Конспект лекцій з дисципліни Пристрої надвисокої частоти та антени

Міністерство освіти і науки МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Криворізький коледж

національного авіаційного університету

 

Конспект

лекцій з дисципліни «Пристрої надвисокої частоти та антени»

^{(повна назва)}

за спеціальністю 5.05090102“Технічна експлуатація радіоелектронного устаткування повітряних суден”

^{(шифр, назва)}

 

Склав викладач: Кутін А. І.

^{(прізвище та ініціали)}

 

Конспект обговорений

на засіданні циклової комісії

Загальнотехнічних дисциплін радіотехніки

^{(повна назва)}

Протокол № ____ від «___»_____20__р.

Голова комісії _____________________

^{(підпис)}

Новіков М. В,

^{(прізвище та ініціали)}

 

 

Кривий Ріг

Лекція № 1

Тема лекції:

«Довгі лінії»

 

План лекції

1.1 Біжучі хвилі в лінії 3

1.2 Стоячі хвилі в лінії 9

1.3 Змішані хвилі в лінії 20

 

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Зміст лекції

1.1 Біжучі хвилі в лінії

Загальні відомості про довгі лінії.

У радіотехнічних ланцюгах із зосередженими параметрами індуктивність, ємність і активний опір зосереджені в котушках індуктивності, конденсаторах,… Радіотехнічні ланцюги в яких параметри розподілені по усій довжині ланцюга… – дротяні (фідери);

Параметри довгих ліній.

На рис. 1.5а і б показані поперечний переріз і умовне позначення двопровідної лінії. Погонні параметри такої лінії розраховують по формулах 3-5, які…   Рис. 1.5 Поперечних розмірів і умовні позначення двопровідної лінії.

Електромагнітне поле в довгій лінії

Як відомо з електротехніки, в просторі, що оточує дроти лінії, існує електричне і магнітне поля. Структура енергетичного поля БХ в двопровідній…   Рис. 1.21 Електромагнітне поле хвилі, що біжить, в двопровідній лінії:

Утворенн і властивості змішаних хвиль.

Лінія неузгоджена з навантаженням Якщо активний опір навантаження не дорівнює хвилевому опору лінії : , то… Графіки зміни напруги і струму уздовж лінії мають вузли і пучності. Проте у вузлах амплітуда більше нуля, а в…

Формувальні і затримуючі лінії.

Формувальні лінії (ФЛ) Якщо лінію, схема якої показана на рис. 1.31а, зарядити від джерела постійної…  

Лекція № 2

Тема лекції:

«Електромагнітних хвилі»

 

План лекції

2.1 Вільне електромагнітне поле. 28

2.2 Структура і параметри. 29

2.3 Властивості радіохвилі 32

 

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Зміст лекції

 

2.1 Вільне електромагнітне поле

Утворення вільної ЭМП

Перетворення змінного магнітного поля на електричне.

Відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея, в провіднику, що перетинається магнітним полем наводиться ЭДС індукції:

 

Її величина пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що перетинає провідник, - 𝑑Ф/𝑑𝑡. Ця зміна може відбуватися або за рахунок руху провідника, або за рахунок руху або зміни в часі магнітного потоку - Ф.

ЭДС - це різниця потенціалів, що виникає на кінцях провідника за рахунок скупчення електронів на одному його кінці і позитивних зарядів, - на іншому.

Сила викликає переміщення електронів по провідникові і зберігає нерівноважний стан (протидіє кулонівським силам взаємного тяжіння різнойменних зарядів) називається напруженістю електричного поля. Наявність провідника не обов'язкова умова існування електричного поля.

 

Рис. 2.1

а) виникнення електричного поля

б) взаємне розташування векторів

 

Електричне поле виникає у будь-якому середовищі, якщо в ній змінюється магнітне поле.

  Тут µа=µ µ0, де µ - відносна магнітна проникненість середовища, а µ0 -… Гн/м

Магнітне поле виникає у будь-якому середовищі, якщо в ній змінюється електричне поле.

Амплітуда напруженості магнітного поля розраховується по формулі:

 

У ній абсолютна діелектрична проникність: ℰ_𝑎=ℰ ℰ₀, де: 𝜀- відносна діелектрична проникність середовища, а ℰ₀ - електрична постійна вакууму. У системі одиниць СІ:

.

Силові лінії магнітного поля завжди замкнуті (поле вихрове) і орієнтовані перпендикулярно е.с.л., охоплюючи їх.

Отже, будь-яке виникнення в просторі магнітного поля, що змінюється, викликає появу електричного, яке, змінюючись, у свою чергу породжує магнітне поле і так далі. Цей процес носить хвилеподібний характер і називається електромагнітною хвилею (ЕМХ).

 

2.2 Структура і параметри

Структура ЕМХ.

У вільному просторі, що оточує випромінюючу антену, виникають поперечні біжучі ЕМХ (типу ТЕМ). Їх структура (рис. 2.3) нагадує структуру поля БХ в двопровідній лінії. Але в даному випадку поле хвилі не пов'язане з направляючими провідниками лінії. Рівняння напруженості полів Е і Н, що утворюють біжучу ЕМХ аналогічні рівнянням БХ струму і напруги в лінії без урахування загасання.

 

Рис. 2.3 Структура ЕМП хвилі ТЕМ у вільному просторі

 

і

Хвилевий опір середовища дорівнює відношенню амплітуди до амплітуди і постійно: .

Воно активне за характером (так як енергія не повертається ГВЧ) і вимірюється в Омах. Дійсно: .

Формулу для розрахунку 𝜌 можна отримати, розділивши рівняння на

 

Звідки: .

У цій формулі - хвилевий опір вакууму. Вичислимо його величину:

Якщо електромагнітні властивості середовища відмінні від властивостей вакууму (µ≠1 або ℰ≠1), то відповідно змінюється 𝜌. Знаючи 𝜌, можна розрахувати напруженість поля Е, по відомій Н, або навпаки. Формула аналогічна закону Ома. Тому, як правило, задають напруженість одного з полів, зазвичай Е.

Швидкість поширення ЕМХ.

Перемноживши рівняння

на отримаємо:

.

Звідки

Остаточно:

У цій формулі – швидкість поширення ЕМХ у вакууме. Розрахуємо її величину

Це і є швидкість світла у вакуумі. Співпадіння швидкостей пояснюється тим, що світло – це різновид ЕМХ.

Вектор П, формула ідеальної радіопередачі.

Поняття про вектор щільності потоку електромагнітної потужності було виведене, стосовно довгої лінії. Для ЕМХ у вільному просторі цей вектор є єдиною енергетичною характеристикою. Користуючись цим поняттям можна вивести формулу ідеальної радіопередачі:

 

З неї слідує що, за ідеальних умов (у необмеженому вакуумі) напруженість поля пропорційна кореню з випромінюваної потужності і обернено пропорційна до відстані від антени передавача. Отримаємо формулу ідеальної радіопередачі для розрахунку напруженості поля хвилі на відстані r від ідеально ненапрямленої антени, що забезпечує рівномірне в усі напрями випромінювання потужності .

 

Рис. 2.4 До виведення формули ідеальної радіопередачі

 

Вектор

З іншого боку згідно з визначенням, вектор П відповідає потужності ЕМХ, що проноситься крізь норрисьний до напряму поширення майданчик в 1м². Оскільки випромінювання на всі боки рівномірне, а поверхня сфери дорівнює 4𝜋𝑟², отримаємо . Прирівнюємо два вирази для П:

.

Звідки і остаточно: .

У реальних умовах напруженість поля залежить також від спрямованості випромінювання антени і загасання хвилі в середовищі.

Уперше гіпотеза про те, що електромагнітні дії поширюються з кінцевою швидкістю була висловлена М. Фарадеем в 1832 році. Розвивав ідеї Фарадея, Д. К. Максвел розробив сувору математичну теорію електромагнітного поля, Г. Герц експериментально підтвердив правильність цієї теорії, А.С. Попов першим в 1895 році застосував ЕМХ для зв'язку.

ЕМХ - особливий вид матерії, існуючий тільки в русі. На відміну від речовини, ЕМХ не мають маси спокою, але, як довів експериментально П. Н. Лебедєв, чинять тиск.

Покажемо, що вільна ЕМХ може існувати тільки в русі. Припустимо, що початкова ЕМХ нерухома в просторі і змінюється тільки в часі. Внаслідок зміни початкових електричного і магнітного полів (Е і Н) виникають наведені поля (∆Е і ∆Н). Їх напруженості пропорційні швидкості зміни початкових полів, тобто першій похідній за часом:

и

 

Рис. 2.5 До пояснення руху ЕМХ

 

Тому, якщо початкові поля змінюються в часі за законом синуса, то наведені - згідно із законом мінус косинуса.

Зробимо тепер графічне складання початкових і наведених полів. В результаті отримаємо графік хвилі зміщеної відносно початкової хвилі на відстань .

Отже, явище електромагнітної індукції призводить до руху вільної ЕМХ в просторі.

 

2.3 Властивості радіохвилі

Основні поняття

Радіохвилі - це електромагнітні хвилі використовувані в радіотехніці. Довжина хвилі це шлях пройдений хвилею за один період або відстань між найближчими точками, в яких коливаннях відбуваються в однаковій фазі: 𝜆=𝑉𝑇=𝑉𝑓.

Довжини радіохвилі знаходяться в інтервалі від 0.1 мм до 100 км, що відповідає частотам від 3кГц до 3ТГц (1ТГц =10¹²Гц, ТГц - терагерц).

Промінь - це лінія співпадаюча з напрямом поширення хвилі. У однорідному середовищі промені прямі і співпадають з напрямом вектору П. В неоднорідному середовищі промені викривляються. Вектор П спрямований по дотичній до викривленого променя.

Фронт хвилі - це поверхня перпендикулярна до променів, на якій усі хвилі співпадають по фазі. У однорідному середовищі усі точки фронту хвилі рівновіддалені від випромінювання. Тому при точковому випромінюванні, фронт хвилі - сферична поверхня, при лінійному - поверхня циліндра, при плоскому - площина. На великих відаленнях від випромінювача невеликі ділянки будь-якого фронту можна вважати плоскими.

 

Рис. 2.6 Площина фронту

 

Поляризація хвилі - відповідає розташуванню в просторі вектору напруженості електричного поля радіохвилі - Е. Норрисьно або вертикально - поляризована хвиля випромінюється вертикально розташованою лінійною антеною. Можливі горизонтальна і похила поляризації. Якщо по міру руху хвилі, вектор Е обертається - поляризація кругова.

Площина поляризації проходить через напрями векторів П і Е.

Площина поширення співпадає з вектором П і перпендикулярна поверхні землі.

Заломлення радіохвилі

Швидкість поширення ЕМХ залежить від діелектричної і магнітної проникності середовища:

Для немагнітних середовищ µ=1. Тоді .

 

 

Рис. 2.7 Заломлення радіохвиль

 

На межі розділу двох середовищ з різними значеннями ℰ відбувається зміна швидкості хвилі, що призводить до зміни напряму, тобто заломленню похилого променя (рис. 2.7 а). Причому якщо ..

Нехай в початковий момент часу похилий фронт хвилі (рис. 2.7 б) досяг межі розділу в точці А і відповідний промінь начал поширяться в новому середовищі. За час 𝑑𝑡, необхідно для того, щоб фронт хвилі досяг межі розділу в точці В, заломлений промінь пройде шлях , а що падає - . Для того, щоб знайти положення фронту заломленої хвилі, проведемо коло радіусу 𝑟₂ з центром в точці А. З точки В проведемо дотичну до цього кола, яке і відповідатиме фронту заломленої хвилі. Як видно з порівняння прямокутних трикутників: .

Тут − кут падіння, а - кут заломлення. Але – 𝑟=𝑉 𝑑𝑡, тому .

Відзеркалення радіохвиль

Дзеркальне відзеркалення виникає при падінні променя з діелектричного середовища на поверхню ідеального провідника.

Рис. 2.8 Дзеркальне відзеркалення радіохвиль

 

В цьому випадку, як і в оптиці, кут падіння дорівнює куту відзеркалення:

 

Граничні умови.

Для подальшого необхідно з'ясувати, умови виникають в точках дзеркального відзеркалення на межі, діелектрик - ідеальний провідник.

Умова 1. Вектор Е перпендикулярний (норрисьний) до поверхні провідника. Дотична (тангенціальна) складова його рівна нулю.

 

Умова 2. Вектор Н паралельний поверхні провідника. Норрисьна складова рівна нулю. Н_н=0

 

Рис. 2.9 До пояснення граничних умов дзеркального відзеркалення

 

Дійсно, якщо - б не виконалася умова 1, то під дією що становить по поверхні ідеального провідника протікав - би струм нескінченно великої величини (оскільки опір відсутній), але це неможливо. Насправді, цей струм збудить магнітне поле, яке перетинаючи провідник наведе в його поверхні ЕРС самоіндукції, якій відповідає зустрічне тангенціальне поле . Якщо провідник ідеальний, то і

Якщо - б не виконувалася умова 2, то норрисьная складова навела - б в поверхні провідника ЕРС, з'явився - б струм і стався - б вищеописаний процес.

Виникнення дзеркального відзеркалення можна пояснити так. При складанні векторів Е і Е_𝑡 отримуємо вектор П₂ співпадає з відбитим променем.

 

 

Рис. 2.10 Просторових діаграм при дзеркальному відображенні

 

2. Часткове відзеркалення виникає на межі розділу діелектричного середовища (чи двох середовищ, що є напівпрові), що напівпроводить. В цьому випадку частина енергії хвилі, що падає, дзеркально відбивається, а інша заломлюється. Якщо межею є земна поверхня, то заломлена хвиля не бере участь в процесі поширення, оскільки її енергія перетворюється на тепло. Тому, чим ближче за властивостями поверхня до тієї, що ідеально проводить (більше прохідність 𝜎) тим менше втрати.

 

 

Рис. 2.11 Часткове відзеркалення радіохвиль

 

3. Дифузне (розсіяне) відзеркалення виникає при падінні паралельних променів на нерівну поверхню. Рисые ділянки поверхні, від яких відбивається промінь, не паралельні один одному. Тому і відбиті промені не паралельні. Їх енергія розсіюється на всіх напрямках.

Серед дифузно відбитих променів є і такі, напрям променя яких протилежний променям, що падають. Саме ці промені приймаються антеною радіолокатора.

Дифузне відзеркалення виникає, якщо виконується умова нерівності поверхні:

 

де: h - середня висота нерівностей поверхні;

– ддовжина хвилі;

– кут підвищення променя.

 

 

Рис. 2.12 Дифузне відзеркалення радіохвиль

 

Чим коротше хвиля, тим більше гладка поверхня відбиває дифузно.

 

Дифракція і інтерференція хвилі

1. Дифракцією називається явище огинання радіохвилями перешкод на шляху їх поширення. Вона виникає коли розміри перешкоди близькі до довжини хвилі і проявляється тим сильніше, чим довше хвиля.

 

 

Рис. 2.13 Дифракція радіохвиль

 

2. Інтерференцією називається явище накладення одина на одну двох хвиль, що випромінюють однією антеною, але що пройшли в просторі різні шляхи.

 

 

Рис. 2.14 Інтерференція радіохвиль

 

На рис. 2.14 показаний випадок, коли антена приймача знаходиться в полі двох хвиль, що інтерферують. Одна з них одноразово, а інша - двократно відбилася від атмосфери (і раз від землі). Електромагнітні поля цих хвиль можуть мати довільний зсув по фазі. Тому амплітуда ЕРС в антені може змінюватися в широкому діапазоні: від максирисьной при складанні синфазних полів, до мінімальної при відніманні у протифазі. У цьому причина т.з. інтерференційних завмирань.

