Рупорна антена — це апертурна антена, яка використовує розширений хвилевід для випромінювання електромагнітної енергії у вільний простір або збору вхідної енергії з визначеного напрямку. Її проста структура, передбачувана діаграма спрямованості, відносно висока спрямованість та здатність працювати в корисних мікрохвильових та міліметрових хвилях роблять її поширеним вибором для вимірювання антен, радарів, супутникового зв'язку, тестування електромагнітної сумісності, відбивачів та дослідницьких систем.
У цьому посібнику пояснюється, як працюють рупорні антени, основні типи рупорних антен, важливі параметри продуктивності, їхні переваги та обмеження, а також як вибрати відповідну конструкцію для конкретного радіочастотного застосування.
Що таке рупорна антена?
Рупорна антена формується шляхом поступового розширення кінця хвилеводу. Хвилевід несе спрямовану електромагнітну моду, тоді як розширена секція забезпечує перехід від меншого поперечного перерізу хвилеводу до більшої випромінювальної апертури. На апертурі електромагнітне поле вводиться у вільний простір і формує спрямований промінь.
Розкльошення може бути прямокутним, пірамідальним, конічним, ребристим, гофрованим або поєднаним з лінзою чи поляризаційною сіткою. Кожна геометрія змінює робочу смугу пропускання антени, коефіцієнт підсилення, ширину променя, поведінку поляризації, розподіл фаз, рівень бічних пелюсток та механічний розмір.
Рупорна антена є пасивною. Вона не створює радіочастотної потужності та не підсилює сигнал. Її видиме посилення досягається завдяки концентрації випромінюваної енергії у вужчій кутовій області порівняно з ізотропним випромінювачем. Така ж спрямована поведінка також покращує прийом з цільового напрямку.
Як працює рупорна антена?
Роботу рупорної антени можна зрозуміти за чотирма етапами:
- Енергія надходить через корм.Прямокутний або круглий хвилевід, перехід коаксіального кабелю в хвилевід або інший радіочастотний інтерфейс збуджує необхідний режим поширення.
- Хвилевід поступово розширюється.Розширена ділянка збільшує площу поперечного перерізу та зменшує різкий перехід, який би стався у хвилеводі з відкритим кінцем.
- Поле поширюється по всій апертурі.Геометрія рупора контролює розподіл амплітуди та фази по апертурі. Розмір апертури та однорідність поля сильно впливають на коефіцієнт посилення, ширину променя, бічні пелюстки та крос-поляризацію.
- Апертура випромінює світло у вільний простір.Поля на діафрагмі об'єднуються, утворюючи спрямовану діаграму спрямованості далекого поля. Більша електрична апертура зазвичай забезпечує вищу спрямованість і вужчий промінь, за умови контролю фазової помилки та втрат.
Розширювач не повністю усуває відбиття або невідповідність імпедансу. Натомість, правильно спроектований розширювач забезпечує більш поступовий перехід, допомагаючи досягти прийнятного КСХН та ефективності випромінювання в усьому запланованому діапазоні. Кінцеві характеристики залежать від режиму подачі, кута розширювача, довжини рупора, розмірів апертури, точності виготовлення та будь-яких ребер, гофрів, лінз або поляризаційних структур, що використовуються в конструкції.
Параметри продуктивності антени Key Run
Робочий діапазон частот
Використовуваний діапазон частот має бути сумісний з хвилеводом або роз'ємом живлення та з геометрією рупора. Характеристики слід перевіряти по всій необхідній смузі, а не лише на центральній частоті. Для рупора з хвилеводним живленням особливо важливі обрана смуга хвилеводу та фланець.
Коефіцієнт посилення та розмір діафрагми
Коефіцієнт підсилення описує, наскільки сильно антена концентрує енергію в певному напрямку, включаючи вплив ефективності антени. Більший коефіцієнт підсилення зазвичай вимагає більшої електричної апертури. На нижчих частотах для досягнення того ж коефіцієнта підсилення зазвичай потрібен фізично більший рупор.
Ширина променя та діаграма випромінювання
Половинова ширина променя вказує на кутову ширину основного променя. Рупор з вищим коефіцієнтом посилення зазвичай має вужчий промінь. Інженерам також слід переглянути рівні бічних пелюсток, поведінку спереду назад та діаграми спрямованості в площині E та площині H, оскільки два рупори з подібним коефіцієнтом посилення можуть мати різне покриття та характеристики бічних пелюсток.
КСХН та втрати на відбиття
КСХН та втрати на відбиття вказують на те, наскільки добре вхід антени узгоджений з радіочастотною системою. Погане узгодження збільшує відбиту потужність і може зменшити потужність, що подається на антену. Прийнятна межа залежить від передавача, приймача, втрат у кабелі, вимог до калібрування та запасу системи.
