stringtranslate.com

Рупорная антенна

Пирамидальная микроволновая рупорная антенна с полосой пропускания от 0,8 до 18 ГГц. Коаксиальный кабельный фидер подключается к разъему, который виден сверху. Этот тип называется ребристым рупором; изогнутые ребра, видимые внутри устья рупора, увеличивают полосу пропускания антенны .
Первая современная рупорная антенна, 1938 год, изобретатель Уилмер Л. Барроу .

Рупорная антенна или микроволновый рупор — это антенна , которая состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора для направления радиоволн в луч. Рупоры широко используются в качестве антенн на частотах UHF и СВЧ , выше 300 МГц. [1] Они используются в качестве антенн-фидеров (называемых рупорами-фидерами ) для более крупных антенных конструкций, таких как параболические антенны , в качестве стандартных калибровочных антенн для измерения усиления других антенн и в качестве направляющих антенн для таких устройств, как радары , автоматические открыватели дверей и микроволновые радиометры . [2] Их преимуществами являются умеренная направленность , широкая полоса пропускания , низкие потери и простая конструкция и настройка. [3]

Одна из первых рупорных антенн была построена в 1897 году бенгальско-индийским радиоисследователем Джагадишем Чандрой Бозе в его пионерских экспериментах с микроволнами. [4] [5] Современная рупорная антенна была изобретена независимо в 1938 году Уилмером Барроу и GC Southworth [6] [7] [8] [9] Развитие радаров во время Второй мировой войны стимулировало исследования рупоров для проектирования облучателей для радарных антенн. Гофрированный рупор, изобретенный Кейем в 1962 году, стал широко использоваться в качестве облучателя для микроволновых антенн, таких как спутниковые тарелки и радиотелескопы . [9]

Преимущество рупорных антенн заключается в том, что, поскольку они не имеют резонансных элементов, они могут работать в широком диапазоне частот , в широкой полосе пропускания . Используемая полоса пропускания рупорных антенн обычно составляет порядка 10:1 и может достигать 20:1 (например, позволяя работать от 1 ГГц до 20 ГГц). [1] Входное сопротивление медленно изменяется в этом широком диапазоне частот, что обеспечивает низкий коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) в полосе пропускания. [1] Коэффициент усиления рупорных антенн составляет до 25 дБи , типичным является 10–20 дБи. [1]

Описание

Пирамидальные рупорные антенны для различных частот. Имеют фланцы наверху для крепления к стандартным волноводам.

Рупорная антенна используется для передачи радиоволн из волновода (металлической трубы, используемой для переноса радиоволн) в космос или сбора радиоволн в волновод для приема. Обычно она состоит из короткой прямоугольной или цилиндрической металлической трубки (волновода), закрытой с одного конца, расширяющейся в открытый конический или пирамидальный рупор на другом конце. [10] Радиоволны обычно вводятся в волновод с помощью коаксиального кабеля, прикрепленного сбоку, при этом центральный проводник выступает в волновод, образуя четвертьволновую монопольную антенну. Затем волны излучаются из конца рупора узким лучом. В некотором оборудовании радиоволны проводятся между передатчиком или приемником и антенной с помощью волновода; в этом случае рупор прикреплен к концу волновода. В наружных рупорах, таких как облучатели спутниковых антенн, открытый рупор часто закрыт пластиковым листом, прозрачным для радиоволн, чтобы исключить попадание влаги.

Как это работает

Гофрированная коническая рупорная антенна, используемая в качестве облучателя на домашней спутниковой антенне Hughes Direcway. Прозрачная пластиковая пленка закрывает устье рупора, чтобы защитить его от дождя.