 

Лекція № 3

Тема лекції:

«Хвилеводи, ферити в хвилеводних трактах і об'ємні резонатори»

 

План лекції

3.1 Хвилеводи. 36

3.2 Ферити в хвилеводних трактах. 48

3.3 Об'ємні резонатори. 53

 

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Зміст лекції

 

3.1 Хвилеводи

Утворення хвилеводу

Хвилеводомназивається металева труба або діелектричний стрижень, що використовується як фідерна лінія в діапазоні сантиметрових (і коротших) радіохвиль.

Перехід від лінії до хвилеводів обумовлений різким зростанням втрат енергії в лінії з підвищенням частоти. У двопровідних лініях це втрати на випромінювання і на нагрів дротів. Перші виникають, коли відстань між дротами: , а другі - в наслідку поверхневого ефекту. У коаксіальних лініях випромінювання усувається екрануванням, а втрати на нагрів відбуваються в основному в одному – внутрішньому дроті. Тому такі лінії використовують на дециметрових хвилях. Істотне зменшення втрат можливе якщо з коаксіальної лінії вилучити внутрішній дріт. В цьому випадку вона перетворитися на трубу - хвилевід круглого перерізу.

Графіки зміни постійної загасання при підвищенні частоти для двопровідної, коаксіальної лінії і хвилеводу показані на рис. 3.1а.

 

Рис. 3.1 До порівняння ліній фідерів різних конструкцій

а) за частотними характеристиками загасання;

б) по пробивній напрузі

 

Окрім зменшення втрат, перевагою хвилеводу в порівнянні з коаксіальною лінією, являється збільшення пробивної відстані (рис. 3.1б). Це дозволяє, при однакових габаритах, збільшити амплітуду напруги не менше чим в 2, а передавану потужність - в 4 рази. Остання в діапазоні СМХ може перевищувати сотні кіловат.

1. Можливість перетворення лінії в хвилевід ілюструється рис. 3.2. На нім показана двопровідна погоджена лінія, до дротів якої з двох сторін підключені чвертьхвильові відрізки КЗЛ – металеві ізолятори, що мають величезний вхідний опір. Тому їх підключення і збільшення їх числа, аж до злиття в суцільний короб, не впливає на процес біжучої хвилі, в початковій лінії. Два такі короби з двох сторін лінії і перетворюють її на прямокутний хвилевід. У хвилеводі разом з подовжніми біжучими хвилями, існують поперечні стоячі хвилі в металевих ізоляторах.

 

Рис. 3.2 Утворення прямокутного хвилеводу з двопровідної лінії, що спирається на ряд металевих ізоляторів

 

2. Типи хвиль в хвилеводі. Уявимо собі утворення прямокутного хвилеводу з двопровідної лінії що складається з двох етапів. На першому етапі (рис. 3.3а) ми розширюватимемо дроти лінії, перетворюючи їх на широкі стінки хвилеводу, структура ЕМХ від цього не порушиться. Хвиля залишиться поперечно-електромагнітною (типу ТЕМ).

На другому етапі наближатимемо до широких стінок вузькі. У момент їх з'єднання виникає екран, через який м.с.л. не можуть вийти за межі хвилеводу. Тому хвиля типу ТЕМ не може існувати в хвилеводі.

Враховуючи, що м.с.л. мають бути замкнуті і що м.с.л. і е.с.л. мають бути взаємно перпендикулярні, можна уявити собі два можливі типи хвиль.

Хвиля типу Н (чи ТЕ) - подовжня магнітна (чи поперечна електрична). Електричне поле розташоване в площині поперечного перерізу, а електричне має подовжню складову (рис. 3.3б).

Хвиля типу Е (чи ТМ) - подовжня електрична (чи поперечна магнітна) магнітне поле розташоване в поперечному перерізі, а електричне має подовжню складову (рис. 3.3в).

 

Рис. 3.3 Хвиль:

а) ТЕМ

б) Н (ТЕ)

в) Е (ТМ)

 

Хвиля Н₁₀ в прямокутному хвилеводі

Позначення хвилі.

Як вже відзначалося, уздовж хвилеводу поширюється біжуча хвиля, а в поперечному перерізі існує стояча. Позначення хвиль в прямокутному хвилеводі буквено-цифрове. Буква вказує тип хвилі (Н - подовжня магнітна, Е - подовжня електрична). Перша цифра індексу - число стоячих півхвиль уздовж широкої стінки хвилеводу ( - півхвиля одна). Друга цифра індексу - число стоячих півхвиль уздовж вузької стінки хвилеводу (0 – поле не змінюється) (рис. 3.5а). Хвиля Н₁₀ знаходить найбільш широке застосування, оскільки для її отримання потрібно хвилевід з найменшими поперечними розмірами.

Утворення і структура хвилі.

Поширення хвиль в хвилеводі відбувається шляхом багатократного дзеркального відзеркалення початкової хвилі від бічних стінок хвилеводу. На рис. 3.4 показаний один з безлічі паралельних багатократних променів.

 

Рис. 3.4 До утворення подовжньої хвилі в хвилеводі

 

 

Рис. 3.5 Структура і графіки

а) електричного поля поперечно-стоячої хвилі

б) і в) - електричного і магнітного полів подовжньої біжучої хвилі

 

Структура ЕМХ в хвилеводі є результат інтерференції (накладення) полів хвиль, що падають і відбитих. На рис. 3.5 показані структури і графіки зміни напруженостей полів Е і Н подовжньою і поперечною хвиль для фіксованого моменту часу. З часом подовжня хвиля переміщається уздовж осі хвилеводу, а поперечна змінюється по амплітуді і напряму полів, залишаючись нерухомою. На стінках хвилеводу виконуються наступні граничні умови: Е_t = 0 і Н_N =0. В точках перетину м.с.л. перпендикулярні е.с.л.

 

 

Рис. 3.6 До визначення параметрів хвилі Н₁₀ в прямокутному хвилеводі

 

3. Поширення і параметри хвилі Н₁₀

1). Початкові співвідношення. На рис. 3.6 показаний багаторазово відбитий промінь і два положення фронту хвилі Фр1 иФр2. Розглянемо прямокутний трикутник АВD. Його вершини А і В належать фронту Фр2, тому коливання в точках А і В повинні співпадати по фазі. Для виконання цієї умови необхідно щоб на шляху Р + S зміна фази складала 360^о, тобто, щоб довжина шляху дорівнювала довжині хвилі: Р + S = l.

Но, з DАВD; P = S cos(2Q), а з DGDB: S=a/cosQ, де а = GD - ширина хвилеводу.

Підставивши значення Р і S в початкове рівняння отримай:

 

2). Критична (найбільша) довжина хвилі. З останньої рівності: , отримаємо: . Отже кут падіння і відзеркалення променів - залежить від довжини хвилі - , ширина хвилеводу а. Чим довше хвиля, тим менший кут . Якщо , то існує тільки поперечна - стояча хвиля, а що біжить - подовжньої хвилі немає.

В цьому випадку

 

Отже хвилевід пропускає хвилі завдовжки , частоти .

3). Групова швидкість - . Це швидкість поширення енергії уздовж осі хвилеводу. Тепер розглянемо прямокутний трикутник ЕАВ, виділений на рис. 3.7а. Його катет ЕА співпадає з напрямом променя, що падає. Довжина ЕА дорівнює шляху, пройденому променем за деякий час :

ЕА = с (с - швидкість світла)

За цей же час енергія хвилі уздовж осі хвилеводу переміститься на відстань ЕF, рівну проекції шляху на напрям подовжньої осі. З DЕFА отримуємо:

ЕF = = ЕА = с = kс .

Для скорочення записи позначено:

 

при

Остаточно:

Оскільки , то .

Енергія ЕМХ переміщається в хвилеводі повільніше, ніж у вільному просторі.

4). Фазова швидкість - . Це швидкість зміни фази уздовж осі хвилеводу.

За теж час , фронт хвилі (рис. 3.4) переміститься з точки Е в точку В. Разом з фронтом переміститься і фаза хвилі, тому: ЕВ = . З DЕАВ, гіпотенуза:

ЕВ = ЕА/ = ЕА/k = с /k

Тому

Оскільки ,

Добуток: .

5). Довжина хвилі в хвилеводі - . Це шлях пройдений хвилею, що біжить, уздовж осі хвилеводу за один період.

 

Рис. 3.7 До визначення фазової і групової швидкостей хвилі

 

З подібності трикутників рис. 3.7 слідує що , але , тому

.

Хвиля в хвилеводі довша, ніж у вільному просторі.

6). Хвилевий опір хвилеводу.

Як і для вільної ЕМХ: . Проте в хвилеводі напруженості Е_в і Н_в складаються з напруженостей полів падаючої і відбитої хвиль. Як видно з рис. 3.8а, електричні поля цих хвиль розташовані у вертикальній площині (уздовж стінки ), співпадають по напряму і складаються арифметично: Е = 2Е.

Магнітні поля, розташовані в горизонтальній площині (уздовж стінки ), перетинаються під кутом і складаються векторно. Тому: Н_в = 2kН. Підставивши ці значення у формулу отримаємо:

 

Отже і виникає необхідність узгодження з вільним простором.

 

Рис. 3.8 До визначення хвилевого опору хвилеводу

 

Вибір поперечних розмірів хвилеводу.

Ширина хвилеводу - вибирається і умови: .

Якщо вибирати: , то виявиться, що і хвиля поширяться в хвилеводі не буде.

Якщо вибрати: , то уздовж стінки поширюватиметься дві стоячих півхвиль, тобто виникне хвиля Н₂₀, що небажано.

Практично вибирають: .

Висота хвилеводу - , Якщо вибрати , то виникне хвиля Н₁₁. При зменшенні зменшується допустима передавана потужність із-за небезпеки пробою. Практично вибирають:

Приклад: Вимагається вибрати оптирисьні розміри і визначити параметри прямокутного хвилеводу з хвилею Н₁₀, якщо .

Відповідь:

 

Класифікація хвиль в хвилеводі

Прямокутний хвилевід.

Окрім хвилі основного типу Н₁₀ в прямокутному хвилеводі можуть виникати хвилі вищих порядків: подовжні магнітні або електричні. Вони позначаються Н_mn або Е_mn,

де: m - число стоячих півхвиль уздовж стінки ;

n - теж уздовж стінки .

 

Рис. 3.9 Структур хвиль Н₁₁ і Е₁₁ в прямокутному хвилеводі

 

Пиричиною виникнення цих хвиль може бути неправильний вибір поперечних розмірів хвилеводу або робочих частот. Вони виникають і на частотах вищих гармонік. Їх наявність небажана, оскільки вона призводить до появи відзеркалень від навантаження, яке для них виявляється неузгодженим і, як наслідок, до зниження ККД хвилеводу і зворотній дії на ГВЧ.

Приклад: На рис. 3.10 показані структури ЕМП поперечних і подовжніх перерізах прямокутного хвилеводу. Вимагається побудувати епюри полів Е і Н в поперечних перерізах і записати позначення хвилі.

 

 

Рис. 3.10 До прикладу

 

Відповідь: хвиля H₂₀

 

Круглий хвилевід.

Позначення хвиль Н_mn і Е_mn в круглому хвилеводі відрізняється тим, що тут:

m - число стоячих півхвиль уздовж периметра кола;

n - те ж уздовж діаметру кола.

Найбільш широке застосування на ходять хвилі Е₀₁ і Н₁₁ (рис. 3.11)

Хвиля Е₀₁ має осьову симетрію. Тому її структура не порушується при обертанні хвилеводу, що використовується в з’єднанні хвилеводів, що обертаються.

Хвиля Н₁₁ легко перетворюється на хвилю Н₁₀ в прямокутному хвилеводі плавному зміною форми перерізу з круглої в прямокутну.

 

 

Рис. 3.11 Структур полів хвиль а) Е01 і б) Н11 в круглому хвилеводі

 

Елементи хвилеводних трактів

Хвилеводний тракт сполучає вихід передавача НВЧ з антеною і антену з входом приймача. У нього, окрім хвилеводів, входять елементи що забезпечують збудження хвиль, узгодження, розгалуження і з'єднання хвилеводів.

Збудження хвилеводів

Збудником хвилі в хвилеводі є випромінювач - проста антена - що живиться від генератора НВЧ безпосередньо або через короткий коаксіальний фідер. Збудник має бути погоджений з ГВЧ і хвилеводом і ефективно випромінювати радіохвилі. Широко застосовуються три способи збудження.

1). Збудження штирем (рис. 3.12)

Штир- внутрішній дріт коаксіального фідера вводиться в хвилевід паралельно стінці , в цьому випадку електромагнітне поле відповідає полю хвилі Н₁₀. На НВЧ короткий провідник інтенсивно випромінює радіохвилі.

Поршень П1 розташовують на відстані від штиря. У цьому випадку відбита від поршня хвиля співпадає по фазі і складається з хвилею такою, що безпосередньо випромінює у вправо від штиря. Зрушення фази хвилі що випромінює вліво складає 360^о, оскільки на 180^о фаза змінюється при відбиванні і ще на 180^о на шляху від штиря до поршня і назад.

Положення поршня П2 вибирають так, щоб забезпечити біжучу хвилю, у фідері.

 

 

Рис. 3.12 Збудження хвилеводу штирем

 

2). Збудження зондом (рис. 3.13).

Зонд- це розімкнений на кінці внутрішній дріт лінії. Його довжина - глибина занурення підбирається так, щоб у фідері виникла біжуча хвиля. У іншому цей спосіб збудження близький до попереднього.

 

 

Рис. 3.13 Збудження хвилеводу зондом

 

3) Збудження петлею (рис. 3.14).

Петля- виток розташований в площині стінки , є магнітним збудником. Його магнітне поле розташоване паралельно стінці і співпадає з полем хвилі Н₁₀. Узгодження фідера з хвилеводом забезпечується підбором розмірів і глибини занурення петлі.

 

 

Рис. 3.14 Збудження хвилеводу петлею

Узгодження хвилеводу з навантаженням.

Елементи, що погоджують, забезпечують отримання біжучої хвилі, в хвилеводі, коли вхідний опір навантаження не дорівнює хвилевому опору хвилеводу.

За принципом дії елементи хвилеводів, що погоджують, буваю - діафрагми і гвинти (рис. 3.15) нагадує реактивні шлейфи використовувані для узгодження лінії з навантаженням.

 

 

Рис. 3.15 Схем узгодження хвилеводів

 

У неузгодженому хвилеводі, що розузгодився, встановлюється режим змішаних хвиль. У цьому режимі співвідношення між напряженностями полів Е_в і Н_в не постійно. Воно змінюється залежно від відстані від навантаження. Елемент, що погоджує, встановлюється на такій відстані де активна складова вхідного опору хвилеводу, дорівнює його хвилевому опору. У цих умовах для отримання біжучої хвилі, досить компенсувати реактивну складову, створивши рівну їй, але протилежний за характером опір (провідність). Ємнісні діафрагми (рис. 3.15 б і в) зближують широкі стінки хвилеводу збільшуючи емність і поле Е_в.

Індуктивні діафрагми (рис. 3.15 г і а) - звужують хвилевід, концентруючи магнітне поле Н_в.

Поєднання таких діафрагм дозволяє отримати резонансний отвір (рис. 3.15 д), який за властивостями нагадує налагоджений паралельний коливальний контур.

Настроювальний гвинт (рис. 3.15 е) може вносити в хвилевід різне за характером і величині опір залежно від глибини його занурення . Якщо - воно ємнісне, якщо - індуктивне, якщо - послідовний резонанс.

З'єднання хвилеводів.

1). Фланцеве з'єднання нерухомих однотипних хвилеводів (рис. 3.16) повинне забезпечити точний збіг хвилеводів, що сполучаються, і хороший, непорушуваний контакт. Інакше можливе виникнення відзеркалення або пробою.

 

Рис. 3.16 Фланцеве з'єднання прямокутних хвилеводів

 

2). Дросельно-фланцеве з'єднання (рис. 3.17) надійніше. Завдяки наявності півхвильового короткозамкнутого шлейфу з нульовим вхідним опором (у точці ) забезпечується надійний контакт між недотичними хвилеводами. Шлейф складається з кільцевої канавки глибиною і поглиблення , довжина якого так само рівна в середині широкої стінки хвилеводу (у пучности напруги).

