Рупорная антенна — одна из наиболее широко используемых антенн, отличающаяся простой конструкцией, широким частотным диапазоном, большой мощностью и высоким коэффициентом усиления.Рупорные антенныЧасто используются в качестве питающих антенн в крупномасштабных радиоастрономических системах, системах слежения за спутниками и коммуникационных антеннах. Помимо использования в качестве питающего элемента для отражателей и линз, это распространенный элемент в фазированных антенных решетках и служит общим стандартом для калибровки и измерения коэффициента усиления других антенн.
Рупорная антенна формируется путем постепенного развертывания прямоугольного или круглого волновода определенным образом. Благодаря постепенному расширению поверхности устья волновода улучшается согласование между волноводом и свободным пространством, что приводит к уменьшению коэффициента отражения. Для питающего прямоугольного волновода необходимо обеспечить максимально возможную одномодовую передачу, то есть передачу только волн TE10. Это не только концентрирует энергию сигнала и уменьшает потери, но и позволяет избежать влияния межмодовых помех и дополнительной дисперсии, вызванной множеством мод.
В зависимости от способа установки рупорных антенн их можно разделить на следующие категории.секторные рупорные антенныпирамидальные рупорные антенны,конические рупорные антенны, гофрированные рупорные антенныРупорные антенны с ребрами жесткости, многомодовые рупорные антенны и т. д. Эти распространенные типы рупорных антенн описаны ниже. Введение по порядку.
Секторная рупорная антенна
Секторная рупорная антенна E-плоскости
Секторная рупорная антенна в плоскости E выполнена из прямоугольного волновода, открытого под определенным углом в направлении электрического поля.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования секторной рупорной антенны в плоскости E. Видно, что ширина луча в плоскости E уже, чем в плоскости H, что обусловлено большей апертурой в плоскости E.
Секторная рупорная антенна H-плоскости
Секторная рупорная антенна в H-плоскости выполнена из прямоугольного волновода, открытого под определенным углом в направлении магнитного поля.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования секторной рупорной антенны в H-плоскости. Видно, что ширина луча в H-плоскости уже, чем в E-плоскости, что обусловлено большей апертурой H-плоскости.
Антенны с секторным рупором RFMISO:
RM-SWHA187-10
RM-SWHA28-10
Пирамидальная рупорная антенна
Рупорная антенна пирамидальной формы выполнена из прямоугольного волновода, открытого под определенным углом одновременно в двух направлениях.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования пирамидальной рупорной антенны. Ее характеристики излучения представляют собой, по сути, комбинацию характеристик секторных рупоров в плоскостях E и H.
Коническая рупорная антенна
Когда открытый конец круглого волновода имеет форму рупора, он называется конической рупорной антенной. Коническая рупорная антенна имеет круглое или эллиптическое отверстие над собой.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования конической рупорной антенны.
Продукция RFMISO: конические рупорные антенны
RM-CDPHA218-15
RM-CDPHA618-17
Гофрированная рупорная антенна
Рупорная антенна с гофрированной внутренней поверхностью — это рупорная антенна с гофрированной внутренней поверхностью. Она обладает преимуществами широкого частотного диапазона, низкой кросс-поляризации и хорошей симметрии луча, но её конструкция сложна, а сложность и стоимость изготовления высоки.
Гофрированные рупорные антенны можно разделить на два типа: пирамидальные гофрированные рупорные антенны и конические гофрированные рупорные антенны.
Продукция RFMISO: гофрированные рупорные антенны
RM-CHA140220-22
Пирамидальная гофрированная рупорная антенна
Коническая гофрированная рупорная антенна
На рисунке ниже показаны результаты моделирования конической гофрированной рупорной антенны.
Ребристая рупорная антенна
Когда рабочая частота обычной рупорной антенны превышает 15 ГГц, задний лепесток начинает расщепляться, а уровень боковых лепестков возрастает. Добавление ребристой структуры в полость динамика может увеличить полосу пропускания, снизить импеданс, увеличить коэффициент усиления и улучшить направленность излучения.
Рупорные антенны с ребрами в основном делятся на антенны с двойными ребрами и антенны с четырьмя ребрами. Ниже в качестве примера для моделирования используется наиболее распространенная пирамидальная антенна с двойными ребрами.
Пирамидальная двухгребенчатая рупорная антенна
Добавление двух гребневых структур между волноводной частью и отверстием рупора образует двухгребневую рупорную антенну. Волноводная секция разделена на заднюю полость и гребневой волновод. Задняя полость позволяет отфильтровывать моды более высокого порядка, возбуждаемые в волноводе. Гребневой волновод снижает частоту среза передачи основной моды, тем самым расширяя частотный диапазон.
Ребристая рупорная антенна меньше обычной рупорной антенны в том же частотном диапазоне и имеет более высокий коэффициент усиления, чем обычная рупорная антенна в том же частотном диапазоне.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования пирамидальной двухгребенчатой рупорной антенны.
Многорежимная рупорная антенна
Во многих областях применения рупорные антенны должны обеспечивать симметричные диаграммы направленности во всех плоскостях, совпадение фазовых центров в плоскостях E и H, а также подавление боковых лепестков.
Многомодовая рупорная конструкция позволяет улучшить эффект выравнивания луча в каждой плоскости и снизить уровень боковых лепестков. Одной из наиболее распространенных многомодовых рупорных антенн является двухрежимная коническая рупорная антенна.
Двухрежимная коническая рупорная антенна
Двухмодовый конусный рупор улучшает диаграмму направленности в плоскости E за счет введения моды более высокого порядка TM11, благодаря чему его диаграмма направленности имеет осесимметричные характеристики выравнивания пучка. На рисунке ниже представлена схематическая диаграмма распределения электрического поля в апертуре основной моды TE11 и моды более высокого порядка TM11 в круглом волноводе, а также синтезированное распределение поля в апертуре.
Конструктивная форма двухрежимного конического рупора не является уникальной. К распространенным методам реализации относятся рупор Поттера и рупор Пикетта-Поттера.
На рисунке ниже показаны результаты моделирования двухрежимной конической рупорной антенны Поттера.
Дата публикации: 01 марта 2024 г.
