Достоинства и недостатки рупорных антенн. Расчёт директорной антенны

Апертурная антенна - антенна, излучающая с раскрыва. Примерами таких антенн являются рупорные, зеркальные, линзовые и другие типы антенн.

Их конструкции и принцип действия аналогичны соответствующим акустическим и оптическим системам. Применяют апертурные антенны от волн короче 1 м вплоть до субмиллиметровых волн. Столь малые длины волн позволяют сконструировать антенны, размеры которых много больше длины волны, и создать остронаправленные антенны сравнительно небольших размеров.

Рупорные антенны

Рупорные антенны - один из основных видов антенн сантиметрового диапазона волн. Простота конструкции, удобство выполнения расчетов при хорошем совпадении теории и эксперимента, отсутствие потерь в тракте питания - вот те преимущества, которые позволяют использовать данный тип антенн для различных практических целей и применять их в качестве эталонных для проведения различных измерений. Единственным недостатком рупорной антенны является ее большая длина. Уменьшить длину рупора можно за счет помещения в ее раскрыв (апертуру) диэлектрической линзы, выравнивающей распределение фазы. Равномерность фазы может быть осуществлено как при использовании однородного диэлектрика за счет изменения его толщины, так и за счет использования неоднородных сред.

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 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.

Рис. 1

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

где -- площадь раскрыва рупора, -- КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к р / 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 обоих плоскостях, выбирают

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

где и -- высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Элементарным излучателем в них является, как уже отмечалось, элемент Гюйгенса. На рис.1 показана зеркальная антенна с раскрывом S и элементарный излучатель dS. Форму элементарного излучателя можно задать либо в прямоугольных координатах X,Y, либо в полярных в зависимости от формы раскрыва. От этого будет зависеть сложность математических преобразований при определении параметров антенны.

Излучение происходит из открытого конца волновода. Для канализации электромагнитной энергии используется волноводы прямоугольного или круглого типа.

Однако волноводы могут быть использованы не только для канализации электромагнитной энергии, но и для ее излучения.

Открытый конец волновода можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ.

Открытый конец волновода представляет собой площадку с электромагнитным полем.1

Особенности электромагнитного поля в открытом конце волновода.

1. Волна не является поперечной типа ТЕМ. (имеет более сложную структуру).

2. Кроме падающей волны присутствует отраженная.

3. Наряду с основным типом волны на конце волновода присутствуют высшие типы волн.

Кроме того поле присутствует не только в раскрыве волновода, но и на внешней поверхности вследствие затекания на эту поверхность токов с конца волновода.

Учет этих факторов очень усложняет задачу определения поля излучения из открытого конца волновода, и ее строгое математическое решение встречает большие трудности. По этой причине обычно применяют приближенные методы решения. Для этого решения задачу разбивают на две задачи: внутреннюю и внешнюю.

1) Внутренней задачей является нахождения поля в раскрыве волновода.

2) Внешней задачей является нахождение поля излучения по известному полю в раскрыве.

Рассмотрим прямоугольный волновод.

Основной тип волны .

Рис. 45. Прямоугольный волновод (а) и структура поля в нем при волне типа : в плоскости xOy (б); в плоскости xOz (в); в плоскости yOz (г).

;

;

.

Напряженность падающего электромагнитного поля в середине раскрыва волновода.

Длина волны в волноводе.

Длина волны в свободном пространстве.

Комплексный коэффициент отражения.

Поле в дальней зоне:

Волновое сопротивление фронта волны на открытом конце волновода.

Волновое сопротивление среды равно .

С учетом найденных отношений поля в главных плоскостях

Площадь раскрыва волновода.

Диаграмма направленности открытого конца прямоугольного волновода.

Рис. 46. Диаграмма направленности излучения из открытого конца прямоугольного волновода при

Как видно из рисунков ширина диаграммы направленности большая. Для получения более острой диаграммы направленности сечение волновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраняется.

Плавное увеличение сечения волновода улучшает согласования его со свободным пространством.

Рис. 47.Основные типы электромагнитных рупоров.

Наибольшее распространение получили секториальные и пирамидальный рупора.

Рассмотрим продольное сечение прямоугольного рупора плоскостью E или H.

Рис. 48. Продольное сечение прямоугольного рупора.

Раскрыва рупора

Ширина раскрыва рупора.

Длина рупора.

Вершина рупора.

Исследование рупора как правило ведется приближенными методами из-за математических сложностей.

Первоначально определяется поле в раскрыве. При решении этой задачи рупор предполагается бесконечно длинным, а его стенки идеально – проводящими.

После решения внутренней задачи обычным методом решается внешняя задача, т.е. находится поле излучения.

