Рупорная антенна - Википедия - Horn antenna

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 антенну пропускная способность.
Первая современная рупорная антенна в 1938 году с изобретателем Уилмер Л. Барроу.

А рупорная антенна или же микроволновая печь является антенна который состоит из раскаленного металла волновод в форме Рог направлять радиоволны в луч. Рупоры широко используются в качестве антенн на УВЧ и микроволновая печь частоты выше 300 МГц.[1] Они используются как фидерные антенны (называется кормить рогами ) для больших антенных конструкций, таких как параболические антенны, как стандартные калибровочные антенны для измерения прирост других антенн, а также как направленные антенны для таких устройств, как радарные пушки, автоматические открыватели дверей, и микроволновые радиометры.[2] Их преимущества умеренные направленность, низкий коэффициент стоячей волны (КСВ), широкий пропускная способность, простая конструкция и регулировка.[3]

Одна из первых рупорных антенн была построена в 1897 году бенгальско-индийским радиоисследователем. Джагадиш Чандра Босе в его новаторских экспериментах с микроволновыми печами.[4][5] Современная рупорная антенна была изобретена самостоятельно в 1938 году. Уилмер Барроу и Г. С. Саутворт[6][7][8][9] Развитие радар во время Второй мировой войны стимулировал исследования рупоров для разработки рупоров для антенн радаров. Гофрированный рупор, изобретенный Каем в 1962 году, стал широко использоваться в качестве рупора для микроволновых антенн, таких как Спутниковые тарелки и радиотелескопы.[9]

Преимущество рупорных антенн в том, что они не имеют резонансный элементы, они могут работать в широком диапазоне частоты, Широкий пропускная способность. 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 диапазоне частот, что позволяет коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) по всей полосе пропускания.[1] Коэффициент усиления рупорных антенн достигает 25 дБи, с типичным значением 10-20 дБи.[1]

Описание

Пирамидальные рупорные антенны для различных частот. Вверху они имеют фланцы для крепления к стандартным волноводам.

Рупорная антенна используется для передачи радиоволн от волновод (металлическая труба, используемая для переноса радиоволн) в космос или собирает радиоволны в волновод для приема. Обычно он состоит из короткой длины прямоугольной или цилиндрической металлической трубки (волновода), закрытой с одного конца и расширяющейся на конический или пирамидальный конус с открытым концом на другом конце.[10] Радиоволны обычно вводятся в волновод с помощью коаксиальный кабель прикрепленный сбоку, с центральным проводником, выступающим в волновод, чтобы сформировать четвертьволновой монополь антенна. Затем волны излучаются узким лучом через конец рупора. В некотором оборудовании радиоволны проходят между передатчик или же приемник и антенна волноводом; в этом случае рупор прикрепляется к концу волновода. В наружных рогах, таких как кормить рогами В спутниковых антеннах открытая горловина рожка часто закрывается пластиковым листом, прозрачным для радиоволн, чтобы исключить попадание влаги.

Как это устроено

Гофрированная коническая рупорная антенна, используемая в качестве кормить рог на домашней спутниковой тарелке Hughes Direcway. Прозрачный пластиковый лист закрывает рот рожка для защиты от дождя.

Рупорная антенна выполняет ту же функцию для электромагнитные волны что акустический рог делает для звуковые волны в музыкальном инструменте, таком как труба. Он обеспечивает структуру постепенного перехода, чтобы соответствовать сопротивление трубки к сопротивлению 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 волновое сопротивление в волноводе к импеданс свободного пространства, (около 377 Ом ).[2][12] 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 в открытом линия передачи или граница между оптическими средами с низким и высоким показатель 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 значительные дифракция волн, исходящих от него, в результате чего широкий диаграмма направленности без особой направленности.

Чтобы улучшить эти плохие характеристики, концы волновода расширяются, образуя рупор. Конус рупора постепенно изменяет импеданс по длине рупора.[12] Это действует как трансформатор согласования импеданса, позволяя большей части энергии волны излучать конец рупора в космос с минимальным отражением. Конус функционирует аналогично конусному линия передачи, или оптическая среда с плавно изменяющимся показателем преломления. Кроме того, широкое отверстие рупора проецирует волны узким лучом.

