Тема №4. Рупорные и линзовые антенны.

4.1. Рупорные антенны.

Внутренняя задача:

Применим апертурный (инженерный) метод расчета. Будем считать что излучает апертурная площадь(теневая не излучает). S0 – освещенная область, ST – теневая область. Принимая что излучает только освещенная область мы пренебрегаем краевыми эффектами и т.д., но антенны полученные по этой модели вполне пригодны для использования.

Рассмотри открытый конец прямоугольного волновода:

Э лектромагнитную энергию будем передавать основным типом колебаний.( вдоль широкой стенки одна полуволна, вдоль узкой нет полуволн(распределено равномерно)).

Структура поля нам известна:

Апертуру открытого конца волновода можем разбить на элементарные площадки, применим правило перемножения диаграмм:

- так как раскрыв синфазный.

Для излучающей элементарной площадки ДН:

Поставим в (2) получим:

В выражениях (6) и (7) отсчет углов наблюдения ведется от нормали к раскрыву. Используя выражения (6) и (7) рассчитаны ДН прямоугольного излучающего раскрыва из теории волноводов:

Открытый конец волновода позволяет сформировать веерную ДН.

КНД рассчитывается. Плохое согласование.

Z₁-поперечное сопротивление. Z₀-сопротивление свободного пространства. Плохое согласование, большой КСВ, так как разное волновое сопротивление в волноводе и у свободного пространства. Причина в том что в волноводе волна плоская, в свободном пространстве волна сферическая. Возможно, сузить ДН волновода, если напаять фланцы . Затекание токов на фланцы, образуют поля, которые за счет интерференции позволяют сузить ДН, но незначительно. Поэтому такие антенны используются в виде облучателей более сложных антенн или как элементарные излучатели в ФАР.

Рассмотрим круглый излучающий раскрыв:

Амплитудное и фазовое распределение:

Вдоль H, косинусоидальное распределени, в данной системе координат:

Фазовая запитка синфазна:

ДН в плоскости E:

- функция. I₁-функция Бесселя 1го рода.

ДН в плоскости H:

Ширина ДН:

Вид ДН бед игольчатым.

КНД:

У круглого раскрыва согласование лучше чем у открытого конца волновода:

Ширина ДН сопоставима с элементарным вибратором, те широкая. Можно использовать в качестве облучателей более сложных систем, например зеркальных антенн.

Рупорный излучатель – излучатель и которого плавно увеличено поперечное сечение.

H- cекториальный рупор.

Получается путем расширения широкой стенки волновода.

Если мы начнем расширять стенки волновода. АФР не изменяется.

Размеры рупора:

Расширение широкой стенки волновода приводит к трансформации из волны плоской в цилиндрическую волну. Таким образом, осуществляется согласование с окружающей средой.

Из анализа структуры поля волны Н10:

1. Структура поля в Н секториальном рупоре сходна со структурой поля в волноводе.

2. Фронт волны трансформируется к цилиндрической.

3. Фазовая скорость приближается к скорости света.

4. Волновое сопротивление рупора приближается к волновому сопротивлению свободного пространства.

Ф азовые и амплитудные распределения.

Фазовое распределение теперь квадратичное. Фазовая скорость (скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль заданного направления):

Фактически:

-хорошее согласование.

Амплитудное распределение в плоскости Н можно считать косинусоидальным:

- размер широкой стенки рупора.

- расстояние до излучающей площадки.

Величина от горла до раскрыва увеличивается, поэтому спад поля к краям в плоскости Н более интенсивен, по сравнению с косинусоидальным законом. Скорость спада поля возрастает при увеличении угла раскрыва.

Фазовое распределение:

Глубина рупора:

Фазовое распределения является квадратичным:

Максимальное отклонение:

”-”обусловлен запаздыванием на краях рупора.

Используя теорию о непрерывной системе излучателей, получим:

Используя (2,5)

-const, так как от координаты y ничего не зависит.

Расширять рупор до бесконечности нельзя из за квадратичного фазового распределения.

Оптимальные размеры рупора:

(14, 18)

Результат расчетов параметров H- секторального рупора.(веерная ДН)

Зависимость КНД от отношения .

E- cекториальный рупор.

Плавно расширяется узкая стенка волновода. АФР:

Множитель системы:

Д Н:

Фазовое распределение сказывается сильнее чем в H- секториальном рупоре.

Результат расчетов параметров E- секторального рупора. (веерная ДН)

Зависимость КНД от отношения .

Для того чтобы улучшить согласование с окружающим пространством, сформировать игольчатую ДН используются рупорные антенны.

КНД считают используя ряд практических формул:

Вид ДН:

Довольно активно в системах спутниковой связи используют конический рупор: