Antenas con Reflector Parabólico casegrein y gregoriana
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©Constantino Pérez Vega Dpto.de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2008 1 ANTENAS CON REFLECTOR PARABÓLICO 1. Introducción El origen de la antena con reflector se remonta a 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, que demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Clerk Maxwell unos quince años antes. En sus experimentos, Hertz utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc como el ilustrado en la figura 2, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro similar como re‐ ceptor. Las dimensiones del reflector de Hertz eran de 1.2 m de abertura por 2 metros de largo1. Cuando se desea la máxima directividad de una antena, la forma del reflector generalmente es parabólica, con la fuente primaria localizada en el foco y dirigida hacia el reflector. Las antenas con reflector parabólico, o simplemente antenas parabólicas se utilizan extensamente en sistemas de comunicaciones en las bandas de UHF a partir de unos 800 MHz y en las de SHF y EHF. Entre sus características principales se encuentran la sencillez de construcción y elevada direccionalidad. La forma más habitual del reflector es la de un paraboloide2 de re‐ volución, excitado por un alimentador situado en el foco como se ilustra en la figura 1. Reflector parabólico Alimentador primario Eje del paraboloide Fig. 1. Antena con reflector parabólico. Otro tipo de antena, bastante utilizado en aplicaciones de radar es el cilindro parabólico que tiene la forma mostrada en la figura 2 y fue la primera antena con reflector utilizada por Hertz en sus experimentos. El alimentador, o fuente de energía es una antena lineal o un alineamiento de éstas, colocada en la línea focal y la reflexión en la superficie parabólica transforma el frente de onda de ci‐ líndrico en plano. 1 2 Love, A.W. “Some Highlights in Reflector Antenna Development”. Radio Sci. Vol. 11, pp. 671‐684, Aug.‐Sept. 1976. Aquí utilizaremos indistintamente el término paraboloide y parábola, entendiéndose en este último caso que se trata de un para‐ boloide de revolución. ©Constantino Pérez Vega Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria - 2008 2 Fig. 2. Cilindro parabólico En las antenas parabólicas se aplican las propiedades ópticas de las ondas electromagnéticas3. Las propiedades geométricas de la parábola son tales que las ondas emitidas por el alimen‐ tador en el foco se reflejan por la parábola en un haz de rayos paralelos al eje de la parábola, de modo que la longitud del trayecto del foco al reflector parabólico y, después, hasta la su‐ perficie de la abertura que pasa por los bordes de la parábola, es la misma para cualquier ángulo. Por consecuencia en la abertura de la antena se tiene una superficie equifase y, teóri‐ camente, el haz radiado es cilíndrico, si bien en la práctica esto no es completamente cierto, ya que parte de la energía se dispersa en los bordes del reflector. En la figura 3 se ilustra la geometría de la antena parabólica. Abertura D R Vértice 2θmax θ F z f Fig. 3. Geometría de la parábola. En coordenadas cartesianas la ecuación de la parábola es: x 2 + y 2 = 4 fz (1) Y, en coordenadas esféricas, con el origen de coordenadas coincidente con el foco, F: 2f ρ= 1 + cos θ 3 (2) Márkov, G. y Sazónov, D. Antenas. Editorial MIR, Moscú, 1978. es necesario emplear la teoría de la difracción para obtener resultados precisos. usado en el radiotelescopio de Arecibo. John Wiley & Sons.2008 3 Donde ρ es la distancia del foco al punto de reflexión sobre la superficie parabólica y f la dis‐ tancia del vértice al foco o distancia focal. Este debe ser pequeño y de configuración tal que produzca un frente de onda esférico. Analysis and Design 2nd Ed. 2. La ampli‐ tud del haz radiado por el alimentador debe abarcar un ángulo amplio para iluminar ade‐ cuadamente toda el área del reflector y el campo debe ser de naturaleza tal que. Según la distancia focal. pero si se mide la fase de todos los puntos en el campo a una distancia de varias longitudes de onda de la fuente y se conectan los puntos de igual fase. Conocida esta superficie equifase. 3. El alimentador es en realidad una antena direccional orientada con la máxima radiación en dirección al vértice del parabo‐ loide. La dirección de propagación de la energía transportada por la onda es perpendicular a las superficies de fase constante. Antenna Theory. Aquí no entraremos en detalles teóricos y nos limitaremos a los aspectos más importantes desde un punto de vista práctico. lo que impone condiciones estrictas sobre el excitador primario o alimentador. se puede inferir la dirección de destino de la onda y la dirección de la fuente. fase y polarización del campo incidente sobre el reflector. se obtiene una curva que representa el frente de onda. Puerto Rico.A. las antenas pueden como clasificarse como3: Foco largo. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . en general. Con base en la teoría de rayos se puede ver que si la onda no es esférica el frente de onda no será plano después de ser reflejado por un paraboloide ideal y la fuente vista hacia atrás no será un punto sino una línea o una superficie peculiar. utilizado en radioastronomía y estaciones receptoras terrestres pequeñas. Alimentador Para conseguir la máxima eficiencia de una antena parabólica es necesario un riguroso con‐ trol de la amplitud. Además de las antenas con reflector parabólico hay otros tipos similares como el reflector esférico. Inc. Esta fuente aparente no tiene 4 Balanis. . Un ejemplo de esto es el reflector esfé‐ rico de 305 m de diámetro. Esto en sí mismo no es muy significativo. ya que el haz puede barrer el espacio moviendo el alimentador.©Constantino Pérez Vega Dpto. C. después de la reflexión las ondas deben tener la polarización adecuada. en cuyo caso f >D/4 y 2θmax<π. 1982. Cuando el foco está fuera del reflector. La fase del campo radiado por una antena depende de la longitud eléctrica entre la antena y el punto de observación. es decir que parezca como si la energía fuese radiada por una fuente puntiforme. del que se pueden extraer algunas conclusiones. Consideraciones sobre el diseño de antenas parabólicas El análisis de las antenas parabólicas utilizando la teoría de rayos puede servir para dar una imagen sólo aproximada y. en que el barrido del haz se realiza moviendo el alimentador4. Foco corto: El foco está dentro del reflector de modo que f<D/4 y 2θmax>π. pp. Proc. La relación f/D se designa por lo general como relación focal. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . Editorial MIR. Si el frente de fase no es esférico o no se corrige.C. ya que el Cutler. Las consideraciones anteriores son válidas para el cálculo de antenas parabólicas de peque‐ ñas dimensiones y bajo costo. es indicativo de desviaciones de fase. Si el frente de fase de un alimentador no es esférico.33 (‐10 dB)7 y el factor de utiliza‐ ción de la superficie reflectora es de alrededor de 83%. rectangular o circular. En la prác‐ tica es frecuente utilizar como alimentadores antenas de corneta. IRE. orientadas a la superficie reflectora. vol 35. en este caso. Nov. si bien sólo una parte de la potencia radiada por alimentador es reflejada hacia adelante por el paraboloide y la restante se pierde en otras direcciones. La principal limitación a la delga‐ dez del haz radiado es la difracción en los bordes de la abertura del paraboloide. el ancho del haz puede estimarse mediante la siguiente fórmula: λ × (65 a 70) o (3) ∆θ = D El nivel del primer lóbulo secundario es de ‐22 a ‐24 dB respesto al lóbulo principal. el nivel de la amplitud en el borde de la abertura. Tanto el dipolo con o sin reflector o una guía de onda abierta proporcionan buenas distribuciones de fase independientemente de sus dimensiones relativamente grandes y en general. 5 6 . la fase en la abertura de la antena puede corregirse cambiando la forma del reflector5. eventualmente. Generalmente el ensanchamiento del lóbulo principal en bajos niveles y el llenado de nulos entre lóbulos secundarios. no es co‐ rrecto atribuir las limitaciones en la directividad de una antena parabólica a las desviaciones de fase a causa de las dimensiones físicas del alimentador. 7 Márkov. Moscú. D. si bien da una base para comparar diferentes tipos de alimentadores y. proporcionalmente al cuadrado del diámetro. Si se mueve a lo largo del eje focal la ganancia oscila alrededor de un valor promedio. G. Para un alimentador dado hay un valor óptimo de la distancia focal ( f/D6)opt. Antenas. 1978. es decir. se alterará el patrón de radiación y la ganan‐ cia se verá reducida.©Constantino Pérez Vega Dpto. El costo de producción de antenas de grandes dimensiones aumenta considerablemente al aumentar el diámetro. y.2008 4 necesariamente relación con el tamaño y forma física del radiador. 1284‐1294. y Sazónov. Cuando f/D < (f/D)opt la eficiencia tiende al máximo. puede sugerir algún método para su corrección.38. Se puede considerar este como el ni‐ vel adecuado de excitación de los bordes del reflector. 