Апертурні антени – це важливий клас антен, що широко використовуються в мікрохвильових, міліметрових хвилях, радіолокаційних, комунікаційних та антенно-вимірювальних системах. На відміну від дротяних антен, які випромінюють переважно струми, що протікають вздовж провідних елементів, апертурні антени випромінюють електромагнітну енергію через отвір або апертуру.
Типовим прикладом є хвилевід з відкритим кінцем. Коли електромагнітні хвилі проходять через хвилевід і досягають відкритого кінця, частина спрямованої енергії випромінюється у вільний простір. Контролюючи геометрію апертури, розподіл поля та навколишню структуру, інженери можуть додатково покращити характеристики узгодження імпедансу, спрямованості, посилення та випромінювання.
До поширених антен апертурного типу належатьхвилеводні антени з відкритими кінцями,рупорні антени, та щілинні антениВ оригінальній довідковій статті ці три структури також об'єднані в апертурні антени.
1. Що таке апертурна антена?
В антенній техніці апертуру можна вважати отвором, через який електромагнітні поля поширюються від керованої структури у вільний простір.
Хвилевід призначений для обмеження та направлення електромагнітної енергії. Якщо хвилевід завершується провідною стінкою, енергія залишається обмеженою або відбивається залежно від умов завершення. Однак, коли хвилевід відкритий, електромагнітне поле на отворі може випромінюватися у вільний простір.
Таким чином, апертура діє як перехідна область між спрямованою електромагнітною модою та випромінюваною електромагнітною хвилею.
Фактичні характеристики випромінювання залежать від кількох факторів, зокрема:
- Розміри та форма отвору
- Робоча довжина хвилі
- Режим хвилеводу
- Розподіл електричного та магнітного поля
- Фланець або навколишня провідна структура
- Узгодження імпедансу на діафрагмі
Дослідження прямокутних хвилеводів з відкритими кінцями показують, що як поля апертури, так і дифракція від навколишніх країв фланців можуть сприяти результуючому випромінюваному полю.
Рисунок 1. Приклад прямокутної хвилеводної структури, що використовується для ілюстрації випромінювання апертури.
2. Як випромінює хвилевід з відкритими кінцями?
Коли мода хвилеводу, що поширюється, досягає відкритої апертури, електромагнітні граничні умови різко змінюються. Поля більше не повністю обмежені провідними стінками, що дозволяє частині електромагнітної енергії випромінюватися у вільний простір.
Водночас, перехід від хвилеводу до вільного простору, як правило, не є ідеально узгодженим. Тому деяка енергія може відбиватися назад у хвилевід.
Цей зв'язок міжвипромінювання та відбиттяє важливою частиною конструкції апертурної антени.
Простий хвилевід з відкритими кінцями може функціонувати як антена, але його ефективність випромінювання, узгодження імпедансу, коефіцієнт посилення та характеристики променя можуть бути не оптимальними для кожного застосування. Інженери можуть змінювати геометрію апертури для досягнення кращих характеристик. Одним з найвідоміших прикладів єрупорна антена, в якому хвилевід поступово розширюється до апертури.
3. Робоча частота апертурних антен
Не існує єдиного універсального робочого діапазону частот для всіх апертурних антен.
Використовуваний діапазон частот апертурної антени на основі хвилеводу визначається головним чиномрозміри хвилеводу, тип хвилеводу, підтримувані режими поширення та граничні частоти.
Тому для різних діапазонів частот мікрохвильового та міліметрового хвиль використовуються хвилеводи різних стандартизованих розмірів.
Це особливо важливо у високочастотних радіочастотних системах. Зі збільшенням частоти та зменшенням довжини хвилі розміри хвилеводу та апертури також зменшуються, що дозволяє ефективно використовувати апертурні антени в мікрохвильових, міліметрових і навіть субтерагерцових системах.
4. Діаграма спрямованості апертурної антени
Діаграма спрямованості апертурної антени сильно залежить від розміру апертури, розподілу поля, режиму роботи, довжини хвилі та навколишньої структури.