Рупорная антенна выполняет ту же функцию для электромагнитных волн , что и акустический рупор для звуковых волн в музыкальном инструменте, таком как труба . Она обеспечивает постепенную переходную структуру для согласования сопротивления трубки с сопротивлением свободного пространства, позволяя волнам из трубки эффективно излучаться в пространство. [11]

Если в качестве антенны используется простой волновод с открытым концом, без рупора, внезапный конец проводящих стенок вызывает резкое изменение импеданса в отверстии, от волнового сопротивления в волноводе до сопротивления свободного пространства (около 377 Ом ). [2] [12] Когда радиоволны, проходящие через волновод, попадают в отверстие, этот скачок импеданса отражает значительную часть энергии волны обратно вниз по волноводу к источнику, так что не вся мощность излучается. Это похоже на отражение в линии передачи с открытым концом или на границе между оптическими средами с низким и высоким показателем преломления , например, на стеклянной поверхности. Отраженные волны вызывают стоячие волны в волноводе, увеличивая КСВ , тратя энергию и, возможно, перегревая передатчик. Кроме того, небольшое отверстие волновода (менее одной длины волны) вызывает значительную дифракцию волн, исходящих из него, что приводит к широкой диаграмме направленности без особой направленности.

Чтобы улучшить эти плохие характеристики, концы волновода расширяются, образуя рупор. Сужение рупора постепенно изменяет импеданс по всей длине рупора. [12] Это действует как трансформатор согласования импеданса , позволяя большей части энергии волны излучаться концом рупора в пространство с минимальным отражением. Сужение функционирует аналогично сужающейся линии передачи или оптической среде с плавно изменяющимся показателем преломления. Кроме того, широкая апертура рупора проецирует волны в узком луче.

Форма рупора, которая обеспечивает минимальную отраженную мощность, представляет собой экспоненциальный конус. [12] Экспоненциальные рупоры используются в специальных приложениях, требующих минимальных потерь сигнала, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы . Однако конические и пирамидальные рупоры используются наиболее широко, поскольку они имеют прямые стороны и их легче проектировать и изготавливать.

Диаграмма направленности излучения

Волны распространяются по рупору в виде сферических волновых фронтов, имеющих начало в вершине рупора, точке, называемой фазовым центром . Картина электрических и магнитных полей в плоскости апертуры в устье рупора, которая определяет диаграмму направленности , представляет собой масштабированное воспроизведение полей в волноводе. Поскольку волновые фронты сферические, фаза плавно увеличивается от краев плоскости апертуры к центру из-за разницы в длине центральной точки и краевых точек от вершины. Разница в фазе между центральной точкой и краями называется фазовой ошибкой . Эта фазовая ошибка, которая увеличивается с углом раскрытия, уменьшает усиление и увеличивает ширину луча, давая рупорам более широкую ширину луча, чем у антенн с плоскими волнами аналогичного размера, таких как параболические тарелки.

Под углом вспышки излучение лепестка луча уменьшается примерно на 20 дБ от максимального значения. [13]

По мере увеличения размера рупора (выраженного в длинах волн) увеличивается фазовая ошибка, что дает рупору более широкую диаграмму направленности. Сохранение узкой ширины луча требует более длинного рупора (меньшего угла раскрытия), чтобы поддерживать постоянную фазовую ошибку. Увеличивающаяся фазовая ошибка ограничивает размер апертуры практических рупоров примерно до 15 длин волн; для больших апертур потребуются непрактично длинные рупоры. [14] Это ограничивает усиление практических рупоров примерно до 1000 (30 дБи) и соответствующую минимальную ширину луча примерно до 5–10°. [14]

Типы

Типы рупорных антенн
Стек секторных облучателей для антенны радиолокационной станции воздушного поиска

Ниже приведены основные типы рупорных антенн. Рупоры могут иметь различные углы раскрытия, а также различные кривые расширения (эллиптические, гиперболические и т. д.) в направлениях электрического и магнитного полей, что делает возможным широкий спектр различных профилей луча.

