Рупорните антени са сред най-широко използваните насочени антени в микровълновата и милиметровата вълнова техника. Тяхната проста механична структура, предвидими характеристики на излъчване, относително ниско отражение и способността им да постигат умерено до високо усилване ги правят ценни при измерване на антени, EMC тестове, радари, комуникационни системи, захранващи системи и радиочестотни лаборатории.
Рупорната антена може по същество да се разглежда катовълновод с постепенно разширяваща се апертураВместо да позволява на електромагнитните вълни да претърпят рязък преход от вълновода към свободно пространство, разширената секция осигурява по-плавна трансформация. Това спомага за подобряване на импедансното съгласуване и насочва по-голяма част от електромагнитната енергия към контролиран лъч радиация.
В зависимост от геометрията на вълновода и посоката, в която се разширява апертурата, рупорните антени могат да бъдат проектирани в няколко форми, включителносекторни рога, пирамидални рога и конични рогаОригиналната референтна статия използва тези три конфигурации като основно въведение в структурите на рупорните антени.
1. Как работи рупорната антена?
Вълноводът ограничава електромагнитната енергия в проводяща структура. Когато насочената вълна достигне отворен край, част от енергията се излъчва в свободното пространство, докато друга част може да се отрази поради прехода между импедансите на вълновода и свободното пространство.
Рупорна антена намалява рязкостта на този преход, като постепенно увеличава напречното сечение на вълновода към отвора.
Докато електромагнитната вълна се разпространява през разширената секция, полето се разширява върху по-голям отвор. След това отворът се излъчва в свободното пространство и създава насочен лъч.
Следователно, факелът служи за две важни цели:
- Това осигурява по-плавен преход между вълновода и свободното пространство.
- Това увеличава ефективната излъчваща апертура, позволявайки по-голяма насоченост и усилване.
Важно е да се отбележи, че рогът правине елиминират напълно отраженията или стоящите вълниВместо това, подходящо проектиран рупор може да намали отражението и да осигури добро импедансно съгласуване, което обикновено се отразява в относително ниско VSWR.
Фигура 1. Типична рупорна антена с постепенно разширяваща се апертура на вълновода.
2. Работна честота на рупорните антени
Рупорните антени нямат един универсален честотен диапазон.
Работната им честота до голяма степен се определя отразмери на вълновода, режим на вълновода, геометрия на апертурата, структура на захранването и предвидена честотна лента.
Традиционните рупорни антени са особено разпространени в микровълнови и милиметрови вълнови честоти, тъй като размерите на вълновода стават практични с намаляването на дължината на вълната. Специално проектираните широколентови рупорни структури обаче могат да работят и при по-ниски честоти, докато прецизните вълноводни рупори могат да се простират добре в милиметровите и суб-терагерцовите диапазони.
Например, конструкциите на рупорни антени могат да бъдат намерени от диапазона от стотици мегахерци до доста над 100 GHz. RF MISO в момента предлага широколентови рупорни конфигурации, работещи от300–750 MHz, както и конични рупорни антени, покриващи220–325 GHz, илюстрирайки колко широк може да бъде практическият честотен обхват на това семейство антени.
3. Основни видове рупорни антени
3.1 Секторна рупорна антена
Секторен рупор се получава, когато правоъгълен вълновод се разшири само в една равнина.
Ако вълноводът се разшири вЕ-равнина, структурата се наричаСекторен клаксон в E-равнинаАко разширението се случи вH-равнина, това се наричаH-равнинен секторен клаксон.
Тъй като размерът на апертурата се увеличава само в една равнина, оформянето на лъча е по-изразено в съответната равнина.
3.2 Пирамидална антена с рог
Пирамидален рупор се образува, когато правоъгълен вълновод се разшири както в посока E-равнина, така и в посока H-равнина.
Получената структура наподобява пресечена пирамида и осигурява разширение на апертурата и в двете измерения.
Пирамидалните рога се използват широко катостандартни рогове за усилване и референтни антенизащото техните коефициенти на усилване и диаграми на излъчване могат да бъдат точно характеризирани.
RF MISO, например, предлага стандартни рупорни антени с усилване в множество микровълнови и милиметрови вълнови диапазони. Нейното семейство стандартни рупорни антени WR10 включва модели, работещи от75 до 110 GHz, с определени характеристики на усилване, VSWR, поляризация и ширина на лъча.
3.3 Конична антена с рог
Коничен рупор обикновено се образува чрез постепенно разширяване на кръгъл вълновод към кръгъл отвор.
За разлика от пирамидалния рупор, който произхожда от правоъгълен вълновод, коничният рупор има ротационно симетрична геометрия.
Коничните рупорни антени се използват често в микровълнови, милиметрови вълни, захранващи и измервателни приложения. В зависимост от структурата на захранването и поляризационната мрежа, те могат да поддържат и по-специализирани конфигурации на поляризация.
Фигура 2. Типични конфигурации на рупорни антени: секторни в E-равнина, секторни в H-равнина, пирамидални и конични рупорни антени.
4. Ъгъл на разпръскване, размер на блендата и дължина на рога
Геометрията на клаксона има пряко влияние върху неговите електромагнитни характеристики.
Три важни параметъра на дизайна са:
ъгъл на разпръскване, размер на блендата и дължина на рога.
По-голямата апертура обикновено може да осигури по-висока насоченост и по-тесен лъч, но простото увеличаване на ъгъла на разпръскване не води автоматично до по-добра производителност.
