книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

Остронаправленное излучение можно получить с помощью

сложных синфазных антенн (рис. 1175). Они имеют несколько вибраторов-антенн, в которых токи совпадают по фазе. Расстоя­ ния между центрами вибраторов в ряду и между рядами выби­ рают равными полуволне. Для уничтожения обратного излуче­ ния применяют рефлектор.

§ 3. Антенны сантиметровых волн

На СВЧ длины волн настолько малы по сравнению с разме­ рами антенн, что для концентрации энергии можно использо­ вать системы, подобные оптическим. Для них практически воз­ можно получение диаграмм направленности, ширина которых измеряется угловыми минутами, а КНД — миллионами. С по­ мощью таких антенн можно точно определить угловые координа­ ты цели, а дальность действия РЛС значительно увеличивается при той же мощности передатчика. Название антенны выбира­ ется в зависимости от типа выбранного фокусирующего устрой­ ства.

Зеркальные антенны являются самыми распространенными остронаправленнымп антеннами в .дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. По принципу работы они по­ добны оптическим прожекторам. Любая зеркальная антенна состоит из излучателя и отражателя (зеркала). Зеркало антен­ ны представляет собой металлическую поверхность, выполнен­ ную в виде параболоида вращения, параболического цилиндра, уголкового отражателя или отражателя специальной формы (рис. 176). Для уменьшения веса и парусности (сопротивления ветру), зеркала в нем делают большое количество отверстий или изготовляют его из проволочных сеток. Размер отверстия не должен превышать 0,1 X. Если в фокусе параболического зер­ кала поместить источник электромагнитных колебаний, то из­

лучаемая им энергия	попадет	на зеркало	и отразится	от него
в виде параллельного	пучка.	Идеально	параллельный	пучок

может быть получен только в случае точечного источника.

На практике в качестве облучателя используются полувол­ новой вибратор, щелевые, линзовые, рупорные и другие излу­ чатели. Все они имеют геометрические размеры, соизмеримые с длиной волны, и не являются точечными. Поэтому лучи ра­ диоволн огибают края зеркала (явление дифракции) и антенна формирует не параллельный, а расходящийся пучок электро­ магнитной энергии.

Форма диаграммы направленности зеркальной антенны за­ висит от геометрических размеров и точности выполнения про­ филя зеркала, типа облучателя и его расположения.

Антенна с отражателем в виде параболоида вращения име­ ет остронаправленную ДН. ДН имеет вид веретена или спицы; ее ширина одинакова в вертикальной и горизойтальной плоско­

180

стях. Боковые лепестки очень малы и образуются за счет иска­ жения электромагнитного поля у краев параболоида. Основным фактором, определяющим величины угла излучения главного лепестка, является отношение диаметра отражателя к длине волны X. Чем оно больше, тем меньше угол излучения. Чтобы облучатель не искажал ДН антенны, он должен обладать одно­ сторонней направленностью и все волны облучателя должны падать на поверхность отражателя. Если в качестве облучате­ ля применяется полуволновой вибратор (рис. 176, а), то он при­ меняется вместе с контррефлектором (пассивным вибратором или диском).

а	б	в	з	д
	Рис. 176. Зеркальная антенна:
а — устройство:	/ — фидер;	2 — параболоид;	3 — вибратор;	4 — контррефлектор;
5 — симметричный экран;		б — параболический	цилиндр; в —усеченный парабо­
	лоид; г — профиль косеканской антенны

Для создания веерных диаграмм направленности с шири­ ной луча в одной плоскости, превышающей в несколько раз ширину в другой главной плоскости, а также для качания узкого луча в широких пределах применяются усеченные параболоиды и параболоцилиндрические антенны. В некоторых' типах радио­ локационных станций применяются зеркальные антенны с ко7 секансной диаграммой направленности в вертикальной плоско­ сти. Такую ДН можно получить с помощью зеркала специаль­ ной формы при точечном или линейном облучателе или подбо­ ром фаз и амплитуд полей нескольких рупорных облучателей, определенным образом расположенных относительно фокуса параболического зеркала.

