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Progetti >> illuminatore per paraboloide di tipo corrugato

Illuminatore per paraboloide tipo corrugato by IK3NOK

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Introduzione

Prima di esaminare questo tipo di illuminatore conviene fare alcune considerazioni sui paraboloidi.
Probabilmente uno dei problemi piu' difficili da risolvere con questo tipo di antenna, e' la sua illuminazione. Niente vale avere un paraboloide di grosse dimensioni se questo e' mal illuminato. Se per esempio abbiamo un paraboloide da 4 metri di diametro e lo illuminiamo con un sistema che ha una resa del 25%, questo si comportera' identicamente ad uno da 2.8 metri che abbia un illuminatore che rende il 50%. Queste variazioni di resa sono abbastanza comuni. Il peggio e' che senza adeguate misure non abbiamo modo di capire quanto perdiamo.

Il fattore piu' importante che definisce una paraboloide e' il rapporto f/D, o semplicemente il rapporto distanza focale a diametro (Fig.1).


Fig.1

Il paraboloide e' una superficie di rivoluzione di un' arco di parabola che ruota attorno un asse passante per il vertice ("o" nella figura). I punti di questa parabola sono determinati dall'equazione:

y = 4D x (f/D)

dove :

  • D e' il diametro della parabola
  • f il fuoco
  • x,y coordinate del punto P generico
Se si prova a generare qualche parabola dando valori alla formuletta si vedra' come cambia la sua convessita' con il rapporto f/D. Se f/D e' alto la parabola tende ad essere piu' piatta, se f/D e' basso diventa bombata, in particolare si trova che se f/D=0.25, il fuoco si trova sul piano della bocca del paraboloide. La scelta di questo rapporto dipende in gran parte dalle possibilita' di illuminazione che abbiamo, dal lobi secondari che pretendiamo, dalla precisione della lavorazione ecc. Infatti si ha che:
  • Per minimizzare i lobi secondari conviene un f/D basso, es. 0.2, infatti essendo il paraboloide molto bombato e con il fuoco all'interno ci sara' una minore quantita' di radiazione che deborda (Spill over).
  • Se f/D e' alto, e' possibile "offsettare" di piu' l'illuminatore, cioe' spostarlo su e giu' lungo la perpendicolare all'asse di rotazione, passante per il fuoco. Questa possibilita' risulta utile se si vuole mettere piu' illuininatori nel fuoco (ad esempio per diverse frequenze).
  • Se f/D e' basso il paraboloide diventa piu' compatto.
  • Se f/D e' alto e' piu' facile da costruire e risulta meno critico il punto focale.
  • Se f/D e' alto si minimizzano le perdite dovute alle differenze nella posizione dei centri di fase dell'alimentazione nel piano E ed H. Infatti cio' che si richiede e' che ci sia costanza di fase per un qualsiasi segnale che parte dal fuoco e dopo riflettersi sul paraboloide intercetta un piano perpendicolare all'asse di questo.
  • Se f/D e' alto si richiede che l'illuminatore sia piu' direttivo. (L'angolo sotteso dal fuoco verso la superficie e' minore).
Dalle precedenti considerazioni risulta che un valore conveniente per uso radioamatoriale potrebbe essere f/D=0.55 a 0.6. Un paraboloide con f/D=0.3 risultera' estremamente difficile da illunire, ed uno con f/D 0.4 si trovera' in una via di mezzo.

L' illuminatore

L'illuminazione del paraboloide, una volta stabilito il valore f/D ottimo deve avvenire in modo uniforme. Cio' che si desidera e' densita' di potenza costante sulla sua superficie, e potenza "0" oltre il bordo. E' evidente che questa condizione e' impossibile di realizzare.

Parte della potenza che incide sul riflettore andra' oltre il bordo, e pertanto persa, questa e' la causa per la quale si sviluppano lobi secondari e si riduce l'efficienza dell'antenna.

Per avvicinare al massimo la condizione sopracitata il diagramma di irradiazione dell'illuminatore deve essere tale che per l'angolo sotteso dal punto focale al paraboloide, la variazione della densita' di potenza sia minima, e fuori di questo angolo cali velocemente. Questo angolo si usa definirlo per i punti di -10dB. Con la seguente formula (Fig. 2) si puo' calcolare detto angolo, e pertanto determinare le caratteristiche dell'illuminatore.


Fig.2

Se per esempio f/D=0.39 2Theta=130 gradi


Fig.3

Nella figura 3 si rappresentano i vari casi. Si vede come il paraboloide e' illuminato da i diversi diagrammi di irradiazione dell'alimentatore. E' da notare come il secondo diagramma si avvicini all'ideale (forma quadrata). Questo tipo di diagramma e' conosciuto come a sviluppo "cos^2". Risultera' evidente che non e' facile ottenere diagrammi di questo tipo quando l'angolo 2Theta deve essere grande, per esempio maggiore di 100 gradi. Per esempio un illuminatore del tipo a barattolo cilindrico puo' raggiungere soltanto i 120 gradi. Nel caso di un antenna con f/D=0.39 essa risulterebbe sottoilluminata. Per risolvere questo problema e' che si ricorre al "corrugatore". Questo dispositivo non fa altro che allargare il fascio di radiazione dell'alimentatore. Il principio su cui si basa e' creare una diffrazione vicino alla bocca del barattolo. Gli anern concentrici formano una specie di "lente divergente" per le onde che partono dalla bocca su angoli piuttosto elevati. Gli anelli data la loro profondita' calcolata, riflettono sulla superficie di essi una reattanza induttiva.

Dimensionamento del alimentatore corrugato

Per il dimensionamento basta riferirsi alla figura 4. Le dimensioni non sono critiche, normalmente si progetta prima l'illuminatore, che, per la massima apertura angolare dovra' avere tra 0.7 e 0.75 lambda di diametro interno, in seguito si puo' dimensionare l'anello corrugato. Questo avra' una profondita' di 3/8 lambda ed il diametro esterno di 2 a 2.5 lambda. Fra il diametro interno ed esterno si costuiranno 3 o 4 anelli ugualmente spaziati. La distanza fra i vari anelli sara' allora attorno 1/4 lambda. Come si apprezza le dimensioni non sono critiche. L'anello corrugato dovra' poter scorrere avanti ed indietro del illuminatore. Con questa operazione si allarga e restringe il fascio fino a farlo coincidere con l'angolatura che richiede il paraboloide.


Fig.4

Possibile montaggio del alimentatore corrugato in guida rettangolare

L'alimentatore corrugato ha una transizione a connettore SMA. Qualora si volesse diminuire le perdite, portando l'alimentazione all'illuminatore con una guida d'onda, si puo' considerare la soluzione seguente. In questo tipo di transizione risulta importante la distanza dal fondo dell' illuminatore al centro della guida. Questa distanza dovra' essere di una lunghezza d'onda calcolata sullo spazio, non in guida. Si puo' dimostrare che cio' vale per una transizione dal modo TE01 della guida rettangolare al modo TM01che si puo' usare nell'illuminatore. Questa distaza "l" in [cm] vale 30/f[GHz].


Fig.5



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