Рупорная антенна

В качестве излучателя электромагнитной энергии может быть использован открытый конец волновода.

Излучение волн из открытого конца волновода объясняется тем, что в отверстии существует переменное электромагнитное поле и размеры этого отверстия сравнимы с длиной волны. Следовательно, отверстие волновода можно рассматривать, как многовибраторную антенну. Характеристика направленности такого излучателя зависит от типа волны в волноводе и размеров отверстия.

Если в волноводе распространяется только одна простейшая волна, например Н 1О то характеристика направленности имеет примерно такую форму, как показано на рисунке 3.56:

Рис. 3.56. Излучающий волновод и его характеристики направленности.

Излучающий волновод применяется редко, т.к. в нем имеются следующие недостатки:

Отсутствует согласование (т.е. падающие волны отражаются от открытого конца волновода), поэтому в волноводе существует режим смешанных волн, что приводит к излишним потерям;

Характеристика направленности получается довольно широкой, т.к. размеры излучающего отверстия невелики по сравнению с длиной волны.

Рис. 3.57. Рупорная антенна: а) секторальная; б) пирамидальная; в) коническая.

Для сужения характеристики направленности необходимо увеличить размеры излучающего отверстия, сохранив в нем синфазное поле. Это можно сделать, если к открытому концу волновода присоединить рупорную антенну(рис. 3.57). На практике находят применение рупора трех видов: секторальные, пирамидальные, конические.

Первые два рупора возбуждаются прямоугольными волноводами, третий - круглым волноводом. При этом в волноводе используются основные типы волн.

Принцип работы рупорной антенны такой же, как и излучающего волновода. В отверстие рупора создается примерно синфазное поле, и это отверстие можно рассматривать как многовибраторную синфазную антенну. Рупор создает плавный переход от волновода к свободному пространству. Благодаря этому устраняется отражение волн от излучающегося отверстия рупора и достигается согласование волновода.

Характеристика направленности рупорной антенны зависит от ее размеров: длины - l , ширины - d , высоты - h , угла раскрыва.

На рисунке 3.58 показана примерная форма характеристики направленности секторального рупора. Из этого рисунка видно, что ширина главного лепестка характеристики будет меньше в той плоскости, в которой больше размера рупора.

Рис. 3.58. Характеристика направленности секторального рупора. а – в горизонтальной плоскости или плоскости Н; б – в вертикальной плоскости, или плоскости Е.

Недостатки рупорной антенны: громоздкость при узкой характеристике направленности. Этот недостаток можно устранить, если для получения острой характеристики применять несколько более коротких рупоров, расположенных рядом и синфазно возбуждаемыми.

Достоинства рупорной антенны: простота устройства, малые боковые лепестки.

Всантиметровом и миллиметровом диапазонах волн широко применяются пирамидальные и конические рупорные антенны (рис.1.10).

Пирамидальные рупоры возбуждаются прямоугольным волноводом, конические – круглым или, через плавный переход, прямоугольным. Если размер рупора В=b- ширине узкой стенки прямоугольного волновода, а размер А произвольный, рупор называется Н-секториальным (расширяется в плоскости вектора). Если расширение делается только в плоскости вектора(А=а – широкой стенке волновода), то рупор Е-секториальный. При расширении в обеих плоскостях – пирамидальный рупор.

Диаграмма направленности рупорной антенны определяется амплитудным и фазовым распределением поля в ее раскрыве. При небольших углах раскрыва рупора и при проведении оценочных расчетов ширины главного лепестка фазовыми искажениями можно пренебречь и воспользоваться данными табл. 3.1.

Размеры оптимального прямоугольного рупора связаны следующими соотношениями:

где
и
- длина оптимального рупора соответственно в плоскостях векторов Е и Н. Если
≠
, то длина рупораRвыбирается равной большему значению из них.

Ширина главного лепестка диаграммы направленности оптимального прямоугольного рупора по уровню половинной мощности в плоскости вектора определяется по эмпирической формуле:

,

а в плоскости вектора :

.

Ширина главного лепестка для оптимального конического рупора соответственно в плоскости векторов ирассчитывается следующим образом:

,

.

Длина оптимального конического рупора связана с его диаметром формулой:

.

Ширину главного лепестка рупорной антенны при другом уровне мощности можно определить из графиков, приведенных, например, в .

Если рупор является облучателем зеркальной антенны, то актуальным становится вопрос определения положения его фазового центра. Для рупорных антенн с максимальной фазовой ошибкой по краю апертуры Ψ max <100º÷120º, что соответствует оптимальным размерам, положение фазового центра для прямоугольного рупора в плоскости вектора Е рассчитывается по формуле:

в плоскости вектора

Аналогично для конического рупора

,
,

где
,
- расстояние от апертуры до фазового центра, соответственно в плоскостях векторови, а Ψ max – максимальная фазовая ошибка на краю апертуры конического

и прямоугольного

,

1.7 Директорные антенны

Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине:
(L– длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстоянийи
. Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении
, его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым.

Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.

Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение
все меньше отличается от критического замедления
, при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.

Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.

Обычно выбирают
. В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.

Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.

В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.

При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов . На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0,2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.

В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах . Длину активного вибратора l a во всех случаях можно брать равной λ/2.

Таблица 1.3

элементов										Коэффициент усиления по сравнению с λ/2 вибратором,

Расчет одиночного рупора

Рассчитаем длину волны? и волновое число k:

где с= 3*10 8 м/с - скорость света.

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н 10:

По полученному значению? выберем волновод марки R100 c размерами a*b=22.86*10.16 мм.

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора:

Найдем значения оптимальных длин рупора в плоскостях E и H:

Используем уравнение стыковки рупора с волноводом:

h 1 (1-a/a 1) = h 2 (1-b/a 2).

Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее:

Рассчитаем углы раскрыва рупорной антенны:

Рассчитаем и построим ДН рупора.

а) В плоскости Е

Рис. 3.

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 5,4 о.

б) В плоскости H

Рис. 4. Диаграмма направленности рупора в плоскости Н

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 4,9 о

Расчет диаграммы направленности антенны

1. Синфазный режим работы.

Диаграмма направленности линейки из рупорных антенн:

Множитель решетки определяется формулой:

где d - расстояние между излучателями.

В ДН множителя будут несколько дифракционных максимумов. Так как размеры раскрыва одного рупора равны 20*30 см, то не выполняется условие обеспечивающее существование одного максимума. Но до тех пор, пока дифракционные максимумы находятся за пределами основного лепестка ДН одного излучателя, в ДН решетки их не будет, так как они уничтожаются при перемножении диаграмм. Исходя из этого, определим расстояние между излучателями d opt , при котором в ДН линейки излучателей начинают появляться дифракционные лепестки:

d opt = ?/sin(? 0 изл) .

По ДН одиночного рупора находим, что в обеих плоскостях (Н- и Е-плоскости) ? 0 изл = 9 о, тогда

d opt = 3.1/sin9 o = 19.8 см.

Полученное значение d opt близко по значению размера раскрыва рупора в плоскости Е а 2 =20 см, поэтому возьмем расстояние между излучателями d = 20 см. Тогда расположение рупоров в антенне будет таким как изображено на рис. 5

Учитывая, что для синфазной линейки излучателей?? = 0, найдем диаграмму направленности всей антенны в плоскости Е по следующей формуле:

Рис. 6.

Ширину диаграммы направленности антенны по нулевому уровню и по уровню 0,5 определим следующим образом :

Уровень боковых лепестков:

Положение первого дифракционного максимума определим по формуле:

Диф = ± arcsin(p?? / d),

где р - номер дифракционного лепестка.

Диф = ± arcsin(3,1 / 20) = ±8,9о.

Диаграмма направленности линейки излучателей в Н - плоскости будет такой же, как и у одного излучателя в Н - плоскости.

2. Несинфазный режим работы.

Рассчитаем максимальное отклонение ДН антенны от нормали к ее поверхности:

Max = ? 0,7изл.

По графику ДН одиночного рупора в плоскости Е (рис. 3) определяем, что? max = 4 о.

Расстояние между излучателями решетки с электрическим качанием луча должно быть меньше оптимального . В нашем случае размер раскрыва рупора в плоскости, в которой происходит отклонение луча, равен оптимальному значению. Таким образом, уменьшить расстояние между излучателями невозможно, а значит, дифракционные лепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателя. Это приведет к росту боковых лепестков ДН антенны.

Разность фаз токов излучателей?? найдем из формулы, определяющей направление максимального излучения.

Диаграмму направленности антенны в несинфазном режиме найдем перемножением диаграммы одного излучателя в Е-плоскости F 2 (? 2) на множитель решетки F n (? 2) при?? = 2,8 рад.

Рис. 7.

Рассчитаем коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны.

где S а = S?n - площадь излучающей поверхности антенны.

Присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Свойства

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией - фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до −40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Применение

Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.

