Апертура с латинского apertura «отверстие». В наших случаях это часть поверхности так называемых АПЕРТУРНЫХ антенн. Такими антеннами являются: РУПОРНЫЕ, ЗЕРКАЛЬНЫЕ и ЛИНЗОВЫЕ. Слова знакомые Вам с детства, школы... Правда те рупоры предназначены для усиления звука, а зеркала и линзы для игр со светом. Мы же будем рассматривать всё это, применяя их в привязке к электромагнитным колебаниям, волнам радиочастотного диапазона. В основном диапазона СВЧ, на волнах длинною менее метра и вплоть до субмиллиметровых (от несколько сотен микрометров до миллиметра). Использование волн СВЧ позволяет создавать антенны малых размеров с одной стороны и более эффективными с другой. В этой мини-лекции мы познакомимся с так называемыми РУПОРНЫМИ антеннами.
Да, Вы наверняка в жизни видели такое нехитрое устройство как рупор рис.1. Рупор концентрирует и направляет энергию в одну сторону. На рисунке это звуковые волны. Нечто подобное применяют и в громкоговорителях, особенно уличных. А, что и как происходит в нашем случае? Вспомним волновод. Это полая металлическая труба различного профиля в основном прямоугольного и круглого. Так ещё, выходное отверстие (АПЕРТУРА) имеет форму либо прямоугольника, либо окружности. И именно это отверстие (АПЕРТУРА) и будет излучать волны. При рассматривание щелевых антенн мы выяснили, что щель как антенна имеет очень слабую направленность. Диаграмма направленности почти совпадает с вибраторной. А наш волновод и есть та щелевая где-то в чём-то? Поэтому чистый волновод как антенна применяется редко в основном как облучатель для более сложных антенн!.. Рупор же, это тот же волновод, но с расширенными сторонами рис.2,3,11,12. Волновод сам по себе лишь механически соединяется с рупором. Получаются вот такие конструкции, рупор — расширенный волновод.
С учётом конструктивных особенностей рупоры подразделяются на типы. Если в прямоугольном рупоре поперечное сечение изменяется лишь в плоскости магнитного вектора, то он называется Н-плоскостным секториальным рис.7,8. Если же в плоскости электрического вектора, то Е-плоскостным секториальным рис.15,16. На рис.8 и рис.16 показано как при расширении волновода меняется картина полей. В первом случае Н-поле, во втором Е-поле. Если изменение делается во всех плоскостях, то такой рупор называется пирамидальный. Такой рупор может быть остроконечным когда все плоскости имеющие вид треугольников теоретически сходятся в одной точке рис.3. Может быть и клинообразным рис.2, когда плоскости сходятся в двух точках. Расширение же круглого волновода создаёт конический рупор рис.12. Правда из-за некоторых проблем его применяют реже. На рис.11 так называемый комбинированный рупор который отдельно расширяется сначала в одной плоскости, а потом в другой. Тем самым компенсируются недостатки очень правильного, пирамидального рупора. На рис17а две формулы для нахождения длин сторон пирамидального рупора ар и bр. А, так-как стороны по определению получаются разными, то и пирамида не очень правильная... Отправной точкой является ширина диаграммы направленности угол [тэта] на уровне 0,5.
На рис.8 показаны поля в рупоре Н-секторальном, а на рис.16 Е-сектораьном. Прямоугольники, это поперечное сечение «волновода-прародителя» рупора. Условно показаны только линии электрического поля Е. Красная штриховая линия, условно линии магнитного поля Н. На рис.17 показан чертёж-разрез рупора. Угол раскрыва рупора 2Фо. Размер раскрыва рупора ар. R-длина рупора. А, на рис.13,14 диаграммы направленности (ДН) двух секторальных рупоров. На рис.13 ДН Н-плоскостного секторального в плоскости Н. На рис.14 Е-плоскостного секторального в плоскости Е. На диаграммах Вы видите как изменяется ДН в зависимости от угла раскрыва рупора 2Фо. При нулевом угле рупор просто станет продолжением волновода. А, ДН превратится в окружность или близкой к таковой?! Вам выбирать свой вариант!
Если Вас не устраивает ширина ДН (слишком широкая), то традиционно применяют решётку из нескольких рупоров рис.9. Хотя это дело муторное, так-как требует очень точной подгонки составляющих антенны. А, что это там на рис.5,6? Вопрос конечно интересный! Дело в том, что у рупора раскрыв (та самая апертура) прямой, а волна у секторального рупора цилиндрическая. Отсюда несинфазность краёв раскрыва и центральной части. А так-как самая нормальная диаграмма направленности ДН получается когда площадь апертуры большая и фронт волны плоский, то необходимо фронт выпрямить!
Свести к минимуму несинфазность можно только применением длинного рупора. По розовой и зелёной формулам видно, что длина (R) оптимального рупора пропорциональна квадрату [ар] раскрыва! Вот поэтому применяют всякие способы чтобы этот чёртов цилиндрический фронт выпрямить. Один из нормальных способов это применение линз. Их в разрезе Вы и видите торчащими в раскрыве рупора рис.5,6. На рис.5 ускоряющая линза, а на рис.6 наоборот, замедляющая. Все эти линзовские страсти-мордасти подробнее в мини-лекции посвящённой линзовым антеннам.
На рис.4 Вы видите разрез ещё одного комбинированного рупора. Это сочленение рупора (голубой цвет) и вставки из параболоида (жёлтого цвета). Параболоид закрывает раскрыв рупора и тем самым поворачивает направление излучения (приёма) сигнала. Такой гибрид использовался в радиоастрономии в США в 1964 г. Это в штате Нью-Джерси в Холмделе. Это было давно, сейчас это музей под открытым небом. Судя по ржавым железякам особо за музеем не смотрят?! Если на рис.10 рупор направлен под углом к горизонту, то в музее он смотрит вниз (с целью ограничения попадания осадков!). Если Вы из-за нескрываемого любопытства захотите найти и посмотреть... Всё просто!
Если Вас устроит только фото антенны со спутника, то либо через карты гугле, либо вот отсюда: http://www.satellite-maps.ru/satellite-map-usa.htm Это спутниковая карта США. Да, плюс/минус та же гуля, но некоторые места показаны более подробно... Вот только добраться до антенны напрямую можно одинаково. На карте США найдите Нью-Йорк (город). Увеличивайте... Внизу будет бухта... На берегу КЕЙПОРТ. Опускайте взгляд ниже (к Югу). В зависимости от степени увеличения и появится название Холмдел (Holmdel). Слегка увеличивайте и медленно смотрите вверх от названия пока не увидите PNC Bank Arts Center. Увеличивайте до тех пор пока не начнут появляться очертания этого банка (площадка в виде овала и круглое здание к востоку). Как только после увеличения появятся всякие названия посмотрите влево через автостраду. Там и увидите ту самую надпись, что и на рис.10. Дальше смело можете увеличивать до появления самой антенны. Это небольшая полянка, вокруг лес (парк). Если зайдёте через гуглю, то слева будут фотки... Разберётесь...
Система не позволила разместить слишком длинную ссылку, увы?!
Можно попробовать забить в Гугле поиск Holmdel horn antenna. Там появится фотка и плюс... Щёлкните по ней и более 70 штук со всеми делами... Может повезёт?