Пирамидальный рупор (рис. а) – рупорная антенна с рупором в форме четырехгранной пирамиды с прямоугольным поперечным сечением. Они являются распространенным типом, используются с прямоугольными волноводами и излучают линейно поляризованные радиоволны. [12]
Секторный рупор – Пирамидальный рупор, у которого только одна пара сторон расширена, а другая пара параллельна. Он создает веерообразный луч, который узок в плоскости расширенной стороны, но широк в плоскости узких сторон. Эти типы часто используются в качестве облучателей для антенн широких поисковых радаров.
Рупор E-plane (рис. б) – секторный рупор, расширяющийся в направлении электрического или E-поля в волноводе.
Рупор H-плоскости (рис. c) – секторный рупор, расширяющийся в направлении магнитного или H-поля в волноводе.
Конический рупор (рис. г) – рупор в форме конуса , с круглым поперечным сечением. Используются с цилиндрическими волноводами.
Экспоненциальный рупор (рис. e) – рупор с изогнутыми сторонами, в котором разделение сторон увеличивается как экспоненциальная функция длины. Также называемый скалярным рупором , он может иметь пирамидальное или коническое поперечное сечение. Экспоненциальные рупоры имеют минимальное внутреннее отражение и почти постоянное сопротивление и другие характеристики в широком диапазоне частот. Они используются в приложениях, требующих высокой производительности, таких как облучатели для спутниковых антенн связи и радиотелескопов.
Гофрированный рупор – рупор с параллельными щелями или канавками, малыми по сравнению с длиной волны, покрывающими внутреннюю поверхность рупора, перпендикулярно оси. Гофрированные рупоры имеют более широкую полосу пропускания и меньшие боковые лепестки и кросс-поляризацию, и широко используются в качестве облучателей для спутниковых антенн и радиотелескопов .
Двухмодовый конический рупор – (рупор Поттера [15] ). Этот рупор можно использовать вместо гофрированного рупора для использования на длинах волн менее миллиметра, где гофрированный рупор создает потери и его сложно изготовить.
Диагональный рупор – Этот простой двухрежимный рупор на первый взгляд выглядит как пирамидальный рупор с квадратной выходной апертурой. Однако при более близком рассмотрении видно, что квадратная выходная апертура повернута на 45° относительно волновода. Такие рупоры обычно изготавливаются в виде разделенных блоков и используются на субмиллиметровых длинах волн. [16]
Гребнистый рупор – Пирамидальный рупор с гребнями или ребрами, прикрепленными к внутренней части рупора, простирающимися вниз по центру сторон. Ребра понижают частоту среза, увеличивая полосу пропускания антенны.
Септум-рог – рог, который внутри разделен на несколько подрогов металлическими перегородками (септами), прикрепленными к противоположным стенкам.
Рупор с ограниченной апертурой – длинный узкий рупор, достаточно длинный, чтобы фазовая ошибка составляла незначительную часть длины волны, [13] поэтому он по сути излучает плоскую волну. Он имеет эффективность апертуры 1,0, поэтому он дает максимальный коэффициент усиления и минимальную ширину луча для заданного размера апертуры. Коэффициент усиления не зависит от длины, а ограничивается только дифракцией на апертуре. [13] Используется в качестве облучателей в радиотелескопах и других антеннах высокого разрешения.
Открытый граничный четырехгранный рупор – специальный тип рупорной антенны, разработанный как четырехзубчатая структура с открытыми границами. Он охватывает ширину частотного диапазона, а поляризация является двойной линейной. [17]
Открытый граничный двухгребневый рупор – Похож на открытый граничный четырехгребневый рупор выше. Он был разработан для работы в широком диапазоне частот, с низким КСВ и высоким коэффициентом усиления. [10]

Оптимальный гудок

Гофрированная рупорная антенна с полосой пропускания от 3,7 до 6 ГГц, предназначенная для присоединения к фидеру волновода SMA. Она использовалась в качестве рупорного облучателя для параболической антенны на британской военной базе.
Экспоненциальный рупорный облучатель для 26-метровой (85 футов) антенны связи космического корабля Кассегрена в комплексе дальней космической связи НАСА Голдстоун .

