Parabolantenn: vad är det?

Innehåll visa

En parabolantenn är en antenn som använder en parabolisk reflektor, en krökt yta med tvärsnittsformen av en parabel, för att rikta radiovågorna. Den vanligaste formen är formad som en skål och kallas i folkmun för parabolantenn eller parabolskål.

Parabol Viasat
Parabol – Viasat

Den största fördelen med en parabolantenn är att den har en hög riktningsförmåga. Den fungerar på samma sätt som en strålkastare eller ficklampsreflektor för att rikta radiovågorna i en smal stråle, eller bara ta emot radiovågor från en viss riktning.

Parabolantenner har några av de högsta förstärkningarna, vilket betyder att de kan producera de smalaste strålbredderna, av alla antenntyper. För att uppnå smala strålbredder så måste den paraboliska reflektorn vara mycket större än våglängden på radiovågorna som används, så parabolantenner används i den högfrekventa delen av radiospektrumet, vid UHF och mikrovågs (SHF) frekvenser, vid vilka våglängderna är tillräckligt små för att reflektorer av lämplig storlek ska kunna användas.

Parabolantenner används som högförstärkningsantenner för punkt-till-punkt-kommunikation, i applikationer som mikrovågsrelälänkar som överför telefon- och tv-signaler mellan närliggande städer, trådlösa WAN/LAN-länkar för datakommunikation, satellitkommunikation och som kommunikationsantenner för rymdfarkoster. De används också i radioteleskop.

Den andra stora användningen av parabolantenner är för radarantenner, där det finns ett behov av att sända en smal stråle av radiovågor för att lokalisera föremål som fartyg, flygplan och styrda missiler, och ofta för väderdetektering. Med tillkomsten av satellit-tv-mottagare för hemmet har parabolantenner blivit ett vanligt inslag i landskapen i moderna länder.

Design av en parabolantenn.
Design av en parabolantenn.

Design av en parabolantenn

Funktionsprincipen för en parabolantenn är att en punktkälla för radiovågor vid brännpunkten framför en paraboloidreflektor av ledande material kommer att reflekteras i en kollimerad plan vågstråle längs reflektorns axel. Omvänt så kommer en inkommande plan våg parallell med axeln att fokuseras till en punkt vid brännpunkten.

En typisk parabolantenn består av en metallparabolisk reflektor med en liten matningsantenn upphängd framför reflektorn vid dess fokus, pekande bakåt mot reflektorn. Reflektorn är en metallisk yta formad till en rotationsparaboloid och vanligtvis stympad med en cirkulär kant som bildar antennens diameter.

I en sändarantenn tillförs radiofrekvent ström från en sändare genom en transmissionsledning till matarantennen, som omvandlar den till radiovågor. Radiovågorna sänds tillbaka mot skålen av matningsantennen och reflekteras från skålen till en parallell stråle. I en mottagningsantenn studsar de inkommande radiovågorna från skålen och fokuseras till en punkt vid matningsantennen, som omvandlar dem till elektriska strömmar som går genom en transmissionsledning till radiomottagaren.

Reflektor av metallplåt eller nät

Reflektorn kan vara av metallplåt eller en nätkonstruktion, och den kan vara antingen en cirkulär ”skål” eller ha olika andra former för att skapa olika strålformer. En nätreflektor reflekterar radiovågor på samma sätt som en solid metallyta så länge hålen är mindre än en tiondels våglängd, så nätreflektorer används ofta för att minska vikten och vindbelastningen på skålen.

För att uppnå en maximal förstärkning är det nödvändigt att formen på skålen är korrekt inom en liten bråkdel av en våglängd, för att säkerställa att vågorna från olika delar av antennen kommer till fokus i fas. Stora skålar kräver ofta en stödjande fackverksstruktur bakom dem för att ge den erforderliga styvheten.

En reflektor gjord av ett nät av parallella trådar eller stänger orienterade i en riktning fungerar som ett polariserande filter såväl som en reflektor. Den reflekterar endast linjärt polariserade radiovågor, med det elektriska fältet parallellt med nätelementen. Denna typ används ofta i radarantenner. I kombination med ett linjärt polariserat matarhorn hjälper det till att filtrera bort brus i mottagaren och minskar falska returer.

Eftersom en blank metallparabolisk reflektor också kan fokusera solens strålar, och de flesta skålar kan koncentrera tillräckligt med solenergi på matarstrukturen för att kraftigt överhetta den om de råkade peka mot solen, så får solida reflektorer alltid ett lager ljus färg.

Vad är en parabolantenn – video

Matningsantenn

Matningsantennen vid reflektorns fokus är typiskt av en lågförstärkningstyp såsom en halvvågsdipol eller oftare en liten hornantenn som kallas matningshorn. I mer komplexa konstruktioner, som Cassegrain och Gregorian, används en sekundär reflektor för att rikta energin in i den paraboliska reflektorn från en matningsantenn som är placerad bort från den primära brännpunkten. Matningsantennen är ansluten till tillhörande radiofrekvens (RF) sändande eller mottagande utrustning med hjälp av en överföringsledning.

