Parabolinen peiliantenni

Parabolinen peiliantenni tai paraabeliheijastinantenni on käytännöllinen silloin, kun halutaan kapea antennin suuntakuvio ja suuri antennivahvistus. Antennin heijastimen koko on oltava sitä suurempi mitä suurempi on käytetty aallonpituus. Siksi se on käytännöllisin pienillä aallonpituuksilla, siis suurilla taajuuksilla, yleensä mikroaalloilla. Käyttötarkoituksia ovat tutka, radioteleskooppi, radiolinkki ja satelliittiantenni, josta kansanomaisesti käytetään myös nimeä lautasantenni.

Rakenne

Suuri paraabelisylinterin muotoinen heijastin rakenteilla Saksassa 1930-luvulla.

Heijastin rakennetaan paraabelin muotoiseksi taivuttamalla pinta joko yhdessä tasossa, paraabelisylinteri, tai kahdessa tasossa, pyörähdysparaabeli. Materiaali on yleensä alumiini, mutta myös terästä käytetään. Heijastinpinta voi olla yhtenäinen, verkkomainen tai rei'itetty, mutta reikien halkaisijan on oltava selvästi puolta aallonpituutta pienempi, mielellään kymmenesosa aallonpituudesta. Muovista tai lujitemuovista valmistettuihin heijastimiin valmistetaan sähköä johtava pinnoitus. Varsinainen antennielementti, eli säteilijä, sijoitetaan paraabelin polttopisteeseen. Säteilijä on mikroaalloilla yleensä torvisäteilijä (torviantenni). Myös erilaisia jagiantenni- ja helixantennisovelluksia käytetään. Paraabelisylinteriantennissa on yleensä rakosäteilijä (rakoantenni) koko heijastimen pituudella.

Toiminta

Erilaisia paraabeliantenni rakenteita.

Säteilijän malli valitaan siten, että sen säteilykuvio täyttää paraabeliheijastimen pinta-alan hyvin, mutta ei säteile paljon sen ohi. Heijastinpeili on siten paraabelin osa eli leikkale. Kaikki materiaali heijastimen edessä: säteilijä, apuheijastin ja niiden tukirakenteet, haittaavat keilan muodostumista optimaalisesti. Antennin edessä pitäisi olla, "peukalosäännön" mukaan, ainakin 10 mieluummin useita kymmeniä aallonpituuksia vapaata tilaa, jotta säteilykuvioon ei tulisi oleellista häiriötä. Jos säteilijää kallistetaan sopivasti ja heijastimesta tehdään säteilijän kattaman alueen leikkale, saadaan säteilijä tukirakenteineen pois pääkeilan alueelta. Sellainen on off-set-antenni. Säteilijä voi olla myös heijastimen keskellä eteenpäin osoittaen, ja sen apuna apuheijastin (toisiosäteilijä) polttopisteen edessä, cassegrain-antenni, tai polttopisteen takana, gregorian-antenni. Polarisaatiojärjestelyillä saadaan apuheijastin pääheijastimelle läpinäkyväksi. Käytännöllisyys ratkaisee, mikä rakenne on käyttötarkoitukseen paras.

Heijastuslakien mukaisesti radioaaltorintama heijastuu sileästä pinnasta siten, että sen tulokulma ja lähtökulma ovat yhtä suuret. Siksi paraabeliheijastimeen tulevat samansuuntaiset aaltorintaman osat heijastuvat polttopisteeseen. Vastaavasti kaikki polttopisteestä paraabelin pinnalle tulevat aaltorintaman osat heijastuvat samansuuntaiseksi kapeaksi keilaksi.

Koska jokainen aaltorintaman osa kulkee yhtä pitkän matkan polttopisteestä heijastimen kautta edelleen keilan suuntaan, aaltorintaman kaikki rinnakkaiset osat ovat samavaiheisia jokaisella keilan kohtisuoralla poikkileikkauspinnalla.

Antennivahvistus

Yleensä on käytännöllistä puhua maksimiantennivahvistuksesta häviöt huomioiden. Myös on käytännöllistä olettaa, että antenni käyttäytyy samoilla ehdoilla sekä lähettävänä että vastaanottavana. Maksimivahvistuksella tarkoitetaan pääkeilaan saatavaa tehoa verrattuna samaan suuntaan ja samalle pinta-alalle ideaalisesta ympärisäteilevästä, isotrooppisesta, antennista samalla syöttöteholla saatavaan tehoon. (Isotrooppinen antenni on täysin teoreettinen, eikä sitä voi mittauksilla todentaa, joten matemaattisessa käsittelyssä oletetaan kaiken syöttötehon säteilevän tasaisesti pallopinnalle.) Sitä sanotaan myös tehoantennivahvistukseksi, ja se on laskentaperusteena useimmissa laskutoimituksissa, kuten tutkayhtälössä. Se voidaan laskea seuraavasti:

${G={\frac {4{\pi }A{\rho }}{\lambda ^{2}}}}$

jossa

• G = antennivahvistus
• A = antennin fyysinen aukon pinta-ala, apertuuri
• ${\rho }$ = antennin hyötysuhde, usein 0,9
• ${A{\rho }=}$ antennin radiopinta-ala, eli efektiivinen apertuuri
• ${\lambda }$ = aallonpituus.

