هوائي كاسجرين

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
أنواع الهوائيات المكافئة

في مجال الاتصالات والرادار ، يُعد هوائي كاسغرين هوائيًا مكافئًا تُثبّت فيه هوائي التغذية على سطح طبق العاكس المكافئ الرئيسي المقعر أو خلفه ، ويُوجّه نحو عاكس ثانوي محدب أصغر مُعلّق أمام العاكس الرئيسي. يُضيء شعاع الموجات الراديوية الصادر من هوائي التغذية العاكس الثانوي، الذي يعكسه بدوره إلى طبق العاكس الرئيسي، الذي يعكسه بدوره مرة أخرى لتشكيل الشعاع المطلوب . يُستخدم تصميم كاسغرين على نطاق واسع في الهوائيات المكافئة، لا سيما في الهوائيات الكبيرة مثل تلك الموجودة في محطات الأقمار الصناعية الأرضية ، والتلسكوبات الراديوية ، وأقمار الاتصالات .

الهندسة

العاكس الأساسي عبارة عن قطع مكافئ ، بينما شكل العاكس الثانوي المحدب هو قطع زائد . الشرط الهندسي لإشعاع حزمة موجية مستوية متوازية هو أن يقع هوائي التغذية عند البؤرة البعيدة للقطع الزائد، بينما تتطابق بؤرة العاكس الأساسي مع البؤرة القريبة للقطع الزائد. [ 1 ] عادةً ما يقع العاكس الثانوي وهوائي التغذية على المحور المركزي للطبق. مع ذلك، في تكوينات كاسغرين غير المتناظرة ، يكون عاكس الطبق الأساسي غير متناظر، وتقع بؤرته، وكذلك العاكس الثانوي، على أحد جانبي الطبق، بحيث لا يحجب العاكس الثانوي الحزمة جزئيًا.

المزايا

يُعدّ هذا التصميم بديلاً عن تصميم الهوائي المكافئ الأكثر شيوعاً، والذي يُسمى "التغذية الأمامية" أو "البؤرة الرئيسية"، حيث يُثبّت هوائي التغذية نفسه مُعلّقاً أمام الطبق عند البؤرة، وموجّهاً نحو الطبق. يُعتبر تصميم كاسغرين أكثر تعقيداً، ولكنه في بعض التطبيقات يتمتع بمزايا تفوق التغذية الأمامية، مما يُبرّر هذا التعقيد.

