Апертурные антенны

Апертурные антенны – это антенны, излучение у которых происходит через поверхность, называемую апертурой.

К ним относятся:

• рупорные;

• линзовые;

• зеркальные;

Характерной особенностью антенн такого типа является то, что в излучении участвуют сравнительно большие проводящие поверхности, по которым протекают токи высокой частоты. Токи на поверхности могут иметь различные направления, меняющиеся от точки до точки.

Апертурные антенны – это антенны с поверхностными токами. По принципу действия, конструкции и методам излучения они существенно отличаются от проволочных антенн. Проволочные антенны являются антеннами с линейными токами.

Апертурные антенны принимаются в диапазоне СВЧ. Малая длина волны позволяет сконструировать антенну, размеры которых на много больше длины волны. Следовательно, возможно создание остронаправленных антенн, имеющих сравнительно небольшие размеры.

Кроме того, возможно создание антенн, имеющие ДН особой формы, определяемой специальным назначением антенны.

Небольшие размеры антенны позволяют делать их быстроподвижными, можно осуществлять перемещение одних частей антенны относительно других или даже вращать всю антенну с целью вращения ДН.

Апертурные антенны являются основным типом радиолокационных антенн.

Волноводные излучатели

Простейшим излучателем сантиметровых волн является открытый конец прямоугольного или круглого волновода.

2θ_0,5^Н = 1,18*λ/а

2θ_0,5^Н = 0,89*λ/b ,

где λ – длина волны, а*b - размеры волновода.

КНД определяется следующим выражением:

D= 4πabK_ип/λ² ≈10,2 ab/λ² , где K_ип - коэффициент использования поверхности (для прямоугольных волноводов K_ип = 0,81).

Для круглого волновода при волне Н₁₁:

2θ_0,5^Н = 1,62*λ/2r

2θ_0,5^Н = 1,21*λ/2r

D=8.3(2r/λ)² ,где r – радиус волновода.

Рупорные антенны

Для получение большей направленности волноводный излучатель превращают в рупорные антенны:

- секториальные

- пирамидальные

- конические

Рупоры с максимальным КНД называют оптимальными.

H→Ф = 3π/4

Е→Ф = π/2 - фазовые ошибки на краях раскрыва.

Размеры оптимального Н- плоскостного секториального рупора связаны между собой:

L_опт^Н=а_р²/3λ , где L_опт^Н и а_р оптимальные длина и ширина раскрыва рупора.

Ширина луча по уровню половины мощности

2θ_0,5^Н = 1,45λ/а_р

2θ_0,5^Е = 0,89 λ/8

Точно также и для Е – плоскости:

L_опт^Е=b_р²/2λ

2θ_0,5^E = 1,18 λ/а

2θ_0,5^E = 0,93 λ/ b_р

Кнд оптимальных секториальных рупоров

D=4πSK_ип/λ² = 85/λ²

S – площадь раскрыва рупора, K_ип= 0,64

Рупоры могут быть клиновидными и остроконечными. Размеры оптимального клиновидного рупора определяются следующими соотношениями:

L_опт^Е = B²/2λ

L_опт^Н = A²/3λ

Остроконечного:

L_опт = а_р/3λ

b_р ≈ 0.8 a_р

Для конической рупорной антенны:

2θ_0,5^Н = 1,23 λ/d_р

2θ_0,5^E = 1,05 λ/ d_р

D= (πd_р / λ)² K_ип ≈ 5(d_р / λ)²

K_ип = 0,51

G=η*D

Зеркальные антенны

Зеркальными называются антенны ,формирующие ДН путем отражения ЭМВ , падаючи на зеркало определенным профилем :параболоид, параболический цилиндр ,сфера, бывает кругопараболическая ,специального профиля, двух зеркальная .

Источником Эмв служит какая либо слабонаправленная антенна-облучатель

По направленности, коефициенту эффективности ,простоте конструкции зеркальные антенны являются лучшим типом высоконаправленных антенн Свч

Они широко используются в качестве антенн радиополосных станций, радиорелейных антенн, антенн бортовой радиостанции.