Поляризація та крос-поляризація
Рупорні антени можуть підтримувати лінійну, подвійну лінійну, кругову або подвійну кругову поляризацію, якщо вони спроектовані з відповідною структурою живлення та поляризації. Необхідна поляризація повинна відповідати системі. Коли важлива чистота поляризації, слід оцінювати крос-поляризацію, осьове співвідношення для кругової поляризації та ізоляцію портів для конструкцій з подвійною поляризацією.
Потужність та радіочастотний інтерфейс
Рупори з хвилеводним живленням часто вибираються для потужних мікрохвильових систем, але фактична потужність залежить від повного збірки, включаючи хвилевід, переходи, роз'єми, тиск, матеріал та робоче середовище. Фланець або коаксіальний роз'єм повинні механічно та електрично відповідати решті радіочастотного ланцюга.
Поширені типи рупорних антен
Пірамідальна ріжкова антена
Пірамідальний рупор розширюється як у площині E, так і в площині H прямокутного хвилеводу. Це одна з найпоширеніших геометрій рупорів, яка поширена в антенних вимірюваннях, системах опорного підсилення зі стандартним підсиленням, радіолокаційних системах та відбивальних живильниках.
Секторна рупорна антена
Секторний рупор розширюється лише в одній площині. Секторний рупор площини E розширюється в площині E, тоді як секторний рупор площини H розширюється в площині H. Ці конструкції корисні, коли потрібна різна ширина променя в двох головних площинах або коли механічні обмеження сприяють розширенню в одній площині.
Конічна рупорна антена
Конічний рупор зазвичай живиться круглим хвилеводом і має круглу апертуру. Він може підтримувати вимоги до обертально-симетричного променя та може бути налаштований для лінійної або кругової поляризації, залежно від джерела живлення та режиму збудження.
Гофрована рогова антена
Гофрування використовується для керування поверхневими струмами та полями апертури. Добре спроектований гофрований рупор може забезпечити симетричний промінь, низькі бічні пелюстки та низьку крос-поляризацію, що робить його привабливим для прецизійних каналів, систем супутникового зв'язку, радіоастрономії та вимірювальних застосувань.
Двохреброва широкосмугова рупорна антена
Гребені змінюють розподіл хвилеводного поля та знижують ефективну граничну частоту, що дозволяє розширити робочу смугу пропускання, ніж багато звичайних одномодових рупорів. Двохреброві широкосмугові рупори широко використовуються в тестуванні електромагнітної сумісності, спостереженні, широкосмугових вимірюваннях та лабораторних системах. Їх коефіцієнт підсилення, діаграму спрямованості та КСХН все ще слід переглядати по всьому діапазону, оскільки широкосмугові характеристики за замовчуванням не є однорідними.
Рупорна антена з подвійною та циркулярною поляризацією
Двополяризовані рупори використовують окремі порти або ортомодну структуру для підтримки двох ортогональних поляризацій. Циркулярно поляризовані рупори містять поляризатор або відповідну модальну структуру для створення правої або лівосторонньої кругової поляризації. Основні характеристики включають ізоляцію портів, крос-поляризацію та осьове співвідношення.
Антена з лінзовим рогом
Лінзовий рупор розміщує електромагнітну лінзу перед апертурою рупора для формування фазового фронту. Залежно від конструкції, лінза може збільшити спрямованість, зменшити фізичну довжину, необхідну для цільової апертури, або створити сфокусоване поле для вимірювання матеріалів та застосувань ближнього поля.
Переваги та обмеження рупорних антен
Переваги
- Спрямоване випромінювання з передбачуваними діаграмами спрямованості в E-площині та H-площині
- Корисне посилення в діапазонах частот мікрохвильового та міліметрового хвиль
- Хороша ефективність випромінювання за умови контролю втрат у провідниках та переходах
- Робоча смуга пропускання від середньої до широкої, залежно від конструкції рупора та об'єму
- Висока потужність у відповідних конфігураціях з хвилеводним живленням
- Механічна простота та повторюваність продуктивності
- Доступність лінійної, двополяризаційної та циркулярнополяризаційної конфігурацій
Обмеження
- Фізичний розмір збільшується зі зменшенням частоти або збільшенням необхідного коефіцієнта посилення
- Дуже високий коефіцієнт посилення може вимагати великої діафрагми або додаткової лінзи чи рефлектора.
- Фазова похибка апертури може обмежувати посилення та впливати на характеристики бічних пелюсток
- Моделі широкосмугового зв'язку можуть демонструвати значні зміни в коефіцієнті посилення та ширині променя по всьому діапазону.
- Вимоги до точної поляризації та низького рівня бічних пелюсток можуть збільшити складність проектування та виробництва.
Застосування рупорних антен
Вимірювання та калібрування антени
Рупори зі стандартним підсиленням, що характеризуються характеристиками, часто використовуються як опорні антени для вимірювань коефіцієнта підсилення, діаграми спрямованості, поляризації та дальності антени. Їхня стабільна геометрія та добре вивчена поведінка корисні для повторюваних лабораторних та метрологічних робіт.