Для заданной частоты и длины рупора существует некоторый угол раскрытия, который дает минимальное отражение и максимальное усиление. Внутренние отражения в прямосторонних рупорах происходят из двух мест вдоль пути волны, где импеданс резко меняется: устья или апертуры рупора и горла, где стороны начинают расширяться. Количество отражения в этих двух местах меняется в зависимости от угла раскрытия рупора (угол, который стороны образуют с осью). В узких рупорах с малыми углами раскрытия большая часть отражения происходит в устье рупора. Коэффициент усиления антенны мал, поскольку маленькое устье приближается к открытому волноводу с большим шагом импеданса. По мере увеличения угла отражение в устье быстро уменьшается, а усиление антенны увеличивается. Напротив, в широких рупорах с углами раскрытия, приближающимися к 90°, большая часть отражения приходится на горло. Коэффициент усиления рупора снова мал, поскольку горло приближается к открытому волноводу. По мере уменьшения угла величина отражения в этой точке падает, а усиление рупора снова увеличивается.

Это обсуждение показывает, что существует некоторый угол раскрытия между 0° и 90°, который дает максимальное усиление и минимальное отражение. [18] Это называется оптимальным рупором . Большинство практичных рупорных антенн спроектированы как оптимальные рупоры. В пирамидальном рупоре размеры, которые дают оптимальный рупор, следующие: [18] [19]

Для конического рупора размеры, дающие оптимальный рупор, следующие: [18]

где

a E — ширина апертуры в направлении электрического поля
a H ​​— ширина апертуры в направлении H-поля
L E — наклонная высота стороны в направлении электрического поля.
L H — наклонная высота стороны в направлении магнитного поля.
d — диаметр цилиндрического отверстия рупора
L — наклонная высота конуса от вершины
λ — длина волны

Оптимальный рупор не обеспечивает максимального усиления для заданного размера апертуры . Это достигается с помощью очень длинного рупора ( рупора с ограниченной апертурой ). Оптимальный рупор обеспечивает максимальное усиление для заданной длины рупора . Таблицы, показывающие размеры оптимальных рупоров для различных частот, приведены в справочниках по микроволновым печам.

Большой пирамидальный рупор, использовавшийся в 1951 году для обнаружения излучения водорода в диапазоне 21 см/8,3 дюйма (1,43 ГГц) в галактике Млечный Путь . В настоящее время экспонируется в обсерватории Грин-Бэнк в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, США.

Прирост

Рупоры имеют очень малые потери, поэтому направленность рупора примерно равна его усилению . [1] Усиление G пирамидальной рупорной антенны (отношение интенсивности излучаемой мощности вдоль оси ее луча к интенсивности изотропной антенны с той же входной мощностью) равно: [19]

Для конических рупоров коэффициент усиления составляет: [18]

где

A — площадь отверстия,
d — диаметр апертуры конического рупора
λ — длина волны ,
e A — безразмерный параметр между 0 и 1, называемый эффективностью апертуры ,

Эффективность апертуры в практических рупорных антеннах колеблется от 0,4 до 0,8. Для оптимальных пирамидальных рупоров e A = 0,511. [18] тогда как для оптимальных конических рупоров e A = 0,522. [18] Поэтому часто используется приблизительная цифра 0,5. Эффективность апертуры увеличивается с длиной рупора, и для рупоров с ограниченной апертурой составляет приблизительно единицу.

