книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ
.pdfвращение по азимуту— ±380°, угол подъема — от — 1° до +125°. Против погодных условий антенна защищена оболочкой из синтетического материала с диаметром 49 м и высотой 39 м, поддерживаемой сжатым воздухом. Как рупорно-параболоидные, так и двухпараболоидные антенны дают возможность делать очень короткими тра кты, ведущие к приемнику. Это важно, поскольку позво ляет по возможности снизить собственные шумы прием ного устройства.
В систему наземной станции Райстинг в качестве мощного каскада передатчика включена 2-киловаттная лампа бегущей волны с водяным охлаждением. Прием ный канал состоит из молекулярного усилителя, охлаж даемого жидким гелием, последующего малошумящего усилителя и ЧМ-приемника с пушпульной связью. Мо лекулярный усилитель характеризуется шумовой тем пературой всего лишь 4,5° К. Эквивалентная шумовая температура всего приемного устройства для углов подъема больше 7° составляет около 55° К- ЧМ-прием- ник имеет входы для основной телефонной полосы ка налов телевизионного изображения и звукового сопро вождения. С этим приемным устройством можно при нимать сигналы спутников связи «Телестар», «Релей» и «Эрли берд».
Радиопередача с помощью спутников связи рождает множество проблем и вопросов. Так, связь между двумя наземными станциями возможна только в то время, пока спутник виден из обеих точек одновременно. Это время, например, для связи между Европой и Америкой, относительно мало — для круговой орбиты, наклоненной к экватору под углом 45° и проходящей на высоте 6000 км над земной поверхностью, оно составляет около 30 минут. Поэтому для обеспечения непрерывной радио связи необходимо было бы иметь от 30 до 40 спутников и по два передатчика и приемника на каждой наземной станции. Оба приемо-передающих устройства во избе жание взаимного влияния должны быть разнесены. В то время как спутник, с которым поддерживает связь один из приемо-передатчиков, начинает скрываться за гори зонтом, второй приемо-передатчик должен уже нацели ваться на другой спутник, который только появляется над горизонтом. Это дает возможность при пропадании из виду первого спутника переключиться на второе
141
приемо-передающее устройство, не прерывая ведущуюся передачу.
С точки зрения дополнительной коррекции проще использовать так называемые синхронные спутники. Под ними подразумевают спутники связи, которые запущены в космос на такую высоту, что при своем полете они остаются все время над одной точкой земной поверх ности. Правда, из-за большой высоты синхронного спут ника над Землей (около 42 000 км) время прохождения туда радиосигнала уже довольно велико и при передаче могут возникать искажения, связанные с задержкой во времени. В какой степени такие помехи ограничивают возможность применения синхронных спутников, будет видно тогда, когда будут проведены подробные иссле дования.
д) Возмоотые применения в будущем
Радиопередача с помощью спутников связи находит ся сейчас на самом начальном уровне; ее состояние можно сравнить с началом развития радио в двадцатых годах. Новые и далеко идущие перспективы могут от крыться, как только появится возможность существенно увеличить мощность передатчиков на спутниках. Это — в первую очередь проблема источников питания. Сейчас максимально достижимая мощность передатчика радио релейной станции на спутнике лишь около 10 вт. Путем использования ядерной энергии в дальнейшие годы мо жно будет повысить электрическую мощность питания спутников до 30 ч-60 кет. Тогда появится возможность применять на спутниках СВЧ-передатчики с выходной мощностью до нескольких киловатт. Благодаря таким высоким уровням мощности передатчиков трансляцию телевизионных программ со спутников будут в состоянии принимать непосредственно телеабоненты. В современ ные телевизоры для этого придется добавить только малошумящие усилители (параметрические). Вместо существующих необходимо будет применять направлен ные антенны, ориентированные вертикально. В качестве несущей частоты для такой новой техники телевизион ной передачи наиболее целесообразно использовать частоты в области 1000ч-750 Мгц. В ближайшие годы представляется актуальным и вполне реальным осу
142
ществление такого международного и межконтиненталь ного телевизионного вещания.
Применение на спутниках более мощных передатчи ков откроет новые возможности и для других видов радиопередач, включая многочисленные коммерческие и военные применения. Так, будет возможно осущест вление радиосвязи между спутником и наземной стан цией, которая снабжена лишь небольшой направленной антенной (например, параболической антенной с диа метром порядка 1 Л(). При этом можно представить себе небольшие передвижные наземные приемные стан ции, а также станции, которые могут устанавливаться на судах и самолетах. Возможности, которые откроются в будущем благодаря активным спутникам связи, во всяком случае, весьма велики.
