Рупорная антенна для чего нужна
Рупорная антенна для чего нужна
Применение:
Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.
На радиотелескопе в Холмдейле, представляющем собой радиометр Дикке на основе рупорно-параболической антенны, Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение.
Характеристики и формулы:
Пирамидальная рупорная антенна:
Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H :
Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E : 
Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более Pi/2 ) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора): 
где 
и 
— высоты граней пирамиды, образующей рупор.
По другому источнику:
Для такой антенны КНД в упрощенном виде рассчитывается по формуле:
Табл. 1.2. Ширина диаграммы направленности рупора с оптимальной длиной.
Ширина диаграммы направленности в плоскости Н
Ширина диаграммы направленности в плоскости Е
Рупорная антенна
Содержание
Свойства
Применение
Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.
На радиотелескопе в Холмдейле, представляющем собой радиометр Дикке на основе рупорно-параболической антенны, Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон в 1965 году открыли реликтовое излучение.
Характеристики и формулы
Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:
, где 
— площадь раскрыва рупора, 
— КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к 
, и 0.8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.
Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:
Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:
Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более ) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):
, где 
и 
— высоты граней пирамиды, образующей рупор.
Типы рупорных антенн
Гофрированные рупора имеют более широкую полосу пропускания, меньший уровень боковых лепестков и кросс-поляризации. Они широко используются в качестве облучателей для спутниковых параболических антенн и радиотелескопов.
Рупорно-параболическая антенна
Настройка антенны
Настройка КСВ антенны производится в ее волноводной части или в КВП выбором положения и размеров запитки КВП. Настройка в волноводной части производится штырями или диафрагмами.
Ссылки
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Рупорная антенна» в других словарях:
РУПОРНАЯ АНТЕННА — антенна в виде отрезка радиоволновода, расширяющегося к открытому концу. Форма раскрыва рупора выбирается в соответствии с требуемой диаграммой направленности (рис.). Согласование Р. а. с открытым пр вом определяется размером раскрыва, формой и… … Физическая энциклопедия
рупорная антенна — Антенна в виде волновода с плавно расширяющимся поперечным сечением в сторону открытого конца. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины антенны … Справочник технического переводчика
РУПОРНАЯ АНТЕННА — состоит из металлического расширяющегося раструба (рупора) и подсоединенного к нему волновода. Используют для направленного излучения и приема радиоволн сверхвысоких частот диапазона, в основном в качестве облучателей, напр. зеркальных антенн … Большой Энциклопедический словарь
рупорная антенна — 3.9 рупорная антенна: Антенна, образованная расширением стенок волновода, питающего ее. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
рупорная антенна — состоит из металлического расширяющегося раструба (рупора) и подсоединённого к нему волновода. Используют для направленного излучения и приёма радиоволн СВЧ диапазона, в основном в качестве облучателей, например зеркальных антенн. * * * РУПОРНАЯ… … Энциклопедический словарь
рупорная антенна — ruporinė antena statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. horn aerial; horn antenna; horn type antenna vok. Hornantenne, f; Trichterantenne, f rus. рупорная антенна, f pranc. antenne à cornet, f … Fizikos terminų žodynas
Рупорная антенна — антенна, состоящая из металлического расширяющегося раструба (рупора) и подсоединённого к нему Радиоволновода. Р. а. применяют для направленного излучения и приёма радиоволн (См. Излучение и приём радиоволн) СВЧ диапазона в качестве… … Большая советская энциклопедия
Рупорная антенна — 1. Антенна в виде волновода с плавно расширяющимся поперечным сечением в сторону открытого конца Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 … Телекоммуникационный словарь
биконическая рупорная антенна — dvikūgė ruporinė antena statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. biconical horn antenna vok. Doppelkonushornantenne, f rus. биконическая рупорная антенна, f pranc. cornet double, m … Radioelektronikos terminų žodynas
Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн. Передающая А. преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование… … Большая советская энциклопедия
Рупорная антенна: краткое описание, устройство, свойства и использование
Рупорная антенна представляет собой конструкцию, состоящую из радиоволновода и металлического рупора. Они имеют широкую сферу применения, используются в устройствах измерительной техники и как самостоятельный прибор.
