14. Апертурные антенны(рупорные, линзовые, параболические). Принцип работы, сравнительные характеристики. Оптимальные размеры. (Богачков)

Апертура - плоскость, которую можно выделить в раскрыве антенны. Это такие антенны, у которых может быть выделена плоская поверхность раскрыва S, формирующая остронаправленное излучение(зеркальные параболические, рупорные и линзовые апертурные антенны).Отличительная особенность таких антенн - высокая направленность КНД=10⁸ и более. Апертурные антенны первенствуют по направленности среди других типов антенных устройств.

КНД апертурных антенн связан с площадью раскрыва S и длиной волны λ общей формулой

. КИП - коэффициент использования поверхности, зависящий от вида амплитудно-фазового распределения возбуждения. Ширина луча по уровню (-3дБ) апертурной антенны в какой-либо плоскости, перпендикулярной поверхности раскрыва, обратно пропорциональна линейному размеру раскрыва L в этой плоскости:

ДН апертурной антенны

коэффициент раскрыва луча, зависящий от формы раскрыва и вида амплитудно-фазового распределения возбуждения

Апертурные антенны условно могут быть отнесены к антеннам с параллельной схемой питания элементов излучающей системы. Положительной особенностью параллельной схемы является сохранение синфазности элементов раскрыва и вида амплитудного распределния независимо от длины волны, поэтому многие конструкции апертурных антенн являются частотно-независимыми и допускают одновременную работу антенны в диапазонах от метровых до миллиметровых волн. КНД апертурных антенн может неограниченно возрастать, а ширина луча стремится к нулю при увеличении отношения .В реальных конструкциях апертурных антенн максимально достижимый КНД оказывается ограниченным из-за влияния случайных погрешностей при выполнении антенны.

Простейший тип – открытый конец волновода.

Применяется чаще как элемент более сложных антенн, например, в качестве облучателя линз, зеркал, элемента антенных решеток, слабонаправленных антенн летательных аппаратов.

Распространяющаяся в волноводе волна частично излучается, частично отражается обратно к генератору. В раскрыве (месте перехода к открытому пространству) возможно появление волн высших типов.

Обладают слабой направленностью, КУ=6-7дБ. КИП=0,81.

Рупорные. Н и Е-секторные

Н- изменение размера а, Е – изменение размера b. В секторных рупорах фронт волны образует цилиндрическую поверхность, существует запаздывание фазового распространения поля на краях рупора, поле на выходе рупора (считается) приобретает вид чисто поперечной волны.

Р упоры с размерами, соответствующими максимальным значениям КИП, называют оптимальными. Они обладают максимальным КУ при заданной длине.

ДН не имеет фазового центра.

П ирамидальные. (Изменение а и b). Позволяет сужать ДН в Н и Е плоскостях. Фронт волны сферический.

Оптимально:

, КИП=0,49

Доп. виды:

конический (круглый волновод)

биконический (коаксиальный кабель)

Свойства: хорошо согласованы с окружающим пространством, просты, практически не имеют потерь (КУ=КНД). Оптимальные и более длинные могут использоваться практически во всей полосе частот волновода. Используются: как эталоны, для облучения зеркальных и линзовых антенн.

Линзовые.

Используются оптические свойства ЭМВ. В них сферический или цилиндрический фронт волны преобразуется в плоский. Т.к. диаметр линзы много больше длины волны, следовательно излучение остронаправленное. Достоинство - широкополосность, недостаток - большая масса. КИП=0,8-0,85 Используются для создания многолучевых ДН (линзы Люнеберга из неоднородного диэлектрика).

Зеркальные параболические.

Параболической называется антенна, состоящая из двух основных частей – зеркала и облучателя – причём зеркало имеет форму параболоида вращения. Такие антенны широко распространены из-за их простой конструкции, высокого КПД, способности создавать очень узкую диаграмму направленности (ДН) и других качеств.

Характерной особенностью антенн такого типа является то, что в излучении участвуют сравнительно большие проводящие поверхности, по которым протекают токи высокой частоты (облучаемая поверхность зеркала). Эти токи на поверхности могут иметь различное направление, меняющееся от точки к точке. По принципу действия, конструкции и методам изучения они существенно отличаются от проволочных антенн.

Преобразуют цилиндрический и сферический фронт ЭМВ

в плоский. Бывают : длиннофокусные (F>R) и

короткофокусные (F<R).

, . КИП=0,7.

2_0,5 - ширина главного лепестка ДН по уровню мощности 0,5.

При расчетах зеркал учитываются неизбежные отклонения формы поверхности, строгие требования предъявляются к размеру, форме и характеристикам облучателя.