5.Межпланетная радиосвязь
Спродолжением освоения космического простран ства, начало которого мы сейчас переживаем, приобре тет значение радиосвязь между Землей и искусствен ными космическими «островками» или с другими пла нетами. Осуществление радиопередач по космическим трассам рождает новые проблемы, которые мы и будем здесь обсуждать.
Основная трудность при установлении радиосвязи в
космосе заключается в большом времени прохождения сигнала, из-за которого уменьшается скорость обмена информацией и ограничивается количество информации. По теореме Шеннона, информационная емкость канала связи дается выражением
С [бит/сек] = В log2 (l + |
, |
(Ю7) |
где величина В характеризует полосу |
передачи |
частот, |
a S/N — отношение «сигнал/шум». Максимальное коли чество информации, которое может быть передано по одному каналу, есть
/ = B/log2(l + |- ) . |
(108) |
|
Время, необходимое |
для передачи, |
составляет f+Atf, |
где At=rjc — время |
прохождения сигнала (г — расстоя |
ние, на которое ведется передача, с — скорость передачи
143
сигнала, равная скорости света). С учетом этого инфор мационная емкость определяется как
C = T ^ B l o g 2(l + - f ) = aB l0&i(l + J - ) , (109)
где а — коэффициент, лежащий между нулем и едини цей. Величина информационной емкости С, характери зующая радиопередачу на Земле или на околоземные объекты, т. е. в условиях, когда время прохождения электромагнитных сигналов очень мало по сравнению с длительностью информации, уменьшается при передаче на астрономические расстояния до значения аС. В табл. 2 даны времена, необходимые для передачи сигналов при допустимом уменьшении информационной емкости на 50% и на 20% по межпланетным трассам.
Т а б л и ц а 2
Времена, необходимые для передачи сигналов на планеты солнечной системы при допустимом 5096- и 20%-ном уменьшении информационной емкости
Необходимое время передачи при уменьшении информа
ционной емкости
Планета
|
на 50% |
|
на 20% |
||
Меркурий |
11 |
мин 42 сек |
1 |
52 |
мин 30 сек |
Венера |
14 |
мин 30 сек |
ч 2 |
мин 30 сек |
|
Марс |
20 |
мин 48 сек |
1 |
ч 31 |
мин 42 сек |
Юпитер |
45 |
мин |
3 ч 33 |
мин |
|
Сатурн |
1 ч 21 |
мин |
6 |
ч 15 мин |
|
Уран |
2 ч 47 |
мин |
11 |
ч 56 мин |
Из-за быстрого движения друг относительно друга обеих конечных точек космической линии радиосвязи возникают аберрация (отклонение) и допплер-эффект. Добиваясь направленности генерируемой наземным пе редатчиком волны, следует учитывать, что Земля дви жется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км!сек и к тому же вращается вокруг своей оси. Если проделать расчет, то можно показать, что направ ление луча претерпевает при этом отклонение примерно на 20 сек. Для космических линий радиосвязи, в которых используются большие параболические антенны и очень короткие длины волн, пренебрегать этой величиной уже
144
нельзя. Отсюда следует, что из-за больших времен про хождения сигнала (от минут до часов) для направления излучения необходимо задавать определенное угловое опережение. Направленные антенны космических линий связи должны иметь возможность поэтому ориентиро ваться в различных направлениях. Эта проблема пра вильной ориентации может быть решена только с по мощью специальной техники автоматического управле ния антеннами.
Допплер-эффект приводит к сдвигу частоты относи тельно частоты /о передатчика:
с
(110)
здесь v — относительная скорость конечных точек линии связи, г — расстояние между ними и с — скорость света. При радиосвязи между Землей и Венерой максимальный допплеровский сдвиг составляет ±0,0216%; на длине волны ?i= 3 см это соответствует сдвигу частоты на 2,16 Мгц. Конечные точки космической линии радио связи должны всегда работать на отличающихся друг от друга частотах. Даже при осуществлении связи с близкими к Земле искусственными спутниками необхо димо учитывать допплер-эффект; чтобы принять сигнал, приемник здесь должен делаться с соответственно боль шей шириной полосы частот.
