Рупорная антенна как подключить. Рупорные антенны. Основные типы рупорных антенн. Отрывок, характеризующий Рупорная антенна

Рупорная антенна

>

В качестве излучателя электромагнитной энергии может быть использован открытый конец волновода.

Излучение волн из открытого конца волновода объясняется тем, что в отверстии существует переменное электромагнитное поле и размеры этого отверстия сравнимы с длиной волны. Следовательно, отверстие волновода можно рассматривать, как многовибраторную антенну. Характеристика направленности такого излучателя зависит от типа волны в волноводе и размеров отверстия.

Если в волноводе распространяется только одна простейшая волна, например Н 1О то характеристика направленности имеет примерно такую форму, как показано на рисунке 3.56:

Рис. 3.56. Излучающий волновод и его характеристики направленности.

Излучающий волновод применяется редко, т.к. в нем имеются следующие недостатки:

Отсутствует согласование (т.е. падающие волны отражаются от открытого конца волновода), поэтому в волноводе существует режим смешанных волн, что приводит к излишним потерям;

Характеристика направленности получается довольно широкой, т.к. размеры излучающего отверстия невелики по сравнению с длиной волны.

Рис. 3.57. Рупорная антенна: а) секторальная; б) пирамидальная; в) коническая.

Для сужения характеристики направленности необходимо увеличить размеры излучающего отверстия, сохранив в нем синфазное поле. Это можно сделать, если к открытому концу волновода присоединить рупорную антенну(рис. 3.57). На практике находят применение рупора трех видов: секторальные, пирамидальные, конические.

Первые два рупора возбуждаются прямоугольными волноводами, третий - круглым волноводом. При этом в волноводе используются основные типы волн.

Принцип работы рупорной антенны такой же, как и излучающего волновода. В отверстие рупора создается примерно синфазное поле, и это отверстие можно рассматривать как многовибраторную синфазную антенну. Рупор создает плавный переход от волновода к свободному пространству. Благодаря этому устраняется отражение волн от излучающегося отверстия рупора и достигается согласование волновода.

Характеристика направленности рупорной антенны зависит от ее размеров: длины - l , ширины - d , высоты - h , угла раскрыва.

На рисунке 3.58 показана примерная форма характеристики направленности секторального рупора. Из этого рисунка видно, что ширина главного лепестка характеристики будет меньше в той плоскости, в которой больше размера рупора.

Рис. 3.58. Характеристика направленности секторального рупора. а – в горизонтальной плоскости или плоскости Н; б – в вертикальной плоскости, или плоскости Е.

Недостатки рупорной антенны: громоздкость при узкой характеристике направленности. Этот недостаток можно устранить, если для получения острой характеристики применять несколько более коротких рупоров, расположенных рядом и синфазно возбуждаемыми.

Достоинства рупорной антенны: простота устройства, малые боковые лепестки.

Рупорная антенна

Рупорная антенна – это антенна, которая состоит из металлического рупора и радиоволновода, присоединенного к рупору. Рупорные антенны используются при направленном излучении и приеме радиоволн СВЧ-диапазона.

Кроме этого, рупорные антенны применяются как самостоятельные антенны в устройствах и приборах измерительной техники, спутниках связи и т. д. Диаграмма излучения антенны зависит от распределения поля в наибольшем сечении раструба, т. е. раскрыва рупора. Раскрыв определяется формой и геометрическими размерами поверхностей рупора. По форме различаются секториальный рупор, конический, пирамидальный и т. д. Кроме этого, бывают модификации рупорных антенн, такие как антенны с поверхностью в виде плавной кривой, с гладкой внутренней поверхностью и т. д. Подобные модификации улучшают электрические характеристики рупорной антенны. Они используются для получения диаграммы излучения с низкой мощностью боковых лепестков, с симметричной осью и т. д. Для коррекции свойств направлений рупорной антенны в раскрыв рупора помещают ускоряющие или замедляющие линзы. В частных случаях, чтобы рупорная антенна лучше согласовывалась с радиоволноводом, в них встраивают подстроечные элементы и согласующие секции, при этом рупор имеет параболическую образующую поверхность. Рупор антенны имеет поперечное сечение, которое увеличивается с одного конца раструба до другого. Благодаря сечению создается плавный переход от волновода к свободному пространству волнового сопротивления.

В рупорно-параболической антенне рупор излучает волны, падающие на сегмент параболоида. Отражаясь от сегмента, волны излучаются через раскрыв раструба. Чтобы получить плоские волны, фокус рефлектора должен быть смещен с фазовым центром рупора.

