Рупорные антенны

Введение

АНТЕННА - устройство, предназначенное для излучения в свободное пространство и приема из свободного пространства энергии электромагнитных волн (т.е. электромагнитных излучений с длинами волн в пределах от – 20 000 м до -1мм). В качестве примеров использования антенн можно привести радио и телевещание, дальнюю радиосвязь на коротких волнах и микроволнах, отраженных спутниковыми антеннами, радиолокацию – в основе всех этих физических процессов и технических систем лежит передача энергии в форме электромагнитных волн через воздушное  и космическое пространство. Требования к основным характеристикам антенны определяются ее целевым назначением. Антенны могут быть предназначены только для передачи или приема, но обычно они могут выполнять одновременно обе эти функции. Если антенны представляют собой взаимные устройства, например, не содержат ферритовых элементов, их характеристики на приеме и передаче полностью совпадают.

    Первоисточником  электромагнитного излучения (электромагнитных  волн ) являются движущиеся заряды ( переменные  токи проводимости ), поэтому излучать электромагнитную энергию в свободное пространство при определенных условиях может любой проводник.  Система передающая антенна – свободное пространство - приемная антенна обычно является взаимной системой ,а основные параметры в режиме передачи и приема являются одними и теми же.

  В технике СВЧ для  приема и передачи часто применяются  одинаковые антенны. Нередко в  приемопередающем устройстве используется  одна и та же антенна. Следует  подчеркнуть, что антенна не  только выполняет функции излучения  и приема электромагнитной энергии,  но и обеспечивает требуемое  распределение плотности излучения  в пространстве (направленность), решая  при этом ряд технических задач , связанных с увеличением информационной способности и улучшением других важнейших характеристик радиосистем.

 КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН: по диапазону радиоволн, применению, общности отдельных характеристик (полосы пропускания, диаграммы направленности и т. д.) и принципу действия. Наиболее целесообразно антенны классифицировать по принципу действия, который во многом определяет форму , основные характеристики и применение антенн. В соответствии с этим антенны можно разделить на три группы:

1. Линейная антенна – излучающая система с поперечными размерами значительно меньше длины волны и переменными токами, текущими вдоль оси системы. К линейным антеннам, применяемым в диапазоне СВЧ, относятся вибраторы.
2. Антенная решетка – система однотипных излучателей, расположенных определенным образом и возбуждаемых одним генератором или несколькими когерентными генераторами. Типичными антенными решетками являются директорная антенна, щелевая антенна, поверхностные антенны из полуволновых симметричных вибраторов и др.
3. Апертурная антенна – устройство, отличающееся тем, что его выход можно представить как некоторую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии. Эта поверхность, называемая апертурной , или раскрывом, обычно больше длины волны. К апертурным антеннам относятся системы акустического типа (зеркала и линзы), а также антенны поверхностной волны.

   ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО АНТЕНН - обеспечивать эффективный прием электромагнитных сигналов или излучение электромагнитного поля в определенном направлении. Направленность антенн характеризуется специальными графиками (рис. 1) – диаграмма направленности (ДН). Такие диаграммы определяют для горизонтальной и вертикальной плоскостей. Для этого используются как декартовые, так и полярные координаты. Диаграммы направленности ДН можно описать числовыми данными, которые указывают углы раствора главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также количество боковых лепестков, их интенсивность и положение в пространстве.

 

 

     Рис. 1Пространственная диаграмма направленности антенны. Главный и боковые лепестки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РУПОРНАЯ АНТЕННА представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

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 (до -40 Дб) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 Дб) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

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.

На радиотелескопе в Холмдейле, представляющем собой радиометр Дикке на основе рупорно-параболической антенны, Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение

 

 

 

 

 

 

 

 

                  

                                                                     Рис.1

Типы рупорных антенн: А) Е-секториальный Б) Н-секториальный В) Пирамидальный

 Г) Конический

 

 

Рупорная антенна образуется в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. При расширении только в одной плоскости образуется Н- или Е- секториальный рупор. При расширении волновода в обоих плоскостях образуется пирамидальный рупор. При расширении круглого волновода получается конический упор.

                                                                                                                                                                                           Пирамидальная рупорная антенна

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

 

 

где:  — площадь раскрыва рупора.  
λ - длина волны основного излучения. 
- 0,4....0,8 КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0,6 для случая, когда разность хода центрального и периферийного лучей менее, но близка к Pi/2, и 0,8 при применении выравнивающих фазу волны устройств. Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H: 
       

 

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости 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 обеих плоскостях , выбирают: 

 

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

 

где и — высоты граней пирамиды, образующей рупор.

 

 

 

 

 

По другому  источнику:

Где L_H - ширина раскрыва в плоскости Н, L_E - ширина раскрыва в плоскости Е, R_E и R_H - длины рупора.

