parabólico. Las matemáticas ópticas demuestran que los rayos paralelos entrantes pueden converger a un punto específico (conocido como el punto focal), al reflexionar sobre una estructura en forma de parábola.

Las formas de onda reflejadas saldrán como un eje de rayo paralelo. Este es un fenómeno matemático y se conoce como "regla de reciprocidad". El punto proporcionado se denomina vértice. Los rayos reflejados salientes se denominan colimados (ya que son paralelos). Aunque las observaciones prácticas han revelado que los rayos emergentes no pueden llamarse haces de rayos paralelos, son ligeramente diferentes de la forma adecuada.

El transmisor de esta antena generalmente se coloca en los puntos focales del plato o reflector. Este tipo de configuración se denomina "alimentación frontal". Discutiremos un análisis de este tipo de reflectores parabólicos en la siguiente parte de este artículo.

¿Qué hace una línea de transmisión? ¡Explorar!

Aplicaciones de la antena reflectora parabólica

antena reflectora parabólica

Una de las antenas reflectoras más grandes instaladas en Alemania para comunicaciones por satélite, Crédito de imagen: Richard Bartz, Munich alias Makro FreakErdfunkstelle Raisting 2CC BY-SA 2.5

Los reflectores parabólicos son una de las antenas altamente eficientes y ampliamente utilizadas cuya demanda aumenta día a día. Desde recibir la señal de nuestra TV hasta transmitir la señal de las estaciones espaciales, este tipo de antena tiene aplicaciones en casi todos los campos de la tecnología de la comunicación. Algunos de los más notables son: en aeropuertos, satélites, estaciones espaciales, telescopios, etc.

Características

Algunas propiedades importantes del reflector parabólico se dan a continuación. Las propiedades se refieren a la amplitud de apertura, las propiedades de polarización, los ángulos de fase, etc.

  • La parte de magnitud depende de la distancia de la alimentación a la superficie del reflector. La proporcionalidad varía de una estructura a otra. Al igual que para la forma de parábola, es inversamente proporcional al cuadrado del radio de la parábola, y para una estructura cilíndrica, la relación es inversamente proporcional a ρ.
  • El punto focal del reflector actúa de manera diferente para diferentes tipos de configuraciones geométricas. La estructura cilíndrica tiene una fuente lineal y las estructuras parabólicas tienen una fuente puntual.
  • Si hay polarizaciones lineales de la alimentación que es paralela al eje del cilindro, entonces no hay posibilidad de polarizaciones cruzadas. Las estructuras parabólicas no tienen la misma propiedad.
Tipos de alimentaciones de reflectores parabólicos, crédito de imagen - ChetvornoTipos de antenas parabólicas 2, marcado como dominio público, más detalles sobre Wikimedia Commons

Vea el patrón de radiación de ¡Antena Yagi Uda!

Análisis geométrico

     Si una parábola geométricamente perfecta se gira sobre su eje, habrá otra estructura. Esa estructura se conoce como reflector parabólico. Así es como se forma un reflector de forma parabólica. Hay una razón específica detrás de la forma de este reflector. La forma parabólica ayuda a generar una forma de onda simple y plana a partir de los rayos emergentes.

Geometría del paraboloide

     Podemos observar en la imagen que la longitud geométrica OP + PQ da un valor constante para el diseño.

Podemos escribir, OP + PQ = 2f; 2f es el término constante.

Asumamos que OP = r y así PQ viene como PQ = r * cosϴ.

Ahora el valor de OP + PQ, después de sustituir los valores,

OP + PQ = r + r * cosϴ = 2f

O, r (1 + cosϴ) = 2f

O, r = 2f / (1 + cosϴ) = f * seg2(ϴ / 2)

Ahora, en la teoría de antenas, tenemos que mantener en especie los conceptos básicos del sistema de coordenadas. La ecuación anterior se puede escribir en sistemas de coordenadas rectangulares usando x`, y`, z`. Eso se convierte en la siguiente forma.

r + r * cosϴ = √ [(x`) 2 + (y`) 2 + (z`) 2] + z` = 2f

Averigüemos el vector unitario, que es la perpendicular a la tangente del punto de reflexión.

f - r * cos2(ϴ / 2) = 0 = S

Al hacer algunas operaciones de cálculo, encontramos el vector unitario. Se describe a continuación.

n = N / | N | = - (a) `r cos (ϴ / 2) + - (a) `ϴ pecado (ϴ / 2)

Ahora, usando el análisis geométrico, podemos encontrar una expresión para el ángulo subtendido. Se describe a continuación.

bronceado (ϴ0) = (d / 2) Z0

La Z0 es la medida de la distancia desde el eje al punto focal. Las expresiones matemáticas también pueden representarlo.

Z0 = f - [(x02 + y02) / 4f]

O, Z0 = f - [(d / 2)2/ 4f]

O, Z0= f - d2 / 16f

Comprobemos el valor de tan (ϴ0) después de sustituir el valor de Z0.

bronceado (ϴ0) = [(f / 2d) / {(f / d)2 - (1/16)}]

Explore las aplicaciones de Helical Antenna! Haga clic aquí!

Directividad de la antena reflectora parabólica

Antes de lanzarnos a descubrir la directividad de una antena parabólica, háganos saber sobre la directividad de una antena.

La directividad de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en una dirección particular y la intensidad de radiación promedio en todas las direcciones.

