Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пирамидальная рупорная микроволновая антенна с полосой пропускания от 0,8 до 18 ГГц. Линия подачи коаксиального кабеля подключается к разъему, который виден сверху. Этот тип называется гребенчатым рогом; изогнутые ребра, видимые внутри устья рупора, увеличивают полосу пропускания антенны .
Первая современная рупорная антенна была создана в 1938 году изобретателем Уилмером Л. Барроу .

Рупорная антенна или СВЧ - рог представляет собой антенну , которая состоит из развальцовочного металлического волновода в форме , как рог прямых волн радио в пучке. Рупоры широко используются в качестве антенн на частотах УВЧ и СВЧ выше 300 МГц. [1] Они используются в качестве фидерных антенн (так называемых рупорных рупоров ) для больших антенных структур, таких как параболические антенны , в качестве стандартных калибровочных антенн для измерения усиления других антенн, а также в качестве направляющих антенн для таких устройств, как радары , автоматические открыватели дверей., и микроволновые радиометры . [2] Их преимуществами являются умеренная направленность , низкий коэффициент стоячей волны (КСВ), широкая полоса пропускания и простая конструкция и настройка. [3]

Одна из первых рупорных антенн была построена в 1897 году бенгальско-индийским исследователем радио Джагадишем Чандрой Бозом в его новаторских экспериментах с микроволнами. [4] [5] Современная рупорная антенна была изобретена независимо в 1938 году Уилмером Барроу и Дж. К. Саутвортом. [6] [7] [8] [9] Развитие радара во время Второй мировой войны стимулировало исследования рупоров для разработки рупорных рупоров для радаров. антенны. Гофрированный рупор, изобретенный Каем в 1962 году, стал широко использоваться в качестве рупора для микроволновых антенн, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы . [9]

Преимущество рупорных антенн состоит в том, что, поскольку они не имеют резонансных элементов, они могут работать в широком диапазоне частот , в широкой полосе частот . Полезная полоса пропускания рупорных антенн обычно составляет порядка 10: 1 и может достигать 20: 1 (например, позволяя ей работать в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц). [1] Входное сопротивление медленно изменяется в этом широком частотном диапазоне, что позволяет использовать коэффициент стоячей волны низкого напряжения (КСВН) во всем диапазоне. [1] Усиление рупорных антенн достигает 25 дБи , обычно 10–20 дБи. [1]

Описание [ править ]

Пирамидальные рупорные антенны для различных частот. Вверху у них есть фланцы для крепления к стандартным волноводам.

Рупорная антенна используется для передачи радиоволн из волновода (металлической трубы, используемой для переноса радиоволн) в космос или для сбора радиоволн в волновод для приема. Как правило, он состоит из короткой длины прямоугольной или цилиндрической металлической трубки (волновода), закрытой с одного конца и расширяющейся до открытого конца конической или пирамидальной формы на другом конце. [10] Радиоволны обычно вводятся в волновод с помощью коаксиального кабеля, прикрепленного сбоку, при этом центральный проводник выступает в волновод, образуя четвертьволновую монопольную антенну. Затем волны излучаются узким лучом через конец рупора. В некотором оборудовании радиоволны проходят между передатчиком илиприемник и антенна у волновода; в этом случае рупор прикрепляется к концу волновода. В наружных рупорах, таких как рупоры спутниковых антенн, открытая часть рупора часто закрывается пластиковым листом, прозрачным для радиоволн, чтобы исключить попадание влаги.

Как это работает [ править ]

Гофрированный конический рупор антенны используется в качестве корма рога на Hughes Direcway дома спутниковую антенну. Прозрачный пластиковый лист закрывает рот рожка для защиты от дождя.