1947. sin embar‐ go. el diagrama direccional del alimentador resulta pequeño en comparación con el ángulo de la abertura 2θmax con lo que la eficiencia se reduce debido a que la distribución de ampli‐ tud se vuelve irregular. en el borde del paraboloide en el caso óptimo es de aproximadamente 0. por lo general. Para obtener la ganancia óptima el alimentador debe estar situado precisamente en el foco. para el cual se alcanza la eficiencia máxima. C. Si f/D>(f/D)opt la distribución de amplitud es uniforme y la eficiencia aumenta. “Parabolic‐ Antenna Design for Microwaves”. Para un alimentador en forma de dipolo de media longitud de onda y con un reflector para el que (f/D)opt = 0. Otro efecto que se produce cuando el alimentador está en la trayectoria de la onda reflejada es que algo de la energía de ésta regresa al sistema alimentador y produce un desacopla‐ miento de impedancia. La designación habi‐ tual de esta antena es offset. Efecto de la sombra en el patrón de radiación. Un método para evitar este problema de impedancia. Si el alimentador se desplaza lateralmente sobre un eje perpendicular al punto focal. el alimentador queda fuera de la onda reflejada. Fig. que se trata con un poco más de amplitud en la sección 7. En este tipo de antena para to‐ dos los fines prácticos. El efecto neto es una alteración del patrón de ra‐ diación en que se rellenan los nulos entre lóbulos como se ilustra en la figura 4 en coordena‐ das rectangulares. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . pero su fase puede variar rápida‐ mente debido al viaje de ida y vuelta del alimentador al reflector y de regreso a éste. de modo que en estas condiciones es posible radiar en direcciones distintas de la del eje focal.©Constantino Pérez Vega Dpto. El valor absoluto de la impedancia es prácticamente constante en función de la frecuencia o de la posición del alimentador.2008 5 campo radiado directamente por el alimentador se suma en fase a las diversas componentes del campo reflejado por el paraboloide. 4. . El efecto en el patrón de radiación puede estimarse aproximadamente tomando la diferencia de la radiación de la abertura y del área de sombra localizada en la dirección del alimentador. Un defecto de las antenas parabólicas con el alimentador en el foco lo constituye el hecho de que el alimentador obstruye los rayos reflejados produciendo una región de baja intensidad o sombra en el centro de la apertura. el haz principal se ve deflectado respecto al eje focal. así como la sombra producida por el alimentador es desplazar éste como se ilustra en la figura 5. 2008 6 Fig. Sombras provocadas por el alimentador y los elementos estructurales de so‐ porte de éste. Desborde de la energía por radiada por efectos de difracción en el borde del reflector.©Constantino Pérez Vega Dpto. • • • Eficiencia del alimentador. hay diversos factores inevitables que reducen la eficiencia entre ellos. Una definición de la eficiencia de un radiador es . por lo general. difícil. Derivación de corriente eléctricas a la parte posterior del reflector. los principales son: • Tipo de distribución de amplitud en la abertura y el factor de utilización de la superficie. lo que no se da en la práctica. que da lugar a crecimiento de lóbulos laterales y reducción de la ganancia en la di‐ rección principal. Diferencia de fase en la distribución de las corrientes superficiales equiva‐ lentes sobre la abertura. Para hacer un uso efectivo del área del reflector parabólico la energía debe estar distribuida uni‐ formemente sobre la superficie. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . • • • Como se puede apreciar. los factores que intervienen en la eficiencia son variados y su cuan‐ tificación precisa es. Sin embargo. 5. Antena parabólica con foco desplazado (offset) 4. Aparición de polarización cruzada. Ganancia y Eficiencia La ganancia teórica de una antena parabólica de abertura circular excitada uniformemente está dada por: ⎛ 4π D ⎞ G=⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 (4) La expresión anterior supone una eficiencia de 100%. Antennas. la obstrucción y dispersión por los diversos elementos estructurales que soportan el alimentador o el subrreflector en el caso de antenas Cassegrain que se tratarán más adelante.2008 7 mediante la relación entre su ganancia y la de una abertura de la misma área. 1947 9 Para un tratamiento más completo de la eficiencia véase por ejemplo Kraus. Sección 12‐9 y Balanis. 2nd Ed. En la figura 6 se ilustra la variación de la efi‐ ciencia en función de las dimensiones del paraboloide. vol 35. 6.55 (55%). . C. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . la dispersión en los bordes. C. en particular de las antenas parabólicas intervienen diversos factores como los mencionados en párrafos anteriores y otros como las pérdidas óhmicas. etc9. Inc. John Wiley & Sons.©Constantino Pérez Vega Dpto.A. 2nd Ed. En la eficiencia de cualquier antena y. pp. “Parabolic‐ Antenna Design for Microwaves”. J. Inc. Si la característica de radiación del alimentador U(θ) es conocida. 1997. 