Antena Cassegrain

Tipos de antena parabólica

En telecomunicaciones y radar, una antena Cassegrain es una antena parabólica en la que la antena de alimentación se monta en o detrás de la superficie del plato reflector parabólico principal cóncavo y se dirige a un reflector secundario convexo más pequeño suspendido frente al reflector primario. El haz de ondas de radio del alimentador ilumina el reflector secundario, que lo refleja de vuelta al plato reflector principal, que lo refleja de nuevo hacia adelante para formar el haz deseado. El diseño de Cassegrain se usa ampliamente en antenas parabólicas, particularmente en antenas grandes como las de estaciones terrestres de satélite, radiotelescopios y satélites de comunicación.

Geometría

El reflector primario es un paraboloide, mientras que la forma del reflector secundario convexo es un hiperboloide. La condición geométrica para radiar un haz de onda plana colimado es que la antena de alimentación esté ubicada en el foco lejano del hiperboloide, mientras que el foco del reflector primario coincide con el foco cercano del hiperboloide. Por lo general, el reflector secundario y la antena de alimentación se encuentran en el eje central del plato. Sin embargo, en las configuraciones offset Cassegrain, el reflector del plato principal es asimétrico, y su foco, y el reflector secundario, están ubicados a un lado del plato, de modo que el reflector secundario no obstruya parcialmente el haz..

Ventajas

Este diseño es una alternativa al diseño de antena parabólica más común, llamado "alimentación frontal" o 'foco principal', en el que la propia antena de alimentación está montada suspendida frente al plato en el foco, apuntando hacia el plato. El Cassegrain es un diseño más complejo, pero en ciertas aplicaciones tiene ventajas sobre la alimentación frontal que pueden justificar su mayor complejidad:

• Las antenas de alimentación y las guías de onda asociadas y la electrónica "front end" se pueden localizar en o detrás del plato, en lugar de suspenderse en frente donde bloquean parte del haz saliente. Por lo tanto, este diseño se utiliza para antenas con alimentaciones voluminosas o complicadas, como antenas terrestres de comunicación por satélite, radiotelescopios y antenas en algunos satélites de comunicación.
• Otra ventaja, importante en las antenas terrestres de satélite y los telescopios de radio, es que debido a que la antena de alimentación se dirige hacia adelante, en lugar de retroceder hacia el plato como en una antena de frente, los sidelobes de derrame causados por partes del haz que faltan al reflector secundario se dirigen hacia el cielo frío en lugar de hacia abajo hacia la tierra caliente. Al recibir antenas esto reduce la recepción del ruido del suelo, lo que da lugar a una temperatura de ruido de antena inferior.
• Doblado reflector: La presencia de una segunda superficie reflectante en la vía de señal permite oportunidades adicionales para adaptar el patrón de radiación para el máximo rendimiento. Por ejemplo, la ganancia de antenas parabólicas ordinarias se reduce porque la radiación de la antena de alimentación cae hacia las partes externas del plato, lo que da lugar a una menor "iluminación" de esas partes. En "reflexor dual que moldea" la forma del reflector secundario se altera para dirigir más potencia de señal a las áreas externas del plato, lo que resulta en una iluminación más uniforme de la primaria, para maximizar el beneficio. Sin embargo, esto resulta en un secundario que ya no es precisamente hiperbólico (aunque todavía está muy cerca), por lo que la propiedad de fase constante se pierde. Este error de fase, sin embargo, puede ser compensado por recortar ligeramente la forma del espejo primario. El resultado es una ganancia más alta, o la relación ganancia/spillover, a costa de superficies que son más difíciles de fabricar y probar. Otros patrones de iluminación de platos también se pueden sintetizar, tales como patrones con cinta alta en el borde del plato para los sidelobes ultra-bajo de derrame, y patrones con un "hole" central para reducir la sombra de alimento.
• Otra razón para utilizar el diseño de Cassegrain es aumentar la longitud focal de la antena, para reducir los sidelobes, entre otras ventajas. Los reflectores parabólicos utilizados en antenas de platos tienen una gran curvatura y corta longitud focal; el punto focal se encuentra cerca de la boca del plato, para reducir la longitud de los soportes necesarios para mantener la estructura de alimentación o reflector secundario. La relación focal (f-número, la relación de la longitud focal con el diámetro de los platos) de las antenas parabólicas típicas es 0,25–0.8, en comparación con 3–8 para espejos parabólicos utilizados en sistemas ópticos como los telescopios. En una antena frontal, un plato parabólico "flatter" con una larga longitud focal requeriría una estructura de soporte poco elaborada para mantener el pienso rígido con respecto al plato. Sin embargo, el inconveniente de esta pequeña relación focal es que la antena es sensible a pequeñas desviaciones desde el punto focal: la anchura angular que puede enfocar eficazmente es pequeña. Las antenas parabólicas modernas en los telescopios de radio y los satélites de comunicaciones utilizan a menudo arrays de tripulantes agrupados alrededor del punto focal, para crear un patrón de haz particular. Estos requieren las buenas características de enfoque fuera del eje de una gran relación focal, y debido a que el reflector secundario convexo de la antena Cassegrain aumenta significativamente, estas antenas suelen utilizar un diseño de Cassegrain.
• La longitud focal más larga también mejora la discriminación de la poliarización de los piensos fuera del eje, importante en las antenas satélites que utilizan los dos modos de polarización ortogonal para transmitir canales separados de información.