В линзовых антеннах используется преломление лучей на границе двух сред, имеющих различную скорость распростра­ нения радиоволн. Диэлектрические линзы не нашли широкого применения вследствие значительного отражения радиоволн от поверхности диэлектрика. На практике применяются главным образом металлические линзы. Простейшая металлическая лин­ за состбит из нескольких одинаковых параллельных пластин с эллиптической формой профиля. Каждая пара пластин обра­ зует отрезок волновода (рис. 177, а, б). Большой эффект дает использование линз в качестве вставок в рупоры (рис. 177, в). Угол излучения их может быть 5—=—10° и КНД примерно 105.

181

Основное достоинство линзовых антенн— возможность полу­ чения весьма острых ДН при сравнительно небольших размерах. Недостатками линзовых антенн являются их малая диапазонность (±2% ) и появление боковых лепестков за счет дифрак­ ции лучей у краев пластин.

Рис. 177. Металлические линзы:

а «—цилиндрическая; б — часть сферической линзы; в — рупорно-лнпзовая антенна

Рупорная антенна представляет собой секторпальпый, пира­ мидальный или конический расширитель, надеваемый на конец волновода (рис. 178). Открытый конец волновода сам по себе является излучателем, так как в его отверстии существует пе­ ременное электромагнитное поле и его размеры сравнимы с длиной волны. Однако в качестве антенны, срез волновода не используется, так как он плохо согласуется с окружающим

Рис. 178. Рупорная антенна:

а — секториальная; б — пирамидальная; « — коническая

пространством. В результате образуются отраженные волны и сильно уменьшается мощность излучения. Рупор является как бы согласующим устройством, обеспечивающим плавный пере­ ход энергии от волновода к свободному пространству. Для осу­ ществления согласования длина рупора должна быть больше длины волны. ДН рупорной антенны зависит от ее размеров в соответствующих плоскостях. Достоинствами рупорной антен­ ны являются простота устройства и широкая диапазонность. Рупорные антенны относятся к остронаправленным антеннам и применяются в качестве облучателя зеркальных и линзовых антенн. Иногда применяются несколько рядом расположенных рупоров, питаемых синфазно.

182

■ Щелевая антенна, или щелевой излучатель, представляет собой узкую прорезь, .сделанную в стенке волновода или объ­ емного резонатора. Щель будет вести себя, как полуволновой вибратор, только ее электрическое поле направлено поперек щели (рис. 179). Для эффективного излучения длина щели дол­ жна быть равна половине длины волны в открытом простран­ стве. Ширину щели выбирают в зависимости от необходимой мощности излучения. Однощелевая волноводная антенна имеет слабую направленность. Для формирования узких диаграмм направленности применяются многощелевые антенны. Щелевая

Штырь

Диэлектрик

б

Рис. 179. Щелевая антен­ Рис. 180. Диэлектрическая антенна на (а) и ее поле (б )

антенна малогабаритна и обладает большой механической прочностью. Недостатком антенны является ее узкополосность. Щелевые антенны применяются в качестве облучателей парабо­ лических отражателей и в самолетных РЛС.

Антенны поверхностных волн (АПВ) состоят из двух основ­ ных частей: возбудителя и собственно антенны, или направи-

теля. В качестве возбудителей используются рупор, волновод, штырь. Направитель представляет собой замедляющую струк­ туру, превращающую поле излучения возбудителя в поле повер­ хностной волны, которая и создает направленное поле излуче­ ния. Поверхностной называется такая волна,-поле которой кон­ центрируется у некоторой поверхности, вдоль которой она рас­ пространяется, и спадает по экспоненциальному закону при удалении от этой поверхности. По типу замедляющей поверх­ ности АПВ различают с гладкими и периодическими направителями. К первым относятся диэлектрические антенны и антенны с направителями в виде слоя диэлектрика, нанесенного на' ме­ таллическую поверхность.

