Основные характеристики рупорных антенн

Волноводно-рупорные антенны являются простейшими антеннами сантиметрового диапазона волн.

Они могут формировать диаграммы направленности шириной
от 100—140° (при раскрыве специальной формы) до 10—20° в пирамидальных рупорах. Возможность дальнейшего сужения диаграммы рупора ограничивается необходимостью резкого увеличения его длины.

Волноводно-рупорные антенны являются широкополосными устройствами и обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в еще бóльших пределах ограничивается возбуждением и распространением высших типов волн в питающих волноводах. Коэффициент полезного действия рупора высокий (около 100%). Рупорные антенны просты в изготовлении. Сравнительно небольшое усложнение (включение в волноводный тракт фазирующей секции) обеспечивает создание поля с круговой поляризацией.

Недостатками рупорных антенн являются: а) громоздкость конструкции, ограничивающая возможность получения узких диаграмм направленности; б) трудности в регулировании амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничивают возможность снижения уровня боковых лепестков и создания диаграмм направленности специальной формы.

Рупорные излучатели могут применяться как самостоятельные антенны или, так же как и открытые концы волноводов, в качестве элементов более сложных антенных устройств. Как самостоятельные антенны рупоры используются в радиорелейных линиях, в станциях метеослужбы, весьма широко в радиоизмерительной аппаратуре, а также в некоторых станциях специального назначения. Широко используются небольшие рупоры и открытые концы волноводов в качестве облучателей

 

параболических зеркал и линз. Облучатели в виде линейки рупоров или открытых концов волноводов могут быть использованы для формирования диаграмм направленности специальной формы, управляемых диаграмм или, например, при использовании одного и того же параболоида для создания карандашной и косекансной диаграммы направленности.

Четырехрупорный или восьмирупорный излучатель может применяться при моноимпульсном способе пеленгации. С этой же целью могут быть использованы секториальные рупоры в высшими типами волн (. Для формирования узких диаграмм направленности могут быть использованы двумерные решетки, составленные из открытых концов волноводов или небольших рупоров. Возможно построение плоских или выпуклых фазированных решеток.

Параграфы 6.2—6.9 посвящены рассмотрению методики расчета рупорных излучателей. В параграфах 6.10—6.12 изложены некоторые особенности проектирования рупорно-волноводных фазированных решеток.

 

Метод расчета

Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, т. е. первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют ее электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи [ЛО 1, ЛО 13].

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как в питающем его волноводе. Например, при возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной  вдоль оси Х (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное. В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.

 

Описанные амплитудное и фазовое распределения поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения  уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа [ЛО 13, ЛО 11, ЛО 1]. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Рядом авторов были внесены уточнения, учитывающие особенности электромагнитного поля антенны. В силу этого в литературе для расчета диаграммы направленности имеется несколько различных, но похожих друг на друга формул, которые дают близкие результаты. Расчетные формулы будут приведены ниже в § 6.5. имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.

 

6.3.   Выбор   геометрических   размеров  рупора
и   волноводного  излучателя

 

Рупорная антенна (рис. 6.1) состоит из рупора 1, волновода 2, и возбуждающего устройства 3.

Если генератор, питающий антенну, имеет коаксиальный выход, то возбуждение антенного волновода 2 осуществляется чаще всего штырем, расположенным перпендикулярно широкой стенке волновода, возбуждение к штырю подводится коаксиальным кабелем. Если генератор, питающий антенну, имеет волноводный выход, то фидерный тракт выполняется обычно в виде прямоугольного волновода с волной . Волноводный фидер непосредственно переходит в волновод 2, возбуждающий рупор. Расчет возбуждающего устройства в виде несимметричного штыря будет приведен в следующем параграфе.

 

 

Рис. 6.1. Схема рупорной антенны.

 

Выбор размеров волновода

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода a и b производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны :

                             .                                        (6.1)

Соотношение (6.1) представлено на графике рис.6.2, который может быть использован для нахождения размеров a. Размер b должен удовлетворять условию  и может быть равным a /2. При разработке конструкции желательно использовать типовые волноводы.

Радиус  сечения круглого волновода, который используется в конических рупорных антеннах, выбирается также из условия распространения только одного основного типа волны , а именно

                     .                                      (6.2)

Полоса пропускания круглых волноводов несколько же, чем прямоугольных.

Длина отрезка волновода  от возбуждающего штыря
 до закорачивающей стенки выбирается из условия согласования
 с питающим коаксиалом. Соображения по выбору
 длины  будут приведены при расчете возбуждающего устройства.

