Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными видами поляризации выходной мощности. Типы рупорных антенн, их конструкция | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №11 (115) июнь-1 2016 г.

Дата публикации: 05.06.2016

Статья просмотрена: 2400 раз

Библиографическое описание:

Ахалая Д. А., Малышев И. В., Межунц Т. В. Расчёт Н-секториальной рупорной антенны с разными видами поляризации выходной мощности. Типы рупорных антенн, их конструкция // Молодой ученый. — 2016. — №11. — С. 264-267. — URL https://moluch.ru/archive/115/31170/ (дата обращения: 16.12.2018).



Под рупорной антенной понимают излучатель в виде отрезка волновода, у которого размеры поперечного сечения увеличиваются в направлении раскрыва.

Раскрыв такой антенны может быть прямоугольной, квадратной или круглой формы. Различают Е- и H-плоскостные рупоры (размеры изменяются соответственно только в плоскости векторов Е или Н), пирамидальные (в обеих плоскостях одновременно). Такие рупоры получают из волноводов прямоугольной формы. Из круглого волновода с плавно увеличивающимся радиусом получается конический рупор.

Типы рупорных антенн представлены на рис. 1, а геометрические размеры на рис. 2.

К ним относятся: ар — размер раскрыва в H-плоскости; L — длина образующей рупора; R — длина рупора; 2Ф0 — угол раскрыва рупора.

Рис. 1. Типы рупорных антенн: а — Н-секториальный; б — Е-секториальный; в — пирамидальный; г — конический

Геометрические параметры рупорной антенны рассмотрим на примере H-секториального рупора, представив его в продольном сечении (рис. 2).

Рис. 2. Геометрические параметры Н-секториального рупора

Рис. 3. Распространение ЭМВ в Н-секториальном рупоре

Принцип действия рупорной антенны рассмотрим на примере Н-секториального рупора в режиме передачи (рис. 3). Как правило, в прямоугольном волноводе возбуждают основной тип волны Н10. Электромагнитная энергия в виде этого типа волны с плоским фазовым фронтом распространяется вдоль волновода и достигает горловины рупора: здесь часть энергии волны отражается, так как изменение размера широких стенок волновода для ЭМВ является сосредоточенной неоднородностью [1, с. 111].

Кроме того, вследствие этой неоднородности в горловине происходит возбуждение ЭМВ высших типов, но размеры волновода таковы, что эти волны по мере удаления от горловины интенсивно затухают. Очевидно, что доля отражённой энергии и доля энергии, затраченной на возбуждение высших типов волн, будут тем меньше, чем меньше угол раскрыва рупора. Затем большая часть энергии распространяется в виде ЭМВ с расходящимся фазовым фронтом внутри полости рупора и через раскрыв, излучается в пространство. Раскрыв рупора, также является сосредоточенной неоднородностью, поэтому в нём происходят те же явления, что и в горловине. Это вызвано тем, что волновое сопротивление раскрыва и свободного пространства — неодинаковы. Следовательно, свободное пространство является нагрузкой, волновод — линией передачи, а рупор — согласующим устройством.

Таким образом, вдоль волновода до горловины рупора ЭМВ распространяется с плоским фазовым фронтом, внутри полости рупора — с расходящимся фазовым фронтом и через раскрыв излучается в пространство.

Если увеличивается размер только широкой стенки образующего рупор прямоугольного волновода (в плоскости вектора Н), то рупор называют Н-секториальным или Н-плоскостным (рис. 4).

Н-секториальный рупор имеет согласующие свойства (согласуется со свободным пространством).

Для волны Н10 волновое сопротивление прямоугольного волновода можно определить по формуле:

(1)

А волновое сопротивление пространства равно W0 = 120π. Отсюда следует, что чем больше размер раскрыва рупора — ар, тем волновое сопротивление раскрыва ближе к волновому сопротивлению свободного пространства (ар↑ => Wв → W0).

Поскольку рупорные антенны относятся к классу апертурных антенн, то их поле излучения и диаграмму направленности (ДН) можно найти апертурным методом. Для этого необходимо знать амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве рупора.

Рис. 4. Распределение ЭМП в Н-секториальном рупоре

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора определяется типом возбуждаемой волны, а фазовое распределение — типом рупора и его геометрическими параметрами. Анализ показывает, что амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве Н-секториального рупора имеет вид:

(2)

Из выражения (2) следует:

− вдоль оси OY (в Н-плоскости) амплитудное распределение описывается косинусоидальным законом с максимумом посредине широкой стенки;

− вдоль оси OX (в Е-плоскости) амплитудное распределение равномерно;

− фазовое распределение поля вдоль оси OY (по широкой стенке) подчиняется квадратичному закону, причём к краям раскрыва поле отстаёт по фазе относительно центра. Это явление объясняется разной длиной пути, проходимого ЭМВ от вершины рупора до различных точек на раскрыве;

− фазовое распределение поля вдоль оси OХ (по узкой стенке) равномерно, так как узкая стенка рупора размеров не меняет.

Таким образом, фронт волны, выходящей из Н-секториального рупора, имеет кривизну только в горизонтальной плоскости (Н-плоскости), т. е. в пространстве является цилиндрическим.