Vid de mikrovågsfrekvenser som används i många parabolantenner krävs vågledare för att leda mikrovågorna mellan matningsantennen och sändaren eller mottagaren. På grund av den höga kostnaden för vågledare är mottagarens RF-frontelektronik i många parabolantenner placerad vid matningsantennen och den mottagna signalen omvandlas till en lägre mellanfrekvens (IF) så att den kan ledas till mottagaren genom en billigare koaxialkabel. Detta kallas en lågbrusblocknedkonverterare. På liknande sätt kan mikrovågssändaren vid sändning vara placerad vid matningsstället. Den höga kostnad gör att det kan krävas banklån för att investera i dessa antenner.

En fördel med parabolantenner är att det mesta av antennens struktur (hela delen förutom matningsantennen) är icke-resonant, så den kan fungera över ett brett spektrum av frekvenser, det vill säga en bred bandbredd. Allt som behövs för att ändra driftfrekvensen är att byta ut matarantennen mot en som fungerar på den nya frekvensen. Vissa parabolantenner sänder eller tar emot vid flera frekvenser genom att ha flera matningsantenner monterade vid brännpunkten, nära varandra.

Parabolisk reflektorantenn: parabolantenn

Den paraboliska reflektorantennen som ofta kallas för parabolantenn – eller mer vardagligt, enbart parabol – ger en antennlösning applicerbar för VHF och uppåt där en hög förstärkning och riktverkan behövs.

Den paraboliska reflektorn eller parabolantennen är den form av antenn som har många användningsområden inom satellit-tv-mottagning för hushåll, markbundna mikrovågsdatalänkar, en allmän satellitkommunikation och många fler.

Dess storlek gör att den i allmänhet är begränsad till en användning över 1GHz, även om större antenner kan användas för frekvenser ner till cirka 100MHz.

Den paraboliska reflektorantennen eller parabolantennen är känd för sin distinkta form, sin höga förstärkning och sina smala strålbredder. Det är prestandan som kan uppnås genom att använda den som är anledningen till att den används så ofta vid högre frekvenser.

En parabolisk reflektor som används för kommersiella forskningsapplikationer.
En parabolisk reflektor som används för kommersiella forskningsapplikationer.

Grunderna i paraboliska reflektorer

Det finns två huvudelement i varje parabolisk reflektorantenn:

  1. Strålelement: Det strålande elementet i den paraboliska reflektorantennen kan ha en mängd olika former. I vissa antenner kan det vara en enkel dipol, i andra ett horn. Dess syfte är att belysa det andra elementet i antennen, reflektorn med en jämn strålningstäthet med minsta möjliga spill eller strålning som missar reflektorn och strålar ut någon annanstans.
  2. Reflektor: Reflektorn är den distinkta delen av den paraboliska reflektorantennen. Den paraboliska formen är nyckeln till driften av RF-antennen eftersom vägarna som tas från matningspunkten vid fokus på reflektorn och sedan utåt är parallella. Men ännu viktigare är de vägar som tas är alla lika långa och därför kommer den utgående vågformen att bilda en plan våg och energin som tar olika vägar kommer alla att vara i fas. Detta gör att antennen fungerar på ett särskilt effektivt sätt.

Den paraboliska formen på antennens reflektoryta gör det möjligt att erhålla en mycket exakt stråle. På så sätt bildar matningssystemet antennens egentliga strålningssektion och den reflekterande paraboliska ytan är rent passiv.

När man tittar på paraboliska reflektorantennsystem finns det ett antal parametrar och termer som är viktiga:

  • Fokus: Fokus eller brännpunkt för den paraboliska reflektorn är den punkt där alla inkommande signaler koncentreras. Vid utstrålning från denna punkt kommer signalerna att reflekteras av den reflekterande ytan och färdas i en parallell stråle för att ge den erforderliga förstärkningen och strålbredden.
  • Vertex: Detta är den innersta punkten i mitten av den paraboliska reflektorn.
  • Brännvidd: Brännvidden för en parabolantenn är avståndet från dess fokus till dess vertex.
  • Bländare: Bländaren hos en parabolisk reflektor är vad som kan kallas dess ”öppning” eller det område som den täcker. För en cirkulär reflektor beskrivs detta av dess diameter. Det kan liknas vid bländaren på en optisk lins.
  • Förstärkning: Förstärkningen av den paraboliska reflektorn är en av nyckelparametrarna och den beror på ett antal faktorer inklusive skålens diameter, våglängd och andra faktorer.
  • Matningssystem: Den paraboliska reflektorn eller parabolantennen kan matas på en mängd olika sätt. Axiell eller frontmatning, off-axis, Cassegrain och Gregorian är de fyra huvudmetoderna.

För de flesta hushållssystem som de som används för satellit-tv-mottagning används en liten reflektor i kombination med en brännpunktsmatning, vilket ger den enklaste och mest ekonomiska formen av konstruktion. Dessa antenner kanske inte alltid ser exakt likadana ut som den traditionella parabolantennen. Av mekaniska och produktionsskäl är matningen ofta förskjuten från mitten och en del av paraboloiden används, återigen förskjuten från centrum eftersom detta ger mekaniska fördelar.

Parabolreflektorantenn fördelar & nackdelar

När man väljer vilken typ av antenn som ska användas för en given applikation är det alltid nödvändigt att titta på egenskaperna för den typen av antenn. Den paraboliska reflektorn har både fördelar och nackdelar. Dessa gör den lämplig för användning i vissa applikationer men inte i andra.

