Секторные электромагнитные рупоры

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.