В большинстве случаев . Длина волновода  от возбуждающего устройства до горловины рупора выбирается из условия фильтрации высших типов волн. Вблизи штыря кроме волны  возбуждается множество высших типов волн, все они оказываются в закритическом режиме и по мере движения  к рупору затухают по экспоненциальному закону. Высшие типы волн не должны проходить в горловину рупора и затем в его раскрыв, для этого их амплитуда должна уменьшиться на длине примерно в 100 раз.

Рис. 6.2. График для выбора размера     а широкой стенки  прямоугольного волновода.

Ближайшей волной высшего типа в прямоугольном волноводе будет волна . Если ее амплитуда затухает в 100 раз, то амплитуда других высших типов волн затухнет еще сильнее. Относительное изменение амплитуды волны  в 100 раз запишется следующим образом:

 

                       ,                              (6.3)

откуда

                                ,                                      (6.4)

                             ,                           (6.5)

где — постоянная распространения волны  (мнимая величина); = а — критическая длина волны .

В круглом волноводе ближайшей к волне  будет волна электрического типа , для которой

                         

                         .                                     (6.6)

Величина  рассчитывается аналогично предыдущему случаю по формуле (6.4).

 

 

Выбор размеров рупора

 

Размеры раскрыва пирамидального или секториального рупора  (см. рис. 6.1) выбираются по требуемой ширине диаграммы направленности в соответствующей плоскости или по к. н. д.

Ширина диаграммы направленности связана с размерами раскрыва  следующими соотношениями:
     в плоскости вектора Н
                                   ,                                                     (6.7)

 

в плоскости вектора Е
                                     .                                                    (6.8)

Диаметр раскрыва 2 r конического рупора выбирается из следующих соотношений:

в плоскости вектора Н
                                    ,                                                     (6.9) в плоскости вектора Е
                                     .                                                  (6.10)

В плоскости электрического вектора Е диаграмма несколько же, чем в плоскости магнитного вектора Н, что объясняется разным законом изменения амплитуды поля в раскрыве в плоскостях Е и Н.

Если в качестве исходной величины для расчета размеров задан коэффициент направленного действия (к. н. д.), то дополнительно указывается соотношение размеров раскрыва (например, квадратный раскрыв) или соотношение ширины диаграммы направленности в плоскостях Е и Н. выбор размеров раскрывов по к. н. д. может быть выполнен при использовании графиков рис. 6.8 6.10 § 6.7. Размеры горловины рупора совпадают с размерами поперечного сечения волноводов и дополнительного определения не требуют.

Длину рупора (см. рис. 6.1) характеризуют два размера: h — расстояние от раскрыва до горловины рупора, одинаковое в плоскостях Е и Н,
 и  — расстояние от раскрыва до точки, в которой сходятся ребра пирамидального рупора в плоскостях Е и Н соответственно.

При выборе длины пирамидального рупора следует обеспечить два условия: 1) допустимую фазовую ошибку в раскрыве и

 

2) правильную стыковку рупора с питающим волноводом.

Максимальная фазовая ошибка в раскрыве  определяется геометрическими размерами рупора и ее допустимая величина должна удовлетворять условиям:

в плоскости Н

                 ,                                       (6.11)

в плоскости E

                    .                                        (6.12) 

Из (6.11) и (6.12) получают необходимые соотношения для определения длины рупора в плоскостях Н и E:

                               ,                                                    (6.13)

                                                                                 (6.14) 

           

С другой стороны, из треугольников в плоскостях Н и E (см. рис. 6.1) следует

                  ,                              (6.15)

 

откуда размеры рупора для осуществления стыковки связаны следующим соотношением:

                                             .                                       (6.16)

 

Длину рупора рассчитывают в следующем порядке. Определяют длину рупора в одной из плоскостей, например  (или ), заменив в формуле (6.13) или (6.14) неравенство равенством, затем по формуле (6.16) находят длину рупора в другой плоскости  (или ). Если найденное значение  (или ) не удовлетворяет неравенству (6.14) или (6.13), то в первую очередь определяют длину  (или ), а затем  (или ).

В секториальном рупоре стыковка с питающим волноводом может быть обеспечена при любой длине рупора, поэтому при выборе длины рупора должно учитываться только условие обеспечения допустимой фазовой ошибки. Для секториального рупора, расширяющегося в плоскости Н, должно выполняться условие (6.13),

 

а для рупора, расширяющегося в плоскости E,— условие (6.14).

Длина оптимального конического рупора связана с диаметром его раскрыва 2 r и длиной волны соотношением

                     .                                            (6.17)

Если в раскрыве рупора применяется какое-либо фазовыравнивающее устройство, рупор может быть сделан значительно короче. Например, при установке в раскрыве рупора линзы длина рупора берется равной фокусному расстоянию линзы.