Fördelar för en parabol

Några av de stora fördelarna med den paraboliska reflektorantennen inkluderar följande:

  • Hög förstärkning: paraboliska reflektorantenner kan ge mycket höga nivåer av förstärkning. Ju större ”skålen” är i termer av våglängder, desto högre förstärkning.
  • Hög riktning: Precis som med förstärkningen kan parabolreflektorn eller parabolantennen också ge höga nivåer av riktning. Ju högre förstärkning, desto smalare strålbredd. Detta kan vara en betydande fördel i applikationer där strålningen endast krävs för att riktas över ett litet område. Detta kan förhindra att det till exempel orsakar störningar för andra användare, och detta är viktigt när man kommunicerar med satelliter eftersom det gör att satelliter som använder samma frekvensband kan separeras efter avstånd eller mer specifikt genom vinkel vid antennen.

Nackdelar för en parabol

Liksom alla former av antenner så har den paraboliska reflektorn sina begränsningar och nackdelar:

  • Kräver reflektor och drivelement: själva parabolreflektorn är bara en del av antennen. Den kräver även att ett matningssystem placeras i fokus för den paraboliska reflektorn.
  • Kostnad: Antennen måste tillverkas med omsorg. En paraboloid behövs för att reflektera radiosignalerna vilket måste göras noggrant. Utöver detta krävs det också ett matningssystem. Detta kan öka kostnaden för systemet. I början när paraboler lanserades för TV var priserna högre och det kunde krävas lånefinansiering för att ha råd.
  • Storlek: Antennen är inte lika liten som vissa andra typer av antenner, även om många som används för satellit-tv-mottagning är ganska så kompakta.

Paraboliska reflektorantennapplikationer

Det finns många områden där parabolantennen används. I vissa områden är det den form av antenn som används praktiskt taget uteslutande på grund av dess egenskaper.

Direktsändning av tv: Direktsändning eller satellit-tv har blivit en viktig form av distribution av tv-innehåll. De breda och kontrollerbara täckningsområdena som finns tillgängliga i kombination med de mycket större bandbredderna gör att fler kanaler kan sändas och detta gör satellit-tv mycket attraktiv.

Parabol för satellit-TV parabolisk reflektorantenner som visar offsetmatningsarrangemanget för att minska bländarblocket vilket minskar antennförstärkningen.
Parabol för satellit-TV parabolisk reflektorantenner som visar offsetmatningsarrangemanget för att minska bländarblocket vilket minskar antennförstärkningen.

Nackdelen är att satelliter inte kan sända med mycket höga effektnivåer och i kombination med vägförlusten från en geostationär bana så är signalnivåerna låga. Det betyder att direktivantenner måste användas för att ge en tillräcklig förstärkning samtidigt som de kan ta emot signaler från endast en satellit – flera satelliter skulle kunna vara synliga från en plats och sända på samma frekvenser. Den paraboliska reflektorantennen kan uppfylla dessa krav och har den extra fördelen att den inte skulle behöva vara lika lång som en Yagi för en likvärdig nivå av förstärkning och riktning.

Mikrovågslänkar: Markbundna mikrovågslänkar används för många applikationer. Ofta används de för markbundna telekommunikationsinfrastrukturlänkar. Ett av de stora områdena där de används idag är att tillhandahålla backhaul (förbindelsen mellan ett stamnät och accessnätet som abonnenten är direkt ansluten till) för mobila telekommunikationssystem.

En mängd olika mikrovågsparaboliska reflektorantenner monterade på ett mobiltelefontorn
En mängd olika mikrovågsparaboliska reflektorantenner monterade på ett mobiltelefontorn

Satellitkommunikation: Många satellitupplänkar, eller de för kommunikationssatelliter, kräver höga nivåer av förstärkning för att säkerställa optimala signalförhållanden och att sändningseffekter från marken inte påverkar andra satelliter i en nära vinkel. Återigen är den idealiska antennen för de flesta applikationer den paraboliska reflektorantennen.

Radioastronomi: Radioastronomi är ett område där mycket höga nivåer av förstärkning och riktning krävs. Följaktligen är den paraboliska reflektorantennen ett idealiskt val.

I alla dessa applikationer så krävs det mycket höga förstärkningsnivåer för att ta emot de inkommande signalerna som ofta är på en mycket låg nivå. För sändning kan denna typ av RF-antenndesign koncentrera den tillgängliga utstrålade effekten till en smal strålbredd, vilket säkerställer att all tillgänglig effekt utstrålas i en önskad riktning.

Teori och formler för paraboliska reflektorantenner

En del enkel matematik ger en betydande insikt i funktion och teori för den paraboliska reflektorantennen.

En del av matematiken och teorin bakom den paraboliska reflektorantennen ger en god förståelse för dess funktion och några av nyckelfaktorerna för dess funktion och design.

Reflektorns paraboliska form är nyckeln till dess funktion – i synnerhet dess förstärkning och riktning.

Grunderna i parabolisk reflektorteori

Som namnet antyder är den paraboliska reflektorn bildad av en form som kallas en paraboloid. Denna form bildar den reflekterande ytan i antennen som gör att vågor som reflekteras av ytan bibehåller sitt fasförhållande, vilket gör att den maximala förstärkningen kan erhållas.