Что это
Антенна выглядит как раструб с прикрепленным к нему волноводом. Основным недостатком рупора считают его внушительные параметры. Для того чтобы привести такую антенну в рабочее состояние, она должна располагаться под определенным углом. Именно поэтому в длину рупор больше, чем в сечении. Если попытаться построить такую антенну с диаметром один метр, она бы в длину получилась в несколько раз больше. Чаще всего такие приборы используют в качестве зеркального облучателя или для обслуживания радиорелейных линий.
Особенности
По своим свойствам и техническими характеристикам рупорные приборы ничем не отличаются от установленных приемников в мобильных телефонах. Разница лишь в том, что у последних антенны компактные и скрыты внутри. Однако миниатюрные рупорные антенны могут повреждаться внутри мобильного устройства, поэтому корпус телефонов рекомендуется защищать при помощи чехла.
Существует несколько типов рупорных антенн:
Исследование рупорных антенн позволяет изучить их принцип действия, рассчитать диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны на определенной частоте.
Как работает
Где используется
Рупорная антенна используется как отдельный прибор и в качестве антенны для измерительных устройств, спутников и другой техники. Степень излучения зависит от раскрыва рупора антенны. Он определяется размерами его поверхностей. Используется этот прибор как облучатель. Если конструкцию устройства совмещают с отражателем, его называют рупорно-парабалическим. Агрегаты с усилением часто используют для проведения измерений. Применяют антенну как зеркальный или лучевой облучатель.
Настройки
Волноводы, рупоры и замедляющие системы
Приветствую, дорогие друзья. На связи Тимур Гаранин. Уже несколько раз меня просили осветить тему волноводов и их согласования, поэтому, я думаю, стоит сегодня это сделать.
Прежде всего вспомним, что такое волновод. Их бывает огромное множество, о них и о других типах резонаторов я рассказывал детальный в своём курсе «Антенны». Но самый популярный тип волноводов — это прямоугольные волноводы. Они выглядят как прямоугольный профиль, причём боковые стенки могут в некоторых случаях просто отсутствовать. Расстояние между верхней и нижней стенками равно половине длины волны колебаний. Сами стенки металлические, проводящие.
Также существует множество типов волн, которые могут распространяться в волноводах. Но самый популярный тип волны в прямоугольных волноводах — это волна h10. Такой тип волны подразумевает, что силовые линии расположены строго вертикально в полости волновода. В каждом сечении волновода на верхней и нижней стенках может располагаться только один максимум волны, а на боковых стенках ноль максимумов.
Обычно, волноводы излучают только в одну сторону, а другой конец волноводов наглухо закрыть крышкой.
Куда же в таком волноводе поставить антенну? Чтобы максимально хорошо согласовать антенну с волноводом, необходимо расположить антенну строго вертикально на одной из стенок волновода, на расстоянии четверть длины волны от закрытого конца, который можно считать отражателем. В таком случае отраженная от закрытого конца волновода волна будет совпадать по фазе с волной, излучаемой антенной. Антенну обычно делают в диэлектрическом корпусе и с металлическим колпачком. Это увеличивает погонную ёмкость антенны, что позволяет уменьшить габариты антенны, а также её нагрев.
Один из самых часто задаваемых вопросов это вопрос об отражении волны от открытого конца волновода. Почему это происходит и как это вообще возможно, отражение от открытого конца, и как это отражение минимизировать?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, прежде всего необходимо понять, что волновод — это антенна бегущей волны. Электрическое поле, распространяющееся в волноводе, существует не само по себе, а между верхней и нижней стенками волновода. По этим стенкам протекают высокочастотные токи, точно также, как они протекают в полотне любой другой антенны бегущей волны, например V-образной антенны. Но если в V-образной антенне ток в полотне постепенно переходит в электрическое поле между отрезками этой антенны, то в случае волновода этого не происходит. Высокочастотный ток на верхней и нижней стенках волновода доходит до конца полотна, и что он там встречает? Резкое увеличение волнового сопротивления, из-за которого волне в полотне легче отразится обратно, нежели резко и единомоментно превратиться в электрическое поле.
Для того, чтобы минимизировать отражение от открытого конца и обеспечить плавный переход высокочастотных токов в электрическое поле, то есть в излучение, применяют рупоры. Рупорная антенна — это расширяющийся волновод.
