14 Рупорные антенны. построения. параметры. диаграмма направленности. Коэффициент направленного действия кратко

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про рупорные антенны, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое рупорные антенны, рупорная антенна , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

рупорная антенна — металлическая конструкция, состоящая из 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 .

Обобщенная модель рупорной антенны показана на рис. 14.1. а)

На основе модели, показанной на рис. 14.1., можно рассмотреть следующие варианты апертурных излучателей:

— Е-секториальный рупор, при

— Н-секториальный рупор, при

пирамидальный остроконечный рупор, при

Отметим следующие закономерности вхарактере поведения поляврупоре.  Тип волны в рупоре является таким же, каки в возбуждающем рупор волноводе.  В отличие от волновода,поверхностью равных фаз в рупоре является не плоскость,

а поверхность цилиндра с центром в вершине О для секториального рупора и поверхность сфероидадля пирамидального рупора.  Фазовая скорость волны в рупоре непостоянна. Она больше в горловине рупора и приближается к скорости света C вего раскрыве.  В рупоре, в отличие от волновода, отсутствует критическая длина волны.Это объясняется тем, что у бесконечного рупора всегда можно найти такое сечение, которое

окажетсядостаточным для распространения любого типа волны.

 Локальное поверхностное сопротивление WS в раскрыве рупора приближенно равно волновому сопротивлению свободного пространства W0.

Излучающей поверхностью рупора является поверхность его раскрыва. Особое внимание уделяется амплитудно-фазовому распределению поля в апертуре рупорной антенны.Амплитудное распределение поля на раскрыве совпадает с распределением поля в поперечном сечении волновода для основного типа волны. В плоскости Е наблюдается равномерноеамплитудное распределение поля, в плоскости Н — косинусоидальное

где E0 — напряженность электрического поля в середине раскрыва; (x, y) — фазовая ошибка враскрыве рупора,получающаяся из-за неплоскости фазового фронта врупоре. Фронт волны в процессе ее движения в рупоре преобразуется из плоского вцилиндрический (всекториальныхрупорах) или всферический (в пирамидальных рупорах). Проанализируем более подробно характер фазовойошибки в секториальном рупоре, продольное сечение которого показано на рис. 14.2.

Рис.14.2 — Продольное сечение Н-секториального рупора

Дуга окружности KML с центром в вершине рупора О является линией равных фаз. В произвольной точке M, имеющей координату x, фаза поля отстает от фазы в середине раскрыва(вточке О) на угол

Раскладывая в ряд Тейлора и ограничиваясь при первыми двумя членами, получаем

Фазовое распределение имеет квадратичный характер в плоскости, в которой производится раскрыв рупора. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Максимальная фазовая ошибка (максимальный сдвиг по фазе по отношениюк центру раскрыва) определяется соотношением

— в Е-плоскости:

— в Н-плоскости:

где R — длина рупора (см. рис. 2.1). Максимальная фазовая ошибка, достигаемая в углах пирамидального рупора определяется соотношением

Если максимальные фазовыеошибки в раскрыве рупора не превышают допустимых

то коэффициент направленного действия (КНД) рупорной антенны при заданной длине будет максимальным. Рупоры, размеры которыхсоответствуют максимальным значениям КНД, называются «оптимальными». Их размеры связаны с длиной рупора следующими соотношениями:

Перейдем к изучению диаграммы направленности секториального рупора. С учетом (14.1), (14.2) в раскрыве секториального рупора

Множитель направленности вычисляется следующим образом. В плоскости H:

Аналогично в плоскости E:

Нормированные диаграммы направленности (ДН) рупорной антенны в предложении синфазного раскрыва

(при фазовых ошибках, не превышающих допустимые значения) можнорассчитать по формулам:

— в E-плоскости:

— в Н-плоскости:

Ширина главного луча диаграммы направленности рупорных антенн в Е-и Н плоскостях определяется по уровню половинной мощности по формулам:

Коэффициент направленного действия Н-секториального рупора DH определяется по формуле

На рис. 14.3 показаны построенные по (14.16) графики зависимости КНД DН от aP относительного размера раскрыва H-секториального рупора для различных длин рупора

Коэффициент направленного действия Е-секториального рупора DE определяется по формуле

Коэффициент направленного действия пирамидального рупора D с учетом (14.16, 14.17) определяется по следующей формуле

Коэффициент направленного действия (КНД) оптимальной рупорной антенны вычисляется по формуле:

где — геометрическая площадь раскрыва;

— коэффициент использования поверхности, определяемый амплитудным и фазовым распределением поля в раскрыве антенны: а .

Для оптимальных секториальных рупоров учитывает косинусоидальный характер амплитудного распределения поля в Н-плоскости;

— несинфазность

раскрыва в однойиз плоскостей при условии

Поэтому для секториальных рупорных антенн

Для оптимальных пирамидальных рупоров при тех же условиях (учтена несинфазность раскрыва в обеихплоскостях).

Рупорные антенны используются на практике как самостоятельные направленные антенны, так и в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также в качестве излучателейФАР. Особенно широко рупорные антенны используются в лабораторных установках при измерении диаграммы направленности и коэффициента усиления других антенн. Достоинствомрупорных антенн является простота их конструкции и хорошие диапазонные свойства. Практически рабочая полоса частот рупорной антенны ограничивается полосой питающего его волноводаи составляет около 100%.

Недостаток рупорных антенн заключается в необходимости выбора слишком большой длины рупора для получения остронаправленного излучения.

Определение длины рупора

Как следует из формул (14.3), (14.4),оптимальная длина рупора пропорциональна квадрату размеров раскрыва aP и bP , а ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна aP и bP в первой степени. Поэтому для сужения диаграммы направленности рупорной антенны в n раз размер ее апертуры долженбыть увеличен в n раз, а длина рупора — в n2 раз.

Это обстоятельство накладывает ограничения на ширину диаграммы направленности рупорных антенн. Так, при длине рупора, примерно равной размеру одной из сторон его раскрыва,ширина диаграммы направленности составляет около 2025 . При сужении ширины диаграммы направленности до 10 длина рупора приблизительно в 4...5 раз больше размера большейстороны его раскрыва.

Существуют различные способы уменьшения длины рупора. Суть этих способов заключается в компенсации или уменьшении фазовой ошибки в раскрыве рупора. Одним из наиболеечасто используемых на практике способов уменьшения длины рупора является установкавего раскрыве линзы, котораяустраняетфазовые ошибки (рис. 14.4, a).

При этом длина рупора выбирается уже из условий хорошего согласования питающего рупор волновода со свободным пространством и приблизительно равна (1…0,5) ширине егораскрыва.

На рис. 14.4, б показан другой способ выравнивания фазового фронта в раскрыве рупора за счет выравнивания длины пути, проходимого волной от вершины рупора до различных точек нараскрыве. Для получения в раскрыве синфазного поля кривая ABC, образующая профильстенки согнутого рупора, должна иметь форму параболы.

Рупорно-параболические антенны KS-15676 C-диапазона (4-6 ГГц) радиорелейных линий AT&T Long-Lines на крыше центра телефонных коммуникаций AT&T, Сиэттл, Вашингтон, США

Виды рупоров

многорупорные антенны

свернутый рупор

Применение рупорных антенн

Статью про рупорные антенны я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое рупорные антенны, рупорная антенна и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про рупорные антенны