Випробування на електромагнітну сумісність (ЕМС) та електромагнітні перешкоди (ЕМП)
Широкосмугові рупори використовуються для вимірювань випромінювання та випробувань на стійкість до випромінювання в діапазонах мікрохвильових частот. Інженери-випробувачі вибирають антену відповідно до необхідного діапазону, напруженості поля, рівня потужності, зміни коефіцієнта посилення та даних калібрування.
Радар та дистанційне зондування
Рупорні антени можуть служити як окремі спрямовані антени або як джерела живлення для відбивачів у радарах, системах обробки зображень, дистанційного зондування та системах характеристики матеріалів. Форма променя, чистота поляризації та керування бічними пелюстками можуть бути критично важливими в цих застосуваннях.
Супутниковий та прямоточний зв'язок
Рупорні антени використовуються як живильні та спрямовані антени в мікрохвильових та міліметрових хвилях. Залежно від системи, інженери можуть надавати пріоритет коефіцієнту посилення, симетрії променя, круговій поляризації, низькій крос-поляризації або захисту навколишнього середовища.
Живлення відбивача та лінз
Рупор може освітлювати параболічний відбивач або діелектричну лінзу. Вибір діаграми спрямованості впливає на освітлення апертури, перетікання, ефективність, бічні пелюстки та загальну діаграму спрямованості комбінованої антенної системи.
Як вибрати рупорну антену
Почніть з повних системних вимог, а не вибирайте лише за коефіцієнтом посилення:
- Визначте робочий діапазон.Підтвердіть мінімальну та максимальну частоти, а також чи потрібна безперервна чи точкова робота.
- Встановіть цільове посилення та покриття.Порівняйте коефіцієнт посилення разом із шириною променя в площинах E та H по всій смузі.
- Виберіть поляризацію.За потреби оберіть лінійну, подвійну лінійну, правосторонню кругову, лівосторонню кругову або подвійну кругову поляризацію.
- Перевірте якість візерунка.Перевірте бічні пелюстки, крос-поляризацію, осьове співвідношення, продуктивність від передньої до задньої частини та ізоляцію портів, де це можливо.
- Перевірте відповідність та інтерфейс.Підтвердьте КСХН або втрати на відбиття, розмір хвилеводу, стандарт фланця, тип роз'єму та механічне кріплення.
- Враховуйте потужність та навколишнє середовище.Враховуйте потужність передавача, робочий цикл, температуру, захист від негоди, потреби обтічника радіатора та умови встановлення.
- Використовуйте виміряні дані, де це необхідно.Для калібрування, перевірки відповідності та прецизійних систем використовуйте специфікацію моделі та виміряні дані калібрування, а не покладайтеся на номінальний опис сімейства.
Для практичного порівняння факторів відбору див.Керівництво з вибору рупорної антени MISO RFВи також можете переглянути повнийДіапазон радіочастотної MISO рупорної антени.
Часті запитання
Чи підсилює рупорна антена сигнал?
Ні. Рупорна антена – це пасивний пристрій. Її коефіцієнт посилення зумовлений спрямуванням переданої або прийнятої енергії, а не електронним підсиленням.
Чи всі рупорні антени є широкосмуговими?
Ні. Багато рупорних антен пропонують корисну смугу пропускання, але фактична дальність залежить від живлення, хвилеводних мод, геометрії розкльошення, структури узгодження та поляризаційної мережі. Двохреброві рупорні антени спеціально розроблені для ширших смуг пропускання.
Від чого залежить коефіцієнт посилення рупорної антени?
На коефіцієнт підсилення впливають розмір електричної апертури, ефективність апертури, розподіл фази та амплітуди, втрати в провіднику та частота. Більша електрична апертура зазвичай забезпечує вищу спрямованість, але для перетворення розміру апертури в корисне підсилення потрібен хороший контроль поля.
Яка різниця між рупором зі стандартним коефіцієнтом посилення та широкосмуговим рупором?
Рупор зі стандартним підсиленням розроблений для забезпечення передбачуваного, добре охарактеризованого підсилення у своєму заданому діапазоні та часто використовується як опорний сигнал для вимірювання. Широкосмуговий рупор надає пріоритет роботі в ширшому діапазоні частот, причому коефіцієнт підсилення та ширина променя можуть суттєво змінюватися в цьому діапазоні.
Робота з RF MISO
RF MISO постачає стандартні та індивідуальні рупорні антени для мікрохвильового та міліметрового діапазонів, включаючи пірамідальні, конічні, широкосмугові, гофровані, з подвійною поляризацією, циркулярною поляризацією та лінзові конструкції рупорів. Вибір завжди повинен базуватися на специфічних для моделі діапазоні частот, посиленні, діаграмі спрямованості, поляризації, КСХН, інтерфейсі та вимогах до навколишнього середовища.
Ознайомтеся з нашимивироби з рупорної антени or зв'яжіться з РФ MISOщоб обговорити вашу заявку та технічні вимоги.
Список літератури та додаткова література
Час публікації: 28 березня 2024 р.
