2.4. Рупорные антенны

Рупорные антенны по существу представляют собой открытый конец волновода равномерно расширяющийся в одной или двух плоскостях (Е и Н). Поэтому целесообразно, сначала рассмотреть излучение открытого конца волновода с волной Н₁₀. Распространяющаяся по волноводу волна, дойдя до открытого конца, частично отражается обратно, а частично излучается. Строгого решения данной задачи для прямоугольного волновода до настоящего времени не найдено. Недостатком излучателя в виде открытого конца волновода является значительный коэффициент отражения от конца волновода. Для этого используют согласующие устройства в виде рупора.

Излучение открытого конца прямоугольного волновода.

Электромагнитное поле в сечении открытого конца волновода (раскрыве) прямоугольного волновода можно считать таким же, как в произвольном сечении волновода с волной H₁₀, т.е.

Определим поле в дальней зоне, считая, что в раскрыве волновода размером а×b с волновым сопротивлением W_H, размещены одинаково ориентированные излучатели Гюйген­са, (рис. 2.15). При этом волновое сопротивление свободного простран­ства равно W₀.

Рис. 2.15

Интегрируя по раскрыву волновода, полу­чим электрическую составляющую поля в глав­ных плоскостях (в плоскостях XOZ — плоскость вектора , YOZ — плос­кость вектора в волноводе соответственно):

Используя соотношение, (2.3) определим КНД открытого конца волновода. Так как из (2.19) следует, что амплитуда максимальной напряженности поля равна , а максимальная мощность, передаваемая по волноводу равна , с учетом (2.3) находим:

Излучение рупорных антенн. Для увеличения направленности и уменьшения отражения от открытого конца волновода используют рупорные антенны, к основным типам которых относятся: секториальные, пирамидаль­ные и конические рупоры. Секториальным называют рупор, у которого увеличивается один из размер поперечного сечения прямоугольного волновода, а второй остается неизменным, при увеличении размера волновода в плоско­сти Н называют H-секториальным рупором (рис. 2.16, а), при увеличении размера в плоскости Е называют называют E-секториальным (рис. 2.16, б).

Пирамидальный рупор, у которого увеличены размеры в двух плоскостях: Е и Н. Конический рупор выполнен на основе круглого волновода, его раскрыв может быть круглым, эллиптичес­ким или какого-либо другого вида.

Для определения диаграммы направленности рупорной антен­ны

будем считать, что токи не затекают на внешнюю поверхность рупора, а поле в раск­рыве рупора можно считать равным полю падающей волны в соответствующем сечении этого ру­пора при бесконечной его длине. При этом волны высших типов, возника­ющие вблизи раскрыва, не учитываем, также не учиты­ваем наличие отражений при достаточно длинном рупоре W_H → W₀. С учетом данных приближений можно с достаточ­ной степенью точности определить поле диаграммы направленности в области главного лепестка и нескольких первых боковых лепест­ков.

Д

Рис. 2.16

ля определения структуры поля надо знать амплитудно-фазовое распределение в раскрыве ру­пора. Определим его.

Анализ показывает, что в Н- и Е- секториальных рупорах в дальней зоне устанавливает­ся волна цилиндрического типа. Учитывая особенности рас­пространения такой волны для H-векториального рупора, можно получить следующее со­отношение для амплитудно-фазового распределения поля в рас­крыве:

где R_H и L_H соответственно длина и размер рупора в плоскости ; индекс «р» показьшает, что данное поле создается рупором (рис. 2.17, а).

Так как на практике обычно R_H > L_H, то

и

т. е. амплитудное распределение в раскрыве ру­пора в H-плоскости такое же, как в питающем его прямоугольном волноводе, а фаза изменяется по квадратичному закону.

Рис. 2.17

Аналогично для Е-секториального рупора получим следующее амплитудно-фазовое распределение в рас­крыве:

где — фазовая скорость волны в питающем волноводе; R_E и L_Е — длина и размер раскрыва рупора соответст­венно (рис. 2.17, б).

Амплитудное распределение в раскрыве рупора в плоскости Е равномерное, а фаза изменяется по квадратичному закону. В плоскости H амплитудное распределение косинусоидальное как в прямоугольном волноводе.

Распределение амплитуды и фазы в раскрыве пирамидального рупора (как при R_E = R_H, так и при R_E ≠ R_H) определяется соотношениями:

Амплитудно-фазовые распределения в раскрывах рупоров, полученные выше, позволяют определить создаваемые ими диаграммы направленности.

В Е- и H-плоскостях, получаются такие же диаграммы направленности, как и для линейных систем с равномерным (E-плоскость) и косинусоидальным (H-плоскость) амплитудными распределениями и квадратичными фазовыми рас­пределениями. При малых фазовых искажениях (в E-плоскости меньше в H-плоскости меньше ) можно считать раскрывы рупоров синфазными с амплитудным распределением

Соотношения для расчета полей вEиHплоско­стях, аналогичны выражениям для открытого конца прямоугольного волновода (2.19), в которых необходимо заменить значение а на L_H, b на L_E и W_H на W₀. При этом нормированные диаграммы направленности определяются соотношениями:

Определить ширину диаграммы направленности в главных плоскостях (в градусах) можно по следующим фор­мулам:

КНД рупорных антенн можно определить по формуле (2.3) или воспользоваться рассчитанными графиками, на ко­торых представлены зависимости КНД H- и E-секториальных рупоров в функции от размеров раскрыва при различных значениях относительной длины рупора — рис. 2.18. На приведенных графиках КНД соответственно D_H и D_E размер «b» — для H-рупора и «а» — для E-рупора взят равным длине волны λ, для которой определяются параметры рупора. Для рупоров, у которых этот размер не равен λ, полученные значения D_H и D_E следует умножить соответственно на или .

Максимум значений D_H и D_E (рис. 2.18) обусловлен тем, что увеличение размера раскрыва рупора или без увеличения или приводит к росту фазовых искажений на краю рупора и, следовательно, к падению КНД. А увеличение длины рупора при постоянной величине раскрыва приводит к увеличению затекания токов на внешнюю сторону рупора и увеличению уровня боковых лепестков. Это также приводит к снижению КНД. Поэтому есть оптимальные значения размеров Н

Рис. 2.18

- и E-секториальных рупоров. Оптимальным размерам рупоров, обладаю­щих максимальным значением КНД, соответствует пун­ктирная кривая графиков, показанная на рис. 2.18. Оптимальному рупору соответствует ве­личина фазовой ошибки на его краю раскрыва равная для H-рупора , а для E-рупора . Из этих условий определены размеры длины R оптимального рупора в зависимости от величины L_H и L_E раскрыва:

При этом ко­эффициент использования по­верхности оптимальных рупо­ров v_опт = 0,64, а ширина диаг­раммы направленности для оп­тимальных рупоров равна:

для H-рупора

для E-рупора

Для пирамидального рупора КНД находится по формуле:

D=0,1D_HD_E.

Значение D_H и D_E берутся из графиков рис. 2.18.

При известных значениях R_H и R_E пирамидального рупора его КНД определяется соотношением:

В оптимальном пирамидальном рупоре фазовые искажения на краях раскрыва в E-плоскости равны и в Н-плоскости - . При этом коэффициент использования поверхности та­кого рупора составляет величину v_пир=0,5.

Для формирования более узких диаграмм направленности с помощью рупоров используют фазокорректирующие устройства (линзы из диэлектрика, металлопластинчатые линзы и т.п.).

Рупорные антенны используются, как в качестве самостоятельных антенн, так и в качестве облучателей зеркальных антенн.