Зеркальные антенны классифицируются:

- по количеству зеркал ( одно и многозеркальные )

-по форме профиля зеркала ( параболические ,сферические , плоские, и специального профиля)

В зависимости от формы раскрыва и профиля зеркала могут используваться для формирования веерхных Дн

Принцип действия параболической зеркальной антенны основан на известном из оптики свойства преобразования сферического или цилиндрического фронта падаюшей волны в плоский

При этом создается синфазное поле на большом излучаемом раскрыве и достигается высокая направленность антенны.

Профиль зеркала рассчитывается таким образом ,чтобы получить требоваемое фаз. распред. на раскрыве

Введя 2 системы координат , прямоугольную и полярную запишем уравнение параболы:

Х²=4fz=2pz

R=2f\1+cos Θ

P=2f

X=rsin Θ=fsec² (Θ\2)=2ftg (Θ\2)

Т.0 называется вершиной параболоида

f-фокусное расстояние

Прямая , которая проходит через вершину и фокус зеркала называется фокальной (оптической) осью.

Угол 2 Θ ₀ под которым из фокуса f видно края параболоида называется углом раскрыва зеркала.

Поверхность ограниченная краем параболоида и плоскости Z=Z₀ называется раскрывом апертурой)зеркала.

AB=d=2a называется диаметром раскрыва.

Расстояние Z₀ от вершины зеркала до раскрыв называется глубиной зеркала.

Если Z₀< f , то параболоид называется длиннофокусный

Если Z₀>f - глубокий или короткофокусный

Связь между глубиной зеркала ,диаметром раскрыва и фекальной плоскостью Ж

F=d²\z₀

Z₀f=d²

Расчет поля излучения зеркальных антенн путем строгого решения уравнений Максвела в настоящее время отсутствует.

В практике применяют приближенное решение этой задачи, используют метод поверхностных токов ,метод поля на раскрыве ( апертурный метод).

В общем случае ХН излучения может быть аппроксимирована выражением :

F_обл(Θ)=соsⁿ Θ,

где Θ – полярный угол

n>=1 – показатель степени.

Для полноволнового вибратора с контррефлектором в виде диска n=2

Для рупорного n>=3

Опт. фокусное расстояние обеспечивается при данном диаметре раскрыва и данной ДН облучателя .

Наибольшее значение КНД антенны определяется диаметром раскрыва рефлектора и ДН облучателя.

M f/d

1. 0.35-0.4

2. 0.4-0.5

3. 0.5- 0.625

Диаметр раскрыва антенны и угол 0₀ (Тетта ₀) связаны соотношением:

D=4ftg(Θ ₀\2)

Параболические антенны с ассиметрическим зеркалом при оптически фокусном расстоянии характеризируется следующими параметрами:

-ширина луча по половине мощности

2 Θ _0.5^H=1.2 l\d

2 Θ _0.5^E=1.3l\d

- Кнд

D=(Пd\l)²К_{ип рез} =5.5 (d\l)²

К_{ип рез} є [0.5-0.7]

К_{ип рез –} результирующий

-коефициент бегущей волны в фидере облучателя

К_б.в= (1-l D_обл./4Пf) / (1+l D_обл./4Пf)

Для устранения реакции зеркала на облучатель используется два способа:

1. Применением плоского, компенсационного зеркала, которое устанавливают в вершине параболоида.

2. Использованием усечённого параболоида с облучателем, вынесенного из поля действия отраженных от зеркала волн. (офсетная антенна)

Часто используют зеркало в форме параболоида цилиндра.

Параболоид цилиндра возбуждается линейным облучателем, расположенным вдоль фокальной оси цилиндра и преобразующий цилиндрический фронт волны в плоский.

Ширина луча по уровню половины мощности:

Для уменьшения осевого разреза, увеличивают К_ип КНД, а так же для снижения шумовой температуры зеркальной параболической антенны, к оси зеркала добавляют вспомогательный в виде гиперболоида вращения, один из фокусов которого совмещен с фокусом основного зеркала, а в фокусе 2-го помещен облучатель (антенна Кассегрена)

Коэффициент прохождения ЭМЭ через перфорированную поверхность высчитывается по формуле

- где 2r – диаметр отверстия,

S₀ – общая площадь всех отверстий,

S – площадь отраженной поверхности.