Какой должна быть рупорная антенна, как её рассчитывать? Я мог бы привести здесь 10 этажную формулу для расчёта зависимости параметров рупоров, но так как я адекватный человек и понимаю, что никто эту формулу не усвоит, я объясню простыми словами.
Рупорная антенна тем эффективнее, чем она длиннее и чем меньше угол раскрыва. За счёт большой длины рупора и за счёт маленького угла раскрыва достигается почти плоский фронт излучения, а значит острая диаграмма направленности, а также плавность перехода в электрическое поле и высокий КПД.
Но на практике очень невыгодно делать длинные рупоры, поэтому их делают конечной длины. Реальный рупор обычно весьма короткий и с большим углом раскрыва, из-за чего фронт излучения у него близок к сферическому, и диаграмма направленности получается не такая острая. Кроме того, высокочастотные токи не успевают полностью перейти в электрическое поле в таком коротком рупоре, из-за чего они затекают на внешнюю поверхность рупора и создают боковые лепестки.
В дополнение к этому, чем больше угол раскрыва, тем хуже согласование самого рупора с волноводом. Из-за чего волны в волноводе могут отражаться от начала рупора.
Как видим, реальные рупоры далеки от идеала. Однако, есть несколько способов повысить эффективность коротких рупоров.
Первый способ это применение линз и зеркал. Если пропускать сферическое излучение рупора через радиолинзу, либо направлять излучение на отражатель нужной кривизны, то можно выровнять фронт волны и сделать острую диаграмму направленности.
Второй способ — использовать гофрированные рупоры.
Во-первых, гофрированные рупоры имеют большую площадь поверхности, за счет чего высокочастотные токи лучше переходят в электрическое поле.
Во-вторых, гофрирование рупора препятствует затеканию высокочастотных токов на внешнюю поверхность рупора, что избавляет от боковых лепестков.
И в-третьих, гофрированный рупор представляет собой замедляющую структуру. То есть совокупность емкостей и индуктивностей. Точно также как в магнетроне.
Иногда, замедляющую структуру даже выносят за пределы рупора. Несмотря на свою компактность замедляющая структура способна очень заметно улучшить диаграмму направленности.
Обычно замедляющая структура выглядит как ребристая пластинка. С электродинамической точки зрения это последовательность колебательных контуров. Принцип тот же, что и в магнетроне, как я уже говорил. Выемки играют роль индуктивностей, а выступающие ребра — это емкости. Можно сказать, что силовые линии электрического поля цепляются за эти ребрышки, и идут вдоль замедляющей структуры. Если собственная частота колебаний элементов замедляющей структуры совпадает с частотой излучения, то замедляющая структура идеально согласованна и с антенной, и с волноводом, и с рупором. Ее применение в таком случае полностью оправдано и приводит к увеличению КПД системы и улучшению всех параметров.
Даже если использовать просто пластину без ребрышек, то есть резонансная частота элементов никак не соответствует частоте излучения, то всё равно силовые линии электрического поля будут замыкаться на такую пластину, и будут двигаться вдоль неё, что положительно повлияет на диаграмму направленности.
В некоторых средневолновых и длинноволновых антеннах в качестве замедляющей структуры используют поверхность Земли. Это позволяет передавать сигнал в определенном направлении на большое расстояние. Но лучше всего использовать конечно же согласованную по частоте ребристую поверхность.
Ну что ж, сегодня я завалил вас большим количеством информации. Давайте отметим самое главное:
1. Для согласования антенны с волноводом антенну необходимо размещать на расстоянии четверть длины волны от закрытого конца волновода
2. Во избежание отражения от открытого конца волновода необходимо применять рупоры
3. Идеальный рупор должен быть большой длины и с маленьким углом раскрыва. Но в реальных условиях вам придется сокращать длину рупора, и увеличивать его угол раскрыва
4. Улучшить диаграмму направленности и КПД всей системы можно, применяя радиолинзы, зеркала, гофрированные рупоры и замедляющие структуры
Надеюсь, я ответил на большинство заданных мне вопросов по поводу волноводов и рупоров. Много полезной информации вы найдете в видеокурсе «Антенны», ссылки в описании. А в комментариях пишите, какие ещё вопросы вы хотите разобрать, и о чём ещё хотите услышать.