 

Рис. 3.17 Нерухоме дросельно-фланцеве з'єднання хвилеводів

 

3). Обертаюче з’єднання. Антена літаковою панорамною РЛС повинна обертатися або сканувати по азимуту. При цьому хвилі в хвилеводі не повинні порушуватися. Таку властивість має хвиля в круглому хвилеводі. З’єднання (рис. 3.18) забезпечує передачу енергії від нерухомого хвилеводу з хвилею Н₁₀ сполученого з ГНВЧ в рухливий, сполучений з антеною. Хвиля Н₁₀ з вхідного прямокутного хвилеводу (3) переходить в круглий хвилевід (2), збуджуючи в нім подовжнє поле Е хвилі Е₀₁. Через дросельно-фланцеве з’єднання (5), що обертається, хвиля Е₀₁ переходить у верхню рухливу частину круглого хвилеводу, а з нього в прямокутний хвилевід сполучений з антеною, перетворюючись в хвилю Н₁₀. Гвинти (1) забезпечують узгодження хвилеводів. Резонансні кільця (2) перешкоджають виникненню хвиль інших типів.

 

Рис. 3.18 Обертаюче з’єднання хвилеводів

 

Розгалуження хвилеводів

1). Хвилеводні трійники (Т-подібні відгалужувачі). Використовуються для відгалуження частини енергії з головного хвилеводу в додатковий ланцюг, для забезпечення узгодження і вимірів. Можливі два різновиди трійників.

Трійник типу Е (рис. 3.19). Відгалужувач (плече Е) розташований перпендикулярно широкій стінці головного хвилеводу. При збудженні головного хвилеводу з плеча Е, поля в точках головного хвилеводу, рівновіддалений від плеча Е, виявляються протифазами (протилежні напрями е.с.л. на рис. 3.19).

 

Рис. 3.19 Конструкція (а), еквівалентна схема (б) Т-подібного відгалуження (трійника) типу Е і розподіл силових ліній електричного поля в нім (в)

 

Трійник типу Н (рис. 3.20). Відгалужувач (плече Н) розташовано в площині широкої стінки головного хвилеводу. При збудженні з плеча Н, поля в симетричних точках головного хвилеводу синфазны.

 

Рис. 3.20 Конструкція (а), еквівалентна схема (б) Т-подібного відгалуження (трійника) типу Н і розподіл силових ліній електричного поля в нім (в)

 

Подвійний трійник (рис. 3.21) - поєднання трійників типу Е і Н. Головна властивість подвійного трійника - взаємна розв'язка протилежних плечей при збалансованому навантаженні двох інших.

Нехай симетрично навантажені плечі головного хвилеводу збуджуються з плеча Е. Енергія порівну розподіляється між ними не проникаючи в плече Н, оскільки для його збудження потрібно синфазні поля, а хвиля з плеча Е створює в головному хвилеводі - протифази. Аналогічно хвиля з плеча Н не проникає в плече Е. Тому подвійний трійник називаю хвилеводним мостом.

Якщо ГНВЧ включити в плече Е, індикатор - в плече Н, плече-1 навантажити еталонним, а плече - 2 вимірюваним опором, то показання індикатора будуть тим більше, чим більше відрізняються ці опори. На цьому заснований метод мостового виміру опору і К_св на НВЧ.

Можна показати, що плечі 1 і 2 мають такі ж властивості, відносно плечей Е і Н

 

Рис. 3.21 Хвилеводний міст

 

2. Хвилеводний кільцевий міст (рис. 3.22)

Представляє собою кільцевий хвилевід сполученим з чотирма хвилеводами. Енергія хвилі з головного хвилеводу (плече-1) розгалужується порівну в два півкільця. На вхід кожного відгалужувача діє дві хвилі. Якщо їх поля синфазны, у відгалужувачі виникає хвиля, якщо противофазны - ні. Умова синфазности: різниця шляхів пройдених хвилями по кільцю дорівнює нулю або цілому числу . Умова противофазности: ця різниця дорівнює непарному числу . Так при збудженні з плеча-1, хвилі виникають у відгалужувачах 2 і 4.

 

Рис. 3.22 Хвилеводний кільцевий міст

 

Приклад: В яких відгалужувачах кільцевого моста виникнуть хвилі, при його збудженні з плечей: а) 2; б) 3; в) 4.

Відповіді: а) В 1 і 3; б) В 4 і 2; в) В 1 і 3.

 

3. Направлений відгалужувач. (рис. 3.23). Головний хвилевід пов'язаний з відгалужувачем через два отвори, розташовані на подовжній осі широких стінок, на відстані . Частина енергії прямої хвилі переходить у відгалужувач через ці отвори. Енергія відбитої від навантаження хвилі в хвилевід відгалужувача не проникає, оскільки різниця шляхів відбитих хвиль що пройшли через 1 і 2 отвори рівні і вони противофазны. Поглинаюче навантаження в закритому кінці відгалужувача запобігає повторному відзеркаленню.

Якщо поміняти місцями хвилевід відгалужувача і поглинаюче навантаження, то в хвилевід проникатиме тільки відбита хвиля, а пряма поглинеться.

 

Рис. 3.23 Спрямований хвилеводний відгалужувач

 

Особливості полосковых і діелектричних хвилеводів

1. Полосковые хвилеводи. Знаходять усе більш широке застосування в рисогабаритному РЕО НВЧ. Поперечні перерізи несиметричної і симетричної полосковой лінії показані на рис. 3.24

 

Рис. 3.24 Різновиди полоскових хвилеводів: а) і б) симетричні;

в) несиметричний

 

Лінія складається з тонкого полоскового провідника і металевого екрану (основи) розділений тонким шаром діелектрика. У таких лініях поширюються поперечні хвилі близькі хвилям типу ТЕМ. Тому критичної хвилі немає і діапазон хвиль ширше чим у металевих хвилеводів: від МХ до СМХ.

До переваг таких ліній можна віднести: габарити, вагу, вартість, друкарську технологію виготовлення, конструктивну сумісність з микроминиатюрными компонентами, широку смугу пропускання, відсутність побічних типів хвиль. Їх недоліками є: менша передавана потужність і більше загасання, ніж у металевих хвилеводів. Незважаючи на це вони дуже перспективні для бортового устаткування і широко застосовуються в сучасних зразках.

 

Рис. 3.25 Діелектричний хвилевід: а) відзеркалення і заломлення променів на поверхні хвилеводу; б) структура поля хвилі Н₁₁ в поперечному і в) подовжньому перерізах хвилеводу.

 

2. ППДМЄД?іелектричний хвилевід (3.25) є стрижнями круглого перерізу з діелектрика з рисими втратами. На межі діелектрик-повітря відбувається часткове відзеркалення, часткове заломлення променя. Чим більше відношення тим більша частина енергії поширюється усередині хвилеводу за рахунок багатократного відзеркалення. Оскільки у діелектрика , швидкість і довжина хвилі в хвилеводі менші, ніж в повітрі:

і

Структура хвилі така, що як електричні, так і магнітні поля мають подовжню складову. Тип хвиль НЕ₁₁.

Попри те, що загасання в діелектричному хвилеводі більше, ніж в металевому, його застосування стає доцільним на міліметрових і коротших хвилях. У зв'язку з тим, що виготовлення металевих хвилеводів для цих діапазонів зв'язане зі значними труднощами.

У діапазоні світлових хвиль діелектричний хвилевід перетворюється на світлопровід - тонку скляну нитку, по якій світловий промінь поширюється майже без втрат на значні відстані. Багатожильні волоконні світлопроводи вже зараз знаходять застосування для передачі світлових сигналів. У перспективі вони можуть успішно конкурувати з лініями електрозв'язку.

 

3.2 Ферити в хвилеводних трактах

Властивості феритів

Ферити - це речовини, що отримуються при спіканні окислу заліза з окислами марганцю, магнію, міді, цинку або кадмію. Це феромагнітні матеріали напівпровідникового типу з високим питомим опором (до 10⁷ Ом∙см). Завдяки цьому, а також нікчемним втратам на гістерезис, ферит - єдиний з магнітних матеріалів здатний пропускати ЕМХ НВЧ діапазону з малими втратами.

2. Намагнічення фериту. Як і у будь-якому феромагнетику, у фериті під впливом зовнішнього намагнічуючого поля Н_о, прицьому відбувається орієнтація внутрішніх елементарних полів по напряму Н_о, в результаті якої поле посилюється в раз.

Проте у фериті цей процес має цікаві особливості. Внутрішні поля у фериті створюються за рахунок обертання електронів навколо своєї осі - спіна.

Магнітний момент електрона - М_н спрямований по осі його обертання на зустріч механічному моменту М_мех, обумовленому обертанням маси електрона (рис. 3.26а).

 

Рис. 3.26 До пояснення прецессии електрона

 

Під дією намагнічуючого поля виникає сила, що прагне поєднати магнітні поля по напряму. Це призводить до поєднання осі обертання електрона О^/О^// з вектором Н_о. Завдяки наявності механічного моменту, відбувається процес що називається прецессией електрона, в ході якого проекція осі О^/О^// описує на площині перпендикулярною до Н_о спіральну лінію. Прецессия тривати біля 0,01с. кругова швидкість - частота обертання по спіралі називається частою феромагнітного резонансу. Вона пропорциоанальна напруженості поля, що намагнічує:

f_o[МГц] » 3,5Н_о [А/м]

з цією частотою відбувається загасання коливань горизонтальною (на рис. 3.26) складовою вектору М_н (М_нt)

Приклад: Розрахувати частоту f_o і довжину хвилі, що відповідає їй, якщо Н_о = 2,85×10³ А/м.

Відповіді: f_o = 10⁴ МГц; см.

3. Ферити в електромагнітному полі НВЧ

1). Розкладання поляризованої хвилі. На рис. 3.27 показаний процес додавання двох хвиль магнітного поля рівних по амплітуді і по частоті, що мають кругову поляризацію в зустрічних напрямах: Н₊ - по напряму, а Н_– - проти напряму годинникової стрілки. Як видно з побудови, в результаті складання виникає плоскополяризована хвиля. Отже, будь-яку плоскополяризовану хвилю можна розкласти на дві рівні хвилі із зустрічною круговою поляризацією.

 

 

Рис. 3.27 Розкладання плоскополяризованої хвилі на дві хвилі із зустрічною круговою поляризацією

 

2). Властивості феритів в полі НВЧ. Якщо плоскополяризована хвиля частоти f проходить крізь феритовий стрижень у напрямі поля Н_о, то магнітне поле перпендикулярно Н_о. Тому поля Н₊ і Н_–, що обертаються лежать в «площині прецессии» – в одній площині з горизонтальною складовою M_нt. Одне з них (наприклад – Н₊) обертається у напрямі прецессии, інше - в протилежному. Поле Н₊ викликає вимушену прецессию електронів з частотою f. Якщо плавно збільшувати напруженість поля Н_о, то частота f_o, підвищуватиметься і, при певному значенні Н_о рез, виявиться, що f_o=f і настане феромагнітний резонанс. При резонансі амплітуда прецессии виявиться максимальною. На це хвиля Н₊ витрачатиме значну частину своєї енергії. За рахунок резонансного поглинання загасання хвилі різко зростає (рис. 3.28б)

 

 

Рис. 3.28 Графіків залежностей від напруженості намагнічуючого поля:

а) магнітної проникності;

б) постійною загасання фериту

 

Вщо стосується магнітної проникності фериту (3.28а), то вона виявляється дуже різною для хвиль Н₊ і Н_– (m₊ і m_–). Хвиля Н_– майже не взаємодіє з полями електронів, тому і майже не залежить від Н_о. Хвиля Н₊ взаємодіє, тому результуюче поле цієї хвилі, а разом з ним і m₊, змінюється в широких межах не лише за величиною, але і по знаку.

4. Ефект Фарадея. У 1845 році М. Фарадей виявив, що якщо промінь світла направити уздовж магнітного поля, то площина поляризації обертається.

Кут повороту пропорційний напруженості поля, а напрямі повороту не залежить від напряму променя світла.

Використання цього ефекту для обертання площини поляризації радіохвиль НВЧ стало можливим завдяки застосуванню феритів.

На рис. 3.29 показаний феритовий стрижень намагнічений полем Н_о, в якому поширюється плоскополяризована хвиля. Оскільки проникність m₊ і m_– не рівні, то не рівні і фазові швидкості и . Це означає, що у міру просування по стрижню, вектори і обернуться на різні кути і результуючий вектор (тобто площина поляризації) обернеться тим більше, чим більше Н_о і чим довше стрижень. Перевагою пристроїв що використовують ефект Фарадея в тому, що вони працюють в дорезонансной області (Н_о < Н_{о рез}) і не вимагають сильних магнітних полів. Їх недолік - значні габарити.

 

 

Рис. 3.29 До пояснення ефекту Фарадея

 

Застосування феритів

 

1. Циркуляторы - це багатоканальні пристрої, в яких ЕМХ поширюються з одного каналу в інший тільки в певній послідовності. Наприклад в четырехплечем циркуляторе може бути реалізована така послідовність 1-2-3-4-1-...

Поляризаційний циркулятор заснований на використанні ефекту Фарадея. Його пристрій показаний на рис. 3.30а

Чотири плечі утворені прямокутними хвилеводами з хвилею Н₁₀. Для того, щоб потрапити в чергове плече, хвиля повинна пройти через феритовий подовжньо-намагнічений стрижень розташований в круглому хвилеводі. У нім виникає хвиля Н₁₁, яка легко трансформується з хвилі Н₁₀ за рахунок плавного переходу від прямокутного до круглого хвилеводу. Хвилевід кожного наступного плеча повернений відносно попереднього на 45^о. На такий же кут обертається і площина поляризації хвилі феритовим стержнем за рахунок ефекту Фарадея. Послідовні положення полів відносно полів плечей циркулятора показані на рис. 3.30б

 

 

Рис. 3.30 Поляризаційний циркулятор:

а) пристрій;

б) структури електричного поля

 

Y – циркулятор (рис. 3.31) це три хвилеводи сполучених під кутом 120^о. У центрі намагнічений феритовий стрижень. Якби не було ферритора то енергія хвилі поступає з одного плеча, порівну розподілялася б між іншими. За наявності фериту поле НВЧ в кожному плечі складається з первинного і перевипроміненого феритом. При правильному підборі підмагнічування ці поля складаються в лівому від вхідного плечі і знищуються в правому. Так забезпечується послідовність: 1-2-3-1…

 

 

Рис. 3.31 Y - циркулятор:

1, 2, 3 – плечі трійника; 4 - ферит; 5 - діелектрик

 

2. Фазообертач.Феритовий фазообертач складається з хвилеводної лінії, що містить намагнічений ферит. Управління фазою НВЧ коливань здійснюється шляхом зміни поля, що намагнічує, в наслідку чого - магнітній проникності фериту, що веде до зміни фазової швидкості хвилі і фазового зрушення в хвилеводі.

Фазообертачі, що забезпечують однакове фазове зрушення фази для хвилі будь-якого напряму називаються взаємними. Якщо він різний - невзаємними.

 

 

Рис. 3.32 Взаємний фазообертач

 

Взаємний фазообертач поляризаційного типу (рис. 3.32) заснований на використанні ефекту Фарадея. Його особливість в тому, що дві половини феритового стрижня намагнічуються в зустрічних напрямах. Тому повороти площини поляризації також виявляються зустрічними і взаємно компенсуються, а тимчасова затримка і фазове зрушення зберігаються не залежно від напряму хвилі.

Невзаємний фазообертач з поперечним намагніченням феритової пластини зміщеної відносно осі хвилеводу (рис. 3.33). У нім використовується та обставина, що магнітна проникність фериту m₊ і m_– для хвиль різного напряму різна. Тому різними виявляються і фазові зрушення.

 

 

Рис. 3.33 Прямокутний хвилевід з феритовою пластинкою

 

3. Феритові вентилі. Це пристрої, що забезпечують проходження ЕМХ переважно в одному напрямі.

