Випромінювачів

Спрямовані властивості хвильоводних

Загальні відомості про апертурні антени

АПЕРТУРНІ АНТЕНИ

 

До складу апертурних антен відносяться хвильоводні, рупорні, лінзові та дзеркальні антени, в яких основне випромінювання відбувається через отвір (розкрив, апертуру). Апертурні антени використовуються на НВЧ, відношення площі розкриву до квадрату довжини хвилі можна отримати дуже великим, що збільшує КСД дзеркальних та лінзових антен до сотень, тисяч мільйонів разів.

Другою відмінною ознакою апертурних антен є те, що в них розділені процеси перетворення енергії струмів високої частоти в енергію електромагнітних хвиль і процеси направленого випромінювання таких хвиль. Першу функцію в апертурній антені виконує опромінювач, а другу − рупор, лінза, рефлектор (дзеркало).

Наступною особливістю апертурних антен є те, що її елементи збуджуються паралельно (одночасно), що зумовлює розширення їх смуги пропускання.

 

 

Найпростішими хвилеводними випромінювачами є відкритий кінець прямокутного або круглого хвилеводів, в яких збуджуються основні типи хвиль, відповідно Н10 або Н11.

Розглянемо спрямовані властивості відкритого кінця прямокутного хвилеводу (рис. 8.1).

Поле у розкриві хвилеводу в площині xoy для основної хвилі Н10 при λ/2<а<λ, b<λ/2 описується виразом [ ]

, (8.1)

де – максимальна амплітуда напруженості електричного поля в розкриві.

Очевидно, що АФР є роздільним, тобто

. (8.2)

Таким чином розкрив хвилеводу є синфазним, амплітудний розподіл є рівномірним в електричній (вздовж вісі y) та косинусоїдальним в магнітній (вздовж вісі x) площинах. Множники системи в двох головних площинах збігаються із множниками лінійних систем, що мають рівномірний та косинусоїдальний амплітудний розподіл.

Нормовані ДС для двох головних площин визначаються як добуток нормованої ДС джерела Гюйгенса та відповідного множника системи:

; (8.3)

, (8.4)

а ширини ДС

(8.5)

Для хвилеводу із розмірами а=0,71·λ і в=0,32·λ ширина ДС:

в площині Е =160о, =210о;

в площині Н =95о, =180о.

КСД розраховується за формулою

. (8.6)

Коефіцієнт використання площі (КВП) для хвилеводу дорівнює 0,81, тоді D=2,32.

Діапазон робочих частот відкритого кінця прямокутного хвилеводу

.

Головний максимум ХС напрямлений по нормалі до розкриву. Відкритий кінець прямокутного хвилеводу має лінійну поляризацію поля (вектор паралельний вузькій стінці хвилеводу).

Таким чином антена у вигляді відкритого кінця хвилеводу є слабко спрямованою. Дійсно, для отримання вузьких характеристик спрямованості необхідно, щоб розміри поверхні випромінювання були набагато більшими довжини хвилі. Для прямокутного хвилеводу із хвилею Н10 розмірами перерізу визначаються нерівностями λ/2<а, b<λ/2. При таких розмірах хвилеводу ширина ДС як у площині Е та і у площині Н звичайно буде великою.

Другою особливістю хвилеводних випромінювачів є їх недостатнє узгодження з вільним простором. Внаслідок різкої зміни умов розповсюдження електромагнітної хвилі при переході від хвилеводу до вільного простору коефіцієнт відбиття для стандартних хвилеводів досягає за модулем величини .

Через перелічені недоліки антени у вигляді відкритого кінця прямокутного хвилеводу використовуються обмежено. Як правило, такі антени використовуються як опромінювачі більш складних антен або як елементи решітки випромінювачів.

Хвилеводи круглого перерізу як антени на практиці застосовуються рідко. Однією з причин цього є нестійкість поляризації поля. Навіть при незначних деформаціях хвилеводу можливий поворот структури поля навкіл осі хвилеводу.