УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ / 6

Это означает, что виток можно рассматривать как четыре изогнутых полуволновых вибратора. Поля, излучаемые верхним и нижним вибраторами

(рисунок 6.44а), складываются синфазно в плоскостиyOz. При этом суммарное поле оказывается поляризованным горизонтально.

Поля, излучаемые правым и левым вибраторами (рисунок 6.44б), также дают максимум в направлении осиz, но поляризация суммарного поля оказывается вертикальной. Так как между стоячими волнами тока имеет

место сдвиг по фазе, равный p , то излучаемое в направлении оси z плоским

2

витком поле будет обладать круговой поляризацией.

6.15 Рупорные антенны

Рупорная антенна образуется путем увеличения поперечных размеров волновода (рисунок 6.45).

Рисунок 6.45 – Конструкции рупорных антенн

Рупорные антенны при правильно выбранных габаритах позволяют

получить ширину главного лепестка диаграммы направленности					порядка
10о … 40о.	Плавное	увеличение	поперечного	сечения	волновода
обеспечивает хорошее согласование со свободным пространством.

203

Достоинствами рупорных антенн являются простота конструкции,

малые	потери, большая широкополосность,				что	обусловило		их	широкое
применение в миллиметровом и сантиметровом диапазонах.
В настоящее время в антенной технике наиболее широко используются
секториальные, пирамидальные, коробчатые, конические							и	биконические
рупоры.
Секториальные рупоры образуются путем плавного расширения пары
противоположных стенок прямоугольного волновода. Если расширяются
стенки	волновода,		лежащие	в Н-плоскости, то рупор				называется - Н
секториальным (рисунок 6.45а). При увеличении размеров узких стенок(Е-
плоскость)		получается		Е-секториальный		рупор(рисунок			6.45б).
Секториальные			рупоры	используются		для	получения			диаграм
направленности с различной шириной диаграммы							направленности				во
взаимно перпендикулярных плоскостях. При одновременном увеличении
размеров		всех	стенок	волновода	образуется		пирамидальный				руп
(рисунок 6.45в).
Другие конструкции рупорных антенн приведены на рисунках 6.45г-е.
Рассмотрим пирамидальную рупорную антенну (рисунок 6.46).

Рисунок 6.46 – Геометрические размеры пирамидальной рупорной антенны в плоскости Е (Н)

204

Возбуждение рупорных антенн осуществляется волной основного типа прямоугольного волновода - волной Н10. При условии малого угла раскрыва рупорной антенны и идеально проводящими стенками рупорной антенны полагают, что структура поля в раскрыве рупорной антенны сохраняется такой же, как в питающем волноводе. На рисунке 6.47 показана структура поля в прямоугольном раскрыве, которая подобна структуре поля основной волны Н10 .

Рисунок 6.47 - Структура поля в раскрыве пирамидальной рупорной антенны

Поскольку фронт волны в раскрыве рупорной антенны не является

плоским, возникают квадратичные отклонения фазы, увеличивающиеся по

	мере увеличения расстояния от оси						рупорной антенны к его. кра
	Наибольший фазовый сдвиг получается на краях раскрыва рупорной антенны
	и он называется фазовой ошибкой.
	Фазовые ошибки в	раскрыве					рупорной антенны определяютс
	выражениями
	DjE	=		p ×bp2		,
			4 ×l × RE
	DjH	=		p × a2p			,
				4 ×l × RH

205

где a p , bp - размеры раскрыва рупорной антенны,

RE , RH

- длины

рупора

в плоскости

Е и Н соответственно

(рисунок 6.46).

Чем больше длина рупора, тем меньше фазовая ошибка. Минимальная

длина

рупора Ropt,

при

которой

фазовая ошибка равна допустимой,

называется оптимальной. Если фазовая ошибка не превышает допустимой

величины, то фронт волны в раскрыве антенны считается плоским, и из этого

условия

проводятся

расчеты

диаграммы

направленности

и

дру

характеристик направленности рупорной антенны. Допустимая фазовая

ошибка в Е- и Н-плоскостях определяются соотношениями

DjE доп

=

p

,

DjН доп =

3p

.

