Материал: 736

100

лельно узкой стенке волновода. Излучатель имеет точечный фазовый центр, расположенный в центре апертуры.

Открытый конец прямоугольного волновода недостаточно хорошо согласован со свободным пространством и имеет КСВ порядка 1,6…1,9. Это связано с тем, что волновое сопротивление прямоугольного волновода лежит в пределах 560…590 Ом и значительно отличается от волнового сопротивления свободного пространства, равного 377 Ом.

Излучатель в виде открытого конца круглого волновода

Такой излучатель схематично изображен на рис. 4.1б. Распределение амплитуды поля на раскрыве волновода в плоскости Е близко к постоянному, а в плоскости Н-симметрично спадающее к краям по закону A(ρ)=А0(1-ρ2). Фазовое распределение на всем раскрыве постоянное. Элементарным излучателем является элемент Гюйгенса.

При сделанных выше допущениях для прямоугольного волновода и с использованием формулы (2.55) при n = 1, δ = 0 или δ = 1 можно получить следующие выражения для нормированной ДН открытого конца круглого волновода

где u1 = kasinθ Е , u2 = kasinθ Н , а – радиус волновода.

Для КИП и КНД в направлении максимума ДН имеем

ν ≈ 0,84;

Поляризация поля излучения линейная. Недостатком такого излучателя является неустойчивость положения плоскости поляризации. Поэтому излучатели в виде открытого конца круглого волновода обычно используются для работы с круговой или эллиптической поляризациями. Точечный фазовый центр излучателя совпадает с центром раскрыва. Согласование с пространством открытого конца круглого волновода лучше, чем прямоугольного, и КСВ лежит в пределах 1,2…1,3.

4.2. Рупорные антенны

Волноводные излучатели имеют малую направленность (maxD0 < 5) и недостаточно согласованы с волноводом. Устранение этих недостатков воз-

101

можно путем плавного увеличения поперечного сечения волновода, т.е. переходом к рупорным излучателям. Волновые размеры апертуры рупора могут быть сделаны гораздо большими, чем у волновода, что позволяет значительно сузить главный лепесток диаграммы направленности. Плавное увеличение поперечного сечения волновода в рупорных антеннах обеспечивает их хорошее согласование с пространством. В этом смысле рупор является согласующим переходом от волновода к свободному пространству и дополнительных согласующих устройств не требуется. Появление волн высших типов предотвращается плавностью изменения поперечного сечения рупора.

Рупорные антенны широко применяются в диапазоне СВЧ как самостоятельные антенны, а также в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, элементов антенных решеток. Наибольшее распространение получили секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Секториальные рупоры получаются путем плавного расширения одной из стенок прямоугольного волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит в плоскости Н, рупор называется H-плоскостным (рис. 4.3,а); если в плоскости Е, то называется E-плоскостным (рис. 4.3,б). Плавное линейное расширение прямоугольного волновода в обеих плоскостях образует пирамидальный рупор (рис. 4.3,в). Такое же расширение круглого волновода образует конический рупор (рис. 4.3,г). Пирамидальные и конические рупоры приемлемых размеров позволяют формировать ДН с шириной порядка 9÷12°. Во всех рупорных антеннах происходит плавная трансформация структуры поля волноводных типов волн в поле пространственных волн.

Расчет поля излучения рупорных антенн аналогичен расчету волноводного излучателя. Рупор полагается бесконечно протяженным, а его стенки - идеально проводящими. При этих условиях проводится решение внутренней задачи, т.е. определение электромагнитного поля внутри бесконечно протяженного рупора. Эта электродинамическая часть задачи решается строго. Далее осуществляется переход к рупору конечных размеров, причем предполагается, что поле внутри рупора и на его раскрыве остается таким же, как и в бесконечном рупоре, а токи на внешней поверхности стенок рупора пренебрежимо малы.

Н-плоскостной секториальный рупор

В таком рупоре происходит плавное увеличение размера а широкой стенки волновода. Волна основного типа H10 в прямоугольном волноводе имеет компоненты Еу, Нх, Hz . В рупоре эта волна плавно преобразуется в цилиндрическую волну типа H10, в цилиндрической системе координат ρ, ϕ,

у имеющей компоненты поля Еу, Нϕ, Нρ .