В диэлектрической антенне электромагнитные волны, двига­ ясь от возбудителя внутри диэлектрическогостержня, отража­ ются от его поверхности и совершают путь в виде ломаной ли­ нии, как в обычных волноводах (рис. 180). У поверхности ан­ тенны происходит явление, подобное полному внутреннему от­

183

ражению, известное из оптики. Частично волны преломляются на границе раздела двух сред, и преломленные лучи выходят в окружающее пространство под таким углом, что ДН получа­ ется сжатой. Постепенное сужение диэлектрического стержня необходимо для лучшего согласования антенны с открытым пространством.

Диэлектрические антенны допускают изменение рабочей волны в 2—3 раза. Они малогабаритны. Угол излучения их мо­ жет быть около 30° и меньше.

АПВ с периодическими направителями имеют замедляю­ щую структуру в виде металлической ребристой поверхности, системы дисков, колец на диэлектрическом или металлическом основании.

Используются АПВ в качестве самостоятельных антенн или как облучатели зеркальных и линзовых антенн.

§	4. Согласующие устройства
Для передачи	энергии к потребителю необходимо, чтобы
в линии передачи	(ЛП) существовала бегущая волна. Получе­

ние бегущей волны в линии обеспечивается, согласованием вол­ нового сопротивления ее с сопротивлением нагрузки. Неодно­ родности реальной линии передачи (места соединения, неточ-' ностн изготовления, наличие шероховатых поверхностей и т. д.) создают отражения энергии, вследствие чего возникают отра­

женные волны. Наличие в ЛП	бегущих волн	свидетельствует
о том, что энергия переносится	от источника	к потребителю,

а наличие отраженных волн означает, что энергия к потребите­ лю подходит не полностью. Если при бегущей волне в ЛП ам­ плитуда напряжения во всех точках ее постоянна (рис. 181, а), то при стоячей и бегущей волнах в линии наблюдаются макси­ мумы и минимумы амплитуды напряжения (рис. 181, б).

Отношение максимального напряжения Пмакс к минималь­ ному Uмпн, установившееся вдоль линии, называется коэффи­

циентом стоячей волны Кс. в = -У”акс . Он показывает неравно-

‘■'МИН

мерность распределения напряжения вследствие появления стоячих волн. Величина, обратная /Сс.в, показывающая качество передачи высокочастотной энергии по фидеру от источника к потребителю, называется коэффициентом бегущей волны

А'б.в —тт^—• Оба коэффициента характеризуют качество согласо-

''С . В

вания линии передачи с нагрузкой. Практически /Сб. в находятся в пределах 0,5—0,9. Для согласования ЛП с потребителем или линий передачи между собой применяются согласующие устрой­ ства.

Согласующий трансформатор служит для согласования двух линий с разными волновыми сопротивлениями pi и р2. В качест­ ве согласующего трансформатора может быть использован чет­

184

вертьволновой отрезок линии, обладающий волновым сопротив­ лением ртр (рис. 182, а). В местах соединения линий АА' и ББ' возникают отраженные волны, амплитуда которых зависит от коэффициента отражения. Отраженная волна от участка ББ1 придет к участку АА' со сдвигом по фазе на 180° и при равен­ стве' амплитуд, пришедшая от участка ББ' и отраженная от участка АА' волны полностью скомпенсируются. Для обеспече-

Рис. 181. Распределение напряжения в линии:

а — бегущая волна; 6 — стоячая волна

ния равенства их амплитуд необходимо подобрать согласующий трансформатор с таким волновым сопротивлением рТр, чтобы обеспечить соотношение

Pi ■Ртр Ртр ■Р2» О ткуда рТр — \А pjP2*

Конструктивно в четвертьволновом трансформаторе, чтобы получить требуемое волновое сопротивление согласующего участка линии, изменяют диаметр коаксиального кабеля или сечение волновода.

	Рис. 182. Согласование линий:
а четвертьволновой	согласующий трансформатор; б — подключение четвертьволно­
вого	регулируемого шлейфа; в — двойной шлейф

Для улучшения широкополосности согласующего трансфор­ матора сечения коаксиальных и волноводных линий выполня­ ют изменяющимися по ступенчатому, линейному или экспонен­ циальному законам. Если согласование надо получить на раз­ ных волнах и если нагрузочное сопротивление имеет реактивную (индуктивную или емкостную) составляющую, то применяют реактивные шлейфы.