  • يمكن وضع هوائيات التغذية والموجات الموجهة المرتبطة بها والإلكترونيات الأمامية على الطبق أو خلفه، بدلاً من تعليقها في الأمام حيث تحجب جزءًا من الحزمة الخارجة. [ 1 ] [ 2 ] لذلك، يُستخدم هذا التصميم للهوائيات ذات المغذيات الضخمة أو المعقدة، [ 1 ] مثل هوائيات الاتصالات الأرضية عبر الأقمار الصناعية، والتلسكوبات الراديوية ، والهوائيات الموجودة على بعض أقمار الاتصالات الصناعية .
  • ميزة أخرى مهمة في هوائيات الأقمار الصناعية الأرضية والتلسكوبات الراديوية ، هي أنه نظرًا لتوجيه هوائي التغذية للأمام، بدلًا من توجيهه للخلف باتجاه الطبق كما في الهوائي ذي التغذية الأمامية، فإن الفصوص الجانبية الناتجة عن أجزاء من الشعاع التي لا تصل إلى العاكس الثانوي تتجه للأعلى نحو السماء الباردة بدلًا من الأسفل نحو الأرض الدافئة. [ 2 ] في هوائيات الاستقبال، يقلل هذا من استقبال الضوضاء الأرضية ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة ضوضاء الهوائي .
  • تشكيل العاكس المزدوج : يتيح وجود سطح عاكس ثانٍ في مسار الإشارة فرصًا إضافية لتخصيص نمط الإشعاع لتحقيق أقصى أداء. على سبيل المثال، ينخفض ​​كسب الهوائيات المكافئة العادية لأن إشعاع هوائي التغذية يتلاشى باتجاه الأجزاء الخارجية للطبق، مما يؤدي إلى انخفاض "إضاءة" تلك الأجزاء. في "تشكيل العاكس المزدوج"، يتم تغيير شكل العاكس الثانوي لتوجيه المزيد من طاقة الإشارة إلى المناطق الخارجية للطبق، مما ينتج عنه إضاءة أكثر تجانسًا للهوائي الأساسي، لزيادة الكسب إلى أقصى حد. ومع ذلك، ينتج عن ذلك عاكس ثانوي لم يعد قطعيًا زائديًا تمامًا (على الرغم من أنه لا يزال قريبًا جدًا منه)، وبالتالي تُفقد خاصية الطور الثابت. ومع ذلك، يمكن تعويض خطأ الطور هذا عن طريق تعديل طفيف في شكل المرآة الأساسية. والنتيجة هي كسب أعلى، أو نسبة كسب/انتشار أعلى، على حساب أسطح أكثر تعقيدًا في التصنيع والاختبار. [ 3 ] [ 4 ] يمكن أيضًا توليف أنماط إضاءة الأطباق الأخرى، مثل الأنماط ذات التناقص العالي عند حافة الطبق للحصول على فصوص جانبية منخفضة للغاية ، والأنماط ذات "ثقب" مركزي لتقليل تظليل التغذية.
  • من الأسباب الأخرى لاستخدام تصميم كاسغرين زيادة البعد البؤري للهوائي، وتقليل الفصوص الجانبية، بالإضافة إلى مزايا أخرى. [ 2 ] [ 5 ] تتميز العواكس المكافئة المستخدمة في هوائيات الأطباق بانحناء كبير وبعد بؤري قصير ؛ حيث تقع البؤرة بالقرب من فتحة الطبق، مما يقلل من طول الدعامات اللازمة لتثبيت هيكل التغذية أو العاكس الثانوي. تبلغ نسبة البؤرة (العدد البؤري، نسبة البعد البؤري إلى قطر الطبق) للهوائيات المكافئة النموذجية 0.25-0.8، مقارنةً بـ 3-8 للمرايا المكافئة المستخدمة في الأنظمة البصرية مثل التلسكوبات. في الهوائي ذي التغذية الأمامية، يتطلب طبق مكافئ "أكثر استواءً" ذو بعد بؤري طويل هيكل دعم معقدًا بشكل غير عملي لتثبيت التغذية بشكل ثابت بالنسبة للطبق. ومع ذلك، فإن عيب هذه النسبة البؤرية الصغيرة هو حساسية الهوائي للانحرافات الطفيفة عن البؤرة: حيث يكون عرض الزاوية التي يمكنه التركيز عليها بفعالية صغيرًا. تستخدم الهوائيات المكافئة الحديثة في التلسكوبات الراديوية وأقمار الاتصالات الصناعية غالبًا مصفوفات من أبواق التغذية المتجمعة حول النقطة البؤرية، لتكوين نمط شعاع محدد. يتطلب ذلك خصائص تركيز جيدة خارج المحور لنسبة بؤرية كبيرة، ولأن العاكس الثانوي المحدب لهوائي كاسغرين يزيد من هذه النسبة بشكل ملحوظ، فإن هذه الهوائيات تستخدم عادةً تصميم كاسغرين.
  • كما أن البعد البؤري الأطول يحسن التمييز بين الاستقطاب المتقاطع للمغذيات خارج المحور، [ 2 ] وهو أمر مهم في هوائيات الأقمار الصناعية التي تستخدم نمطي الاستقطاب المتعامدين لنقل قنوات منفصلة من المعلومات.
هوائي موجه شعاعي، وهو نوع من تصميم كاسجرين، يوضح مسار الإشارة المعقد.

من عيوب هوائي كاسغرين أن بوق التغذية (أو أبواق التغذية) يجب أن يتمتع بعرض حزمة أضيق ( كسب أعلى ) لتركيز إشعاعه على العاكس الثانوي الأصغر، بدلاً من العاكس الرئيسي الأوسع كما في الأطباق ذات التغذية الأمامية. يبلغ العرض الزاوي الذي يغطيه العاكس الثانوي عند بوق التغذية عادةً 10-15 درجة، مقارنةً بـ 120-180 درجة التي يغطيها العاكس الرئيسي في الطبق ذي التغذية الأمامية. لذلك، يجب أن يكون بوق التغذية أطول للحصول على طول موجي محدد.

هوائي موجه شعاعي

هوائي الموجة الموجهة هو نوع معقد من هوائيات كاسغرين، يتميز بمسار طويل للموجات الراديوية يسمح بوضع إلكترونيات التغذية على مستوى الأرض. يُستخدم هذا النوع في التلسكوبات الراديوية الكبيرة القابلة للتوجيه وهوائيات الأقمار الصناعية الأرضية، حيث تكون إلكترونيات التغذية معقدة وكبيرة الحجم، أو تتطلب صيانة وتعديلات كثيرة، بحيث لا يمكن وضعها على الطبق؛ على سبيل المثال، تلك التي تستخدم مضخمات مبردة بالتبريد الفائق. ينعكس شعاع الموجات الراديوية الواردة من العاكس الثانوي بواسطة مرايا إضافية في مسار طويل ملتوي عبر محاور حامل الارتفاع والسمت ، مما يسمح بتوجيه الهوائي دون انقطاع الشعاع، ثم ينزل عبر برج الهوائي إلى مبنى التغذية على مستوى الأرض.

