stringtranslate.com

Рупорная антенна

Пирамидальная рупорная СВЧ-антенна с полосой пропускания от 0,8 до 18 ГГц. Линия подачи коаксиального кабеля подключается к разъему, видимому сверху. Этот тип называется ребристым рогом; изогнутые ребра, видимые внутри рупора, увеличивают полосу пропускания антенны .
Первая современная рупорная антенна создана в 1938 году изобретателем Уилмером Л. Барроу .

Рупорная антенна или микроволновый рупор — это антенна , состоящая из расширяющегося металлического волновода в форме рупора для направления радиоволн в луч. Рупоры широко используются в качестве антенн на частотах УВЧ и СВЧ , выше 300 МГц. [1] Они используются в качестве облучающих антенн (называемых рупорами ) 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 устройства открывания дверей , и микроволновые радиометры . [2] Их преимуществами являются умеренная направленность , широкая полоса пропускания , низкие потери, а также простота конструкции и настройки. [3]

Одна из первых рупорных антенн была построена в 1897 году бенгальско-индийским радиоисследователем Джагадишем Чандрой Босом в ходе его новаторских экспериментов с микроволнами. [4] [5] Современная рупорная антенна была независимо изобретена в 1938 году Уилмером Барроу и Г.С. Саутвортом [6] [7] [8] [9] Развитие радаров во время Второй мировой войны стимулировало исследования рупора с целью разработки рупоров для радаров. антенны. Гофрированный рупор, изобретенный Кеем в 1962 году, стал широко использоваться в качестве рупора для микроволновых антенн, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы . [9]

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

Описание

Пирамидальные рупорные антенны для различных частот. У них есть фланцы сверху для крепления к стандартным волноводам.

Рупорная антенна используется для передачи радиоволн из волновода (металлической трубы, используемой для передачи радиоволн) в космос или для сбора радиоволн в волновод для приема. Обычно он состоит из короткой прямоугольной или цилиндрической металлической трубки (волновода), закрытой на одном конце и расширяющейся в рупор конической или пирамидальной формы с открытым концом 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 исходят из рупора узким лучом. В некотором оборудовании радиоволны передаются между передатчиком или приемником и антенной с помощью волновода; в этом случае рупор крепится к концу волновода. В наружных рупорах, таких как рупоры спутниковых антенн, открытое отверстие рупора часто закрывается пластиковым листом, прозрачным для радиоволн, чтобы исключить попадание влаги.

Как это работает

Гофрированная коническая рупорная антенна, используемая в качестве рупора на домашней спутниковой антенне Hughes Direcway. Прозрачный пластиковый лист закрывает горловину, защищая от дождя.

Рупорная антенна выполняет ту же функцию для электромагнитных волн , что и акустический рупор для звуковых волн в музыкальном инструменте, таком как труба . Он обеспечивает постепенную переходную структуру для согласования импеданса трубки с импедансом 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 апертуре от волнового сопротивления в волноводе до импеданса свободного пространства (около 377 Ом ). [2] [12] Когда радиоволны, проходящие через волновод, попадают в отверстие, этот шаг импеданса отражает значительную часть энергии волны обратно по волноводу к источнику, так что не вся мощность излучается. Это похоже на отражение от открытой линии передачи или границы между оптическими средами с низким и высоким показателем преломления , например, от поверхности стекла. Отраженные волны вызывают стоячие волны в волноводе, увеличивая КСВ , тратя энергию и, возможно, перегревая передатчик. Кроме того, малая апертура волновода (менее одной длины волны) вызывает значительную дифракцию выходящих из него волн, в результате чего получается широкая диаграмма направленности без особой направленности.

Чтобы улучшить эти плохие характеристики, концы волновода расширяются, образуя рупор. Конус рупора постепенно меняет импеданс по длине рупора. [12] Он действует как согласующий трансформатор , позволяя большей части волновой энергии излучаться из конца рупора в пространство с минимальным отражением. Конус функционирует аналогично конической линии передачи или оптической среде с плавно меняющимся показателем преломления. Кроме того, широкая апертура рупора проецирует волны узким лучом.