Поляризаційний вентиль. Відрізняється від циркулятора (рис. 11.30) тим, що має тільки два плечі: 1 і 2. Пряма хвиля з виходу - 2 на вхід - 1 не проходить, оскільки після повороту площини поляризації на 90^о (двічі на 45^о) її електричне поле зорієнтоване уздовж широкої стінки хвилеводу (рис. 3.34)

 

 

Рис. 3.34 До пояснення принципу роботи поляризаційного вентиля

 

Резонансний вентиль (рис. 3.35). У цьому вентилі за рахунок застосування сильного магніта забезпечується феромагнітний резонанс і пов'язане з ним різке збільшення втрат енергії хвилі одного напряму. Напрям м.с.л. цієї хвилі співпадає з напрямом прецессии.

Крім хвилеводів, феритові пристрої можуть бути використані у поєднанні з лініями фідерів або полосковыми.

 

Рис. 3.35 Облаштування резонансного вентиля

 

3.3 Об'ємні резонатори

км

Дуже низькі ДНЧ   кГц Довгі (кілометрові) ДХ (КмВ)   км Низькі НЧ   кГц Середні (гектометри) СХ (ГкМХ)   м Середні СЧ   кГц Короткі (декаметрові) КХ (ДкМХ)   м Високі ВЧ   Мгц Метрові МХ   м Дуже високі ДХЧ   Мгц Дециметрові ДМХ   дм Ультра- високі УВЧ   Мгц Сантиметрові СМХ   см Над- високі НВЧ   ГГц Міліметрові ММХ   мм Украй високі КХЧ   ГГц Дециміліметрові ДММХ   мм       ГГц                

 

 

Поширення РХ над землею

1. Поширення енергії в просторі.

Рис. 4.1 Промені радіохвиль в просторі

 

Антена наземного РПДП випромінює РХ в різних напрямах. Частина випромінювання, спрямована уздовж земної поверхні, називатимемо поверхневим променем (промінь (1) на рис. 4.1).

Частина випромінювання, спрямована під кутом до земної поверхні може або пройти крізь атмосферу у вільний простір, або, відбившись, повернеться на землю. Відповідні промені називаються неповертаючимися (2) або просторовими (3).

У вільному космосі можливий зв'язок «космос - космос» прямим променем, умови поширення наближаються до ідеальних (4). За наявності відзеркалення або перевипромінювання (ретрансляція) променя космічним об'єктом, має місце зв'язок «земля - космос - земля».

2. Умови поширення земного променя.

Поверхня землі - середовище, що напівпроводить. Енергія променя, що падає на її поверхню, розподіляється між заломленим і відбитим променями. Цей розподіл залежить від довжини РХ і властивостей поверхні.

На СХД і ДХ відбивається майже уся енергія променя, що падає, оскільки провідність поверхні висока. У міру підвищення частоти (укорочення хвилі) провідність грунту зменшується, росте енергія заломленого променя, що перетворюється на тепло.

Морська вода, вологий грунт має більш високу провідність, ніж сухий, піщаний або кам'янистий грунт.

Як відзначалося, НДХ і ДХ набагато краще дифрагують, ніж КХ і УКХ, проте дальність зв'язку, обумовлена дифракцією, невелика.

Формула ідеальної радіопередачі для випадку поширення радіохвилі що випромінюють несиметричною вертикальною антеною має вигляд:

 

де: Е - напруженість поля в мкВ/м;

- излучаемая мощность в Вт;

- рвідстань від антени в км.

Ця формула відрізняється від формули ідеальної радіо передачі тільки коефіцієнтом, який змінився у зв'язку з відзеркаленням хвиль від Землі і нерівномірністю випромінювання вертикальної антени в різних напрямах.

У реальних умовах в цю формулу вводиться коефіцієнт загасання меншої одиниці, що враховує поглинання енергії поверхнею Землі.

 

Поширення РХ в атмосфері

1. Будова атмосфери. Атмосфера - газовий шар що оточує Землю. Його висота до 25 тис.км. До складу повітря в основному входить азот і кисень. Щільність повітря швидко убуває з висотою. На висоті 300 км. вакуум чистіший, ніж у балоні електронної лампи.

Нижній шар атмосфери заввишки до 11 км називається тропосферою. У тропосфері зберігається незмінний газовий склад. Температура на кожні 100 метрів висоти знижується до 0.55˚С. А такі зміни тиску і вологості, призводять до зміни діелектричної проникності повітря і викривлення променів РХ - рефракції.

2. Іоносфера. Ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання сонця іонізує гази в стратосфері, розщеплюючи їх атоми на електрони і позитивно заряджені іони. Міра іонізації оцінюється електронною концентрацією N - числом вільних електронів в одиниці об'єму газу. Електронна концентрація досягає значної величини на висотах від 50 до 500 км. На великих висотах вона мала внаслідок малої щільності повітря, на нижчих - в наслідок недостатньої енергії іонізуючого випромінювання. Іонізована область атмосфери називається іоносферою. Розподіл електронної концентрації в залежність від висоти не монотонний. Існує декілька максимумів іонізації, що іменуються іонізованими шарами. Їх утворення обумовлене тим, що у верхніх шарах атмосфери- стратосфері відбувається порушення пропорцій газового складу, позначається відмінність молекулярних вагів різних газів.

 

 

Рис. 4.2 Графік зміни концентрації електронів з висотою

 

Електронна концентрація залежить від висоти сонця над горизонтом, тобто від часу доби і року, географічної широти. Максимуму вона досягає пополудні, а мінімуму - перед світанком. На освітленій сонцем - «денній» стороні землі, взимку існує три шари: D - на висотах 60 - 90 км, Е - з максимумом іонізації на висоті 120 км і F - з нижньою межею на висоті 220 - 250 км. В літні дні шар F розпадається на два шари - нижчі F₁ з максимумом на висоті 200 - 230 км і більш високий F₂ з нижньою межею на висоті 300 - 400 км. На «нічній» стороні землі шар D внаслідок швидкої рекомбінації атомів зникає. Електронна концентрація шару Е з настанням темряви зменшується в 10 - 100 разів. Шари F₁ і F₂ зливаються.

Окрім добових і річних змін міри іонізації, спостерігається одинадцятирічний цикл пов'язаний зі зміною сонячної активності. Окрім регулярних змін електронної концентрації відбуваються і нерегулярні її порушення.

Іоносферні обурення.Час від часу на сонці відбуваються спалахи супроводжувані виверженням потоку заряджених часток (корпускул). Потрапляючи в атмосферу вони захоплюються магнітним полем землі. Це призводить до підйому і зменшення концентрації шару F₂ і порушенню його структури. У приполярних областях шар F₂ може бути повністю зруйнований. Це супроводжується магнітними бурями і полярними сяйвами і може тривати від декількох годин до двох діб.

Спорадичний шар. Е_𝑠 виникає в результаті проникнення корпускулярних (ядра гелію, протони і ядра важких елементів, а також електрони і нейтрони) і метеорних (складається з метеорів, які згорають в атмосфері і не досягають землі) потоків на рівень шару Е. Його ширина може досягати сотень кілометрів. Внаслідок різкого посилення іонізації в цьому шарі виникає сильне поглинання коротких РХ.

 

Поширення РХ в іоносфері.

Під дією поля радіохвилі виникають коливання вільних електронів іонізованого газу. Ці коливання - змінний струм протифаза струму зміщення.

Зменшення останнього рівноцінно зменшенню діелектричної проникності, яка виявляється рівною:

 

Тут: 𝑁 - число вільних електронів в 1 м³ повітря;

- ччастота в Гц.

 

 

Рис. 4.3 Заломлення радіохвиль в іоносфері

 

В межах нижньої половини іонізованого шару електронна концентрація N росте, зменшується. Це призводить до заломлення променя РХ, причому кут заломлення виявляється більше кута падіння. Промінь викривляється, стає положе. Якщо в нижній половині шару це викривлення виявиться достатнім для виникнення повного внутрішнього відзеркалення, то промінь відіб'ється на землю. Якщо ні, то у верхній половині шару станеться викривлення променя у зворотному напрямі і він перейде в наступний шар. Оскільки електронна концентрація кожного наступного шару вища, ніж попереднього, описаний процес в них виражений різкіше. Якщо в шарі F₂ не відбувається відзеркалення - промінь йде за межі іоносфери (неповертаючийся промінь).

Чим вище частота 𝑓 (коротше хвиля), тим ближче значення до одиниці, тим слабкіше заломлення променя. Тому хвилі УКХ діапазону не відбиваються іоносферою. Чим довше хвиля тим нижче розташований відбиваючий шар.

Можливість відзеркалення залежить від кута возвишення променя, що входить в іоносферу - δ. Чим положе промінь - тим нижче він відбивається.

Критичною називається максимальна частота хвилі, відбиваної при вертикальному (δ_кр=90˚) зондуванні іоносфери, - 𝑓_кр. Знаючи 𝑓_кр можна розрахувати електронну концентрацію відбиваючого шару. Знаючи час поширення хвилі до точки відзеркалення і назад можна визначити висоту цього шару. На цьому заснована можливість експериментального дослідження іоносфери, організації служби радіопрогнозів.

Перше в нашій країні зондування іоносфери було проведене під керівництвом М.А. Бонч - Бруевича в 1932 році.

Загасання РХ в іоносфері виникає в результаті витрати частини енергії хвилі електронами, що коливаються, при їх зіткненні з молекулами газу. Воно максимальне для хвилі довжиною 200 метрів (1.5 МГц), що відповідає резонансному числу зіткнень в секунду. Загасання більше в нижніх шарах, там де вище щільність газів.

Перше пояснення описаних процесів було дане академіком М.В. Шулейкиным в 1923 році.

Пример:. Яка критична частота, якщо електронна концентрація рівна

 

Вказівка: Скористатися формулою:

Відповідь: .

 

4.2 Особливості поширення радіохвиль різних діапазонів

 

Поширення наддовгих і довгих радіохвиль

Умови поширення. Для НДХ (𝜆=10⁴÷10⁵м) і ДХ (𝜆=10³÷10⁴м) іоносфера і поверхня землі має високу провідність. Тому РХ поширюється шляхом миттєвого відзеркалення від нижньої межі іоносфери (D - вдень, Е - вночі) і Землі, як у велетенському хвилеводі. Цим, а не дифракцією поверхневого променя, пояснюється огинання ними кривизни Землі і проникнення за будь-які її нерівності. Зв'язок може бути забезпечений з будь-яким пунктом Землі, але для цього потрібно дуже велика потужність і громіздка антена. На хвилях довше 20 км. можна забезпечити зв'язок з підводними або підземними об'єктами, що знаходяться на невеликій глибині.

 

 

Рис. 4.4 Поширення НДХ і ДХ в хвилеводному каналі

 

Порівняльні особливості.Перевагою НДХ і ДХ можна вважати стабільність умов поширення, які не залежать від стану іоносфери, а значить і від часу доби, року і так далі.

Недоліками цих діапазонів є наступні їх властивості:

1) Мала частотна ємність. Ширина діапазонів НДХ і ДХ складає 297кГц.

2) Високий рівень атмосферних завад. Потужність атмосферних промислових і інших імпульсних перешкод зосереджена в основному на низькочастотній ділянці спектру, якому відповідають НДХ і ДХ

 

 

Рис. 4.5 Залежність інтенсивності атмосферних і імпульсних завад від частоти

 

3) Потужні передавачі (сотні кВт) і громіздкі антени (сотні метрів) потрібні для забезпечення телекомунікації.

Сфери застосування. Стабільність умови поширення являється основний для застосування НДХ і ДХ для ланцюгів далекої навігації, передачі метеозведень і сигналів точного часу. Частина діапазону ДХ використовується для радіомовлення, а НДХ - для зв'язку з підводними і підземними об'єктами.

 

Поширення середніх радіохвиль

Умови поширення поверхневого променя СХ (𝜆=100÷1000м) характеризується зростанням втрат в Землі за рахунок зменшення провідності грунту. Тому при максимально-досяжній потужності РПДП дальності зв'язку поверхневим променем не перевищує 1000 - 2000 км.

Просторовий промінь СХ відбивається від шару Е. У денний час загасання, що виникає за рахунок двократного його проходження крізь шар D, виявляється настільки значним, що зв'язок відсутній. Ніччю шару D немає. Промені відбиті від шару F забезпечують дальність зв'язку до 4 - 5 тисяч кілометрів.

 

 

Рис. 4.6 До виникнення ближнього федингу

 

У зоні спільної дії поверхневого і просторового променів виникають інтерференційні завмирання - ближній фединг. Оскільки шляхи пройдені цими променями різні, то різні і фази е.р.с., наведених ними в приймальній антені. Досить довгі шляхи просторового променя, за рахунок нестабільності відбиваючого шару, змінюється на , оскільки, замість збігу, ці е.р.с. опиняться в протифазі. Це приведе до їх віднімання, і завмирання прийому і втрати частини інформації. Для боротьби із завмираннями використовують:

– антифедінгові передавальні антени, випромінювання яких сконцентроване уздовж землі;

– систему автоматичного регулювання посилення РПП, що підвищує посилення слабких сигналів і навпаки.

Порівняльні особливості.

Переваги:

1). Велика частотна ємність (270 каналів шириною в 10кГц).

2). Менше потужність РПДП (при тій же дальності зв'язку) і менш громіздкі антени.

3). Менший рівень атмосферних завад.

Недоліки:

1). Нестабільність умов поширення;

2). Наявність інтерференційних завмирань.

Сфера застосування. Найширше СХ використовується для радіомовлення. На радіолініях цивільної авіації СХ використовується для зв'язку в полярних широтах в періоди іоносферних збурень, а також для радіонавігації. На СХ працюють приводні радіостанції і радіокомпаси (АРК).

 

Поширення коротких радіохвиль

Умови поширення КХ (𝜆=100÷10м).

Поверхневий промінь слабо огинає землю і сильно затухає в ній, оскільки з підвищенням частоти її провідність різко зменшується. Дальність поширення поверхневого променя рідко перевищує 100 км.

Просторові промені відбиваються від високих шарів 𝐹₂ чи 𝐹₁ і повертається на Землю на значних відстанях від передавача. Тому навколо нього виникає кільцеподібна зона мовчання, в якій не діє ні земний, ні просторовий промінь. Її ширина складає від декількох сотень до декількох тисяч кілометрів. Зона дії просторових променів, в принципі, не обмежена, оскільки вони можуть багаторазово відбиватися від іоносфери і від Землі (здійснювати декілька стрибків).

 

 

Рис. 4.7 Поширення КХ

 

Завмирання. Також як і в діапазоні СХ причиною завмирання є інтерференція двох променів, але на КХ це просторові промені, що пройшли різні шляхи(рис. 4.8). Їх тривалість - до десятків секунд. Для боротьби з ними використовуються ті ж заходи, що і в діапазоні СХ, а також прийом на 2 - 3 антени, рознесеної на відстань на декілька довжин хвиль. Вірогідність одночасного завмирання в усіх антенах дуже мала.

 

 

Рис. 4.8 До виникнення дальнього федингу

 

Окрім інтерференційних, на КХ спостерігаються і поляризаційні завмирання. При розчиненні КХ в іоносфері відбувається зміна напряму вектору і пов'язаних з ним векторів Е і Н. Якщо напрям поляризації (вектору Е) виявиться перпендикулярним перпендикулярні антені, прийому не буде. Завмирання не позначаються, якщо антена має вертикальну і горизонтальну частині.

Дослідженням завмирань і розробкою методів боротьби з ними займалися радянські учені А.В. Щукін, В. А. Котельников, В. І. Сифонів.

Радіолуна. Мале загасання КХ в іоносфері створює умови для наддалекого їх поширення за рахунок багатократного відзеркалення від Землі і іоносфери. Це може привести до прийому ехосигналу того, що обігнув землю. Розрізняють пряму і зворотну кругосвітню луну в першому випадку луна сигналу і сигнал приймається з одного напряму, в - другому - з протилежних. Це показано на (рис. 4.9) без багатократних відзеркалень.