Рупорно-рефлекторная антенна

Тип антенны, объединяющий рупор с параболическим отражателем , известен как антенна Hogg-horn или рупорно-рефлекторная антенна, изобретенная Альфредом К. Беком и Харальдом Т. Фриисом в 1941 году [20] и далее разработанная Дэвидом К. Хоггом в Bell Labs в 1961 году . [21] Ее также называют «сахарным черпаком» из-за ее характерной формы. Она состоит из рупорной антенны с отражателем, установленным в устье рупора под углом 45 градусов, так что излучаемый луч находится под прямым углом к ​​оси рупора. Отражатель представляет собой сегмент параболического отражателя, а фокус отражателя находится в вершине рупора, поэтому устройство эквивалентно параболической антенне, питаемой вне оси. [22] Преимущество этой конструкции по сравнению со стандартной параболической антенной заключается в том, что рупор экранирует антенну от излучения, исходящего из углов вне оси главного луча, поэтому ее диаграмма направленности имеет очень малые боковые лепестки . [23] Кроме того, апертура частично не заслоняется облучателем и его опорами, как в обычных параболических антеннах с передним питанием, что позволяет ей достигать эффективности апертуры 70% по сравнению с 55–60% для антенн с передним питанием. [22] Недостатком является то, что она намного больше и тяжелее для данной площади апертуры, чем параболическая антенна, и должна быть установлена ​​на громоздком поворотном столе, чтобы быть полностью управляемой. Эта конструкция использовалась для нескольких радиотелескопов и наземных антенн спутниковой связи в 1960-х годах. Однако ее наибольшее применение было в качестве фиксированных антенн для микроволновых релейных линий в микроволновой сети AT&T Long Lines . [21] [23] [24] С 1970-х годов эта конструкция была заменена экранированными параболическими антеннами-тарелками , которые могут достигать одинаково хороших характеристик боковых лепестков при более легкой и компактной конструкции. Вероятно, наиболее фотографируемым и известным примером является 15-метровая (50-футовая) рупорная антенна Холмдела [21] в лабораториях Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси, с помощью которой Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли космическое микроволновое фоновое излучение в 1965 году, за что они получили Нобелевскую премию по физике 1978 года . Еще одна более поздняя конструкция рупорно-рефлекторного типа — это рупор Кассегрена, который представляет собой комбинацию рупора с параболической антенной Кассегрена с использованием двух рефлекторов. [25]