Форма рупора, обеспечивающая минимальную отраженную мощность, представляет собой экспоненциальный конус.[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

Волны движутся вниз по рогу в виде сферических волновых фронтов с их источником в вершина рога точка, называемая фазовый центр. Образец электрический и магнитные поля на плоскости апертуры у устья рупора, что определяет диаграмма направленности, представляет собой воспроизведение 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 фазовая ошибка. Эта фазовая ошибка, 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 тарелки.

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) и соответствующего минимума. ширина луча примерно до 5-10 °.[14]

Типы

Типы рупорных антенн
Стек отраслевых кормить рогами 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 рупором в форме четырехгранной пирамиды прямоугольного сечения. 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.
Рожок для электронного самолета (б) - секторный рог, расширяющийся в направлении электрического или Электронное поле в волноводе.
Рупор в плоскости H (c) - секторный рог, расширяющийся в направлении магнитного или H-поле в волноводе.
Конический рог (г) - Рог в форме конус, с круглым поперечным сечением. Они используются с цилиндрическими волноводами.
Экспоненциальный рог (e) - Рог с изогнутыми сторонами, в котором расстояние между сторонами увеличивается экспоненциально от длины. Также называется скалярный рог, они могут иметь пирамидальное или коническое 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 рог - Рупор с параллельными прорезями или канавками, малыми по сравнению с длиной волны, покрывающими внутреннюю поверхность рупора, поперек оси. Гофрированные рупоры имеют более широкую полосу пропускания, меньшие боковые лепестки и кросс-поляризацию и широко используются в качестве рупорных рупоров для Спутниковые тарелки и радиотелескопы.
Двухрежимный конический рупор - (Рог Поттера [15]Этот рупор можно использовать для замены гофрированного рупора для использования на длинах волн менее миллиметра, где гофрированный рупор имеет потери и его трудно изготовить.
Диагональный рог - 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]
Ребристый рог - Пирамидальный рог с выступами или ребрами, прикрепленными к внутренней части рога и проходящими вниз по центру сторон. Ребра понижают частоту среза, увеличивая полосу пропускания антенны.
Рог перегородки - Рупор, который внутри разделен на несколько подгорков металлическими перегородками (перегородками), прикрепленными к противоположным стенкам.
Рупор с ограниченной диафрагмой - длинный узкий рупор, достаточно длинный, чтобы фазовая ошибка составляла незначительную долю длины волны,[13] поэтому он по существу излучает плоскую волну. Его апертурная эффективность составляет 1,0, поэтому он дает максимальное усиление и минимальное ширина луча для данного размера апертуры. На усиление не влияет длина, а ограничивается только дифракцией на апертуре.[13] Используется в качестве кормовых рогов в радиотелескопы и другие антенны с высоким разрешением.

Оптимальный рог

Гофрированная рупорная антенна с полосой пропускания от 3,7 до 6 ГГц, предназначенная для подключения к SMA-волноводу. Он использовался в качестве рупора для параболической антенны на британской военной базе.
Экспоненциальный рупор для 85 футов Кассегрен антенна связи космического корабля в НАСА Голдстоунский комплекс дальней космической связи.

Для данной частоты и длины рупора существует некоторый угол бликов, который дает 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. Количество отражений на этих двух участках варьируется в зависимости от угол вспышки рога (угол между сторонами и осью). В узких рупорах с небольшими углами раскрытия большая часть отражения происходит от устья рупора. В прирост антенны 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. При уменьшении 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 оптимальный рог. Большинство практичных рупорных антенн сконструированы как оптимальные рупорные. В пирамидальном роге размеры, которые дают оптимальный рог, следующие:[17][18]

Оптимальный рог для конического рупора составляет:[17]

