102

8 Апертурные антенны

К апертурным относят антенны, у которых может быть выделена плоская поверхность раскрыва S, формирующая остронаправленное излучение. Основные типы АА – волноводные, рупорные, зеркальные, линзовые.

В отличие от ЛА с последовательной схемой питания элементов, в АА параллельная схема питания посредством системы независимых лучей, переносящих электромагнитную энергию. Особенностью параллельной схемы является сохранение синфазности элементов раскрыва и вида АФР независимо от длины волны . Поэтому АА могут работать в широком диапазоне частот, сохраняя неизменной форму ДН. Меняются лишь ширина ДН и ее лепестки. Для КНД апертурных антенн справедлива общая формула

, (8.1)

где S – геометрическая площадь раскрыва,  – КИП,  – длина волны.

Из (8.1) следует, что увеличение волновых размеров апертуры увеличивает КНД антенны. Поэтому у АА наивысший из всех типов антенн КНД, который у зеркальных антенн может достигать 10⁸.

8.1 Волноводные излучатели

Волноводные излучатели являются простейшими апертурными излучателями в диапазоне сантиметровых волн. Наиболее распространенными являются антенны в виде открытых концов волноводов – прямоугольного с волной Н₁₀ и круглого с волной H₁₁. Размеры поперечного сечения волновода на волне основного типа обычно не превышают длины волны, поэтому излучатель с такими размерами раскрыва является слабонаправленным и формирует широкую ДН. Излучатели в виде открытых концов волноводов применяются в качестве облучателей линз и зеркал, элементов фазированных антенных решеток, а также как самостоятельные слабонаправленные антенны.

Приближенное нахождение поля излучения из открытого конца волновода заключается в решении двух задач: внутренней и внешней. Внутренняя задача состоит в нахождении полей внутри волновода и рассматривается в электродинамике. При решении внешней задачи полагают, что в волноводе распространяется лишь волна основного типа. Распространение волн других типов исключается выбором размеров поперечного сечения волновода.

На открытом конце волновода происходит частичное излучение волны, ее частичное отражение, а также возникновение волн высших типов. Вследствие этого поле на раскрыве отличается по своей структуре от поля в самом волноводе. На внешней поверхности стенок возбуждаются поверхностные токи. При решении внешней задачи апертурным методом все это не учитывают и считают, что поле на раскрыве открытого конца волновода имеет такую же структуру, как и в поперечном сечении внутри регулярного волновода с волной основного типа. Сравнение с экспериментальными результатами показывает, что эти приближения вполне допустимы.

Излучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода

Такой излучатель схематично изображен на рис. 8.1, а. Поле в волноводе для волны основного типа имеет три компоненты: Е_у, H_x, H_z. Распределение амплитуды поля на раскрыве в плоскости Е равномерное, а в плоскости Н – косинусоидальное, т.е.

(8.2)

Поскольку раскрыв синфазный, то фазовое распределение постоянно.

Рис. 8.1  Волноводные излучатели: а – на прямоугольном, б – на круглом волноводах

Так как амплитудно-фазовое распределение на раскрыве открытого конца прямоугольного волновода с волной H₁₀ разделяющееся, то для определения поля излучения можно воспользоваться теоремой о перемножении ДН – формула (5.10). Элементарным источником для рассматриваемого случая является элемент Гюйгенса (элемент волнового фронта площадью dS ), имеющий ДН в виде кардиоиды

, (8.3)

изображенной на рис. 8.2. Нормированная ДН открытого конца прямоугольного волновода в главных плоскостях в соответствии с формулами (6.3), (6.4), (6.18) имеет вид

Рис. 8.2  Диаграмма направленности элемента Гюйгенса

; (8.4)

, (8.5) где– углы, отсчитываемые от нормали к раскрыву в плоскостяхиЕ,соответственно.

Ширина ДН в главных плоскостях, может приближенно рассчитываться по формулам

(8.6)

Для КИП и КНД в направлении максимума ДНимеем

;

(8.7)

Поляризация поля излучения открытого конца прямоугольного волновода с волной H₁₀ линейная, вектор поля излучения ориентирован параллельно узкой стенке волновода. Излучатель имеет точечный фазовый центр, расположенный в центре апертуры.

Открытый конец прямоугольного волновода недостаточно хорошо согласован со свободным пространством и имеет КСВ порядка 1,6…1,9. Это связано с тем, что волновое сопротивление прямоугольного волновода лежит в пределах 560…590 Ом и значительно отличается от волнового сопротивления свободного пространства, равного 377 Ом.