Рупорная антенна выполняет ту же функцию для электромагнитных волн, что и акустический рупор для звуковых волн в музыкальном инструменте, таком как труба . Он обеспечивает структуру постепенного перехода, чтобы согласовать импеданс трубки с импедансом свободного пространства, что позволяет волнам из трубки эффективно излучаться в пространство. [11]

Если в качестве антенны используется простой волновод с открытым концом, без рупора, внезапный конец проводящих стенок вызывает резкое изменение импеданса на апертуре, от волнового импеданса в волноводе до импеданса свободного пространства (около 377 Ом ). [2] [12] Когда радиоволны, проходящие через волновод, попадают в отверстие, этот скачок импеданса отражает значительную часть энергии волны обратно вниз по волноводу к источнику, так что не вся мощность излучается. Это похоже на отражение на открытой линии передачи или на границе между оптическими средами с низким и высоким показателем преломления., как на стеклянной поверхности. Отраженные волны вызывают стоячие волны в волноводе, увеличивая КСВ , тратя энергию и, возможно, перегревая передатчик. Кроме того, малая апертура волновода (менее одной длины волны) вызывает значительную дифракцию выходящих из него волн, что приводит к широкой диаграмме направленности без особой направленности.

Чтобы улучшить эти плохие характеристики, концы волновода расширяются, образуя рупор. Конус рупора постепенно изменяет сопротивление по длине рупора. [12] Он действует как трансформатор согласования импеданса , позволяя большей части энергии волны излучать конец рупора в космос с минимальным отражением. Конус функционирует аналогично конической линии передачи или оптической среде с плавно изменяющимся показателем преломления. Кроме того, широкая апертура рупора проецирует волны узким лучом.

Форма рупора, обеспечивающая минимальную отраженную мощность, представляет собой экспоненциальную конусность. [12] Экспоненциальные рупоры используются в специальных приложениях, требующих минимальных потерь сигнала, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы . Однако наиболее широко используются конические и пирамидальные рожки, так как они имеют прямые стороны и их легче спроектировать и изготовить.

Диаграмма излучения [ править ]

Волны движутся вниз по рупору в виде сферических волновых фронтов, источник которых находится на вершине рупора, точке, называемой фазовым центром . Диаграмма электрических и магнитных полей в плоскости апертуры в устье рупора, которая определяет диаграмму направленности , является воспроизведением полей в волноводе в увеличенном масштабе. Поскольку волновые фронты имеют сферическую форму, фаза плавно увеличивается от краев плоскости апертуры к центру из-за разницы в длине центральной точки и краевых точек от вершины. Разница в фазе между центральной точкой и краями называется фазовой ошибкой.. Эта фазовая погрешность, которая увеличивается с увеличением угла наклона, уменьшает усиление и увеличивает ширину луча, давая рупорам более широкую ширину луча, чем плоские волновые антенны аналогичного размера, такие как параболические антенны.

При угле вспышки излучение лепестка луча примерно на 20 дБ ниже его максимального значения. [13]

По мере увеличения размера рупора (выраженного в длинах волн) фазовая ошибка увеличивается, что дает рупору более широкую диаграмму направленности. Для сохранения узкой ширины луча требуется более длинный рупор (меньший угол вспышки), чтобы фазовая ошибка оставалась постоянной. Увеличивающаяся фазовая ошибка ограничивает размер апертуры практических рупоров примерно до 15 длин волн; большие отверстия потребуют непрактично длинных рупоров. [14] Это ограничивает усиление практических рупоров примерно до 1000 (30 дБи), а соответствующую минимальную ширину луча примерно до 5–10 °. [14]

Типы [ править ]

Типы рупорных антенн
Стопка секторных рупоров для антенны РЛС воздушного поиска

Ниже представлены основные типы рупорных антенн. Рупоры могут иметь разные углы вспышки, а также разные кривые расширения (эллиптические, гиперболические и т. Д.) В направлениях E-поля и H-поля, что делает возможным широкий выбор различных профилей луча.

Пирамидальный рог (а, справа) - рупорная антенна с рогом в форме четырехгранной пирамиды с прямоугольным поперечным сечением. Они являются обычным типом, используются с прямоугольными волноводами и излучают линейно поляризованные радиоволны. [12]
Секторный рог - пирамидальный рог, у которого только одна пара сторон расширяется, а другая пара параллельна. Получается веерообразный луч, узкий в плоскости расширенных сторон, но широкий в плоскости узких сторон. Эти типы часто используются в качестве рупорных рупоров для антенн РЛС широкого поиска.
Рупор в плоскости E (b) - секторный рупор, расширяющийся в направлении электрического или E-поля в волноводе.
Рупор в H-плоскости (c) - Секторный рупор, расширяющийся в направлении магнитного или H-поля в волноводе.
Конический рог (d) - рог в форме конуса с круглым поперечным сечением. Они используются с цилиндрическими волноводами.
Экспоненциальный рог (e) - рог с изогнутыми сторонами, в котором расстояние между сторонами увеличивается как экспоненциальная функция от длины. Также называемые скалярным рогом , они могут иметь пирамидальное или коническое поперечное сечение. Экспоненциальные рупоры имеют минимальное внутреннее отражение, почти постоянный импеданс и другие характеристики в широком диапазоне частот. Они используются в приложениях, требующих высокой производительности, например, в рупорах для спутниковых антенн связи и радиотелескопов.
Гофрированный рупор - рупор с параллельными прорезями или канавками, небольшими по сравнению с длиной волны, покрывающий внутреннюю поверхность рупора поперек оси. Гофрированные рупоры имеют более широкую полосу пропускания, меньшие боковые лепестки и кросс-поляризацию и широко используются в качестве рупоров для спутниковых антенн и радиотелескопов .
Двухрежимный конический рупор - (Горн Поттера [15] ) Этот рупор можно использовать вместо гофрированного рупора для использования на длинах волн менее миллиметра, где гофрированный рупор имеет потери и его трудно изготовить.
Диагональный рупор - этот простой двухрежимный рупор внешне выглядит как пирамидальный рупор с квадратной выходной апертурой. Однако при ближайшем рассмотрении видно, что квадратная выходная апертура повернута на 45 ° относительно волновода. Эти рупоры обычно обрабатываются в виде разъемных блоков и используются на длинах волн менее миллиметра. [16]
Остроконечные рога - пирамидальный рупор с гребнями или ребрами , прикрепленных к внутренней поверхности трубы, простирающиеся вниз по центру сторон. Ребра понижают частоту среза, увеличивая полосу пропускания антенны.
Рог перегородки - рог, который разделен на несколько подгорков металлическими перегородками (перегородками) внутри, прикрепленными к противоположным стенкам.
Рупор с ограничением диафрагмы - длинный узкий рупор, достаточно длинный, чтобы фазовая ошибка составляла незначительную часть длины волны [13], поэтому он по существу излучает плоскую волну. Его эффективность апертуры составляет 1,0, поэтому он дает максимальное усиление и минимальную ширину луча для данного размера апертуры. На усиление не влияет длина, а ограничивается только дифракцией на апертуре. [13] Используется в качестве рупоров в радиотелескопах и других антеннах с высоким разрешением.

Оптимальный рог [ править ]

Гофрированная рупорная антенна с полосой пропускания от 3,7 до 6 ГГц, предназначенная для подключения к волноводному каналу SMA. Он использовался в качестве рупора для параболической антенны на британской военной базе.
Экспоненциальный рупор для коммуникационной антенны космического корабля Кассегрена на расстоянии 85 футов (26 м) в комплексе связи NASA Goldstone Deep Space .