Наконец, важно знать, какая мощность передатчиков потребуется, чтобы сделать возможными радиопередачи на межпланетные расстояния. Качественные оценки по казывают, что на сантиметровых волнах при мощности передатчика порядка 1000 кет в принципе возможна радиопередача на расстояния до десяти световых лет при условии применения направленных передающих ан тенн с величиной выигрыша от 103 до 104 [15].
Радиопередачи на упомянутые расстояния пока прак тического значения не имеют. Они представляют в пер вую очередь чисто гипотетический интерес. Достаточно обоснованными являются предположения о том, что в космосе существует много планет, на которых, как и на Земле, развивается цивилизация разумных живых су ществ. Возможность вступить в контакт с этими
Щ Г. Клингер |
,145 |
далекими жителями космоса — это, конечно, ослепитель нейшая мысль и волнующая перспектива, открываемая радиотехникой. В США в 1960 г. в течение трех месяцев предпринималось систематическое наблюдение с по мощью большого радиотелескопа радиосигналов от оби тателей далеких планет (проект «Озма»). Поисковый прием проводился на частоте 1420,4 Мгц. На этой ди скретной частоте излучает в космическом пространстве атомарный водород. В основу поисков были положены соображения о том, что обитатели космоса логически должны выбирать для радиопередачи именно эту спек тральную линию. Отрицательный результат этих опытов не удивителен. В конце концов, слишком невероятно, чтобы предполагаемые жители далеких планет захотели вступить с нами в радиосвязь в этот самый, ожидаемый, момент времени, когда у нас в результате исторического развития впервые появились предпосылки для осуще ствления беспроволочного приема сигналов. Много ве роятнее, что эти гипотетически существовавшие разум ные существа давно отказались от попыток установить с нами связь, поскольку на их сигналы никогда не при ходили ответы от жителей Земли. По современным дан ным, другие планеты нашей солнечной системы (Марс, Меркурий, Венера, Юпитер) необитаемы. Ближайшая звезда Альфа Центавра удалена от солнечной системы на расстояние лишь около четырех световых лет. Ве роятность того, что она обладает планетами, населен ными разумными существами, которые могут принять наши сигналы и ответить, исчезающе мала. Только то гда, когда мы сможем перекрывать расстояния порядка 1000 световых лет, появится надежда на то, что наши сигналы кто-то примет. Пока же реализация установле ния радиосвязи на такие гигантские расстояния с имею щимися передающими устройствами лежит за преде лами возможного.
6.Радиопередача по полым волноводам
Вто время как во всех рассматривавшихся выше случаях техника радиопередачи основывалась на рас пространении волн СВЧ в свободном пространстве, в последние годы стал приобретать значение и другой вид дальней передачи, использующий распространение мил-
146
лиметровых волн в полых круглых волноводах [16]. При этом работают на сверхвысоких частотах в области от 30 Ггц (Я= 10 мм) до 300 Ггц (Я=1 мм).
Как было сказано в разделе II. 2а, волна tf0i в круг лом волноводе характеризуется, в отличие от других ти пов волн, той особенностью, что ее затухание с ростом частоты уменьшается. Электрические силовые линии волны #oi в круглом волноводе (см. рис. 12) представ ляют собой замкнутые окружности. Магнитные силовые линии располагаются перпендикулярно электрическим
и замыкаются вокруг них, образуя компоненты, парал лельные оси трубы. Волна #oi в круглом волноводе мо жет быть возбуждена с помощью перехода от прямо угольного волнозода с волной #ю, как это в принципе демонстрируется рис. 82. Из-за изменения формы сече ния полого волновода постепенно изменяется и картина распределения силовых линий, так что волна #ю прямо угольного волновода плавно превращается в волну #ot в круглом волноводе. Трудно добиться, однако, чтобы волна #oi была единственной, т. е. чтобы одновременно не возбуждались другие типы волн. Даже незначитель ные дефекты в изготовлении круглого волновода приво дят к возбуждению других типов, которые отбирают «на себя» часть энергии и увеличивают тем самым по тери при передаче волны #оь Технически изящный путь подавления паразитных типов волн заключается в при менении полого спирального кабеля. Такой «кабель»
10* |
147 |
(волновод) состоит из свитого в спираль изолирован* ного провода толщиной в десятые доли миллиметра. По верхность провода покрыта диэлектриком, обладающим потерями. Важным свойством спирального полого вол новода является хорошая электрическая проводимость вдоль окружности и большое электрическое сопротивле ние в осевом направлении. Поскольку волны в волно воде связаны с высокочастотными токами, текущими по внутренним стенкам либо вдоль волновода, либо по окружности, то могут существовать только те формы волн, которым соответствуют токи текущие по направ лениям с достаточно малым сопротивлением.
