Около 60 лет тому назад было экспериментально установлено существование на высотах 100200 км ионосферных неоднородностей, отражавших радиосигналы. В 1947 г. Ловелл, Клегг и Эллиот [1] зарегистрировали эхо-сигналы, приходящие с севера, где в это время наблдались полярные сияния, причем отражения прекращались почти одновременно с распадом форм сияний. Тогда был сделан вывод, что можно изучать полярные сияния радиолокационным методом в любую погоду.  Начиная с 50 гг. прошлого века проводились интенсивные радиолокационные исследования неоднородностей на высотах 90100 км в Е-области полярной и экваториальной ионосферы. Специфические радиоотражения радиосияния, или, в полярной ионосфера, радиоаврора, стали предметом нового экспериментального направления в геофизике. Последущие исследования показали, что радиосияния не являтся, как предполагалось, радиолокационным образом полярных сияний, локализованы в близких, но разных областях ионосферы, и наблдатся даже в среднеширотной ионосфере. Результаты экспериментов показали [14], что отражения происходят от турбулентных волновых пульсаций плазмы, вытянутых вдоль магнитного поля Земли, для волн радиодиапазона 301000 МГц (рис. 1). 

Схема наблдения радиосияний.

 

Рис.1

При этом отражения возникат большей часть одновременно с интенсивными магнитными возмущениями суббурями, т.е. при наличии интенсивных электрических полей и токов в Е-области ионосферы. Отличительной особенность радиосияний в большинстве случаев является острая зависимость интенсивности рассеянного сигнала от угла ψ между направлением луча радиолокатора и плоскость, перпендикулярной к силовым линиям магнитного поля Земли, т.е. обычно отражение имеет место лишь при ψ £ 1° . Области радиосияний при этом локализованы на высотах 90120 км.

в

Явление рассеяния УКВ от неоднородной ионизованной среды на высотах 100 – 130 км в зоне полярных сияний во время геомагнитных возмущений. С помощью полярных радиотражений можно регистрировать слабые диффузные полярные сияния, не наблюдаемые оптическими методами. Причина возникновения полярных радиотражений (как и полярных сияний) – вторжение заряженных частиц из магнитосферы Земли в ионосферу вблизи полюсов. Однако для появления полярных радиотражений необходимо ещё и наличие ионосферного электрического поля Е = 20 мВ/м. При более низкой величине электрического поля неоднородности ионосферы, ответственные за рассеяние УКВ, не генерируются и полярных радиотражений не наблюдаются.

Авроральные радиоотражения (англ., франц. auroral – напоминающий полярное сияние, вызванный полярным сиянием) – явление, наблюдаемое при КВ- и УКВ-радиолокации ионосферы; обусловлено рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферной плазмы в зоне полярных сияний.

 

 