 

 

Рис. 4.9

1) Прямий сигнал.

2) Пряма луна сигнал;

3) Зворотний сигнал

 

Оскільки кожні 1000 км сигнал проходить 3 мс, запізнювання прямого ехосигналу складає 120 мс. Це може привести до спотворень, пов'язаних з дублюванням коротких імпульсів при фототелеграфному або телеграфному зв'язку.

Для усунення ехосигналів використовують гостронаправлені у вертикальній площині антени. Цьому сприяє і правильний вибір робочої довжини хвилі.

Іоносферні збурення порушують структуру або повністю руйнують шар 𝐹₂. Це призводить до погіршення або повного припинення зв'язку на КХ, в основному в приполярних широтах. Для боротьби з порушеннями зв'язку підвищують потужність РПДП, варіюють робочими частотами, організовують ретрансляцію в обхід області збурень. У літакових радіостанціях телекомунікації на цей випадок передбачено застосування середньохвильових блоків.

Зміни сонячної активності приводить до змін електронної концентрації, а значить висоти відбиваючого шару і поглинання в іоносфері. Регулярні зміни з 11 - літнім періодом прогнозується заздалегідь. На період змін роблять зміну робочих частот. Нерегулярні зміни вимагають оперативного маневрування.

Ефект Кабанова. У 1946 році радянський вчений Н.И. Кабанов встановив можливість прийому просторових променів КХ відбитих від Землі і таких, що повернулися в точку випромінювання через іоносферу. Це явище використовується для далекої радіолокації і похилого зондування іоносфери.

Вибір робочих частот. Для здійснення зв'язку на КХ з радіостанцією, координати якої відомі, необхідно так вибрати оптимальну робочу частоту, щоб відзеркалення променя відбувалося в певній точці (точках) іоносфери і щоб загасання було незначним. Надмірне підвищення частоти (укорочення хвилі) може привести до неповернення променя або до припинення зв'язку в наслідок розширення зони мовчання. Максимальна частота, при якій ще можливий зв'язок на цю відстань в одному напрямі називається максимальною застосовною частотою, - МЗЧ ( 𝑓_𝑚𝑎𝑥).

Вибір надмірно низької частоти (довгої хвилі) призводить до зростання загасання і до відзеркалення від нижчих шарів. Це призводить до необхідності підвищення потужності випромінювання. Найменша частота придатна для зв'язку в цих умовах позначається: НЗЧ ( 𝑓_𝑚𝑖𝑛). Оптимальна робоча частота ОРЧ ( 𝑓_𝑜𝑝𝑡), вибирається між ними: 𝑓_𝑚𝑎𝑥> 𝑓_𝑜𝑝𝑡> 𝑓_𝑚𝑖𝑛.

При виборі робочих частот використовують графіки радіопрогнозів, на яких показана зміна МЗЧ і НЗЧ залежно від часу в точці відзеркалення. Кожній радіолінії КХ виділяється, як мінімум, дві хвилі: денна - від 10 до 25 м і нічна - від 35 до 100 м, а іноді і «присмеркова» - від 25 до 35 м. Зміна хвиль робиться взимку і літом, а також в період зміни сонячної активності. Розподілом частот відають органи Міністерства зв'язку СРСР.

Порівняльні особливості.

Переваги:

1). Розширення діапазону в порівнянні зі СХ в 10 разів і можливість застосування спрямованих антен дозволяє різко збільшити число одночасно працюючих каналів.

2). Мале загасання КХ в іоносфері дозволяє забезпечити дальній зв’язок при порівнянно малій потужності РПДП.

3). Низький рівень атмосферних і промислових завад.

Недоліки:

1). Наявність зони мовчання.

2). Інтерференційне і поляризаційне завмирання.

3). Нестабільність умов поширення і необхідність зміни робочих частот.

Сфера застосування. КХ дуже широко використовується головним чином для телекомунікації усіх видів, у тому числі космічною, а також для радіомовлення. У цивільній авіації КХ використовується в літаках і наземних каналах зв'язку середньої і великої протяжності.

 

Поширення ультракоротких радіохвиль

Умови поширення УКХ (𝜆=10÷0.1мм).

До діапазону УКХ відносять хвилі, не відбивані іоносферою в нормальних умовах. Їх промені, що не повертаються, можуть бути використані для зв'язку з космічними об'єктами, що знаходяться за межами іоносфери. У роки максимуму сонячної активності, за рахунок підвищення електронної концентрації іоносфери зв'язок просторовим променем можливий на хвилях .

Тропосферне поширення. Оскільки поверхневі промені УКХ сильно поглинаються землею, для зв'язку уздовж Землі застосовуються в основному тропосферні промені. Для послаблення втрат бажано піднімати антени і використати горизонтально поляризовані хвилі. Дифракція на УКХ виражена украй слабо. Тому стійкий зв'язок забезпечується в межах дальності прямої видимості між антенами.

 

 

Рис. 4.10 До визначення дальності прямої видимості

 

Ця дальність, обмежена кривизною землі, зростає при збільшенні висот підйому антен. Її можна розрахувати по формулі:

 

Де: ℎ₁ і ℎ₂ - висоти підйому передавальної і приймальної антен в метрах.

Коефіцієнт 3.57 відповідає геометричній дальності. Його збільшення до 4.12 відбувається за рахунок нормальної рефракції - в наслідок незначної зміни ℰ з висотою обумовленого зміною температури, тиску і вологості.

Формула для розрахунку напруженості поля в межах прямої видимості була отримана академіком Б.А. Введенским:

 

 

На відстанях, менших межі прямої видимості, окрім прямого промені, на приймальну антену впливає промінь відбитий від Землі. Якщо різниця їх шляхів дорівнює непарному числу півхвиль, то в результаті їх інтерференції виникають завмирання, для послаблення яких, окрім системи АРУ, доцільно використати спрямовані антени.

Особливо небезпечні ці завмирання для бортових РПП, оскільки при русі літака фаза відбитих від землі променів неодмінно змінюється.

Далеке поширення УКХ можливо в результаті наступних причин:

1). Надрефракція - аномальне явище, пов'язане з незвичайними метеоумовами (наприклад - підвищення температури з висотою), в результаті яких відбувається сильне викривлення радіопроменя і збільшення дальності зв'язку. Якщо кривизна променя дорівнює кривизні Землі, то промінь огинає Землю і дальність може досягати тисяч кілометрів. Це рівноцінно утворенню каналу над землею.

2). Тропосферне розсіяння виникає на неоднородностях створюваних висхідними і низхідними потоками повітря. Якщо концентрувати випромінювання потужністю в 50 - 100 кВт у вузький промінь, то за рахунок розсіяного відзеркалення буде створено поле, достатнє для регулярного зв'язку на 800 - 1000 км.

3). Іоносферне розсіяння відбувається в результаті утворення в іоносфері областей (хмар) сильно іонізованого газу, здатних розсіяно відбивати УКХ. Дальність такого зв'язку досягає 2000 км при використанні потужних РПДП. Зв'язок відрізняється високою стабільністю.

Іноді виникає інтенсивне відзеркалення УКХ від тимчасових неоднородностей: спорадичного шару Е_𝑠 чи від метеорних слідів - сильно іонізованих метеоритних шлейфів. Останнє використовується для зв'язку.

Найбільш повну теорію поширення УКХ розробив академік В. А. Фок (1944 - 56 р.р.)

Порівняльні особливості.

Переваги:

1). Величезна частотна ємність УКХ діапазон (МХ, ДМХ і СМХ) в 1000 разів ширше за усі більше довгохвильові діапазони. Це дозволяє використати на УКХ практично необмежене число каналів зв'язку і застосовувати радіосигнали з широкими частотними спектрами.

2). Можливість створення гостронаправлених антен.

Для отримання гострої спрямованості вимагається, щоб розміри антени в десятки разів перевершували довжину хвилі. На УКХ такі антени мають невеликі габарити. Їх застосування дозволяє реалізувати ряд застосувань, пов'язаних з визначенням напряму.

3). Практична відсутність атмосферних і промислових завад. На УКХ основним видом перешкод є внутрішні шуми.

4). Прозорість іоносфери для УКХ створює можливість зв'язку з космічними об'єктами.

Недоліки:

1). Важкість забезпечення далекий зв’язок уздовж Землі.

2). Резонансне поглинання хвиль СМХ і ММХ діапазонів, довжиною: 1.35 см, 5 мм, 2.5, молекулами водяної пари і кисню.

Сфери застосування.

1). Радіолокація використовує ДМХ і СМХ.

2). Ближня радіонавігація - в основному ДМХ.

3). Телебачення - МХ і ДМХ.

4). Радіорелейна зв'язку - ДМХ.

5). Космічний зв'язок - МХ, ДМХ і СМХ.

На літальних аппаратах використовуються наступні пристрої і схеми УКХ: командна радіостанція – МХ; курсоглісадна система посадки – МХ і ДМХ; радіовисотоміри ДМХ і СМХ; система ближньої навігації – ДМХ; відповідач системи УПР – ДМХ; панорамні і доплерівскі РЛС – СМХ.

Міліметрові хвилі не знайшли досі широкого застосування.

 

Лекція № 5

Тема лекції:

«Антени»

План лекції

5.1 Загальні відомості про антени. 66

5.2 Випромінювання радіохвиль. 73

5.3 Симетричний вібратор. 74

5.4 Несиметричний – заземлений вібратор. 77

5.5 Особливості приймальних антен. 79

5.6 Антени СДХ, ДХ, СХ.. 79

5.7 Антени коротких хвиль. 84

5.8 Антени ультракоротких хвиль. 89

5.9 Фазовані антенні решітки. 99

 

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Нечаєв Е.Е., Будикін Ю. А. «Антенные устройства в гражданской авиации» Курск 2005р. 380с.

Зміст лекції

5.1 Загальні відомості про антени

Призначення і технічні показники антен.

Призначення.

Передавальна антена призначена для перетворення енергії радіосигналу у формі зв’язаних ЕМХ в енергію радіосигналу у формі вільних ЕМХ (радіохвиль). Таке перетворення називається випромінюванням радіохвиль.

Приймальна антена здійснює перетворення енергії зворотне по відношенню до передавальної.

Технічні показники передавальної антени

Розділяють на три групи:

– характеризує антену, як навантаження РПДП. Властивості навантаженя антени визначаються її вхідним опором.

– характеризує антену, як перетворювач енергії. Ці властивості оцінюються коефіцієнтом корисної дії антени.

– характеризує антену як випромінювач радіохвиль. Ці властивості можна оцінити розподілом енергії, що випромінює, в просторі.

 

Вхідний опір антени.

 

Рис. 5.1 Схема узгодження і налаштування антени

Для передачі в антену з виходу РПДП максимальної потужності потрібно забезпечити у фідері режим біжучої хвилі. З цією метою вхідний опір антени необхідно погоджувати з хвилевим опором фідера – . У загальному випадку містить активну і реактивну складові:

Тому для узгодження вимагається виконати дві функції:

1). Налаштування антени в резонанс. Оскільки – активний опір, опір навантаження фідера також має бути активним. Це досягається (при безреактивному узгоджуючому ланцюзі) налаштуванням в резонанс ланцюга антени. З цією метою включають елемент налаштування – , опір якого повинен задовольняти умову резонансу .

2). Трансформація опору антени. Для отримання біжучої хвилі, у фідері узгоджуючий ланцюг (УЛ), повинен забезпечити зміну активної складової антени в опір на вході УЛ, погоджене з фідером: = . Величина вхідного опору визначається розрахунковим шляхом або вимірюється, наприклад, методом вольтметра-амперметра: . Резонанс фіксує по максимальному струму , або максимальній напрузі .

Потужність, що підводиться до антени, – частково перетвориться в потужність випромінювання – , частково в потужність втрат – . ККД дорівнює відношенню корисної потужності до витраченої:

 

Підставивши вираження потужностей: , і зробивши скорочення , отримаємо:

 

З цієї формули видно, що для підвищення к.п.д. слід прагнути до зменшення опору втрат – і збільшенню опору випромінювання .

Опір випромінювання – , цей уявний активний опір, на якому, при протіканні струму , виділялися б потужність, рівна потужності випромінювана антеною у вигляді радіохвиль. По фізичному змісту – опір, що вноситься, але не з вторинного контура, а з вільного простору. Чим більше тим ефективніше антена.

Характеристики спрямованості антени дозволяють охарактеризувати розподіл потужності випромінюваною антеною в просторі, а графічне – діаграмами спрямованості (ДС).

 

Рис. 5.2 Діаграм спрямованості антен:

а – просторова; б – просторова, розітнута площиною Е.

 

Діаграми спрямованості амплітудні.

Зазвичай просторову ДС представляють двома її проекціями: на горизонтальну – азимутну площину (у площині Н; залежність від азимутного кута -, відліченого в горизонтальній площині від напряму на північ по напряму годинникової стрілки) і вертикальну (у площині Е; залежно від зенітного (меридіонального) кута , відлічений у вертикальній площині від вертикалі по напряму годинникової стрілки.) – меридіональну площину

 

Рис. 5.3 Амплітудні ДС диполя Герца (просторова в площині Е, площині Н в полярних і прямокутних системах координат)

 

ДС ідеально ненапрямленої антени – поверхня сфери, а її проекція коло. Але таких антен не існує. ДС реальної антени має хоча б одну проекцію відмінну від кола.

Найнаочніше ДС відображають в полярній системі координат (рис. 5.3), в центрі якої знаходиться антена. Довжина радіусу – вектору характеризує ефективність випромінювання в цьому напрямі.

Розрізняють два різновиди ДС:

ДС по потужності – радіус вектор пропорційний відносному значенню щільності потоку електромагнітної потужності , де – максимальне значення потужності, а – значення потужності в цьому напрямі.

ДС по напруженості поля – радіус вектор пропорційний відносному значенню напруженості електричного (чи магнітного) поля радіохвилі ( ), де – максимальне значення напруженості електричного (магнітного) поля.

 

Діаграма спрямованості фазова

Разом з амплітудною ДС розглядають і фазову характеристику спрямованості , під якою розуміють залежність фази поля, що випромінює, від напряму в просторі. На малюнку 5.4 видно, що фаза поля диполя Герца міняється стрибком на при .

 

Рис. 5.4. Фазова ДС диполя Герца

 

Ширина ДС –кут між напрямами, уздовж яких напруженість поля зменшується в раз в порівнянні з напруженістю поля у напрямі максимального випромінювання ( ). Якщо йдеться про ДС по потужності, то уздовж відмічених напрямів потік потужності випромінювання відповідно зменшується удвічі ( ), а якщо перевести в децибели, то на 3дБ. На малюнку 5.5 зображена нормована ДС для довільної антени в полярній і декартовій системах координат. Для визначення ширини ДС по графіку на осі напруженості поля відмічають величину 0,707 і проводять або коло такого радіусу у разі полярної системи координат, або пряму паралельну осі абсцис для декартової системи координат до перетину з ДС, після чого визначають кут між відміченими напрямами. Рідше під шириною ДС мають на увазі кут між напрямами уздовж яких напруженість поля дорівнює нулю.

 

Рис. 5.5. Двовимірні ДС антени по полю:

а – полярна; б – декартова.

 

На рис. 5.5 ширина ДС по рівню 0,707 позначена , а по нульовому рівню -

Антени літакових панорамних РЛС забезпечують

 

Коефіцієнт спрямованої дії антени D (КСД) –показує в скільки разів можна зменшити випромінюваною потужність за рахунок переходу від ненапрямленої антени до спрямованої. КСД дорівнює відношенню: , де: – щільність потоку потужності у напрямі головного максимуму ДС реальної антени, – щільність потоку потужності випромінюваної у будь-якому напрямі ідеально ненапрямленою антеною, за умови, що випромінювані цими антенами потужності рівні.

Оскільки потужність, що випромінюється у напрямі головного максимуму ДС, збільшується в D разів, відповідно збільшується і напруженість поля в цьому напрямі формула, ідеальної радіопередачі набуває вигляду:

 

Рис. 5.6 До визначення КСД і КП антени

 

Коефіцієнт посилення антени G (КП) –величина що характеризує спрямовані властивості антени, чисельно рівна добутку , де – ККД, а – КСД антени.

КП був введений, оскільки зазвичай відома не випромінювана потужність , а потужність , що підводиться до антени. Враховуючи, що , отримаємо: .

Підставивши останній результат у формулу ідеальної радіопередачі отримаємо:

 

Приклад: Необхідно розрахувати напруженість поля радіохвилі, що створюється на відстані 1000 км від ідеально ненапрямленої і від спрямованої антени з D = 100, якщо відомо:

Відповіді:

Робочою смугою частот (Df) антени називають область частот від до , в якій усі параметри антени не виходять із заданих меж. Залежно від типу антени таким параметром може бути, наприклад, вхідний опір, коефіцієнт підсилення або інший параметр. Часто ширину смуги робочих частот визначають у відсотках відносно середньої частоти діапазону або коефіцієнтом перекриття діапазону . Антени зі значенням називають вузькосмуговими, а при – широкосмуговими. Антени з коефіцієнтом перекриття 1,6...5 називаються діапазонними, а при - частотно-незалежними (надширокосмуговими).

Ще одним важливим параметром передавальних антен є гранична робоча потужність, тобто така потужність, яку можна підвести до антени без небезпеки її руйнування і не викликаючи пробою оточуючого середовища. Гранична потужність зазвичай обмежується електричною міцністю діелектриків антени, а також електричною міцністю оточуючого середовища.

Якщо перевищити граничне значення напруги в антені, виникає іонізація повітря і електричний розряд. Це явище спостерігається на ДХ і СХ, як корона, на КХ – як факел. Воно призводить до пониження ККД, спотворення сигналу, а іноді до перегорання дротів або пробою ізолятора. Оскільки електрична міцність повітря зменшується при пониженні тиску, такий пробій легше виникає на великих висотах. Він є основним чинником, що обмежує можливості підвищення потужності літакових РПДП.

 

Поляризаційні властивості

При поширенні випромінюваної антенної хвилі напрям векторів Е і Н в просторі визначається площиною поляризації, тобто площиною, що проходить через напрям поширення (вектор Пойтинга) і вектор Е (рис. 5.7, а). У загальному випадку вектор Е безперервно міняє свою орієнтацію, а за період високої частоти робить один повний оберт в площині, перпендикулярній напряму поширення хвилі. При цьому кінець вектору Е описує замкнуту криву (еліпс), що називається поляризаційним еліпсом або поляризаційною характеристикою. Така поляризація хвилі дістала назву еліптичною (рис. 5.7, б). Окремими видами еліптичної поляризації є: лінійна поляризація – кінець вектору Е лежить на прямій лінії (рис. 5.7, в) і, змінюючись за величиною, не змінює свого напряму в просторі; кругова поляризація – кінець вектору Е за один період високої частоти описує коло (рис. 5.7, г). З часом хвиля переміщається у напрямі осі Z і внаслідок цього кінець вектору Е описує гвинтову лінію розташовану на поверхні циліндра (рис. 5.7, д), причому «крок гвинта» дорівнює довжині хвилі.

Відношення малої півосі еліпса до великої називається коефіцієнтом еліпсної поляризаційного еліпса: r = b/а (рис. 5.7, б). У разі лінійної поляризації поля r = 0, а в загальному випадку коефіцієнт еліпсної міняється в межах 0 ≤ r ≤ 1. Графічне зображення залежності коефіцієнта еліпсної від напряму називається поляризаційною ДС.

 

Рис. 5.7. Видів поляризації хвилі:

а – лінійна (положення площини поляризації); б – еліптична; г – кругова; д – кругова (положення кінця вектору Е при русі хвилі).

 

Діюча висота (довжина), ефективній поверхні антени (площа раскрыва)

Діюча (висота) довжина передавальної антени – дорівнює довжині ідеального випромінювача (диполя Герца) з рівномірним розподілом струму, який при рівності струмів живлення на вході антени у напрямі максимального випромінювання створює напруженість поля таку ж, як у реальної антени (рис. 5.8). Для лінійної антени, довжина якої 2 не перевищує довжини хвилі , загальна формула для розрахунку має вигляд

 

де – струм на вході антени, а – розподіл струму в антені.

 

Рис. 5.8 До пояснення діючої висоти вібратора

 

Діюча висота (довжина) приймальної антени називають коефіцієнт пропорціональності між максимальною ЕРС, наведеною в антені , і напруженістю електричного поля в точці прийому Е

 

При цьому слід пам'ятати, що поляризація приймальної антени має бути співпадаючої з поляризацією хвилі. Діюча довжина лінійної антени пов'язана з КСД і опором випромінювання співвідношенням

.

Разом з діючою висотою (довжиною) в теорії антен також широко використовують поняття ефективної поверхні антени ( ) (площа раскрыва), під якою розуміють поверхню фронту плоскої електромагнітної хвилі, з якою антена збирає і передає в погоджене навантаження потужність, що приймається, при точному наведенні максимуму ДС на напрям приходу хвилі. Отримане співвідношення між КСД і ефективною поверхнею

 

справедливо як для приймалень, так і для передавальних антен. Для вібраторних і щілинних випромінювачів ефективна поверхня не виражається безпосередньо через розміри випромінювача і вводиться чисто формальним чином. Так, якщо розрахувати полуволного симетричного вібратора, то його ефективна поверхня буде рівна , тобто полуволновый вібратор, діаметр якого може бути як завгодно малий, передає в навантаження таку потужність, яка проходить через майданчик з розмірами біля

Шумова температура

У приймальній антені, окрім ЕРС корисного сигналу, збуджується ЕРС від різних джерел, що заважають. Рівень ЕРС завад (рівень шуму) визначається, так званою, шумовою температурою , виміряною в градусах Кельвіна. Чим менше шумова температура антени тим вона краща.

Є дві групи джерел завадоутворюючих ЕРС:

а) внутрішні джерела, пов'язані з тепловим рухом електронів в неідеальних провідниках і діелектриках антени і тракту НВЧ;

б) зовнішні джерела випромінювання, що створюють біля антени електромагнітне поле перешкод, до яких відносяться: джерела атмосферних завад (грозові розряди), джерела індустріальних перешкод, космічні перешкоди (випромінювання Сонця, Місяця і зірок), джерела теплових перешкод (теплове випромінювання поверхні Землі і земної атмосфери).

Внаслідок того, що внутрішні і зовнішні джерела шуму, за принципом дії і по спектральному складу еквівалентні, то їх сумарну дію можна оцінити єдиним параметром , який приписується внутрішньому опору антени і дозволяє знаходити потужність шумів антени , що підводиться до погодженого приймача, приходить на смугу частот , по формулі:

 

де k =1,38×10^-23, Вт/Гц×К - постійна Больцмана.

Можна помітити, що під внутрішнім опором приймальної антени розуміється вхідний опір тієї ж антени, використовуваної як передавальна.

Зниження шумової температури можливе шляхом зменшення температури антени і тракту фідера і підвищенням їх ККД . Зниження температури можливе при розташування антени і фідерного тракту в середу з низькою температурою (у кріостати).

На довгих, середніх і коротких хвилях переважаючу роль грають імпульсні перешкоди, пов'язані з грозовими і індустріальними електричними розрядами. На УКХ рівень атмосферних завад знижується, оскільки шумове радіовипромінювання в цьому діапазоні хвиль не може поширюватися шляхом відзеркалення від іоносфери. З іншого боку, внаслідок прозорості іоносфери в цьому діапазоні радіохвиль починають проявлятися космічні шуми. У правильно спроектованих антенах дециметрового і сантиметрового діапазонів радіохвиль вклад в шумову температуру внаслідок прийому радіовипромінювання Землі і космічних джерел може бути понижений до 10 К. При такому рівні зовнішніх шумів вони стають сумірними з внутрішніми шумами.

 

Експлуатаційні вимоги до антен:

1). Висока механічна міцність і надійність експлуатації.

2). Мінімальні габарити і вага.

3). Безпека експлуатації.

4). Мінімальна вартість виготовлення і установки.

5). Простота і ефективність узгодження елементів.

6). Мінімальний час, необхідний для розгортання антени.

7). Простота технічного обслуговування.

Більшість з цих вимог особливо істотні для антени встановлених на літальних апаратах.

5.2 Випромінювання радіохвиль

При вивченні властивостей вільного ЕМП (тема "Електромагнітні хвилі") було з'ясовано, що воно існує тільки в русі за рахунок взаємного перетворення електричного поля, що змінюється, на магнітне і навпаки. Процес утворення такого поля називається випромінюванням. Розглянемо процес випромінювання на прикладі простого випромінювача – диполя (вібратора) Герца, що є двома металевими кульками сполученими провідником, в якому відбувається вимушені незгасаючі коливання. Зв'язок вібратора з ГВЧ не зображений.

 

Рис. 5.9 Диполь Герца

 

Для наочності, структуру електричного поля в різні моменти часу зображуватимемо за допомогою е.с.л. (рис. 5.10).

З початком заряду диполя на його верхній половині скупчуються позитивні, а на нижній – негативні заряди. У просторі що оточує диполь, утворюється електричне поле, силові лінії якого своїми кінцями спираються на заряди.

По мірі накопичення зарядів електричне поле заповнює все більший простір і за чверть періоду віддаляється від диполя на відстань рівну . У горизонтальній площині виникають м.с.л. у вигляді концентричних кіл, не показані на малюнку.

Напротязі другої чверті періоду, диполь розряджається, протилежні заряди, а з ними і кінці е.с.л. рухаються до середини диполя. Найближчі до диполя е.с.л, стягуючись, наближаються до диполя і зникають в нім (рис. 5.10 б).

 

Рис. 5.10 Випромінювання електромагнітного поля диполем Герца

 

Видалені е.с.л. підтримувані магнітним полем, що змінюється, продовжують рухатися від диполя. Їх кінці замикаються. Утворюється вихрове електричне поле. Це поле вже не пов'язане із зарядам, воно вільне (рис. 5.10 в).

У течії третьої і четвертої чвертей періоду описаний процес протікання у зворотному напрямі, причому знову виникаючі э.с.л, попереднього напівциклу (рис. 5.10.г і д).

Таким чином, в процесі електромагнітних коливань в диполі, в навколишньому просторі виникає два поля:

– поле індукції. Це поле пов'язаний із струмом і напругою в диполі. Воно пульсує то віддаляючись то наближаючись до нього. Це поле стоячої хвилі. Його електрична і магнітна складові зрушені по фазі на , що відповідає реактивному характеру процесу. Напруженість поля індукції зменшується різко – пропорційно квадрату відстані від диполя. Тому воно переважає у ближній зоні – зоні індукції.

– поле випромінювання. Це поле не пов'язане з диполем. Воно утворене замкнутими, віддаляючимися від диполя е.с.л. і м.с.л. і є біжучою радіохвилею. Його складові співпадають по фазі, що відповідає активним (незворотнім) втратам енергії. Напруженість цього поля відповідно до формули ідеальної радіопередачі, зменшується плавно – пропорційно першому ступеню відстані. Тому зона випромінювання тягнеться на величезні відстані.

 

5.3 Симетричний вібратор

 

Утворення півхвильового вібратора.

Симетричний півхвильовий вібратор можна отримати з чвертьхвильової РЗЛ, розгорнувши її дроти в одну лінію (5.11).

 

Рис. 5.11 Отримання симетричного вібратора з розімкненої лінії

 

При цьому виявиться, що струми в дротах, що мають в РЗЛ зустрічні напрями, протікають в один бік.

Електричне і магнітне поле вібратора охоплюють значний простір (рис.5.12), що сприяє ефективному випромінюванню.

 

Рис. 5.12 Електричне і магнітне поле півхвильового вібратора

 

Опір випромінювання.

Вхідний опір півхвильового вібратора (як і чвертьхвильової РЗЛ) активний, оскільки має місце послідовний резонанс – рівність енергій електричного і магнітного полів: Опір втрат, як і для РЗЛ можна приблизно розрахувати по формулі: . Тут – постійна загасання РЗЛ

Коефіцієнт 0,5 виник оскільки антена удвічі довше початкової РЗЛ. Аналіз процесу випромінювання дозволяє отримати формулу для розрахунку опору випромінювання: , де: – довжина хвилі; – діюча висота (довжина) антени.

ДС вібратора.

ДС в горизонтальній площині (площини Н). Віддалений вертикальний вібратор на всіх напрямках горизонтальній площині випромінює рівномірно і в усіх рівновіддалених від нього точках забезпечує однакову напруженість поля. Тому ДС має форму кола (рис. 5.13). Це пояснюється тим, що умови випромінювання в усіх напрямках горизонтальної площини однакові.

Рівняння такої ДС: .

 

Рис. 5.13 Діаграм спрямованості вертикального вібратора в горизонтальній площині

ДС у вертикальній площині (площини Е). Випромінювання відбувається в напрямах перпендикулярних напряму струму.

 

 

Рис. 5.14. Функції розподілу струму (суцільні криві) і заряду (пунктирні криві) уздовж тонкого симетричного вібратора різної довжини

 

 

Рис. 5.15. Діаграми спрямованості симетричного електричного вібратора в площині Е

 

КСД симетричного вібратора:

 

Діюча висота реальної антени , дорівнює висоті уявної ідеальної антени-диполя Герца, по усій довжині якої струм розподілений рівномірно і дорівнює струму в пучности реальної антени, якщо потужності, що випромінюється обома антенами рівна. Для півхвильового вібратора

 

Вхідний опір симетричного вібратора – комплексний

 

залежить від його хвилевого опору

 

де радіус провідника вібратора, а також від співвідношення довжини вібратора і довжини хвилі живлячого струму.

 

На підставі аналізу процесу випромінювання

 

 

 

 

Рис. 5.16 Активний (а) і реактивний (б) опір симетричного вібратора

 

5.4 Несиметричний – заземлений вібратор

 

Рис. 5.17 Електричне поле заряду q, розташованого над площиною, що ідеально проводить

 

Вплив екрану на електромагнітне поле вібратора. Досі розглядалася ЕМП вібратора в необмеженому вільному просторі. У реальних умовах простір обмежено поверхнею Землі і іншими екранами. На рис. 5.17 показано електричне поле позитивного заряду q над поверхнею екрану _, що ідеально проводить. Оскільки э. с. л. завжди перпендикулярні поверхні провідника, те поле на цій поверхні виявляється таким самим – же, яким воно було – б у двох рівних, різнойменних симетрично розташованих зарядів q і q', якби не було екрану. У цих умовах уявний негативний заряд q' називають дзеркальним зображенням позитивного – q.

 

Утворення заземленого вібратора.

 

Рис. 5.18 Утворення заземленого вібратора

На рис. 5.18. показаний заземлений вібратор. Поверхню Землі вважатимемо плоскою і такою, що ідеально проводить. Розглянемо поле що виникає в довільній точці М простору. За рахунок випромінювання елементарного випромінювача . Воно створюється прямим променем і відбиваним від землі . Відповідно до методу дзеркальних зображень, відбитий промінь , рівноцінний променю , що випромінює випромінювачем – дзеркальним зображенням випромінювача . Отже, дзеркальним зображенням заземленого напіввібратора є симетричний йому напіввібратор. Це означає, що в результаті заміни нижнього напіввібратора земною поверхнею, що ідеально проводить, поле у верхній півсфері не змінюється.

 

Діаграма спрямованості заземленого вертикального вібратора у вертикальній площині показана на рис.

 

 

Рис. 5.19 ДС у вертикальній площині (площини Е) вертикального вібратора для різних h (без урахування спрямованих властивостей вібратора)

 

Діаграма спрямованості заземленого вібратора показана на рис. 5.19. У зв'язку зі збереженням поля, у верхній півсфері зберігається і половина ДС симетричного вібратора. Її ширина: , а КСД: . Збільшення в 2 рази пов'язане зі зменшенням , оскільки енергія випромінюється в половину простору.