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

Диаграмма направленности

Волны движутся вниз по рогу в виде сферических волновых фронтов, берущих начало в вершине рога, точке, называемой фазовым центром . Картина электрических и магнитных полей в плоскости апертуры у устья рупора, определяющая диаграмму направленности , представляет собой увеличенное воспроизведение полей в волноводе. Поскольку волновые фронты имеют сферическую форму, фаза плавно увеличивается от краев плоскости апертуры к центру из-за разницы в длине центральной точки и краевых точек от точки вершины. Разница в фазе между центральной точкой и краями называется фазовой ошибкой . Эта фазовая ошибка, которая увеличивается с увеличением угла раскрытия, снижает усиление и увеличивает ширину луча, в результате чего рупоры имеют более широкую ширину луча, чем у плоских волновых антенн аналогичного размера, таких как параболические тарелки.

При угле вспышки излучение лепестка луча снижается примерно на 20 дБ от максимального значения. [13]

По мере увеличения размера рупора (выраженного в длинах волн) фазовая ошибка увеличивается, что придает рупору более широкую диаграмму направленности. Для поддержания узкой ширины луча требуется более длинный рупор (меньший угол раскрытия), чтобы поддерживать постоянную фазовую ошибку. Возрастающая фазовая ошибка ограничивает размер апертуры практических рупоров примерно до 15 длин волн; большие апертуры потребовали бы непрактично длинных рупоров. [14] Это ограничивает усиление практических рупоров примерно до 1000 (30 дБи), а соответствующую минимальную ширину луча примерно до 5–10°. [14]

Типы

Типы рупорных антенн
Стопка секторных рупоров антенны РЛС воздушного поиска

Ниже представлены основные типы рупорных антенн. Рупоры могут иметь разные углы раскрытия, а также разные кривые расширения (эллиптические, гиперболические и т. д.) в направлениях электрического и H-поля, что делает возможным широкий спектр различных профилей луча.

Пирамидальный рупор (рис. а) – рупорная антенна с рупором в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным поперечным сечением. Это распространенный тип, используемый с прямоугольными волноводами и излучающий линейно поляризованные радиоволны. [12]
Секторальный рог - пирамидальный рог, у которого только одна пара сторон расширяется, а другая пара параллельна. Получается веерообразный брус, узкий в плоскости расширяющихся сторон, но широкий в плоскости узких сторон. Эти типы часто используются в качестве рупоров для антенн широких поисковых радиолокаторов.
Рупор E-плоскости (рис. b) – секторный рупор, расширяющийся в направлении электрического или электронного 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 сечением. Они используются с цилиндрическими волноводами.
Экспоненциальный рупор (рис. д) – рупор с загнутыми сторонами, в котором расстояние между сторонами увеличивается экспоненциально от длины. Также называемые скалярными рогами , они могут иметь пирамидальное или коническое поперечное сечение. Экспоненциальные рупоры имеют минимальные внутренние отражения, практически постоянный импеданс и другие характеристики в широком диапазоне частот. Они используются в приложениях, требующих высокой производительности, таких как рупоры для спутниковых антенн связи и радиотелескопов.
Гофрированный рупор – рупор с параллельными прорезями или канавками, малыми по сравнению с длиной волны, покрывающий внутреннюю поверхность рупора поперек оси. Гофрированные рупоры имеют более широкую полосу пропускания, меньшие боковые лепестки и кросс-поляризацию и широко используются в качестве рупоров для спутниковых антенн и радиотелескопов .
Двухрежимный конический рупор – (Рупор Поттера [15] ). Этот рупор можно использовать для замены гофрированного рупора для использования на длинах волн менее миллиметра, когда гофрированный рупор имеет потери и его трудно изготовить.
Диагональный рупор . Этот простой двухрежимный рупор внешне выглядит как пирамидальный рупор с квадратной выходной апертурой. Однако при ближайшем рассмотрении видно, что квадратная выходная апертура повернута на 45° относительно волновода. Эти рупоры обычно обрабатываются в виде разделенных блоков и используются на длинах волн менее миллиметра. [16]
Ребристый рог - пирамидальный рог с гребнями или ребрами, прикрепленными к внутренней части рога, идущими вниз по центру сторон. Ребра снижают частоту среза, увеличивая полосу пропускания антенны.
Рог-перегородка - Рог, разделенный внутри на несколько подрогов металлическими перегородками (перегородками), прикрепленными к противоположным стенкам.
Рупор с ограниченной апертурой – длинный узкий рупор, достаточно длинный, чтобы фазовая ошибка составляла незначительную долю длины волны, [13] поэтому он, по сути, излучает плоскую волну. Его эффективность апертуры равна 1,0, поэтому он обеспечивает максимальное усиление и минимальную ширину луча для данного размера апертуры. На усиление не влияет длина, а ограничивает только дифракция на апертуре. [13] Используется в качестве рупора в радиотелескопах и других антеннах высокого разрешения.
Рупорная антенна с четырьмя гребнями и открытой границей . Эта рупорная антенна представляет собой особый тип рупорной антенны, выполненный в виде четырехлучевой конструкции с открытыми границами. Он охватывает широкий диапазон частот и имеет двойную линейную поляризацию. [17]
Рупорная антенна с двумя гребнями и открытой границей. Этот тип антенны похож на рупорную антенну с четырьмя гребнями и открытой границей. Он был разработан для работы в широком диапазоне частот, с низким КСВ и высоким коэффициентом усиления. [10]

