Почему рупор улучшает согласование волновода с открытым пространством

Обновлено: 19.05.2024

Волноводные излучатели имеют широкую ДН, малый коэффициент направленного действия (КНД), и плохо согласованы со свободным пространством. Для повышения напрвеленности, КНД и улучшение согласования приходят к рупорным антеннам.

Рупорная антенна состоит из рупора – отрезка волновода с плавно расширяющимся сечением и устройства питания рупора- волновода с возбуждающим устройством. Рупор преобразует участок плоской волны малых размером в поперечном сечении волновода в участок приблизительно плоской волны значительно больщих размеров в раскрыве рупора. Это приводит к сужению ДН и увеличению КНД по сравнению с волноводным излучателем. Кроме того, увеличение размеров поперечного сечения приводит в большинстве случаем к тому, что волновое сопротивление рупора стремится к волновому сопротивлению свободного пространства, что улучшает согласование антенны со свободным пространством.

Секториальным рупором называется такой рупор, у которого увеличивается лишь один размер поперечного сечения прямоугольного волновода а второй размер остается постоянным. Различают Н-секториальны рупор , когда увеличивается размер волновоа в плоскости Н, и Е-секториальный рупор когда увеличивается размер волновода в плоскости Е.

H- cекториальный рупор. Расширение широкой стенки волновода

Если мы начнем расширять стенки волновода. Амплитудно фазовое распределение не изменяется.

Структура поля в Н- секториальном рупоре, сходна с стуктурой поля в возбуждающем волноводе

Расширение широкой стенки волновода приводит к трансформации из волны плоской в сферическую волну. Таким образом, осуществляется согласование с окружающей средой.

Фазовые и амплитудные распределения.

Фазовое распределение теперь квадратичное. Фазовая скорость (скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль заданного направления):

Фазовое распределения является квадратичным:

”-”обусловлен запаздыванием на краях рупора.

Используя теорию о непрерывной системе излучателей, получим:

-const, так как от координаты y ничего не зависит.

Расширять рупор до бесконечности нельзя из за квадратичного фазового распределения.

При таком значении фазы рупор

имеет приемлемую ДН

Оптимальные размеры рупора:

Результат расчетов параметров H- секторального рупора.(веерная ДН)

Зависимость КНД от отношения .

E - cекториальный рупор.

Плавно расширяется узкая стенка волновода.

ДН:

Фазовое распределение сказывается сильнее чем в H- секториальном рупоре.

Результат расчетов параметров E- Зависимость КНД от отношения .

секторального рупора. (веерная ДН)

Для того чтобы улучшить согласование с окружающим пространством, сформировать игольчатую ДН используют рупорные антенны.

Пирамидальный рупор

Пирамидальным рупором называют такой рупор, у которого увеличиваются размеры в обеих плоскостях

Пирамидальный рупор можно рассматривать как сочетание Е и Н секториальных рупоров. Следует различать остроконечный рупор у которого продолжение ребер пересекаются в одной точке то есть R_E=R_H=R и клиновидный рупор у которого R_E ≠R_H

Приблизительно можно считать, что структура поля в пирамидальном рупоре примерно такая же, как и в исходном волноводе. В остроконечном рупоре фронт волны сферический, в клиновидном поверхность двойной кривизны. При удалении от вершины фазовая скорость волны в рупоре стремится к скорости света. Волна становится поперечно , а волновое сопротивления стремится к волновому сопротивлению свободного пространства.

КНД считают используя ряд практических формул:

Вид ДН:

Конический рупор.

Довольно активно в системах спутниковой связи используют конический рупор

Конический рупор – это рупор с расширяющимся круглым поперечным сечением.

Для конического рупора, возбуждаемого круглым волноводом с волной Н₁₁ можно следующие выводы. Амдитудное распределение в раскрыве примерно такое же как и у круглого волновода, а фаза изменяется по квадратичному закону.

Рупорные антенны можно использовать и как самостоятельные антенны и как облучатели более сложных антенн например зеркальных антенн.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.006)

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

Рис. 2 – Вид рупорной антенны

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

Рис. 4 – Графическая интерпретация раскрыва Н-плоскостного рупора

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

7.1.3. Рупорные антенны с круговой поляризацией поля

Рис. 6 – Фазирующие секции

В качестве слабонаправленных антенн УКВ широко используются антенны в виде открытого конца волноводов прямоугольного или круглого сечений. Электромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, дойдя до его открытого конца, частично излучается, а частично отражается (рис. 1, а). Физическими источниками излучения являются электрические токи, возбуждаемые главным образом на внутренних стенках волновода. Расчет излучения методом, использующим распределение тока вблизи раскрыва волновода, очень сложен, поэтому используется метод, основанный на применении принципа эквивалентности. Для этого волновод окружают замкнутой поверхностью. Эта поверхность проводится так, чтобы она совпадала с поверхностью открытого конца волновода и далее стелилась по наружным поверхностям стенок волновода. Тангенциальные составляющие поля на наружных поверхностях стенок волновода (поверхностные токи) принимаются равными нулю.

Рисунок 1. Распространение электромагнитной волны по волноводу

В инженерном решении приближенно полагают, что структура электромагнитного поля в плоскости открытого конца волновода такая же, как в поперечном сечении бесконечно длинного волновода, т.е. пренебрегают волнами высших типов, излучением токов, затекающих на наружные поверхности стенок волноводов, и не учитывают волны, отраженные от открытого конца волновода. В случае волновода прямоугольного сечения, возбуждаемого основной волной Н₁₀ на открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля и зависимость которых от координат известна (рис. 1, б).