Діюча висота чвертьхвильового вібратора (показана на рис. 13.18) як і півхвильового рівна: . Проте її чисельне значення в даному випадку в 2 рази менше, оскільки зменшилася висота (в порівнянні з симетричним вібратором).

Опір випромінювання нессиметричного вібратора розраховується по формулі:

 

і для чвертьхвильового вібратора рівна: .

Опір втрат визначається, в основному, втратами в заземленні. Його розраховують по формулі, запропонованою М.В. Шулейкиным: , де – опір втрат налагодженої антени ( ), залежного від якості заземлення; - резонансна довжина хвилі. Втрати в заземленні збільшуються при самоті хвилі (пониження частоти). Для їх зменшення застосовують заземлення і противаги.

 

Рис. 5.20 а) заземлення; б) противага; (Рис. 13.19)

 

7. Заземлення і противага. Заземлення антен стаціонарних радіостанцій повинне забезпечити мінімальний опір втрат. З цією метою використовують металеві листи або арматури, які для поліпшення контакту із землею зариваються на рівні грунтових вод (рис. 5.20 а). У тих випадках, коли неможливо виконати якісне заземлення, наприклад в рухливих радіостанціях, замість нього використовують противагу – розгалужену систему дротів, натягнуту паралельно земній поверхні, на які замикаються е. с. л. поля антени (рис. 5.20 б). У разі літального апарату, як противага використовується металевий корпус. Усі роз'ємні частини корпусу повинні мати надійне електричне з'єднання за допомогою спеціальних перемичок, що називається металізацією.

 

 

Рис. 5.21. Високочастотні заземлення: а – антени – щогли;

б – Т-подібної антени; в – Г-подібної антени.

5.5 Особливості приймальних антен

 

Принцип дії. На рис. 5.22 показані вектори , і вертикально поляризованої хвилі і приймальна антена похилої. ЕРС в антені наводить паралельна їй складова вектору E. Вона рівна . Оскільки наведений струм і напруга по довжині приймальної антени розподіляються так – же, як по передавальній, для неї так – же справедливо і поняття діючої висоти , проте в цьому випадку вона є коефіцієнтом пропорціональності між ЕРС наведеною в антені і паралельною їй складовій вектору Е: .

 

Рис. 5.22 До визначення ЕРС приймальної антени

 

Особливості показників приймальної антени.

Будь-яка передавальна антена може бути використана, як приймальна. При цьому чисельні значення усіх її показників зберігаються, проте їх фізичний зміст змінюється. Вхідний опір передавальної антени, є внутрішнім (вхідним) опором приймальної антени, як ГВЧ.

Діаграма спрямованості приймальної антени виражає залежність ЕРС антени від напряму, з якого приходять радіохвилі. У горизонтальній площині . У вертикальній площині: .

Діюча висота приймальної антени дорівнює відношенню ЕРС на клемах антени до складової напруженості електричного поля радіохвилі, паралельної антени.

 

5.6 Антени СДХ, ДХ, СХ

 

Передавальні антени СДХ, ДХ і СХ

  Рис. 5.23. Передавальні антени: а – антена щогла; б – Г – образна; в – Т- образна; г – зонтична.

Приймальні антени діапазонів НДХ, ДХ і СХ

В якості простих приймалень антен для цих діапазонів можуть використовуватися розглянуті вище антени – щогли. Г -, Т – образні антени. Висота… Істотним недоліком жорстких дротяних антен при використанні їх на літальних…  

Слабонапрямлені антени КХ

1). На КХ знаходять застосування такі ж несиметричні антени з горизонтальною частиною і без неї, що і на СХ. Проте за рахунок зменшення довжини… 2). Для дальнього зв’язку на КХ використовуються просторові промені, умови… 3). На КХ широко застосовуються горизонтальні антени і горизонтально поляризовані хвилі. Це пов'язано з тим, що умови…

Гостронаправлені антени КХ

Багатовібраторна синфазна горизонтальна антена – СГ. 1). Пристрій і принцип дії. Антена складається з півхвильових вібраторів… 2). Опір випромінювання кожного вібратора віднесений до пучности струму з урахуванням впливу сусідніх вібраторів…

Антени метрових і дециметрових хвиль.

Загальні відомості. Типи і конструкції антени МХ і ДМХ визначаються їх призначенням. Завдяки малій…  

Антени сантиметрових хвиль

1. Загальні відомості. У діапазоні СМХ легко реалізуються антени, розміри яких в десятки разів… Гостронаправлені антени СМХ часто складаються з двох елементів: випромінювача і концентратора випромінювання.…

Призначення фазованих антенних решіток

Фазовий спосіб електричного сканування реалізується в антенах, що дістали назву фазовані антенні ришітки (ФАР). Здатність ФАР швидко і з високою точністю міняти положення ДС в просторі… До недоліків ФАР слід віднести їх складність, високу вартість і великі витрати на експлуатацію.

Взаємний вплив елементів ФАР

Щоб уникнути появи побічних головних максимумів випромінюючі елементи решітки повинні розташовуватися порівняно близько один від одного, внаслідок… Наявність взаємного зв'язку призводить до того, що вхідний опір випромінювача… Еквівалентна схема збудження елементів ФАР приведена на рис. 5.58. Енергія, що потрапляє в тракт кожного елементу ФАР…

Схеми збудження ФАР

Використовують схеми збудження як фідерного типу (за допомогою ліній передачі енергії), так і оптичного типу, при якому енергія від опромінювача до… У схемах типу фідера ділення потужності може здійснюватися або послідовним,… Класична схема послідовного живлення лінійних еквідистантних решіток показана на рис. 5.59 а. Потужність до кожного…

Лекція № 6

Тема лекції:

«Антени літальних апаратів»

План лекції

6.1 Антени зв'язку. 104

6.2 Антени радіонавігаційного устаткування. 109

6.3 Антени радіолокаційного устаткування. 115

 

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Зміст лекції

Найбільш поширеною є класифікацією бортових антен за функціональним призначенням. За цією ознакою вони розділяються на: антени зв'язку, радіонавігаційні, радіолокаціні.

До бортових антен пред'являють наступні вимоги:

1) Мінімальний аеродинамічний опір. Для цього антена має бути або невыступаючою або мати мінімальні розміри і обтічну форму.

2) Висока механічна міцність повинна забезпечувати неруйнівність антени під впливом перевантажень і вібрацій, що виникають у польоті.

3) Збереження міцності конструкції літака при установці антени.

4) Параметри і характеристики антен повинні зберігатись в умовах зміни температури, тиску, вологості, обмерзання, механічних дій інших чинників, що визначаються умовами експлуатації літального апарату.

5) Розміщення антен повинне забезпечувати їх електромагнітну сумісність, тобто відсутність взаємних перешкод і взаємного впливу на показники.

6) Вплив корпусу літального апарату на показники антен повинен враховуватися при їх конструюванні і розміщенні.

7) Електростатичні розряди не повинні наводити ЕРС перешкод у бортових антенах. Для цього передбачається система захисту від блискавки.

8) Конструкція і розміщення антен повинні забезпечувати простоту і зручність їх експлуатації.

Багато які з цих вимог є суперечливим. Їх одночасне виконання натрапляє на серйозні технічні труднощі.

6.1 Антени зв'язку

Антени телекомунікації

Антени зв'язних радіостанцій призначені для далекого радіозв'язку працюючі в діапазоні КХ (від 2 до 30 МГц) в телефонному і телеграфному режимі. Зв'язок здійснюється в основному просторовим променем. Оскільки напрям зв'язку може бути довільним, антена має бути ненапрямленою в горизонтальній площині і слабонаправленной у вертикальній. Випромінювання формується за рахунок самої антени і корпусу літального апарату, розміри якого сумірні з довжиною хвилі.

 

Жорсткі дротяні антени.

В якості простих приймалень антен для цих діапазонів можуть використовуватися розглянуті вище антени - щогли. Г-, Т - образні антени. Висота приймальних антен досягає значень 15.20 м. При такій малій електричній довжині антена має низький ККД. Проте мале значення напруги корисного сигналу на виході такої неефективної антени без зусиль компенсується збільшенням коефіцієнта посилення приймача.

Істотним недоліком жорстких дротяних антен при використанні їх на літальних апаратах являється їх значний аеродинамічний опір. Так, наприклад, для подолання опору антени-щогли, що виступає над фюзеляжем літака (що летить із швидкістю 960 км/год), завдовжки 30см потрібно додаткова потужність

 

Рис. 6.1. Жорсткі дротяні антени: а) Г-подібна антена; б) Т-подібна антена; в) антена похилої

 

двигуна 200 к.с. Великі механічні зусилля, що розвиваються в жорстких дротяних антенах, викликають труднощі при конструюванні кінцевих ізоляторів. Окрім цього, необхідно врахувати обмерзання, яке може привести до різкого погіршення якості зв'язку за рахунок високочастотних втрат в крижаному покритті ізоляторів.

На літаках Іл-18, Ту-124, Ан-24 використовуються Т-подібні, Г-подібні і похилі жорсткі зовнішні дротяні антени. На рис. 6.1 зображені способи установки цих антен на літаках. Антена складається з робочої частини 1 і розтяжок 2. Г- і Т- образні антени натягаються між верхньою частиною кіля і щоглою, встановленою на обшивці над кабіною екіпажа. Антена похилої одним кінцем приєднується до прохідного ізолятора, а другим кінцем кріпиться за допомогою амортизатора до верхньої частини кіля. Залежно від типу літака довжина робочої частини і розтяжок може бути різна. Наприклад, для літака Іл-18, відповідно, 29,4 м і 16 м, для літака Ту-124 - 24,5м і 20м, для Ан-24 -18 м і 16,1 м. Робоча частина антени виконується з біметалічного троса діаметром 2мм (Іл-18), із сталевого троса діаметром 2,5мм (Ту-124), і з дроту для Ан-24 і ізолюється від іншої частини антенної системи підвісними ізоляторами.

 

Шлейфові антени

По пристрою нагадують антену шунтового живлення. Випромінювачем є корпус літака. Шлейф - це провідник, натягнутий паралельно корпусу на малій відстані від нього. один кінець шлейфу підключений до АУП (пристрій, що антенний-погоджує), а інший до корпусу. Зворотний струм, що протікає по корпусу до АУП, збуджує коливання в обшивці літака, яка і є випромінюючою поверхнею. На рисунку 6.2 показано облаштування шлейфової антени. Маловиступаючі шлейф антени розташовані на відстані 10-20 см від обшивки, не виступаючі, в спеціальних поглибленнях. Вони розташовуються уздовж фюзеляжу, кіля або крила і закриваються радіопрозорим обтічником.

Для поліпшення діапазонних властивостей використовують комбіновані антени, що складаються з двох-трьох шлейфів, які можуть включатися в різні комбінації за допомогою реле, керованих перемикачем піддіапазонів.

Шлейфові антени використовуються як приймальні і резервні передавальні.

 

 

Рис. 6.2 Схема простого шлейфу (а): 1 - фідер; 2 - узгоджуючий пристрій; 3 - шлейф; 4 - діелектрик;

б) місця найбільш частого розташування шлейфів на літаку.

 

Антени верхнього живлення (АВЖ)

По пристрою і принципу дії нагадують антену-щоглу верхнього живлення Айзенберга. Oт АУП живиться ємнісний збудник, ізольований від корпусу літака вузьким слоем діелектрика. Збудження струму в обшивці літака відбувається через ємність між збудником і корпусом. Як збудник використовуються закінцівка крила, кіля, фюзеляжу або спеціальний штир обтічної форми на килі літака - рис. 6.3

 

Рис. 6.3 Штирьова кільова антена:

1 - штир; 2 - монтажний люк; 3 - ізолятор; 4 - узгоджуючий пристрій; 5 - верхній обтічник кіля; 6 - трубопровід; 7 - фідер; 8 - кабель; 9 - наконечник кабелю; 10 - кронштейн.

 

Перевага таких антен: вони широкосмугові, всенаправлені невиступаючі.

 

Пазові антени.

Встановлено, що слабонаправленное випромінювання від корпусу літака можна отримати за допомогою пазового збудника, який є вирізом в конструкції, заповненим діелектриком (рис. 6.4). Коливання, що збуджуються в діелектриці за рахунок зв'язку з АУП передаються металевому корпусу літака і випромінюються. Найбільш ефективне і всенаправлене випромінювання виникає, якщо паз розташований на передній кромці крила або кіля або на закінцівці крила.

 

Рис. 6.4 Конструкція пазової антени

1 – корпус літака; 2 - паз; 3 - кожух.

 

Антени командних радіостанцій

Командні радіостанції забезпечують зв'язок в приаэродромной зоні на відстані не більше 300-400 км вони працюю в діапазоні частот 118-136 МГц вертикально поляризованим променем. Для отримання симетричної ДС в горизонтальній площині, антена має бути розташована поблизу подовжньої вісі літака. Зони можливого розташування показані на рис. 6.5.

 

Рис. 6.5 Зон можливого розташування антен ближнього зв'язку

 

При виборі місця розташування враховується необхідність розв'язки з антеною близького по діапазону курсового приймача, а також зв'язній радіостанції, гармоніки сигналу якої можуть опинитися в діапазоні командної радіостанції.

Оскільки діапазон частот вузький (коефіцієнт перекриття 1,15) можна забезпечити хороше узгодження фідера з широкосмуговою антеною без яких-небудь регулювань. З цією метою як антена використовується "товстий" несиметричний вібратор - штирьова антена завдовжки близько чверті хвилі.

Штирьова антена нижнього живлення.

1) Щоглова антена. На рис. 6.6 показаний ескіз і графіки частотних характеристик вхідного опору антени АМС-1 (антена щоглова літакова). вона порожниста відлита з міцного сплаву і має добре обтічну форму. Як видно з графіків, в межах діапазону 118-136 МГц, вхідний опір антени міняється трохи, чим обумовлено збереження узгодження. Антена встановлюється на діелектричній плиті і живиться коаксіальним кабелем.

 

Рис. 6.6 Антена АМС-1 і її вхідний опір

 

2) Штирьова антена верхнього живлення.

На рисунку 6.7 показана антена АШС-1 (антена широкосмугова літакова з верхнім живленням). Ізолятор 2 ділить антену на дві частини. Нижня частина кріпиться до фюзеляжу і з'єднується з обплетенням фідера. Жила фідера крізь порожнисту нижню частину і ізолятор підключається до верхньої частини яка є ємнісним збудником. Висота ізолятора вибирається так, щоб вхідний опір антени дорівнював хвилевому опору фідера. Це дозволяє поліпшити узгодження. Існує напівзігнута і Г-подібна модифікація такої антени. Вони чинять менший аеродинамічний опір.

 

 

Рис. 6.7 Антена АШС-1: 1 - ізольована частина антени; 2 - ізолятор; 3 - основа антени; 4 - фланець; 5 – роз’єднувач

 

Друкарські і комбіновані антени.

Технологія друкарського монтажу дозволяє отримати малогабаритні широкосмугові антени з елементами узгодження. Така антена складається з тонкої друкованої плати, закритої діелектричним обтічником, що має форму лопості і чинить незначний аеродинамічний опір.

Антена верхнього живлення з використанням полоскових ліній зображена на рисунку 6.8. Внутрішня плата складається із смужки 1, верхнього напіввібратора 2 і погоджуючого пристрою 3. Внутрішня плата закрита тонкими пластинами діелектрика 7 і 8, на які нанесено широке металеве покриття 6 і 9. Воно утворює із смужками 1 і 3 полоскові лінії. Так на зовнішніх сторонах пластин 6 і 9 виникає за рахунок ємнісного зв'язку зі збудником 1 струм, як у будь-якій антені верхнього живлення.

Існують комбіновані антени, в яких на одній друкованій платі розміщені декілька антени різного діапазону, а також елементи узгодження і розв'язки.