185

Шлейф — это отрезок короткозамкнутой или разомкнутой линии, длина которого может регулироваться (рис. 1182, б). При согласовании с применением шлейфа в местах его подключе­ ния создается новая отраженная волна, равная по амплитуде, но противоположная по фазе отраженной волне, существующей в линии передачи. В этом случае обе отраженные волны взаим­ но уничтожаются н в линии будет режим бегущих волн. Необхо­ димая амплитуда н фаза создаваемой шлейфом отраженной волны устанавливается подбором места подключения шлейфа (точки А и Б) и изменением длины шлейфа.

Рис. 183. Волноводы различных форм по длине:

а — изогнутый; б — скрученный; в, г — излом волновода.

Применение одного шлейфа для коаксиальной линии мало­ пригодно, так как невозможно изменять место подключения шлейфа для получения согласования. Применение двух шлей­ фов позволяет согласовывать нагрузку с линией подбором дли­ ны обоих шлейфов без перемещения места их включения вдоль основной линии. Расстояние между шлейфами берется 1/8Х или 3/8Х, причем шлейф Шх (рис. 182, в) располагается обычно око­ ло конца линии. Система двух шлейфов может давать согласо­ вание на различных волнах в пределах некоторого диапазона. Для согласования в еще большем диапазоне волн иногда при­ меняют три шлейфа или два шлейфа с согласующим трансфор­ матором. Шлейфы применяются для согласования двухпровод­ ных, коаксиальных и волноводных линий.

Согласование волновода может нарушиться при изгибе, из­ ломе или повороте волновода, так как от изогнутого или скру­ ченного участка отражаются волны. Для уменьшения отраже­ ния необходимо, чтобы радиус изгиба был не меньше длины волны в волноводе, а длина скрученного участка была равна це­ лому числу полуволн. Если изгиб волновода имеет прямоуголь­ ную форму, то применяется косой срез угла или двойной излом, благодаря чему в значительной мере устраняется распростра­ нение отраженной волны в направлении, противоположном па­ дающей волне. Такие изгибы могут быть как в плоскости элек­ трического поля, так и в плоскости магнитного поля (рис. 183).

Оконечные нагрузочные резисторы включаются в конце ли­ нии передачи для полного поглощения поступающей к ним мощ­ ности. При измерениях и испытаниях для обеспечения скрыт­ ной работы аппаратуры они часто служат эквивалентом антен*

1 8 6

ны, которые оформляются в виде отдельной секции коаксиаль­ ной линии или волновода (рис. 184). Материалом для поверх­ ностных н объемных нагрузочных резисторов служит погло­ щающая энергию графитовая смесь. Ею заполняется простран­ ство между проводами коаксиальной линии или между стенка­ ми волновода. Чтобы избежать отражения от нагрузки фидера, ей придают клиновидную форму.

Рис. 184. Эквивалент антенны

В волноводах для согласования применяются такие же устройства, что и для возбуждения (штыри, диафрагмы и др.), принцип действия которых изложен в гл. 3 разд. I.

§ 5. Переходные устройства

Переходные устройства используются для обеспечения ре­ жима бегущих волн в линии при переходе от линии одного типа к линии другого типа.

Линия называется симметричной, если в любой момент времени в каждом сечении токи и потенциалы равны по вели­ чине и противоположны по фазе. Коаксиальная линия не яв­ ляется симметричной, так как наружный проводник заземля­ ется и его потенциал всегда равен нулю. Поэтому коаксиаль­ ный кабель нельзя непосредственно соединять с полуволновым вибратором и другими симметричными линиями. В метровом диапазоне для соединения коаксиальной линии с симметричной двухпроводной линией применяют симметрирующий трансфор­ матор, который часто называют U-колено, и симметрирующий дроссель, устройство и работа которых рассмотрены в гл. 3 разд. 1

Оба симметрирующих устройства не обладают диапазонностью. При изменении длины волны более чем на ±2% их сим-, метрирующие свойства теряются. Для работы в значительном диапазоне волн применяются более сложные диапазонные пе­ реходные устройства, у которых к обоим проводам симметрич­ ной линии подключаются равные реактивные сопротивления, имеющие одинаковую частотную зависимость. Роль реактив­ ных сопротивлений выполняют разомкнутые или короткозамк­ нутые линии.

