Рупорные антенны. Основные типы рупорных антенн

Волноводные излучатели имеют широкую ДН, малый КНД, плохо согласованы со свободным пространством. Для повышения направленности, КНД и улучшения согласования   переходят   к   рупорным   антеннам.

Рупорная антенна состоит из   рупора — отрезка   волновода   с плавно расширяющимся сечением и устройства питания рупора — волновода   с   возбуждающим   устройством.

Рупор преобразует   участок   плоской   полны   малых размеров в поперечном сечении волновода в участок приблизительно плоской волны, значительно больших размеров в раскрыве рупора. Это приводит к  сужению ДН и увеличению КНД по сравнению с волноводным излучателем. Кроме того, увеличение размеров поперечного сечения приводит в большинстве случаев   к тому, что волновое сопротивление рупора стремится к волновом сопротивлению  свободного   пространства,   что   улучшает   согласование  антенны со свободным пространством.

К числу основных типов рупорных антенн относятся (pис.1)  секториальный, пирамидальный и  конический  рупоры.

Секториальным рупором называют   такой   рупор,   у   которого увеличивается лишь один размер поперечного сечения прямоугольного волновода, а второй размер остается постоянным. Различают Н-секториальный рупор  (рис. 1 а), когда увеличивается   размер волновода в плоскости Н, и Е-секториальный рупор  (рис.1 б) когда увеличивается размер волновода в плоскости Е.

Рис. 1

Пирамидальным рупором  (рис.  1 в)  называют такой  рупор у которого увеличиваются размеры в обеих плоскостях.

Конический рупор  (рис. 1 г) —это рупор с расширяющимся круглым поперечным сечением.

  Антенны в виде открытого конца волновода обладают слабой направленностью, и их коэффициент усиления находится обычно в пределах 6—7 дБ. Такие антенны чаще всего используют в ка­честве элементов фазированных антенных решеток, в облучателях простейших параболических антенн, а также в качестве слабона­правленных антенн летательных аппаратов.

Для увеличения направленности и уменьшения отражения от открытого конца волновода применяют рупорные излучатели. На рис. 1 а показан Н-секториальный рупор, расширяющийся в плос­кости вектора Н. В рупоре возникает волна, подобная волне Н₁₀ в прямоугольном волноводе. Однако секториальный рупор отлича­ется от волновода тем, что в нем фронт волны образует цилиндри­ческую поверхность, фазовая скорость является переменной ве­личиной, зависящей от отношения a/l, поле на большом расстоя­нии от горловины рупора принимает вид чисто поперечной волны.

Фазовая скорость приближенно определяется форму­лой (1) и вблизи раскрыва рупора приближается к скорости света, что приводит к уменьшению отражения волны от излучающей поверхности раскрыва.

Если угол раствора рупора l_н мал, то фронт волны в выходном отверстии близок к плоскому и для расчета ДН в плоскости Н может быть использована формула (1). Главный лепесток ДН сужается примерно во столько же раз, во сколько увеличивается размер а раскрыва рупора по сравнению с размером широкой стенки прямоугольного волновода. При увеличении угла раствора рупора а_н фронт волны в раскрыве искривляется, а это приводит к расширению ДН. Фаза поля на краю раскрыва по сравнению с ее значением в середине раскрыва может быть определена по приближенной формуле, полученной из геометрических построений :

  (2)

где R— длина рупора. Распределение фазы поля в выходном отверстии рупора подчиняется квадратичному закону.

Как показывают расчеты, КНД рупорной антенны при фиксированной длине рупора имеет характерную зависимость от размера раскрыва , показанную на рис.2. Наличие максимума объясняется тем, что при увеличении угла раствора рупора, с одной стороны, увеличивается относительный размер раскрыва , что ведет к сужению ДН, с другой —

Рис 2.    Зависимость КНД от размеров Н-сек­ториального рупора

согласно (2) быстро увеличивается квадратичная фазовая ошибка |Ф₂|, ведущая к расширению ДН. В результате действия двух этих факторов при определенном электрическом размере раскрыва имеет место максимальный КНД. Оказывается, что при любой длине рупора максимум КНД получается при квадратичной фазовой ошибке на краю рупора, равной 135°. Н-секториальный рупор, удовлетворяющий этому условию, принято называть оптимальным. Полный КИП оптимального Н-секториального рупора равен примерно 0,64 (0,81 — апертурный КИП, обусловленный спадающим до нуля на краях раскрыва амплитудным распределением; 0,79 — КИП, обусловленный квадратичной фазовой ошибкой).

Наряду с Н-секториальными  применяют Е-секториальные рупоры, расширяющиеся в плоскости вектора Е. Ширина ДН в плоскости Н- Е-секториального рупора такая же, как и у открытого конца волновода, а в плоскости Е ширина луча с увеличением размера bуменьшается, если угол раствора  взят достаточно малым. В Е-секториальном рупоре амплитудное распределение поля в раскрыве приблизительно равномерное и квадратичная фазовая ошиб­ка  на краю раскрыва,  соответствующая оптимальному рупору с наибольшим КНД, составляет 90°. При |Ф₂|< 45° ДН в плоскости Е может быть рассчитана по формуле (1).

