УЧЕБНИК САРП100

тальной и вертикальной плоскостях определяется выражениями:

αг	= 68	λ	; θ = 50	λ	,	(3.28)
		d		b

где αг, θ – в град; λ, b, d – в м.

Коэффициент направленного действия антенны при длине

d 2

антенны R = 2λ максимален и определяется выражением:

GA = 0,81	4πab
	λ2 .	(3.29)

Недостаток рупорных антенн заключается в недопустимо большой длине R.

Так оптимальные размеры рупорной антенны для длины волны λ = 3см, при которой обеспечивается получение

αг =1o , θ = 25o , составят d = 2 м; b = 0,06 м; R = 66 м.

Поэтому в судовых РЛС рупорные антенны используются лишь как облучатели параболических рефлекторов, а также для формирования диаграммы направленности в вертикальной плоскости для щелевых антенн. При этом не требуется узкой диаграммы направленности рупорной антенны, ее размеры могут отличаться от оптимальных.

Рупорная антенна служит также для согласования волнового сопротивления волновода с волновым сопротивлением окружающей среды. Лишь при наличии такого согласования вся энергия будет излучаться в окружающую среду и будут отсутствовать стоячие волны в волноводе.

Напомним, что на критической длине волны λкр = 2a вол-

новое сопротивление волновода с прямоугольным сечение для волны Н10 определяется в виде

81

	ρв =120π	λв	=120π		1				,
		λ		1 −		λ		2
						2a

а волновое сопротивление среды ρср = 120 π.

Выполнение условия ρв = ρср обеспечивается путем увеличения широкой стенки волновода. Если λ/2a<<1, то соотношение λв = λср будет выполнено.

Для этого на конце волновода создается расширение (рупор), образующий так называемую рупорную антенну секториального типа.

По требованию ИМО параметры судовой РЛС по обнаружению целей не должны ухудшаться при качке судна (бортовой или килевой) до ±10о.

Для выполнения этого условия ширина диаграммы направленности судовых антенн в вертикальной плоскости выбирается в пределах 20..25о.

Формирование такой диаграммы направленности осуществляется путем использования рупорных антенн.

Щелевые антенны

В основу создания щелевых антенн положена теория идеальной щели, прорезанной на бесконечном идеально проводящем плоском экране. Щель узкая, ширина щели много меньше ее длины и длины волны λ.

Если прорезать такую щель на стенке волновода, то щель излучает электромагнитные волны в том случае, когда поверхностные токи, протекающие по внутренней стенке волновода, пересекают щель. Направление поверхностных токов перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Для волны Н10 путь поперечной составляющей тока пролегает в плоскости поперечного сечения волновода, однако, на осевой линии широкой стенки волновода поперечная составляющая поверхностного тока отсутствует.

Поляризация волн одинаково ориентированных щели и вибратора различна. Если вертикальный вибратор имеет верти-

82

кальную поляризацию, то вертикальная щель имеет горизонтальную поляризацию.

Если щель будет прорезана вдоль осевой линии на краю широкой стенки или на узкой стенке, то поляризация волн будет вертикальной.

Напомним, что по требованию ИМО радиоволны должны иметь горизонтальную поляризацию, поэтому щели прорезаются на узкой стенке волновода вертикально или с небольшим наклоном.

Наклонная щель возбуждается как продольными, так и поперечными поверхностными токами.

Диаграммы направленности одной щели в горизонтальной и вертикальной плоскостях имеют вид:

F(α) = cos π2 sinα ; cosα

(3.30)

F(θ) = 1.

Для создания узкой диаграммы направленности прорезается множество щелей: щелевые источники объединяются в линейные решетки (многощелевые антенны).

Длина каждой щели и расстояние между щелями равны

λ/2.

Диаграммы направленности многощелевой антенны (число щелей N) по мощности в горизонтальной и вертикальной плоскостях определяются выражениями:

		π					Nπ			2
cos			cosα sin						sinα
		2					2
F(α) =											;
						π
	N sinα sin						sinα
						2					(3.31)
				2π					2
F(θ) =			sin			h sinθ			,
				λ
				83

где h – высота геометрического центра антенны над Землей.