187

С	о ч л е н е н и е и р а з в е т в л е н и е в		о л н о в о д о в .			Волно­
воды	радиолокационных	станций состоят	из	отдельных	секций;
это удобно для ремонта		и транспортировки.		Отдельные		секции

волноводов соединяются с помощью специальных устройств. При соединении двух неподвижных волноводов используются фланцы, стягиваемые винтами (рис. 185, а). Несовершенство контакта между ними вызывает потери энергии и опасность пробоя. Для большей надежности применяют фланцы, имеющие на краях кольцевые пазы в виде четвертьволновых колец ко­ роткозамкнутых линий (рис. 1185, б). Эти четвертьволновые от-

Рис. 185. Сочленение волноводов

резки имеют очень большое сопротивление в точке Б (место кон­ такта фланцев) п малое сопротивление в точке А. При этом наличие зазора между фланцами в пределах до 0,1 X незначи­ тельно влияет на качество контактов их в точках А и Б. Это свойство используется в поворотных качающихся сочленениях.

Трехзвенное поворотное соединение состоит из двух волно­ водов, оканчивающихся дроссельными соединениями и разде­ ленных волноводным участком длиной в четверть длины волны, чем обеспечивается взаимная компенсация отраженной энергии от обоих дроссельных соединений. Такое соединение обеспечи­ вает поворот выходного канала относительно входного на угол до ±20° (рис. 185, в).

Для получения вращающегося волноводного сочленения по механическим соображениям необходимо применять дроссель­ но-фланцевое соединение волноводов круглого сечения. Так как в радиолокационных станциях применяются прямоуголь­ ные волноводы, то во входном и выходном каналах необходимо обеспечить при этом переход от прямоугольного волновода к волноводу круглого сечения.

Наряду с вращающимися и поворотными сочленениями в ли­ ниях передачи СВЧ применяются гибкие сочленения. Для гиб­ кого сочленения можно использовать гибкие коаксиальные ка­ бели, или гибкие волноводы.

Для распределения высокочастотной энергии, передаваемой по волноводам, между различными каналами и потребителями

188

применяются разветвления волноводов. Тройники, или Т-соеди- нения волноводов, могут иметь ответвления от главного волново­ да в обеих плоскостях Е или Н (рис. 186).

Волноводные мосты, или двойные тройники, имеют два бо­ ковых взаимно развязанных ответвления. При возбуждении пле­ ча' £ или Н электромагнитная энергия от них распределяется поровну между плечами главного волновода и не может пере­ ходить из плеча Е в плечо Я, и наоборот (рис. 186, в). При воз­ буждении плеча 1 главного волновода в плечо 2 ответвляется

6

Рис. 186. Волноводные тройники:

а — типа £; б —типа Я; е — двойной тройник

синфазная волна при Н-соединении и противофазная волна при Е-соединении. При наличии обоих соединений энергия в волно­ вод 2 не попадает. Таким-образом, плечи главного волновода 1 я 2 также развязаны. Это свойство двойного Т-соединения сохраняется только при чисто бегущих волнах, т. е. при согла­ совании волноводов. Двойные тройники применяются для изме­ рения полных сопротивлений, коэффициента бегущей волны, в качестве смесителей и т. п.

Волноводно-щелевые мосты применяются для деления под­ водимой к нему электромагнитной энергии между его выход­ ными каналами. Они выполнены из спаянных по узкой стенке волноводов с окном связи между ними (рис. 187). Длина окна связи выбирается такой, что если, например, на входе моста возбудить плечо 1, то на выходе моста энергия поделится меж­ ду плечами 3 и 4. Фаза волны в плече 4 отстает от фазы волны в плече 3 на 90°, так как путь прохождения энергией, выходя­ щей через плечо 4, длиннее на четверть длины волны. Соотнот

189