Принцип действия, основные свойства рупорных антенн

Концентрация излучения в пределах более узкого телесного угла достигается увеличением размеров синфазно возбужденной поверх­ности. Если размеры сечения волновода выбираются таким образом, чтобы обеспе­чить формирование необходимой структу­ры поля, то, плавно увеличивая сечение волновода, эту структуру можно сохранить, а размеры излучаемой поверхности увели­чить (рис. 2). В месте перехода от вол­новода к рупору (сечение S') возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (малый угол раствора рупора) интен­сивность этих волн невелика.

Рис. 2 – Вид рупорной антенны

Существуют различные типы рупоров. Рупор, образованный увеличением размера b волновода, параллельного вектору Е, называ­ется векториальным Е-плоскостным. Рупор, образованный увеличе­нием размера а волновода, параллельного вектору Н, называется век­ториальным Н-плоcкостным. Рупор, образованный одновременным увеличением размеров а и b поперечного сечения волновода, называ­ется пирамидальным (см. рис. 2), а увеличением поперечного сече­ния круглого волновода - коническим. При плавном переходе от вол­новода к рупору структура поля в последнем напоминает структуру поля в волноводе.

Векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свою форму, чтобы обеспечить выполне­ние граничных условий на стенках рупора (рис. 3).

Направленные свойства рупорной антенны приближенно мож­но анализировать, как и в случае открытого конца волновода, пользу­ясь принципом эквивалентности. На излучающей поверхности рупора действуют две взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Е_y H_x (прямоугольный раскрыв), амплитуды которых не зависят от координаты y, а вдоль координаты х они изменяются по закону косинуса.

Рис. 3 – Изменение векторов электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор

Однако в отличие от поверхно­сти открытого конца волновода плос­кая излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, так как в раскрыве рупора имеются фазовые искажения. Определение фазы возбуждающего поля в произвольной точке М излучающего раскрыва Н-плоскостного рупора осуществляется на основе рис. 4.

Рис. 4 – Графическая интерпретация раскрыва Н-плоскостного рупора

Поскольку в рупорной антенне практически невозможно добить­ся полной синфазности излучающей поверхности, то обычно, задава­ясь некоторым допустимым сдвигом фаз, выбирают размеры раскры­ва рупора и его длину. Этот сдвиг должен быть таким, чтобы ДН ру­порной антенны мало отличалась от ДН синфазной излучающей по­верхности, размеры которой равны размерам раскрыва рупора. В дан­ном случае характеристику направленности рупорной антенны можно рассчитать по формулам, приведенным в справочниках, заменяя в множителях системы L соответствующими размерами рупора, a cos Θ на sinΘ.

Рис. 5 – Зависимость КНД E-плоскостного рупора от отношения λ_b/а_р

Допустимый максимальный сдвиг фаз определяется условием получения максимального КНД при заданной относительной длине L/λ рупора. С увеличением относительных размеров раскрыва рупора (а_р /λ или b_р /λ) при неизменной длине его ДН сначала становится уже и КHД растет, так как увеличиваются размеры излучающей поверхнос­ти, которая практически остается синфазной (сдвиг фаз ψ_max мал). При дальнейшем увеличении размеров заметно растут фазовые искажения, вследствие чего ДН начинает расширяться и КНД уменьшается. На рис. 5 по оси ординат отложено произведение КНД E-плоскостного рупора на отношение λ_b/а_р. Аналогичные кривые существуют и для Н-плоскостных рупоров. При заданном отношении L/λ имеется имеется оптимальное значение а_р/λ или b_p/λ при котором КНД антенны – максимально возможный.

Увеличение допустимого сдвига фаз в случае Н-плоскостного рупора по сравнению с Е-плоскостным объясняется спаданием амп­литуды возбуждающего поля к краям этого рупора в плоскости Н.

В настоящее время находят применение рупоры, у которых сдви­ги фаз поля в раскрыве значительно превосходят максимально допус­тимые. При больших по сравнению с λ раскрывах а_р и b_р и больших углах растворов рупора γ₀ ДН становится по форме близкой к столооб­разной. Такие расфазированные рупоры обладают более широким рабочим диапазоном, чем синфазные рупоры.

7.1.3. Рупорные антенны с круговой поляризацией поля

Для получения круговой (или близкой к ней) поляризации излу­чаемого рупором поля применяются фазирующие секции, устанавли­ваемые в волноводе, питающем рупор. В фазирующей секции проис­ходят разложение вектора линейно поляризованного электромагнит­ного поля на две взаимно перпендикулярные составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной направлению распространения вол­ны, и обеспечение между ними на выходе секции сдвига фаз в 90°.

Существуют различные фазирующие секции. В качестве фази­рующей секции можно, например, использовать отрезок волновода с квадратным поперечным сечением, возбуждаемый прямоугольным волноводом с волной Н10. Возбуждающий волновод соединяется с фа­зирующей секцией плавным пирамидальным переходом. Поперечные сечения возбуждающего волновода и фазирующей секции повернуты относительно друг друга на 45° (рис. 6).

Рис. 6 – Фазирующие секции

В результате вектор Е поля в фазирующей секции будет иметь составляющие Е_х и Е_у, параллельные взаимно перпендикулярным стенкам. Таким образом, поле в секции можно рассматривать как суперпозицию волн Н₁₀ и Н₀₁.

Для создания необходимого сдвига фаз между составляющими Е_х и Е_у в фазирующую секцию (1) устанавливают тонкую диэлектри­ческую пластинку (2), причем так, чтобы большой размер ее попереч­ного сечения был параллелен либо составляющей Е_х, либо Е_у. Такая пластинка влияет в основном на фазовую скорость той волны, линии вектора Е которой параллельны поверхности пластины. Толщина пла­стинки выбирается достаточно малой по сравнению с рабочей длиной волны. Тем самым она не оказывает заметного влияния на фазовую скорость волны, вектор Е которой перпендикулярен поверхности пла­стины.

При квадратном раскрыве пирамидального рупора ширина глав­ного лепестка ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по­лучается неодинаковой из-за различных амплитудных распределений возбуждающего поля в Е- и Н-плоскостях. В Н-плоскости ДН (по ну­лям) примерно в 1,5 раза шире, чем в Е-плоскости. Между тем в ряде случаев желательно иметь одинаковые ДН в обеих плоскостях. Это особенно важно при круговой поляризации излучаемого поля.

Один из способов получения одинаковых ДН состоит в том, что в квадратном раскрыве устанавливаются металлические ребра высо­той ∆ на расстоянии с < λ/2 друг от дру­га (рис. 7).

Если вектор Е поляризован вдоль оси х то такая волна не может распространяться между пластинами, параллельными оси х, из-за того, размер с < λ/2. Для нее размер раскрыва а_р как бы уменьшается и становится равным а - 2∆. Если ∆ = 0,17а_р, то размер апертуры а ’ _р параллельной оси х, в 1,5 раза будет меньше размера b_р, параллельного оси у. Так как на составляющую Е_y данные ребра не воздействуют, то ДН для обеих поляризаций поля в плоскости х0z будут примерно одинаковы. Аналогичным способом (с помощью ребер, приклепленных к другим стенкам рупора) можно выровнять ДН в плоскости y0z.

Рис. 7 – Реализация способа получения одинаковых ДН