Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 25

Чтобы исключить зависимость КНД от размерагде u  RH1  aPaP2   RHрупора bP , по оси ординат отложено произведениеDH . Из приводимых граbPфиков следует, что для каждой длины рупора существует определенная ширина раскрыва aP  , при которой КНД достигает максимального значения.Уменьшение КНД при дальнейшем увеличении раскрыва рупора объясняетсярезким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве.139Рупоры, размеры которых соответствуют максимальному значениюКНД, называются оптимальными. Из приводимых графиков можно установить, что точки максимума на кривых RH   const соответствуют равенству21 a   P  , откуда длина оптимального рупора 3  aP2.( 7.15)RH орт 3При оптимальной длине Н- секториального рупора максимальная фазоваяошибка в его раскрыве, согласно (7.8),3 H max  ( 7.16)4Если длину рупора взять большей оптимальной, то при той же площадираскрыва КНД рупора возрастает. Однако это возрастание будет незначительным и в большинстве случаев не оправдывает увеличения габаритов.

Действительно,численныйанализ показывает, чтоточкам максимума КНД награфиках рис. 16.6 соответствует коэффициентиспользования поверхности v = 0,64. Если же длину рупора непрерывноувеличивать, то в пределепри R   получим синфазное поле в раскрыве сКИП v = 0,81 (КИП синфазной площадки с косинусоидальным амплитудным распределением). Таким образом, увеличениедлины рупора от оптимальной до бесконечнойповышает КНД приблизи- Рисунок 7.6 – Зависимость КНД от размеровН – секториального рупорательно на 25%.Вычислим КНД Есекториального рупора D E . Проводя операции, аналогичные вышеизложенным для Н -секториального рупора, получаем bP  64aP RE  2  bP 2DE S( 7.17)C   .bP   2 RE 2RE RH140Графики зависимостиКНД от размероврупора представлены нарис.

7.7. Как и для Н секториального рупора,кривые имеют экстремум. Положение экстремумов определяются выражением2RE 1  bP , 2   откуда длина оптимальногоЕсекториального рупораRE орт  bP2  2 . ( 7.18)При оптимальнойдлинемаксимальнаяфазовая ошибка E max   2. ( 7.19)Рисунок 7.7 – Зависимость КНД от размеровЕ – секториального рупораКоэффициент использования площадираскрыва v оптимального E-секториального рупора такой же, как оптимального Н -секториального рупора, т.е. v =0, 64. Таким образом,ab( 7.20)DE орт  0,64  4 P 2P .Коэффициент направленного действия пирамидального рупора D выразим через КНД соответствующих Е- и H-секториальных рупоров:  2 ( 7.21)dDE DH   DE  DH .32aPbP32  aP bPВеличиныDH берутся из графиков рис.

7.6 и 7.7 для секториальaPbPных рупоров. Заметим, что при выборе длины рупора, равной оптимальной,происходит некоторое расширение диаграммы направленности по сравнению сдиаграммой синфазного раскрыва. Ширину диаграммы направленности рупора с оптимальной длиной можно определить по данным табл. 7.1.В коническом рупоре, образованном расширением открытого концакруглого волновода с волной Н11 оптимальная длина зависит от диаметра егораскрыва dР:d P2Rорт  0,15.( 7.22)2,4DE и141Коэффициент использования поверхности оптимального коническогорупора v = 0,5; ширина диаграммы направленности определяется по даннымтабл. 7.1.Деформируя круговой конический рупор в эллиптический с отношениемосей эллипса 1,25, можно получить приблизительно одинаковую ширину диаграммы направленности во всех сечениях, проходящих через ось рупора.Таблица 7.1Тип рупораЕ-секториальныйН-секториальныйПирамидальныйКоническийШирина диаграммыШирина диаграммынаправленности в плоско- направленности в плоскости Нсти Е20,7  68o20,7  80o20,7  80o20,7  60oaPaPaPdP20,7  53o20,7  51o20,7  53o20,7  70obPbPbPdPРупорные антенны используются на практике и как самостоятельныенаправленные антенны, и в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также в качестве излучателей ФАР.

Особенно широко рупорные антенны используются в лабораторных установках при измерении диаграммынаправленности и коэффициента усиления других антенн. Достоинством рупорных антенн является простота конструкции и хорошие диапазонные свойства. Практически рабочая полоса частот рупорной антенны ограничиваетсяполосой питающего его волновода и составляет около 100%.Недостаток рупорных антенн состоит в необходимости выбора слишкомбольшой длины рупора для получения остронаправленного излучения. Какследует из формул (7.15), (7.18), оптимальная длина рупора пропорциональнаквадрату размеров раскрыва aP и bP , а ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна aP и bP в первой степени.

Поэтому для сужения диаграммы направленности рупорной антенны в п раз размер ее апертуры долженбыть увеличен в п раз, а длина рупора - в п2 раз.Это обстоятельство накладывает ограничения на ширину диаграммынаправленности рупорных антенн. Так, при длине рупора, примерно равнойразмеру одной из сторон его раскрыва, ширина диаграммы направленности составляет около 20 - 25°.