تاريخ

استُوحِيَ تصميم هوائي كاسغرين من تلسكوب كاسغرين ، وهو نوع من التلسكوبات العاكسة طُوِّرَ حوالي عام 1672 ونُسِبَ إلى الكاهن الفرنسي لوران كاسغرين من مقاطعة إنجلترا . اخترع كوكرين ووايت هيد أول هوائي كاسغرين وحصلا على براءة اختراعه في شركة إليوت براذرز في بورهام وود، إنجلترا، عام 1952. طُعِنَ في براءة الاختراع، رقم براءة الاختراع البريطانية 700868، لاحقًا في المحكمة، لكنهما كسبا القضية. [ 6 ] المركبة الفضائية فوياجر 1، التي أُطلِقَت عام 1977، هي، اعتبارًا من سبتمبر 2024، على بعد 24.6 مليار كيلومتر من الأرض، [ 7 ] أبعد جسم من صنع الإنسان في الفضاء، ولا يزال هوائي كاسجرين الخاص به بطول 3.7 متر في النطاقين S و X (الصورة أدناه) قادرًا على الاتصال بالمحطات الأرضية.

هوائي كاسغرين للاتصالات عبر الأقمار الصناعية في السويد. يمكن رؤية العاكس الثانوي المحدب معلقًا فوق الطبق، كما يمكن رؤية بوق التغذية بارزًا من مركز الطبق.
صورة مقرّبة للعكس الثانوي المحدب في هوائي اتصالات فضائية كبير في بلوميور-بودو، فرنسا
هوائي كاسغرين للاتصالات الفضائية في غولدستون، كاليفورنيا، وهو جزء من شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا . تكمن ميزة تصميم كاسغرين في عدم الحاجة إلى تعليق هيكل التغذية الثقيل والمعقد (السفلي) فوق الطبق.
هوائي Cassegrain على المركبة الفضائية Voyager

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 تشاتيرجي، راجيسواري (2006). نظرية الهوائيات وتطبيقاتها (  الطبعة الثانية). نيودلهي: نيو إيج إنترناشونال. ص  188. ISBN 978-81-224-0881-2.
  2. 1 2 3 4 ويلش، دبليو جيه (1976). "أنواع الهوائيات الفلكية" . مناهج الفيزياء التجريبية . المجلد 12، الجزء ب: التلسكوبات الراديوية . نيويورك: أكاديميك برس. الصفحات 13-14 . ISBN   0-12-475952-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يناير 2012 .
  3. ↑ جاليندو، ف. (1964). "تصميم هوائيات عاكسة مزدوجة ذات توزيعات طور وسعة عشوائية". معاملات IEEE في مجال الهوائيات والانتشار . 12 (4). IEEE: 403-408 . Bibcode : 1964ITAP...12..403G . doi : 10.1109/TAP.1964.1138236 .
  4. ↑ ويليامز، دبليو إف (1983). "تصميم الترددات الراديوية والأداء المتوقع لنظام هوائي عاكس مزدوج الشكل بتردد 34 مترًا باستخدام بوق التغذية XS ذي الفتحة المشتركة" (ملف PDF) . تقرير التقدم في الاتصالات واكتساب البيانات . 73 : 74-84 . رمز Bibcode : 1983TDAPR..73...74W . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2022-10-09.
  5. ↑ تشنغ، جينغكوان (2009). مبادئ تصميم التلسكوبات الفلكية . نيويورك: سبرينغر. ص 359-360 . ISBN  978-0-387-88790-6.
  6. ↑ لافينغتون، سيمون (19 مايو 2011). أهداف متحركة - إليوت: الأتمتة وفجر عصر الحاسوب في بريطانيا، 1947-1967 ( الطبعة الأولى). لندن: سبرينغر فيرلاغ لندن المحدودة. ص 376. ISBN   978-1-84882-933-6.
  7. ↑ "ما مدى بُعد المركبة الفضائية فوياجر 1 عن الأرض؟" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 سبتمبر 2024 .
  • مقال تصميم عاكس فرعي Cassegrain