Используя аппарат теории апертурных антенн и выражение (1.2), определим ДН Н-секториального рупора:

(3)

Так как в Е-плоскости распределение поля в раскрыве рупора равноамплитудное и синфазное, то ДН в Е-плоскости будет иметь вид

(4)

В Н-плоскости из-за квадратичного закона распределения фазы по раскрыву и косинусоидального закона распределения амплитуды ДН выражается очень сложно через интегралы Френеля. Исследования показывают, что форма ДН, а, следовательно, её ширина и коэффициент направленного действия (КНД) Н-секториального рупора определяются углом раскрыва рупора — 2Ф0. При увеличении угла раскрыва ДН в Н-плоскости сначала сужается, а затем начинает расширяться (рис. 5). Это обусловлено тем, что при влиянии угла раскрыва на ДН вначале преобладает увеличение размера раскрыва — ар (он растёт из-за увеличения угла раскрыва), а затем — все увеличивающиеся фазовые ошибки, которые также возрастают по мере роста размера раскрыва.

Поэтому с точки зрения получения наибольшего (оптимального) КНД целесообразно оптимально выбирать геометрические размеры рупора. Анализ показывает, что в Н-секториальном рупоре максимально допустимая фазовая ошибка равна:

(5)

Для Н-секториального рупора S = bap, тогда из общей формулы для апертурных антенн определим КНД:

(6)

Рис. 5. Зависимость КНД Н-секториального рупора от геометрических размеров его раскрыва

Максимальный КНД Н-секториального рупора может быть получен при следующих его оптимальных геометрических параметрах и КИП:

(7)

(8)

При этом ширина ДН оптимального Н-секториального рупора в Н- и Е-плоскости определяется соотношениями:

(9)

(10)

Таким образом, Н-секториальный рупор по отношению к открытому концу волновода имеет согласующие свойства и сужает ДН в Н-плоскости.

Вывод.

В данной статье были рассмотрены общая теория рупорных антенн, их типы и конструкции, а также принципы действия. Приведены основные радиотехнические характеристики и параметры, а также произведен расчет пирамидального рупора мм-го диапазона для прямоугольного сечения волновода. Антенна может найти применение для работы в составе различных бытовых и инженерных устройств.

Литература:

  1. Ю. Т. Зырянов, П. А. Федюнин, О. А. Белоусов и др. Антенны. — Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014. — 128 с.
Основные термины (генерируются автоматически): рупор, волновое сопротивление, свободное пространство, широкая стенка, антенна, прямоугольный волновод, рупорная антенна, расходящийся фазовый фронт, плоский фазовый фронт, амплитудное распределение.


Похожие статьи

Максимизация направленности фазированных антенных...

(2). где верхнее подчеркивание означает комплексное сопряжение, а в свободном пространстве волновое сопротивление при

(7). Где такой поверхности, охватывающей антенну, есть сила направленности потока по нормали к этой поверхности в других точках.

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Предположим, что на АР, расположенную в дальней зоне относительно ИРИ, падают плоские волны, излучённые источниками.

В этой части статьи, описывается режим или принцип возбуждения фазовых мод [6,9]. Преобразование в пространство лучей, описываемое в этом...

Интерполяция матрицы рассеяния антенны бегущей волны

Антенны Вивальди широко применяются в системах радиосвязи, радиообнаружения и радиоэлектронного подавления.

где , Z0 – волновое сопротивление открытого пространства; Z0 = = 377 [Ом], Z – волновое сопротивление фидерной линии, Z = 50 [Ом].

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Самой простейшей моделью является модель распространения в свободном пространстве.

где — коэффициент направленного действия (КНД) приемной антенны; -длина волны.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

При рассмотрении распределения амплитуды и фазы первоначально плоской волны с её

Измерительный тракт собран на основе прямоугольного волновода сечением 2,4 х 1,2 мм.

Полученные волны принимается приемным рупором и вступают в детектор.

Особенности распространения радиоволн на космических линиях...

Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания.

Измерение диаграммы направленности двухзеркальной антенны...

Графически амплитудная характеристика антенны представляет собой пространственную фигуру, которая является достаточно сложной как для построения, так и для понимания.

Типы рупорных антенн, их конструкция.

Особенности распространения радиоволн на линиях...

Ключевые слова:дифракция, антенна, множитель ослабления, дифракционный метод, профиль трассы.

Из-за трудности условий распространения волн в городских условиях не существует метода для точного аналитического расчета.

Максимизация направленности фазированных антенных...

(2). где верхнее подчеркивание означает комплексное сопряжение, а в свободном пространстве волновое сопротивление при

(7). Где такой поверхности, охватывающей антенну, есть сила направленности потока по нормали к этой поверхности в других точках.

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Предположим, что на АР, расположенную в дальней зоне относительно ИРИ, падают плоские волны, излучённые источниками.

В этой части статьи, описывается режим или принцип возбуждения фазовых мод [6,9]. Преобразование в пространство лучей, описываемое в этом...