Выясним характер АФР поля в раскрыве. Полагаем, что раскрыв рупора находится в зоне, где цилиндрическая волна уже сформировалась, и размер раскрыва рупора aр меньше его длины LН . Тогда приближенно можно

102

Рис. 4.3. Типы рупорных антенн

считать, что

Следовательно, амплитудное распределение в раскрыве H-плоскостного секториального рупора в магнитной плоскости примерно косинусоидальное и совпадает с распределением в волноводе. В электрической плоскости (по координате у) амплитудное распределение в раскрыве рупора, как и в раскрыве волновода, постоянное

т.е. фазовое распределение в раскрыве H-плоскостного секториального рупора в магнитной плоскости является примерно квадратичным. На краю рупора при х = aр/2 фаза достигает максимального (относительно центра) значения, равного

103

В плоскости Е расстояние между стенками рупора остается постоянным и равным размеру b в волноводе, поэтому и фазовое распределение будет постоянным.

Таким образом, АФР в раскрыве H-плоскостного секториального рупора разделяющееся: в плоскости Н амплитудное распределение косинусоидальное, а фазовое квадратичное; в плоскости Е амплитудное и фазовое распределения постоянны.

Найдем диаграмму направленности H-плоскостного секториального рупора. Поскольку АФР в раскрыве рупора разделяющееся, то ДН в главных плоскостях находятся как ДН линейных систем с АФР, соответствующими этим плоскостям. В плоскости Е распределение постоянно и расчет ДН проводится по формулам для открытого конца прямоугольного волновода. В плоскости H поле излучения рассчитывается с использованием теоремы о перемножении диаграмм, причем элементарным излучателем по-прежнему является элемент Гюйгенса, а МН берется как для линейной системы с косинусоидальным амплитудным и квадратичным фазовым распределением.

Квадратичные изменения фазы приводят к расширению ДН и падению КНД, в то время как увеличение длины рупора сужает ДН и поднимает КНД. В результате оптимизации по этим двум факторам получается, что максимум КНД имеет место при Φ 2 = − 3π 4 и соответствующей этому значению фазы

длины рупора, определяемой из формулы (4.15). Такой Н-секториальный рупор называется оптимальным. Его КИП за счет фазовых искажений равен νф 0,79. Полный КИП будет

где νа – КИП за счет спадающего к краям амплитудного распределения, νф – КИП, обусловленный квадратичными изменениями фазы.

Размеры оптимального H-плоскостного секториального рупора связаны между собой соотношением

В H-плоскостном секториальном рупоре значение фазовой скорости волны плавно уменьшается, стремясь к ее значению в свободном пространстве. Поэтому по сравнению с открытым концом прямоугольного волновода согласование улучшается и КСВ лежит в пределах 1,2…1,4.

104

E-плоскостной секториальный рупор

Такой рупор получается путем плавного увеличения размера узкой стенки прямоугольного волновода b. Поэтому и структура поля внутри рупора деформирована в плоскости Е по сравнению со структурой поля в волноводе. Внутри рупора распространяется цилиндрическая волна с постоянной фазовой скоростью. АФР поля в раскрыве E-плоскостного секториального рупора разделяющееся. Амплитудное распределение в плоскости Е примерно постоянное, а фазовое квадратичное. В плоскости Н амплитудное распределение косинусоидальное, а фазовое постоянное.

Диаграммы направленности E-плоскостного рупора в главных плоскостях рассчитываются как ДН линейных систем с соответствующими этим плоскостям распределениями. В магнитной плоскости ДН рупора такие же, как и у прямоугольного волновода. В электрической плоскости ДН рассчитывается как ДН линейной системы с постоянным амплитудным и квадратичным фазовым распределениями. Элементарным излучателем является элемент Гюйгенса.

При постоянной длине рупора LЕ C увеличением размера его раскрыва bр главный лепесток ДН вначале сужается, так как увеличивается волновой размер апертуры, а фазовые ошибки невелики. Дальнейшее увеличение размера раскрыва, как и в H-плоскостном рупоре, вызывает расширение ДН и увеличение уровня боковых лепестков. Это связано с большой фазовой ошибкой на краю рупора. Поскольку поле к краю E-плоскостного рупора почти не спадает, то фазовая ошибка в E-плоскостном рупоре оказывает большее влияние на ДН, чем в H-плоскостном. Поэтому для оптимального E-плоскостного рупора максимальная фазовая ошибка равна Ф2 = – π/2. При этом КИП составляет νф 0,79.

Размеры оптимального E-плоскостного секториального рупора связаны между собой соотношением

По сравнению с H-плоскостным рупором E-плоскостной секториальный рупор хуже согласован со свободным пространством и для него КСВ лежит в пределах 1,3…1,7.

Пирамидальный рупор

Такой рупор образуется при плавном расширении волновода в обеих плоскостях. Его приближенно можно рассматривать в виде наложения двух Е- и Н-секториальных рупоров. Он позволяет получить ДН, близкую к осесимметричной, с шириной порядка 10÷15°. Продолжения стенок пирами-