Хвилевід з відкритими кінцями зазвичай створює відносно широкий промінь, але його не слід автоматично описувати як всеспрямовану антену. Його характеристики випромінювання в площині E та площині H визначаються розподілом електромагнітного поля по апертурі.
Навколишній фланець також може впливати на результуючу діаграму випромінювання, оскільки поля, що дифрагують від його країв, вносять свій внесок у загальне випромінюване поле. Сучасні аналітичні дослідження явно враховують як випромінювання апертури, так і дифракцію на краю фланця під час розрахунку поведінки далекого поля.
Збільшення ефективного розміру апертури, як правило, може забезпечити вищу спрямованість та вужчий головний промінь, що є однією з причин, чому рупорні антени та структури з більшою апертурою зазвичай використовуються, коли потрібен більший коефіцієнт посилення.
Ненаправлена діаграма спрямованості
5. Основні типи апертурних антен
Хвилеводна антена відкритого типу
Хвилевід з відкритими кінцями є одним з найпростіших апертурних випромінювачів. Його компактна структура та пряма сумісність із хвилеводними системами роблять його корисним у лабораторіях мікрохвильового та міліметрового діапазонів, для вимірювання антен, зондів, живильників та інших радіочастотних систем.
Рупорна антена
Рупорну антену можна розглядати як хвилевід, поперечний переріз якого поступово розширюється до випромінювальної апертури. Цей поступовий перехід покращує перетворення від спрямованих хвиль до випромінювання у вільному просторі та може забезпечити краще узгодження імпедансу, вищий коефіцієнт посилення та більш контрольовані діаграми спрямованості.
Рупорні антени широко використовуються для вимірювання антен, випробувань на електромагнітну сумісність, радіолокації, систем зв'язку, систем живлення та міліметрового діапазону.
Щілинна антена
Щілинна антена використовує отвір або щілину, вирізану в провідній поверхні, для випромінювання електромагнітної енергії. Залежно від геометрії щілини, збудження та навколишньої структури, щілинні антени можуть бути реалізовані окремо або об'єднані в решітки.
Вони широко використовуються в мікрохвильових системах, де потрібні низькопрофільні структури, інтеграція або конфігурації масивів.
6. Апертурні антени в радіочастотній та мікрохвильовій техніці
Оскільки апертурні антени природним чином інтегруються з хвилеводними передавальними структурами, вони особливо важливі на мікрохвильових та міліметрових хвилях.
Типові застосування включають:
- Вимірювання посилення антени та діаграми спрямованості
- Випробування на електромагнітну сумісність (ЕМС) та електромагнітні перешкоди (ЕМП)
- Радіолокаційні системи
- Мікрохвильовий та міліметровий хвильовий зв'язок
- Системи живлення антен
- Лабораторні вимірювання радіочастотних сигналів
- Спрямована передача та прийом
- Системи випробувань та калібрування
Для інженерів-антен вибір відповідної апертурної антени вимагає більше, ніж просто врахування частоти. Такі параметри, як коефіцієнт підсилення, ширина променя, поляризація, КСХН, розмір хвилеводу, тип фланця, допустима потужність та механічні розміри, можуть впливати на характеристики системи.
Висновок
Апертурні антени забезпечують ефективний спосіб перетворення спрямованої електромагнітної енергії у випромінювання вільного простору, що робить їх фундаментальною категорією антен у мікрохвильовій та міліметровій хвильовій техніці.
Від простих хвилеводів з відкритими кінцями до оптимізованих рупорних та щілинних структур, апертурні антени можуть бути розроблені для різних комбінацій коефіцієнтів посилення, ширини променя, поляризації, діапазону частот та вимог системної інтеграції.
Розуміння того, як розмір апертури, розподіл електромагнітного поля, хвилеводні моди та навколишні структури впливають на характеристики випромінювання, є важливим при виборі або проектуванні антен для радіочастотних випробувань, зв'язку, радіолокаційних та вимірювальних систем.
Час публікації: 14 серпня 2026 р.