При сужении ширины диаграммы направленности до14210° длина рупора приблизительно в 4-5 раз больше размера большей стороныего раскрыва.Существуют различные способы уменьшения длины рупора. Суть этихспособов заключается в компенсации или уменьшении фазовой ошибки в раскрыве рупора.

Одним из наиболее часто используемых на практике способовуменьшения длины рупора является установка в его раскрыве линзы, котораяустраняет фазовые ошибки (рис. 7.8,а). При этом длина рупора выбираетсяуже из условий хорошегосогласованияпитающегорупор волновода со свободным пространством иприблизительно равна (1 0,5)ширинеего раскрыва.Рисунок 7.8 – Способы устранения фазовых ошибокНа рис. 16.8,бв раскрыве рупорной антенныпоказан другой способ выравнивания фазового фронта в раскрыве рупора за счет выравнивания длины пути, проходимого волной от вершины рупора до различныхточек на раскрыве.

Для получения в раскрыве синфазного поля кривая ABC,образующая профиль стенки согнутого рупора, должна иметь форму параболы.7.3Зеркальные антенныПринцип действия зеркальных антенн. Зеркальной антенной (рис.7.9,а) называют совокупность слабонаправленного облучателя 1 и металлического отражателя (зеркала) 2. Форму поверхности зеркала выбирают такой,чтобы сферический фронт волны 3, падающей от облучателя на зеркало, послеотражения преобразовался в плоский фронт волны 4 (рис.

7.9,б). С позицийгеометрической оптики лучи, расходящиеся от облучателя, после отраженияот зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности. По форме зеркала зеркальные антенны разделяются на параболоид вращения, параболический цилиндр, усеченный параболоид, а также антенны со специальным профилем зеркала.В параболоидах вращения облучатель должен быть точечным, в цилиндрическом параболоиде - линейным.Покажем, что для преобразования сферического фронта волны в плоскийповерхность отражателя должна быть частью поверхности параболоида вра-143щения.

В силу осевой симметрии доказательство достаточно провести дляпроизвольной плоскости, проходящей через ось симметрии параболоида вращения.На рис. 7.10 изображена парабола S, являющаяся; как известно,геометрическим местом точек, равноудаленных от фокуса F и прямойлинии l, называемой директриссой(т.е. для произвольной точки М FM= MN). Точка О называется вершиной параболы, отрезок OF- фокусным расстоянием.Проведем линию m, перпендикулярную OF. Для произвольнойточки Р, лежащей на т, длина ломаной FMP составитFM  MP  MN  MP Рисунок 7.9 – Зеркальные антен( 7.23) NP  OF  2 f .ны в виде параболоида вращенияТаким образом, расстояниеFMP = 2f не зависит от положения точки М на параболе.

Следовательно, сферическая волна, распространяющаяся из точки F, после отражения от параболоида вращения S преобразуется в плоскую волну, поверхность равной фазыкоторой совпадает с плоскостью т,перпендикулярной оси параболоидаOF.Обозначая FM через ρ соотношения (7.23) можно записать в виде   cos  2 f , откуда получаемследующее уравнение для образующей параболоида вращения в полярной системе координат:2f   .( 7.24)1  cosАналогично можно показать, чтодля преобразования цилиндрическойволны в плоскую поверхность зеркаладолжна представлять собой параболический цилиндр.Рисунок 7.10 – К выводуКак следует из уравнения (7.24),уравнения профиля зеркалапрофиль зеркальной антенны не зависит от частоты.

Поэтому параболиче-144ские зеркальные антенны являются чрезвычайно широкополосными устройствами, рабочая полоса частот которых в основном определяется полосой частот облучателя.Облучатели зеркальных антенн. Исходя из принципа действия зеркальной антенны, можно сформулировать следующие достаточно очевидныетребования к облучателям этих антенн.1.

Облучатель должен иметь фазовый центр, который располагается вфокусе параболоида вращения (для параболического цилиндра облучательдолжен формировать цилиндрическую волну с линией фазовых центров, расположенных на фокальной линии параболического цилиндра).2. Амплитудная диаграмма направленности облучателя должна быть такова, чтобы почти вся мощность от облучателя попадала на зеркало. В облучателе должно отсутствовать излучение в направлении, противоположномнаправлению на зеркало.

Кроме того, поскольку амплитудное распределение враскрыве зеркала создается в основном диаграммой облучателя, форма амплитудной диаграммы облучателя должна соответствовать требуемой форме амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала.3. Облучатель находится в поле, отраженном от зеркала, поэтому его габариты должны быть как можно меньше, чтобы он создавал минимальное затенение для поля зеркальной антенны.4.

Поскольку электрическая прочность и частотные свойства зеркальнойантенны в основном ограничиваются облучателем, эти параметры облучателядолжны соответствовать аналогичным параметрам всей зеркальной антенны.Наиболее распространенными типами облучателей зеркальных антенн являются вибраторые, щелевые или волноводно-рупорные облучатели. Рассмотрим их конструктивные особенности.Вибраторные облучатели. Вибраторные облучатели состоят из активного резонансного полуволнового вибратора и контррефлектора в виде металлического диска или пассивного вибратора. Питание вибраторных излучателейосуществляется от коаксиального фидера или волновода.