Вибраторные антенны направленного излучения

Использование направленных антенн связано с рядом преимуществ, которыми они обладают перед простейшими всенаправленными излучателями. Основными из них являются: высокой КНД, значительный КУ, ДН имеет ярко выраженный основной лепесток, способность осуществлять передачу и прием радиоволн в заданном направлении, значительное ослабление побочного излучения, что обеспечивает требования к соблюдению электромагнитной совместимости (ЭМС) между различными радиоэлектронными средствами (РЭС).

Наиболее простой направленной антенной является антенная система, состоящая из двух вертикальных несимметричных вибраторов (рис. 41, а). Один из них непосредственно питается от передатчика (активный вибратор), а другой, выполненный идентично первому, возбуждается вследствие пространственной электромагнитной связи с первым вибратором (пассивный рефлектор). При надлежащей настройке пассивного рефлектора в результате интерференции волн, излучаемых активным вибратором и пассивным рефлектором, получается диаграмма направленности, характерная форма которой в горизонтальной плоскости показана на рис. 41, б.Как видно, применение рефлектора приводит к существенному ослаблению интенсивности излучения в одном полупространстве. КНД такой антенны примерно в 2 раза больше КНД одного вибратора.

Рис. 41. Простая направленная антенна средних и длинных волн: а — схема: 1 — активный вибратор, выполняемый в виде антенны-мачты либо антенны-башни; 2 — пассивный вибратор, выполняемый в виде антенны-мачты либо антенны-башни; 3 — клеммы, присоединяемые к передатчику; 4 — элемент настройки; б — диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. Стрелкой показано направление максимального излучения

Для увеличения направленности излучения можно одновременно использовать несколько пассивных вибраторов. В этом случае получается директорная антенна(или антенна «волновой канал») рис. 42, а.

Рис. 42. Восьмидиректорная антенна типа «волновой канал»: а — схема (1 — рефлектор; 2 — активный вибратор; 3 — директоры; 4 — направление максимального излучения); б — диаграмма направленности в полярных координатах (Е — напряженность электромагнитного поля; Emax — напряженность электромагнитного поля в направлении максимального излучения).

Как видно из рис. 42, антенна состоит из активного вибратора, одного рефлектора, расположенного за активным излучателем и нескольких пассивных вибраторов, получивших название директоров, которые находятся перед активным элементом. Число директоров может быть значительным, т.к. каждый предыдущий директор направляет энергию поля в сторону последующего (название «волновой канал»), тем самым создавая благоприятные условия для возбуждения последующих директоров.

Для работы антенны важно, чтобы ток, наведенный в рефлекторе, опережал по фазе ток активного вибратора, а токи в директорах должны отставать по фазе, причем тем сильнее, чем дальше находится директор от активного вибратора. Регулировкой длины вибраторов, в антенне добиваются режима бегущих волн. В этом случае максимум излучения направлен вдоль оси антенны (рис. 42, б). При регулировке антенны директоры укорачивают на 4—10%, а рефлектор удлиняют на 5—10% по сравнению с активным вибратором, длина которого немного меньше 0,5λ; расстояние между вибраторами обычно равно 0,1—0,3 длины рабочей волны. Коэффициент направленного действия такой антенны растет с увеличением числа пассивных вибраторов и доходит до 20—30. Антенну типа «волновой канал» применяют для передачи и приема преимущественно в диапазоне метровых волн, в частности для приема телевизионных программ.

Часто в качестве активного вибратора используется петлевой вибратор. Это связано с тем, что за счет влияния пассивных вибраторов входное сопротивление активного вибратора в директорной антенне уменьшается, и при использовании обычного полуволнового вибратора затрудняется согласование антенны с фидером питания. Кроме того, петлевой вибратор можно крепить в точке нулевого потенциала, например, к металлическому стержню. К этому же стержню прикрепляются и пассивные вибраторы, что весьма удобно при конструктивном выполнении антенны. Питание антенны осуществляется коаксиальным кабелем с использованием симметрирующих устройств.

Недостатком директорной антенны является ее узкополосность, т.к. активный вибратор имеет длину ~0,5λ. При изменении длины волны расширяется основной лепесток ДН, а уровень боковых лепестков увеличивается, что приводит к значительному снижению КНД. При этом так же нарушается согласование антенны с питающим фидером. Поэтому директорную антенну можно использовать в полосе частот 5…15% от резонансной.