 

 

Рис. 6.8 Друкарська антена з елементами узгодження на полоскових лініях

 

Поверхневі кільові антени.

Є широкосмуговими вібраторами, виготовленими з тонкої фольги або сітки. На рис. 6.9 показані дві поверхневі антени розміщені на килі літака АН-24. Вони наклеюються на діелектричну вставку кіля. Їх основна перевага - нульовий аеродинамічний опір. За електричними параметрами вони не поступаються антенам, що виступають.

 

Рис. 6.9 Поверхнева антена літака Ан-24: 1 і 2 - поверхневі антени; 3 - верхня частина керма повороту, виконана з діелектрика; 4 і 5 - лючок для підходу до високочастотних роз'ємів; 6 - трубка для монтажу кабелів; 7 - фідер; 8 - високочастотний роз'єм; 9 - бобишка.

 

6.2 Антени радіонавігаційного устаткування

Антени радіокомпасів

Рамкові антени АРК.

Облаштування рамкової антени, що обертається, радиокомаса АРК-9 (рис. 6.10). Вона складається з трьох феритових стрижнів, на яких укладені обмотки, сполучені між собою паралельно. Виводи кінців і середньої точки підключені до кільцевих токознімачів, через які в кінці підключаються до двох коаксіальних фідерів, що сполучають рамку з входом керуючого сигналу. Середня точка заземляється, забезпечуючи симметрирування ланцюга рамкової антени, яке сприяє усуненню антенного ефекту. Останній виражається в наявності ЕРС на рамковому вході, коли рамка знаходиться в положенні нульового прийому. ЕРС антенного ефекту обумовлена несиметричною плечей рамки і рамкового вхідного ланцюга. Вона спотворює ДС рамки, що призводить до зменшення точності виміру КПРЕЙ (курсового кута).

 

 

Рис. 6.10 Блок рамкової антени радіокомпаса АРК-9

 

На рисунку 6.11 показаний зовнішній вигляд блоку нерухомих рамкових антен радіокомпаса АРК-15. На феритовому сердечнику виконані дві взаємно перпендикулярні обмотки, сполучені за допомогою фідера з нерухомими котушками гоніометра. Застосування нерухомих рамок підвищує експлуатаційну надійність АРК.

Рамкова антена встановлюється в спеціальному поглибленні фюзеляжу і закривається радіопрозорим обтічником. Цим усувається аеродинамічний опір. Можливі надфюзеляжне і підфюзеляжне розташування рамки. При зміні положення рамки, її ЕРС міняє фазу на 180^о

Окрім поля радіохвилі, на рамку діє поле хвилі, відбитої від літака. За рахунок цього змінюється положення фронту результуючої хвилі і напрям нульового прийому. Це явище називається радіодевіацією. Пов'язана з нею помилка, у вимірі курсового кута має бути врахована і компенсується. Ця помилка виявляється мінімальної при установці рамки в "електричному центрі" літака, тобто в такій точці на його подовжній осі, де хвилі відбиті від різних частин літака, найбільшою мірою взаємно компенсуються.

 

Рис. 6.11 Рамкова антена АРК-15

 

Як ненапрямлена антена АРК частіше за інших використовуються шлейфові антени, що маловиступають і не виступають, а також поверхневі антени. Відстань між рамковою і ненапрямленою антенами середньохвильового АРК не має істотного значення, оскільки розміри самого літака значно менше довжини хвилі. У АРК метрових хвиль ця відстань має бути мінімальною (не більше 20 см), інакше виникнуть додаткові фазові зрушення між ЕРС рамки і ненапрямленої антени, що приведе до пониження точності АРК. Тому в таких АРК, ненапрямлена антена у вигляді металевих смуг кріпиться на обтічнику рамкової антени.

 

Антени радіовисотомірів

Радіовисотоміри малих висот є обов'язковим елементом РЭО літаків і вертольотів. Вони використовуються для точного виміру істинної висоти при виконанні передпосадкового маневру. У основу роботи висотоміра покладений принцип пасивної радіолокації. Знаходять застосування висотоміри ДМХ (РВ-2 і РВ-РОЗУМ), працюючі на частоті 444МГц, з частотним відхиленням ± 20 МГц і СМХ (РВ-3, РВ-4, РВ-5) - 4100МГц з відхиленням ± 100 МГц. Передавальна і приймальна антени встановлюються під фюзеляжем і забезпечують, за рахунок відзеркалення від нього, слабонаправлену ДС з максимумом, спрямованим вниз.

Дипольні антени використовуються у висотомірах ДМХ. Облаштування такої антени показане на рис. 6.12. передавальний і приймальний вібратори встановлюються або в одну лінію уздовж вісі фюзеляжу, або паралельно на площинах стабілізатора

 

Рис. 6.12 Рупорна антена РВ-3: а) зовнішній вигляд; б) установка антени на літаку Як-40; 1 - ВЧ гермороз’єднувач; 2 - кожух; 3 - ВЧ роз’єднувач; 4 - антена АР-4Я

 

Пірамідний рупор РВ-3 і його установка показані на рис. 6.12. знизу рупор закритий радіопрозорим обтічником і не має виступаючих частин.

 

Антени посадкових і навігаційних систем.

Така назва пов'язана з тим, що ці антени можуть використовуватися для прийому як сигналів курсового радіомаяка, так і сигналів навігаційного азимутального маяка VOR, діапазони яких співпадають.

Курсоглисадні радіомаякові системи забезпечують індикацію положення літака по відношенню до лінії планування. До складу бортового устаткування входять курсовий, глісадний і маркерний приймачі, працюючі в діапазонах частот відповідно: 108-112, 329-335 і 75 МГц. Усі маяки випромінюють горизонтально поляризовані хвилі. Тому антени усіх приймачів горизонтальні. Навігаційна система VOR дозволяє визначити азимут літака. Система ближньої навігації РСБН, окрім азимута, вимірює дальність до маяка.

Курсові антени є модифікаціями горизонтального симетричного вібратора. Вони можуть розташовуватися над і під фюзеляжем, на килі, на кромках крил і стабілізаторах, на стійках шасі, наклеюватися на внутрішні поверхні скління кабіни або обтічників антен РЛС. Антени VOR розташовуються зазвичай на килі.

 

Рис. 6.13 Глісадна антена типу 37Р-5

 

Антена, що встановлюється в носовому обтічнику літака, є петлевим несиметричним вібратором. На рис. 6.13 показана антена глісади фірми "Collins" 37Р-5, працююча з двома приймальними пристроями. Вага антени складає 0,227 кг, діапазон робочих температур -55…+70⁰С З, вхідний опір кожного входу – 52 Ом. Діаграма спрямованості в азимутальній площині для крайніх значень частот робочого діапазону радіомаяка глісади приведена на рис. 6.14 а і рис. 6.14 б. Тут же зображені діаграми спрямованості кросс-поляризационной складової електромагнітного поля.

 

Рис. 6.14 ДС в азимутальній площині на частоті 335 МГц (а) і ДС в азимутальній площині на частоті 329 МГц

 

 

Рис. 6.15 Установка курсової і глісадної антен літака Ту-154:

1- курсова антена (лівий вібратор);

2 - склотканина; 3 – глісадна антена; 4 - носовий обтічник

 

На рисунку 6.16 показаний один напіввібратор курсової антени КПРС-МП з верхнім живленням. Два такі напіввібратори встановлюються в носовій частині літака симетрично відносно подовжній вісі фюзеляжу.

 

 

Рис. 6.16 Антена апаратури КПРС-МП: 1 - накінечник вібратора; 2 - кожух вібратора; 3 - контактний ковпачок; 4 - втулка; 5 - шайба; 6 - ВЧ кабель РК-75-4-12; 7 - ВЧ роз’єднувач; 8 - футорка; 9 - основа з фланцем; 10 – ізолятор

 

Антени DME

В якості антени далекомірних систем (DME) застосовуються антени ножового типу. Наприклад, антена АМ-001 літакового далекоміра СД-67.

 

 

Рис. 6.17 Антена DME

 

Антена АНТ-42 фірми "Collins" також є бортовою антеною далекоміра. Антена має вертикальну поляризацію. Будучи аналогом чвертьхвильового несиметричного вібратора, працює в діапазоні 960...1220МГц (рис. 6.17). КСХ антени в смузі частот 1025…1150 МГц не перевищує 1,3, а в діапазонах частот 960…1025МГц і 1150…1220МГц значення КСХ не більше 1,5. Вхідний опір антени 50 Ом. Максимальна імпульсна потужність 2,5 кВт (середня потужність - 10Вт). Вага антени 0,11кг.

 

Рис. 6.18 Розміщення антен DME на літаку Боїнг-737

 

Антени GPS

Мікросмужна антена використовується як бортова приймальня антени системи GPS. Зовнішній вигляд антенного блоку приведений на рис. 6.19, він містить: мікросмужний випромінювач, двохкаскадний підсилювач на малошумливих мікросхемах і два смугові фільтри. Блок закритий радіопрозорою кришкою - обтічником.

 

а) вигляд зверху

 

 

б) вигляд знизу

Рис. 6.19. Зовнішній вигляд антени GPS літака Боинг-737:

1- настановні отвори під гвинти; 2 - коаксіальний розмикач

 

Основні характеристики антенного блоку:

- робоча частота 1575,45 МГц;

- коефіцієнт посилення підсилювача 30±2 дБ;

- коефіцієнт шуму підсилювача менше 1,2 дБ;

- КСХ ≤ 1,5;

- вхід коаксіальний з хвилевим опором 50 Ом.

Антена має наступні характеристики:

- випромінювач полосковый з розмірами λ_В/2 х λ_В/2 на діелектричній підкладці з ε = 10;

- поляризація поля права кругова з коефіцієнтом еліптичності не менше 0,7;

- нерівномірність ДС в азимутних перерізах не менше 0,7;

- КП антени в максимумі ДС більше 2 (3 дБ).

 

Рис. 6.20 Полосковая приймальна антена системи GPS

 

Зовнішній вигляд антени представлений на рис. 6.20, де: 1 - металева пластина квадратної форми; 2 - діелектрична підкладка; 3 - точка живлення; 4 - настановні отвори на металевому екрані.

Антени маркерних приймачів

Ці приймачі призначені для сигналів маркерних радіомаяків, що означають момент прольоту літака особливих навігаційних точок. Широке застосування знаходять внутрішньофюзеляжні антени, що є симетричним вібратором сильно укороченими за рахунок включення конденсаторів, що укорочують. Пристрій і схема такої антени показана на рис. 6.21.

 

Рис. 6.21 Антена МРП: а - конструкція антени; б - схема антени

 

Внутрішньофюзеляжна антена МРП (рис. 6.21 а) виконана у вигляді литої прямокутної ванни 1 із зовнішніми ребрами жорсткості, що має розміри 260 х 160 х 80 мм. Усередині ванни 1 розташований несиметричний вібратор 7, виконаний у вигляді тонкої латунної пластинки. Один кінець вібратора 7 приєднаний гвинтами до вузької стінки ванни 1, а інший - до ізолятора 6. До цього ж кінця випромінювача підпаяні навантаження (3 і 5) і налаштовуючі конденсатори 4. Для підключення кабелю на вузькій стінці ванни укріплений високочастотний розмикач 8. Для забезпечення герметичності ванна закривається радіопрозорою кришкою 2. Антена МРП розташована в нижній частині фюзеляжу літака і має ДС з максимумом випромінювання, орієнтованим вертикально вниз.

З рис. 16.21 б видно, що несиметричний вібратор живиться за шунтовою схемою. Внутрішній провідник коаксіального кабелю приєднаний в точці з с вібратора. Кінець вібратора в точці d сполучений з корпусом. Вхідний опір антени залежить від положення точки с на вібраторі. Підбираючи положення цієї точки, домагаються узгодження вхідного опору антени з хвилевим опором фідера.

Антени радіотехнічних систем ближньої навігації

Устаткування РСБН-С містить приймальну і передавальну антени однакової конструкції. Це двощілинні антени резонаторів. Кожна з них складається з двох, паралельно розташованих антен. Кожна антена є прямокутним об'ємним резонатором, налаштованим на середню частоту діапазону і збуджуваним від коаксіального фідера. Одна із стінок резонатора прозора для радіохвиль. Вона і є щілинним випромінювачем. Двощілинна антена забезпечує практично ненапрямлену ДС. Розташовуються антени в килі.

6.3 Антени радіолокаційного устаткування

Антени панорамних РЛС

Антени панорамних РЛС працюють в трьохсантиметровому діапазоні, забезпечують в режимі "гори-грози" голчасту, а в режимі "огляд землі" - віялову ДС у вертикальній площині.

Як приклад розглянемо антену РЛС "Гроза", схематично показану на рис. 6.22.

Параболоїдний відбивач - 1 суцільний, а віяловий - 2 виконаний з горизонтально розташованих дротів. Він відбиває горизонтально-поляризовані хвилі, а для вертикально-поляризованих він "прозорий".

Хвиля випромінювана електричною антеною - 3, відбивається контррефлектором - 4 у напрямі рефлекторів. Її поляризація визначається феритовим обертачем площини поляризації - 5, в режимі "гори-грози" феритовий стрижень не намагнічений. Поляризація хвилі вертикальна, відбиває параболоїд, ДС - голчаста. У режимі "огляд землі" стрижень намагнічений, поляризація горизонтальна, відбиває віяловий рефлектор, формується віялова ДС. Огляд простору в межах певного сектора перед літаком забезпечується скануванням (гойданням) антени навколо вертикальної осі.

 

Рис. 6.22 Схематичне зображення антени ПРЛС "Гроза"

 

Антени доплерівських РЛС

Антени доплерівських РЛС забезпечують вимір путьової швидкості і кута зносу літака. Як приклад розглянемо антени навігаційної автономної системи НАС-1 ("Траса"). Приймальні і передавальні антени однакові. Для забезпечення вимірів має бути сформована ДС, показана на рисунку 6.23. Причому промені 1, 3 і 2, 4 повинні чергуватися. Антена, що називається хвилеводно-щілинними решітками, складається з двох хвилеводів, у вузькій грані яких розташовано по 30 зустрічно нахилених щілин - випромінювачів (рис. 6.24)

 

 

Рис. 6.23 Діаграма спрямованості антен ДРЛС "Траса"

 

 

Рис. 6.24 Хвилеводно-щілинні решітки ДРЛС "Траса"

 

Усі непарні хвилеводи живляться синфазно і випромінюють, наприклад через щілини, нахилені управо, формуючи промінь 1. Парні хвилеводи живляться в зворотній фазі і випромінюють через щілини, нахилені вліво формуючи промінь 3. У момент комутації променів змінюється напрям хвиль в живлячих хвилеводах. В результаті в парних і непарних хвилеводах випромінювальні отвори міняються ролями і формуються промені 2 і 4.

 

Чотирьохелементна ФАР застосовується в якості спрямованої антени системи ТКАС. Розміщення цієї низькопрофільної ФАР на літаку наведено на рис. 6.25, а на рис. 6.26 наводиться зовнішній вигляд цієї антени. Кожен елемент ФАР має свій вхід, маркірований кольором (блакитний, червоний, жовтий, чорний).

Антена випромінює імпульси на частоті 1030 МГц, а прийом сигналів здійснюється на частоті 1090 МГц на чотири приймальні пристрої. У режимі випромінювання ФАР має слабонаправленную ДС, а режимі прийому промінь антени шириною 90⁰ сканує, причому ФАР працює в режимі моноімпульсної антени, формуючи в просторі сумарну і різницеву ДС.

Конструктивно антена виконана під обтічником так, що вона виступає над фюзеляжем на висоту не більше 2 см, сама ФАР має ширину близько 24 см і вагу 1 кг

 

Рис. 6.25 Розміщення спрямованих антен системи ТКАС на літаку Боїнг-737

 

 

 

a) б)

Рис. 6.26 Загальний вигляд спрямованої антени системи ТКАС