1.6 Рупорные антенны

Всантиметровом и миллиметровом диапазонах волн широко применяются пирамидальные и конические рупорные антенны (рис.1.10).

Пирамидальные рупоры возбуждаются прямоугольным волноводом, конические – круглым или, через плавный переход, прямоугольным. Если размер рупора В=b- ширине узкой стенки прямоугольного волновода, а размер А произвольный, рупор называется Н-секториальным (расширяется в плоскости вектора). Если расширение делается только в плоскости вектора(А=а – широкой стенке волновода), то рупор Е-секториальный. При расширении в обеих плоскостях – пирамидальный рупор.

Диаграмма направленности рупорной антенны определяется амплитудным и фазовым распределением поля в ее раскрыве. При небольших углах раскрыва рупора и при проведении оценочных расчетов ширины главного лепестка фазовыми искажениями можно пренебречь и воспользоваться данными табл. 3.1.

Размеры оптимального прямоугольного рупора связаны следующими соотношениями:

где и- длина оптимального рупора соответственно в плоскостях векторов Е и Н. Если≠, то длина рупораRвыбирается равной большему значению из них.

Ширина главного лепестка диаграммы направленности оптимального прямоугольного рупора по уровню половинной мощности в плоскости вектора определяется по эмпирической формуле:

,

а в плоскости вектора :

.

Ширина главного лепестка для оптимального конического рупора соответственно в плоскости векторов ирассчитывается следующим образом:

,

.

Длина оптимального конического рупора связана с его диаметром формулой:

.

Ширину главного лепестка рупорной антенны при другом уровне мощности можно определить из графиков, приведенных, например, в [4].

Если рупор является облучателем зеркальной антенны, то актуальным становится вопрос определения положения его фазового центра. Для рупорных антенн с максимальной фазовой ошибкой по краю апертуры Ψ_max <100º÷120º, что соответствует оптимальным размерам, положение фазового центра для прямоугольного рупора в плоскости вектора Е рассчитывается по формуле:

,

в плоскости вектора

.

Аналогично для конического рупора

,,

где ,- расстояние от апертуры до фазового центра, соответственно в плоскостях векторови, а Ψ_max – максимальная фазовая ошибка на краю апертуры конического

и прямоугольного

,

рупоров.

1.7 Директорные антенны

Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку вибраторов с осевым излучением (рис.1.11). Вибратор, к которому подводится питание, называется активным. Необходимый режим питания пассивных вибраторов, при котором обеспечивается коэффициент замедления близкий к оптимальной величине: (L– длина антенны), обеспечивается подбором их длин и расстоянийи. Один из вибраторов настраивается в режим рефлектора, то есть он создает преимущественное излучение в направлении активного вибратора. При обычно выбираемом значении, его сопротивление должно быть индуктивным, что обеспечивается увеличением длины волны вибратора по сравнению с полуволновым.

Рефлектор, как правило, один, так как последующие будут находится в минимуме поля и не окажут заметного влияния на улучшение характеристик излучения антенны. Конструктивно он выполняется или в виде одиночного стержня или в виде Н-образного вибратора или сетчатой конструкции. Последние две разновидности используются для уменьшения заднего излучения.

Количество директоров может достигать десяти и более. Однако, при увеличении их числа, реактивное (емкостное) сопротивление настройки увеличивается, что требует укорочения директоров. Это приводит, в свою очередь, к уменьшению токов на них, особенно на далеко удаленных от активного вибратора. По этой причине сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением её длины происходит значительно медленнее, чем у антенн с осевым излучением и элементами, возбуждаемыми с одинаковой интенсивностью, например антенн бегущей волны. Вторым препятствием использования директорных антенн с большим числом директоров является необходимость увеличения фазовой скорости, что приводит к возрастанию требований к точности изготовления антенны, так как оптимальное значение все меньше отличается от критического замедления, при котором излучение вдоль антенны вообще отсутствует.

Конструктивно наиболее удобным являются антенны с числом директоров не более 5-10. Директоры, как и рефлектор, крепятся обычно к металлической продольной штанге, которая не оказывает влияния на поле, так как перпендикулярна ему.

Обычно выбирают . В этом случае для обеспечения емкостного характера сопротивления директоры должны быть короче полуволновых вибраторов. Их длины уменьшаются по мере удаления от активного вибратора.

Из-за влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного полуволнового вибратора падает до 20-30 Ом, что затрудняет его согласование с питающей линией. По этой причине активный вибратор обычно выполняют петлевым, у которого входное сопротивление примерно в четыре раза выше, чем у обычного. Петлевой вибратор, кроме этого, обладает лучшими частотными свойствами и может крепиться к металлическому стержню в точке нулевого потенциала без изолятора.

В качестве простых излучателей в составе антенных решеток используются директорные антенны с числом элементов (активный вибратор плюс директоры и рефлекторы) от 3 до 7.

При заданной геометрии антенны амплитуды и фазы токов во всех вибраторах, необходимые для расчета ДН, можно рассчитать на основании теории связанных вибраторов, решая систему уравнений Кирхгофа. Задача синтеза директорной антенны является достаточно сложной и обычно решается численными оптимизационными методами.

В настоящее время разработано большое число различных конструкций директорных антенн метрового и дециметрового диапазонов [5]. На рис.1.12 приведена ДН трехэлементной антенны (один активный петлевой вибратор, один рефлектор, один директор) в двух плоскостях. Видно, что диаграмма не имеет боковых лепестков, но имеет значительный задний лепесток. Уровень заднего лепестка (УЗЛ) составляет несколько больше 0,2 (-14дБ). В плоскости вектора Е диаграмма имеет четко выраженные нули, так как вибратор вдоль своей оси не излучает, а в плоскости вектора Н нулей нет. Аналогичный вид имеют и ДН директорных антенн с большим числом элементов.

В таб.1.3 приведены нормированные к длине волны геометрические размеры и основные параметры ДН директорных антенн с одиночным рефлектором, используемых в телевизионном вещании в МВ и ДМВ диапазонах [5]. Длину активного вибратора l_a во всех случаях можно брать равной λ/2.

Таблица 1.3

Число элементов									УЗЛ, дБ	Коэффициент усиления по сравнению с λ/2 вибратором, дБ
3	0,55/0,15	0,41/0,1	-	-	-	-	68º	110º	-14	5
4	0,62/0,27	0,43/0,075	0,42/0,23	-	-	-	63º	95º	-14	6
5	0,62/0,27	0,43/0,075	0,43/0,2	0,42/0,17	-	-	58º	80º	-14	7
6	0,59/0,27	0,43/0,027	0,43/0,2	0,42/0,19	0,4/0,2	-	53º	70º	-16	8
7	0,58/0,27	0,43/0,06	0,43/0,2	0,42/0,2	0,42/0,2	0,42/0,2	51º	65º	-16	8,5
9	0,58/0,27	0,43/0,12	0,43/0,22	0,43/0,2	0,43/0,2	0,43/0,2	46º	55º	-15	9,7