Ако рупорът е твърде къс за даден размер на апертурата, може да се появи прекомерна фазова вариация по апертурата. Това намалява ефективността на апертурата и може да влоши диаграмата на излъчване.
Обратно, прекомерно дългият клаксон увеличава механичните размери и тегло, без непременно да осигурява пропорционално подобрение в производителността.
Следователно дизайнът на клаксона включва балансиране:
- Размер на блендата
- Ъгъл на разширяване
- Дължина
- Фазова грешка
- Печалба
- Ширина на лъча
- Механични размери
5. Диаграма на излъчване и характеристики на лъча
Рупорните антени обикновено са насочени радиатори.
Електромагнитната енергия се концентрира предимно в посока напред през отвора, създавайки ясно дефиниран основен лъч заедно със странични лобове.
Два вида разрези на диаграмата на излъчване са особено важни:
- Диаграма на излъчване в E-равнината
- H-равнинна диаграма на излъчване
The3 dB ширина на лъчаобикновено се използва за описание на ъгловата ширина на основния лъч между двете точки, където излъчената мощност пада с 3 dB под максималната си стойност.
Като цяло, увеличаването на ефективната апертура спрямо дължината на вълната увеличава насочеността и води до стесняване на лъча.
Тази връзка може да се наблюдава и при практически милиметрови вълнови рупорни антени. Например, стандартните рупорни антени за усилване на RF MISO в диапазона 75–110 GHz определят характеристиките на ширината на лъча в E-равнината и H-равнината, заедно с данни за усилване и VSWR.
Фигура 3. Илюстрация на разширяване и излъчване на електромагнитни вълни през отвор на рупора.
6. Предимства на рупорните антени
Рупорните антени предлагат няколко предимства за радиочестотни и микровълнови системи:
Добра насоченост
Уголемената бленда концентрира лъчението в посока напред.
Предсказуеми радиационни характеристики
Добре проектираните рупорни антени могат да осигурят стабилни и добре дефинирани диаграми на насоченост в E-равнина и H-равнина.
Добро импедансно съвпадение
Постепенният преход от вълновод към свободно пространство може да намали отражението и да поддържа ниско VSWR.
Умерено до високо усилване
Различните размери на апертурата и дължините на рупора могат да бъдат проектирани да осигурят различни нива на усилване.
Сравнително проста структура
В сравнение с много сложни архитектури на антени с висок коефициент на усилване, конвенционалните рогове са механично прости и здрави.
Подходящ за високочестотни измервания
Тяхната архитектура, базирана на вълноводи, прави рупорните антени особено ценни в микровълнови и милиметрови вълнови измервателни системи.
7. Съображения и ограничения при проектирането
Рупорните антени също така включват няколко инженерни компромиса.
По-високото усилване обикновено изисква по-голяма електрическа апертура, което може да увеличи физическите размери на антената.
Връзката между размера на блендата, дължината на рупора и ъгъла на разпръскване също трябва да бъде внимателно контролирана, за да се поддържа приемливо фазово разпределение по блендата.
При много високи честоти, точността на обработка, качеството на повърхността, размерите на вълновода и подравняването на фланците стават все по-важни, тъй като дори относително малки механични грешки могат да представляват значителна част от дължината на вълната.
Следователно инженерите трябва да оценят не само усилването и честотния диапазон, но и:
КСВ, поляризация, характеристики на кръстосана поляризация, ширина на лъча, ниво на страничния лоб, радиочестотен интерфейс, обработка на мощност и механична толеранс.
8. Приложения на рупорни антени
Поради насоченото им излъчване, стабилните им характеристики и съвместимостта с вълноводни системи, рупорните антени се използват широко в:
- Измерване на усилването на антената
- Измерване на радиационната диаграма
- Тестване за електромагнитна съвместимост (ЕМС) и електромагнитни смущения (ЕМП)
- Радарни системи
- Микровълнова и милиметрова вълнова комуникация
- Тестване на сателитни антени
- Намиране на посока и наблюдение
- Измерване в безехова камера
- Захранвания за рефлекторна антена
- Радиочестотни изследователски и лабораторни системи
- Приложения за калибриране и референтна антена
Конструкциите на широколентови рупорни антени могат да осигурят и широка работна честотна лента за системи за измерване и мониторинг. Например, широколентовите рупорни антени RF MISO с честота 18–40 GHz са предназначени за приложения, включително тестване на микровълни, измерване на антени, тестване на сателитни антени, определяне на посоката, наблюдение и измервания, свързани с електромагнитната съвместимост.
Заключение
Рупорна антена трансформира насочена електромагнитна вълна в насочено излъчване в свободно пространство чрез постепенно разширяваща се апертура на вълновода.
Неговата комбинация отдобро импедансно съвпадение, насочено излъчване, предвидими характеристики на лъча, полезно усилване и относително проста конструкцияпревърна рогa в една от най-важните антенни структури в микровълновата и милиметровата вълнова техника.
От секторни и пирамидални рогове до конични и широколентови конструкции, различни структури могат да бъдат оптимизирани за специфични честотни диапазони, изисквания за поляризация, нива на усилване и среди на измерване.
За инженерите, които избират рупорна антена, честотният диапазон е само отправна точка. Коефициентите на усилване, КСВ, ширина на лъча, поляризация, интерфейс за вълновод или коаксиален интерфейс, мощност и механични размери трябва да бъдат оценени според изискванията на цялата радиочестотна система.
Време на публикуване: 21 август 2026 г.
