Рупорно-волноводные антенны

Волноводные излучатели. Открытый конец волновода хотя и не является достаточно эффективным излучателем, но тем не менее используется либо в «чистом» виде как ЭИ антенной решетки из волноводов, либо как удобная и наглядная физическая модель излучателя. Излучение формируется на прямоугольной или круглой апертурах. В наиболее простом случае к открытому концу прямоугольного волновода приходит основная рабочая волна Н10, имеющая составляющие Ех и Ну. Распределение составляющей Ех (показано штриховкой) по оси у синусоидальное, а по оси х постоянное, т.е.

(2.24)

где А - постоянный множитель, определенный условиями возбуждения волновода; h - продольное волновое число основной рабочей волны Н₁₀,

Рисунок 2.15 - Волноводные излучатели в виде открытого

конца прямоугольного (а) и круглого (б)

волноводов

 

Точка наблюдения с координатами r, Θ, φ; находится в дальней зоне. При этом угол Θ; отсчитывается от оси z, а угол φ; - от оси у. Таким образом вектор электрического поля Е_х расположен в плоскости хОу, которая называется плоскостью Е. Плоскость уОz называется плоскостью Н. После математических преобразований получим выражения, описывающие ДН в плоскостях Е и Н:

(2.25)

где

(2.26)

где

При таком распределении поля коэффициент использования поверхности излучателя а КУ при равен 2,4.

При этих условиях ДН одиночного волноводного излучателя получается достаточно широкой. Это первый недостаток.

Фазовая скорость в волноводе значительно отличается от фазовой скорости волны в свободном пространстве. Следствием этого является плохое согласование волновода со свободным пространством и отражение энергии от открытого конца волновода, что является вторым недостатком волноводного излучателя.

Рупорные облучатели. Существенное снижение коэффициента отражения от открытого конца волновода достигается путем увеличения линейных размеров раскрыва волновода, т.е перехода к рупору.

Рупорная антенна представляет собой волновод с плавно меняющимся сечением. При расширении узкой стенки волновода рупор называют Е -секториалъным, широкой стенки волновода — Н – секториальным. Если у волновода при переходе к рупору изменяются оба размера, рупор называется пирамидальным. Круглый волновод при плавном увеличении сечения переходит в конический рупор.

При переходе волны из питающего волновода в рупор структура поля волны в основном сохраняется прежней. В прямоугольном волноводе, в котором возбуждена волна основного Н₁₀ типа, фазовая скорость равна

(2.27)

В пирамидальном рупоре в результате расширения широкой стенки величины а в начале антенны до а_р в конце ее фазовая скорость постепенно снижается до величины, близкой к скорости света. Степень согласования антенны со свободным пространством можно регулировать длиной рупора и величиной раскрыва антенны.

При переходе волны из волновода в Е - секториалъный рупор v_ф остается прежней, поскольку размер широкой стенки волновода сохраняется (в рупоре а = а_р). При выходе волны из рупора фазовая скорость скачком изменяется до скорости света, что, как указывалось выше, вызывает частичное отражение энергии от конца рупора обратно в волновод.

В Н – секториальном рупоре расширяется широкая стенка волновода от величины а в начале антенны до а_р в конце ее. Следовательно, на протяжении всей длины рупора фазовая скорость постепенно снижается до величины, близкой к скорости света. Согласование волновода с антенной улучшается.

Рисунок 2.16 - Секториальные (а, б) и пирамидальный (в) рупорные

излучатели

 

Между оптимальными значениями длины рупора l Н-плоскостного секториального рупора и ширины его раскрыва а имеется следующее соотношение: при этом КУ равен При синфазном поле в раскрыве коэффициент использования поверхности секториального рупора был бы таким же как и у прямоугольного волновода (ПВ) тех же поперечных размеров, т.е. при оптимальных значенияхкоэффициент

Для Е-плоскостного секториального рупора соотношение между l и а следующее: а КУ равен

Пирамидальные рупоры при одинаковой длине с секториальными имеют большую площадь раскрыва ( или ), а значит и больший КУ.