Рупорные антенны относятся к числу наиболее широко используемых направленных антенн в микроволновой и миллиметровой технике. Их простая механическая конструкция, предсказуемые характеристики излучения, относительно низкое отражение и способность обеспечивать умеренное или высокое усиление делают их ценными в измерениях антенн, испытаниях на электромагнитную совместимость, радарах, системах связи, системах питания и радиочастотных лабораториях.
Рупорную антенну, по сути, можно рассматривать какволновод с постепенно расширяющимся отверстиемВместо того чтобы допускать резкий переход электромагнитных волн из волновода в свободное пространство, расширяющаяся секция обеспечивает более плавное преобразование. Это помогает улучшить согласование импедансов и направляет большую часть электромагнитной энергии в контролируемый луч излучения.
В зависимости от геометрии волновода и направления расширения апертуры, рупорные антенны могут быть спроектированы в нескольких вариантах, включаясекторные рога, пирамидальные рога и конические рогаВ оригинальной справочной статье эти три конфигурации используются в качестве основного введения в структуру рупорных антенн.
1. Как работает рупорная антенна?
Волновод удерживает электромагнитную энергию внутри проводящей структуры. Когда направленная волна достигает открытого конца, часть энергии излучается в свободное пространство, а часть может отражаться из-за перехода между импедансами волновода и свободного пространства.
Рупорная антенна смягчает резкость этого перехода за счет постепенного увеличения поперечного сечения волновода по направлению к апертуре.
По мере распространения электромагнитной волны через расширенную секцию поле расширяется на большую апертуру. Затем апертура излучает в свободное пространство, создавая направленный луч.
Таким образом, сигнальная ракета выполняет две важные функции:
- Это обеспечивает более плавный переход между волноводом и свободным пространством.
- Это увеличивает эффективную излучающую апертуру, обеспечивая большую направленность и усиление.
Важно отметить, что рог действительноне полностью устраняют отражения или стоячие волныВместо этого, правильно спроектированный рупор может уменьшить отражение и обеспечить хорошее согласование импеданса, что обычно отражается в относительно низком КСВН.
Рисунок 1. Типичная рупорная антенна с постепенно расширяющимся волноводным отверстием.
2. Рабочая частота рупорных антенн
Рупорные антенны не имеют единого универсального диапазона частот.
Их рабочая частота в значительной степени определяетсяРазмеры волновода, режим волновода, геометрия апертуры, структура питания и предполагаемая полоса пропускания..
Традиционные рупорные антенны особенно распространены на микроволновых и миллиметровых частотах, поскольку размеры волновода становятся практичными по мере уменьшения длины волны. Однако специально разработанные широкополосные рупорные конструкции могут работать и на более низких частотах, а прецизионные волноводные рупоры позволяют охватывать диапазоны миллиметровых и субтерагерцовых волн.
Например, конструкции рупорных антенн можно найти в диапазоне от сотен мегагерц до частот значительно выше 100 ГГц. В настоящее время RF MISO предлагает широкополосные рупорные конфигурации, работающие в диапазоне частот от...300–750 МГца также конические рупорные антенны, покрывающие220–325 ГГц, что наглядно демонстрирует, насколько широким может быть практический частотный диапазон этого семейства антенн.
3. Основные типы рупорных антенн
3.1 Секторная рупорная антенна
Секторный рупор образуется, когда прямоугольный волновод расширяется только в одной плоскости.
Если волновод расширяется вE-планЭта структура называетсясекторный рупор самолета EЕсли расширение происходит вH-плоскостьэто называетсяH-образный секторный рупор.
Поскольку размер апертуры увеличивается только в одной плоскости, формирование пучка более выражено в соответствующей плоскости.
3.2 Пирамидальная рупорная антенна
Пирамидальный рупор образуется, когда прямоугольный волновод расширяется как в плоскости E, так и в плоскости H.
Полученная структура напоминает усеченную пирамиду и обеспечивает расширение апертуры в обоих измерениях.
Пирамидальные рога широко используются в качествестандартные рупоры с регулируемым коэффициентом усиления и эталонные антенныпотому что их коэффициент усиления и диаграммы направленности излучения могут быть точно охарактеризованы.
Например, компания RF MISO предлагает стандартные рупорные антенны с регулируемым коэффициентом усиления для многочисленных микроволновых и миллиметровых диапазонов. В семейство стандартных рупорных антенн WR10 входят модели, работающие в различных диапазонах.75–110 ГГцс заданными характеристиками усиления, КСВН, поляризации и ширины луча.
3.3 Коническая рупорная антенна
Конический рупор обычно образуется путем постепенного расширения круглого волновода в направлении круглого отверстия.
В отличие от пирамидального рупора, который образуется из прямоугольного волновода, конический рупор имеет геометрию, обладающую вращательной симметрией.
Конические рупорные антенны широко используются в микроволновых, миллиметровых, измерительных и сигнальных приложениях. В зависимости от структуры питания и поляризационной сети, они также могут поддерживать более специализированные конфигурации поляризации.
Рисунок 2. Типичные конфигурации рупорных антенн: секторная антенна в плоскости E, секторная антенна в плоскости H, пирамидальная и коническая рупорные антенны.
4. Угол раскрытия, размер апертуры и длина рупора.
Геометрия рупора оказывает прямое влияние на его электромагнитные характеристики.
Три важных параметра проектирования:
угол блика, размер апертуры и длина рупора.
Как правило, большая апертура обеспечивает более высокую направленность и более узкий луч, но простое увеличение угла блика не приводит автоматически к улучшению характеристик.
