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. Они используются в качестве фидерных антенн (называемых рупорами ) для более крупных антенных структур, таких как параболические антенны, в качестве стандартных калибровочных антенн для измерения усиления других антенн и в качестве направляющих антенн для таких устройств, как радары, автоматические открыватели дверей и микроволновые радиометры.. Их преимущества - умеренная направленность, низкий коэффициент стоячей волны (КСВ), широкая полоса пропускания и простая конструкция и настройка.
Одна из первых рупорных антенн была построена в 1897 году бенгальско-индийским исследователем радио Джагадишем Чандрой Бозом в его новаторских экспериментах с микроволнами. Современная рупорная антенна была изобретена независимо в 1938 году Уилмером Барроу и Дж. К. Саутвортом. Разработка радара во время Второй мировой войны стимулировала исследования рупоров для разработки рупорных рупоров для антенн радаров. Гофрированный рупор, изобретенный Каем в 1962 году, стал широко использоваться в качестве рупора для микроволновых антенн, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы.
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). Входное сопротивление медленно изменяется в этом широком частотном диапазоне, обеспечивая низкий коэффициент стоячей волны (КСВН) по всей ширине полосы. Усиление рупорных антенн достигает 25 дБи, обычно 10–20 дБи.
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. 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 передаются между передатчиком или приемником и антенной по волноводу; 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.
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.
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 Ω ). Когда радиоволны, проходящие через волновод, попадают в отверстие, этот скачок импеданса отражает значительную часть энергии волны обратно по направляющей к источнику, так что излучается не вся мощность. Это похоже на отражение на линии передачи с открытым концом 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. 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. Экспоненциальные рупоры используются в специальных приложениях, требующих минимальных потерь сигнала, таких как спутниковые антенны и радиотелескопы. Однако наиболее широко используются конические и пирамидальные рожки, потому что они имеют прямые стороны и их легче спроектировать и изготовить.
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 у устья 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. Разность фаз 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.
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. Это ограничивает усиление практических рупоров примерно до 1000 (30 дБи), а соответствующую минимальную ширину луча примерно до 5–10 °.
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.
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. Усиление антенны является низким, потому что маленький рот аппроксимирует открытый состав волновод. 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. Это называется оптимальным рогом. Большинство практичных рупорных антенн сконструированы как оптимальные рупорные. В пирамидальном роге размеры, которые дают оптимальный рог, следующие:
Для конического рупора размеры, обеспечивающие оптимальный рупор, следующие:
куда
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 / 8,3 дюйма (1,43 ГГц) газообразного водорода в галактике Млечный Путь. В настоящее время экспонируется в обсерватории Грин-Бэнк в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния, США.Рупоры имеют очень небольшие потери, поэтому направленность рожка примерно равна его усилению. Коэффициент усиления G пирамидальной рупорной антенны (отношение интенсивности излучаемой мощности вдоль оси луча к интенсивности изотропной антенны с той же входной мощностью) составляет:
Для конических рупоров усиление составляет:
куда
В практических рупорных антеннах апертурная эффективность составляет от 0,4 до 0,8. Для оптимальных пирамидальных рупоров e A = 0,511., А для оптимальных конических рупоров e A = 0,522. Поэтому часто используется приблизительная цифра 0,5. Эффективность диафрагмы увеличивается с увеличением длины рупора, и для рупоров с ограничением диафрагмы приблизительно равна единице.
Тип антенны, которая сочетает в себе рупор с параболическим отражателем, известен как рупорная антенна или рупорная рефлекторная антенна, изобретенная Альфредом С. Беком и Харальдом Т. Фриисом в 1941 году и развитая Дэвидом К. Хоггом из Bell labs. в 1961 году. Его также называют «совком для сахара» из-за его характерной формы. Он состоит из рупорной антенны с отражателем, установленным в устье рупора под углом 45 градусов, так что излучаемый луч находится 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. Преимущество этой конструкции перед стандартной параболической антенной состоит 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. Кроме того, отверстие частично не закрывается подачей и 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. 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 наземных антенн спутников связи в течение 1960-х годов. Однако наиболее часто он использовался в качестве фиксированных антенн для микроволновых релейных линий в микроволновой сети ATamp;T Long Lines. С 1970-х годов эта конструкция была заменена закрытыми параболическими параболическими антеннами, которые могут достигать столь же хороших характеристик боковых лепестков при более легкой и компактной конструкции. Вероятно, самый фотографируемый и известный пример - это 15-метровая (50-футовая) антенна Holmdel Horn 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 получили Нобелевскую премию по физике 1978 года. Другой более поздней конструкцией рупора-отражателя является рупорный рупор, который представляет собой комбинацию рупора с параболической антенной Кассегрена с использованием двух отражателей.
15-метровый (50 футов) Holmdel рупорной антенной в Bell Labs в Холмделе, штат Нью - Джерси, США, с которой Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение в 1964 году. Большой 54-метровый (177 футов) рупорной антенны на отражатель AT amp; T средства спутниковой связи в Andover, Мэн, США, используемый в 1960 - х годах для связи с первой прямой ретрансляции спутниковой связи, Telstar. ATamp;T Long-Lines KS-15676 СВЧ релейные рупорные-рефлекторные антенны диапазона C (4–6 ГГц) на крыше коммутационного центра ATamp;T, Сиэтл, Вашингтон, США Рупорно-рефлекторные антенны