Рупорная антенна работает на прием, она вращается вокруг своей оси, которая располагается перпендикулярно плоскости. В плоскости характеристика направленности снимается. Кристаллический детектор с усилителем подключается к выходу рупорной антенны. При слабых сигналах в детекторе образуется квадратичная вольтамперная характеристика, в связи с этим квадрат напряженности поля соответствует показаниям индикатора. Источником электромагнитных волн является антенна, которая работает на передачу, она стационарна и находится на приличном расстоянии от рупорной антенны. Чтобы снять характеристику направленности антенны, ее поворачивают на определенный угол. После этого показания на приборе, прилегающем к антенне, фиксируются. Антенна поворачивается на угол, и ее данные фиксируются до тех пор, пока рупорная антенна не повернется на 360°, т. е., пока не совершит полный оборот вокруг своей оси.

Расчет одиночного рупора

>

Рассчитаем длину волны? и волновое число k:

где с= 3*10 8 м/с - скорость света.

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н 10:

По полученному значению? выберем волновод марки R100 c размерами a*b=22.86*10.16 мм.

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора:

Найдем значения оптимальных длин рупора в плоскостях E и H:

Используем уравнение стыковки рупора с волноводом:

h 1 (1-a/a 1) = h 2 (1-b/a 2).

Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее:

Рассчитаем углы раскрыва рупорной антенны:

Рассчитаем и построим ДН рупора.

а) В плоскости Е

Рис. 3.

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 5,4 о.

б) В плоскости H

Рис. 4. Диаграмма направленности рупора в плоскости Н

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 4,9 о

Расчет диаграммы направленности антенны

>

1. Синфазный режим работы.

Диаграмма направленности линейки из рупорных антенн:

Множитель решетки определяется формулой:

где d - расстояние между излучателями.

В ДН множителя будут несколько дифракционных максимумов. Так как размеры раскрыва одного рупора равны 20*30 см, то не выполняется условие обеспечивающее существование одного максимума. Но до тех пор, пока дифракционные максимумы находятся за пределами основного лепестка ДН одного излучателя, в ДН решетки их не будет, так как они уничтожаются при перемножении диаграмм. Исходя из этого, определим расстояние между излучателями d opt , при котором в ДН линейки излучателей начинают появляться дифракционные лепестки:

d opt = ?/sin(? 0 изл) .

По ДН одиночного рупора находим, что в обеих плоскостях (Н- и Е-плоскости) ? 0 изл = 9 о, тогда

d opt = 3.1/sin9 o = 19.8 см.

Полученное значение d opt близко по значению размера раскрыва рупора в плоскости Е а 2 =20 см, поэтому возьмем расстояние между излучателями d = 20 см. Тогда расположение рупоров в антенне будет таким как изображено на рис. 5

Учитывая, что для синфазной линейки излучателей?? = 0, найдем диаграмму направленности всей антенны в плоскости Е по следующей формуле:

Рис. 6.

Ширину диаграммы направленности антенны по нулевому уровню и по уровню 0,5 определим следующим образом :

Уровень боковых лепестков:

Положение первого дифракционного максимума определим по формуле:

Диф = ± arcsin(p?? / d),

где р - номер дифракционного лепестка.

Диф = ± arcsin(3,1 / 20) = ±8,9о.

Диаграмма направленности линейки излучателей в Н - плоскости будет такой же, как и у одного излучателя в Н - плоскости.

2. Несинфазный режим работы.

Рассчитаем максимальное отклонение ДН антенны от нормали к ее поверхности:

Max = ? 0,7изл.

По графику ДН одиночного рупора в плоскости Е (рис. 3) определяем, что? max = 4 о.

Расстояние между излучателями решетки с электрическим качанием луча должно быть меньше оптимального . В нашем случае размер раскрыва рупора в плоскости, в которой происходит отклонение луча, равен оптимальному значению. Таким образом, уменьшить расстояние между излучателями невозможно, а значит, дифракционные лепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателя. Это приведет к росту боковых лепестков ДН антенны.

Разность фаз токов излучателей?? найдем из формулы, определяющей направление максимального излучения.

Диаграмму направленности антенны в несинфазном режиме найдем перемножением диаграммы одного излучателя в Е-плоскости F 2 (? 2) на множитель решетки F n (? 2) при?? = 2,8 рад.

Рис. 7.

Рассчитаем коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны.

где S а = S?n - площадь излучающей поверхности антенны.

