РУПОРНАЯ АНТЕННА
HORN ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерной и микроволновой технике и может быть использовано в аппаратуре связи, радиометрии и устройствах СВЧ нагрева.
Известны рупорные антенны, выполненные в виде отрезков прямоугольного или круглого волноводов с присоединенными к ним, соответственно, пирамидальным или коническим рупорами [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.II. «Антенны». М.: Сов. радио, 1969]. Недостатком таких антенн является довольно сильное отражение волн от краев рупора, возникающее вследствие разницы волновых сопротивлений самого рупора и внешнего воздушного пространства.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция облучателя двухзеркальной антенны, выполненная в виде расфазированного конического рупора с нанесенной на его внутренней поверхности импедансной спиральной канавкой, служащей для выравнивания диаграммы направленности [а.с. №237934 СССР. Рупорная антенна // Ерухимович Ю.А. Опубл. в БИ №9, 1969]. Недостатком данной конструкции является постоянство глубины и ширины канавки спирали, а значит и ее волнового сопротивления по мере увеличения раскрыва рупора, что позволяет обеспечить его согласование только с одной из сторон - либо с питающим рупор волноводом, либо с внешним воздушным пространством.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является выравнивание диаграммы направленности рупорной антенны в широком диапазоне частот и с различной поляризацией поля за счет согласования рупора как со стороны питающего его волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства.
Решение технической задачи достигается тем, что рупорная антенна содержит рупор с нарезанными на его внутренней поверхности канавками в виде одно- или многозаходных спиралей. Согласно предложенному изобретению спирали выполнены с постоянным шагом, равным половине средней длины волны, глубина канавок постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавок в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора. Рупор антенны может иметь коническую или пирамидальную форму.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является согласование рупора как со стороны питающего его волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства, что позволяет обеспечить выравнивание диаграммы направленности рупорной антенны в широком диапазоне частот и с различной поляризацией поля.
2
Предлагаемая рупорная антенна иллюстрируется чертежами (фиг.1-5), на которых представлены варианты ее конструкций на основе конического (фиг.1) и пирамидального рупоров (фиг.3) и полученные для них характеристики (фиг.2, 4). На фиг.5 представлена использованная в расчетах зависимость сопротивления спиральной канавки R при изменении ее ширины W, вычисленная по формуле: R=ρ/(W cos Ф), где ρ - удельное сопротивление материала канавки (для меди 0,0175 (Ом·мм/м)), Ф - угол намотки спирали по отношению к продольной оси.
Конструкция конической рупорной антенны (Фиг.1) содержит питающий круглый волновод 1, конический рупор 2 и нарезанную на внутренней поверхности рупора одно- или многозаходную спиральную канавку 3. Конструкция пирамидальной рупорной антенны (Фиг.3) включает питающий прямоугольный волновод 4, пирамидальный рупор 5 и нарезанную на внутренней поверхности рупора одно- или многозаходную спиральную канавку 6.
Работа рупорной антенны конической формы осуществляется следующим образом.
11
11
Волна Н возбуждается в питающем круглом волноводе 1, плавно переходящем в конический рупор 2. На внутренней поверхности рупора нарезана одно- или многозаходная спиральная канавка 3, имеющая постоянный шаг, равный половине средней длины волны (Фиг.1). Глубина канавки постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавки в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора, что позволяет обеспечить требуемое волновое сопротивление для согласования конического рупора как со стороны питающего волновода, так и со стороны внешнего воздушного пространства. Волновое сопротивление круглого волновода с волной Н может быть определено по формуле [Однозначное определение волнового сопротивления волноводов круглого и прямоугольного поперечного сечения // Пчельников Ю.Н. / Сб. науч. трудов №123. М.: Моск. Энерг. Ин-т. 1987. с.49-55]:
где b - радиус волновода, Ω - поперечная постоянная, связанная с фазовой постоянной β и волновым числом k соотношением
0
0
ε, µ - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, ω - угловая частота.
Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью Mathcad.
0
11
На фиг.2 показаны зависимости волнового сопротивления Z конической рупорной антенны от обобщенного параметра rτ, пропорционального частоте, где r - текущий радиус рупора, τ - поперечная постоянная волны, замедленной спиральной канавкой. В представляющих практический интерес случаях изменения rτ нелинейные зависимости волнового сопротивления аппроксимируются отрезками прямых. Так на фиг.2 прямая 1 соответствует обычному коническому рупору с волной Н без импедансной структуры, прямая 2 - для рупора с однозаходной спиральной канавкой. Анализ полученных зависимостей подтверждает трудности, связанные с отражением волны, возникающие при согласовании обычного конического рупора с внешним воздушным пространством, волновое сопротивление которого 376,7 (Ом). В то же время наличие спиральной канавки в раскрыве рупора позволяет увеличить значение волнового сопротивления и обеспечить минимальные потери на отражение, несмотря на некоторое увеличение дисперсии.
Аналогично осуществляется работа антенны на базе пирамидального рупора.
10
В этом случае волна Н возбуждается в прямоугольном волноводе 4, плавно переходящем в пирамидальный рупор 5. На внутренней поверхности рупора нарезана одно- или многозаходная прямоугольная спиральная канавка 6, имеющая постоянный шаг, равный половине средней длины волны (Фиг.3). Как и в случае конического рупора, глубина канавки постоянна и равна четверти средней длины волны, а ширина канавки в начале спирали равна ее глубине, а далее линейно уменьшается по мере увеличения раскрыва рупора.
10
Волновое сопротивление прямоугольного волновода с волной Н может быть определено по формуле [Однозначное определение волнового сопротивления волноводов круглого и прямоугольного поперечного сечения // Пчельников Ю.Н. / Сб. науч. трудов №123. М.: Моск. Энерг. Ин-т. 1987. с.49-55]:
где а - ширина волновода, b - его высота.
В этом случае возможность достижения поставленной цели также подтверждается результатами численного эксперимента, полученными с помощью Mathcad.
0
10
На фиг.4 показаны зависимости волнового сопротивления Z пирамидальной рупорной антенны от обобщенного параметра , пропорционального частоте. В представляющих практический интерес случаях изменения  нелинейные зависимости волнового сопротивления аппроксимируются отрезками прямых. Так на фиг.4 прямая 1 соответствует обычному пирамидальному рупору с волной Н без импедансной структуры, прямая 2 - для рупора с однозаходной прямоугольной спиральной канавкой. В отличие от антенны на базе конического рупора, согласование пирамидального рупора за счет спиральной канавки показывает еще лучшие результаты. Здесь рост волнового сопротивления практически не меняет дисперсии, а значит согласование с минимальными потерями на отражение может быть проведено в более широком диапазоне частот.
Достоинством предложенного изобретения является возможность согласования рупорных антенн как со стороны питающих их волноводов, так и со стороны внешнего воздушного пространства, что позволяет обеспечить выравнивание их диаграмм направленности. Наличие спиральной канавки в раскрыве рупора приводит к тому, что волны, отраженные от диаметрально противоположных точек спирали, возвращаются к волноводу в противофазе и взаимно компенсируются. Это позволяет использовать предлагаемые антенны для работы с различной поляризацией поля и обеспечивать симметричность их диаграмм направленности в широком диапазоне частот.