1284‐1294.D.C. 8 Cutler. Antenna Theory: Analysis and Design. el valor de la eficiencia utilizado con frecuencia en cálculos en que no se cono‐ ce el valor de la eficiencia es de η = 0. las integrales pueden eva‐ luarse por métodos gráficos o mediante análisis de Fourier. Proc. iluminada uni‐ formemente8: ⎡ θmax ⎛θ ⎞ ⎤ U (θ ) tan ⎜ ⎟ dθ ⎥ ∫ ⎢ 0 θ ⎛ ⎞ ⎝2⎠ ⎦ η = 2cot 2 ⎜ max ⎟ ⎣ π 2 ⎝ 2 ⎠ θ θ θ U ( ) sen d [ ] ∫ 0 2 (5) Donde U(θ) es la amplitud relativa del campo radiado por el alimentador y U(θ) = 1 cuando θ = 0. McGraw‐Hill. La ganancia de la antena parabó‐ lica suele expresarse incluyendo la eficiencia en (4) como: ⎛ 4π D ⎞ G =η ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ 2 (6) En la práctica. Nov. IRE. rugosidad de la superficie reflectora. Eficiencia de una antena parabólica en función de sus dimensiones. Fig. el alimentador debe ser capaz de manejar la potencia de pico y la potencia promedio sin sufrir deterioro en cual‐ quier tipo de entorno de funcionamiento.©Constantino Pérez Vega Dpto. 1990 . En el caso de transmisores de alta potencia como ocurre en numerosos sistemas d comunicaciones espaciales o en sistemas de radar. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . M. Otras consideraciones incluyen el ancho de banda de funcionamiento y si la antena es de un solo haz. Lóbulos secundarios debidos a polarización cruzada Tipos de Alimentadores Un alimentador ideal debe radiar una onda esférica que. Por lo general. se vuelve esférica hacia el alimentador. es decir. así como mínimo desbordamiento por los bordes de la parábola con mínima polarización cruzada. Si se utiliza un alimentador con una característica de polarización pobre. debe radiar frentes de onda esféricos. Polarización La característica de radiación del alimentador debe ser tal que todas las ondas estén polari‐ zadas en la misma dirección después de ser reflejadas por el paraboloide. 10 Skolnik. Por esta razón un alimen‐ tador ideal debe ser puntiforme. Otra característica del alimentador es que debe proporcio‐ nar la iluminación adecuada del reflector primario con una distribución de amplitud prede‐ terminada sobre éste. como se ilustra en la figura 7. Radar Handbook. 2nd Ed. 7. McGraw‐Hill Publishing Company. la onda plana reflejada por el reflector parabólico.I. al ser reflejada por el paraboloide se convierte en una onda plana. Fig. en la antena receptora. Todas las compo‐ nentes del campo que se radien con polarización perpendicular a la deseada se pierden y contribuyen a la radiación por lóbulos secundarios. multihaz o monopulso10. el patrón de radia‐ ción resultante tendrá regiones en que la polarización es perpendicular a la del alimentador y se tendrán lóbulos secundarios de menor amplitud en direcciones distintas a la de máxima radiación. si se desea un patrón de radiación determinado. esta radiación se concen‐ tra en cuatro lóbulos menores localizados en cuadrantes entre el plano de polarización y un plano perpendicular que intersecta el eje del paraboloide. Inversamente.2008 8 5. 8. En algunos casos se utilizan guías 6.83 y está dado por la siguiente relación: πD sen φ0 = 3. Inc. pag. 1988. S.83 (8) λ Kraus.2008 9 Los alimentadores más utilizados a frecuencias de microondas son típicamente en forma de guía de onda ensanchada. Inc. Dover Publications. J. McGraw‐Hill. 2nd Ed. Paraboloide iluminado uniformemente y su equivalente. φ = ángulo respecto al eje normal a la abertura. λ = longitud de onda en el espacio libre en m. N. medido a partir del centro de ésta. 569. 194. Onda plana uniforme Abertura iluminada uniformemente D φ D φ Abertura iluminada uniformemente Placa conductora infinita Fig. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . Patrón de radiación de aberturas circulares grandes con iluminación uniforme La radiación de un paraboloide grande cuya abertura está uniformemente iluminada es equivalente a la de una abertura circular del mismo diámetro D localizada en una placa per‐ fectamente conductora de dimensiones infinitas sobre la que incide una onda plana uniforme como se ilustra en la figura 8. 1965. pag. lo que ocurre cuando x = 3. Slater. Antennas. ya que cumplen con lo requerimientos para manejar potencias elevadas. J1 = Función Bessel de primer orden. Microwave Antenna Theory and Design. el patrón normalizado de intensidad de campo puede calcularse el prin‐ cipio de Huyghens de manera similar a una abertura rectangular y está dado por11: ⎡⎛ π D ⎞⎤ sen φ ⎟ ⎥ J1 ⎜ λ 2λ ⎢ ⎠⎦ ⎣⎝ (7) E (φ ) = πD sen φ Donde D = diámetro de la abertura en m.D. El ángulo φ0 al que ocurren los primeros nulos del patrón de radiación ocurre cuando J1(x) = 0. tales como cornetas rectangulares con propagación en el modo dominante TE10. En el caso anterior.Y.©Constantino Pérez Vega Dpto. 11 . Cuan‐ do el ángulo entre nulos es muy pequeño como es el caso de aberturas grandes. el ángulo entre los primeros nulos de una abertura rectangular grande. Por comparación. pueden apli‐ carse las siguientes relaciones: 70 grados φ0 (9) Dλ En que Dλ = D/λ es el diámetro de la abertura expresado en longitudes de onda. de lado L. Por otra parte. En este caso el ancho del haz entre los primeros nulos es el doble de (9). Fig. directividad en la expresión (12) con D. el diámetro de la abertura circular en las expresiones anteriores. la directividad está dada por (4).6 L2 λ ⎝λ⎠ 2 (12) No debe confundirse D.