Промышленные радарные датчики СВЧ излучения. Антенны: рупорная и параболическая
Антенна является проводником, служащим для излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство или сбора электромагнитной энергии из окружающего пространства. Существует множество различных типов антенн, используемых в технике, но здесь мы уделим внимание только тем антеннам, которые выполняют работу по передаче и приему сигналов в радарных устройствах измерения и контроля, предназначенных для автоматизации технологических процессов.
Рассматриваемые здесь особенности относятся к промышленным радарам или радарным уровнемерам, использующим частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 10, 24, 45, 75 ГГц и частотную модуляцию (ЧМ) непрерывных волн.
Промышленные радарные дальномеры СВЧ-ЧМ малой мощности отличаются сравнительно небольшой дальностью обнаружения, тем не менее, вполне покрывающей потребности многих задач обнаружения, определения расстояния до объекта и измерения уровня. Формирование выходных сигналов, пропорциональных измеренному расстоянию в радарах СВЧ-ЧМ, производится на основании аппаратного спектрального анализа смеси несущей, переданной и отраженной волн по алгоритму быстрого преобразования Фурье (ППФ). Точность варьируется в пределах от 1 до 5см, в зависимости от частоты и диапазона дальномера. Известно, что диапазон обнаружения имеет зависимость от частоты и, в силу более быстрого затухания более высоких частот, он тем дальше, чем меньше рабочая частота при равной мощности излучения.
Максимальный диапазон в каждой модельной серии радарных дальномеров может быть достигнут благодаря применению антенны, которая направляет и усиливает электромагнитные волны.
Существует два типа СВЧ антенн:
Выбор того или иного типа зависит от задачи обнаружения, контроля, измерения.
Рисунок 1. Дальномер WADECO с рупорной антенной.
Рисунок 2. Дальномер WADECO с параболической антенной.
Рупорная антенна
Рупорная антенна – несложное устройство, это попросту расширяющийся волновод (Рис. 3), который может усиливать и направлять СВЧ излучение.
Обычный параллельный волновод сам по себе является неэффективным излучателем, – на выходе происходит обрыв изменения импеданса от импеданса волны до импеданса окружающего пространства. Когда радиоволны, идущие по волноводу, сталкиваются с открытым выходом, значительная часть энергии радиоволн отражается назад, в сторону источника, из-за чего часть мощности излучения гасится. Отраженные волны образуют в волноводе стоячие волны, повышая их коэффициент, что ведет к потере энергии и, возможно, нагреву передатчика. Кроме этого, из-за малого раскрытия волновода (менее одной длины волны), имеет место значительная дифракция, в следствии чего получаем широко распространенное, но не направленное излучение.
Путем расширения волновода в форме раструба удается в большой степени улучшить его характеристики, добиться усиления и направленности излучения. Продолжением круглых волноводов, используемых промышленными дальномерами, является конусообразный рупор.
Рисунок 3. Дальномер WADECO с круглым волноводом и конусообразной рупорной антенной.
Усиление зависит от важных геометрических параметров антенны:
Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:
,
Параболическая антенна
Параболическая антенна, иначе называемая «параболическим отражателем» является наиболее распространенной среди всех СВЧ антенн. Данный тип антенны происходит из оптики, что вполне объяснимо, т.к микроволны находятся в переходной области между обычными радиоволнами и видимым инфракрасным излучением. Параболический отражатель, как таковой, не является излучателем. Он отражает волны, посылаемые в его направление так называемым облучателем, расположенном на определенном фокусном расстоянии. Благодаря форме параболы, отраженные волны сходятся в параллельный луч, что обеспечивает их узкую направленность. Чем больше отражатель по отношению к длине волны, тем уже луч. Параболические антенны, среди прочих, отличаются наилучшим усилением и наибольшим коэффициентом направленности.
Рисунок 4. Дальномер WADECO с круглым волноводом и параболической антенной.
Усиление параболической антенны может быть рассчитано по формуле:
,
A – площадь раскрыва антенны, которым является зев параболического рефлектора,
d – диаметр параболического рефлектора,
Можно видеть, что, чем больше площадь раскрытия, сопоставимая с длиной волны, тем выше усиление.