Оптимальный рог

Гофрированная рупорная антенна с полосой пропускания от 3,7 до 6 ГГц, предназначенная для крепления к фидеру волновода SMA. Он использовался в качестве рупора для параболической антенны на британской военной базе.
Экспоненциальный рупор для 26-метровой (85 футов) антенны связи космического корабля Кассегрена в комплексе дальней космической связи НАСА Голдстоун .

Для данной частоты и длины рупора существует некоторый угол раскрытия, который обеспечивает минимальное отражение и максимальное усиление. Внутренние отражения в рупорах с прямыми сторонами происходят из двух мест на пути волны, где импеданс резко меняется; устье или отверстие рога и горло, где стороны начинают расширяться. Степень отражения в этих двух местах варьируется в зависимости от угла раскрытия рупора (угол, образуемый сторонами с осью). В узких рупорах с небольшими углами раскрытия большая часть отражения происходит в устье рупора. Коэффициент усиления антенны низкий, поскольку маленькое отверстие напоминает волновод с открытым концом и большим шагом сопротивления. По мере увеличения угла отражение у устья быстро уменьшается, а усиление антенны увеличивается. Напротив, в широких рупорах с углами раскрытия, приближающимися к 90°, большая часть отражения приходится на горловину. Усиление рупора снова низкое, поскольку горловина напоминает волновод с открытым концом. По мере уменьшения угла количество отражений в этом месте падает, и усиление рупора снова увеличивается.

Это обсуждение показывает, что существует некоторый угол раскрытия от 0° до 90°, который дает максимальное усиление и минимальное отражение. [18] Это называется оптимальным рупором . Большинство практичных рупорных антенн спроектированы как оптимальные рупоры. Оптимальные размеры рупора пирамидальной формы составляют: [18] [19]

Для конического рупора оптимальные размеры рупора составляют: [18]

где

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

Оптимальный рупор не дает максимального усиления при заданном размере апертуры . Это достигается с помощью очень длинного рупора ( рупора с ограниченной апертурой ). Оптимальный рупор дает максимальное усиление при заданной длине рупора . Таблицы с размерами оптимальных рупоров для различных частот приведены в справочниках по СВЧ.

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

Прирост

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

Для конических рупоров выигрыш составляет: [18]

где

А – площадь отверстия,
d - диаметр апертуры конического рупора.
λ — длина волны ,
e A — безразмерный параметр от 0 до 1, называемый эффективностью апертуры ,

Эффективность апертуры практических рупорных антенн колеблется от 0,4 до 0,8. Для оптимальных пирамидальных рупоров e A = 0,511, [18] , а для оптимальных конических рупоров e A = 0,522. [18] Поэтому часто используется приблизительная цифра 0,5. Эффективность апертуры увеличивается с увеличением длины рупора и для рупоров с ограниченной апертурой равна примерно единице.