Для данной частоты и длины рупора существует некоторый угол бликов, обеспечивающий минимальное отражение и максимальное усиление. Внутренние отражения в рупорах с прямыми сторонами происходят из двух мест на пути волны, где сопротивление резко изменяется; рот или отверстие рога и горло, где стороны начинают расширяться. Степень отражения в этих двух местах зависит от угла раскрытия рупора (угла, который стороны образуют с осью). В узких рупорах с небольшими углами раскрытия большая часть отражения происходит в устье рупора. прибыльантенны низка, потому что маленький рот приближается к волноводу с открытым концом. По мере увеличения угла отражение в устье быстро уменьшается, а усиление антенны увеличивается. Напротив, в широких рупорах с углами бликов, приближающимися к 90 °, большая часть отражения приходится на горловину. Усиление рупора снова невелико, потому что горловина приближается к волноводу с открытым концом. По мере уменьшения угла количество отражений в этом месте уменьшается, и коэффициент усиления рупора снова увеличивается.

Это обсуждение показывает, что существует некоторый угол бликов между 0 ° и 90 °, который дает максимальное усиление и минимальное отражение. [17] Это называется оптимальным рогом . Большинство практичных рупорных антенн сконструированы как оптимальные рупорные. В пирамидальном роге размеры, которые дают оптимальный рог, следующие: [17] [18]

Для конического рупора размеры, обеспечивающие оптимальный рупор, следующие: [17]

куда

a E - ширина апертуры в направлении E-поля
a H - ширина апертуры в направлении H-поля
L E - высота наклона стороны в направлении E-поля.
L H - наклонная высота стороны в направлении H-поля.
d - диаметр отверстия цилиндрического рупора
L - наклонная высота конуса от вершины
λ - длина волны

Оптимальный рупор не дает максимального усиления для данного размера апертуры . Это достигается с помощью очень длинного рупора (рупора с ограниченной апертурой ). Оптимальный рупор дает максимальное усиление для данной длины рупора . Таблицы с указанием размеров оптимальных рупоров для различных частот приведены в справочниках по микроволновому излучению.

Большой пирамидальный рог, использованный в 1951 году для обнаружения излучения 21 см (1,43 ГГц) газообразного водорода в галактике Млечный Путь . В настоящее время экспонируется в обсерватории Грин-Бэнк в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, США.

Получить [ править ]

Рупоры имеют очень небольшие потери, поэтому направленность рупора примерно равна его усилению . [1] усиления G из пирамидальной рупорной антенны (отношение интенсивности излучения мощности вдоль его оси пучка к интенсивности в изотропной антенне с той же входной мощностью) составляют: [18]

Для конических рупоров усиление составляет: [17]

куда

А - площадь апертуры,
d - диаметр апертуры конического рупора
λ - длина волны ,
e A - безразмерный параметр от 0 до 1, называемый апертурной эффективностью ,

В практических рупорных антеннах апертурная эффективность составляет от 0,4 до 0,8. Для оптимальных пирамидальных рупоров e A = 0,511., [17] в то время как для оптимальных конических рупоров e A = 0,522. [17] Поэтому часто используется приблизительное значение 0,5. Эффективность диафрагмы увеличивается с увеличением длины рупора, и для рупоров с ограничением диафрагмы приблизительно равна единице.

Хорн-зеркальной антенны [ править ]

