Как работает рупор
Рупорная антенна — это волновод, плавно расширенный к открытому концу. Внутри волновода волна идёт с малыми потерями, а расширение согласует его с открытым пространством: отражение от раскрыва мало, и почти вся мощность уходит в эфир. Чем больше раскрыв по сравнению с длиной волны, тем уже луч и выше усиление.
У рупора нет резонансных элементов, поэтому он широкополосный, хорошо согласован и предсказуем: его усиление рассчитывается по размерам с точностью до долей децибела. Отсюда главная роль рупора — эталон в антенных измерениях, облучатель зеркальных антенн и измерительная антенна выше 1 ГГц.
Усиление и размер раскрыва
Усиление пирамидального рупора считают по площади раскрыва: G = 4π·A·B·η/λ², где A и B — стороны раскрыва, λ — длина волны, η — коэффициент использования поверхности. У оптимального рупора η ≈ 0,51, а стороны соотносятся примерно как B ≈ 0,81·A. Отсюда размер раскрыва для нужного усиления на 10 ГГц:
| Усиление, дБ | Раскрыв A × B, мм | Площадь, см² |
|---|---|---|
| 10 | 42 × 34 | 14 |
| 15 | 74 × 60 | 44 |
| 20 | 132 × 107 | 140 |
| 25 | 234 × 190 | 444 |
Каждые 5 дБ усиления увеличивают площадь раскрыва в 3,2 раза, а длину рупора — ещё быстрее: чтобы фаза по раскрыву оставалась ровной, длина растёт примерно пропорционально квадрату размера раскрыва. Поэтому рупор на 25 дБ в разы длиннее рупора на 20 дБ того же диапазона.
Четыре исполнения серии стандартного усиления с коаксиальным входом для диапазона 8,2–12,4 ГГц. Длина растёт быстрее раскрыва: 25 дБ — это уже больше трёх четвертей метра.
Формула хорошо сходится с каталогом. Для рупоров на 20 дБ расчётный раскрыв на средней частоте диапазона и габариты из таблицы серии:
| Исполнение | Средняя частота, ГГц | Расчёт A × B, мм | Габариты в каталоге, мм |
|---|---|---|---|
| АР-WR284-20-N(р)-В | 3,2 | 411 × 333 | 476 × 346 |
| АР-WR90-20-N(р)-В | 10,1 | 131 × 106 | 138 × 107 |
| АР-WR62-20-SMA(р)-В | 14,6 | 90 × 73 | 93 × 72 |
| АР-WR28-20-2,92(р)-В | 32,6 | 40 × 33 | 47 × 33 |
Узкая сторона совпадает почти до миллиметра, широкая в каталоге чуть больше — габарит включает стенки. Так по формуле можно проверить, реально ли заявленное усиление у рупора известных размеров.
Виды рупоров
Пирамидальные и секторные
Пирамидальный рупор расширяется в обеих плоскостях, секторный — в одной, поэтому его луч узкий только в одной плоскости. Пирамидальные рупоры стандартного усиления с рассчитанным усилением служат эталонами для калибровки: их выпускают на все волноводные сечения, от сотен мегагерц до субмиллиметрового диапазона.
Конические и гофрированные
Конический рупор продолжает круглый волновод и удобен для круговой поляризации. Гофрированный — конический с канавками на стенках: гофры выравнивают поле по раскрыву, диаграмма становится симметричной, боковые лепестки и кроссполяризация — низкими. Это лучший облучатель для зеркальных антенн. Диагональные рупоры решают ту же задачу более простой конструкцией.
Гребневые широкополосные
Гребни внутри волновода снижают критическую частоту и расширяют рабочую полосу. Двухгребневый рупор перекрывает 1–18 ГГц одной антенной — стандарт для испытаний на ЭМС выше 1 ГГц. Четырёхгребневый работает на двух ортогональных поляризациях одновременно. За полосу платят усилением и формой диаграммы: на верхних частотах луч сужается и может раздваиваться.
Расчёт по таблицам серий раздела: отношение верхней частоты к нижней и усиление каждого исполнения. Стандартные рупоры — узкая полоса и высокое усиление, гребневые — наоборот.
Круговая поляризация
Рупор круговой поляризации — обычно конический с поляризатором: диэлектрической пластиной, ступенчатыми диафрагмами или перегородкой в волноводе. Главная характеристика — эллиптичность, или коэффициент осевого отношения: насколько поле отличается от идеального круга. У хорошего рупора эллиптичность меньше 1 дБ в узкой полосе и 2–3 дБ в широкой.
Рупоры двойной круговой поляризации имеют два порта — для левой и правой круговой. Их применяют в спутниковой связи, телеметрии и радиолокации, где одна поляризация используется на передачу, другая — на приём. В каталоге KADAMM такие рупоры есть в коническом, пирамидальном со ступенчатыми диафрагмами и широкополосном исполнениях.
Две линейные поляризации
Чтобы принимать или излучать две ортогональные линейные поляризации одной антенной, к рупору с квадратным или круглым горлом ставят ортомодовый переход: у него два порта, каждый возбуждает свою поляризацию. Важная характеристика — развязка между портами, обычно 30–40 дБ у волноводных исполнений. Четырёхгребневые рупоры решают ту же задачу в широкой полосе, но с меньшей развязкой — около 20–30 дБ.