©Constantino Pérez Vega Dpto. iluminada uniformemente está dado por: 115 grados φ0 = (10) Dλ El ancho del haz en los puntos de media potencia (‐3dB) es: 58 grados φ−3dB = λ (11) Finalmente. la directividad de una abertura cuadrada.2008 10 El ancho del haz entre los primeros nulos es el doble del ángulo anterior. Patrones de radiación para aberturas circular y cuadrada. es decir 2φ0. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . 9. . es ligeramente mayor que la de la abertura circular y está dada por: ⎛ L⎞ D = 4π ⎜ ⎟ = 12. en la antena offset se desplaza al alimentador de la región de máxima abertura. similar al que se tendría si se hiciera girar vertical‐ mente a la antena. pp. aquí entenderemos que una antena offset es aquella que no es simétrica respecto al eje de revolución. 1974. Desde luego.W. Antenas con foco desplazado (offset) En la sección 3 se mencionaron las antenas con foco desplazado o como suelen designarse con el término en inglés offset como antenas en las que la estructura de soporte del alimenta‐ dor no presenta obstrucción significativa al haz reflejado por el paraboloide como se ilustra en la figura 8. reduciendo o eliminando el bloqueo. ya que otro modo se produce un desborde excesivo en los bordes del reflector12. Aunque hay cierta ambigüedad en el uso del término offset en la ingeniería de antenas. en coordenadas rectangu‐ lares. “Focal Region Characteristics of Offset Fed Reflectors”. para las aberturas circular (línea continua) y cuadrada (línea discontinua). ya que se descarta la porción de la superficie reflectora situada a un lado del eje. 7. IEEE/AP‐S Symp.2008 11 En la figura 9 se ilustran los diagramas de radiación normalizados. Abertura del reflector θc θc f Reflector parabólico Eje del alimentador Eje del reflector θ0 Fig. A. apuntando en un ángulo respecto al eje. Editor. Geometría de una antena offset. en el plano horizontal. 1974 Int. IEEE Press (John Wiley & Sons). Cuando el alimentador se desplaza en una dirección transversal al eje del paraboloide. el haz se desplaza en la dirección opuesta. De los diagramas puede observarse que si bien el ancho del haz para la abertura circular es mayor que para la abertura cuadrada.©Constantino Pérez Vega Dpto. P. el eje del alimentador debe desplazarse verticalmente de modo que el haz transmitido por él incida sobre la superficie de la porción reflectora del paraboloide. 1978. aunque no iguales. En los dos casos se asume que el campo eléctrico es uniforme tanto en magnitud como en fase en toda la superficie de la abertura. el ángulo al que se desvía 12 13 Love. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . El desplazamiento lateral sobre el plano focal produce resultados simila‐ res13. El desplazamiento del alimentador a lo largo del eje del reflector parabólico da lugar a que el haz haga un barrido vertical en el plano. Como el alimentador debe estar localizado sobre el eje o muy cerca de él. Debido a aque se producen términos de orden mayor y fase lineal en la abertura. and Wong.G. 10.C. Program & Digest. Reflector Antennas. W. June 10‐12. el nivel de los lóbulos se‐ cundarios es mayor para ésta. 121‐123. Ingerson. . 2. Y. El ángulo de deflexión del haz puede calcularse aproxima‐ damente mediante la expresión14: 4 ⎡ 2 ⎛ D ⎞2 ⎛ D ⎞ ⎤ −1 d (14) Θb sen ⎢1 − ⎜ ⎟ + k '⎜ 4 f ⎟ ⎥ f ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ ⎢ 3⎝ 4 f ⎠ ⎥ Donde k’ = ½. Fig. Factor de desviación del haz en función de k y de f/D. 11. pp. La relación entre el ángulo del haz y el del alimentador se designa como factor de desviación del haz (BDF14) y se puede calcular como15 2 ⎡ ⎛ D ⎞ ⎤ ⎢ 1+ k⎜ ⎥ 4f ⎟ −1 ⎢ d ⎝ ⎠ ⎥ sen 2 ⎢f ⎛ D ⎞ ⎥ ⎢ 1+ ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎥ ⎝4f ⎠ ⎦ ⎣ BDF = (13) −1 ⎛ d ⎞ tan ⎜ ⎟ ⎝ f ⎠ Donde d = distancia entre la posición del alimentador en el eje horizontal perpendicular al del paraboloide.2008 12 el haz es menor que el ángulo (medido respecto al vértice del paraboloide). 14 15 Beam Devbiation Factor. AP‐48. . Vol. 13/18. D = Diámetro del paraboloide. Ant. y n es el número de escalonamientos (tapers) utili‐ zados para conformar el haz del alimentador. su valor no es crítico. al que se despla‐ za el alimentador. IRE Trans. 347‐349. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . and Prop. 15/18 para n = 0. k = Constante menor que 1.. “On the Beam Deviation Factor of a Parabolic Reflector”. Lo. 3. cuyos valores se muestran en la figura 11. Aunque k es función de f y D. May 1960. como puede inferirse de (13)..