УЧЕБНИК САРП100

Рис. 3.15

Следует отметить важную особенность этих разветвлений. Электрические поля в боковых разветвлениях Е – плеча на одинаковых расстояниях от оси симметрии волноводного соединения находятся в противофазе. Напротив, магнитные поля в боковых разветвлениях Н – плеча находятся в фазе. Если нагрузки в обоих плечах одинаковы, то энергия распределяется поровну между боковыми плечами. Эти свойства используются при построении антенных переключателей на основе Т – образных соединений.

Объемные резонаторы и эхо–камеры

Объемный резонатор – это колебательный контур высокой добротности в диапазоне СВЧ.

Объемные резонаторы бывают цилиндрической и прямоугольной формы.

Собственная длина волны цилиндрического объемного резонатора λo = 1,3d, где d – диаметр цилиндра.

Добротность объемных резонаторов, изготовленных из меди, достигает нескольких тысяч.

Объемные резонаторы входят составной частью в конструкцию клистронов, магнетронов, эхо-камер и т. д.

В клистронах и магнетронах объемные резонаторы позволяют получить из высокочастотной энергии синусоидальные колебания нужной частоты.

Эхо-камеры используются для проверки РЛС. Эхо-камера

– это специальный прибор, который представляет собой объемный резонатор высокой добротности, имеющий поршень для

71

настройки, снабженный антенной (рис. 3.15а) или коаксиальной линией для связи с волноводным трактом станции (рис. 3.15б).

Рис. 3.15

Если передатчик РЛС работает, то в резонаторе эхокамеры накапливается энергия за время излучения зондирующего импульса. После окончания зондирующего импульса под действием запасенной энергии в эхо-камере возникают собственные колебания с экспоненциально падающей амплитудой. Эти колебания принимаются приемником РЛС, и на экране индикатора появляется сигнал, имитирующий цель. При непосредственной связи эхо-камеры с волноводным трактом РЛС засветка на экране будет сплошной. Радиус засветки (принято называть «дальность звучания» эхо-камеры) зависит

от длительности звучания эхо-камеры tзв и определяется из соотношения

Dзв=ctзв/2,

(3.19)

где С – скорость распространения радиоволн.

Антенные переключатели

В судовых РЛС с импульсным излучением для передачи и приема сигналов используется одна и та же антенна, поэтому в линии передачи высокочастотной энергии на выходе передат-

72

чика и на входе приемника устанавливаются антенные переключатели.

К антенным переключателям предъявляются следующие требования:

•во время излучения импульсов вход приемника должен быть закрыт;

•во все остальное время приемник должен быть открыт для приема отраженных от целей сигналов, а выход передатчика закрыт, чтобы избежать потери мощности на добавочной нагрузке.

Антенные переключатели должны быть быстродействующими, со временем срабатывания не более 0,01 мкс. Остаточная мощность, которая во время излучения может просачиваться на вход приемника, не должна превышать 0,1 Вт. В противном случае вход приемника может выгореть.

Разработаны и широко используются в радиолокационных станциях несколько типов антенных переключателей, отличающихся по своим техническим характеристикам.

На рис. 3.16 представлены балансные антенные переключатели с двумя высоковольтными газовыми разрядниками ВГР.

Рис. 3.16

При передаче энергии от передатчика оба разрядника ВГР- 1 и ВГР-2 загораются и закорачивают волноводные тракты 1 и 2. Энергия с выхода передатчика через щелевой мост ЩМ-1 будет передаваться в антенну. Часть энергии передатчика просочится через ВГР-1 и ВГР-2, но не будет поступать в канал 3 (на вход приемника). Для этого предусмотрен второй мост

73

ЩМ-2. Половина просочившейся энергии будет поглощаться на нагрузке в канале 4, а вторая половина будет скомпенсирована, т. к. суммируемые высокочастотные колебания находятся в противофазе.

