Лекция 7
АНТЕННО– ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА
7.1. КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
В судовых РЛС для передачи энергии от передатчика к антенне и от антенны к приемнику используются как волноводные, так и коаксиальные или соосные линии.
Несмотря на экранирующие свойства коаксиальной линии и связанные с этим незначительные потери энергии на излучение и индукционные потери, а также работу в широком диапазоне частот, коаксиальная линия имеет ограничение в передаваемой мощности в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.
Известно, что поперечные электромагнитные волны, распространяющиеся в двухпроводной линии, могут возбуждаться в коаксиальной линии при условии, когда поперечные размеры линии (рис. 7.1) удовлетворяют условию 
.
Поэтому с уменьшением длины волны размеры поперечного сечения должны уменьшаться, что создает опасность пробоя при передаче больших мощностей.
Кроме того, из-за ограниченных размеров заметно растут потери энергии в коаксиальной линии на частотах свыше 3000 МГц.
В связи с отмеченными недостатками коаксиальные линии на волнах короче 10 см используются в основном при передаче энергии на малые расстояния и при передаче малых мощностей (отвод энергии к измерительным приборам, вращающиеся переходы, межблочные соединения отдельных узлов станции и пр.).
Как всякая двухпроводная линия, коаксиальная линия характеризуется следующими основными параметрами:
- волновым сопротивлением (rЛ);
- затуханием (b);
- предельной мощностью (Рmax).
Волновое сопротивление коаксиальной линии с воздушным заполнением (в омах) определяется выражением
.
Волновое сопротивление коаксиальной линии, заполненной диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e’, уменьшается по сравнению с воздушным заполнением в 
раз. Затухание коаксиальной линии равно
,
где s - проводимость проводника;
l - длина волны, м.
Максимальная или предельная мощность, передаваемая по коаксиальной линии, равна
,
где Еmax – максимально допустимая или предельная мощность при нормальных атмосферных условиях, кВ/см.
Рабочая или допустимая мощность берется равной РД = (0,2 ¸ 0,4) Рmax.
В таблице 7.1 приведены основные данные некоторых стандартных коаксиальных линий, применяемых на практике.
Таблица 7.1.
| Марка кабеля | Волновое сопротивление, ом | Затухание на частоте 1000 МГц, дБ/м | Максимальное рабочее напряжение, кВ | Диаметр внутреннего проводника, мм |
| РК-1 РК-2 РК-3 РК-4 РК-6 РК-8 РК-19 РК-20 РК-28 РК-29 | 0,39 0,26 0,22 0,33 0,28 0,10 0,73 0,28 0,30 0,39 | 4,5 5.5 5,6 4,5 8,5 1,5 1,5 | 0,68 0,68 1,37 1,37 2,55 2,73 0,68 1,11 2,13 1,37 |
7.2. ВОЛНОВОДНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн в качестве основной линии передачи энергии от передатчика к антенне РЛС и от антенны к приемному устройству применяется волноводная линия.
По сравнению с коаксиальной линией волновод имеет:
- меньшее затухание
- позволяет передавать большую мощность.
Основным недостатком волновода является:
- его критичность по отношению к длине волны
- громоздкость волноводной линии при работе на более
длинных волнах.
По этой причине волноводные линии применяются в судовых РЛС, работающих на волнах, не превышающих 10 см.
Наибольшее применение на практике находят волноводы прямоугольного сечения с использованием простейшей поперечно-электрической волны.
Волноводы прямоугольного сечения:
проще в изготовлении,
легче возбуждаются от генератора СВЧ или другого источника колебаний
Электрическая составляющая поля строго ориентирована между широкими стенками волновода, эта волна дает наиболее устойчивую поляризацию, которая не изменяется при изгибах, поворотах и других деформациях волноводной линии.
Поскольку критическая длина волны прямоугольного волновода зависит от размеров его широкой стенки
lКР = 2 а.