Esimerkki:

Kuvan antennilla: ${\frac {4{\pi }18{m^{2}}}{0,25^{2}{m^{2}}}}=3617$

Näin moninkertainen on siis pääkeilan teho verrattuna isotrooppiseen antenniin, jonka vahvistus on 1.

Lisäksi voidaan sanoa: ${10log{\frac {3617}{1}}}=35,6dBi$

Kuvan antennin antennivahvistus on siis 35,6 desibeliä suurempi isotrooppiseen antenniin verrattuna.

Keilan leveys

Mitä suurempi on antennivahvistus, sitä kapeampi on keilan leveys ja sitä vähemmän saadaan tehoa muissa suunnissa. Keilanleveys tarkoittaa yleensä puolen tehon leveyttä, eli miinus kolmen desibelin (-3 dB) keilanleveyttä. Se on keilan avauskulma, jossa keilan molemmilla reunoilla on 50 % keskikohdan maksimitehosta. Kirjallisuus käyttää myös vastaavanlaista 90 %:n keilanleveyttä ja nollasta nollaan -leveyttä, joka tarkoittaa pienintä avauskulmaa, jolloin keilan reunoilla teho on lähimpänä nollaa ennen ensimmäisiä sivukeiloja. Keilanleveys on erilainen eri tasoissa, horisontaalisessa, vertikaalisessa ja kaikissa siltä väliltä. Käytännössä kaikki antennit muodostavat myös sivukeiloja ja takakeilan. Kaikki niiden teho on pois pääkeilan tehosta. Sivukeilat yritetäänkin rakenneratkaisuilla saada mahdollisimman pieniksi. Aika hyvä lopputulos on esimerkiksi -40 dB pääkeilasta. Se tarkoittaa, että sivukeilan voimakkuus on 10 000 kertaa pienempi kuin pääkeila. Keilanleveyttä tarvitaan määriteltäessä antennin peittoaluetta ja suuntausta ja esimerkiksi tutkan resoluutiota. Pääkeilan ja sivukeilojen tarkka määrittely vaatii monimutkaisia kenttävoimakkuusmittauksia.

Keilanleveys (-3 dB) horisontaalisuunnassa ${\Theta }$ ja vertikaalisuunnassa ${\Phi }$ voidaan myös laskea "peukalosäännöllä" antennin peilin leveyden tai korkeuden ja aallonpituuden mukaan radiaaneina:

${{\Theta }{\approx }{\frac {\lambda }{L}}}$ ... tai samoin... ${{\Phi }{\approx }{\frac {\lambda }{l}}}$

jossa

• ${\Theta }$ = keilan leveys radiaaneina
• ${\Phi }$ = keilan korkeus radiaaneina
• L = antennin peilin horisontaalinen leveys metreinä
• l = antennin peilin vertikaalinen korkeus metreinä
• ${\lambda }$ = aallonpituus metreinä.

(Yksi radiaani on 57,29577951 astetta.)

Kuvan tutka-antennin keilan (-3 dB) leveys on siis likimain 0,018 rad (1 aste) ja -korkeus 0,19 rad (11 astetta).

Kun keilan leveys ja korkeus voidaan näin laskea likiarvona, voidaan "peukalosäännöllä" laskea myös antennin suuntaavuuden eli suuntavahvistuksen ${G_{d}}$ likiarvo. Se ei ole sama kuin häviöt huomioiva maksimivahvistus. Se tarkoittaa pääkeilan tehoa verrattuna, ei isotrooppiseen, vaan antennin omaan ympäristöönsä keskimäärin säteilemään tehoon. Suuntavahvistusarvoa tarkasti määriteltäessä olisi voitava mitata suuri määrä samalla etäisyydellä olevia pisteitä tehoineen antennin ympäristöstä, jotta voitaisiin laskea niiden keskiarvo. Usein tyydytään oheisen "peukalosäännön" likiarvoon. Se voidaan laskea seuraavasti:

${G_{d}{\approx }{\frac {4{\pi }}{{\Theta }{\Phi }}}}$

jossa

• ${G_{d}}$ = antennin suuntavahvistus
• ${\Theta }$ = keilan horisontaalinen leveys radiaaneina
• ${\Phi }$ = keilan vertikaalinen korkeus radiaaneina.

Kuvan tutka-antennin suuntavahvistus ${G_{d}}$ on siis likimain 3700 eli 35,7 dB.

Tulos on hiukan suurempi kuin edellisessä esimerkissä laskettu G, koska siitä puuttuu aina syntyvät häviöt. Niitä aiheutuu valmistustoleransseista, materiaalien ominaisuuksista, metallipintojen syöpymisestä, lumesta, jäästä ja luonnonvoimien ja ihmisen kovakouraisessa käsittelyssä syntyneistä muodonmuutoksista.