Ориентировочная формула для расчета ширины диаграммы направленности в горизонтальной плоскости для многощелевой антенны

αг =	101			(град) .	(3.32)
		N

В судовых антеннах широко используется при создании многощелевых антенн прорезание наклонных щелей на узкой стенке волновода (рис. 3.22).

Рис. 3.22

Для обеспечения синфазности полей соседние щели имеют наклон в разные стороны под углом 10...15о. При наклоне щелей электрический вектор Е имеет как горизонтальную, так и вертикальную составляющие. Для подавления вертикальной составляющей поля (чтобы излучаемая волна имела лишь горизонтальную поляризацию) применяется волноводный фильтр, состоящий из металлических перегородок, отделяющих щели друг от друга. Расстояние между перегородками d<λ/2.

Эти перегородки не оказывают влияния на горизонтальную составляющую поля, энергия которой свободно проходит через перегородки. Для вертикальной составляющей перегородки образуют так называемый предельный волновод, у которого λ>λ кр =

84

2d, в результате чего электромагнитное поле через волновод не проходит.

По требованию ИМО радиолокационная станция должна обеспечивать на шкале дальности 1,5 мили раздельное отображение на экране двух одинаковых небольших целей, расположенных на одинаковой дальности в пределах 50...100% от номинала шкалы и различающихся по угловому положению не более, чем на2,5о.

Отсюда следует, что ширина диаграммы направленности антенны судовой РЛС в азимутальной плоскости не должна превышать2,5о.

Диаграммы направленности судовых РЛС соответствуют этому требованию и лежат в пределах 1...2о (по уровню половинной мощности).

Для формирования диаграммы в вертикальной плоскости щелевая антенна (как облучатель) работает в комбинации с рупорным отражателем. Рупорный отражатель одновременно выполняет функцию корпуса щелевой антенны. В целях герметизации рупор закрывается диэлектрической пластиной.

Зеркальные антенны

Основными элементами зеркальной антенны являются отражатель и облучатель.

Отражатели чаще всего используются в виде параболоида вращения.

Эти отражатели позволяют получить более узкие диаграммы направленности с меньшими боковыми лепестками, чем, например, зеркала в виде сферы.

В качестве облучателя используются рупорные и щелевые антенны.

Известно, что если в фокус бесконечно большого параболического зеркала поместить точечный источник электромагнитной энергии, посылающий на отражающую поверхность сферическую волну, то отражатель будет излучать плоскую волну. Диаграмма направленности такой антенны имела бы игольчатую форму.

85

На практике размеры зеркала конечны. Кроме того, диаграмма направленности судовой антенны РЛС должна иметь разную ширину в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для расширения диаграммы направленности в вертикальной плоскости зеркало параболоида вращения симметрично обрезают сверху и снизу. В результате получают симметрично усеченный параболический рефлектор, проекции которого приведены на рис. 3.23.

Рис. 3.23

Ширина диаграммы направленности такого рефлектора определяется выражениями:

αг	= 68,8	λ	; θ = 68,8	λ	,	(3.33)
		d1		d2

где αг (град) – ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости;

d1 (м) – размер раскрыва антенны по горизонтали;

θ (град) – ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости;

d2 (м) – размер раскрыва антенны по вертикали.

Так как для судовых антенн РЛС соотношение θ /αг≈20, то сторона рефлектора по горизонтали должна быть в 20 раз больше, чем по вертикали.

Расчеты показали, что уровень боковых лепестков диаграммы направленности существенным образом зависит от величины фокусного расстояния.

86

Рекомендуется выбирать фокусное расстояние fф в преде-

	лах fф = (0,25...0,5)d1.				действия	параболической
	Коэффициент направленного
	усеченой антенны определяется формулой:
	G	A	= 4π	d1d2	μ ,	(3.34)
				λ2

где μ≈0,7 – коэффициент использования апертуры зеркала, связанный с экранированием раскрыва антенны облучателем.

Зеркальные антенны по сравнению с другими видами антенн позволяют использовать один и тот же рефлектор при работе РЛС на нескольких несущих частотах, например, 3 и 10 ГГц. Таким образом, при создании двухдиапазонной РЛС потребуется устанавливать на судне лишь один рефлектор с двумя рупорными или щелевыми облучателями.