Рупорно-рефлекторная антенна

Тип антенны, сочетающий в себе рупор с параболическим отражателем , известен как рупорная антенна Хогга или антенна с рупорным отражателем, изобретенная Альфредом К. Беком и Харальдом Т. Фриисом в 1941 году [20] и получившая дальнейшее развитие Дэвидом К. Хоггом. в лаборатории Белла в 1961 году. [21] Его также называют «совком для сахара» из-за его характерной формы. Он 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 на вершине рупора, поэтому устройство эквивалентно параболической антенне , питаемой вне оси. [22] Преимущество этой конструкции перед стандартной параболической антенной заключается в том, что рупор экранирует антенну от излучения, исходящего под углами за пределами оси главного луча, поэтому ее диаграмма направленности имеет очень маленькие боковые лепестки . [23] Кроме того, апертура не закрывается частично подачей и ее опорами, как в случае с обычными параболическими тарелками с фронтальной подачей, что позволяет достичь эффективности апертуры 70% по сравнению с 55–60% для тарелок с фронтальной подачей. [22] Недостаток заключается в том, что для данной площади апертуры он намного больше и тяжелее, чем параболическая тарелка, и для обеспечения полной управляемости его необходимо устанавливать на громоздкую поворотную платформу. Эта конструкция использовалась для нескольких радиотелескопов и наземных антенн спутников связи в 1960-х годах. Однако в основном его использовали в качестве фиксированных антенн для микроволновых ретрансляционных линий в микроволновой сети AT&T Long Lines . [21] [23] [24] С 1970-х годов эта конструкция была заменена закрытыми параболическими тарельчатыми антеннами , которые могут обеспечить столь же хорошие характеристики боковых лепестков при более легкой и компактной конструкции. Вероятно, наиболее фотографируемым и известным примером является 15-метровая (50-футовая) рупорная антенна Холмдела [21] в Bell Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси, с помощью которой Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение в 1965 году. , за что они получили Нобелевскую премию по физике 1978 года . Еще одна более поздняя конструкция рупорного отражателя - это рупорный рупор, который представляет собой комбинацию рупора и параболической антенны Кассегрена с использованием двух отражателей. [25]