На дальних коротковолновых линиях связи необходимы антенны с большими КНД. В качестве таких антенн часто применяют синфазную антенну (рис. 43, а), представляющую собой плоскую решетку из симметричных вибраторов, возбужденных токами одинаковой фазы. В направлении, перпендикулярном к центру решетки, на большом расстоянии от синфазной антенны поля, создаваемые излучением всех вибраторов, синфазны, т. к. пути волн от вибраторов до точки приема практически одинаковы. В этом направлении создается максимальная напряженность поля. В других направлениях пути и соответственно фазы волн различны, и интерференция волн, излучаемых отдельными вибраторами, приводит к ослаблению суммарной напряжённости поля. Чем больше вибраторов в одном горизонтальном ряду, тем уже диаграмма направленности в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости сужается с увеличением числа горизонтальных рядов (этажей) вибраторов. Для получения однонаправленного излучения и увеличения КНД в 2 раза решетки дополняются пассивным рефлектором в виде идентичной решетки, в которой, вследствие пространственной электромагнитной связи, возбуждаются токи такой амплитуды и фазы, что излучение в направлении L₁ резко ослабляется (рис. 43, а), а в направлении L₂ усиливается. Для того чтобы синфазная антенна могла работать в широком диапазоне волн (до 2-кратного и более) без специальных устройств, согласующих ее входное сопротивление с волновым сопротивлением питающего фидера, вибраторы часто выполняются в виде диполей Надененко. Для устранения необходимости перестройки рефлектора при смене λ его иногда выполняют в виде густой сетки из горизонтальных проводов (апериодический рефлектор), малопроницаемых для волн, излучаемых антенной. Диаграмма направленности коротковолновой синфазной антенны в горизонтальной (рис. 43, б) и вертикальной плоскостях (рис. 43, в) состоит из одного большого (главного) лепестка и множества малых (боковых) лепестков. Чем ниже уровень боковых лепестков, тем выше качество антенны. При передаче боковые лепестки приводят к бесполезному рассеиванию части мощности, при приеме — увеличивают вероятность попадания в тракт приемника мешающих сигналов, идущих с разных направлений. КНД синфазной антенны приближенно определяется по формуле

D = k·4πS/λ²,

где S — площадь полотна антенны (м²),λ— длина рабочей волны (м), k —коэффициент, учитывающий влияние земли, расстояние между вибраторами, длину плеч вибраторов и др. Для синфазных коротковолновых антенн k равно 2—3. КНД синфазных коротковолновых антенн достигает нескольких сотен и даже тысяч, а КПД близок к 1.

Рис. 43. Синфазная антенна коротких волн: а — схема: 1 — излучающий элемент в виде диполя Надененко; 2 — апериодический рефлектор; 3 — изоляторы; 4 — линия питания (снижения), идущая к передатчику; б — диаграмма направленности в горизонтальной плоскости: 1 — основной лепесток; 2 — боковые лепестки; 3 — ширина диаграммы направленности на уровне 0,7 от максимального; в — диаграмма направленности в вертикальной плоскости (при идеальной проводимости земли): 1 — основной лепесток; 2 — боковые лепестки: Е — напряженность поля; Em — максимальная напряженность поля

Одной из разновидностью направленных антенн является антенна бегущей волны (АБВ)рис. 44, вдоль геометрической оси которой распространяется бегущая волна электромагнитных колебаний. АБВ выполняют либо из дискретных излучателей, расположенных вдоль оси на некотором расстоянии друг от друга, либо в виде сплошного излучателя, вытянутого в направлении оси (последний рассматривают как сумму дискретных излучателей, примыкающих один к другому). К первому типу АБВ относят антенну типа «волновой канал», спиральную антенну и др., ко второму — диэлектрическую антенну, антенну Бевереджа и др. Имеются также АБВ, состоящие из нескольких элементов, каждый из которых представляет собой АБВ второго типа (ромбическая антенна и др.). АБВ применяют в приемных и передающих радиоустройствах на всех длинах волн радиодиапазона.

Рис. 44. Коротковолновая антенна бегущей волны: 1 — вибратор; 2 — изоляторы; 3 — линия питания; 4 — развязывающие резисторы; 5 — поглощающий резистор. Стрелкой показано направление максимального приема

АБВ имеет максимальное излучение (прием) в направлении ее оси. Коэффициент направленного действия АБВ D = kL/λ, где L — длина антенны, λ — длина волны, k — коэффициент, зависящий от направленности действия отдельного излучающего элемента, значения фазовой скоростибегущей волны, соотношения амплитуд токов излучающих элементов и др. Значение k обычно лежит в пределах 4—8. Коэффициент направленного действия получается максимальным при фазовой скорости v бегущей волны несколько меньшей скорости света с.

Характерные свойства АБВ — осесимметричная форма пространственной диаграммы направленности, т. е. одинаковость формы диаграммы в любой плоскости, проходящей через ось антенны, и сохранение удовлетворительной направленности действия в широком диапазоне волн. Первое свойство проявляется тем больше, чем больше L/λ и чем осесимметричнее диаграмма направленности каждого излучающего элемента.

Ромбическая антенна(РА), разновидность антенны бегущей волны; выполняется в виде рамки из проводов, имеющей форму ромба. Предложена американским инженером Брюсом в 1931. РА применяют в качестве передающей или приемной антенны, преимущественно для радиосвязи и радиовещания на декаметровых (коротких) волнах. Обычно ее подвешивают в горизонтальном положении на высоте 15—40 м (рис.45, а). Длина каждой стороны ромба равна 50—160 м. К проводам ромба у одного из его острых углов подключают радиопередатчик (радиоприемник), а у другого острого угла, направленного в сторону корреспондента, — резистор, сопротивление которого близко к волновому сопротивлению РА (600—700 Ом). Благодаря этому в антенне устанавливается режим бегущей волны. Максимальная интенсивность излучения (приема) наблюдается под некоторым углом к горизонту (углом места). У РА, предназначенных для линий связи большой протяженности (2500—3000 км и более), острый угол ромба равен 30—50°, а угол места направления максимального излучения (приема) изменяется в пределах рабочего диапазона волн от 5 до 20°. Минимальная длина волны рабочего диапазона λ_мин обычно выбирается равной 0,1…0,18 l, максимальная λ_макс — (2…4)λ_мин. Коэффициент направленного действия РА достигает 160—200, коэффициент усиления (по отношению к коэффициенту усиления полуволнового вибратора в свободном пространстве) составляет 25—80.

Рис. 45. Ромбическая антенна: а — одиночная; б — двойная (вид сверху); 1 — сторона ромба; Ф — фидер, соединяющий антенну с передатчиком или приемником; R — резистор; D — смещение ромбов. Стрелкой показано направление максимальной интенсивности излучения

Существенные недостатки РА — поглощение значительной части (20—40%) поступающей в антенну мощности резистором и рассеяние значительной части (до 50%) излучаемой мощности в боковых лепестках диаграммы направленности. Эти потери мощности можно уменьшить, если применить предложенную советским ученым Г. З. Айзенбергом двойную РА (рис. 45, б),состоящую из двух ромбов, смещенных в горизонтальной плоскости друг относительно друга на (0,17…0,25) l, и стороны ромба выполнить из двух или более параллельных проводов. Коэффициент усиления двойной РА в 1,5—2 раза больше, чем коэффициент усиления одиночной РА.

Диэлектрическая антенна (ДА), антенна в виде отрезка диэлектрического стержня, возбужденного радиоволноводом или штырем коаксиального кабеля. В стержне ДА (рис. 46) возбуждается волна особой структуры (так называемая поверхностная волна), распространяющаяся вдоль его оси, и, как следствие, на поверхности стержня возникают тангенциальные (касательные к поверхности) составляющие электрического и магнитного полей, фаза которых меняется по закону бегущей волны. По существу ДА представляет собой антенну бегущей волны, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Ее максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения ДА зависит от фазовой скорости распространения поверхностной волны. С увеличением диаметра стержня и диэлектрической проницаемости материала, из которого он выполнен, фазовая скорость уменьшается. Чем меньше фазовая скорость, тем больше длина стержня, при которой коэффициент направленного действия (КНД) антенны максимален (так называемая оптимальная длина), и больше максимально возможный КНД. По мере уменьшения фазовой скорости или приближения ее к скорости света в окружающей среде (воздухе) диэлектрический стержень теряет волноводные свойства. Это приводит к резкому спаданию поля к концу стержня, увеличению излучения в окружающую ДА среду непосредственно из открытого конца радиоволновода и уменьшению эффективности ДА. Диаметр и материал стержня обычно выбирают так, чтобы фазовая скорость была не очень близкой к скорости света (не более 0,95…0,96 скорости света). При такой фазовой скорости оптимальная длина равна 12 длинам излучаемой волны и КНД равен ~100. Стержень ДА изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них — полистирол, фторопласт и др. ДА применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах.