Таким образом, характеристику направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения в плоскости Е, параллельной размеру b поперечного сечения, можно представить в виде произведения множителя системы плоского раскрыва на характеристику направленности элемента Гюйгенса в этой плоскости. В плоскости H характеристика направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения представляет собой произведение множителя системы синфазного раскрыва с косинусоидальным распределением амплитуды возбуждающего поля на характеристику направленности элемента Гюйгенса в плоскости Н, в которой следует принять и, следовательно, Поскольку поперечные размеры прямоугольного волновода а и b невелики и соизмеримы с длиной волны (обычно для стандартных волноводов то ДН антенны в виде открытого конца волновода имеет один широкий лепесток, т.е. антенна является слабонаправленной.

Следует отметить, что точность расчетов по вышеприведенным так называемым апертурным формулам является удовлетворительной только в переднем полупространстве. В задних квадрантах результаты расчета по этим формулам не обеспечивают удовлетворительного совпадения с экспериментальными данными. Это объясняется тем, что излучение в задних квадрантах как в плоскости Е,так и в плоскости H в основном определяется дифракцией на широких стенках волновода.

Характеристики направленности открытого конца волновода круглого сечения радиусом а в плоскостях Е и H можно рассчитать по приближенным формулам, полученным при тех же допущениях, что и для прямоугольного волновода. При этом множитель системы выражается цилиндрическими функциями.

Антенны в виде открытого конца волновода применяются в сантиметровом диапазоне волн в тех случаях, когда требуется широкая ДН. Их часто используют в качестве облучателей зеркальных антенн. Антенна в виде открытого конца волновода оказывается плохо согласованной со свободным пространством из-за резкого изменения условий распространения при переходе от волновода к свободному пространству. Коэффициент отражения от открытого конца прямоугольного волновода достигает значения 0,25. 0,3, коэффициент отражения от открытого конца круглого волновода несколько меньше и составляет 0,1. 0,25. Применяя подстроечные элементы, можно значительно снизить коэффициент отражения от открытого конца волновода.

1.2. 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 ) возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (малый угол раствора рупора) интенсивность этих волн невелика.

Рисунок 2. Общий вид рупорных антенн

Существуют различные типы рупоров. Рупор, образованный увеличением размера b волновода, параллельного вектору , называется cекториальным Е- плоскостным (см рис. 2, а).Рупор, образованный увеличением размера а волновода, параллельного вектору , называется cекториальным H- плоскостным (см рис. 2, б). Рупор, образованный одновременным увеличением размеров а и b поперечного сечения волновода, называется пирамидальным (см рис. 2, в, г), а увеличением поперечного сечения круглого волновода – коническим (см рис. 2, е). 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).

Рис. 3. Векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор

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 (прямоугольный раскрыв), амплитуды которых не зависят от координаты у, а вдоль координаты х они изменяются по закону косинуса.

Однако в отличие от поверхности открытого конца волновода плоская излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, так как в раскрыве рупора имеются фазовые искажения. Найдем фазу возбуждающего поля в произвольной точке М излучающего раскрыва H-плоскостного рупора (рис. 4). Дуга NОР окружности с центром в точке 0₁ есть линия равных фаз.

Рисунок 4. Излучающий раскрыв H-плоскостного рупора

Предполагая для простоты, что в рупоре получаем

где - длина H-плоскостного рупора. Обычно поэтому можно ограничиться первым членом разложения. Тогда . Следовательно, в раскрыве рупорной антенны имеется примерно квадратичное фазовое распределение. Максимальный сдвиг фаз на краях раскрыва , тогда

(1)

При достаточно больших значениях ДН рупорной антенны заметно отличается от ДН синфазной излучающей поверхности. При этом симметрия ДН относительно нормали к возбужденной поверхности сохраняется.

Максимальный сдвиг фаз на краю раскрыва конического рупора (радиус раскрыва , длина рупора L)

(2)

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.

Допустимый максимальный сдвиг фаз определяется условием получения максимального КНД при заданной относительной длине рупора. С увеличением относительных размеров раскрыва рупора или при неизменной длине его ДН сначала становится уже и КНД растет, так как увеличиваются размеры излучающей поверхности, которая практически остается синфазной. 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 .

Рисунок 5. Зависимость произведения КНД E–плоскостного рупора на отношение

Аналогичные кривые существуют и для H-плоскостных рупоров. При заданном отношении имеется определенное оптимальное значение или при котором КНД антенны - максимально возможный. Оптимальному значению или соответствует допустимый сдвиг фаз. Рупор, размеры которого подобраны так, чтобы при заданной длине получить максимальный КНД, называется оптимальным.

Из (1) видно, что для того, чтобы при увеличении размеров раскрыва рупора максимальный сдвиг фаз не изменялся, оставаясь равным допустимому, т.е. КНД возрастал, относительная длина рупора должна увеличиваться пропорционально квадрату относительных размеров раскрыва рупора. Анализ кривых, приведенных на рис.5, показывает, что в случае E-плоскостного рупора максимальный КНД получается при выполнении равенства

. (3)

Увеличение допустимого сдвига фаз в случае H-плоскостного рупора по сравнению с E-плоскостным объясняется спаданием амплитуды возбуждающего поля к краям этого рупора в плоскости H. Коэффициент направленного действия оптимального E- или H-плоскостного рупора с учетом несинфазности и неравномерности возбуждения составляет 0,64.

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

Перечень документов по охране труда. Сроки хранения: Итак, перечень документов по охране труда выглядит следующим образом.

Читайте также: