Рупорні антени є одними з найбільш широко використовуваних спрямованих антен у мікрохвильовій та міліметровій хвильовій техніці. Їхня проста механічна структура, передбачувані характеристики випромінювання, відносно низький коефіцієнт відбиття та здатність досягати помірного та високого коефіцієнта посилення роблять їх цінними для вимірювання антен, випробувань електромагнітної сумісності, радарів, систем зв'язку, систем живлення та радіочастотних лабораторій.
Рупорну антену по суті можна розглядати якхвилевід із поступово розширюваною апертуроюЗамість того, щоб дозволити електромагнітним хвилям різко переходити з хвилеводу у вільний простір, розширена секція забезпечує більш поступове перетворення. Це допомагає покращити узгодження імпедансу та спрямовує більшу частину електромагнітної енергії в контрольований промінь випромінювання.
Залежно від геометрії хвилеводу та напрямку розширення апертури, рупорні антени можуть бути сконструйовані в кількох формах, включаючисекторні роги, пірамідальні роги та конічні рогиВ оригінальній довідковій статті ці три конфігурації використовуються як основний вступ до структур рупорних антен.
1. Як працює рупорна антена?
Хвилевід утримує електромагнітну енергію всередині провідної структури. Коли спрямована хвиля досягає відкритого кінця, частина енергії випромінюється у вільний простір, а частина може відбиватися через перехід між імпедансами хвилеводу та вільного простору.
Рупорна антена зменшує різкість цього переходу, поступово збільшуючи поперечний переріз хвилеводу в напрямку апертури.
Коли електромагнітна хвиля поширюється через розширену ділянку, поле розширюється по більшій апертурі. Потім апертура випромінює у вільний простір і створює спрямований промінь.
Таким чином, спалах виконує дві важливі функції:
- Це забезпечує плавніший перехід між хвилеводом та вільним простором.
- Це збільшує ефективну випромінюючу апертуру, забезпечуючи кращу спрямованість та коефіцієнт посилення.
Важливо зазначити, що ріг робитьне повністю усувають відбиття або стоячі хвиліНатомість, відповідно розроблений рупор може зменшити відбиття та забезпечити хороше узгодження імпедансу, що зазвичай відображається у відносно низькому КСХН.
Рисунок 1. Типова рупорна антена з поступово розширюваною апертурою хвилеводу.
2. Робоча частота рупорних антен
Рупорні антени не мають одного універсального діапазону частот.
Їхня робоча частота значною мірою визначаєтьсярозміри хвилеводу, режим хвилеводу, геометрія апертури, структура живлення та цільова смуга пропускання.
Традиційні рупорні антени особливо поширені на мікрохвильових та міліметрових хвилях, оскільки розміри хвилеводів стають практичними зі зменшенням довжини хвилі. Однак спеціально розроблені широкосмугові рупорні структури також можуть працювати на нижчих частотах, тоді як прецизійні хвилеводні рупори можуть поширюватися на міліметрові та субтерагерцові діапазони.
Наприклад, конструкції рупорних антен можна знайти в діапазоні від сотень мегагерц до значно вище 100 ГГц. RF MISO наразі пропонує широкосмугові конфігурації рупорних антен, що працюють від300–750 МГц, а також конічні рупорні антени, що охоплюють220–325 ГГц, що ілюструє, наскільки широким може бути практичний діапазон частот цього сімейства антен.
3. Основні типи рупорних антен
3.1 Секторна рупорна антена
Секторний рупор утворюється, коли прямокутний хвилевід розширюється лише в одній площині.
Якщо хвилевід розширюється вЛітак E, структура називаєтьсяСекторний клаксон площини EЯкщо розширення відбувається вH-площина, це називаєтьсяH-площинний секторний ріг.
Оскільки розмір апертури збільшується лише в одній площині, формування променя більш виражене у відповідній площині.
3.2 Пірамідальна ріжкова антена
Пірамідальний рупор утворюється, коли прямокутний хвилевід розширюється як у напрямку E-площини, так і в напрямку H-площини.
Отримана структура нагадує усічену піраміду та забезпечує розширення апертури в обох вимірах.
Пірамідальні роги широко використовуються якстандартні рупорні антени з коефіцієнтом посилення та опорні антениоскільки їх посилення та діаграми випромінювання можна точно охарактеризувати.
Наприклад, RF MISO пропонує стандартні рупорні антени зі стандартним підсиленням для численних мікрохвильових та міліметрових хвильових діапазонів. Її сімейство стандартних рупорів зі підсиленням WR10 включає моделі, що працюють відвід 75 до 110 ГГц, із заданими характеристиками посилення, КСХН, поляризації та ширини променя.
3.3 Конічна рупорна антена
Конічний рупор зазвичай формується шляхом поступового розширення круглого хвилеводу до круглого отвору.
На відміну від пірамідального рупора, який походить від прямокутного хвилеводу, конічний рупор має обертально-симетричну геометрію.
Конічні рупорні антени зазвичай використовуються в мікрохвильовому, міліметровому діапазоні, для живлення та вимірювань. Залежно від структури живлення та поляризаційної мережі, вони також можуть підтримувати більш спеціалізовані конфігурації поляризації.
Рисунок 2. Типові конфігурації рупорних антен: секторна в площині E, секторна в площині H, пірамідальна та конічна рупорні антени.
4. Кут розкльошення, розмір діафрагми та довжина рупора
Геометрія рупора має прямий вплив на його електромагнітні характеристики.
Три важливі параметри дизайну:
кут розкльошення, розмір діафрагми та довжина рупора.
Більша апертура, як правило, може забезпечити вищу спрямованість та вужчий промінь, але просте збільшення кута розсіювання не призводить автоматично до кращої продуктивності.
