Лекции по антеннам

141

Рупорные антенны.

Они относятся к апертурным антеннам, т.е. к таким антеннам, у которых в соответствии с теоремой эквивалентности может быть выделена плоская поверхность раскрываS, формирующая остронаправленное излучение. KHД

апертурных антенн связан с площадью раскрываS и длиной волны формулой:

поверхности, зависящий от вида АФР и ряда других факторов.

Ширина луча апертурных антенн в какой либо плоскости, перпендикулярной поверхности раскрыва

где КРЛ 1- коэффициент расширения луча, зависящий от формы раскрыва и вида АФР. В настоящее время апертурные антенны позволяют реализовать

KHД порядка 107.

В диапазоне сантиметровых волн находят применение рупорные антенны и, в частности,

антенны в виде открытого конца прямоугольного и круглого волновода. Эти антенны используются как самостоятельно, так и в качестве облучателей сложных антенн: зеркальных,

линзовых и т.д.

Рассмотрим излучения из открытого конца прямоугольного волновода

возбуждаемого волной H10.

Строгое решение было получено в 1948г. Л.А. Вайнштейном для плоского волновода (волновод

конечной высоты и бесконечной ширины) и волновода круглого сечения.

Распространяющаяся волна, создаваемая возбуждающим элементом,

доходит до открытого конца волновода и частично отражается обратно, а

142

частично излучается. В месте перехода от волновода к открытому пространству, т.е в раскрыве, возникают высшие типы волн и появляются поверхностные токи на наружных стенках волновода. В инженерных расчетах предполагают, что тангенциальные компоненты поля в раскрыве волновода (а следовательно, и эквивалентные электрические и магнитные токи) представляют собой сумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний, т.е.

Z 0 (свободное пространство), поэтому приближенно:

(12.4)

ДH распределения эквивалентных токов в плоскости E (плоскости yoz)

записывается в виде:

а в плоскости H (плоскости xoz):

143

Эту трудность можно обойтирассматривая порознь составляющие вектора

поля излучения поперечной поляризации (поле «кросс-поляризации»).

144

излучателей Гюйгенса поперечной и основной поляризации в точке P, а fсистX,Y - соответствующие множители системы.

Заметим, что для поперечной поляризации центральный излучатель должен быть выбран в точке,

где составляющая EX 0 , т.е. не на осях x и y. Для определения fсистX,Y необходимо по известным выражениям для волны H11 найти амплитудное распределение составляющих EX и

EY в раскрыве, а затем для каждой из них рассчитать множитель системы. Фазовое распределение считаем постоянным для обеих поляризаций. Вычисления оказываются довольно громоздкими.

Окончательные формулы для ДH в главных плоскостях имеют вид

145

ДH рассчитанные по формулам (12.8) и (12.9):

Напомним ДH для круглого синфазного раскрыва определялась для

равномерного АР.

Сравнение приведенных результатов с точным решением приводит к

выводам:

1.Приближенное решение хорошо согласуется со строгим при небольших . При больших различие возрастают, т.к

Гюйгенса-Френеля и базирующийся на нем Апертурный метод

не отражают.

2.Точность приближенного решения определяется относительными размерами раскрыва и при увеличения размеров раскрыва увеличивается. KHД синфазного раскрыва определяется по

формуле:

прямоугольного раскрыв.

Здесь КИП=0.81.

Используя аналогичные вычисления по той же схеме для круглого раскрыва,

получаем значение КИП=0,84.

Для увеличения направленности и уменьшения отражения от открытого конца волновода применяют рупорные излучатели.

146

Рупорные антенны.

возникает волна подобна волне H10 в прямоугольном

волноводе.

Рис.12.3

Картина поля имеет вид (Рис.12.4).

Секториальный рупор отличается от волновода тем, что в нем фронт волны образует цилиндрическую поверхность, VФ является переменной величиной и

приближается к скорости света с, что уменьшает отражение от раскрыва.

Если угол раствора рупора мал, то фронт волны оказывается близким к плоскому и для расчета ДН в плоскости H (плоскость xoz) можно использовать формулу (4) при Г 0 .

Главный лепесток ДН сужается приблизительно во столько раз во сколько увеличивается размер а широкой стенки волновода.

Если не мал, то фронт волны заметно отличается от плоского и это вызовет расширение ДН. Фаза поля на краю раскрыва по отношению к еѐ

значению в середине может быть определена по приближенной формуле.

где R -длина рупора.

147

Распределение фазы поля в раскрыве рупора подчиняется квадратичному закону. Влияние таких фазовых искажений на форму ДН линейной антенны нами рассмотрено и оказывается полностью

применимо к рупорной антенне.

KHД при фиксированной длине рупора R зависит от

раскрыва, соответствующая оптимальному рупору, равна -900.

148

неравномерность АР в плоскости Н, а второй -фазовые искажения в

Применяют также рупор конический. Он образуется путем расширения открытого конца круглого волновода с волной H11 .Е10излучение аналогично излучению пирамидального рупора.

Оптимальные размеры его можно рассматривать как средние между размерами оптимальных Е плоскостных и Н плоскостных рупоров.

Достоинства:

1.Простота конструкции

2.Хорошие диапазонные свойства (а 2a)

149

3.Используются в измерительных устройствах как эталонные антенны известной величиной КНД, а также для облучения линзовых и зеркальных антенн, в импедансных антенных и т.д.

Способы создания остронаправленных рупорных антенн.

Основным недостатком рупорных антенн является наличие фазовых искажений в раскрыве. Для их уменьшения можно увеличить длину рупора.

Для получения например, ширины ДH равной 50, длина Н рупора должно быть больше 60 ,

т.е рупор получатся весьма громоздким. Следовательно формирование острых ДH с помощью

рупорных антенн затруднительно.

Используют:

1. Многорупорные антенны (Рис.12.8).

Апертура L определяется n рупорами с апертурой

L R

a и длиной рупора n 2 .Здесь сильно усложняется как сама конструкция, так и схема возбуждения

Рис.12.8

2. Фазовыравнивающие устройства.

Здесь длина геомерического пути или электр от вершины рупора до любой точки раскрыва должно быть одинакова.

150

Зеркальные и линзовые антенны.

Принцип действия.

Имеется первичный источник поля – слабонаправленная антенна

Зеркальные антенны:

Электромагнитная волна с неплоским (сферическим или цилиндрическим фронтом)падает на металлическую поверхность

Результирующее поле формируется за счет отражения электромагнитных волн от зеркала той или иной формы В зеркальных антеннах применяется следующие основные типы зеркал зеркал:

1)параболические (параболоид вращения и параболический цилиндр), (а,б)

2)сферические,

3)плоские и уголковые в) г) д)

4) специальной формы е) (Рис.13.1)

Рис.13.1