La directividad se considera un parámetro para el cálculo de la figura de mérito de la antena. La siguiente expresión matemática describe la directividad.

D = U / U0 = 4πU / Prad

Cuando no se proporciona la dirección, la dirección predeterminada es la dirección de máxima intensidad de radiación.

Dmax = D0 = Umax / U0 = 4πUmax / Prad

Aquí, 'D' es la directividad y no tiene dirección, ya que es una relación. U es la intensidad de la radiación. Umax es la máxima intensidad de radiación. U0 es la intensidad de la radiación de la fuente isotrópica. PAGSrad es la potencia radiada total. Su unidad es Watt (W).

U = ½ r2 * | E (r, ϴ = π) |2 * √ (ε / μ)

Ahora para U (ϴ = π) y sustituyendo el valor de energía E lo anterior se convierte en -

U (ϴ = π) = [16 π2 f2 * Pt * | ∫0 ϴ bronceado (ϴ / 2) * √ (Gf (ϴ)) dϴ |2] / 4πλ2

La directividad viene como: D = U / U0 = 4πU / Prad

O bien, D = [16 π2 f2 * | ∫0 ϴ bronceado (ϴ / 2) * √ (Gf (ϴ)) dϴ |2] / λ2

Eficiencia de apertura de la antena reflectora parabólica

Platos de relé de microondas, un tipo de antena reflectora, Crédito de imagen- BidgeeAntenas parabólicas en una torre de telecomunicaciones en Willans HillCC BY-SA 2.5 AU

          La expresión matemática de la antena reflectora parabólica se da a continuación.

          εap = εs * εt * εp * εx * εb * εr

Aquí,

εap representa la eficiencia de apertura.

εs es la eficiencia de desbordamiento. Puede definirse como la parte de la potencia que es transmitida por la alimentación y paralela a la superficie del reflejo.

εt representa la eficiencia del ahusamiento. Puede describirse como la singularidad de extender la magnitud del diseño de alimentación sobre la superficie del reflector.

εp nos da la eficiencia de fase. Puede describirse como la uniformidad de la fase práctica del campo sobre el plano de la apertura.

εx representa la eficiencia de la polarización.

εb es la eficiencia de la cartera de pedidos.

Y, εr representa la eficiencia del error, calculada sobre toda el área del reflector.

Problema matemático

1. Una antena reflectora parabólica tiene un diámetro de 10 metros. La relación f / d se da como 0.5. La frecuencia de la operación se establece en 3 GHz. La antena que se alimenta con el reflector tiene un diseño simétrico. También se da que -

Gf (ϴ) = 6 cos2ϴ; donde ϴo ≤ ϴ ≤ 90o y nulo en cualquier otro punto.

Ahora calcule i) la eficiencia de apertura (εap). ii) Directividad de la antena. iii) reducir la eficiencia y la eficiencia de los efectos de contagio. iv) Averigüe la directividad de la antena si la desviación de fase de apertura se establece en π / 4 radianes.

Solución:

          Sabemos que el ángulo subtendido viene dado por la siguiente expresión.

bronceado (ϴ0) = [(f / 2d) / {(f / d)2 - (1/16)}]

O bronceado (ϴ0) = [(0.5 * 0.5) / {(0.5 * 0.5) - (1/16)}]

O bronceado (ϴ0) = 0.25 / 0.0625

O, ϴ0 = 53.13o

La eficiencia de apertura se da como -

εap = 24 [(pecado2 (26.57o) + ln {cos (26.57o)}]2 * cuna2(26.57o)

o, εap = 0.75

Entonces, la eficiencia de apertura es del 75%.

Ahora, averigüemos la directividad de la antena.

Se puede calcular de la siguiente manera.

D = 0.75 * [π * (100)]2

O bien, D = 74022.03

O bien, D = 48.69 dB.

La frecuencia de desbordamiento será εs.

εs = 2 cos3 ϴ |0 53.13 / 2 cos3 ϴ |0 90 

o, εs = 0.784

Entonces, la eficiencia de desbordamiento de la antena es del 78.4%.

Ahora es el momento del cálculo de la eficiencia del tapper. La eficiencia del tapper se representa como εt.

εt = (2 * 0.75) / 1.568

o, εt = 0.9566

Entonces, la eficiencia del tapper es del 95.66% para la antena reflectora parabólica.

Ahora la desviación de la fase de apertura se establece en π / 4 radianes.

Eso significa m = π / 4 = 0.7854

Sabemos que D / D0 ≥ [1 - m2/ 2]2

O, D / D0 ≥ [1 - (0.7854 * 0.7854) / 2]2

O, D / D0 ≥ 0.4782737

O bien, D ≥ 0.4782737 * D0.

O bien, D = 0.4782737 * 74022.03

O bien, D = 35402.8

O bien, D = 45.5 dB.

La directividad en la condición dada llega a ser de 45.5 dB.

Sobre Sudipta Roy

Soy un entusiasta de la electrónica y actualmente me dedico al campo de la Electrónica y las Comunicaciones.
Tengo un gran interés en explorar tecnologías modernas como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático.
Mis escritos están dedicados a proporcionar datos precisos y actualizados a todos los alumnos.
Ayudar a alguien a adquirir conocimientos me produce un inmenso placer.

Conectémonos a través de LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Frikis Lambda