Апертурные антенны: рупорные антенны. Линзовые антенны: диэлектрическая линза, линзы Люнеберга, металлопластинчатые линзы с повышенной фазовой скоростью.

К апертурным относят антенны, у которых в соответствии с принципом эквивалентности, может быть выделена плоская поверхность раскрыва S, формирующая остронаправленное излучение. Наиболее распространены зеркальные (в частности, параболические), а также рупорные и линзовые апертурные антенны. КНД апертурных антенн связан с площадью раскрыва S и длиной волны l общей формулой:

,

где £1 – общий (результирующий) коэффициент использования поверхности (КИП), зависящий от вида амплитудно-фазового распределения возбуждения и других факторов. Ширина луча по уровню -3 дБ апертурной антенны в какой либо плоскости, перпендикулярной поверхности раскрыва обратно пропорциональна линейному размеру раскрыва L в этой плоскости:

,

где ³1- коэффициент расширения луча, зависящий от формы раскрыва и вида амплитудно-фазового распределения возбуждения.

На дециметровых и более коротких волнах широкое применение находят рупорные антенны и, в частности антенны в виде открытого конца прямоугольного или круглого волновода. Рассмотрим излучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода.

Распространяющаяся в волноводе основная волна Н₁₀ дойдя до его открытого конца частично излучается и частично отражается обратно к генератору. В месте перехода от волновода к открытому пространству т.е. в раскрыве, возникают волны высших типов, а также появляются поверхностные токи на наружных поверхностях стенок волновода. Для поля излучения прямоугольного волновода строго решения не найдено. В инженерных расчетах предполагают, что касательные составляющие поля в раскрыве волновода (а следовательно, и эквивалентные электрические и магнитные токи) представляют сумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний:

,

,

где r-коэффициент отражения от открытого конца волновода Z_C= .

В прямоугольном волноводе с соотношением сторон b/a = 0,45 коэффициент отражения составляет 0,3-0,2 и имеют фазу p/3-p/2. Причем первые цифры относятся к нижней рабочей частоте волновода, вторые к верхней. Дн открытого конца волновода в передней полусфере в плоскостях уОz (плоскость Е) и хОz (плоскость Н) с хорошей степенью точности определяется формулами:

,

.

Здесь а и b -внутренние размеры волновода,

– отношение длины волны в свободном пространстве к длине волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

Угол Q отсчитывается от оси z.

.

Н-секториальный рупоррасширяющийся в плоскости вектора Н. В рупоре возникает волна, подобная волне Н₁₀ в прямоугольном волноводе. Однако секториальный рупор отличается от волновода тем, что в нем фронт волны образует цилиндрическую поверхность, фазовая скорость является переменной величиной, зависящей от отношения а/l, поле на большом расстоянии от горловины рупора принимает вид чисто поперечной волны. Фазовая скорость приближенно определяется формулой

и вблизи раскрыва рупора приближаются к скорости света, что приводит к уменьшению отражения волны от излучающей поверхности раскрыва.

КНД рупорной антенны при фиксированной длине рупора имеет характерную зависимость от размера раскрыва а/l. Наличие максимума объясняется тем, что при увеличении угла раствора рупора, с одной стороны, увеличивается относительный размер раскрыва а/l, что ведет к сужению ДН, с другой согласно формуле

Ф₂=-(2p/l)МN»-pа²/(4lR)=-[pa/(2l)]tg(a_н/2) (1)

быстро увеличивается квадратичная фазовая ошибка |Ф₂|, ведущая к расширению ДН.

В результате действия двух этих факторов при определенном электрическом размере раскрыва имеет место максимальный КНД. Оказывается, что при любой длине рупора максимум КНД получается при квадратичной фазовой ошибке на краю рупора, равной 135°. Н-секториальный рупор, удовлетворяющий этому условию, принято называть оптимальным. Полный КИП оптимального Н-секториального рупора равен примерно 0,64 (0,81-апертурный КИП, обусловленный спадающим до 0 на краях раскрыва амплитудным распределением; 0,79 - КИП, обусловленный квадратичной фазовой ошибкой).

Е-секториальный рупор расширяется в плоскости вектора Е. Ширина ДН в плоскости Н
Е-секториального рупора такая же и как у открытого конца волновода, а в плоскости Е ширина луча с увеличением размера b уменьшается, если угол раствора a_Е взят достаточно малым.
В Е-секториальном рупоре амплитудное распределение поля в раскрыве приблизительно равномерное и квадратичная фазовая ошибка Ф₂»-pb²/(4lR) на краю раскрыва, соответствующая оптимальному рупору с наибольшим КНД составляет 90°.

Широко применяются пирамидальные рупоры с прямоугольным поперечным сечением они позволяют сужать ДН как в плоскости Н так и в плоскости Е. В пирамидальном рупоре образуется сферическая волна фазовая скорость которой является переменной и у открытого конца приближается к скорости света. Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно - рупор согласовывает волновод с открытым пространством. Фазовые искажения поля в раскрыве могут быть определены по формуле (1) в плоскости Н и по аналогичной формуле (при замене а на b) в плоскости Е.

Достоинствами рупорных антенн являются простота и неплохие диапазонные свойства. Все оптимальные и более длинные рупоры могут быть использованы во всей рабочей полосе частот питающего волновода. Самостоятельные рупорные антенны чаще всего применяются в измерительных установках например как эталонные антенны с известным коэффициентом усиления. Кроме того, рупоры широко используются для облучения зеркальных и линзовых антенн, а также в конструкциях антенн других типов, например импедансных.