Med andra ord så kommer RF-energi i form av elektromagnetiska vågor som rör sig mot antennen i en plan vågfront att reflekteras av reflektorn och förbli i fas vid brännpunkten. På detta sätt förblir hela signalen i fas och ingen avbrytning sker. Detta innebär att den maximala signalen bibehålls. Omvänt kommer signaler som utstrålas från brännpunkten att reflekteras av den paraboliska reflektorn och bilda en parallell vågfront (i-fas) som rör sig utåt från antennen.

Den paraboloida reflektorns form gör att signaler reflekteras och förblir i fas
Den paraboliska reflektorformen gör att vågfronterna förblir i fas

Den paraboliska reflektorformen gör att vågfronterna förblir i fas A1+A2=B1+B2

Med tanke på att den totala längden A1 + A2 är densamma som B1 + B2, etc, betyder detta att systemets fasintegritet bibehålls. Inkommande vågor läggs till vid brännpunkten, och utgående vågor producerar en enda vågfront som rör sig parallellt bort från reflektorn.

Det är detta koncept som är i centrum för teorin om parabolisk reflektorantenn.

Teori om parabolisk reflektorform

Parabolreflektorteorin förlitar sig på reflektorns form för dess egenskaper.

Reflektorn använder en parabolisk form för att säkerställa att all kraft reflekteras i en stråle där vågspåren löper parallellt med varandra. Också att all reflekterad effekt är i samma fas, eftersom väglängden från källan till reflektorn och sedan utåt är densamma varhelst den reflekteras på parabelns yta.

Den paraboliska kurvan följer ekvationen:

Den paraboliska kurvan följer ekvationen: Y2=4 S X

Måtten och referenserna för den paraboliska reflektorantennformeln kan ses i diagrammet nedan:

Parabolisk reflektor kurvform & teori
Den paraboliska reflektorkurvan & teoretiska detaljer.

Parabolteorin visar att paraboloidkurvan är platsen för punkter som är lika långt från en fast punkt känd som fokus placerad på X-axeln. En fast linje bakom den parboliska kurvan som beskrivs som AB på diagrammet är känd som riktlinjen. På denna är längden FP = PQ var den än befinner sig på parabolkurvan.

Eftersom ytan fungerar som en reflektor har Directix samma egenskaper när den är placerad framför reflektorn. Med andra ord visar den paraboliska reflektorteorin att den emanerande vågfronten kommer att ha samma fas oavsett reflektionspunkten på den paraboliska kurvan.

Teorin om parabolisk reflektorantenn visar också att strålen kommer att tendera att vara parallell.

Parabolantenns brännvidd

En viktig del av teorin om parabolisk reflektorantenn är dess brännvidd. För att säkerställa att antennen fungerar korrekt är det nödvändigt att se till att det strålande elementet är placerat i brännpunkten. För att bestämma detta är det nödvändigt att känna till brännvidden.

Parabolantenns brännvidd

Där:

f är brännvidden.
D är reflektorns diameter.
c är reflektorns djup.

Utöver detta så är f/D-förhållandet viktigt. Eftersom f/D-förhållandet ofta anges tillsammans med diametern, kan brännvidden erhållas mycket enkelt genom att multiplicera dess f/D-förhållande med den specificerade diametern D.

Parabolisk reflektorantennförstärkning

Parabolisk reflektorantennförstärkning kan beräknas från några enkla formler eller ekvationer, och de praktiska faktorerna som påverkar ”skålens” antennförstärkning.

Förstärkningen är en av nyckelfaktorerna förknippade med den paraboliska reflektorantennen.

Den höga nivån av förstärkning är en av huvudorsakerna till att paraboliska reflektorantenner används.

Faktum är att den paraboliska reflektorantennförstärkningen kan vara så hög som 30 till 40 dB. Dessa förstärkningssiffror är inte lätta att uppnå med andra former av antenn.

Goldstone paraboliska reflektorantenn har en mycket hög nivå av förstärkning
Goldstone paraboliska reflektorantenn har en mycket hög nivå av förstärkning.

Vid mikrovågsfrekvenser där dessa antenner normalt används, kan de producera mycket höga nivåer av förstärkning, och de erbjuder en mycket bekväm och robust struktur som kan motstå påfrestningarna av extern användning. Däremot så är många andra typer av antenndesign inte genomförbara vid dessa frekvenser.

Det enda gemensamma kännetecknet för alla dessa exempel är den paraboliska antennförstärkningen eller parabolantennförstärkningen. Medan de större antennerna har högre nivåer av parabolisk antennförstärkning, är prestandan hos alla dessa antenner av största vikt.

Faktorer som påverkar parabolisk reflektorantennförstärkning

Det finns ett antal faktorer som påverkar den paraboliska antennförstärkningen.

Dessa faktorer inkluderar följande:

  • Den reflekterande ytans diameter: Ju större diametern är på den reflekterande ytan på antennen, desto högre blir den paraboliska reflektorförstärkningen.
  • Operationell våglängd: Den paraboliska reflektorantennförstärkningen är beroende av reflektorns storlek i termer av våglängder. Om samma reflektor används för två olika frekvenser blir förstärkningen därför olika. Den är omvänt proportionell mot den våglängd som används.
  • Antenneffektivitet: Antennens effektivitet har en betydande effekt på den totala paraboliska reflektorförstärkningen. Typiska siffror är mellan 50 och 70%. Effektiviteten varierar som ett resultat av ett antal olika faktorer som beskrivs i detalj nedan.

