Рупорные антенны

Указанные недостат­ки волновода в большой мере устраняются, если к отверстию волно­вода примыкает рупор (рисунок 7.4).

Так как площадь раскрыва рупора больше площади отверстия волновода, то направленность излучателя намного возрастает. Кроме того, постепенное расширение рупора спо­собствует согласованию волновода со свободным пространством.

На­пример, для волны Н₁₀ критическая длина волны λ_кp = 2а возрастает пропорцио­нально широкой стороне а поперечного сечения, а это означает, что волновое сопротивление рупора приближается к 377 Ом:

. (7.10)

Рисунок 7.4 – Рупоры различной формы

Постепенное увеличение поперечного сечения рупора способству­ет также затуханию волн высших типов.

Имеется несколько видов рупорных антенн: Н -плоскостные секториальные (рисунок 7.4, а), Е – плоскостные секториальные (рисунок 7.4, б), пирамидальные (рисунок 7.4, в) и конические (рисунок 7.4, г).

Обычно в секториальных и пирамидальных рупорах возбуждается волна Н₁₀,а в ко­нических – волна Н₁₁. Отличаются Н- и Е- плоскостные секториальные рупоры тем, что первые расширяются в плоскости H, а вторые – в плоскости Е. В первых силовые линии электрического поля перпендикулярны широкой стороне раскрыва, а во вторых – узкой.

Уменьшение коэффи­циента отражения от раскрыва рупорной антенны можно объяснить не только тем, что благодаря pyпоpy волновое сопротив­ление приближается к 377 0м, но и тем, что фазовая скорость V_ф в волноводе уменьшается до скорости распространения волн в свободном про­странстве:

. (7.11)

И то и другое вызвано увели­чением λ_кр в направлении от горловины (λ_кр = 2а) к раскрыву (λ_кр = 2а') рупора.

В процессе движения волны в секториальном рупоре фронт пре­образуется из плоского вцилиндрический (рисунок 7.4, а, б), а в пира­мидальном и коническом рупорах – в сферический. Фазовый центр полученных волн находится в точке пересечения расширяющихся сто­рон рупора.

Поля в раскрыве рупора вследствие изменения формы фронта вол­ны становятся несинфазными, и это снижает направленные свойства антенны.

Например, для Н -плоскостного секториального рупора фаза поля в раскрыве ру­пора изменяется пропорционально квадрату координаты х данной точки раскрыва [2]

. (7.12)

В крайних точках раскрыва (х = а'/2) фазовый сдвиг получается максимальным:

. (7.13)

Аналогично для Е- плоскостного рупора

. (7.14)

Если фазовые сдвиги в раскрыве невелики (меньше 90), то диаграммы направленности мало отличаются от диаграмм направленности синфаз­ной плоскости и могут быть рассчитаны по формулам (7.6) и (7.9). При этом

наблюдается некоторое уменьшение коэффициента исполь­зования поверхности антенны v, а с ним и коэффициента направленно­го действия D_o = 4π vS_A /λ². Если же синфазность поля в раскрыве нару­шена значительно, то форма ДН резко искажается и D_o еще более па­дает.

Как видно, при данной длине рупора R увеличение площади раскрыва S_A, вызванное увеличением а' или b', усиливает фазовые искажения ∆ψ и тем самым снижает коэффициент использования поверхности раскрыва v. Возникает противоречие: уве­личение S_А способствует, а уменьшение v препятствует получению большого КНД.Следовательно, существуют оптимальные соотно­шения между размерами рупора, причем оптимальным называется та­кой рупор, который при заданной длине R обладает максимальным ко­эффициентом направленного действия.

Например, длина R и ширина раскрыва а' оптимального H-плоскостного секториального рупора связаны соотношением [2]

. (7.15)

В оптимальном рупоре существует сдвиг по фазе и согласно (7.13) на краях широкой стенки раскрыва равный

Это уменьшает коэффициент v=0.81 для синфазного раскрыва и косинусоидального распределения амплитуды электрического полядо v_н= 0,63 при наличии сдвига по фазе. В других оптимальных рупорах имеем: в Е-лоскостном ∆ψ=π/2 и v _E = 0,64, в пирами­дальном ,

в коническом v_K0H=0,51.

