Рупорная антенна

Рупорная антенна — металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединённым к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секторальные, H-секторальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Свойства

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией — фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до −40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требует применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Применение

Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещённую с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.

На радиотелескопе в Холмдейле (англ.), представляющем собой радиометр Дикке на основе рупорно-параболической антенны, Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение.

Характеристики и формулы

Пирамидальная рупорная антенна

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:

$D=4\pi {\frac {S}{\lambda ^{2}}}\nu$ , где $S=L_{E}L_{H}$ — площадь раскрыва рупора, $\nu$ — КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0,6 для случая, когда разность хода центрального и периферийного лучей менее, но близка к $\pi /2$ , и 0,8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:

$2\phi _{0H}=170^{\circ }{\frac {\lambda }{L_{H}}}$

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:

$2\phi _{0E}=115^{\circ }{\frac {\lambda }{L_{E}}}$

Так как при равенстве $L_{E}$ и $L_{H}$ ДНА в плоскости Н получается в 1,5 раза шире, часто для получения одинаковой ширины лепестка в обоих плоскостях выбирают

$L_{H}=1{,}5L_{E}$

Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более $\pi /2$ ) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):

${\frac {\pi }{4\lambda }}\left({\frac {L_{E}^{2}}{R_{E}}}+{\frac {L_{H}^{2}}{R_{H}}}\right)\leqslant {\frac {\pi }{2}}$ , где $R_{E}$ и $R_{H}$ — высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Типы рупорных антенн

Облучатель параболической антенны в виде конического рупора с канавками

Пирамидальный рупор — антенны в форме четырёхгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Они являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.
Секторальный рупор — пирамидальные рупора с расширением только в одной плоскости Е или Н.
Конический рупор — раскрыв в форме конуса с круглым сечением. Используются с цилиндрическими волноводами для получения волны с круговой поляризацией.
Гофрированные рупоры — раскрыв рупоров с параллельными щелями или канавки, малой по сравнению с длиной волны. Канавки покрывают внутреннюю поверхность рупора поперёк оси.

Гофрированные рупоры имеют более широкую полосу пропускания, меньший уровень боковых лепестков и кросс-поляризации. Они широко используются в качестве облучателей для спутниковых параболических антенн и радиотелескопов.

Рупорно-параболическая антенна

Рупорно-параболическая антенна — тип антенны, в которой конструктивно связаны парабола и рупор. Преимуществом этой конструкции по сравнению с рупорной является низкий уровень боковых лепестков и узкая диаграмма направленности. Недостатком — больший вес, чем в параболических антеннах. Примером использования является рупорно-параболическая антенна в космической станции Мир, антенны для радиорелейных станций.

Рупорно-параболические антенны

50-футовая рупорно-параболическая антенна в Холмдейле Bell labs в Холмдейле, Нью-Джерси, США, на которой Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон открыли космическое микроволновое фоновое излучение в 1964 году.

Рупорно-параболические антенны KS-15676 C-диапазона (4-6 ГГц) радиорелейных линий AT&T Long-Lines на крыше центра телефонных коммуникаций AT&T, Сиэтл, штат Вашингтон, США

Настройка антенны

Настройка КСВ антенны производится в её волноводной части или в КВП выбором положения и размеров запитки КВП. Настройка в волноводной части производится штырями или диафрагмами.

Ссылки

Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В. П. Чернышёв, Д. И. Шейнман «Связь», 1973.
Устройства СВЧ и антенны. Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв. Учебник для ВУЗов [1]