Апертурные антенны — важный класс антенн, широко используемых в микроволновых, миллиметровых, радиолокационных, коммуникационных и измерительных системах. В отличие от проволочных антенн, которые излучают преимущественно за счет токов, протекающих вдоль проводящих элементов, апертурные антенны излучают электромагнитную энергию через отверстие или апертуру.
Распространенным примером является волновод с открытым концом. Когда электромагнитные волны распространяются по волноводу и достигают открытого конца, часть направленной энергии излучается в свободное пространство. Контролируя геометрию апертуры, распределение поля и окружающую структуру, инженеры могут дополнительно улучшить согласование импеданса, направленность, усиление и характеристики излучения.
К распространенным антеннам апертурного типа относятся:антенны с открытыми концами волновода,рупорные антенныи щелевые антенныВ оригинальной справочной статье эти три структуры также объединены в категорию апертурных антенн.
1. Что такое апертурная антенна?
В антенной технике апертура может рассматриваться как отверстие, через которое электромагнитные поля передаются от направляющей структуры в свободное пространство.
Волновод предназначен для удержания и направления электромагнитной энергии. Если волновод заканчивается проводящей стенкой, энергия остается удержанной или отражается в зависимости от условий окончания. Однако, когда волновод открыт, электромагнитное поле в апертуре может излучаться в свободное пространство.
Таким образом, апертура выступает в качестве переходной области между направленным электромагнитным режимом и излучаемой электромагнитной волной.
Фактические характеристики излучения зависят от нескольких факторов, в том числе:
- Размеры и форма апертуры
- Рабочая длина волны
- Режим волновода
- Распределение электрического и магнитного поля
- Фланец или окружающая проводящая структура
- Согласование импеданса в апертуре
Исследования прямоугольных волноводов с открытыми концами показывают, что как поля в апертуре, так и дифракция от окружающих краев фланца могут вносить вклад в результирующее излучаемое поле.
Рисунок 1. Пример прямоугольной волноводной структуры, используемой для иллюстрации излучения через апертуру.
2. Каким образом излучает волновод с открытым концом?
Когда распространяющаяся волноводная мода достигает открытой апертуры, электромагнитные граничные условия резко меняются. Поля больше не полностью локализуются проводящими стенками, что позволяет части электромагнитной энергии излучаться в свободное пространство.
В то же время, переход от волновода к свободному пространству, как правило, не идеально согласован. Поэтому часть энергии может отражаться обратно в волновод.
Эта взаимосвязь междуизлучение и отражениеявляется важной частью конструкции апертурной антенны.
Простой волновод с открытым концом может функционировать как антенна, но его эффективность излучения, согласование импедансов, коэффициент усиления и характеристики направленности могут быть не оптимальными для каждого применения. Инженеры могут модифицировать геометрию апертуры для достижения лучших характеристик. Один из наиболее известных примеров — эторупорная антенна, в котором волновод постепенно расширяется в направлении апертуры.
3. Рабочая частота апертурных антенн
Не существует единого универсального диапазона рабочих частот для всех антенн с апертурой.
Диапазон рабочих частот волноводной апертурной антенны определяется в первую очередь следующими факторами:Размеры волновода, тип волновода, поддерживаемые режимы распространения и частоты отсечки..
Поэтому для разных диапазонов микроволновых и миллиметровых волн используются волноводы различных стандартизированных размеров.
Это особенно важно в высокочастотных радиочастотных системах. По мере увеличения частоты и уменьшения длины волны размеры волновода и апертуры также уменьшаются, что позволяет эффективно использовать антенны с апертурой в микроволновых, миллиметровых и даже субтерагерцовых системах.
4. Диаграмма направленности апертурной антенны
Диаграмма направленности апертурной антенны сильно зависит от размера апертуры, распределения поля, режима работы, длины волны и окружающей структуры.
Волновод с открытым концом обычно формирует относительно широкий луч, но его не следует автоматически описывать как всенаправленную антенну. Его характеристики излучения в плоскостях E и H определяются распределением электромагнитного поля по апертуре.
Окружающий фланец также может влиять на результирующую диаграмму направленности излучения, поскольку поля, дифрагированные от его краев, вносят вклад в общее излучаемое поле. Современные аналитические исследования явно учитывают как излучение апертуры, так и дифракцию на краях фланца при расчете поведения в дальней зоне.
Увеличение эффективного размера апертуры, как правило, обеспечивает более высокую направленность и более узкий основной луч, что является одной из причин, по которой рупорные антенны и конструкции с большей апертурой часто используются, когда требуется более высокое усиление.
Ненаправленная диаграмма направленности излучения
5. Основные типы апертурных антенн
Антенна с открытым волноводом
Открытый волновод — один из простейших апертурных излучателей. Его компактная конструкция и прямая совместимость с волноводными системами делают его полезным в микроволновых и миллиметровых лабораториях, для измерений антенн, зондов, фидеров и других радиочастотных систем.
Рупорная антенна
Рупорную антенну можно рассматривать как волновод, поперечное сечение которого постепенно расширяется в направлении излучающей апертуры. Этот постепенный переход улучшает преобразование направленных волн в излучение в свободном пространстве и может обеспечить лучшее согласование импедансов, более высокое усиление и более контролируемую диаграмму направленности.
Рупорные антенны широко используются в измерениях антенн, испытаниях на электромагнитную совместимость, радарах, системах связи, системах питания и приложениях миллиметрового диапазона.
Щелевая антенна
Щелевая антенна использует отверстие или щель, вырезанную в проводящей поверхности, для излучения электромагнитной энергии. В зависимости от геометрии щели, возбуждения и окружающей структуры, щелевые антенны могут быть реализованы как по отдельности, так и в составе антенных решеток.
Они широко используются в микроволновых системах, где требуются низкопрофильные конструкции, интеграция или конфигурации антенных решеток.
6. Апертурные антенны в радиочастотной и микроволновой технике
Поскольку апертурные антенны естественным образом интегрируются с волноводными структурами передачи, они особенно важны на микроволновых и миллиметровых частотах.
Типичные области применения включают:
- Измерение коэффициента усиления антенны и диаграммы направленности излучения
- Испытания на электромагнитную совместимость и электромагнитную совместимость
- радиолокационные системы
- Микроволновая и миллиметровая связь
- Системы питания антенн
- лабораторные измерения радиочастотного диапазона
- Направленная передача и прием
- Системы тестирования и калибровки
Для инженеров-антеннистов выбор подходящей антенны с апертурой требует не только учета частоты. Такие параметры, как коэффициент усиления, ширина луча, поляризация, КСВ, размер волновода, тип фланца, допустимая мощность и механические размеры, могут влиять на производительность системы.
Заключение
Апертурные антенны обеспечивают эффективный способ преобразования направленной электромагнитной энергии в излучение в свободном пространстве, что делает их фундаментальной категорией антенн в микроволновой и миллиметровой технике.
От простых волноводов с открытым концом до оптимизированных рупорных и щелевых конструкций, апертурные антенны могут быть спроектированы для различных сочетаний коэффициента усиления, ширины луча, поляризации, частотного диапазона и требований к системной интеграции.
Поэтому понимание того, как размер апертуры, распределение электромагнитного поля, волноводные моды и окружающие структуры влияют на характеристики излучения, имеет важное значение при выборе или проектировании антенн для систем радиочастотного тестирования, связи, радиолокации и измерений.
Дата публикации: 14 августа 2026 г.