Тип антенны, которая сочетает в себе рупор с параболическим рефлектором , известен как рупорная антенна или рупорная рефлекторная антенна, изобретенная Альфредом Беком и Харальдом Т. Фриисом в 1941 году [19] и развитая Дэвидом К. Хоггом. в лабораториях Белла в 1961 году. [20] Его также называют «совком для сахара» из-за его характерной формы. Она состоит из рупорной антенны с рефлектором , установленный в устье рога на 45 градусов угол так , излучаемого луча под прямым углом к оси рупора. Отражатель представляет собой сегмент параболического отражателя, и фокус отражателя находится на вершине рупора, поэтому устройство эквивалентно параболической антенне, питаемой вне оси. [21] Преимущество этой конструкции перед стандартной параболической антенной заключается в том, что рупор защищает антенну от излучения, идущего под углами, выходящими за пределы оси главного луча, поэтому его диаграмма направленности имеет очень маленькие боковые лепестки . [22] Кроме того, отверстие частично не закрывается подачей и его опорами, как в обычных параболических тарелках с фронтальной подачей, что позволяет достичь эффективности апертуры 70% по сравнению с 55-60% для тарелок с фронтальной подачей. [21] Недостатком является то, что он намного больше и тяжелее для данной площади апертуры, чем параболическая тарелка, и для полного управления им необходимо устанавливать на громоздкой поворотной платформе. Эта конструкция использовалась для нескольких радиотелескопов и спутников связи.наземные антенны в 1960-е годы. Однако в наибольшей степени он использовался в качестве фиксированных антенн для микроволновых релейных линий в микроволновой сети AT&T Long Lines . [20] [22] [23] С 1970-х годов эта конструкция была заменена закрытыми параболическими тарелочными антеннами , которые могут обеспечить столь же хорошие характеристики боковых лепестков при более легкой и компактной конструкции. Вероятно, самый фотографируемый и известный пример - это 15-метровая (50 футов) антенна Holmdel Horn [20] в Bell Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси, с помощью которой Арно Пензиас и Роберт Уилсон в 1965 году открыли космическое микроволновое фоновое излучение , для которого они выиграли 1978Нобелевская премия по физике . Другой более поздней конструкцией рупора-отражателя является рупорный рупор, который представляет собой комбинацию рупора с параболической антенной Кассегрена с использованием двух отражателей. [24]

Большой 177 футов (54 м) рупорной антенны на отражатель AT & T средства спутниковой связи в Andover, Мэн, США, используемый в 1960 - х годах для связи с первой прямой ретрансляции спутниковой связи , Telstar .
AT&T Long-Lines KS-15676 Рупорные-рефлекторные микроволновые релейные антенны диапазона C (4-6 ГГц) [23] на крыше коммутационного центра AT&T, Сиэтл, Вашингтон, США
Хорн-рефлектора антенны

См. Также [ править ]

  • Рупорная антенна Holmdel
  • Микроволновый радиометр (Juno) (использует 1 рупорную антенну для наблюдений Юпитера)

Внешние ссылки [ править ]