Если рупор слишком короткий для заданного размера апертуры, может возникнуть чрезмерное изменение фазы по всей апертуре. Это снижает эффективность апертуры и может ухудшить диаграмму направленности излучения.
И наоборот, чрезмерное удлинение рога увеличивает механические размеры и вес, не обязательно приводя к пропорциональному улучшению характеристик.
Таким образом, при проектировании рупора необходимо обеспечить баланс:
- Размер апертуры
- Угол лопасти
- Длина
- фазовая ошибка
- Прирост
- Ширина луча
- Механические размеры
5. Диаграмма направленности и характеристики пучка излучения
Рупорные антенны, как правило, являются направленными излучателями.
Электромагнитная энергия концентрируется преимущественно в направлении вперед через апертуру, создавая четко выраженный главный луч вместе с боковыми лепестками.
Два параметра, определяющие диаграмму направленности излучения, имеют особое значение:
- Диаграмма направленности излучения в плоскости E
- Диаграмма направленности излучения в H-плоскости
ОнШирина луча 3 дБЭтот термин обычно используется для описания угловой ширины основного луча между двумя точками, где излучаемая мощность падает на 3 дБ ниже своего максимального значения.
В целом, увеличение эффективной апертуры относительно длины волны повышает направленность и имеет тенденцию к сужению пучка.
Подобную зависимость можно наблюдать и в практических рупорных антеннах миллиметрового диапазона. Например, в описании стандартных рупорных антенн RF MISO для диапазона 75–110 ГГц указаны характеристики ширины луча в плоскостях E и H, а также данные об усилении и КСВ.
Рисунок 3. Иллюстрация распространения электромагнитных волн и излучения через отверстие рупора.
6. Преимущества рупорных антенн
Рупорные антенны обладают рядом преимуществ для радиочастотных и микроволновых систем:
Хорошая направленность
Увеличенная апертура концентрирует излучение в направлении вперед.
Предсказуемые характеристики излучения
Грамотно спроектированные рупорные антенны могут обеспечивать стабильные и четко выраженные диаграммы направленности в плоскостях E и H.
Хорошее согласование импедансов
Постепенный переход от волновода к свободному пространству может уменьшить отражение и обеспечить низкий коэффициент стоячей волны (КСВ).
Умеренное или высокое усиление
Различные размеры апертуры и длина рупора позволяют создавать устройства с разным уровнем усиления.
Относительно простая структура
По сравнению со многими сложными архитектурами антенн с высоким коэффициентом усиления, традиционные рупоры отличаются простой и надежной механической конструкцией.
Подходит для высокочастотных измерений.
Благодаря своей волноводной архитектуре рупорные антенны особенно ценны в системах измерения микроволнового и миллиметрового диапазонов.
7. Проектные соображения и ограничения
Конструкция рупорных антенн также предполагает ряд инженерных компромиссов.
Для более высокого коэффициента усиления обычно требуется большая электрическая апертура, что может увеличить физические размеры антенны.
Для поддержания приемлемого распределения фазы по всей апертуре необходимо также тщательно контролировать соотношение между размером апертуры, длиной рупора и углом расслоения.
На очень высоких частотах точность обработки, качество поверхности, размеры волновода и выравнивание фланцев приобретают все большее значение, поскольку даже относительно небольшие механические погрешности могут составлять значительную долю длины волны.
Поэтому инженерам необходимо оценивать не только коэффициент усиления и частотный диапазон, но и:
КСВН, поляризация, характеристики кросс-поляризации, ширина луча, уровень боковых лепестков, радиочастотный интерфейс, допустимая мощность и механические допуски.
8. Применение рупорных антенн
Благодаря направленному излучению, стабильным характеристикам и совместимости с волноводными системами, рупорные антенны широко используются в:
- Измерение коэффициента усиления антенны
- Измерение диаграммы направленности излучения
- Испытания на электромагнитную совместимость и электромагнитную совместимость
- радиолокационные системы
- Микроволновая и миллиметровая связь
- тестирование спутниковых антенн
- Определение направления и наблюдение
- Измерение в безэховой камере
- Питание отражательной антенны
- Системы для исследований и лабораторных работ в области радиочастотного оборудования
- Применение калибровочных и эталонных антенн
Широкополосные рупорные антенны также могут обеспечивать широкую рабочую полосу пропускания для измерительных и контрольных систем. Например, широкополосные рупорные антенны RF MISO в диапазоне 18–40 ГГц используются в таких областях, как микроволновые испытания, измерения антенн, тестирование спутниковых антенн, определение направления, наблюдение и измерения, связанные с электромагнитной совместимостью.
Заключение
Рупорная антенна преобразует направленную электромагнитную волну в направленное излучение в свободном пространстве через постепенно расширяющееся отверстие волновода.
Его сочетаниехорошее согласование импедансов, направленное излучение, предсказуемые характеристики пучка, полезный коэффициент усиления и относительно простая конструкция.Благодаря этому рупор стал одной из важнейших антенных конструкций в микроволновой и миллиметровой технике.
От секторных и пирамидальных рупоров до конических и широкополосных конструкций — различные структуры могут быть оптимизированы для конкретных диапазонов частот, требований к поляризации, уровней усиления и условий измерения.
Для инженеров, выбирающих рупорную антенну, частотный диапазон — это лишь отправная точка. Коэффициент усиления, КСВ, ширина луча, поляризация, волноводный или коаксиальный интерфейс, допустимая мощность и механические размеры — все это следует оценивать в соответствии с требованиями всей радиочастотной системы.
Дата публикации: 21 августа 2026 г.