©Constantino Pérez Vega Dpto.T. f = Distancia focal. espacialmente para valores grandes de f/D. P. Basada en el telescopio del mismo nombre. pp. Ant.W. el hiperboloide suele presentar la parte convexa hacia el reflector principal como en el caso de la figura 1 y. Nº 12. utilizando la fórmula (4). de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . además de comunicaciones terrestres. Una de las ventajas es que el alimentador de la antena no requiere de una línea de transmisión larga y se conecta casi directamente a la salida del transmisor o a la entrada del receptor reducien‐ do considerablemente las pérdidas. Geometría básica de una antena de doble reflector. IEEE Trans. Su ganancia se calcula de la misma manera que la una antena parabólica simple. uno principal parabóli‐ co y otro secundario. J. J. Vol. T.©Constantino Pérez Vega Dpto. en la forma que se ilustra esquemáticamente en la figura 12. IRE Trans. Si bien el bloqueo por la estructura de soporte no puede eliminarse en el caso de la geometría de la figura 1. aunque pue‐ den tener diseños diferentes. March 1961. el elipsoide reflector suele presentar la parte cóncava. 38. Antenas con doble reflector Las antenas con doble reflector están constituidas por dos reflectores.2008 13 8. Antenas Cassegrain. “Comparison Between a Shaped and Nonshaped Small Cassegrain Antenna. Basada en el telescopio inventado por James Gregory en 1663 18 Hannan. Este tipo de antenas ofrece algunas ventajas sobre las antenas de un solo reflector y. Prop. 1920‐1924. pp. Reflector principal Alimentador Subreflector Transmisor o Receptor Fig. 12. 19 Haeger.A. la eficiencia de las antenas de doble re‐ flector en general es superior a la de las de reflector simple llegando aproximadamente al 70% o más19. en la gregoriana. “Antennas Derived From the Cassegrain Telescope”. En algunos casos se em‐ plean también subreflectores planos o esféricos. 16 17 . Antenas con doble reflector. AP‐49. El subreflector suele ser hiperbólico en cuyo caso la antena se designa como Cassegrain16 o bien elíptico y la antena se designa como gregoriana17. and Lee. on Anten‐ nas and Propagation. En la primera. 140‐153. inventado por el sacerdote y astrónomo francés Laurent Cassegrain en 1672. Estas antenas se utilizan extensamente en comunicaciones espaciales y radioastronomía. comparten un conjunto de aspectos básicos comunes18. Vol. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . como se ilustra esquemáticamente en la figura 11. . al igual que en las antenas de reflector simple. el alimentador es suficientemente pe‐ queño como para que la onda radiada por éste pueda ser descrita en términos del campo lejano antes de alcanzar al subreflector y la onda incidente sobre éste aparece como si viajara a lo largo de rayos originados en un punto centrado en el alimentador. todas las partes de la onda originada en el foco real y luego que luego son reflejadas por am‐ bas superficies. Como resultado. El otro es un foco virtual que se localiza en el foco de la parábola.2008 14 Antenas Cassegrain Un telescopio Cassegrain consiste de dos espejos y un instrumento óptico de observación. los rayos emergen paralelamente al eje del reflector principal y el frente de onda es plano.©Constantino Pérez Vega Dpto. en este caso. Por lo general. en al caso de una an‐ tena. El espejo primario es grande y cóncavo y refleja la luz incidente hacia un espejo secundario convexo y más pequeño. La amplitud de la onda emergente a través de la abertura tiene una disminución20 gradual del centro hacia los bordes. El análisis del funciona‐ miento de la antena Cassegrain puede hacerse con la misma aproximación semióptica utili‐ zada para antenas de un solo reflector. el receptor. El subreflector debe ser lo suficientemente grande como para interceptar la porción útil de la radiación del alimentador y refleja esta onda sobre el reflector primario de acuerdo a las le‐ yes de la óptica. No debe confundirse el alimentador con el subreflector. Este espejo secundario refleja a su vez la luz hacia el centro del espejo primario en el que sitúa el observador o. Al alcanzar el reflector principal la onda es reflejada de nuevo y. viajan distancias iguales hasta el plano de la abertura frente a la antena. Un alimentador común es una antena de corneta que. que está determinado por la carac‐ terística de radiación del alimentador21 y se modifica por el efecto de disminución de la geo‐ metría del ssubreflector y del reflector principal. a causa de la geometría de los elementos de la antena. En la geometría clásica de la antena Cassegrain se emplea un paraboloide como reflector primario o principal y un hiperboloide para el reflector secundario en que uno de los dos focos de la hipérbola es el punto focal real del sistema y está localizado en el centro del ali‐ mentador. ilumina al subreflector. como en el caso de las antenas con reflector simple. 20 21 El término en inglés es taper cuyo significado es disminuir gradualmente o ahusar. frente al espejo primario. dos por cada reflector. “Antennas Derived From the Cassegrain Telescope”. AP‐49. Geometría de la antena Cassegrain. pp. El valor de φr. En el caso del re‐ flector principal la relación es: 1 Dm ⎛1 ⎞ (15) tan ⎜ φv ⎟ = ± 4 Fm ⎝2 ⎠ En la expresión anterior. de modo que tres de ellos de‐ penden de los otros cuatro y se tienen tres ecuaciones que los describen22. Fm. Ant. que determina la forma del reflector principal. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria .W. 13. Fc y φr se determinan por consideraciones de rendimiento y limitacio‐ nes de espacio. Para describir completamente una antena Cassegrain son necesarios cuatro parámetros. Prop. March 1961. 140‐153. IRE Trans. el contorno del subreflector: 22 Hannan. . En el caso del subreflector las relaciones son: 1 1 2F + = c (16) Ds tan φv tan φr ⎡1 ⎤ sen ⎢ (φv − φr ) ⎥ ⎣2 ⎦ = 2 Lv 1− ⎡1 ⎤ Fc sen ⎢ (φv + φr ) ⎥ ⎣2 ⎦ (17) Los parámetros Dm. con lo que se pueden calcular φv. el signo positivo se aplica a la antena Cassegrain y el negativo a antenas gregorianas. Ds y Lv. P. que determina el an‐ cho del haz requerido para la radiación del alimentador puede especificarse independiente‐ mente de la relación Fm/Dm. En la figura 13 se tienen siete parámetros. Vol.©Constantino Pérez Vega Dpto.2008 15 Parábola ym Foco real ys Foco virtual Dm φr xm φv xs Ds Hipérbola Lv Fc Fm Fig. El contorno del reflector principal está dado por: y2 (18) xm = m 4 Fm y. on Antennas and Propagation. Proc. Nº 8. Parábola principal Parábola equivalente ye Dm φr φv xe Lr Fm Lv Fe Fig. la iluminación está determinada por el patrón de radia‐ ción del alimentador. “Derivation and Application of the Equivalent Parabolioid for Classical Cassegrain and Gregorian antennas. 1141‐1149. Jr.©Constantino Pérez Vega Dpto.. Cuando la longitud focal equivalente es mayor que el diáme‐ tro de la parábola. 1990. están dados por: F (20) a= c b = a e2 − 1 2e en donde e es la excentricidad. 23 . En condiciones prácticas. pp. IEEE Trans. pp. IRE. 1284‐1294. Prata.2008 16 2 ⎡ ⎤ ys ⎞ ⎛ xs = a ⎢ 1 + ⎜ ⎟ − 1⎥ (19) ⎝ b⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Donde a. Dicho de otra forma. Nov. como se ilustra en la figura 14. el semieje transversal de la hipérbola y b. 1947. Para una antena Cassegrain el mismo proceso es exactamente aplicable. Aug. 24 Cutler. modificado por una función de atenuación espacial que es una función simple de la relación f/D24. R. Vol 38. Y and Shore. Vol 35.A. expresada como: ⎡1 ⎤ sen ⎢ (φv + φr )⎥ ⎣2 ⎦ (21) e= ⎡1 ⎤ sen ⎢ (φv − φr )⎥ ⎣2 ⎦ La combinación del reflector y el subreflector puede tratarse como una parábola equivalente.T. A. tal antena puede tener una eficiencia elevada aún cuando su longitud focal sea corta. f es la longitud focal equivalente y D sigue siendo el diámetro del reflector principal.V. W. de longitud focal equivalente e ilumina‐ do con el mismo alimentador. “Parabolic‐Antenna Design for Microwaves”. Rahmat‐Samii.C. la atenuación espacial modifica ligeramente la característica de radiación del alimentador. 14. en que ahora en la relación f/D. Para una antena de reflector simple. C.. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . la iluminación es exactamente la misma que la que se tendría de un reflector simple. el semieje conjugado. Concepto de parábola equivalente Rusch. con lo que el diseño de la antena se convierte en el de una antena parabólica simple23. El patrón resultante se obtiene sumando las dos componentes. Es evidente de (24) que con el sistema Cassegrain clásico. El concepto de la parábola equivalente se aplica también a las formas gregorianas. Las siguientes ecuaciones proporcionan la relación entre la antena real y la parábola equiva‐ lente. . de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . la iluminación resultante puede dividirse en dos componentes: la iluminación original y el hueco o centro negativo no iluminado. Cuando es necesario el análisis preciso es necesa‐ rio considerar el patrón de difracción de Fresnel formado en el reflector principal después de la reflexión de las ondas radiadas por el alimentador por el subreflector.2008 17 El concepto de la parábola equivalente se basa en la óptica geométrica. Bloqueo por el subreflector La limitación principal en la aplicación de la antena Cassegrain es el bloqueo de abertura principal producido por el subreflector. La ecuación (7) es la de la parábola equivalente en términos de la longitud focal equivalente Fe. 1 Dm ⎛φ ⎞ = tan ⎜ r ⎟ (22) 4 Fe ⎝2⎠ y2 xe = e (23) 4 Fe F ± e = Fm ⎛φ ⎞ tan ⎜ v ⎟ ⎝ 2 ⎠ = Lr = e + 1 ⎛ φ ⎞ Lv e − 1 tan ⎜ r ⎟ ⎝2⎠ (24) En (24) el signo positivo se aplica a las antenas Cassegrain y el negativo a las gregorianas. la relación Fe/Fm se designa a veces como factor de magnificación y no debe confundirse con la magnificación en un telescopio óptico en que el término se aplica a los tamaños relativos de la imagen y del objeto. Este problema no ha sido serio en los telescopios ópticos en los que las características del patrón de difracción no son severas y por la corta longitud de onda de la luz. con el resultado que se ilustra en la figura 15. análisis de rayos y no en un análisis exacto de la acción ondulatoria. la longitud focal equivalente resulta menor que la del reflector principal real. Para analizar este efecto de forma empírica. En el caso de microondas estas condiciones no se dan y la presen‐ cia del subreflector opaco a la energía electromagnética produce un hueco en la iluminación que da como resultado reducción de la ganancia y aumento de los niveles de los lóbulos late‐ rales. Por analogía con el telescopio óptico. la longitud focal equivalente es mayor que la longitud focal del lóbulo principal.