При приеме сигналов газоразрядники остаются разомкнутыми. С учетом фазовых соотношений высокочастотные колебания от антенны, проходя через щели, вычитаются и не поступают на вход передатчика и, напротив, суммируясь, проходят на вход приемника.

Конструктивно газовые разрядники могут размещаться в специальной тройниковой волноводной секции (рис. 3.17).

Рис. 3.17

В последнее время широкое распространение получили антенные переключатели на основе ферритовых циркуляторов

(рис. 3.18).

Рис. 3.18

Смежные волноводные секции 1 и 2 имеют связь через щели ЩМ-1, ЩМ-2. На внешней части одной из секций

74

расположен постоянный магнит, а внутри секции в каждом из каналов находятся ферриты Ф-1, Ф-2. Ферриты выполняют роль фазовращателей. Кроме того имеется фазосдвигающая секция ФСС, обеспечивающая сдвиг фазы высокочастотных колебаний в смежных волноводах на 90о.

Работа антенных переключателей основана на фазовых соотношениях высокочастотной энергии.

Энергия по волноводному тракту от передатчика с учетом действия фазовращателей Ф-1, Ф-2 суммируется с частью энергии, проходящей через щелевые мосты ЩМ-1 и ЩМ-2, и поступает на вход антенны. При приеме сигналов, напротив, сигналы в тракте, идущем к передатчику, находятся в противофазе и вычитаются, а на входе приемника – находятся в фазе и суммируются. Диодные ограничители могут заменяться на газовые разрядники.

3.2. Антенны

Характеристики антенн

Антенна РЛС излучает зондирующие сигналы с выхода передатчика и извлекает отраженную энергию эхо-сигналов, передавая ее на вход приемника.

Судовые антенны РЛС являются направленными и вращающимися. Направленность антенн позволяет при передаче сосредоточить излученную энергию в узком пространстве и получить пространственную избирательность при приеме сигналов.

Вращение антенны в азимутальной плоскости обеспечивает последовательный обзор окружающего пространства.

Направленные свойства антенны определяются коэффициентом направленного действия антенны

G	A	=	Пmax	,	(3.20)
			Пср
			75

где Пmax – плотность потока мощности в направлении максимального излучения; Пср – плотность потока мощности по всем направлениям в случае, если бы антенна была ненаправленной.

Плотность потока мощности есть мощность излучения Р, отнесенная к единице телесного угла:

Пmax =	P	; Пср=	P	,	(3.21)
	αгθ		4π

где, αг , θ – соответственно, углы (в радианах) в горизонтальной и вертикальной плоскостях в направлении максимального излучения.

Отсюда получим:

GA =	4π
			.	(3.22)
	α	θ
	г

Ширина диаграммы направленности антенн с плоским раскрывом (зеркальных, рупорных, щелевых) в той или иной плоскости определяется простым отношением длины волны к раскрыву антенны в рассматриваемой плоскости

αг	=	λ	; θ =	λ	,	(3.23)
		a		b

где а, b – размеры раскрыва антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

После подстановки (3.23) в (3.22) получим:

	G		=	4πab	=	4π	S		,	(3.24)
		A		λ2		λ2		A

где SА = ab – площадь апертуры антенны.

Как видим, коэффициент направленного действия антенны обратно пропорционален квадрату длины волны.

Более тонкую структуру направленных свойств антенны характеризует диаграмма направленности, построенная для

76

всех направлений в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Диаграмма направленности представляет собой зависимость относительной мощности излучения или напряженности поля в разных направлениях на одинаковых от антенны расстояниях. Зависимость нормируется относительно максимальной мощности излучения или максимальной напряженности поля.

Обычно диаграмма направленности строится в полярной системе координат для горизонтальной (азимутальной) и вертикальной плоскостей.

Вводят понятие угла раствора главного лепестка диаграммы направленности по мощности, который образуется двумя лучами, исходящими через точки половинной мощности (рис. 3.19). В случае использования диаграммы направленности по напряженности поля угол раствора αг определяется на уровне 0,707 от максимального значения напряженности поля.