Parabolisk reflektorantennförstärkning

Den paraboliska antennförstärkningen kan lätt beräknas från en kunskap om den reflekterande ytans diameter, signalens våglängd och en kunskap eller uppskattning av antennens effektivitet.

Den paraboliska reflektorantennförstärkningen beräknas som förstärkningen över en isotrop källa, dvs i förhållande till en källa som strålar lika i alla riktningar. Detta är en teoretisk källa som används som riktmärke mot vilken de flesta antenner jämförs. Förstärkningen anges på detta sätt och betecknas som dBi.

Standardformeln för den paraboliska reflektorantennförstärkningen är:

Standardformeln för den paraboliska reflektorantennförstärkningen

Där:

G är förstärkningen över en isotrop källa i dB.
k är effektivitetsfaktorn som i allmänhet är runt 50 till 60%, dvs. 0,5 till 0,6.
D är diametern på den paraboliska reflektorn i meter.
λ är signalens våglängd i meter.

Av detta kan man se att mycket stora vinster kan uppnås om tillräckligt stora reflektorer används. Men när antennen har en mycket stor förstärkning är strålbredden också mycket liten och antennen kräver en mycket noggrann kontroll över sin position. I professionella system används elektriska servosystem för att ge en mycket exakt positionering.

Det kan ses att den paraboliska reflektorförstärkningen kan vara i storleksordningen 50dB för antenner som har en reflektordiameter på hundra våglängder eller mer. Även om antenner av denna storlek inte skulle vara genomförbara för många antennkonstruktioner som Yagi och många andra, kan parabolreflektorn göras mycket stor i jämförelse med våglängden och därför kan den uppnå dessa enorma förstärkningsnivåer. Mer normala storlekar för dessa antenner är några våglängder, men dessa kan fortfarande ge mycket höga nivåer av förstärkning.

Parabolreflektor ökar effektiviteten

I den övergripande förstärkningsformeln för antennen ingår en effektivitetsfaktor. Vanligtvis kan detta vara mellan 50 och 70% beroende på den faktiska antennen.

Den paraboliska reflektorantennens förstärkningseffektivitet beror på en mängd olika faktorer. Dessa multipliceras alla tillsammans för att ge den totala effektiviteten.

Parabolreflektor ökar effektiviteten

  • Strålningseffektivitet, ”kr”: Strålningseffektiviteten anges som kr ovan. Det styrs av de resistiva eller ohmska förlusterna i antennen. Den styrs av strålningseffektiviteten hos det element i antennen som utstrålar RF-energin. För de flesta antenner är detta högt och nära 1. Därför har strålningseffektiviteten ingen större effekt på parabolreflektorantennförstärkningen och ignoreras därför normalt.
  • Spillover-effektivitet ”ks”: Spillover-effektiviteten betecknas som ks ovan. All energi som rinner ut över kanten på reflektorytan kommer att minska effektiviteten och därmed den paraboliska reflektorantennförstärkningen. I det ideala fallet måste reflektorytan vara lika fullt upplyst för att inget ska spilla över kanten. I det verkliga fallet så är detta dock inte ekonomiskt lönsamt och en viss minskning av effektiviteten kommer därför att upplevas av antennförstärkningen.
  • Aperture Taper Efficiency ”kt”: Aperture Taper Efficiency betecknas som kt ovan. Det påverkar antennförstärkningen eftersom hela parabolreflektorn måste vara ordentligt belyst för att den optimala förstärkningen ska uppnås. Om delar av ytan inte är optimalt upplyst av den utstrålade energin från radiatorn kommer parabolreflektorns förstärkning att minska. Optimal prestanda uppnås när mitten är lite mer upplyst än kanterna.
  • Ytfel: För att ge de högsta nivåerna av parabolisk reflektorantennförstärkning måste ytan följa den paraboliska konturen så exakt som möjligt. Avvikelser från detta kommer att resultera i en dålig reflektionsnoggrannhet. Det är dock möjligt att använda en gasväv för reflektorn för att minska vikten och vindmotståndet förutsatt att hålen i gasväven eller nätet är små i jämförelse med en våglängd. Bredden på slitsarna eller hålen i det reflekterande metallnätet måste vara mindre än λ/10.
  • Bländarblockering: Den fysiska strukturen hos matningen och andra delar av antennen maskerar ofta en del av reflektorn. Detta minskar naturligtvis effektiviteten och därmed antennförstärkningen. Denna faktor måste inkluderas i antennförstärkningsberäkningen.
  • Korspolarisering: Som med alla andra antenner måste polariseringen av de sända och mottagna signalerna matcha, annars uppstår en förlust som är lika med sinus för vinkeln mellan polarisationerna, om man antar en linjär polarisation.
  • Icke-enpunktsmatning: Reflektorns brännpunkt är en enda punkt. Alla antenner har dock en ändlig storlek och därför kommer detta att innebära att antennen sträcker sig utanför reflektorns brännpunkt. Ju större det strålande elementet är i förhållande till den reflekterande ytan, desto större problem är detta och desto större påverkan har det på antennförstärkningen.

Termen ”km” används för att beteckna de olika diverse effektivitetselement som ofta är svårare att fastställa. Dessa inkluderar de som beror på ytansträngning, korspolarisering, öppningsblockering och icke-enpunktsmatning.