В случае волны Н01 в стенках волновода возникают только поперечные круговые токи, продольные же токи, параллельные оси трубы, отсутствуют; поэтому при ма лом затухании такая волна в спиральном трубчатом волноводе возбуждаться может. Большинство же других типов волн связано с продольными токами во внутрен них стенках волновода. Эти паразитные волны в спи ральном волноводе будут сильно затухать.
Существует и другая возможность подавления пара зитных волн — с помощью волноводных фильтров. Они могут состоять, например, из отдельных металлических шайб, толщина которых мала по сравнению с длиной волны. Внутренний диаметр этих шайб делают равным диаметру трубы; друг от друга они изолируются. На практике используется как эта, так и описывавшаяся выше возможность подавления паразитных волн.
Волноводы для дальних линий передач должны иметь диаметр, больший длины волны, потому что затухание с увеличением диаметра падает. Необходимо также, чтобы были малы искажения, связанные со временем распространения, которые определяются дисперсией волн в волноводах. Поскольку каждый волновод имеет граничную частоту, ниже которой распространение волн уже невозможно, диамегр трубы должен выбираться еще и из тех соображений, чтобы граничная частота была много меньше частоты передаваемого сигнала. Граничная длина волны круглого полого волновода с диаметром D для типа tf0i равна примерно Хс=0,82D,
так что, например, при |
диаметре D =b см эта длина |
||
волны составляет около |
^=4,1 см. Волновод |
на |
всей |
длине участка трассы (20-^30 км, от усилителя |
до |
уси |
148
лителя) заполняется азотом при давлении около ОД атм. Сухой азот, в противоположность кислороду и водяному пару, не поглощает миллиметровые волны. Поэтому при распространении миллиметровых волн в круглых волно водах, заполненных азотом, их ослабление значительно меньше, чем при распространении в обычной воздушной атмосфере.
Значение волноводной техники дальней передачи в миллиметровом диапазоне заключается прежде всего в возможности реализации связи в очень широкой по лосе. По волноводам определенной конструкции можно передавать частоты в диапазоне от 30 до 80 Ггц, т. е. полосу частот 50000 Мгц. При этом, применяя соответ ствующие модуляционные преобразования, можно одно временно передавать около 200 телевизионных программ или многие сотни тысяч ведущихся одновременно теле фонных переговоров. Принимая во внимание постоянно возрастающие потребности в телефонных и прочих, пе редающих другую информацию, каналах связи, эта новая ветвь техники дальней передачи приобретает осо бое значение. Можно ожидать, что в ближайшее деся тилетие волноводные системы передачи на миллиметро вых и субмиллиметровых волнах будут составлять существенную часть общей сети радиосвязи.
VI
РАДИОЛОКАЦИЯ
Другой важной областью применения СВЧ-техники являются обнаружение объектов и определение их уда ленности с помощью радиоволн, т. е. радиолокация. Хотя принципы радиолокации были высказаны Хюльсмайером (Hulsmeier) уже в 1904 г., лишь с помощью СВЧ-техники они впервые приобрели практическое зна чение. В наши дни общеизвестны применения СВЧ, основанные на принципах радиолокации, используемые в навигации как вспомогательное средство для управле ния и наблюдения на воздушных и морских трассах, для прецизионного измерения дальности и скорости, а также в метеорологии и геофизике. Если в начале раз вития радиолокации преобладали военные применения, то в последние годы центр тяжести переносится на граж данский сектор воздушного и морского флота. В этой части книги обсуждаются основы радиолокации, по скольку они представляют интерес для вытекающих от сюда многих проблем техники сверхвысоких частот.
1. Принципы радиолокации
Принцип радиолокации основывается на известном из акустики явлении — эхо, который заключается в сле дующем. Электромагнитные волны, излученные радио передатчиком, встретив какое-либо препятствие, отра жаются от него и частично возвращаются к источнику излучения, где они и улавливаются приемником радио волн. Время движения волны от передатчика к цели и обратно к приемнику есть
( " о
где г — расстояние «передатчик — цель» (или равное ему расстояние «цель — приемник») и с ~ скорость распро
151)