H – плоскостной секториальный рупор.

Для нахождения структуры поля в рупоре используем цилиндрическую систему координат .

Волна будет иметь компоненты .

Рис. 49. Цилиндрическая система координат для анализа секториальных рупоров.

Решая систему уравнений Максвелла и используя асимптотические выражения функций Ганкеля для больших значений аргумента , получаем следующие значения для составляющих поля

(1)

.

Здесь напряженность электрического поля в точке рупора с координатами причем .

Формулы (1) показывают, что при больших составляющая и поле в рупоре представляет собой поперечную электромагнитную цилиндрическую волну. Вследствие того, что у большинства применяемых рупоров раскрыв плоский, а волна в рупоре цилиндрическая, поле в раскрыве не будет синфазным.

Для определения фазовых искажений в раскрыве рассмотрим продольное сечение рупора. Дуга окружности с центром в вершине рупора проходит по фронту волны и, следовательно, является линией равных фаз. В произвольной точке , имеющей координату , фаза поля отстает от фазы в середине раскрыва (в точке ) на угол

Рис. 50. К определению фазовых искажений в раскрыве рупора.

Так как обычно в рупорах , то можно ограничиться первым членом разложения

Формула (2) и является приближенными. Ими можно пользоваться, когда или . В применяемых рупорах эти условия обычно выполняются.

Иногда удобно максимальные фазовые ошибки в раскрыве рупора определять через его длину и половину угла раскрыва .

Формула верна при любых и .

Из формулы видно, что при заданной поле в раскрыве будет тем меньше отличаться от синфазного, чем больше длина рупора . Габаритные ограничения требуют нахождения компромиссного решения, т.е. определения такой длины рупора, при которой максимальный фазовый сдвиг в его раскрыве не будет превышать некоторой допустимой величины. Эта величина обычно определяется наибольшим значением коэффициента направленного действия, которое можно получить от рупора заданной длины. Для секториального рупора максимально допустимый фазовый сдвиг составляет , что соответствует следующему соотношению между оптимальной длиной рупора, размером раскрыва и длиной волны :

Для определения распределения амплитуд поля в раскрыве рупора примем

Таким образом, поле в раскрыве секториального рупора окончательно представим выражениями

Диаграмма направленности в плоскости

Характерные зависимости коэффициента направленного действия от относительного раскрыва рупора для различных длин рупора приведены ниже.

Рис. 51. Зависимость КНД Н – секториального рупора от относительной ширины раскрыва

при различной длине рупора.

Для того чтобы исключить зависимость коэффициента направленного действия от оси ординат отложено произведение . Из графиков видно, что для каждой длины рупора существует определенный раскрыв рупора , при котором коэффициент направленного действия максимален. Уменьшение его при дальнейшим увеличение объясняется резким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве.

Рупор, который при заданной длине имеет максимальный коэффициент направленного действия, называется оптимальным. Из кривых, изображенных на рис.3 видно, что при точки максимума кривых соответствует равенству

Если длину рупора взять больше , то при той же площади раскрыва коэффициента направленного действия возрастает, но не очень сильно. Точкам максимума коэффициента направленного действия соответствует коэффициент использования площади раскрыва .

Если длину рупора непрерывно увеличивать, то в пределе при мы получим синфазное поле в раскрыве рупора. Коэффициент использования синфазной площадки с косинусоидальным распределением амплитуды поля равен . Таким образом увеличение длины рупора по сравнению с его оптимальной длиной не может повысить коэффициент направленного действия более чем на

Коэффициент полезного действия рупорных антенн вследствие малых потерь практически может быть принят за единицу.

E-плоскостной секториальный рупор.

Поле в раскрыве плоскостного секториального рупора

(1)

Здесь ; расстояние от горловины рупора.

Из формулы (1) видно, что основным отличием поля в плоскостном рупоре от поля в волноводе является цилиндрическая форма волны. Вследствие этого в раскрыве рупора будут фазовые искажения, аналогичные искажениям в плоскостном рупоре.

Если угол раскрыва рупора невелик, то можно положить . В этом случае напряженность электрического поля в раскрыве может быть представлена:

Поле излучения секториального рупора в плоскости

(2)

Из этой формулы следует, что диаграмма направленности в плоскости плоскостного рупора такая же, как у открытого конца волновода.

Поле в плоскости :

(3) . . рупоров.

В этом случае формулу удобно представить в виде:

величины, стоящие в круглых скобках, непосредственно отложены по осям ординат на указанных графиках.

Рис. Типы рупорных антенн: а) Е -секториальный, б) Н -секториальный, в) пирамидальный, г) конический.

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.
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.