Характеристики и формулы

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:

$D=4\backslash pi\backslash frac\{S\}\{\backslash lambda^2\}\backslash nu$, где $S=L\_EL\_H$ - площадь раскрыва рупора, $\backslash nu$ - КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к $\backslash pi/2$, и 0.8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:

$2\backslash phi\_\{0H\}=170^\backslash circ\backslash frac\{\backslash lambda\}\{L\_H\}$

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:

$2\backslash phi\_\{0E\}=115^\backslash circ\backslash frac\{\backslash lambda\}\{L\_E\}$

Так как При равенстве $L\_E$ и $L\_H$ ДНА в плоскости Н получается в 1.5 раза шире, часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обоих плоскостях, выбирают

$L\_H=1\{,\}5L\_E$

Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более $\backslash pi/2$) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):

$\backslash frac\{\backslash pi\}\{4\backslash lambda\}\backslash left(\backslash frac\{L^2\_E\}\{R\_E\}\; +\; \backslash frac\{L^2\_H\}\{R\_H\}\; \backslash right)\backslash leqslant\backslash frac\{\backslash pi\}\{2\}$, где $R\_E$ и $R\_H$ - высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Типы рупорных антенн

• Пирамидальный рупор - антенны в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Они являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.
• Секторальный рупор - пирамидальные рупора с расширением только в одной плоскости Е или Н.
• Конический рупор - раскрыв в форме конуса с круглым сечением. Используются с цилиндрическими волноводами для получения волны с круговой поляризацией.
• Гофрированные рупора - раскрыв рупоров с параллельными щелями или канавки, малой по сравнению с длиной волны. Канавки покрывают внутреннюю поверхность рупора, поперек оси.

Гофрированные рупора имеют более широкую полосу пропускания, меньший уровень боковых лепестков и кросс-поляризации. Они широко используются в качестве облучателей для спутниковых параболических антенн и радиотелескопов.

Рупорно-параболическая антенна

Рупорно-параболическая антенна - тип антенны, в которой конструктивно связаны парабола и рупор. Преимуществом этой конструкции по сравнению с рупорной является низкий уровень боковых лепестков и узкая диаграмма направленности. Недостатком - больший вес, чем в параболических антеннах. Примером использования является рупорно-параболическая антенна в космической станции Мир, антенны для радиорелейных станций.

Настройка антенны

Настройка КСВ антенны производится в её волноводной части или в КВП выбором положения и размеров запитки КВП. Настройка в волноводной части производится штырями или диафрагмами.

Напишите отзыв о статье "Рупорная антенна"

Ссылки

• Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В. П. Чернышев, Д. И. Шейнман «Связь», 1973.
• Устройства СВЧ и антенны. Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв. Учебник для ВУЗов

Примечания

Отрывок, характеризующий Рупорная антенна

В это время в девичьей не только был известен приезд министра с сыном, но внешний вид их обоих был уже подробно описан. Княжна Марья сидела одна в своей комнате и тщетно пыталась преодолеть свое внутреннее волнение.
«Зачем они писали, зачем Лиза говорила мне про это? Ведь этого не может быть! – говорила она себе, взглядывая в зеркало. – Как я выйду в гостиную? Ежели бы он даже мне понравился, я бы не могла быть теперь с ним сама собою». Одна мысль о взгляде ее отца приводила ее в ужас.
Маленькая княгиня и m lle Bourienne получили уже все нужные сведения от горничной Маши о том, какой румяный, чернобровый красавец был министерский сын, и о том, как папенька их насилу ноги проволок на лестницу, а он, как орел, шагая по три ступеньки, пробежал зa ним. Получив эти сведения, маленькая княгиня с m lle Bourienne,еще из коридора слышные своими оживленно переговаривавшими голосами, вошли в комнату княжны.
– Ils sont arrives, Marieie, [Они приехали, Мари,] вы знаете? – сказала маленькая княгиня, переваливаясь своим животом и тяжело опускаясь на кресло.
Она уже не была в той блузе, в которой сидела поутру, а на ней было одно из лучших ее платьев; голова ее была тщательно убрана, и на лице ее было оживление, не скрывавшее, однако, опустившихся и помертвевших очертаний лица. В том наряде, в котором она бывала обыкновенно в обществах в Петербурге, еще заметнее было, как много она подурнела. На m lle Bourienne тоже появилось уже незаметно какое то усовершенствование наряда, которое придавало ее хорошенькому, свеженькому лицу еще более привлекательности.
– Eh bien, et vous restez comme vous etes, chere princesse? – заговорила она. – On va venir annoncer, que ces messieurs sont au salon; il faudra descendre, et vous ne faites pas un petit brin de toilette! [Ну, а вы остаетесь, в чем были, княжна? Сейчас придут сказать, что они вышли. Надо будет итти вниз, а вы хоть бы чуть чуть принарядились!]
Маленькая княгиня поднялась с кресла, позвонила горничную и поспешно и весело принялась придумывать наряд для княжны Марьи и приводить его в исполнение. Княжна Марья чувствовала себя оскорбленной в чувстве собственного достоинства тем, что приезд обещанного ей жениха волновал ее, и еще более она была оскорблена тем, что обе ее подруги и не предполагали, чтобы это могло быть иначе. Сказать им, как ей совестно было за себя и за них, это значило выдать свое волнение; кроме того отказаться от наряжения, которое предлагали ей, повело бы к продолжительным шуткам и настаиваниям. Она вспыхнула, прекрасные глаза ее потухли, лицо ее покрылось пятнами и с тем некрасивым выражением жертвы, чаще всего останавливающемся на ее лице, она отдалась во власть m lle Bourienne и Лизы. Обе женщины заботились совершенно искренно о том, чтобы сделать ее красивой. Она была так дурна, что ни одной из них не могла притти мысль о соперничестве с нею; поэтому они совершенно искренно, с тем наивным и твердым убеждением женщин, что наряд может сделать лицо красивым, принялись за ее одеванье.
– Нет, право, ma bonne amie, [мой добрый друг,] это платье нехорошо, – говорила Лиза, издалека боком взглядывая на княжну. – Вели подать, у тебя там есть масака. Право! Что ж, ведь это, может быть, судьба жизни решается. А это слишком светло, нехорошо, нет, нехорошо!
Нехорошо было не платье, но лицо и вся фигура княжны, но этого не чувствовали m lle Bourienne и маленькая княгиня; им все казалось, что ежели приложить голубую ленту к волосам, зачесанным кверху, и спустить голубой шарф с коричневого платья и т. п., то всё будет хорошо. Они забывали, что испуганное лицо и фигуру нельзя было изменить, и потому, как они ни видоизменяли раму и украшение этого лица, само лицо оставалось жалко и некрасиво. После двух или трех перемен, которым покорно подчинялась княжна Марья, в ту минуту, как она была зачесана кверху (прическа, совершенно изменявшая и портившая ее лицо), в голубом шарфе и масака нарядном платье, маленькая княгиня раза два обошла кругом нее, маленькой ручкой оправила тут складку платья, там подернула шарф и посмотрела, склонив голову, то с той, то с другой стороны.
– Нет, это нельзя, – сказала она решительно, всплеснув руками. – Non, Marie, decidement ca ne vous va pas. Je vous aime mieux dans votre petite robe grise de tous les jours. Non, de grace, faites cela pour moi. [Нет, Мари, решительно это не идет к вам. Я вас лучше люблю в вашем сереньком ежедневном платьице: пожалуйста, сделайте это для меня.] Катя, – сказала она горничной, – принеси княжне серенькое платье, и посмотрите, m lle Bourienne, как я это устрою, – сказала она с улыбкой предвкушения артистической радости.