2

4

Величина допустимой фазовой ошибки в –Нплоскости больше величины допустимой фазовой ошибки в Е– плоскости. Объясняется это тем, что в Н-плоскости амплитуда поля уменьшается от центра к краям раскрыва ,и следовательно, уменьшается влияние наиболее сильно расфазированных краев на направленные свойства антенны.

Диаграмма направленности рупорной антенны в - Еи Н-плоскостях соответственно рассчитываются по формулам

FE	(q ) =	sin(U E )								,
			U
FH	(q ) =		cos(U H )								,
		æ 2			×U				ö	2
							H
		1 - ç							÷
					p
		è							ø

		p ×bp	×sin(q)				p × a p	×sin(q)
где	U E =			,	U H	=			.
			l					l
Из	этих		соотношений					определяется		ширина	диаг
направленности по			полю		на	уровне1 » 0.707 (или на				уровне0.5	по
								2

мощности)

206

	2q0E.5	=	0.89 × l		,
			bp
	2q0H.5	=	1.18 × l	.
			a p
Типичный	вид диаграмм направленностей рупорных антенн
декартовой системе координат приведен на рисунке 6.48.
На этом рисунке приведены диаграммы направленности при величине
фазовой ошибки менее допустимой(кривая 1). При увеличении фазовой
ошибки свыше	допустимой	диаграмма направленности изменяется тем

сильнее, чем больше величина фазовой ошибки (кривая 2).

Рисунок 6.48 - Диаграмма направленности в прямоугольной системе координат

Коэффициент направленного действия(КНД) характеризует направленные свойства антенны и позволяет их сравнивать между собой.

Коэффициент направленного действия рупорной антенны направлении главного максимума диаграммы направленности определяется соотношением

КНД = n × 4 ×p × a p ×bp , l2

207

где n - коэффициент использования поверхности раскрыва антенны.

Величина коэффициента использования поверхностиn зависит от закона распределения амплитуды на поверхности раскрыва и величины

фазовой ошибки.

В таблице 6.1 приведены величины коэффициента направленного действия

антенны КНД, коэффициента использования поверхностиn , ширины

диаграммы направленности в Е- и Н-плоскости и минимальной длины рупора

Ropt, при которой фазовая ошибка не превышает допустимое значение, при разных амплитудных распределениях.

Таблица 6.1 - Параметры рупорных антенн

Тип антенны

КНД

n

2q E

2q H

R

0.5

0.5

opt

Открытый конец

0,81

4p

ab

0,81

51

l

68

l

-

волновода

2

b

a

l

Н-секториальный

0,64

4p

aP bP

0,64

51

l

78

l

aP

2

рупор

l

2

b

aP

3,3l

Е-секториальный

0,64

4p

aP bP

0,64

56

l

68

l

bP

2

рупор

l

2

bP

a

2,1l

Пирамидальный

4p

l

l

aP

2

рупор

0,5

aP bP

0,5

56

78

l

2

bP

aP

3l

Конический

0,51

4p

SG

0,51

60

l

70

l

0,3

(d )2

рупор

l2

d

d

l

6.16 Зеркальные антенны

Зеркальными называют антенны, в которых требуемые направленные свойства обеспечиваются за счет отражения электромагнитной волны от металлического зеркала 1 (рефлектора) определенного профиля

(рисунок 6.49). Источником электромагнитной волны, падающей на зеркало,

является какая-либо слабонаправленная антенна 2, называемая облучателем.

208

2

1

Рисунок 6.49 – Зеркальная антенна
Принцип действия зеркальных	антенн основан на переотражении

зеркалом электромагнитной волны, возбужденной облучателем.