Beräkning av en parabolantenns strålbredd

När förstärkningen av parabolantennen, eller någon antenn, ökar, så minskar strålbredden.

Normalt definieras strålbredden som de punkter där effekten faller till hälften av det maximala, det vill säga -3dB-punkterna på ett polärt strålningsmönster.

Det är möjligt att uppskatta strålbredden någorlunda exakt med följande formel:

Det är möjligt att uppskatta strålbredden någorlunda exakt med följande formel

Där:

G är förstärkningen över en isotrop källa i dB.
D är diametern på den paraboliska reflektorn.
λ är signalens våglängd.

Alla mått måste vara i samma enheter för att beräkningen ska bli korrekt, t.ex. både diameter och våglängd i meter, eller båda i fot osv.

Optimering av parabolantennförstärkning

För att ge den optimala belysningen av den reflekterande ytan bör belysningsnivån vara högre i mitten än på sidorna. Det kan visas av att den optimala situationen uppstår när mitten är cirka 10 till 11 dB större än belysningen vid kanten. Lägre nivåer av kantbelysning resulterar i lägre nivåer av sidolober.

Den reflekterande ytantennen utgör en stor del av hela systemet. I många avseenden är det inte så kritiskt som man först kan tro. Ofta kan ett trådnät användas. Förutsatt att maskans öppning är liten jämfört med en våglängd så kommer det att ses som en kontinuerlig yta av radiosignalerna. Om ett nät används kommer vindmotståndet att minska, vilket ger betydande mekaniska fördelar.

Den paraboliska reflektorantennen kan ge en betydande nivå av förstärkning som kan användas på bästa sätt, speciellt för mikrovågsfrekvenser där antennens storlek för en given nivå av förstärkning blir mycket hanterbar.

Paraboliska reflektorantennmatningssystem

En mängd olika matningstekniker kan användas med paraboliska reflektorantenner inklusive: fokalmatning, Cassegrain, gregoriansk, offsetmatning.

Det är möjligt att använda en av en mängd olika matningsarrangemang när man använder en parabolisk reflektorantenn.

De olika matningsarrangemangen ger en avsevärd grad av flexibilitet och gör det möjligt för olika applikationer att få ut det mesta av användningen av antennen.

Det är värt att notera att det faktiska antennelementet inom den övergripande parabolreflektorantennen, det vill säga den anordning som gränsar till transmissionsledningen eller vågledaren som innehåller radiofrekvensenergin till fritt utrymme, är matningselementet för den paraboliska reflektorantennen. Själva reflektorytan är helt passiv.

En hushålls parabol för satellit-TV, en parabolisk reflektorantenn med offsetmatning för att minska bländarblockering.
En hushålls parabol för satellit-TV, en parabolisk reflektorantenn med offsetmatning för att minska bländarblockering.

Parabolreflektormatningslängd

Vid matning av en parabolisk reflektorantenn är det nödvändigt att placera det strålande elementet i reflektorns brännpunkt.

Den paraboliska reflektorns brännpunkt är den punkt där alla reflekterade vågor kommer att koncentreras. Om antennens strålningselement placeras här kommer antennreflektionen att fungera så att maximal förstärkning uppnås och en korrekt funktion bibehålls.

Brännvidden f (avståndet för brännpunkten från reflektorns centrum) beräknas med följande ekvation:

Brännvidden f (avståndet för brännpunkten från reflektorns centrum)

Där:

f är reflektorns brännvidd.
D är reflektorns diameter i samma enheter som våglängden.
c är reflektorns djup.

Strålningen från matarelementet inducerar ett strömflöde i den ledande reflektorytan som i sin tur återutstrålar i önskad riktning, vinkelrätt mot paraboloidens riktningsplan. Matningselementet kan vara vilket som helst av ett flertal antenntyper. Vilken typ som än används så måste den uppvisa en riktverkan som effektivt lyser upp reflektorn och måste ha rätt polarisation för applikationen – polariseringen av matningen som bestämmer polariseringen av hela antennsystemet.

Den enklaste matningen är en halvvågsdipol som vanligtvis används vid lägre frekvenser, ibland i samband med en nära kopplad parasitreflektor eller ”stänkplatta”. Vid högre frekvenser blir en horntyp mer genomförbar och effektiv. För att anpassa hornet till en koaxial antennkabel, används en längd av vågledaren för att åstadkomma övergången.

Det finns två dimensioner för parabolantennen som är av särskild betydelse. Dessa är brännvidden, f och diametern, D. En av parametrarna som används för specifika parabolantenner är vanligtvis f/D-förhållandet. Eftersom f/D-förhållandet ofta anges tillsammans med diametern, kan brännvidden erhållas mycket enkelt genom att multiplicera dess f/D-förhållande med den specificerade diametern D.

Paraboliska reflektormatningstyper

Det finns flera olika typer av paraboliska reflektormatningssystem som kan användas. Var och en har sina egna egenskaper som kan matchas till applikationens krav.

  • Fokalmatning – ofta även känd som axial- eller frontmatningssystem.
  • Cassegrain matningssystem.
  • Gregorianskt matningssystem.
  • Utanför axeln – eller offset matning.