куда

аE ширина апертуры в направлении электрического поля
аЧАС ширина апертуры в направлении H-поля
LE наклонная длина стороны в направлении электрического поля
LЧАС - наклонная длина стороны в направлении H-поля.
d диаметр цилиндрической апертуры рупора
L наклонная длина конуса от вершины.
λ это длина волны

Оптимальный рупор не дает максимального усиления для данного размер диафрагмы. Это достигается с помощью очень длинного рожка ( ограниченная диафрагма Рог). Оптимальный рупор дает максимальное усиление для данного рупора. длина. Таблицы с указанием размеров оптимальных рупоров для различных частот приведены в справочниках по микроволновому излучению.

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

Прирост

У рогов очень мало потерь, поэтому направленность рога примерно равна его прирост.[1] В прирост грамм из пирамидальной рупорной антенны (отношение интенсивности излучения мощности пучка вдоль его оси к интенсивности изотропная антенна при той же входной мощности) составляет:[18]

Для конических рупоров усиление составляет:[17]

куда

А площадь апертуры,
d диаметр апертуры конического рупора
λ это длина волны,
еА безразмерный параметр от 0 до 1, называемый апертурная эффективность,

В практических рупорных антеннах апертурная эффективность составляет от 0,4 до 0,8. Для оптимальных пирамидальных рогов, еА = 0.511.,[17] а для оптимальных конических рогов еА = 0.522.[17] Поэтому часто используется приблизительная цифра 0,5. Эффективность диафрагмы увеличивается с увеличением длины рупора, и для рупоров с ограничением диафрагмы приблизительно равна единице.

Хорн-зеркальной антенны

Тип антенны, сочетающий в себе рупор и параболический отражатель известна как Hogg-horn или рупорная отражательная антенна, изобретенная Альфредом К. Беком и Харальд Т. Фриис в 1941 г.[19] и далее разработал Дэвид К. Хогг в Bell labs в 1961 г.[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 параболическая антенна подается вне оси.[21] Преимущество этой конструкции перед стандартной параболической антенной заключается в том, что рупорная антенна экранирует антенну от излучения, идущего под углами, выходящими за пределы оси главного луча, поэтому его диаграмма направленности имеет очень маленькую 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. Этот дизайн использовался для нескольких радиотелескопы и спутник связи наземные антенны в 1960-е годы. Однако в наибольшей степени он использовался в качестве фиксированных антенн для микроволновых релейных линий в AT&T Long Lines микроволновая сеть.[20][22][23] С 1970-х годов этот дизайн был заменен закрытым параболические тарелочные антенны, который может обеспечить столь же хорошие характеристики боковых лепестков при более легкой и компактной конструкции. Вероятно, самый фотографируемый и известный пример - 15-метровая (50 футов) длина. Рупорная антенна Holmdel[20] в Bell Labs в Холмделе, Нью-Джерси, с которым Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыл космический микроволновое фоновое излучение в 1965 году, за что они выиграли 1978 Нобелевская премия по физике. Другой более поздний дизайн рупора-отражателя - это рупор, представляющий собой комбинацию рупора с рупором. параболическая антенна кассегрена с использованием двух отражателей.[24]

50 футов. Рупорная антенна Holmdel в Bell labs в Холмделе, Нью-Джерси, США, с которым Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыл космический микроволновое фоновое излучение в 1964 г.
Большая 177-футовая рупорная рефлекторная антенна на Средство спутниковой связи AT&T в Андовере, штат Мэн, США, использовался в 1960-х годах для связи с первым прямым ретранслятором спутник связи, Telstar.
AT & T Длинные линии KS-15676-С-диапазона (4-6 ГГц) радиорелейных роговой зеркальные антенны[23] на крыше коммутационного центра AT&T, Сиэтл, Вашингтон, США
Хорн-рефлектора антенны

