Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 54
Текст из файла (страница 54)
При этих размерах пшрина диаграммы направленности открытого конца волновода получается довольно большой. Другим недостатком излучателя в виде открытого конца волновода является значительна)й коэффициент отрюкения (!Г~ 0,2...0,3). Для увеличения направленности и уменьшения отражения от раскрыва волновода применяют рупорные антенны. Основная идея рупорной антенны заключается в том, чтобы путем плавного увеличения раскрыла аолновода сохранить в увеличенном раскрыве такую же структуру поля, как и в основном типе волны в волноводе.
С другой стороны, постепенный переход от поперечного сечения волновода к раскрыву рупора Улучшает его согласование со свободным пространством. 162. Рупориые нитеииы Рупорная антенна образуется в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. При расширении прямоугольного волновода только в одной плоскости ооразуется секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают и- и е-плоскостные секториальные рупоры.
при расширении волновода в обеих плоскостях образуется пирамидальный рупор. При расширении круглого волновода получается конический рупор. Основные типы рупорных антенн показаны на рис. !6.4. На практике наиболее часто используются пирамидальные и секториальные Рупоры. Конические рупоры из-за неустойчивости плоскости поляриза- ции и наличии «Росспсляризационных потерь применяются реже. На рис. 16.5 показано пролольиое сечение прямоугольного рупора плоскостью Н. Величина Ял называется длиной рупора в плоскости Н, точка Π— вершиной рупора в плоскости Н, угол при вершине 2а — угол раскрыва в плоскости Н, размер а — шириной раскрыва рупора в плоскости Н.
Анэлогнчные параметры вводятся и при сечении рупора плоскостью Е, причем е общем случае Яь и Ял. Изучение рупорных антенн будем проводить в тех же приближениях, что и открытого конпз РИЕ. 16.4. УИПЫ РУООРИЫХ автЕНН; волновода Окружим рупорную антенну замкнул-юсехгоэлэльлма,б-е-секгоэлэллнма, т й рхззс тьго с вГГьчлээльмГЙ, — коллчесю Э о ей плоского раскрыва Яе и внешней поверхности ру. порной антенны.
Полагаем, что на внешней поверхности рупора тэнгенциальные состэвлжошие элекГРического и магнитного палЯ Равны нУлю. На повеРхности РаскРыва Ел поле определим из регпения внутренней задачи для бесконечного рупора. Анализ этого решения указывает на следующие закономерности в характере поведения поля в рупоре: — тип волны в рупоре яюшезся таким же, как и в возбуждающем рупор волноводе, — в отличие от волновода, поверхностью равных фаз в рупоре яьляется не шюскость, а поверхность цилиндра с центром в вершине О для секториэльного рупора и поверхность сфероида дчя пирамидального рупора; — фазовая скорость волны в рупоре не постоянна (она больше в горловине рупора и приближается к скорости света С в его раскрыве); — в рупоре, в отличие от волновода, отсутствует критическая длина волны в связи с тем, что у бесконечного рупора всегда можно найти такое сечение, которое окажется достаточным для распространения волны любого типа; — локальное поверхностное сопротивление )Ух в раскрыве рупора приближенно равно волновому сопротиааению свободного пространства й'.
С учетом вышеперечисленных закономерностей поле а раскрыве првмоуюльного РУпоРа пРи возбУждении его пРЯмоУгольным волноводом с волной Ны можно записать в виде Е =Еэсоз — е '"Г"'Г', Н,= — Г, Ггх, „Е э ГЛЕ Еэ — НаПРЛИЕННССГЬ ЭЛЕатРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СЕРЕДИИЕ РаСКРЫаа, ЭГ(Х,У) — фЭЗОВЭЯ ошибка в раскрыве рупора, получающаяся нз-за неплоскссти фазового фронта в рупоре. Проанализируем более подробно хэрактер фэзовой ошибки в секюриальном рупоре* продольное сечение которого показано на рнс.
16.5. Дуга окружности ЯМЕ с центром в вершине рупора О является линией равных фаз. В произвольной точке М', имеющей координату х, фаза поля отсеют от фазы в середине раскрыва !в точке О ) на упэл лз ЭГ(х)= — (ОМ -Я )= Г ~Я Яэх — Я )= — Я 1+ — ) — 1 и Рне.16.5. Продольное сечение прямоугольного рупора ит х ) Раскладывая (1+ — в ряд Тейлора и ограничиваясь при х«йгг первыми йз ) л двумя членами, получаем Ги(х) (16.7) Л йл (16.9) Таким образом, фаза поля в раскрыве рупора меняется приблизительно по квадраг)ичному закону.