Всантиметровом и миллиметровом диапазонах волн широко применяются пирамидальные и конические рупорные антенны (рис.1.10).

Пирамидальные рупоры возбуждаются прямоугольным волноводом, конические – круглым или, через плавный переход, прямоугольным. Если размер рупора В=b- ширине узкой стенки прямоугольного волновода, а размер А произвольный, рупор называется Н-секториальным (расширяется в плоскости вектора). Если расширение делается только в плоскости вектора(А=а – широкой стенке волновода), то рупор Е-секториальный. При расширении в обеих плоскостях – пирамидальный рупор.

Диаграмма направленности рупорной антенны определяется амплитудным и фазовым распределением поля в ее раскрыве. При небольших углах раскрыва рупора и при проведении оценочных расчетов ширины главного лепестка фазовыми искажениями можно пренебречь и воспользоваться данными табл. 3.1.

Размеры оптимального прямоугольного рупора связаны следующими соотношениями:

где
и
- длина оптимального рупора соответственно в плоскостях векторов Е и Н. Если
≠
, то длина рупораRвыбирается равной большему значению из них.

Ширина главного лепестка диаграммы направленности оптимального прямоугольного рупора по уровню половинной мощности в плоскости вектора определяется по эмпирической формуле:

,

а в плоскости вектора :

.

Ширина главного лепестка для оптимального конического рупора соответственно в плоскости векторов ирассчитывается следующим образом:

,

.

Длина оптимального конического рупора связана с его диаметром формулой:

.

Ширину главного лепестка рупорной антенны при другом уровне мощности можно определить из графиков, приведенных, например, в .

Если рупор является облучателем зеркальной антенны, то актуальным становится вопрос определения положения его фазового центра. Для рупорных антенн с максимальной фазовой ошибкой по краю апертуры Ψ max <100º÷120º, что соответствует оптимальным размерам, положение фазового центра для прямоугольного рупора в плоскости вектора Е рассчитывается по формуле:

в плоскости вектора

Аналогично для конического рупора

,
,

где
,
- расстояние от апертуры до фазового центра, соответственно в плоскостях векторови, а Ψ max – максимальная фазовая ошибка на краю апертуры конического

и прямоугольного

,

1.7 Директорные антенны

>

Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине:
(L– длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстоянийи
. Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении
, его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым.

Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.

Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение
все меньше отличается от критического замедления
, при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.

Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.

Обычно выбирают
. В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.

Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.

В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.

При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов . На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0,2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.

В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах . Длину активного вибратора l a во всех случаях можно брать равной λ/2.

Таблица 1.3

элементов										Коэффициент усиления по сравнению с λ/2 вибратором,

Апертурная антенна - антенна, излучающая с раскрыва. Примерами таких антенн являются рупорные, зеркальные, линзовые и другие типы антенн.

Их конструкции и принцип действия аналогичны соответствующим акустическим и оптическим системам. Применяют апертурные антенны от волн короче 1 м вплоть до субмиллиметровых волн. Столь малые длины волн позволяют сконструировать антенны, размеры которых много больше длины волны, и создать остронаправленные антенны сравнительно небольших размеров.

Рупорные антенны

>

Рупорные антенны - один из основных видов антенн сантиметрового диапазона волн. Простота конструкции, удобство выполнения расчетов при хорошем совпадении теории и эксперимента, отсутствие потерь в тракте питания - вот те преимущества, которые позволяют использовать данный тип антенн для различных практических целей и применять их в качестве эталонных для проведения различных измерений. Единственным недостатком рупорной антенны является ее большая длина. Уменьшить длину рупора можно за счет помещения в ее раскрыв (апертуру) диэлектрической линзы, выравнивающей распределение фазы. Равномерность фазы может быть осуществлено как при использовании однородного диэлектрика за счет изменения его толщины, так и за счет использования неоднородных сред.

Рупорная антенна представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией -- фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до -40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Применение:

Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.

Рис. 1

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:

где -- площадь раскрыва рупора, -- КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к р / 2, и 0.8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:

Так как При равенстве L E и L H ДНА в плоскости Н получается в 1.5 раза шире, часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обоих плоскостях, выбирают

Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):

где и -- высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Элементарным излучателем в них является, как уже отмечалось, элемент Гюйгенса. На рис.1 показана зеркальная антенна с раскрывом S и элементарный излучатель dS. Форму элементарного излучателя можно задать либо в прямоугольных координатах X,Y, либо в полярных в зависимости от формы раскрыва. От этого будет зависеть сложность математических преобразований при определении параметров антенны.