Рупорные антенны

Наиболее простым типом рупорных антенн является открытый конец волновода. Он обладает слабой направленностью (т. к. его размер меньше ) и плохо согласован со свободным пространством. Плавное увеличение размеров волновода, превращающее его в рупор, позволяет устранить эти недостатки. В горле рупора, т. е. в месте соединения его с волноводом, все же возникают высшие типы волн. Однако, если угол раскрыва рупора не очень велик, то волны высших типов быстро затухают, и в рупоре распространяется только волна основного типа.

Основные типы рупоров образуются в результате расширения круглого или прямоугольного волновода. При расширении волновода в одной плоскости образуется секториальныйрупор (рисунок 7.1, а,б): H–плоскостный (рисунок 7.1, а), если расширяется плоскость вектора H, и E–плоскостный (рисунок 7.1, б), если расширяется плоскость вектора E. В первых силовые линии электрического поля перпендикулярны широкой стороне раскрыва, а во-вторых – узкой.

ри расширении волновода сразу в двух плоскостях образуется пирамидальный рупор (рисунок 7.1, в). Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор (рисунок 7.1, г).

Структура поля в рупоре в основном сохраняется той же, что и в волноводе. Для примера на рисунке 7.2 показана структура поля в H –плоскостном секториальном рупоре. Фронт волны из плоского (в волноводе) преобразуется в цилиндрический. Амплитудное распределение поля вдоль цилиндрической поверхности фронта волны полностью совпадает с амплитудным распределением в поперечном сечении волновода. Фазовая скорость распространения волны в каждом сечении рупора равна скорости волны в волноводе с тем же сечением и убывает от значения фазовой скорости волны в волноводе до скорости света у раскрыва рупора.

Поскольку фазовый фронт волны в рупоре цилиндрический, а геометрический раскрыв плоский, поле в раскрыве оказывается несинфазным. Определим фазовые искажения.

Линией равных фаз в рупоре является дуга окружности с центром в точке O (рисунок 7.3). Фаза поля в произвольной точке отстает от фазы поля в середине раскрыва (точка ) на величину

(7.16)

Как следует из рисунка 7.3, через обозначена длина рупора, а через и – размеры его раскрыва в плоскостях H и E соответственно. Так как в рупорах обычно выполняются соотношения , , то

, (7.17)

т.е. . (7.18)

Таким образом, фаза поля в раскрыве рупора убывает к краям раскрыва приблизительно по квадратичному закону. Максимальный сдвиг фаз составляет величину

. (7.19)

Формулы (7.18) и (7.19) справедливы при или ( –угол раскрыва рупора). Обычно в рупорах, применяемых на практике, данные условия выполняются.

КНД рупорной антенны сложным образом зависит от ее размеров. Для каждой длины рупора существует определенная ширина раскрыва , при которой КНД достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение при фиксированной длине приводит к резкому росту фазовых искажений. Рупор, который при заданной длине имеет максимальный КНД и минимальную ширину луча, называется оптимальным.

Максимальная несинфазность на краю раскрыва несинфазного H –плоскостного рупора составляет величину . С учетом этого из (7.19) можно получить

. (7.20)

Коэффициент использования площади раскрыва H –плоскостного оптимального рупора составляет 0.64, а ширина луча определяется соотношением

град. (7.21)

Для оптимального E –плоскостного секториального рупора максимальная несинфазность на краю раскрыва составляет , чему соответствует

. (7.22)

КИП раскрыва такого рупора также равен 0.64, а ширина луча определяется соотношением

град. (7.23)

То обстоятельство, что в оптимальном H–плоскостном секториальном рупоре допускается более значительная несинфазность на краю раскрыва, чем в оптимальном E –плоскостном секториальном рупоре, обусловлено спаданием в H –плоскости амплитудного распределения на краях раскрыва до нуля, что уменьшает вес, с которым ошибка влияет на ДН.

Пирамидальный рупор можно рассматривать как сочетание E – и H –плоскостных секториальных рупоров. Фронт волны в пирамидальном рупоре приближенно можно считать сферическим. Структура поля в плоскостях E и H подобна структуре полей соответствующих секториальных рупоров. Если размеры раскрыва пирамидального рупора больше , то распределение поля в раскрыве можно считать разделяющимся (по координатам и ). При этом ДН в двух главных плоскостях зависят только от размеров раскрыва в соответствующих плоскостях. КИП оптимального пирамидального рупора .

Фазовые искажения в рупорах могут быть уменьшены путем применения корректирующих линз, в качестве которых могут использоваться замедляющие диэлектрические линзы или ускоряющие металлопластинчатые линзы.