Диаграмма направленности антенн
Рисунок 5. Типовая диаграмма направленности антенны (ДНА).
Антенны предназначены для формирования направленности и посыла максимальной мощности в направлении распространения СВЧ излучения. Практически, сфокусировать всю энергию в одном направлении невозможно, часть ее растекается в стороны и порождает так называемые боковые лепестки направленности относительно главного лепестка, расположенного в центре диаграммы. Боковые лепестки имеют меньшую амплитуду. Целью направленной антенны является повышение мощности главного лепестка за счет снижения мощности боковых лепестков направленности.
Ширина луча, характеризующая антенну определяется шириной главного лепестка ДНА по уровню половинной мощности (что на 2дБ ниже максимального усиления вдоль главной оси ДНА). Чем выше усиление антенны, тем уже луч ДНА.
Ширина луча антенны обычно сужается при увеличении размеров рефлектора. Ширина луча обычно выражается через угол расхождения.
Диаграмма направленности рупорной антенны характеризуется более широким углом расхождения и меньшим усилением по сравнению с параболической антенной, поэтому рупорные антенны применяются там, где требуется распространить СВЧ излучение на большую площадь, а параболические антенны применяются там, где требуется направленность «точка в точку» на большем расстоянии.
Рисунок 6. Модель параболической антенны и ДНА, выполненные в программе-симуляторе.
Рисунок 7. Модель рупорной антенны и ДНА, выполненные в программе-симуляторе.
Область применения
СВЧ технологии используются для бесконтактного обнаружения и контроля положения объектов, измерения расстояния и уровня в очень тяжелых условиях эксплуатации, связанных с высокой температурой, образованием дыма, пара, распространением пыли и грязи.
Принципы обнаружения и измерения СВЧ устройств основываются на отражении радиоволн, обусловленном резким изменением макроскопических параметров среды, характеризующих распространение радиоволн: диэлектрической и магнитной проницаемости. Упомянутые выше условия, ухудшающие оптические свойства среды и препятствующие распространению светового излучения, не влияют на распространение радиоволн. В основном же радиоволны и оптические волны подчиняются одним законам. При столкновении радиоволн с гладкой поверхностью имеет место «зеркальное» отражение, которое описывается формулами Френеля, при столкновении с шероховатой поверхностью происходит диффузное отражение.
Выбор антенны рупорного или параболического типа основывается на сопоставлении ДНА с параметрами задачи (т.к. дальность, размеры пространства, измеряемая поверхность), требованиями по монтажу с учетом температуры измеряемой среды.
Рисунок 8 иллюстрирует пример применения дальномера с рупорной антенной на доменной печи. Данный выбор объясняется конструктивной простотой самого рупора и неприхотливостью, учитывая то, что антенна размещается внутри доменной печи, а также, большим пятном проекции СВЧ излучения на измеряемую поверхность, позволяющим, при неравномерности поверхности получить информацию о максимальном уровне. Благодаря волноводу, измерительный прибор может быть отнесен от зоны с высокой температурой, в котором располагается антенна.
Нередко выбор рупорной антенны связан с ее целостностью и надежностью, когда существует угроза механических повреждений сыплющимися материалами.
Длинный волновод позволяет отнести измерительный прибор от антенны на безопасное расстояние.
Благодаря лучшей направленности и усилению параболическая антенна пользуется предпочтением, если процесс допускает наружное измерение и нет угрозы механических повреждений.
Рисунок 9. Измерение уровня чугуна в чугуновозе миксерного типа с помощью дальномера с параболической антенной.
| Техотдел компании РусАвтоматизация Дата публикации статьи: 2014-08-25 | |||||
 | Хотите сохранить эту статью? Скачайте её в формате PDF |  | Остались вопросы? Обсудите эту статью на нашей странице В Контакте |  | Хочешь читать статьи первым, подписывайся на наш канал в Яндекс.Дзен |
Рекомендуем прочитать также:
Руководство по выбору расходомера. Часть 1.
Руководство по выбору расходомера. Часть 2.
Руководство по выбору расходомера. Часть 3.