Чтобы устранить вредное взаимодействие между облучателем и зеркалом, предусматривают специальные меры, а именно рефлектор наклоняют на угол θ относительно вертикальной плоскости, а облучатель располагают под углом 2θо относительно горизонтальной плоскости. Величина θ≈10...15о

(рис. 3.24).

Рис. 3.24

Линзовые антенны

Линзовая антенна состоит из слабонаправленного облучателя (рупорной антенны) и линзы (плоско-выпуклой или плоско-вогнутой (рис. 3.25).

87

Рис. 3.25

Линза используется для преобразования сферической волны облучателя в плоский волновой фронт апертуры антенны.

Линза изготавливается из диэлектрического радиопрозрачного материала: полистирола, фторопласта. Профиль линзы представляет собой гиперболу или эллипс.

Ширину диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях вычисляют из соотношений:

αг =	65λ	; θ =	51λ	,	(3.35)
	Dr		Dr

где αг, θ – (град), Dr (м) – ширина линзы, Db (м) – высота линзы.

Фокусное расстояние fф , на котором располагается облучатель от плоскости линзы, получают из соотношения:

fф=0,5Db. (3.36)

Обтекатели антенн

Обтекатели предназначены для защиты антенны от воздействия внешней среды. При этом должно обеспечиваться прохождение электромагнитной энергии через обтекатель с наименьшими потерями и минимальными искажениями формы диаграммы направленности антенны. Существующие в настоящее время обтекатели подразделяются на несколько типов, основными из которых являются полуволновые однослойные,

88

тонкостенные, многослойные и обтекатели с низкой диэлектрической проницаемостью.

Хотя обтекатели изготавливаются из диэлектриков, обладающими малыми потерями на СВЧ, установка обтекателя, выполненного даже из лучших радиопрозрачных материалов, приводит к изменению коэффициента усиления антенны, уровню и положению боковых лепестков, ширины и формы диаграммы направленности.

На обтекателях теряется около 10% излучаемой мощности.

3.3. Передающее устройство

Генераторы СВЧ

Передающее устройство судовой РЛС генерирует периодическую последовательность мощных коротких радиоимпульсов. Передатчик состоит из модулятора и генератора СВЧ на импульсном магнетроне.

Периодическое излучение радиоимпульсов обеспечивается с помощью синхронизирующих импульсов, формируемых в синтезаторе частоты опорного генератора.

Опорные генераторы в радиоэлектронных устройствах различного назначения используются для формирования когерентных высокочастотных последовательностей и других видов последовательностей, привязанных к единой шкале времени генератора. Степень когерентности формируемых последовательностей зависит от относительной стабильности частоты опорного генератора f/f, где f – номинал частоты, f – расстройка по частоте. Относительная стабильность частоты кварцевых генераторов (термостатированных или с термокомпенсацией) лежит в пределах 10-7...10-9, атомно-лучевых стандартов частоты – 10-11...10-12. Выходная мощность высокостабильных генераторов мала и исчисляется десятыми долями Вт.

Принципиально новое решение для создания периодической последовательности СВЧ-радиоимпульсов в радиолокационных станциях найдено путем создания импульсных магнетронов. Магнетрон совместно с импульсным

89

модулятором одновременно выполняет функции генератора, модулятора и усилителя мощности. Недостаток магнетрона – плохая стабильность частоты, около 10-4. Излучаемая последовательность импульсов некогерентна, т.к. начальная фаза и частота каждого последующего импульса отличается от начальной фазы и частоты предыдущего импульса. Поэтому судовые РЛС называют РЛС с некогерентным излучением импульсов. Этот недостаток не является существенным, т. к. вся обработка принимаемой информации производится не в высокочастотном тракте приемника, а после детектора. В высокочастотном тракте лишь осуществляется внутриимпульсная фильтрация сигналов. Стабильность частоты передатчика РЛС достаточна для фильтрации высокочастотных импульсов, учитывая возможность подстройки частоты.

Магнетрон – это, упрощенно, диод, обычно цилиндрический, помещенный в магнитное поле.

Магнетрон является генератором сверхвысокой частоты (ГСВЧ) с самовозбуждением и предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию колебаний сверхвысокой частоты.

Преобразование происходит в пространстве взаимодействия 1, находящемся между цилиндрическим катодом С и анодным блоком А (рис. 3.26).

Рис. 3.26

90