Для такой антенны КНД в упрощенном виде рассчитывается по формуле D_руп.=4piνS/λ²  
Где: S = L_H * L_E - площадь раскрыва рупора; 
λ - длина волны основного излучения; 
ν = 0,4....0,8 - коэффициент использования поверхности (КИП);

В коническом рупоре, оптимальная длина R_{опт. кон.} зависит от диаметра его раскрыва d: 
                                               R_{опт. кон.} = d²/2,4λ + 0,15λ 
КИП оптимального конического рупора v=0,5. Ширина диаграммы направленности рупора с оптимальной длиной.

Тип рупора	Ширина диаграммы направленности в плоскости Н	Ширина диаграммы направленности в плоскости Е
Е-секториальный	2Θ0,7=68λ/LH	2Θ0,7=53λ/LE
Н-секториальный	2Θ0,7=80λ/LH	2Θ0,7=51λ/LE
Пирамидальный	2Θ0,7=80λ/LH	2Θ0,7=53λ/LE
Конический	2Θ0,7=60λ/d	2Θ0,7=70λ/d

 

Если взять эллиптический  рупор, с соотношением осей эллипса 1,25, то можно получить приблизительно одинаковую ширину диаграммы направленности, во всех сечениях, проходящих через  ось рупора.

Достоинством рупорной антенны является ее широкополосность, определяемая широкополосностью питающего волновода, к.п.д. рупорной антенны равен единице.

Открытый конец волновода  можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ, но такие излучатели являются слабонаправленными. Кроме  того открытый конец волновода отражает заметную часть СВЧ – энергии, не излучая ее в свободное пространство. Коэффициент отражения открытого  волновода равен 0.25 … 0.3.

 Расширение волновода,  образующее рупор, улучшает направленность  и уменьшает отражение. Коэффициент  отражения используемых рупоров  близок к нулю.

 Если волновод расширен  по одной из сторон, образуется  секторный Е – или Н –  рупор. Рупор, расширенный по  обеим плоскостям, называется пирамидальным.

 Секторный рупор образует  веерообразную диаграмму. Рупор,  расходящийся в магнитной плоскости  ( Н – рупор), имеет меньше побочного изучения, чем рупор, расходящийся в электрической плоскости ( Е – рупор), и поэтому предпочтительнее.

 В раскрыве рупора образуется электромагнитное поле со взаимно перпендикулярными векторами Е и Н. Поверхность равных фаз этих векторов не плоская, а имеет сферическую или цилиндрическую форму, что ухудшает характеристики направленности антенны по сравнению с характеристиками направленности изучающей плоской поверхности.

 

 

 

 

Разрез гофрированной рупорной антенны

Открытый конец волновода  можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ, но такие излучатели являются слабонаправленными. Кроме  того открытый конец волновода отражает заметную часть СВЧ – энергии, не излучая ее в свободное пространство. Коэффициент отражения открытого  волновода равен 0.25 … 0.3.

 Расширение волновода,  образующее рупор, улучшает направленность  и уменьшает отражение. Коэффициент  отражения используемых рупоров  близок к нулю.

 Если волновод расширен  по одной из сторон, образуется  секторный Е – или Н –  рупор. Рупор, расширенный по  обеим плоскостям, называется пирамидальным.

 Секторный рупор образует  веерообразную диаграмму. Рупор,  расходящийся в магнитной плоскости  ( Н – рупор), имеет меньше побочного изучения, чем рупор, расходящийся в электрической плоскости ( Е – рупор), и поэтому предпочтительнее.

 В раскрыве рупора образуется электромагнитное поле со взаимно перпендикулярными векторами Е и Н. Поверхность равных фаз этих векторов не плоская, а имеет сферическую или цилиндрическую форму, что ухудшает характеристики направленности антенны по сравнению с характеристиками направленности изучающей плоской поверхности.

Рупорные гибридные излучатели с высоким коэффициентом использования апертуры и низким уровнем кросс-поляризации обычно используются в широкополосных или многолучевых антеннах современных телекоммуникационных систем. Такие приложения обычно требуют тщательного анализа и оптимизации параметров антенны для основного и высших типов волн. Несмотря на то, что существует много различных инструментов анализа для расчета рупорных антенн, синтез и оптимизация широкополосных высоконаправленных рупоров с малым уровнем паразитной поляризации все еще представляют собой сложную задачу. Существуют рупоры различного типа, такие как обычные гофрированные рупоры, рупоры с криволинейными стенками и рупоры Поттера.

 

 конические и двухмодовые рупороры  Поттера

 модифицированные  рупоры Поттера;

 рупоры со стенкой криволинейного профиля;

 гофрированные рупоры с гребнями, расположенными поперек оси антенны;

 гофрированные рупоры с гребнями, нагруженными кольцевыми резонаторами;

 гофрированные рупоры с продольными гребнями;

 гофрированные рупоры на базе коаксиального волновода;

 гофрированные рупоры гибридного типа с поперечными или продольными гребнями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ: Изучить основные параметры рупорной антенны с помощью программы Antenna Magus. Исследовать зависимость диаграммы направленности от внешних параметров антенны

 

         Начальные параметры

 

 

 

Изменяем параметр

 Lf другие оставляем неизменными. Следим за изменением диаграммы направленности икоэффициента отражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Lf = min (4.279 mm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Lf = 7.359 mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Lf = 10.06 mm