Fokalmatningssystem

Den paraboliska reflektorn eller parabolantennen består av ett strålningselement som kan vara en enkel dipol eller en vågledarhornsantenn. Detta är placerat i brännpunkten för den paraboliska reflekterande ytan. Energin från det strålande elementet är anordnad så att den lyser upp den reflekterande ytan. När energin väl reflekteras lämnar den antennsystemet i en smal stråle. Som ett resultat kan avsevärda vinstnivåer uppnås.

Att uppnå detta är inte alltid lätt eftersom det beror på vilken radiator som används. För lägre frekvenser används ofta ett dipolelement medan vid högre frekvenser en cirkulär vågledare kan användas. I själva verket ger den cirkulära vågledaren en av de optimala belysningskällorna.

Fokalmatningsarrangemang för parabolisk reflektorantenn
Fokalmatningsform av parabolisk reflektor, som visar det primära strålningselementet vid den paraboliska reflektorns brännpunkt.

Fokalmatningssystemet är ett av de mest använda matningssystemen för större paraboliska reflektorantenner eftersom det är enkelt. Den stora nackdelen är att matningen och dess stöd blockerar en del av strålen, och detta begränsar typiskt öppningseffektiviteten till endast cirka 55 till 60%.

Cassegrain matningssystem

Cassegrain-matningssystemet, även om det kräver en andra reflekterande yta, har fördelen att den totala längden av parabolantennen mellan de två reflektorerna är kortare än längden mellan det strålande elementet och den paraboliska reflektorn. Detta beror på att det finns en reflektion i fokuseringen av signalen som förkortar den fysiska längden. Detta kan vara en fördel i vissa system.

Cassegrain matning för en parabolisk reflektorantenn
Cassegrain matning för en parabolisk reflektorantenn.

Typiska effektivitetsnivåer på 65 till 70% kan uppnås med denna form av paraboliskt reflektormatningssystem

Cassegrains paraboliska reflektorantenndesign och matningssystem har fått sitt namn eftersom grundkonceptet anpassades från Cassegrain-teleskopet. Detta reflekterade teleskop utvecklades runt 1672 och tillskrivs den franske prästen Laurent Cassegrain.

Gregoriansk parabolisk reflektormatning

Den gregorianska paraboliska reflektormatningstekniken är mycket lik Cassegrain-designen. Den stora skillnaden är att sekundärreflektorn är konkav eller mer korrekt ellipsoidal till formen.

 

Gregoriansk matning för en parabolisk reflektorantenn.
Diagram över en gregoriansk matningsparabolisk reflektor eller parabolantenn.

Typiska bländareffektivitetsnivåer på över 70% kan uppnås eftersom systemet kan ge en bättre belysning av hela reflektorytan.

Utanför axeln eller offset parabolisk reflektorantennmatning

Som namnet indikerar är denna form av parabolisk reflektorantennmatning förskjuten från mitten av den faktiska antenndisken som används.

Reflektorn som används i denna typ av matningssystem är ett asymmetriskt segment av den paraboliska form som normalt används. På detta sätt placeras fokus och matningsantennen på ena sidan av reflektorytan.

Offsetmatningsteknik för en parabolisk reflektor.
Diagram över en offsetmatningsparabolisk reflektor eller parabolantenn.

Fördelen med att använda detta tillvägagångssätt för det paraboliska reflektormatningssystemet är att flytta matningsstrukturen ut ur strålbanan. På så sätt blockerar den inte strålen.

Detta tillvägagångssätt används allmänt i satellit-tv-antenner för hemmet, som ofta är relativt små och detta skulle innebära att vilken matningsstruktur som helst, inklusive lågbrusboxen (förstärkare, etc) annars skulle blockera en betydande andel av strålen och därigenom minska antenneffektiviteten och signalnivån.

Offsetmatningen används också i flera reflektordesigner som Cassegrain och Gregorian eftersom den lilla reflektorn också skulle drabbas av samma problem.

Tack till lanbyte.se som hjälpt oss med sajten. Besök gärna dem om du ska göra ett lånbyte. Tack också till banklanet.se som hjälpt oss med banklån.

Historien om parabolantennen

Idén att använda paraboliska reflektorer som radioantenner togs från optiken, där kraften hos en parabolspegel att fokusera ljus till en stråle har varit känd sedan antiken. Konstruktionerna av vissa specifika typer av parabolantenner, såsom Cassegrain och Gregorian, kommer från liknande namngivna analoga typer av reflekterande teleskop, som uppfanns av astronomer under 1400-talet.

Den första parabolen

Den tyska fysikern Heinrich Hertz konstruerade världens första paraboliska reflektorantenn 1888. Antennen var en cylindrisk parabolisk reflektor gjord av zinkplåt uppburen av en träram. Dess bländare var 2 meter hög och 1,2 meter bred, med en brännvidd på 0,12 meter, och användes vid en arbetsfrekvens på cirka 450 MHz.

Med två sådana antenner, en använd för att sända och den andra för att ta emot, visade Hertz förekomsten av radiovågor som hade förutspåtts av James Clerk Maxwell cirka 22 år tidigare. Den tidiga utvecklingen av radio begränsades dock till lägre frekvenser där parabolantenner var olämpliga, och de användes inte i så stor utsträckning förrän efter andra världskriget, då mikrovågsfrekvenser började utnyttjas.