Рис. 3.19

Кроме энергии, излучаемой в главном лепестке, часть энергии излучается в так называемых боковых лепестках. Боковые лепестки приводят к бесполезному излучению части энергии и, что самое главное, могут привести к определению целей на ложных направлениях. Уровень боковых лепестков

77

судовых антенн на 20...30 дБ ниже уровня максимальной мощности в главном лепестке антенны.

В судовых РЛС ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости αг =1...2o , в вертикальной плоскости

– θ = 20...25o .

По требованию ИМО круговая скорость вращения судовых антенн должна быть не менее 20 об/мин, все судовые антенны

вдиапазоне 9 ГГц должны излучать электромагнитные волны с горизонтальной поляризацией.

Поляризация определяет закон изменения во времени направления вектора напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн.

Вид поляризации зависит от типа антенны и ее ориентации

впространстве.

Вобщем случае антенна имеет эллиптическую поляризацию, когда годограф вектора Е имеет форму эллипса (конец вектора Е описывает во времени форму эллипса) (рис. 3.20).

Рис. 3.20

Поле эллиптической поляризации можно представить суммой двух когерентных ортогональных линейно поляризованных полей Еθ, Еϕ, сдвинутых по фазе на угол ϕ. Уравнение

78

q2 −1

эллипса поляризации, связывающее мгновенные значения ортогональных составляющих eθ, eϕ, имеет вид:

e

2

eθ

2

eθ

e

ϕ

+

− 2

ϕ

cosϕ = sin

2

ϕ . (3.25)

Eθ

Eϕ

Eϕ

Eθ

При ϕ = nπ (n = 0, 1, 2,...) поле имеет линейную поляризацию, а при ϕ = (2n+1)π /2 и Еθ = Eϕ формируется поле круговой поляризации. Антенны с круговой поляризацией обеспечивают устойчивый прием зондирующих сигналов при наличии гидрометеоров в атмосфере.

Поляризация антенны характеризуется коэффициентом эллиптичности М и углом наклона υ большой оси эллипса относительно горизонтальной оси eϕ. Коэффициент эллиптичности равен отношению малой полуоси b эллипса к большой полуоси a

M = ba =

где q = Eϕ .

Eϕ

1+ q2	−	(1− q2 )2	+ 4q2	cos2 δ
					, (3.26)
		(1− q2 )2
1 + q2	+		+ 4q2	cos2 δ

Угол наклона большой оси эллипса определяется по формуле:

1 2q cosϕ

δ = 2 arctg . (3.27)

При n = 0, 2, 4... линейно-поляризованное поле направлено вдоль оси х, при n = 1, 3, 5... – вдоль оси y.

Антенны с узкой диаграммой направленности строятся в виде системы дискретных источников, определенным образом питаемых и размещенных в пространстве.

79

Рупорные антенны

Рупорная антенна представляет собой открытый конец волновода с пирамидальной рупорной насадкой.

Пирамидальная насадка обеспечивает согласование волнового сопротивления волновода с волновым сопротивлением окружающего пространства.

Внешний вид рупорной антенны представлен на рис. 3.21.

Рис. 3.21

Плоская волна Н10 в волноводе преобразуется в рупоре в сферическую, которая затем на конце рупора переходит в плоскую, обеспечивая узкую диаграмму направленности луча.

Рупорные антенны используются в сантиметровом диапа-

зоне (4...11 ГГц).

Основное достоинство таких антенн – широкодиапазонность и малый уровень боковых лепестков диаграммы излучения.

Диаграмма направленности рупорных антенн различна для горизонтальной и вертикальной плоскостей.

Более узкая ширина основного лепестка находится в плоскости широкой стороны рупора.

Если плоская сторона рупора находится в горизонтальной плоскости, то ширина диаграммы направленности в горизон-

80