Максимальная фазоаая ошибка достигается на краю рупора: л а л 6г рн ' рг 4ЛЯл ' 4Лйг Первое выражение относится к Н-плоскостномут а второе к Е-плоскостному сек- ~тодилчьномУ РУпоРУ. ФоРмУлы (16 7), (16 8) спРавеДливы пРи йц > а 72, йн > ар 72. Соответственно для пирачндаяьного рупора фиовая ошибка в раскрыве опрелелается выражением л1х у 11 Гг(х,у)= — — э —, Лйн йя и максимальная фазовая ошибка достигается в углах прямоугольного рупора: аз 1 Г!6 1О) 4 ( Лй„ЛЯл ~ Из (16.9) следует, что в пирамидальном рупоре фазовая ошибка имеет квалратнчный характер. Перейдем к изучению диаграммы направленности секториального рупора.
С учетом (16.6), (16.7) в раскрыве секториального рупора (16.11) а„ Поэтому амплитудная анаграмма направленности элементарной площадки раскрыва рупора описывается соотношением (15. 15), а множитель направленности в соот'ветствии с (15.20) вычисляется следующим образом. В плоскости О „2 !г »с(6«0) = »'„(6«) = Е«Ь [ соз — е «ен"' е«1«= я )з « Аналогично в плоскости Е , ('ЬЬ зян яш~ — т-зшО ус(6« — )=Ее,~ "Ь«с Ч [С(«)+С(«з) 1[3(««)чб(«з)[3 — «илй 2 (16.13) где з, = — ' ~'« Из (1б 13) следует, что амплитудная диаграмма в шюскости Е И« мн — з«п О (, ) 1+ соя О 2 1 — «юпО (16.14) 2 получается такой же, как у прямоугольного раскрыва с равновмплитудным и синфазным полем, что вполне понятно, так как поле в раскрыве рупора вдоль оси» не меняется.
В плоскости Н амплитудная диаграмма зависит от величины максимальной Фаза 3 вой ошибки в раскрыве Н-секториавьного рупора. Если аг я — л, то а первом прн 4 ближении поле в раскрыае рупора можно считать синфшным и использовать для мнг' жителя направленности выражение (15.27).
Поэтому приближенно амплитудная диа грамма направленности в плоскости Н имеет вид соя — К з( и О 1+соей«( 2 1-(-~з(пы [ (16.15) 246 ,/лй„1 ',,—,'„— '„') = Е«Ь« " е "" " ' [С(н,)+С(из)-г[Е(и«)еб(иг)1)т (16.12) ы«32 з а[ где и,= — — —,)Хя„— -«; вз = — +З(хнл — + —; нз =--х "+- "- —.— "=т + "'., Он — — ' )!С(и)<-С(т)~ ь!Е(и)чб(т)] ~, (16. 16) На рис. 16.6 показаны построенные по (16.16) графики зависимости КНД Ря от относительного размера раскрыва Н-секториального рупора а !Л для различных длин РУпоРа ЕЯ . Чтобы исключить зависимость КНД от РазмеРа РУпоРа бш по оси оРдинат отложено произведение — О .
Из приводимых графиков следует, что для кажлой ллии ны рупора существует определенная ширина раскрыва а /Л, при которой КНД достигает максимального значения. уменьшение КНд при дальнейшем увеличении раскрыва рупора объясняется резким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве. Рупоры, размеры которых соответствуют максимальному значению КНД, называются олеичатьлыми. Из приводимых графиков можно установить, что точки максимума на кривых Ец ! Л= сопят соответствуют равенству откуда длина оптимального рупора Для Е-секториального рупора амплитудная диаграмма направленности в плоско. сти Н описывается соотношением (!6.15), В плоскости Е множитель направленности РУпоРа Равен модУлю выРажениЯ (15,41), в котоРом вместо Угз надо подставить значе.
ние щ„ из (!6.8). Если уг„ = я!2, то приближенно диаграмму в плоскости Е можно Лычислить по формуле (16, !4) для синфазного раскрыва. Для пирамидального рупора с небольшой фазовой ошибкой в раскрыве диаграмма направленности в плоскостях Е и гг может быть приближенно рассчитана по формулам ,(16.14), (16.15). При необходимости более точного расчета диаграммы пирамидального ,рупора можно воспользоваться приведенными выше выражениями для секториальных ,рупоров.
Следует помнить, что расчет диаграммы направленности рупорных антенн как по приближенным соотношениям для синфазного раскрывж так и по более сложным выражениям с учетом фазовой ошибки можно проводить лишь в пределах основного и первых боновых лепестков, так как уровень дальних боковых лепестков существенно Ппределяетсв токами, вытекающими на внешнюю поверхность рупора, которые в вандом методе не учитываотся.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