Интерполяция матрицы рассеяния антенны бегущей волны

Антенны Вивальди широко применяются в системах радиосвязи, радиообнаружения и радиоэлектронного подавления.

где , Z0 – волновое сопротивление открытого пространства; Z0 = = 377 [Ом], Z – волновое сопротивление фидерной линии, Z = 50 [Ом].

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Самой простейшей моделью является модель распространения в свободном пространстве.

где — коэффициент направленного действия (КНД) приемной антенны; -длина волны.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

При рассмотрении распределения амплитуды и фазы первоначально плоской волны с её

Измерительный тракт собран на основе прямоугольного волновода сечением 2,4 х 1,2 мм.

Полученные волны принимается приемным рупором и вступают в детектор.

Особенности распространения радиоволн на космических линиях...

Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания.

Измерение диаграммы направленности двухзеркальной антенны...

Графически амплитудная характеристика антенны представляет собой пространственную фигуру, которая является достаточно сложной как для построения, так и для понимания.

Типы рупорных антенн, их конструкция.

Особенности распространения радиоволн на линиях...

Ключевые слова:дифракция, антенна, множитель ослабления, дифракционный метод, профиль трассы.

Из-за трудности условий распространения волн в городских условиях не существует метода для точного аналитического расчета.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Максимизация направленности фазированных антенных...

(2). где верхнее подчеркивание означает комплексное сопряжение, а в свободном пространстве волновое сопротивление при

(7). Где такой поверхности, охватывающей антенну, есть сила направленности потока по нормали к этой поверхности в других точках.

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Предположим, что на АР, расположенную в дальней зоне относительно ИРИ, падают плоские волны, излучённые источниками.

В этой части статьи, описывается режим или принцип возбуждения фазовых мод [6,9]. Преобразование в пространство лучей, описываемое в этом...

Интерполяция матрицы рассеяния антенны бегущей волны

Антенны Вивальди широко применяются в системах радиосвязи, радиообнаружения и радиоэлектронного подавления.

где , Z0 – волновое сопротивление открытого пространства; Z0 = = 377 [Ом], Z – волновое сопротивление фидерной линии, Z = 50 [Ом].

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Самой простейшей моделью является модель распространения в свободном пространстве.

где — коэффициент направленного действия (КНД) приемной антенны; -длина волны.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

При рассмотрении распределения амплитуды и фазы первоначально плоской волны с её

Измерительный тракт собран на основе прямоугольного волновода сечением 2,4 х 1,2 мм.

Полученные волны принимается приемным рупором и вступают в детектор.

Особенности распространения радиоволн на космических линиях...

Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания.

Измерение диаграммы направленности двухзеркальной антенны...

Графически амплитудная характеристика антенны представляет собой пространственную фигуру, которая является достаточно сложной как для построения, так и для понимания.

Типы рупорных антенн, их конструкция.

Особенности распространения радиоволн на линиях...

Ключевые слова:дифракция, антенна, множитель ослабления, дифракционный метод, профиль трассы.

Из-за трудности условий распространения волн в городских условиях не существует метода для точного аналитического расчета.

Максимизация направленности фазированных антенных...

(2). где верхнее подчеркивание означает комплексное сопряжение, а в свободном пространстве волновое сопротивление при

(7). Где такой поверхности, охватывающей антенну, есть сила направленности потока по нормали к этой поверхности в других точках.

Алгоритм UCA Root Rare для задач пеленгования источников...

Предположим, что на АР, расположенную в дальней зоне относительно ИРИ, падают плоские волны, излучённые источниками.

В этой части статьи, описывается режим или принцип возбуждения фазовых мод [6,9]. Преобразование в пространство лучей, описываемое в этом...

Интерполяция матрицы рассеяния антенны бегущей волны

Антенны Вивальди широко применяются в системах радиосвязи, радиообнаружения и радиоэлектронного подавления.

где , Z0 – волновое сопротивление открытого пространства; Z0 = = 377 [Ом], Z – волновое сопротивление фидерной линии, Z = 50 [Ом].

Оценка ослабления радиосигнала по методу идеальной...

Самой простейшей моделью является модель распространения в свободном пространстве.

где — коэффициент направленного действия (КНД) приемной антенны; -длина волны.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

При рассмотрении распределения амплитуды и фазы первоначально плоской волны с её

Измерительный тракт собран на основе прямоугольного волновода сечением 2,4 х 1,2 мм.

Полученные волны принимается приемным рупором и вступают в детектор.

Особенности распространения радиоволн на космических линиях...

Они имеют отличительные друг от друга фазовые фронты, приводящие к повороту плоскости поляризации суммарной волны. В результате этого сигнал, принятый линейно поляризованной антенной испытывает поляризационные замирания.

Измерение диаграммы направленности двухзеркальной антенны...

Графически амплитудная характеристика антенны представляет собой пространственную фигуру, которая является достаточно сложной как для построения, так и для понимания.

Типы рупорных антенн, их конструкция.

Особенности распространения радиоволн на линиях...

Ключевые слова:дифракция, антенна, множитель ослабления, дифракционный метод, профиль трассы.

Из-за трудности условий распространения волн в городских условиях не существует метода для точного аналитического расчета.

Задать вопрос