Двухполяризационные рупоры сокращают время работы на полигоне: диаграмму в двух поляризациях снимают за один проход без поворота антенны, а при испытаниях на ЭМС не нужно переставлять рупор.
Материалы и покрытия
Рупоры до 40 ГГц делают в основном из алюминия — лёгкие и достаточно точные. Для миллиметрового диапазона берут медь или латунь с гальваническим покрытием: на сотнях гигагерц потери в стенках и точность изготовления горла определяют характеристики. Серебрение и золочение снижают потери и защищают от окисления, окраска и хроматирование — от внешней среды.
Вход: волновод или коаксиал
Рупор на волноводном фланце — самый точный вариант: нет лишнего перехода, минимальный КСВН. Его выбирают для эталонных измерений и в волноводных трактах. Рупор со встроенным коаксиальным входом компактнее и сразу подключается к кабелю анализатора. Рупор с волноводно-коаксиальным переходом — компромисс: переход можно снять и работать от волновода.
Полоса ограничена сечением. У рупора стандартного усиления рабочая полоса — полоса его волновода, примерно 1,5:1. Для обзора 1–18 ГГц нужно шесть волноводных рупоров или один двухгребневый.
Дальняя зона и фазовый центр
Паспортное усиление рупора верно в дальней зоне — на расстоянии больше 2D²/λ, где D — наибольший размер раскрыва. Для рупоров из рисунка выше на 10 ГГц это:
| Рупор | Раскрыв, мм | Граница дальней зоны, м |
|---|---|---|
| 10 дБ | 47 × 37 | 0,2 |
| 15 дБ | 81 × 56 | 0,6 |
| 20 дБ | 138 × 107 | 2,0 |
| 25 дБ | 250 × 180 | 6,3 |
Здесь D взят по диагонали раскрыва. Рупор на 25 дБ требует для точных измерений больше 6 м: на коротком полигоне или в небольшой камере его усиление окажется занижено. Поэтому эталонные измерения на высоких частотах ведут рупорами на 15–20 дБ, а большие рупоры проверяют на длинных трассах или методами ближней зоны.
Второй важный параметр — фазовый центр: точка, из которой волна кажется расходящейся. У пирамидального рупора он лежит внутри, между горлом и раскрывом, и смещается с частотой. При снятии диаграммы на ОПУ рупор ставят так, чтобы ось вращения проходила через фазовый центр, иначе фазовая диаграмма искажается.
Рупор как облучатель зеркала
В зеркальной антенне рупор освещает отражатель. Его диаграмма должна быть такой, чтобы край зеркала получал примерно на 10–12 дБ меньше мощности, чем центр: при слабом спаде энергия переливается за край и растут боковые лепестки, при сильном — зеркало используется не полностью и падает усиление. Ширину луча облучателя подбирают под отношение фокусного расстояния к диаметру зеркала.
Гофрированные и диагональные рупоры для этого подходят лучше пирамидальных: у них одинаковая ширина луча в обеих плоскостях и малая кроссполяризация, что важно для зеркал с двумя поляризациями. Для зеркал с коротким фокусом берут рупоры с широким лучом и малым раскрывом.
Где ещё применяют рупоры
- Радиолокация и датчики: рупор как самостоятельная антенна ближнего действия — уровнемеры, датчики движения.
- Радиорелейные и спутниковые терминалы: облучатели зеркальных антенн.
- Испытания на ЭМС выше 1 ГГц: двухгребневые рупоры на излучение и устойчивость.
- Калибровка измерительных стендов: рупоры стандартного усиления как эталон.
- Лабораторные измерения материалов и поглотителей в свободном пространстве.
Типичные ошибки
- Берут рупор на 25 дБ для короткого полигона и получают заниженное усиление в ближней зоне.
- Используют волноводный рупор вне полосы его сечения — ниже критической частоты он не работает.
- Путают усиление в дБи и дБ относительно диполя: разница 2,15 дБ.
- Не учитывают потери перехода и кабеля при расчёте антенного фактора.
- Ставят гребневый рупор для точных измерений диаграммы на верхних частотах, где его луч раздваивается.
Как выбрать рупорную антенну
- Задача: эталон и точные измерения — стандартного усиления; ЭМС и обзор — двухгребневый; облучатель — гофрированный или диагональный.
- Диапазон: одно волноводное сечение или широкая полоса одной антенной.
- Усиление: по дальности и ширине луча; выше усиление — длиннее и тяжелее рупор.
- Поляризация: линейная, двойная линейная, круговая или двойная круговая.
- Вход: волноводный фланец, коаксиальный разъём или съёмный переход.
- Мощность: для испытаний на устойчивость — допустимая непрерывная и импульсная.
- Калибровка: для измерений нужна таблица усиления или антенного фактора по частоте.
Модели KADAMM
Все серии рупоров — в разделе рупорных антенн KADAMM.
| Частоты | 320 МГц – 50,1 ГГц |
| Исполнений | 65 |
| Частоты | 100 МГц – 67 ГГц |
| Исполнений | 25 |
| Частоты | 1,76 – 220 ГГц |
| Исполнений | 28 |
| Частоты | 2 – 110 ГГц |
| Исполнений | 17 |