7.6.2 Рупорные антенны

Указанные недостат­ки волновода в большой мере устраняются, если к отверстию волно­вода примыкает рупор (рисунок 7.4).

Так как площадь раскрыва рупора больше площади отверстия волновода, то направленность излучателя намного возрастает. Кроме того, постепенное расширение рупора спо­собствует согласованию волновода со свободным пространством.

На­пример, для волны Н₁₀ критическая длина волны λ_кp = 2а возрастает пропорцио­нально широкой стороне а поперечного сечения, а это означает, что волновое сопротивление рупора приближается к 377 Ом:

. (7.10)

Рисунок 7.4 – Рупоры различной формы

Постепенное увеличение поперечного сечения рупора способству­ет также затуханию волн высших типов.

Имеется несколько видов рупорных антенн: Н-плоскостные секториальные (рисунок 7.4, а), Е – плоскостные секториальные (рисунок 7.4, б), пирамидальные (рисунок 7.4, в) и конические (рисунок 7.4, г).

Обычно в секториальных и пирамидальных рупорах возбуждается волна Н₁₀, а в ко­нических – волна Н₁₁. Отличаются Н- и Е-плоскостные секториальные рупоры тем, что первые расширяются в плоскости H, а вторые – в плоскости Е. В первых силовые линии электрического поля перпендикулярны широкой стороне раскрыва, а во вторых – узкой.

Уменьшение коэффи­циента отражения от раскрыва рупорной антенны можно объяснить не только тем, что благодаря pyпоpy волновое сопротив­ление приближается к 377 0м, но и тем, что фазовая скорость V_ф в волноводе уменьшается до скорости распространения волн в свободном про­странстве:

. (7.11)

И то и другое вызвано увели­чением λ_кр в направлении от горловины (λ_кр = 2а) к раскрыву (λ_кр = 2а') рупора.

В процессе движения волны в секториальном рупоре фронт пре­образуется из плоского в цилиндрический (рисунок 7.4, а, б), а в пира­мидальном и коническом рупорах – в сферический. Фазовый центр полученных волн находится в точке пересечения расширяющихся сто­рон рупора.

Поля в раскрыве рупора вследствие изменения формы фронта вол­ны становятся несинфазными, и это снижает направленные свойства антенны.

Например, для Н-плоскостного секториального рупора фаза поля в раскрыве ру­пора изменяется пропорционально квадрату координаты х данной точки раскрыва [2]

. (7.12)

В крайних точках раскрыва (х = а'/2) фазовый сдвиг получается максимальным:

. (7.13)

Аналогично для Е-плоскостного рупора

. (7.14)

Если фазовые сдвиги в раскрыве невелики (меньше 90), то диаграммы направленности мало отличаются от диаграмм направленности синфаз­ной плоскости и могут быть рассчитаны по формулам (7.6) и (7.9). При этом

наблюдается некоторое уменьшение коэффициента исполь­зования поверхности антенны v, а с ним и коэффициента направленно­го действия D_o = 4π vS_A /λ². Если же синфазность поля в раскрыве нару­шена значительно, то форма ДН резко искажается и D_o еще более па­дает.

Как видно, при данной длине рупора R увеличение площади раскрыва S_A, вызванное увеличением а' или b', усиливает фазовые искажения ∆ψ и тем самым снижает коэффициент использования поверхности раскрыва v. Возникает противоречие: уве­личение S_А способствует, а уменьшение v препятствует получению большого КНД. Следовательно, существуют оптимальные соотно­шения между размерами рупора, причем оптимальным называется та­кой рупор, который при заданной длине R обладает максимальным ко­эффициентом направленного действия.

Например, длина R и ширина раскрыва а' оптимального H-плоскостного секториального рупора связаны соотношением [2]

. (7.15)

В оптимальном рупоре существует сдвиг по фазе и согласно (7.13) на краях широкой стенки раскрыва равный

Это уменьшает коэффициент v=0.81 для синфазного раскрыва и косинусоидального распределения амплитуды электрического поля до v_н= 0,63 при наличии сдвига по фазе. В других оптимальных рупорах имеем: в Е-лоскостном ∆ψ=π/2 и v_E = 0,64, в пирами­дальном ,

в коническом v_K0H=0,51.

Отсюда КНД этих антенн:

, (7.16)

, (7.17)

, (7.18)

. (7.19)

Все рупорные антенны широкополосные, так как если, скажем, длина волны увели­чивается, то направленность рупора должна понизиться за счет умень­шения размеров раскрыва, отнесенных к длине волны, но это в большой мере компенсируется тем, что по той же причине уменьшаются фазо­вые искажения в раскрыве рупора и, следовательно, усиливается нап­равленность антенны. Диапазон волн, пропускаемых рупорной антен­ной, примерно такой же, как питающего волновода, т. е. двукратный (0< λ < 2а). Другие достоинства рупорных антенн – простота их конструкции и высокий КПД. Пирамидальные рупоры к тому же рас­считаны на независимый подбор ДН в Е- и Н-плоскостях.

Области применения рупорных антенн: в радиоизмерительных при­борах, в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн и эле­ментов антенных решеток (для фор­мирования не очень острых диаграмм (обычно не уже 10... 15°).

Рупоры можно использовать как остронаправленные антенны только в совокупности с устройствами, устраняющими несинфазность поля в раскрыве (диэлектрические фазовыравнивающие линзы). Если этого не сделать, то потре­буется рупор очень большой длины R.