Электромагнитная волна излучается облучателем в направлении зеркала.

Достигнув проводящей поверхности зеркала, электромагнитная волна

наводит на ней токи проводимости, которые создают вторичные поля излучения. Для того чтобы на зеркало попала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен иметь соответствующую диаграмму направленности и излучать только в направлении зеркала.

Зеркальная антенна применяется для формирования диаграм направленностей с малой шириной основного лепестка. Это может быть в том случае, если поверхность зеркала представляет собой параболоид вращения, а фазовый центр облучателя совпадает с фокусом параболоида. В

этом случае в раскрыве зеркальной антенны формируется плоский фронт волны, а ширина диаграммы направленности зеркальной антенны имеет минимальное значение.

Зеркальные антенны классифицируют по числу зеркал и форме их профиля.

Наибольшее распространение на практике получили однозеркальные антенны.

По форме профиля различают антенны с параболическими, круговыми,

плоскими и специального профиля зеркалами. К параболическим относят антенны, сечение которых некоторой плоскостью представляет собой дугу

209

параболы. На	рисунке 6.50 приведены	параболические	антенны	с
поверхностью зеркала в виде параболоида вращен( исунокя 6.50а),
параболического	цилиндра (рисунок 6.50б), а также вырезок из
параболической поверхности (рисунок 6.50в, г).

Рисунок 6.50 – Различные профили зеркальной антенны
Антенны, имеющие зеркала с центральной симметрией, формируют
осесимметричные (игольчатые) диаграммы			направленности.	Параболо-
цилиндрические	и	круго-цилиндрические	антенны	имеют	веерн

диаграммы направленности с существенно различной шириной главного лепестка в перпендикулярных плоскостях. С помощью зеркал специального

профиля	(рисунок	6.50д)	формируют	косекансные	диаграммы
направленности. В двухзеркальных антеннах (антеннах Кассегрена) (рисунок
6.50е) основное зеркало 1 обычно является				параболоидом	вращения,

дополнительное меньшего диаметра зеркало2 может быть гиперболоидом вращения или частью эллипсоида.

210

Характеристики зеркальных антенн определяются профилем зеркала и

его размерами, а также параметрами облучателя.

К

облучателям

зеркальных

антенн

предъявляются

следующи

требования:

1.Облучатель зеркальной антенны должен обеспечивать требуемое амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве зеркальной антенны и иметь минимальное излучение вне угла раскрыва зеркала;

2.Облучатель должен иметь точечный фазовый центр;

3.Поперечные размеры облучателя должны быть малыми, чтобы снизить эффект затенения раскрыва;

4.Рабочая полоса частот облучателя должна обеспечивать требуемые диапазонные свойства антенны;

5.Конструкция облучателя должна быть простой и обеспечивать нормальную работу антенны в различных метеоусловиях.

Конструкции наиболее часто используемых облучателей приведены на

рисунке 6.51.

Рисунок 6.51 - Конструкции облучателей в зеркальных антеннах

211

На практике находят применение двухвибраторные						облучатели,
питаемые	коаксиальной	линией(рисунок 6.51а,б)		или	волноводом
прямоугольного сечения (рисунок			6.51в); спиральная	антенна (рисунок
6.51г); волноводно-рупорный		облучатель (рисунок 6.51д); двухщелевой
облучатель	(рисунок 6.51е).	Для	одновременной	работы		на	двух

ортогональных поляризациях могут применяться турникетные облучатели.

6.17 Методы расчета диаграммы направленности зеркальных антенн

	Имеется два приближенных метода определения направленных свойств
параболической антенны.
	Первый (апертурный) метод состоит в определении электромагнитного
поля	в	зоне	излучения	по	известному	распределению	касатель
составляющей возбуждающего поля ES					на поверхности раскрыва зеркала S
(рисунок 6.52).

Рисунок 6.52 - К определению электромагнитного поля зеркальной антенны

212