Рис. 46. Диэлектрическая стержневая антенна: 1 — конусообразный стержень; 2 — штырь, излучающий радиоволны в стержень; 3 — коаксиальный кабель. Стрелками показано направление излучения антенны

Наряду с диэлектрическими стержневыми антеннами в диапазоне СВЧ нашли применение плоские диэлектрические и ребристые (гофрированные) антенны, получившие название импедансные антенны (рис. 47).

Импедансная антенна обычно состоит из ребристой поверхности и возбудителя. В антенне, показанной на рис. 47, возбудителем служит рупор. При высоте ребер меньше ¹/₄ λвдоль ребристой поверхности образуется бегущая волна, распространяющаяся со скоростью меньше скорости света. Такая антенна, как и щелевая, легко может быть сделана невыступающей. КНД антенн бегущей волны, применяемых на СВЧ, обычно не превышает 100.

Рис. 47. Импедансная антенна (антенна поверхностной волны): 1 — ребристая замедляющая структура; 2 — рупорное возбуждающее устройство; 3 — питающий радиоволновод. Стрелкой показано направление максимального излучения

Однопроводная антенна бегущих волн(антенна Бевереджа) представляет собой горизонтальный провод длиной L (от полуволны до нескольких длин волн), подвешенный на высоте h над поверхностью земли. Один конец провода соединен с приемником, другой – с резистором сопротивлением R_Н, равным волновому сопротивлению провода (обычно R_Н лежит в пределах 200…600 Ом). Второй конец нагрузочного сопротивления заземлен (рис. 48).

Из-за конечной проводимости земли вектор Пойтинга вертикально поляризованной волны, излучаемой передающей станцией, не параллелен поверхности земли, а составляет некоторый угол D_ε. Вследствие этого появляется горизонтальная составляющая приходящего поля, которая наводит ЭДС в проводе. Под действием ЭДС в проводе возникает ток, вторым проводом для которого является земля.

Рис. 48. Однопроводная антенна бегущих волн

Т.к. провод нагружен на сопротивление, равное его волновому сопротивлению, то в нем устанавливается бегущая волна тока. Диэлектрическая проницаемость почвы больше диэлектрической проницаемости воздуха, поэтому фазовая скорость волны в антенне меньше скорости света, и поэтому существует оптимальная длина L_opt провода, при которой КНД антенны максимален.

Без учета затухания тока в проводе ДН антенны в горизонтальной плоскости можно рассчитать по выражению

. (2.8)

Коэффициент полезного действия и КУ антенны из-за больших потерь энергии в земле и поглощающим сопротивлением очень малы, поэтому эта антенна применяется, как правило, только на прием.

Рассмотренные выше антенны в общем случае имеют один схожий недостаток, накладывающий ограничение на их использование – ограниченный частотный диапазон. Для значительного его расширения используются частотно-независимые антенны, основным представителем которых является логопериодическая антенна (ЛПА) (рис. 49).

Рис. 49. Логопериодическая вибраторная антенна

Антенна состоит из линейных вибраторов, присоединенных к двухпроводной линии. Возбуждение осуществляется коаксиальной линией, которая проложена внутри одного из проводов двухпроводной линии, имеющей форму трубки.

Название «логопериодическая антенна» появилось ввиду строгого соблюдения отношений длин соседних вибраторов, которую можно выразить отношением:

. (2.9)

По принципу действия ЛПА напоминает директорную. На частоте f₀ возбуждается тот вибратор, длина плеча которого близка к значению λ₀/4, т.к. входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются значительно слабее, т.к. входное сопротивление их велико из-за большой реактивной составляющей. Активная область антенны, формирующая излучаемое поле, включает обычно три – пять вибраторов, в том числе резонансный и ближайшие к нему вибраторы с обеих сторон. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, их взаимным влиянием и очередностью подключения к разным проводникам линии питания. При этом получается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных – опережают по фазе ток в активном вибраторе. Т.о, более короткие вибраторы играют роль директоров, а более длинные – рефлекторов. Максимум излучения направлен в сторону вершины антенны.

В случае уменьшения частоты f₀ начнет резонировать (возбуждаться) следующий, более длинный вибратор, поэтому активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. При увеличении частоты, напротив, активная область смещается к вершине антенны.