Рупорно-рефлекторные антенны

Смотрите также

Внешние ссылки

Ссылки

  1. ^ abcde Bevelacqua, Peter Joseph (2009). "Рупорная антенна - Введение". Сайт Antenna-theory.com . Получено 11 ноября 2010 г.
  2. ^ ab Poole, Ian. "Рупорная антенна". Сайт Radio-Electronics.com . Adrio Communications Ltd. Получено 11.11.2010 .
  3. ^ Нараян, CP (2007). Антенны и распространение. Технические публикации. стр. 159. ISBN 978-81-8431-176-1.
  4. ^ Родригес, Винсенте (2010). «Краткая история рогов». В журнале Compliance Magazine . Same Page Publishing . Получено 12.11.2010 .
  5. ^ Эмерсон, Д.Т. (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандра Бозе: 100 лет исследований ММ-волн». 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest . Vol. 45. pp. 2267–2273. Bibcode :1997imsd.conf..553E. CiteSeerX 10.1.1.39.8748 . doi :10.1109/MWSYM.1997.602853. ISBN  0-7803-3814-6. S2CID  9039614 . Получено 15 марта 2012 г. . {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ) перепечатано в Григоров, Игорь (ред.). «Работа Джагадиса Чандры Бозе: 100 лет исследований ММ-волн». Antentop . Т. 2, № 3. Белгород, Россия. С. 87–96.
  6. ^ Саутворт, GC; Кинг, AP (март 1939). «Металлические рупоры как направляющие приемники ультракоротких волн». Труды IRE . 27 (2): 95–102. doi :10.1109/JRPROC.1939.229011. S2CID  51632525.
  7. ^ Barrow, WL; Chu, LJ (февраль 1939). "Теория электромагнитного рога". Труды IRE . 27 (1): 51–64. doi :10.1109/JRPROC.1939.228693. S2CID  51635676. Получено 28 октября 2015 г.
  8. ^ Барроу, Уилмер Л., патент США 2467578 Электромагнитный рупор, подан: 10 декабря 1946 г., выдан: 19 апреля 1949 г.
  9. ^ ab Olver, A. David (1994). Микроволновые рожки и каналы. США: IET. стр. 2–4. ISBN 0-85296-809-4.
  10. ^ ab Tsung-Ching Lin; Chih-Hung Lee; Ming-Kun Hsieh; Cheng-Nan Chiu; Ding-Bing Lin; Hsin-Piao Lin (2021). «Широкополосная двухгребневая рупорная антенна для испытаний на устойчивость к излучениям и излучения в диапазоне от 18 ГГц до 50 ГГц». 2021 7-я Международная конференция по прикладным системным инновациям (ICASI) . стр. 63–66. doi : 10.1109/ICASI52993.2021.9568460. ISBN 978-1-6654-4143-8. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Штуцман, Уоррен Л.; Гэри А. Тиле (1998). Теория и конструкция антенн. США: J. Wiley. стр. 299. ISBN 0-471-02590-9.
  12. ^ abcd Бакши, KA; Бакши, AV; Бакши, UA (2009). Антенны и распространение волн. Технические публикации. С. 6.1–6.3. ISBN 978-81-8431-278-2.
  13. ^ abc Goldsmith, Paul F. (1998). Квазиоптические системы: квазиоптическое распространение гауссова пучка и его применение. США: IEEE Press. С. 173–174. ISBN 0-7803-3439-6.
  14. ^ ab Meeks, Marion Littleton (1976). Астрофизика, том 12 Методов экспериментальной физики, часть 2. США: Academic Press. стр. 11. ISBN 0-12-475952-1.
  15. ^ Поттер, PD (1963). «Новая рупорная антенна с подавленными боковыми лепестками и одинаковой шириной луча». Microwave J. 6 : 71–78.
  16. ^ Йоханссон, Йоаким Ф.; Уайборн, Николас Д. (май 1992 г.). «Диагональный рупор как антенна субмиллиметрового диапазона». Труды IEEE по теории и технике микроволн . 40 (5): 795–800. Bibcode : 1992ITMTT..40..795J. doi : 10.1109/22.137380.
  17. ^ L. Chang, L. -L. Chen, J. -Q. Zhang и D. Li, "An Open Boundary Quad-Ridged Horn Antenna Operating at 1-18 GHz," 2020 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Сямынь, Китай, 2020, стр. 1-2, doi: 10.1109/APCAP50217.2020.9246141. (2020). "An Open Boundary Quad-Ridged Horn Antenna Operating at 1-18 GHz". 2020 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP) . стр. 1–2. doi :10.1109/APCAP50217.2020.9246141. ISBN 978-1-7281-9805-7. S2CID  226852649. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  18. ^ abcdef Тасуку, Тешироги; Цукаса Ёнеяма (2001). Современные технологии миллиметровых волн. США: IOS Press. С. 87–89. ISBN 1-58603-098-1.
  19. ^ ab Narayan 2007, стр. 168
  20. ^ Патент США № 2416675 «Рупорная антенная система», подан 26 ноября 1941 г. Альфредом К. Беком, Гарольдом Т. Фриисом на Google Patents
  21. ^ abc Crawford, AB; Hogg, DC; Hunt, LE (июль 1961 г.). «Проект Echo: рупорно-рефлекторная антенна для космической связи» (PDF) . Bell System Technical Journal . 40 (4): 1095–1099. doi :10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x.на сайте Alcatel-Lucent
  22. ^ ab Meeks, 1976, стр.13
  23. ^ ab Pattan, Bruno (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии. США: Springer. стр. 275. ISBN 0-442-01357-4.
  24. ^ ab "Описание рупорно-рефлекторной антенны KS-15676" (PDF) . Bell System Practices, выпуск 3, раздел 402-421-100 . AT&T Co. Сентябрь 1975 . Получено 20.12.2011 .на сайте Альберта ЛаФранса [long-lines.net]
  25. ^ Даунс, Дж. В. (1993). Практические конические сечения: геометрические свойства эллипсов, парабол и гипербол. Courier. стр. 49–50. ISBN 0-486-42876-1.