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:

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.

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.

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.

Излучение происходит из открытого конца волновода. Для канализации электромагнитной энергии используется волноводы прямоугольного или круглого типа.

Однако волноводы могут быть использованы не только для канализации электромагнитной энергии, но и для ее излучения.

Открытый конец волновода можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ.

Открытый конец волновода представляет собой площадку с электромагнитным полем.1

Особенности электромагнитного поля в открытом конце волновода.

1. Волна не является поперечной типа ТЕМ. (имеет более сложную структуру).

2. Кроме падающей волны присутствует отраженная.

3. Наряду с основным типом волны на конце волновода присутствуют высшие типы волн.

Кроме того поле присутствует не только в раскрыве волновода, но и на внешней поверхности вследствие затекания на эту поверхность токов с конца волновода.

Учет этих факторов очень усложняет задачу определения поля излучения из открытого конца волновода, и ее строгое математическое решение встречает большие трудности. По этой причине обычно применяют приближенные методы решения. Для этого решения задачу разбивают на две задачи: внутреннюю и внешнюю.

1) Внутренней задачей является нахождения поля в раскрыве волновода.

2) Внешней задачей является нахождение поля излучения по известному полю в раскрыве.

Рассмотрим прямоугольный волновод.

Основной тип волны .

Рис. 45. Прямоугольный волновод (а) и структура поля в нем при волне типа : в плоскости xOy (б); в плоскости xOz (в); в плоскости yOz (г).

Напряженность падающего электромагнитного поля в середине раскрыва волновода.

Длина волны в волноводе.

Длина волны в свободном пространстве.

Комплексный коэффициент отражения.

Поле в дальней зоне:

Волновое сопротивление фронта волны на открытом конце волновода.

Волновое сопротивление среды равно .

С учетом найденных отношений поля в главных плоскостях

Площадь раскрыва волновода.

Диаграмма направленности открытого конца прямоугольного волновода.

Рис. 46. Диаграмма направленности излучения из открытого конца прямоугольного волновода при

Как видно из рисунков ширина диаграммы направленности большая. Для получения более острой диаграммы направленности сечение волновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраняется.

Плавное увеличение сечения волновода улучшает согласования его со свободным пространством.

Рис. 47.Основные типы электромагнитных рупоров.

Наибольшее распространение получили секториальные и пирамидальный рупора.

Рассмотрим продольное сечение прямоугольного рупора плоскостью E или H.

Рис. 48. Продольное сечение прямоугольного рупора.

Раскрыва рупора

Ширина раскрыва рупора.

Длина рупора.

Вершина рупора.

Исследование рупора как правило ведется приближенными методами из-за математических сложностей.

Первоначально определяется поле в раскрыве. При решении этой задачи рупор предполагается бесконечно длинным, а его стенки идеально – проводящими.

После решения внутренней задачи обычным методом решается внешняя задача, т.е. находится поле излучения.

H – плоскостной секториальный рупор.

Для нахождения структуры поля в рупоре используем цилиндрическую систему координат .

Волна будет иметь компоненты .

Рис. 49. Цилиндрическая система координат для анализа секториальных рупоров.

Решая систему уравнений Максвелла и используя асимптотические выражения функций Ганкеля для больших значений аргумента , получаем следующие значения для составляющих поля

Здесь напряженность электрического поля в точке рупора с координатами причем .

Формулы (1) показывают, что при больших составляющая и поле в рупоре представляет собой поперечную электромагнитную цилиндрическую волну. Вследствие того, что у большинства применяемых рупоров раскрыв плоский, а волна в рупоре цилиндрическая, поле в раскрыве не будет синфазным.

Для определения фазовых искажений в раскрыве рассмотрим продольное сечение рупора. Дуга окружности с центром в вершине рупора проходит по фронту волны и, следовательно, является линией равных фаз. В произвольной точке , имеющей координату , фаза поля отстает от фазы в середине раскрыва (в точке ) на угол

Рис. 50. К определению фазовых искажений в раскрыве рупора.