Ширина рабочей полосы частот ЛПА с нижней стороны ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λ_макс ≈ 4l_макс), а с верхней стороны – возможной точность выполнения вибраторов около точек питания (λ_мин ≈ 4l_мин). Практически реализуемо десятикратное перекрытие рабочего диапазона при неизменной ДН. КСВ в этом же диапазоне частот не превышает значения 3…3,5.

Следствием перемещения рабочей области является изменение фазового центра антенны, что не имеет значения для приема телевизионного сигнала, однако принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя параболических антенн, а так же при работе с широкополосными сигналами.

В связи с тем, что излучение на данной частоте формируется только несколькими вибраторами, ДН ЛПА получается довольно широкой (рис. 50), причем в Е-плоскости она ýже, чем в Н-плоскости. Увеличение периода τ = l_v/l_v+1 при неизменном угле между плоскостями ЛПА α сужает ДН, т.к. увеличивается число вибраторов, входящих в активную область.

Рис. 50. ДН логопериодической антенны

С достижением сверхширокополосности в ЛПА значительно ухудшаются ее направленные свойства, в связи с чем они используются, в основном, в качестве приемных телевизионных антенн. В качестве передающих логопериодические антенны используются в диапазоне УКВ в виде широкополосных облучателей параболических и линзовых антенн.

Апертурные антенны

Свое название такие антенны получили, потому что в отличии от вибраторных антенн, излучение формируется поверхностью раскрыва (апертурой), которая ограничена площадью S, зависящей от геометрических размеров.

Простейшей апертурной антенной является открытый конец волновода (рис. 51).

x

Рис. 51. Антенна в виде открытого конца волновода

Электромагнитная волна, создаваемая в волноводе, дойдя до его открытого конца, частично излучается в свободное пространство, а частично – отражается обратно (рис. 51, а). При этом в месте перехода от волновода к свободному пространству возникают высшие типы волн и поверхностные токи на наружных поверхностях стенок волновода.

Строгое решение задачи об излучении открытого конца волновода было найдено Л. А. Ванштейном для круглого и полубесконечного волновода [6]. Решение этой задачи для прямоугольного волновода затруднено из-за сложного математического аппарата.

Если пренебречь волнами высших типов, излучением поверхностных токов, и не учитывая отраженных волн, приближенно можно положить, что структура электромагнитного поля на открытом конце волновода аналогична структуре поля в поперечном сечении бесконечно длинного волновода [7]. В случае прямоугольного волновода, возбуждаемого волной Н₁₀, на его открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Е_у и Н_х, зависимость которых от координат известна. В соответствии с принципом Гюйгенса – Кирхгофа рассматривается замкнутая поверхность, внутри которой находятся источники поля. Поэтому задача сводится к определению поля, создаваемого плоской прямоугольной возбужденной поверхностью (рис. 51, б) с равномерным распределением амплитуды поля вдоль узкой стороны (b) и с косинусоидальным распределением вдоль широкой стенки (а). Решение подобной задачи хорошо известно из классической электродинамики [8].

Т.о., характеристику направленности открытого конца волновода можно рассчитать в плоскости Е по выражению

, (2.10)

а в плоскости Н – по выражению

. (2.11)

Выражения (2.10-2.11) используются для приближенного расчета ДН открытого конца волновода. При этом чем меньше отношение λ₀/λ_кр (λ₀ – длина волны в свободном пространстве, λ_кр = 2а – критическая длина волны), тем лучше эти ДН совпадают с действительными. Например, если а=0,7λ и b=0,35λ, то , .

Антенны в виде открытого конца волновода применяются с сантиметровом диапазоне длин волн в случаях, когда требуется широкая ДН. Часто они используются в качестве облучателей более сложных антенн, например, зеркальных.

Кроме плохих направленных свойств, такие антенны, в связи с резким изменением уровня распространения при переходе от волновода к свободному пространству, теряют значительную часть электромагнитной энергии волны из-за ее отражения от открытого конца. Значение коэффициента отражения достигает 0,25…0,3. Волновод в этом случае оказывается плохо согласованным со свободным пространством.

Улучшить направленные свойства волновода можно за счет увеличения его размеров. Однако при этом могут возникать высшие типы волн, что приводит к несинфазному возбуждению открытого конца волновода, к неоднородности поляризации излучаемого поля, т.е. к ухудшению направленных свойств. Избежать этого можно путем плавного, постепенного увеличения размеров поперечного сечения волновода, т.е. придания ему формы рупора.