Характеристики и формулы:

Пирамидальная рупорная антенна:

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть расчитано 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 перифирийного лучей менее, но близка к Pi/2, и 0,8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА 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 обоих 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/λ 2
Где: S = L H * L E - площадь раскрыва рупора;
λ - длина волны основного излучения;
ν = 0,4....0,8 - коэффициент использования поверхности (КИП );

В зависимости от типа рупора, рупорные антенны делятся на Н - и Е - секториальные, пирамидальные и конические. Рупоры, размеры которых соответствуют максимальному значению КНД называются оптимальными. Для оптимальных Н -секториальных рупорных антенн длина рупора R H =L H 2 /3λ , для оптимальных Е -секториальных рупорных антенн R Е =L E 2 /2λ . КИП оптимального Н - и Е -секториального, пирамидального рупоров равен 0,64. Если условно увеличить длину рупора до бесконечности, то КИП антенны увеличится до 0,81.

В коническом рупоре, оптимальная длина R опт. кон . зависит от диаметра его раскрыва d :
R опт. кон. = d 2 /2,4λ + 0,15λ
КИП оптимального конического рупора v =0,5.

Табл. 1.2. Ширина диаграммы направленности рупора с оптимальной длиной.

Тип рупора	Ширина диаграммы направленности в плоскости Н	Ширина диаграммы направленности в плоскости Е
Е-секториальный	2Θ 0,7 =68λ/L H	2Θ 0,7 =53λ/L E
Н-секториальный	2Θ 0,7 =80λ/L H	2Θ 0,7 =51λ/L E
Пирамидальный	2Θ 0,7 =80λ/L H	2Θ 0,7 =53λ/L E
Конический	2Θ 0,7 =60λ/d	2Θ 0,7 =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.

Недостаток рупорных антенн заключается в необходимости выбора слишком большой длины рупора для получения остронаправленного излучения. Оптимальная длина рупора пропорциональна квадрату размеров раскрыва L H или L E , а ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна L H или L E в первой степени. Поэтому для сужения диаграммы направленности рупорной антенны в N раз, ширина раскрыва должна быть увеличена в N раз, а длина рупора - в N2 раз. Это обстоятельство накладывает ограничения на ширину диаграммы направленности рупорных антенн.

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.

Рупорная антенна относится к классу так называемых апертурных антенн. Апертура - это эффективная площадь раскрыва антенны. Такие антенны, в отличии от проволочных, «ловят волну» прямо своей апертурой и рупорная антенна - яркий тому пример. Это похоже на то как синий кит ловит планктон. Чем больше он раскроет пасть (апертуру ),- тем больше планктона (электромагнитной энергии ) поймает. Другими словами, коэффициент усиления рупорной антенны прямо пропорционален площади раскрыва рупора и мы можем достичь внушительного усиления просто увеличивая его размеры. Рупорные антенны широко применяются в профессиональной радиорелейной связи или как облучатели тарелок .

Делая простую рупорную антенну своими руками без специальных фазо-выравнивающих хитростей, типа H-образного рупора, мы можем достичь усиления до 20-25 dBi. К плюсам рупорной антенны можно отнести то, что она достаточно широкополосна и, следовательно, обладает хорошей повторяемостью , имеет достаточно простую конструкцию при относительно большом коэффициенте усиления. Из минусов можно упомянуть большой расход материала в сравнении, например, с панельной патч-антенной , имеющей такое же усиление, а также большую парусность. Многих анонимов отпугивает использование рупорных антенн в качестве измерительных эталонов в профессиональной технике. Куда нам с нашими жестянками до них! Ну а разве использовать в качестве антенны жестяную банку вместо отрезка круглого волновода - комильфо? А ведь она работает! Для большинства анонимов достать фольгированный стеклотекстолит, а тем более медные пластины или что-то в этом роде - достаточно проблематично и дорого. Поэтому использование оцинковки для изготовления рупорной антенны своими руками не только допустимо, но и экономически оправдано. Более того, можно применить фанеру или картон в сочетании с металлической фольгой. Одну из таких конструкций вы можете посмотреть по ссылке в конце статьи.

Рупорные антенны делятся на:

• конические
• секторальные
• пирамидальные
• гофрированные

Для изготовления своими руками лучше всего пригодны пирамидальные рупорные антенны. Рассчитать конструктивные размеры такой антенны вы можете воспользовавшись нашим онлайн калькулятором . Электромагнитная энергия, собранная рупором, попадает в отрезок прямоугольного волновода. Внутри волновода находится коаксиально-волноводный переход, примерно такой же, как и у баночной антенны. Меняя размер и положение штыря можно согласовать антенну в широком диапазоне как с 75-омным, так и с 50-омным фидером.