Parabolische reflectors
Fen paraboloïde is een ruimtelijke figuur, die wordt beschreven als een parabool die om zijn hartlijn wentelt. Een reflector van die vorm wordt toegepast b.v. in koplampen van auto's en bij straal- en satellietverbindingen, omdat de straling, die vanuit het brandpunt wordt gericht op het reflecterende oppervlak van de paraboloide, in een evenwijdige bundel wordt uitgezonden.
Een parabool heeft onder meer de eigenschap dat de straling uit B tot aan een willekeurig vlak V loodrecht op de hartlijn via a en b eenzelfde weglengte doorloopt als via c en d. D.w.z.: a + b = c + d. Alle straling gaat dus in fase door het vlak V.
Indien de diameter D groot is t.o.v. de golflengte X en de straler B klein t.o.v. λ, dan is:
- de gain of antennewinst t.o.v. een isotrope of bolstraler:
, waarin η het rendement is, dat meestal tussen de 0,5 en 0,7 ligt; - de openingshoek
.
Fig. 1. Paraboolantenne
De straler of belichter B in fig. 1 is in werkelijkheid helemaal niet zo klein t.o.v. de golflengte. Hij zit dus goed merkbaar in de weg en verstoort het mooie vlakke golffront, dat we zojuist hebben beschreven, met het gevolg:
- dat er verstrooiing van de uitgestraalde energie optreedt; anders gezegd: dat er zijlobben ontstaan;
- dat een deel van de energie, die op de paraboloide reflecteert, in de straler terugkomt. Hierdoor, alsmede door de eigenschappen van de straler, wordt de bandbreedte beperkt.
De hoornparabool of hoornantenne heeft deze nadelen niet. Het reflecterende oppervlak van de hoornantenne is een stuk van een paraboloide, maar dat stuk is nu ze) gekozen, dat het brandpunt B buiten de stralenbundel valt.
Daardoor ontstaan er geen grote zijlobben. Doordat bovendien als belichter een GROTE hoornstraler wordt gebruikt, is de bandbreedte veel groter dan bij de eenvoudige paraboolantenne. Maar juist door die hoornstraler is de opstelhoogte zeer groot.
Fig. 2. Stralingsdiagram: vermogensdichtheid als functie van de stralingsrichting, als de openingshoek tussen de beide richtingen waarin de vermogensdichtheid tot de helft is afgenomen.
Een tussenvorm tussen de eenvoudige parabool-antenne en de hoornantenne is de schelpantenne. Deze heeft, net als de paraboolantenne, een kleine hoornstraler. Net als bij de hoornparabool, bevindt deze belichter zich buiten de stralenbundel.
In een cassegrain-hoorn zijn de gunstige eigenschappen van de hoornen schelpantenne verenigd: hij heeft de grote bandbreedte en overige stralingseigenschappen van de hoornantenne en tevens de kleine opstelhoogte van de schelpantenne.
Als we fig. 3 met fig. 5 vergelijken zien we dat de grote hoornstraler is vervangen door een hyperbolische subreflector en een kleine hoornstraler. Deze zijn zo opgesteld, dat het brandpunt P van de parabolische hoofdreflector samenvalt met het ene brandpunt S van de hyperbolische subreflector; het andere brandpunt valt samen met het centrum van de hoornstraler.
Fig. 3. Hoornantenne
Fig. 4. Schelpantenne
Fig. 5. Cassegrain-hoorn
De asymmetrische vorm van de hoornen schelpantennes heeft voor sommige toepassingen grote bezwaren.
Daarom is in het grondstation voor satellietcommunicatie in Burum gekozen voor een combinatie van de voorgaande antennes; zie fig. 6.
Fig. 6. Cassegrain-antenne Burum I
Ook hier is gebruik gemaakt van een hulp- of subreflector, zodat we weer kunnen spreken van een dubbele reflectorantenne of cassegrain-antenne. De ruisarme voorversterker, die met zijn koeling zeer omvangrijk is, kan dankzij de subreflector buiten het brandpunt P van de parabolische hoofdreflector blijven, zodat hij het stralingsdiagram van de parabolofde niet kan verstoren.
De ontvangen satellietstraling komt via de parabolische hoofdreflector terecht op een (kleine) subreflector, die hier ook parabolisch is (zij het met een kleine afwijking teneinde een betere verdeling van de stralingsdichtheid tussen de hoofd- en hulpreflector te verkrijgen). Het brandpunt P van de hoofdreflector en het brandpunt S van de subreflector vallen samen. Hierdoor ontstaat een evenwijdige stralingsbundel, die via een gat in de hoofdreflector op de hoornparabool terecht komt.
Doordat de hartlijn daarvan samenvalt met de elevatie-as van de hoofdreflector, alsmede door een draaibare koppeling tussen de hoornparabool en de ruisarme voorversterker kan deze vast opgesteld staan.
De cassegrain-antenne Burum I heeft een hoofdreflector van 28,5 m diameter. Daardoor is bij 6 GHz de openingshoek tussen de 3 dB-punten slechts 0,12° en de antennewinst of gain G = 63 dB, d.w.z. dat de vermogensdichtheid in de hoofdlob twee miljoen maal zo groot is als bij een bolvormige of isotrope straler.
| gain | openingshoek (3 dB-punten) | hoek waarbijde zijlobben < 65 dB zijn | bandbreedte | |
|---|---|---|---|---|
| paraboolantenne diameter 3 m | 43 dB | 1,2° | 120° | 300 à 400 MHz |
| schelpantenne | 44 dB | 1,2° | 50° | ca 500 MHz |
| hoornantenne | 44 dB | 1,2° | 30° | 4 à 6 GHz |
Polarisatie
Men spreekt van horizontale polarisatie als de elektrische component van het elektromagnetische stralingsveld horizontaal is. Dit is het geval bij een horizontaal opgestelde dipool. In theorie kan een horizontaal gepolariseerde straling niet worden ontvangen door een verticale dipool. In de praktijk ontstaat echter enige polarisatiedraaiing door allerlei onvolkomenheden op het traject tussen zend- en ontvangantenne.
Bij straalverbindingen wordt zowel horizontale als verticale polarisatie toegepast.