Антенны, имеющие такой плавный переход, получили название рупорных антенн (рис. 52).

Рис. 52. Рупорная антенна: 1 — рупор; 2 — питающий волновод. Направление максимального излучения показано стрелкой

В месте перехода от волновода к рупору возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (малый угол раствора рупора) интенсивность этих волн быстро уменьшается.

Существуют различные разновидности рупорных антенн (рис. 53).

Рис. 53. Разновидности рупорных антенн: а — пирамидальная, б — секториальная, в — коническая, г — с параболической образующей поверхности рупора. 1 — волновод; 2 — рупор

Рупор, образованный увеличением размера b волновода, параллельного вектору Е, называется секториальным Е-плоскостным рупором. Рупор, образованный увеличением размера а волновода, параллельного вектору Н, называется секториальным Н-плоскостным рупором. Рупор, полученный одновременным увеличением размеров а и b волновода, называется пирамидальным рупором, а увеличением поперечного сечения круглого волновода - коническим.

При плавном переходе от волновода к рупору структура поля в рупоре близка к структуре поля в волноводе. Так, при переходе от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ к рупору в последнем появляются три составляющие поля: две поперечные и одна продольная. Однако вследствие того, что боковые стенки рупора не параллельны друг другу, векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свое направление, чтобы обеспечить выполнение граничных условий на стенках рупора (рис. 54).

Основное отличие поля в рупоре от поля в волноводе состоит в том, что фронт волны в рупоре является не плоским, а цилиндрическим (секториальные рупоры) или близким к сферическому (пирамидальный рупор). Волны, распространяющиеся в рупоре, как бы исходят из воображаемой линии пересечения сторон рупора, называемой его вершиной.

Электромагнитная энергия в рупоре, дойдя до его открытого конца, излучается в свободное пространство. Небольшая часть – отражается и идет обратно к генератору. Кроме этого частичное отражение происходит в месте перехода волновода в рупор. Поэтому общая отраженная волна равна их сумме. Однако, если переход плавный, а рупор достаточно длинный, то коэффициент отражения в волноводе значительно меньше, чем в случае антенны в виде открытого конца волновода. Т.о., рупор улучшает согласование волновода с открытым пространством.

Поле: электрическое ______ магнитное ---------

Е-плоскость

Н-плоскость

Н-плоскостной рупор

Е-плоскостной рупор

Поле: электрическое ______ магнитное ---------

Н-плоскость

Е-плоскость

Рис. 54. Поле в Е и Н-плоскостных рупорах

Направленные свойства рупорной антенны можно приближенно анализировать на основе метода Гюйгенса-Кирхгофа, как и в случае открытого конца волновода. Используя те же допущения, принимают, что излучающей поверхностью является поверхность апертуры рупора. Т.к. в рупоре сохраняется тот же характер поля, что и в волноводе, то на его излучающей поверхности действуют две взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Е_у и Н_х, амплитуды которых не зависят от координаты y, а вдоль координаты х изменяются по закону косинуса. Однако плоская излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, т.к. в рупоре распространяется цилиндрическая или близкая к сферической волна.

На рис. 55 изображена поверхность равных фаз электромагнитной волны и фазовый центр рупорной антенны. Для нахождения фазового распределения в рупоре используют методику, приведенную в [9].

Ширина ДН рупорной антенны по нулевому излучению и по половинной мощности может быть найдена из выражений:

. (2.12)

Фазовый центр

Поверхность равных фаз

Рис. 53. К нахождению фазового распределения поля в рупорной антенне

Типичная ДН пирамидальной рупорной антенны в сферической, прямоугольной и полярной системах координат показана на рис. 56.

а)	б)	в)

Рис.56. ДН рупорной антенны: а – 3-х мерное изображение, б – ДН в прямоугольной системе координат, в – ДН в полярных координатах

КНД Е-плоскостного или Н-плоскостного рупора можно рассчитать по формуле

, (2.13)

где S – площадь раскрыва рупора; 0,64=v – коэффициент использования поверхности.

КНД пирамидального рупора с размерами а_р/λ и b_p/λ находят по выражению , где D_E и D_Н – КНД Е и Н-секториальных рупоров с размерами а_р/λ и b_p/λ, рассчитанными по формуле (2.13).

Достоинство рупорной антенны: конструктивная простота и хорошие диапазонные свойства. Практически диапазон использования является двукратным.