В 70х годах ХХ века в области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других широкое распространение получили двухзеркальные антенны, которые довольно широко используются и по сей день. Основными достоинствами осесимметричных двухзеркальных антенн по сравнению с однозеркальными являются:
1. Улучшение электрических характеристик, в частности повышение коэффициента использования поверхности антенны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности основного зеркала.
2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.
3. Уменьшение длины волноводных трактов между приемопередающим устройством и облучателем, например, путем размещения приемного устройства вблизи вершины основного зеркала.
Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.
В классических схемах Кассегрена и Грегори используется следующее геометрооптическое свойство отражения сферической волны от поверхностей второго порядка: сферическая волна, излучаемая источником с фазовым центром, совпадающим с одним из фокусов произвольной поверхности второго порядка, в результате переотражения от нее преобразуется снова в сферическую волну, но с фазовым центром, совпадающим с другим фокусом.
Принцип работы двухзеркальных осесимметричных антенн, построенных по классической схеме Грегори, поясним на основе законов геометрической оптики. Для удобства рассмотрим работу антенн на передачу.
Схема Грегори предложена в 1663 г. для построения оптических телеcкопов. Основное зеркало в антенне, как и в схеме Кассегрена, является симметрично усеченным параболоидом. Вспомогательное зеркало – симметрично усеченный эллипсоид вращения, конфокальный параболоиду в точке Oi с фокальной осью, совпадающей с фокальной осью 00 параболоида. Второй фокус эллипсоида О лежит на оси параболоида и обычно располагается вблизи вершины параболического зеркала. С этим фокусом совмещается фазовый центр источника.
Как известно сумма расстояний от фокусов эллипсоида до произвольной точки на его поверхности постоянна и равна расстоянию между вершинами эллипсоида 2а. Разность расстояний между вершинами эллипса 2а и его фокусами 2С равна удвоенному фокусному расстоянию эллипса f = OТ Кроме того, эллипс характеризуется эксцентриситетом е, величина которого всегда меньше единицы.
В соответствии с сформулированным выше свойством отражения от поверхностей второго порядка волна, созданная источником, после отражения от поверхности вспомогательного зеркала снова оказывается сферической с действительным фазовым центром, совпадающим с точкой О1 Следовательно, дальнейший ход лучей в антенне такой же, как и в обычной однозеркальной схеме с параболическим зеркалом. Все лучи в схеме Грегори приходят к плоскости Q1, параллельной плоскости раскрыва, с постоянной равной фазой, соответствующей длине оптического пути.
Отметим, что при одинаковом угловом растворе параболоидов осевой размер антенны Грегори больше осевого размера антенны Кассегрена.
Удаление второго фокуса О эллипса в бесконечность ведет к образованию частного случая схемы, когда вспомогательное зеркало представляет собой вырезку из конфокального основному зеркалу параболоида 2 с совпадающей фокальной осью. Облучение вспомогательного зеркала производится источником плоской волны, например малой рупорно-параболической антенной.
Как видно из рисунка, если угол раствора параболической составляющей превышает 90 градусов, то отраженный от одной половины малого зеркала луч на пути к большому встретит вторую половину малого зеркала, т. е. будет им затенен. Поэтому в антенне Грегори угол раствора параболической составляющей может быть взят лишь меньше 90°. В соответствии с этим реализуемыми по по схеме Грегори являются только длиннофокусные антенны.
В антенне Грегори имеет место инверсия (обращение) отраженного поля лучи, падающие на одну половину вспомогательного зеркала, отражаются на противолежащую половину основного.
На практике наиболее распространены антенны Кассегрена как из-за их меньшего осевого размера, так и благодаря возможности реализации короткофокусных систем, имеющих в ряде случаев определенные преимущества по электрическим характеристикам перед длиннофокусными системами.
Иногда в одной антенне осуществляется совмещение двух схем: однозеркальной и двухзеркальной. Такая антенна в коротковолновой части СВЧ диапазона работает по схеме Грегори с облучателем, расположенным вблизи вершины параболоида, а в длинноволновой – по однозеркальной схеме, причем вспомогательное зеркало используется как часть рупорного излучателя, фидерная линия к которому подводится через плоскость раскрыва антенны. 

Тем не менее ряд областей спутниковой связи не может обойтись без антенн построенных по схеме Грегори. Примером использования схемы Грегори в антенностроении может стать Мобильная антенная система Ku – диапазона разработанная Научно производственным объединением прикладной механики (НПО ПМ) имени академика Решетнева.
Антенна предназначена для работы в составе мобильной наземной станции спутниковой связи и обеспечивает прием и передачу СВЧ сигналов с геостационарного спутника, в диапазоне 11-14 ГГц с линейной поляризацией сигнала.
Данная антенна типа Грегори выполнена в виде несимметричной вырезки цилиндром диаметром 1500 мм из параболоида с фокусом 1000 мм, с осью цилиндра параллельной фокальной оси параболоида и смещенной от фокальной оси параболоида на 850 мм. состоит из :
- складного сетчатого рефлектора зонтичной конструкции с металлическим радиоотражающим сетеполотном;
- облучающей системы с использованием контррефлектора;
- механизма раскрытия рефлектора;
- опорно-поворотного устройства для нацеливания антенны по углу места и азимуту;
- транспортировочного контейнера.
Рабочая поверхность рефлектора образована вырезкой из параболоида вращения с апертурой основного зеркала диаметром 1.5 м.
Количество спиц рефлектора подобрано с таким расчетом, чтобы обеспечить точную отражающую поверхность и как следствие обеспечить минимальные боковые лепестки излучения и наилучшее подавление перекрестных поляризационных искажений.
Радиоотражающее сетеполотно повышенной прочности и устойчивости к складыванию, обладает высокими радиотехническими свойствами. Коэффициент радиоотражения сетеполотна при рабочем усилии натяжения не менее 97%. Изготовлено сетеполотно из металлической проволоки с гальваническим никелем. Плетение сетеполотна обеспечивает отсутствие самораспускания при обрыве отдельных нитей.
Облучающая система состоит из облучателя, фильтров, элементов волноводного тракта и опорной системы, позволяющей неоперативно подстраивать поляризацию в пределах ±95 градусов.
Механизм раскрытия рефлектора, исполнительным устройством которого является пара винт-гайка, прост в эксплуатации и долговечен.
Опорно-поворотное устройство позволяет нацеливать антенну в пределах ±30 градусов по азимуту и от 5 до 45 градусов по углу места.
К достоинствам такой мобильной антенны можно отнести, малый вес – 35кг., компактность в сложенном состоянии, минимальное время установки на месте и раскрытия 3-5мин., что позволяет легко справляться с обслуживанием антенны одному человеку.