Отсюда КНД этих антенн:

, (7.16)

, (7.17)

, (7.18)

. (7.19)

Все рупорные антенны широкополосные, так как если, скажем, длина волны увели­чивается, то направленность рупора должна понизиться за счет умень­шения размеров раскрыва, отнесенных к длине волны, но это в большой мере компенсируется тем, что по той же причине уменьшаются фазо­вые искажения в раскрыве рупора и, следовательно, усиливается нап­равленность антенны. Диапазон волн, пропускаемых рупорной антен­ной, примерно такой же, как питающего волновода, т. е. двукратный (0< λ < 2а). Другие достоинства рупорных антенн – простота их конструкции и высокий КПД. Пирамидальные рупоры к тому же рас­считаны на независимый подбор ДН в Е- и Н- плоскостях.

Области применения рупорных антенн: в радиоизмерительных при­борах, в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн и эле­ментов антенных решеток (для фор­мирования не очень острых диаграмм (обычно не уже 10... 15°).

Рупоры можно использовать как остронаправленные антенны только в совокупности с устройствами, устраняющими несинфазность поля в раскрыве (диэлектрические фазовыравнивающие линзы). Если этого не сделать, то потре­буется рупор очень большой длины R.

7.6.3 Волноводно – щелевые антенны

Волноводно – щелевыми называются линейные решетки из щелей в волноводе. Обычно каждая щель имеет длину , где λ – длина волны в воздухе.

Интенсивность излучения через щель и ее проводимость зависят от расположения щели на стенке волновода (рисунок 7.5). Для максимального излучения необходимо, чтобы щель пересекала линии поверхностного тока в месте их максимальной плотности и, следовательно, располагалась вдоль линий магнитного поля с максимальной напряженностью.

Известно, что на узкой стенке прямоугольного волновода существуют только поперечная составляющая тока и продольная составляющая магнитного поля. Следовательно, продольная щель (1) возбуждается максимально при размещении ее на узкой стенке волновода, а поперечная щель (2) вовсе не излучает, Наклонная щель (3) вызывает промежуточное по величине излучение. В соответствии с плотностью продольного i_прод и поперечного i _поп токов на поверхности широкой стенки волновода поперечная щель 4 излучает тем больше,

чем ближе ее центр к средней линии этой стенки (координата х₀ приближается к а/2), а продольная щель 5 излучает тем сильнее, чем она ближе к узкой стенке (меньше х₀). Интенсивность излучения наклонной щели 6 зависит, очевидно, как от ее координаты х₀, так и от угла наклона γ.

Рисунок 7.5 - Распределение токов

Вообще говоря, излучать может любая щель, если с помощью приемного штыря (1) (емкостной штырь с регулируемой глубиной погружения в волновод)вызывать на внутренней поверхности волновода радиальные токи, которые пересекали бы эту щель. Штырь возбуждается электрическим полем распространяемой волны (волна Н₁₀ наводит в штыре электрический ток, как в приемном несимметричном вибраторе). На рисунке 7.5 показано, как таким способом возбуждается щель (8) несмотря на то, что ее продольная ось совпадает с серединой широкой стенки волновода.

Крестообразная щель 9 – это сочетание двух взаимно перпендикулярных щелей с совмещенными центрами, причем одна щель возбуждается продольным током, а другая – поперечным. Так как эти токи сдвинуты по фазе на 90º, то через щель излучаются волны вращающейся поляризации. Если к тому же оба тока равны в центре щели, то получается круговая поляризация волны.

В соответствии с относительной длиной интервала между щелями d/Λ волноводно –щелевые антенны делятся на резонансные и нерезонансные.