Наиболее широко применяются пирамидальные рупоры с прямоугольным поперечным сечением (рис. 3). Эти рупоры позволяют сужать ДН как в плоскости Н, так и в плоскости Е. В пирамидальном

Рис. 3. Пирамидальный рупор

рупоре образуется сферическая волна, фазовая скорость которой является переменной и у открытого конца приближается к скорости света. Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно — рупор согласовывает волновод с открытым пространством. Фазовые искажения поля в раскрыве могут быть определены по формуле (2) в плоскости Н и по аналогичной формуле (при замене aна b) в плоскости Е. При небольших фазовых искажениях (при |Ф₂|<45⁰) ДН пирамидального рупора мало отличаются от ДН синфазного прямоугольного раскрыва с соответствующим амплитудным распределением и поэтому могут быть рассчитаны по формулам (1) и (2). Для уменьшения длины рупора обычно допускается квадратичное искажение фазы поля в раскрыве |Ф₂| = 135° в плоскости Н и |Ф₂| =90° в плоскости Е.

Такой рупор, как отмечалось, называется оптимальным, и его КИП грубо оценивается формулой , где первый множитель учитывает неравномерность амплитудного распределения в плоскости Н, а второй — наличие квадратичных фазовых искажений в плоскостях Е и Н.

Помимо рупоров прямоугольного поперечного сечения находят применение рупоры круглого сечения, а именно конические рупоры. Они образуются путем расширения открытого конца круглого волновода, возбуждаемого волной Н₁₁. Излучение конического рупора аналогично излучению пирамидального рупора, и он также имеет оптимальные размеры, которые можно рассматривать как средние между размерами оптимальных Е- и Н-плоскостных рупоров.

Достоинствами рупорных антенн являются простота и неплохие диапазонные свойства. Практически все оптимальные и более длинные рупоры могут быть использованы во всей рабочей полосе частот питающего волновода. Самостоятельно рупорные антенны чаще всего применяются в измерительных установках, например как эталонные антенны с известным коэффициентом усиления. Кроме того, рупоры широко используются для облучения зеркальных и линзовых антенн, а также в конструкциях антенн других типов, например импедансных.

Основным недостатком рупорной антенны является наличие фа­зовых искажений в раскрыве. Для уменьшения этих искажений приходится увеличивать длину рупора.

 Для получения, например, ширины ДН, равной 5°, длина Н-рупора должна быть больше 60л,, т. е. рупор оказывается весьма громозд­ким. Отсюда видно, что формирование острых ДН с помощью обычных рупорных антенн затруднено. Этот недостаток можно устранить несколькими способами:

  1) использованием  многорупорных  антенн. Апер­тура размером L образуется n рупорами   с   апертурами L/n . При этом длина антенны R может быть уменьшена в n^2 раз. Этот спо­соб, однако, сильно усложняет как саму антенну, так и систему пи­тания ее;

  2) коррекцией фазовых искажений с помощью фазовыравнивающих устройств. В качестве последних используются или ди­электрические линзы, устанавливаемые в раскрыве рупора (рис. 4 а), или геодезические (металловоздушные) линзы (рис. 4 б). Профиль геодезической линзы выбирается так, что-

Риг. 4

бы длина геометрического пути от вершины рупора до любой точ­ки раскрыва была одной и той же. Очевидно, что использование геодезических линз возможно только в векториальных рупорах. Рупорные антенны имеют ряд ценных качеств: они просты по конструкции, диапазоны, имеют относительно низкий уровень бо­ковых лепестков. Однако они неудобны для создания узких ДН из-за ограничений налагаемых фазовыми искажениями поля в раскрыве. Рупорные антенны без фазовой коррекции используются для формирования широких ДН (десятки градусов). Такие антен­ны широко применяются как облучатели зеркальных и линзовых антенн и в качестве антенн измерительных приборов.

Для формирования узких ДН  (единицы градусов)   применяют рупорные антенны с фазовыравнивающими устройствами. Еще более острые ДН можно получить, используя системы из большого числа   рупоров — антенные   решетки.

Список литературы:

1.  Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. – М.: Энергия, 1975.

2.  Шифрин Я.С. Антенны. ВИРТА им. Говорова Л.А. 1976.

3.  Гавеля Н.П., Истрашкин А.Д., Муравьев Ю.К. Серков В.П. Антенны. Под ред. Муравьева Ю.П. ВКАС. 1963. Ч.1, ч2.

Федеральное агентство по образованию РФ

Красноярский государственный технический университет

Рупорные антенны

Выполнил: ст-т гр. Р 52-4

                                                                                              Шолотов П.А.

                                                                                         Проверил: Пузиков Г.С.

Красноярск 2005 г.