Секторные электромагнитные рупоры

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 20Следующая ⇒

На рис. 24 изображен секторный рупор, представляющий собой металлический короб, нижняя и верхняя стенки которого параллельны, а боковые расходятся под углом j_о.

Секторный рупор образован в результате расширения широкой стороны в волновода.

Как известно, размеры поперечного сечения прямоугольных волноводов а и в, применяемых для канализации энергии на сверхвысоких частотах, всегда выбирают так, чтобы в них могли распространяться основные магнитные волны, т. е. волны, не имеющие составляющей электрического поля вдоль направления распространения.

У основной магнитной волны, условно обозначаемой Н₁₀, существует лишь одна составляющая электрического поля Е_у, параллельная узким сторонам волновода. Магнитное поле волны Н₁₀ имеет две составляющие — продольную H_z и поперечную Н_х, параллельные широким сторонам волновода.

Структура электромагнитного поля волны Н₁₀ в поперечном сечении волновода показана в левой части рис. 24. Здесь сплошными линиями показаны электрические силовые линии Е_у, а пунктиром — магнитные Н_х. Амплитуда электрического поля Е_у в поперечном сечении волновода изменяется по синусоидальному закону, достигая максимума в средней части волновода и обращаясь в нуль на его узких стенках. Это изменение интенсивности поля на рис. 24 отображено увеличением густоты электрических силовых линий в центре волновода.

При достаточной длине волновода в нем распространяются плоские волны. Однако, начиная с окрестностей перехода волновода в рупор, плоская волна постепенно переходит в цилиндрическую, имеющую своей осью мысленную линию пересечения расходящихся граней SS' рупора. Эта трансформация волны при ее распространении в рупоре показана на рис. 25.

В рассмотренном примере секторный рупор был образован за счет развития широких сторон в волновода до размера В. Так как расширяющиеся стороны рупора в этом случае параллельны плоскостям, содержащим только составляющие магнитного поля Н, то такие антенны называют
Н – плоскостными секторными рупорами.

Но секторный рупор может быть образован и за счет развития узких сторон а волновода до некоторого размера А, как это показано на рис. 26.

Расширяющиеся стенки рупора в этом случае параллельны составляющим электрического поля Е_у, поэтому данная разновидность рупора называется E - плоскостным секторным электромагнитным рупором.

Структура электромагнитного поля в различных сечениях Е – плоскостного рупора показана на рис. 27. Волновой фронт в рупорах данного типа также представляет цилиндрическую поверхность, ось которой совпадает с линией пересечения расширяющихся сторон.

На рис. 28 и 29 приведены значения коэффициентов усиления секторных рупорных антенн различной длины l в функции от величины их раскрыва, выраженной в длинах волн.

Рис. 28 соответствует секторному рупору, расширяющемуся в плоскости электрического вектора поля, а рис. 29 дает величины коэффициентов усиления Н – плоскостных рупоров.

Из приведенных рисунков видно, что у рупоров заданной длины l/l существуют оптимальные значения размеров их широких сторон (оптимальные углы раскрыва), при которых коэффициент усиления имеет максимальное значение.

При любом более или менее заметном отклонении размеров широкой стороны зева рупора от оптимальных коэффициент усиления падает. Последнее объясняется тем, что при уменьшении раскрыва рупора против оптимального происходит уменьшение излучающего отверстия рупора, а при увеличении начинают оказывать существенное влияние отклонения фронта волны от плоской.

Оптимальными размеры раскрыва рупора заданной длины оказываются тогда, когда разность хода центрального и крайнего лучей составляет 0, 25 lдля Е – плоскостных рупоров и 0, 4 l для Н – плоскостных рупоров.

Для сравнения на рис. 28 и 29 пунктиром даны значениякоэффициентов усиления, которыми обладала бы антенна с тем же самым раскрывом, но при наличии в нем плоской волны с равномерным распределением амплитуд.

Так как в раскрыве секторных рупоров распределение амплитуд синусоидально, а фронт волны цилиндрический (не синфазный), то коэффициент использования их излучающего отверстия γ получается заметно меньше единицы и даже у рупоров оптимальных размеров соответственно равен γ _Е= 0, 63 и γ _Н = 0, 65.

На рис. 28 и 29 кривые для рупоров заданной длины при уменьшении раскрыва рупора сливаются в одну общую кривую, соответствующую усилению антенны с прямоугольным отверстием, в котором существует плоская волна с синусоидальным распределением амплитуд электрического поля.

Коэффициент использования отверстия вэтом случае оказывается равным γ = 0, 81.

В обычном волноводе также существует плоская волна, поэтому невольно возникает вопрос, нельзя ли для создания остронаправленной антенны вместо рупора взять прямоугольный волновод соответствующего поперечного сечения и возбудить его так, чтобы в нем существовала лишь основная магнитная волна? При больших поперечных сечениях волновода в последнем возбуждаются и волны высших типов, наличие которых приводит появлению сильно развитых боковых лепестков и резко уменьшает коэффициент усиления антенны. Если предположить, что в редких случаях у такой антенны и удастся путем скрупулезной регулировки устранить волны высших порядков или подобрать размеры волновода так, чтобы в раскрыве существовала такая комбинация этих волн, которая обеспечивала бы еще удовлетворительную диаграмму, то достаточно будет появиться на волноводе небольшой вмятине (либо другой неоднородности) или изменить волну, как картина резко изменится и антенна станет неработоспособной. Поэтому подобные антенны оказываются практически нереализуемыми.

Иное дело в рупорных антеннах. Как известно, в волноводах могут распространяться с малым затуханием только те типы волн, длина которых меньше предельной. Все волны, превышающие предельную, при распространении очень быстро затухают. Предельная же длина волны зависит лишь от типа колебаний и поперечных размеров волновода. При заданном поперечном сечении волновода предельная длина волны укорачивается с ростом сложности (порядка) данного типа колебаний, а при заданной рабочей частоте это означает, что для распространения более сложного типа колебаний требуются и большие размеры волновода.

Рассматривая рупорную антенну в качестве приемной, предположим, что при работе на заданной частоте в ее раскрыве возбудилась не только основная магнитная волна, но и волны высших типов. По мере движения всех этих возбудившихся волн к горлу поперечное сечение рупора плавно уменьшается, поэтому все волны высших типов будут исчезать одна за другой вследствие затухания. На участке перевода рупора в волновод (т. е. в горле рупора) останется лишь одна основная поперечная магнитная волна, так как сам волновод, питающий рупор, рассчитан лишь на распространение основной волны.

В подобных случаях говорят, что сам рупор, и особенно его горло, обладает высокими фильтрующими свойствами по отношению к волнам высших типов. Это в значительной степени предопределяет их высокую диапазонность.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