Резонансные антенны представляют собой синфазные решетки, в которых щели располагаются с интервалом d = Λ (прямофазные антенны) или d = Λ/2 (переменно-фазные антенны), где Λ – длина волны в волноводе. При d = Λ синфазность возбуждения щелей очевидна, а, если d = Λ/2, то синфазность достигается соответствующим расположением щелей. Точнее, если это продольные щели на широкой стенке волновода (рисунок 7.6, а), то их прорезают в шахматном порядке относительно продольной оси волновода с тем, чтобы все щели пересекались поперечными токами одинакового направления; если же это наклонные щели на узкой стенке волновода, то знаки углов наклона соседних щелей должны чередоваться (рисунок 7.6, б).

Рисунок 7.6 - Устройство волноводно-щелевых

антенн с продольными (а) и наклонными (б) щелями

В связи с синфазным возбуждением щелей пригоден режим и бегущей и стоячей волны, но предпочтительнее второй, ибо тогда исключаются, потери энергии в согласованной нагрузке волновода. Вместо нее включают короткозамыкающий поршень, который должен быть удален от центра последней продольной щели на нечетное число Λ/4 (рисунок 7.6, а). Тогда центры всех щелей находятся в пучностях поперечных токов и этим обеспечивается их максимальное возбуждение.

Относительная полоса пропускания резонансных щелевых решеток не превышает нескольких процентов, так как отраженные от щелей волны складываются на входе решетки с одинаковой фазой только при d = Λ/2 или d = Λ.

В нерезонансных волноводно-щелевых антеннах расстояние между щелями d несколько больше или меньше, чем Λ в прямофазных решетках, и чем Λ/2 в переменно-фазных решетках. В связи с этим щели нерезонансной антенны возбуждаются несинфазно, и луч ее оказывается отклонением от нормали к оси решетки в направлении распространения волны по волноводу. Если к тому же в конце волновода происходит отражение волны, то появляются новые лепестки в ДН, но отклоненные в обратную сторону. Во избежание таких искажений ДН устанавливают режим бегущих волн, а для этого нерезонансную антенну снабжают согласованной нагрузкой (поглотителем) с сопротивлением R_н = Z_в (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 – Нерезонансная волноводно-щелевая антенна

Наклонное положение главного лепестка ДН обычно считается недостатком нерезонансных антенн. Другой недостаток – снижение КПД до 80... 95% за счет потерь энергии в поглощающей нагрузке. Но нерезонансные волноводно-щелевые антенны имеют преимущество перед резонансными антеннами, заключающееся в большей диапазонности.

Пользуясь теорией линейной решетки излучателей, можно сказать, что функция направленности волноводно-щелевой антенны в плоскости, перпендикулярной широкой стенке волновода и проходящей через его продольную ось.

(7.20)

где f₁ (θ) выражает направленность внешнего излучения одиночной щели, обычно полуволновой;

Ψ– угол сдвига (набега) фазы токов соседних излучателей;

n – число излучателей;

d – расстояние между излучателями;

– направление излучения;

– коэффициент фазы (сдвиг (набег) фазы на каждую единицу пути распространения бегущей волны (при распространении волны в произвольной среде с фазовой скоростью V_ф и длинной волны Λ=V_ф/f коэффициент фазы β=2πf/ V_ф=2π/Λ).

Функция f₁ (θ) имеет настолько тупой максимум в области главного лепестка результирующей ДН, что при большом числе п можно учитывать только интерференционный множитель f_p(θ). В частности, если волноводно-щелевая антенна синфазная (ψ = 0), то

(7.21)

Коэффициент направленного действия волноводно-щелевых антенн подсчитывают по формуле

(7.22)

где 3,2 - КНД одной щели.

Если бы мощность, излучаемая ею, распределялась в обеих полусферах, тоКНД был быв два раза меньше (D = 1,64), т.е. таким же, как у полуволнового вибратора в свободномпространстве.

Преимущества волноводно-щелевых антенн:

1. Отсутствие выступающих частей делает их пригодными для использования в летательных аппаратах.

2.Подбором расположения отдельных щелей на стенке волновода можно установитьтребуемое распределение амплитуды и фазы их возбуждения и этим добиться нужной формы ДН, например, с минимальными боковыми лепестками.
Основной недостаток - сравнительно узкая полоса пропускания.

Дата добавления: 2017-02-01