Так как обычно в рупорах , то можно ограничиться первым членом разложения

Формула (2) и является приближенными. Ими можно пользоваться, когда или . В применяемых рупорах эти условия обычно выполняются.

Иногда удобно максимальные фазовые ошибки в раскрыве рупора определять через его длину и половину угла раскрыва .

Формула верна при любых и .

Из формулы видно, что при заданной поле в раскрыве будет тем меньше отличаться от синфазного, чем больше длина рупора . Габаритные ограничения требуют нахождения компромиссного решения, т.е. определения такой длины рупора, при которой максимальный фазовый сдвиг в его раскрыве не будет превышать некоторой допустимой величины. Эта величина обычно определяется наибольшим значением коэффициента направленного действия, которое можно получить от рупора заданной длины. Для секториального рупора максимально допустимый фазовый сдвиг составляет , что соответствует следующему соотношению между оптимальной длиной рупора, размером раскрыва и длиной волны :

Для определения распределения амплитуд поля в раскрыве рупора примем

Таким образом, поле в раскрыве секториального рупора окончательно представим выражениями

Диаграмма направленности в плоскости

Характерные зависимости коэффициента направленного действия от относительного раскрыва рупора для различных длин рупора приведены ниже.

Рис. 51. Зависимость КНД Н – секториального рупора от относительной ширины раскрыва

при различной длине рупора.

Для того чтобы исключить зависимость коэффициента направленного действия от оси ординат отложено произведение . Из графиков видно, что для каждой длины рупора существует определенный раскрыв рупора , при котором коэффициент направленного действия максимален. Уменьшение его при дальнейшим увеличение объясняется резким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве.

Рупор, который при заданной длине имеет максимальный коэффициент направленного действия, называется оптимальным. Из кривых, изображенных на рис.3 видно, что при точки максимума кривых соответствует равенству

Если длину рупора взять больше , то при той же площади раскрыва коэффициента направленного действия возрастает, но не очень сильно. Точкам максимума коэффициента направленного действия соответствует коэффициент использования площади раскрыва .

Если длину рупора непрерывно увеличивать, то в пределе при мы получим синфазное поле в раскрыве рупора. Коэффициент использования синфазной площадки с косинусоидальным распределением амплитуды поля равен . Таким образом увеличение длины рупора по сравнению с его оптимальной длиной не может повысить коэффициент направленного действия более чем на

Коэффициент полезного действия рупорных антенн вследствие малых потерь практически может быть принят за единицу.

E-плоскостной секториальный рупор.

Поле в раскрыве плоскостного секториального рупора

Здесь ; расстояние от горловины рупора. плоскостного рупора такая же, как у открытого конца волновода. плоскостного рупора, т.е. .

При выборе размеров плоскостного рупора можно руководствоваться такими же соображениями, которые были изложены выше применительно к плоскостному рупору.

Расчёт директорной антенны………………………………………………3

Расчёт рупорной антенны…………………………………………………10

Расчёт однозеркальной параболической антенны………………………17

Выводы по расчётной работе……………………………………………..24

Список используемой литературы……………………………………….25

Вибраторные антенны используются в миллиметровом, сантиметровом, дециметровом, метровом и в более длинноволновых диапазонах волн и представляют собой прямолинейные проводники, возбуждаемые в определенных точках. Вибраторные антенны в зависимости от конструкции имеют КНД от нескольких единиц до десятков тысяч и применяются в системах радиосвязи, радионавигации, телевидении, телеметрии и других областях радиотехники.

Для увеличения КНД применяют вибратор с рефлектором и одним или несколькими директорами. Такая антенна называется директорной и широко используется в различных областях радиосвязи в диапазоне УКВ. Чем больше директоров, тем больше КНД и уже главный лепесток ДН. Обычно КНД директорных антенн равен 10...30, но известны конструкции директорных антенн с КНД=80...100.

Рисунок 1.1 - Общий вид директорной антенны

На рисунке изображены активный вибратор длиной , рефлектор длиной , директор длиной , стрела, мачта и антенная монтажная коробка, а также расстояния от вибратора до рефлектора , от вибратора до директора , длина самой антенны .