Una antena de guía de onda de haz, un tipo de diseño de Cassegrain, mostrando la complicada ruta de señal.

Una desventaja del Cassegrain es que las bocinas de alimentación deben tener un ancho de haz más estrecho (mayor ganancia) para enfocar su radiación en el reflector secundario más pequeño, en lugar del reflector primario más ancho como en los platos de alimentación frontal. El ancho angular que subtiende el reflector secundario en la bocina de alimentación es típicamente de 10 a 15 °, a diferencia de los 120 a 180 ° que subtiende el reflector principal en un plato de alimentación frontal. Por lo tanto, la bocina de alimentación debe ser más larga para una longitud de onda determinada.

Antena de guía de onda de haz

Una antena de guía de onda de haz es un tipo de antena Cassegrain complicada con una ruta de onda de radio larga para permitir que la electrónica de alimentación se ubique a nivel del suelo. Se utiliza en radiotelescopios orientables muy grandes y antenas terrestres de satélite, donde los componentes electrónicos de alimentación son demasiado complicados y voluminosos, o requieren demasiado mantenimiento y alteraciones, para ubicarlos en el plato; por ejemplo, aquellos que utilizan amplificadores enfriados criogénicamente. El haz de ondas de radio entrantes del reflector secundario se refleja en espejos adicionales en una trayectoria larga y retorcida a través de los ejes de la montura altacimutal, de modo que la antena se puede dirigir sin interrumpir el haz y luego descender a través de la torre de la antena hasta un edificio de alimentación. a nivel del suelo.

Historia

El diseño de la antena Cassegrain se adaptó del telescopio Cassegrain, un tipo de telescopio reflector desarrollado alrededor de 1672 y atribuido al sacerdote de la provincia francesa de Inglaterra, Laurent Cassegrain. La primera antena Cassegrain fue inventada y patentada por Cochrane y Whitehead en Elliot Bros en Borehamwood, Inglaterra, en 1952. La patente, número de patente británica 700868, fue impugnada posteriormente en los tribunales, pero prevaleció.

Antena de comunicación satelital Cassegrain en Suecia. El reflector secundario convexo se puede ver suspendido sobre el plato, y el cuerno de alimentación es visible proyectando desde el centro del plato.

Closeup of the convex secondary reflector in a large satellite communications antenna in Pleumeur-Bodou, France

Antena de comunicación de naves espaciales Cassegrain en Goldstone, California, parte de la red espacial profunda de la NASA. La ventaja del diseño de Cassegrain es que la estructura de alimentación complicada pesada (Abajo) no tiene que ser suspendido sobre el plato.

Antena de Cassegrain en la nave espacial Voyager