©Constantino Pérez Vega Dpto. Los parámetros se ilustran en la figura 14 y algunos de ellos previamente en la figura 13. es decir. Esta aproximación es suficiente‐ mente buena para buena parte de los casos. Si el subreflector de la antena Cassegrain es cóncavo en lugar de convexo. C. cuyo funcionamiento es similar al de las antenas offset de reflector simple. En las antenas de doble reflector con simetría central el bloqueo. Efecto del bloqueo de la abertura sobre el patrón de radiación. se emplean antenas Cassegrain y gregoria‐ nas con foco desplazado (offset)25. la eficiencia suele superar el 70%. en mayor o menor escala. 17). 16. . 25 Granet. Fig. En las antenas con alimentador primario o subreflector en el foco de la parábola la eficiencia se sitúa aproximadamente entre 50% y 65%. En la figura 16 se muestra la geometría básica de una antenna offset grego‐ riana. El re‐ flector principal tiene 300 metros de diámetro y es de tipo esférico. 44 Nº 3.©Constantino Pérez Vega Dpto. 15. en Puerto Rico. Vol. Antena gregoriana offset. June 2002. Para evitar el problema del bloqueo. en tanto que en las antenas con alimentador o subreflector desplazado (offset).2008 18 Fig. La antena es fija y el apuntamiento se consigue moviendo el subreflector en un plano normal al plano focal (fig. es inevitable. “Designing Classical Offset Cassegrain or Gregorian Dual‐Reflector Antennas from Combinations of Prescribed Geometric Parameters”. IEEE Antennas And Propagation Magazine. La mayor antena de este tipo es la de Arecibo. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . El uso de antenas con do‐ ble reflector ha ido en aumento en las últimas décadas y se utilizan bastante en comunicacio‐ nes espaciales y radioastronomía. cuyo subreflector original fue reemplazado en 1997 por uno de tipo gregoriano. Enero 1937. H. 6. Editorial Mir. G. April 1998. A. Inc. Prata. Brown. Moscú. 9. 2nd Ed.. Antenna Analysis. Balanis. A. Y. IEEE Trans. 2.” IRE‐ Transactions on Antennas and Propagation. Kraus. C. Wade. Antenas. E. 140‐153. “Designing Axially Symmetric Cassegrain or Gregorian Dual‐Reflector Antennas from Combinations of Prescribed Geometric Parameters. Antenna Theory: Analysis and Design. Proc. Cap. Rusch.C. 11. W.net 10. Ant & Prop vol. Hannon.. Electromagnetic Waves and Radiating Systems. John Wiley & Sons. 76‐82.C. 38. McGraw‐Hill. 1978. Inc. 7. York. McGraw‐Hill. Jordan y K. Shore.2008 19 (a) (b) Fig. 3. Prentice Hall. pp. 25.D. P.A. 7. Márkov y D. 1967. “Directional Antennas”. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . Balmain. W1GHZ ©2004 w1ghz@arrl. March 1961. 1988 5. Rahmat‐Samii and R. 1987. Sazónov. G. C. Inc. H. John Wiley & Sons. 1997.G. Paul. pag. 122.” IEEE Antennas and Propagation Magazine. N. and Jasik. Vol.©Constantino Pérez Vega Dpto. . Granet. R. Antennas. Wolff. 2nd Ed. Inc. M. E. 4. IRE. Jonson. Antenna Applications Reference Guide. J. pp. Antena de Arecibo (a) y detalle del subreflector (b). “Microwave Antennas Derived from the Cassegrain Telescope. 8. 1141‐1149. T. 2nd Ed. pp. 1968. 17. W. Bibliografía Adicional 1. August 1990. “Multiple Reflector Dish Antennas. “Derivation and Application of the Equivalent Paraboloid for Classical Offset Cassagrain and Gregorian Antennas”. pp.” IEEE Antennas and Propagation Magazine. 53‐59.2008 20 12.©Constantino Pérez Vega Dpto. 82‐85. pp.” IEEE Antennas and Propagation Magazine. Vol. C. Jan. pp. 28. ʺA Parabolic Antenna with Very Low Sidelobesʺ. pp. N0. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 15. Christophe Granet. de Ingeniería de Comunicaciones Universidad de Cantabria . Granet. IEEE Trans‐ actions on Antennas and Propagationʺ. et al. 114‐123. “Designing Axially Symmetric Cassegrain or Gregorian Dual‐Reflector Antennas from Combinations of Prescribed Geometric Parameters. Galindo. 12. V. Vol. No. 13. Part 2: Minimum Blockage Condition While Taking into Account the Phase Center of the Feed. 14. 1. 4. Ronald L. 403‐408. June 1998. . “Design of Dual‐Reflector Antennas with Arbitrary Phase and Amplitude Distributions”. Frante. “Designing Classical Offset Cassegrain or Gregorian Dual‐ Reflector Antennas from Combinations of Prescribed Geometric Parameters. July 1964. June 2002. 1980.
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