  • Рупорные антенны Antenna-Theory.com
  • "KS-15676 Horn-отражатель антенны Описание" (PDF) . Bell System Practices, Выпуск 3, Раздел 402-421-100 . AT&T Co., сентябрь 1975 г. на сайте Альберта ЛаФранса [long-lines.net]
  • Патент США № 2416675 Рупорная антенная система , поданная 26 ноября 1941 г., Альфред С. Бек, Гарольд Т. Фриис в Google Patents
  • Horn Антенна калькулятор : Бесплатный онлайн - инструмент программного обеспечения для расчета диаграммы направленности разнообразных рупорных антенн.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Бевилаква, Питер (2009). «Рупорная антенна - Интро» . Сайт Antenna-theory.com . Проверено 11 ноября 2010 .
  2. ^ a b Пул, Ян. «Рупорная антенна» . Сайт Radio-Electronics.com . Adrio Communications Ltd . Проверено 11 ноября 2010 .
  3. Перейти ↑ Narayan, CP (2007). Антенны и распространение . Технические публикации. п. 159. ISBN. 978-81-8431-176-1.
  4. ^ Родригес, Винсенте (2010). «Краткая история рогов» . Журнал соответствия . Публикация на той же странице . Проверено 12 ноября 2010 .
  5. Перейти ↑ Emerson, DT (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований ММ-волн» . 1997 Дайджест Международного симпозиума по микроволновой связи IEEE MTT-S . Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 45 . С. 2267–2273. Bibcode : 1997imsd.conf..553E . CiteSeerX 10.1.1.39.8748 . DOI : 10.1109 / MWSYM.1997.602853 . ISBN  978-0-7803-3814-2. S2CID  9039614 . Проверено 15 марта 2012 года .перепечатано в изд. Игоря Григорова, Антентоп , Том 2, № 3, с.87-96, Белгород, Россия
  6. ^ Саутворт, GC; Кинг, А. П. (март 1939 г.). «Металлические рожки как директивные приемники ультракоротких волн» . Труды ИРЭ . 27 (2): 95–102. DOI : 10.1109 / JRPROC.1939.229011 . S2CID 51632525 . 
  7. ^ Барроу, WL; Чу, LJ (февраль 1939 г.). «Теория электромагнитного рупора» . Труды ИРЭ . 27 (1): 51–64. DOI : 10.1109 / JRPROC.1939.228693 . S2CID 51635676 . Проверено 28 октября 2015 года . 
  8. ^ Барроу, Вилмер L, патент США 2467578 Электромагнитный горн , поданной: 10 декабря 1946, предоставлен: 19 апреля 1949
  9. ^ a b Олвер, А. Дэвид (1994). Микроволновые рожки и корма . США: IET. С. 2–4. ISBN 978-0-85296-809-3.
  10. ^ Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь по электронике . США: Ньюнес. п. 352. ISBN. 978-0-7506-9866-5.
  11. ^ Stutzman, Warren L .; Гэри А. Тиле (1998). Теория и конструкция антенн . США: Дж. Вили. п. 299. ISBN 978-0-471-02590-0.
  12. ^ a b c d Бакши, KA; А. В. Бакши, У. А. Бакши (2009). Антенны и распространение волн . Технические публикации. С. 6.1–6.3. ISBN 978-81-8431-278-2.
  13. ^ a b c Голдсмит, Пол Ф. (1998). Квазиоптические системы: квазиоптическое распространение гауссова пучка и приложения . США: IEEE Press. С. 173–174. ISBN 978-0-7803-3439-7.
  14. ^ a b Микс, Мэрион Литтлтон (1976). Астрофизика, Том 12 методов экспериментальной физики, Часть 2 . США: Academic Press. п. 11. ISBN 978-0-12-475952-7.
  15. ^ Поттер, PD (1963). «Новая рупорная антенна с подавленными боковыми лепестками и равной шириной луча». Микроволновая печь Дж . 6 : 71–78.
  16. ^ Йоханссон, Йоаким Ф .; Уайборн, Николас Д. (май 1992 г.). «Диагональный рупор как антенна субмиллиметрового диапазона». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 40 (5): 795–800. Bibcode : 1992ITMTT..40..795J . DOI : 10.1109 / 22.137380 .
  17. ^ a b c d e f Тасуку, Тешироги; Цукаса Йонеяма (2001). Современные технологии миллиметрового диапазона . США: IOS Press. С. 87–89. ISBN 978-1-58603-098-8.
  18. ^ а б Нараян 2007, стр. 168
  19. ^ Патент США № 2416675 Рупорная антенная система , поданная 26 ноября 1941 г., Альфред С. Бек, Гарольд Т. Фриис в Google Patents
  20. ^ a b c Кроуфорд, AB; DC Hogg; Л. Е. Хант (июль 1961 г.). "Проектное эхо: рупорная отражательная антенна для космической связи" (PDF) . Технический журнал Bell System . 40 (4): 1095–1099. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01639.x . на сайте Alcatel-Lucent
  21. ^ a b Микс, 1976, стр.13
  22. ^ a b Паттан, Бруно (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии . США: Спрингер. п. 275. ISBN 978-0-442-01357-8.
  23. ^ Б "KS-15676 Horn-отражатель антенны Описание" (PDF) . Bell System Practices, Выпуск 3, Раздел 402-421-100 . AT & T Co. сентября 1975 . Проверено 20 декабря 2011 . на сайте Альберта ЛаФранса [long-lines.net]
  24. ^ Даунс, JW (1993). Практические конические сечения: геометрические свойства эллипсов, парабол и гипербол . Курьер. С. 49–50. ISBN 978-0486428765.