Якщо рупор занадто короткий для заданого розміру апертури, може виникнути надмірна фазова варіація по всій апертурі. Це знижує ефективність апертури та може погіршити діаграму спрямованості.
І навпаки, надмірно довгий клаксон збільшує механічні розміри та вагу, не обов'язково забезпечуючи пропорційне покращення продуктивності.
Таким чином, конструкція клаксона передбачає балансування:
- Розмір діафрагми
- Кут розкльошення
- Довжина
- Фазова помилка
- Посилення
- Ширина променя
- Механічні розміри
5. Діаграма спрямованості та характеристики променя
Рупорні антени, як правило, є спрямованими випромінювачами.
Електромагнітна енергія концентрується переважно в прямому напрямку через отвір, створюючи чітко окреслений головний промінь разом з бічними пелюстками.
Два види діаграми спрямованості є особливо важливими:
- Діаграма випромінювання в площині E
- Діаграма спрямованості H-площини
Theширина променя 3 дБзазвичай використовується для опису кутової ширини головного променя між двома точками, де випромінювана потужність падає на 3 дБ нижче свого максимального значення.
Загалом, збільшення ефективної апертури відносно довжини хвилі збільшує спрямованість і, як правило, звужує промінь.
Цей зв'язок також можна спостерігати в практичних рупорних антенах міліметрового діапазону. Наприклад, стандартні рупорні антени RF MISO з підсиленням для діапазону 75–110 ГГц визначають характеристики ширини променя в площині E та H разом з даними про підсилення та КСХН.
Рисунок 3. Ілюстрація розширення електромагнітної хвилі та випромінювання через апертуру рупора.
6. Переваги рупорних антен
Рупорні антени пропонують кілька переваг для радіочастотних та мікрохвильових систем:
Хороша спрямованість
Збільшена апертура концентрує випромінювання в напрямку вперед.
Передбачувані характеристики випромінювання
Добре спроектовані рупорні антени можуть забезпечити стабільні та чітко визначені діаграми спрямованості в E-площині та H-площині.
Гарне узгодження імпедансу
Поступовий перехід від хвилеводу до вільного простору може зменшити відбиття та підтримувати низький КСХН.
Помірний або високий приріст
Різні розміри апертури та довжини рупора можуть бути розроблені для забезпечення різних рівнів посилення.
Відносно проста структура
Порівняно з багатьма складними архітектурами антен з високим коефіцієнтом посилення, звичайні рупорні антени є механічно простими та надійними.
Підходить для високочастотних вимірювань
Їхня хвилеводна архітектура робить рупорні антени особливо цінними в системах вимірювання мікрохвильового та міліметрового діапазонів.
7. Міркування та обмеження проектування
Рупорні антени також передбачають кілька інженерних компромісів.
Більший коефіцієнт посилення зазвичай вимагає більшої електричної апертури, що може збільшити фізичні розміри антени.
Співвідношення між розміром діафрагми, довжиною рупора та кутом розкльошення також необхідно ретельно контролювати, щоб підтримувати прийнятний розподіл фази по всій діафрагмі.
На дуже високих частотах точність обробки, якість поверхні, розміри хвилеводу та вирівнювання фланців стають дедалі важливішими, оскільки навіть відносно невеликі механічні похибки можуть становити значну частку довжини хвилі.
Тому інженерам потрібно оцінювати не лише коефіцієнт посилення та діапазон частот, але й:
КСХН, поляризація, характеристики крос-поляризації, ширина променя, рівень бічних пелюсток, радіочастотний інтерфейс, потужність та механічна допускність.
8. Застосування рупорних антен
Завдяки спрямованому випромінюванню, стабільним характеристикам та сумісності з хвилеводними системами, рупорні антени широко використовуються в:
- Вимірювання посилення антени
- Вимірювання діаграми спрямованості
- Випробування на електромагнітну сумісність (ЕМС) та електромагнітні перешкоди (ЕМП)
- Радіолокаційні системи
- Мікрохвильовий та міліметровий хвильовий зв'язок
- Тестування супутникових антен
- Пеленгація та спостереження
- Вимірювання в безлунній камері
- Живлення відбивача антени
- Системи радіочастотних досліджень та лабораторій
- Застосування калібрування та опорних антен
Конструкції широкосмугових рупорних антен також можуть забезпечити широку робочу смугу пропускання для систем вимірювання та моніторингу. Наприклад, широкосмугові рупорні антени RF MISO з діапазоном 18–40 ГГц призначені для таких застосувань, як випробування мікрохвильових хвиль, вимірювання антен, випробування супутникових антен, пеленгація, спостереження та вимірювання, пов'язані з електромагнітною сумісністю.
Висновок
Рупорна антена перетворює спрямовану електромагнітну хвилю на спрямоване випромінювання вільного простору через поступово розширювану апертуру хвилеводу.
Його поєднаннягарне узгодження імпедансу, спрямоване випромінювання, передбачувані характеристики променя, корисне підсилення та відносно проста конструкціязробив рупор однією з найважливіших антенних структур у мікрохвильовій та міліметровій хвильовій техніці.
Від секторних та пірамідальних рупорів до конічних та широкосмугових конструкцій, різні структури можуть бути оптимізовані для певних діапазонів частот, вимог до поляризації, рівнів посилення та середовищ вимірювання.
Для інженерів, які обирають рупорну антену, діапазон частот є лише відправною точкою. Коефіцієнт підсилення, КСХН, ширина променя, поляризація, інтерфейс хвилеводу або коаксіального сигналу, допустима потужність та механічні розміри слід оцінювати відповідно до вимог до всієї радіочастотної системи.
Час публікації: 21 серпня 2026 р.