Рупорно-рефлекторные антенны

Смотрите также

Внешние ссылки

Рекомендации

  1. ^ abcde Bevelacqua, Питер Джозеф (2009). «Рупорная антенна – Интро». Сайт Antenna-theory.com . Проверено 11 ноября 2010 г.
  2. ^ Аб Пул, Ян. «Рупорная антенна». Сайт Radio-Electronics.com . Адрио Коммуникейшнс Лтд . Проверено 11 ноября 2010 г.
  3. ^ Нараян, CP (2007). Антенны и распространение. Технические публикации. п. 159. ИСБН 978-81-8431-176-1.
  4. ^ Родригес, Винсенте (2010). «Краткая история рогов». В журнале «Соответствие» . Публикация на той же странице . Проверено 12 ноября 2010 г.
  5. ^ Эмерсон, DT (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований ММ-волн». Дайджест Международного симпозиума по микроволновому оборудованию IEEE MTT-S, 1997 год . Том. 45. С. 2267–2273. Бибкод : 1997imsd.conf..553E. CiteSeerX 10.1.1.39.8748 . дои : 10.1109/MWSYM.1997.602853. ISBN  0-7803-3814-6. S2CID  9039614 . Проверено 15 марта 2012 г. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) перепечатано в Григорове Игоре (ред.). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований ММ-волн». Антентоп . Том. 2, нет. 3. Белгород, Россия. стр. 87–96.
  6. ^ Саутворт, GC; Кинг, AP (март 1939 г.). «Металлические рупоры как директивные приемники ультракоротких волн». Труды ИРЭ . 27 (2): 95–102. дои : 10.1109/JRPROC.1939.229011. S2CID  51632525.
  7. ^ Барроу, WL; Чу, LJ (февраль 1939 г.). «Теория электромагнитного рупора». Труды ИРЭ . 27 (1): 51–64. дои : 10.1109/JRPROC.1939.228693. S2CID  51635676 . Проверено 28 октября 2015 г.
  8. ^ Барроу, Уилмер Л., патент США 2467578 «Электромагнитный звуковой сигнал», подан: 10 декабря 1946 г., выдан: 19 апреля 1949 г.
  9. ^ аб Олвер, А. Дэвид (1994). Микроволновые рожки и каналы. США: ИЭПП. стр. 2–4. ISBN 0-85296-809-4.
  10. ^ аб Цунг-Чинг Линь; Чи-Хунг Ли; Мин-Кун Се; Ченг-Нань Чиу; Дин-Бин Линь; Синь-Бяо Линь. «Широкополосная рупорная антенна с двумя гребнями для испытаний на устойчивость к излучению и излучению в диапазоне от 18 до 50 ГГц». IEEE Эксплор .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  11. ^ Штуцман, Уоррен Л.; Гэри А. Тиле (1998). Теория и конструкция антенн. США: Дж. Уайли. п. 299. ИСБН 0-471-02590-9.
  12. ^ abcd Бакши, Калифорния; Бакши, А.В.; Бакши, Ю.А. (2009). Антенны и распространение волн. Технические публикации. стр. 6.1–6.3. ISBN 978-81-8431-278-2.
  13. ^ abc Голдсмит, Пол Ф. (1998). Квазиоптические системы: квазиоптическое распространение гауссовского пучка и его применение. США: IEEE Press. стр. 173–174. ISBN 0-7803-3439-6.
  14. ^ аб Микс, Мэрион Литтлтон (1976). Астрофизика, Том 12 Методов экспериментальной физики, Часть 2. США: Academic Press. п. 11. ISBN 0-12-475952-1.
  15. ^ Поттер, PD (1963). «Новая рупорная антенна с подавленными боковыми лепестками и равной шириной луча». Микроволновая печь Дж . 6 : 71–78.
  16. ^ Йоханссон, Йоаким Ф.; Уайборн, Николас Д. (май 1992 г.). «Диагональный рупор как антенна субмиллиметрового диапазона волн». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 40 (5): 795–800. Бибкод : 1992ITMTT..40..795J. дои : 10.1109/22.137380.
  17. ^ Л. Чанг, Л. -Л. Чен, Дж. -К. Чжан и Д. Ли, «Рупорная антенна с четырьмя гребнями и открытой границей, работающая на частоте 1–18 ГГц», 9-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по антеннам и распространению радиоволн (APCAP), 2020 г., Сямынь, Китай, 2020 г., стр. 1-2, doi : 10.1109/APCAP50217.2020.9246141. (2020). Рупорная антенна с четырьмя гребнями и открытой границей, работающая на частотах 1–18 ГГц. стр. 1–2. doi : 10.1109/APCAP50217.2020.9246141. ISBN 978-1-7281-9805-7. S2CID  226852649. {{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  18. ^ abcdef Тасуку, Тешироги; Цукаса Ёнеяма (2001). Современные технологии миллиметрового диапазона. США: IOS Press. стр. 87–89. ISBN 1-58603-098-1.
  19. ^ Аб Нараян 2007, с. 168
  20. ^ Патент США №. 2416675 Рупорная антенная система, поданная 26 ноября 1941 г., Альфред К. Бек, Гарольд Т. Фриис в патентах Google.
  21. ^ abc Кроуфорд, AB; Хогг, округ Колумбия; Хант, Л.Е. (июль 1961 г.). «Проект «Эхо»: антенна с рупорным отражателем для космической связи» (PDF) . Технический журнал Bell System . 40 (4): 1095–1099. doi :10.1002/j.1538-7305.1961.tb01639.x.на сайте Alcatel-Lucent
  22. ^ Аб Микс, 1976, стр.13.
  23. ^ Аб Паттан, Бруно (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии. США: Спрингер. п. 275. ИСБН 0-442-01357-4.
  24. ^ ab «Описание рупорной отражательной антенны KS-15676» (PDF) . Практика Bell System, выпуск 3, раздел 402-421-100 . Компания AT&T, сентябрь 1975 г. Проверено 20 декабря 2011 г.на сайте Альберта ЛаФранса [long-lines.net]
  25. ^ Даунс, JW (1993). Практические конические сечения: геометрические свойства эллипсов, парабол и гипербол. Курьер. стр. 49–50. ISBN 0-486-42876-1.