Paraboliska antenner är baserade på den geometriska egenskapen hos paraboloiden
Parabolantenner är baserade på den geometriska egenskapen hos paraboloiden att banorna FP1Q1, FP2Q2, FP3Q3 alla är lika långa. Så en sfärisk vågfront som emitteras av en matningsantenn vid skålens fokus F kommer att reflekteras i en utgående plan våg L som färdas parallellt med skålens axel VF.

Den italienske radiopionjären Guglielmo Marconi använde en parabolisk reflektor under 1930-talet i undersökningar av UHF-överföring från sin båt i Medelhavet. År 1931 demonstrerades en 1,7 GHz mikrovågsrelätelefonlänk över Engelska kanalen med 10 fot (ca 3 meter) diameter. Den första stora parabolantennen, en 9 m skål, byggdes 1937 av banbrytande radioastronomen Grote Reber på hans bakgård, och himmelundersökningen han gjorde med den var en av händelserna som grundade radioastronomiområdet.

Utvecklingen av radar

Utvecklingen av radar under andra världskriget gav en stor impuls till parabolantennforskning och såg utvecklingen av formade strålantenner, där reflektorns kurva är olika i vertikala och horisontella riktningar, skräddarsydda för att producera en stråle med en speciell form. Efter kriget byggdes mycket stora parabolskålar som radioteleskop. Det 100 meter långa Green Bank radioteleskopet vid Green Bank, West Virginia, vars första version färdigställdes 1962, är för närvarande världens största fullt styrbara parabolskål.

Under 1960-talet blev parabolantenner flitigt använda i markbundna mikrovågskommunikationsnätverk, som förde telefonsamtal och tv-program över kontinenter. Den första parabolantennen som användes för satellitkommunikation byggdes 1962 vid Goonhilly i Cornwall, England för att kommunicera med Telstar-satelliten. Cassegrain-antennen utvecklades i Japan 1963 av NTT, KDDI och Mitsubishi Electric.

Tillkomsten på 1970-talet av datordesignverktyg som NEC som kan beräkna strålningsmönstret för parabolantenner har lett till utvecklingen av sofistikerade asymmetriska, multireflektor- och multifeed-designer under de senaste åren.

Vanliga frågor & svar angående paraboler

Vilken storlek på parabolantenn behöver jag?

Storleken på parabolen du behöver är beroende av signalstyrka och din plats. Ju längre du är från satelliterna, ju högre signalstyrkan behöver du, så ju större parabol.

I allmänhet är den minsta storleken som rekommenderas 60cm för dem i norra Sverige och 45cm för dem i söder.

Var är den bästa positionen för parabolantennen?

Din parabolantenn måste ha ett fritt synfält mot satelliten för den bästa signalen. Den behöver också placeras på en lämplig höjd och azimut (horisontell) inriktning.

Även om det kan tyckas bättre att installera din satellitparabol lägre för underhållsändamål, så kan det innebära att signalen hindras av träd eller andra hus. Så en högre position kan vara bättre.

Kan jag installera en parabolantenns själv?

Även om det är möjligt att installera en parabolantenn själv så är det inte att rekommendera. Förutom ditt satellitkit så behöver du verktyg som en borrmaskin, vattenpass, en kompass, satellitsignalmätare och tätningsmedel där kabeln går in i byggnaden.

Förutom detta så behöver du sannolikt en medhjälpare som kan räcka dig verktyg och hålla din stege.

Även om du har allt detta så kan det vara svårt att hitta rätt position och anpassa parabolen för att få den bästa signalen.

Det är alltid bäst att anlita någon som kan installera din parabolantenn professionellt.

Hur får jag bätttre signal från min parabolantenn?

Om din signal är dålig så finns det vanligtvis två huvudorsaker: hinder eller fel på ledningarna.

Det är lättast att först kontrollera om det finns synliga hinder. Finns det trädgrenar eller andra saker som blockerar parabolen?

Om inte, så är det sannolikt ett problem med ledningarna. Kontrollera i kabelns fulla längd från baksidan av parabolen till mottagaren. Det kan vara så att det finns skador eller dåliga anslutningar.

Om du inte kan diagnostisera felet, så kommer professionell hjälp att kunna göra det åt dig.

Behöver jag tillstånd för att installera en parabolantenn?

I vissa fall så behöver du tillstånd för att installera en parabolantenn. Det är i regel så om du bor i en hyreslägenhet.

Det finns i vissa fall även restriktioner för antalet antenner och paraboler som en byggnad får ha. Så se till att du kontrollerar det innan du installerar din egen.

En annan begränsning är när det gäller kulturmärkta byggnader. Länsstyrelsen kan skydda kulturhistoriskt värdefulla byggnader, miljöer och anläggningar helt enkelt genom att förklara dem som byggnadsminnen. Den som vill göra ändringar i ett byggnadsminne måste då först söka tillstånd. Kontrollera alltid med den lokala myndigheten först för att undvika problem.

Vad är livslängden för en parabol?

Paraboler håller vanligtvis i ca 10 år. Det beror dock även på installationen och underhållet av den.

För det första är installationsprocessen avgörande - om den görs felaktigt kan det drastiskt minska livslängden på din parabolantenn.

För det andra så påverkas livslängden av väder och underhåll. Till exempel så kommer de som bor nära havet att ha en kortare livslängd på cirka 4-8 år på grund av korrosion från den salta luften.