Теоретический расчёт параметров антенны.

В директорной антенне длина активного вибратора делается равной резонансной длине:

При такой длине входное сопротивление имеет реактивную часть близкую к нулю. Длина рефлектора должна быть больше резонансной:

Длина директоров делается меньше резонансной:

Причём длина директоров уменьшается от первого к последнему.

Для системы вибратор – рефлектор оптимальное расстояние , с точки зрения максимума КНД, выбирается в пределах:

Для системы вибратор – первый директор:

Расстояние между соседними директорами берётся в пределах:

Длина волны определяется с помощью формулы:

Где – скорость света, а – частота канала. Т.к. у нас заданы 5 – 6 телевизионные каналы, то возьмём среднюю частоту занимаемых частотных полос этих двух каналов: , тогда длина волны из формулы (1.7) будет равна:

Рассчитаем длины вибраторов антенны и расстояние между ними по формулам (1.1 – 1.6):

Общую длину антенны и её изображение на рисунке 1.2 возьмём из программы VIBRAT.

Рисунок 1.2 - Общий вид рассчитанной директорной антенны

Для нахождения ДН директорной антенны в плоскости воспользуемся формулой (1.8):

Где – число вибраторов, k – волновое число, – среднее расстояние между вибраторами.

Подставив (1.9) и (1.10) в (1.8) и численные значения, получим выражение для нахождения ДН заданной директорной антенны:

Нормированную диаграмму направленности построим с помощью пакета Mathcad. Т.к. она симметричная относительно нуля, то построим её для :

Рисунок 1.3 - ДН в плоскости

Из графика можно определить ширину главного лепестка и максимальный уровень боковых лепестков: .

КНД и ширина главного лепестка определяются по формулам (1.10-1.11):

Коэффициенты и определяются из графика на рисунке 1.4:

Рисунок 1.4 - График коэффициентов

Определим волновую длину антенны:

Зная волновую длину антенны и с помощью рисунка 1.4 определим, что . Тогда:

Сравним полученные результаты расчёта с результатами смоделированной в программе рассчитываемой директорной антенны. Результаты имеют небольшое расхождение в связи с тем, что используемые формулы имеют приближённый характер и не учитывают ряд факторов.

Рисунок 1.5 - Директорная антенна, рассчитанная в VIBRAT

Вывод: рассчитали КНД, ДН и параметры ДН директорной антенны в заданном диапазоне частот. С помощью программы VIBRAT смоделировали данную антенну и убедились в справедливости полученных параметров.

Рупорная антенна представляет собой конструкцию, состоящую из радиоволновода и металлического рупора. Они имеют широкую сферу применения, используются в устройствах измерительной техники и как самостоятельный прибор.

Что это

Рупорная антенна - это устройство, которое состоит из волновода с открытым концом и излучателем. По форме такие антенны бывают Н-секторальными, Е-секторальными, коническими и пирамидальными. Антенны - широкополостные, для них характерен небольшой уровень лепестков. Рупорная конструкция с усилиением простая. Усилитель позволяет ей быть небольшого размера. Например, или линз выравнивает фазу волны и положительно влияет на габариты устройства.

Антенна выглядит как раструб с прикрепленным к нему волноводом. Основным недостатком рупора считают его внушительные параметры. Для того чтобы привести такую антенну в рабочее состояние, она должна располагаться под определенным углом. Именно поэтому в длину рупор больше, чем в сечении. Если попытаться построить такую антенну с диаметром один метр, она бы в длину получилась в несколько раз больше. Чаще всего такие приборы используют в качестве зеркального облучателя или для обслуживания радиорелейных линий.

Особенности

Диаграмма направленности рупорной антенны - это угловое распределение плотности потока мощности или энергии в единицу угла. Определение означает, что прибор широкополосный, имеет питающую линию и небольшой уровень задних лепестков диаграммы. Для того чтобы получить остронаправленное излучение, необходимо сделать рупор длинным. Это не очень практично и считается недостатком данного устройства.