Рупорная антенна

Рупорная антенна – это антенна, которая состоит из металлического рупора и радиоволновода, присоединенного к рупору. Рупорные антенны используются при направленном излучении и приеме радиоволн СВЧ-диапазона.

Кроме этого, рупорные антенны применяются как самостоятельные антенны в устройствах и приборах измерительной техники, спутниках связи и т. д. Диаграмма излучения антенны зависит от распределения поля в наибольшем сечении раструба, т. е. раскрыва рупора. Раскрыв определяется формой и геометрическими размерами поверхностей рупора. По форме различаются секториальный рупор, конический, пирамидальный и т. д. Кроме этого, бывают модификации рупорных антенн, такие как антенны с поверхностью в виде плавной кривой, с гладкой внутренней поверхностью и т. д. Подобные модификации улучшают электрические характеристики рупорной антенны. Они используются для получения диаграммы излучения с низкой мощностью боковых лепестков, с симметричной осью и т. д. Для коррекции свойств направлений рупорной антенны в раскрыв рупора помещают ускоряющие или замедляющие линзы. В частных случаях, чтобы рупорная антенна лучше согласовывалась с радиоволноводом, в них встраивают подстроечные элементы и согласующие секции, при этом рупор имеет параболическую образующую поверхность. Рупор антенны имеет поперечное сечение, которое увеличивается с одного конца раструба до другого. Благодаря сечению создается плавный переход от волновода к свободному пространству волнового сопротивления.

В рупорно-параболической антенне рупор излучает волны, падающие на сегмент параболоида. Отражаясь от сегмента, волны излучаются через раскрыв раструба. Чтобы получить плоские волны, фокус рефлектора должен быть смещен с фазовым центром рупора.

Рупорная антенна работает на прием, она вращается вокруг своей оси, которая располагается перпендикулярно плоскости. В плоскости характеристика направленности снимается. Кристаллический детектор с усилителем подключается к выходу рупорной антенны. При слабых сигналах в детекторе образуется квадратичная вольтамперная характеристика, в связи с этим квадрат напряженности поля соответствует показаниям индикатора. Источником электромагнитных волн является антенна, которая работает на передачу, она стационарна и находится на приличном расстоянии от рупорной антенны. Чтобы снять характеристику направленности антенны, ее поворачивают на определенный угол. После этого показания на приборе, прилегающем к антенне, фиксируются. Антенна поворачивается на угол, и ее данные фиксируются до тех пор, пока рупорная антенна не повернется на 360°, т. е., пока не совершит полный оборот вокруг своей оси.