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.
На сегодня всё, всем удачи!