Применяемая на СВЧ линзовая антенна (ЛА) (рис. 57) по принципу действия идентична оптической линзе и состоит из собственно линзы и облучателя, установленного в ее фокусе F. Линза трансформирует сферический или цилиндрический фронт волны облучателя в плоский. Таким образом на выходе линзы получается плоская поверхность, возбужденная синфазным электромагнитным полем. Частный случай линзовой антенны — рупорно-линзовая антенна, состоящая из рупора с большим углом раствора (60—70°) и вставленной на его выходе линзы, трансформирующей сферический или цилиндрический фронт волны в рупоре в плоский. При смещении облучателя линзы из фокуса в плоскости, проходящей через фокус и перпендикулярной оси линзы, фронт волны на ее выходе поворачивается на определенный угол. Соответственно поворачивается направление максимального излучения. Это свойство линзовой антенны используется в радиолокаторах при сканировании диаграммы направленности («качании» направления максимального излучения). В обычных линзовых антеннах угол поворота направления максимального излучения ограничен вследствие того, что с его увеличением снижается коэффициент использования поверхности. Исключение представляют апланатические линзовые антенны, отличающиеся тем, что в пределах широкого сектора поворот направления максимального излучения (смещением облучателя) не сопровождается существенным снижением коэффициента использования поверхности. Высококачественные линзовые А. имеют коэффициент использования поверхности 0,5—0,6.

Рис. 57. Линзовая антенна: 1 — фронт волны, падающей на линзу, 2 — облучатель, 3 — линза, 4 — фронт волны, прошедшей, через линзу, F — фокус линзы. Стрелками показан ход лучей

Линзовая антенна, диаграмма направленности которой формируется за счет разности фазовых скоростей распространения электромагнитной волны в воздухе и в материале линзы. ЛА применяется в радиолокационных и измерительных устройствах, работающих в диапазоне сантиметровых волн. ЛА состоит из собственно линзы и облучателя. Форма линзы зависит от коэффициента преломления n (отношения фазовых скоростей распространения радиоволн в вакууме и линзе). При n > 1 ЛА (как и линзав оптике) называется замедляющей, а при n < 1 — ускоряющей (последняя не имеет аналогов в оптике). В качестве облучателя ЛА обычно используется рупорная антенна, создающая сферический фронт волны, или антенные решетки,создающие цилиндрический фронт волны.

Замедляющие ЛА изготавливаются из высококачественных однородных диэлектрических материалов с малыми потерями (полистирол, фторопласт и др.) или из так называемых искусственных диэлектриков. Последние представляют собой систему металлических частиц различной формы, расположенных в воздухе или в однородном диэлектрике с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к единице. Коэффициент преломления таких искусственных диэлектриков может изменяться в широких пределах при весьма малых потерях. Ускоряющие ЛА выполняются из металлических пластин определенной формы и не имеют аналогов в оптике. Их принцип действия объясняется зависимостью фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся между параллельными металлическими пластинами, от расстояния между ними, если вектор ее электрического поля параллелен пластинам. В этом случае фазовая скорость больше скорости света и коэффициент преломления меньше единицы. Для уменьшения массы и объема ЛА применяется зонирование ее поверхностей, позволяющее также значительно уменьшить толщину ЛА. Форма и высота профилей отдельных участков (зон) линзы выбираются так, чтобы электромагнитные волны, преломленные соседними зонами линзы, выходили из нее со сдвигом фаз 360°; в этом случае поле в раскрыве ЛА остается синфазным.

В апланатических ЛА и линзе Люнеберга возможно управление диаграммой направленности (сканирование) без существенных искажений ее формы.

Линза Люнеберга, линзовая антенна с управляемым положением максимума диаграммы направленности в широком секторе углов. Предложена американским ученым Р. К. Люнебергом в 1944. Линза Люнеберга применяется преимущественно в радиолокационных устройствах на сантиметровом диапазоне волн. Она имеет сферическую или цилиндрическую форму и отличается тем, что коэффициент преломления материала линзы не остается постоянным по всей линзе, а зависит от расстояния до ее центра (сферическая линза Люнеберга, рис. 58) или оси (цилиндрическая линза Люнеберга, рис. 59). Эта зависимость подбирается так, что после прохождения через линзу волновой фронт получается плоским. Перемещением облучателя по поверхности линзы можно практически изменять направление максимального излучения в телесном угле при неизменной форме диаграммы направленности линзы Люнеберга.