Смотрите также

внешняя ссылка

  • 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 системаподано 26 ноября 1941 г., Альфред К. Бек, Гарольд Т. Фриис о патентах Google
  • Horn Антенна калькулятор: Бесплатный онлайн-инструмент для расчета диаграмм направленности различных рупорных антенн.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Бевилаква, Питер (2009). «Рупорная антенна - Интро». Сайт Antenna-theory.com. Получено 2010-11-11.
  2. ^ а б Пул, Ян. «Рупорная антенна». Сайт Radio-Electronics.com. Adrio Communications Ltd. Получено 2010-11-11.
  3. ^ Нараян, К. (2007). Антенны и распространение. Технические публикации. п. 159. ISBN  978-81-8431-176-1.
  4. ^ Родригес, Винсенте (2010). «Краткая история рогов». Журнал In Compliance. Публикация на той же странице. Получено 2010-11-12.
  5. ^ Эмерсон, Д. Т. (декабрь 1997 г.). «Работа Джагадиса Чандры Боса: 100 лет исследований MM-волн». 1997 г., дайджест Международного симпозиума по микроволновому излучению 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. Дои:10.1109 / MWSYM.1997.602853. ISBN  978-0-7803-3814-2. S2CID  9039614. Получено 15 марта, 2012. перепечатано в изд. Игоря Григорова, Антентоп, Том 2, №3, с.87-96, Белгород, Россия
  6. ^ Southworth, G.C .; Кинг, А. П. (март 1939 г.). «Металлические рожки как директивные приемники ультракоротких волн». Труды IRE. 27 (2): 95–102. Дои:10.1109 / JRPROC.1939.229011. S2CID  51632525.
  7. ^ Barrow, W. L .; Чу, Л. Дж. (Февраль 1939 г.). «Теория электромагнитного рога». Труды IRE. 27 (1): 51–64. Дои:10.1109 / JRPROC.1939.228693. S2CID  51635676. Получено 28 октября, 2015.
  8. ^ Барроу, Уилмер Л., патент США 2467578 Электромагнитный рог, подано: 10 декабря 1946 г., предоставлено: 19 апреля 1949 г.
  9. ^ а б 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 электроники. США: Ньюнес. п. 352. ISBN  978-0-7506-9866-5.
  11. ^ Stutzman, Warren L .; Гэри А. Тиле (1998). Теория и конструкция антенны. США: Дж. Вили. п. 299. ISBN  978-0-471-02590-0.
  12. ^ а б c d Бакши, К.А .; СРЕДНИЙ. Бакши, У.А. Бакши (2009). Антенны и распространение волн. Технические публикации. С. 6.1–6.3. ISBN  978-81-8431-278-2.
  13. ^ а б 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. ^ а б 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, П. (1963). «Новая рупорная антенна с подавленными боковыми лепестками и равной шириной луча». Микроволновая печь J. 6: 71–78.
  16. ^ Johansson, Joakim F .; 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. Дои:10.1109/22.137380.
  17. ^ а б c d е ж 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 системаподано 26 ноября 1941 г., Альфред К. Бек, Гарольд Т. Фриис о патентах Google
  20. ^ а б c Crawford, A.B .; Д. К. Хогг; Л. Э. Хант (июль 1961 г.). "Project Echo: рупорная отражательная антенна для космической связи" (PDF). Технический журнал Bell System. 40 (4): 1095–1099. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1961.tb01639.x. на Веб-сайт Alcatel-Lucent
  21. ^ а б Микс, 1976, стр.13.
  22. ^ а б Паттан, Бруно (1993). Спутниковые системы: принципы и технологии. США: Спрингер. п. 275. ISBN  978-0-442-01357-8.
  23. ^ а б "KS-15676 Horn-отражатель антенны Описание" (PDF). Bell System Practices, Выпуск 3, Раздел 402-421-100. AT&T Co., сентябрь 1975 г.. Получено 2011-12-20. на сайте Альберта ЛаФранса [long-lines.net]
  24. ^ Даунс, Дж. У. (1993). Практические конические сечения: геометрические свойства эллипсов, парабол и гипербол. Курьер. С. 49–50. ISBN  978-0486428765.