К одним из самых модернизированных типов антенн относят рупорно-параболические. Их основная особенность и преимущество - низкие боковые лепестки, которые сочетаются с узкой диаграммой направленности. С другой стороны, рупорно-параболические устройства габаритные и тяжелые. Одним из примеров такого типа служит антенна, установленная на космической станции "Мир".

По своим свойствам и техническими характеристикам рупорные приборы ничем не отличаются от установленных приемников в мобильных телефонах. Разница лишь в том, что у последних антенны компактные и скрыты внутри. Однако миниатюрные рупорные антенны могут повреждаться внутри мобильного устройства, поэтому корпус телефонов рекомендуется защищать при помощи чехла.

Типы

Существует несколько типов рупорных антенн:

• пирамидальная (сделана в форме пирамиды четырехгранника с прямоугольным сечением, используется чаще всего);
• секторальная (имеет рупор с расширением H или E);
• коническая (выполнена в виде конуса с круглым сечением, излучает волны круговой поляризации);
• гофрированная (рупор с широкой полосой пропускания, небольшим уровнем боковых лепестков, используется для радиотелескопов, параболических и спутниковых антенн);
• рупорно-параболическая (совмещает в себе рупор и параболу, имеет узкую диаграмму направленности, низкий уровень боковых лепестков, функционирует на радиорелейных и космических станциях).

Исследование рупорных антенн позволяет изучить их принцип действия, рассчитать диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны на определенной частоте.

Как работает

Рупорные измерительные антенны вращаются вокруг собственной оси, расположенной перпендикулярно плоскости. К выходу прибора подсоединяется специальный детектор с усилением. Если сигналы слабые, в детекторе формируется квадратичная вольтамперная характеристика. Создает электромагнитные волны стационарная антенна, основная задача которой - передача волн рупорной. Для того чтобы снять характеристику направленности, ее разворачивают. Затем снимаются показания с прибора. Антенну поворачают вокруг своей оси и фиксируют все измененные данные. Применяют ее для приема радиоволн и излучения сверхвысоких частот. Устройство обладает огромными плюсами перед проволочными агрегатами, так как способно принять большой объем сигнала.

Где используется

Рупорная антенна используется как отдельный прибор и в качестве антенны для измерительных устройств, спутников и другой техники. Степень излучения зависит от раскрыва рупора антенны. Он определяется размерами его поверхностей. Используется этот прибор как облучатель. Если конструкцию устройства совмещают с отражателем, его называют рупорно-парабалическим. Агрегаты с усилением часто используют для проведения измерений. Применяют антенну как зеркальный или лучевой облучатель.

Внутренняя поверхность рупора может быть гладкой, гофрированной, а образующая - иметь плавную или кривую линию. Разные модификации этих излучающих приборов используют для улучшения их характеристик и функциональности, например для того, чтобы получить осесимметричную диаграмму. Если необходимо скорректировать направленные свойства антенны, в раскрыве устанавливают ускоряющие или замедляющие линзы.

Настройки

Рупорно-параболическая антенна настраивается в волноводной части с помощью диаграмм или штырей. Если понадобится, то такое устройство можно сделать самостоятельно. Антенна принадлежит к апертурному классу. Это означает, что прибор, в отличие от проволочной модели, принимает сигнал апертурой. Чем больше рупор у антенны, тем больше волн она примет. Усиления легко достичь, если увеличить размеры агрегата. К его преимуществам относят широкополосность, простоту конструкции, отличную повторяемость. К недостаткам - при создании одной антенны требуется большое количество расходных материалов.

Для изготовления своими руками пирамидальной антенны рекомендуется использовать недорогие материалы, например оцинковку, прочный картон, фанеру в сочетании с фольгой металлической. Рассчитать параметры будущего устройства допустимо при помощи специального онлайн-калькулятора. Энергия, принятая рупором, попадает в волновод. Если изменять положение штыря, антенна будет функционировать в широком диапазоне. При создании устройства учитывайте, что внутренние стенки рупора и волновода должны быть гладкими, а раструб - жестким по внешней стороне.

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.