Исходя из того, что рабочая длина волны должна быть меньше l < lКР, существует следующий оптимум в соотношении
.
Размер b узкой стенки волновода на критическую длину волны не влияет, а зависит от величины передаваемой мощности.
Эта мощность определяется допустимым напряжением между широкими стенками волновода. Если принять для нормальных условий эксплуатации пробивное напряжение равным 30 кВ/см, то размер b c учетом четырехкратного запаса на повышение надежности
,
где Р – передаваемая мощность, МВт;
lВ – длина волны в волноводе;
.
Практически размер b не превышает обычно.
Надо учитывать, что при наличии рассогласования антенно-волноводного тракта в волноводной линии, устанавливается режим стоячей волны, который повышает напряжение, а следовательно, снижает допустимое значение пропускаемой мощности.
Затухание энергии в прямоугольном волноводе зависит от длины волны передаваемых колебаний, размеров волновода, материала стенок волновода:
,
где RS – поверхностное сопротивление стенок волновода;
rS – волноводное сопротивление среды, заполняющий волновод.
Волновое сопротивление воздушной среды определяется выражением
rС = 120p.
Другим важным параметром волновода является его волновое сопротивление
.
В таблице 7.2 приведены параметры некоторых стандартных прямоугольных волноводов.
Таблица 7.2.
| Марка волновода | Диапазон волн, см | Максимальное затухание, дБ/м | Внутренние размеры, мм | Толщина стенок, мм | Максимальная мощность, МВт |
| МЭК-26 МЭК-40 МЭК-58 МЭК-81 МЭК-120 | 9,1 – 13,83 6,13 – 9,32 4,26 – 6,47 3,00 – 4,56 2,00 – 3,05 | 0,0173 0,0311 0,0539 0,0993 0,166 | 86,36 43,18 58,17 29,083 40,39 20,193 28,499 12,624 19,050 9,525 | 2,03 1,63 1,63 1,63 1,27 | 1,77 |
|
Волноводы круглого сечения уступают прямоугольным волноводам:
с точки зрения габаритных размеров,
затухания,
стабильности прохождения волн,
простоты выполнения отдельных элементов.
Симметричная форма поперечного сечения круглого волновода делает их весьма ценными для применения во вращающихся соединениях волноводных линиях.
В круглом волноводе используется поперечно магнитная волна, показанная на рис. 7.3.
Критическая длина волны в этом случае
.
Волноводы круглого сечения целесообразно применять в качестве прямолинейных линий передач в диапазоне миллиметровых волн.
Особенностью этого типа волны в круглом волноводе является монотонное убывание коэффициента затухания с ростом частоты.
Передача энергии от генератора в волноводную линию и извлечение энергии из волноводной линии производится через переходное устройство.
В качестве переходного устройства используется обычно коаксиальная линия, связанная с волноводом.
На практике чаще всего применяется электрическая связь, которая осуществляется с помощью внутреннего проводника коаксиальной линии, помещаемого внутри волновода и используемого как вибратор.
Наружный проводник соединяется с широкой стенкой волновода (рис. 7.4). 
Штырь располагают на расстоянии lВ/4 от глухой стенки.
Тогда излучение энергии в сторону открытого конца волновода оказывается максимальным, так как энергия, отраженная от глухой стенки, совпадает по фазе с полем самого вибратора.
Извлечение энергии из волновода происходит таким же образом, так как штырь, являясь антенной, обладает свойством обратимости, т.е. работать как на передачу, так и на прием сигналов.
Волноводная линия на судне собирается из отдельных секций по месту установки передатчика и антенны. Для сочленения этих секций между собой применяют дроссельно-фланцевые соединения.
Принцип дроссельно-фланцевого соединения двух неподвижных отрезков волновода показан на рис. 7.5. Один фланец плоский, другой при непосредственном соединении с первым образует полуволновой короткозамкнутый отрезок длинной линии. Поскольку входное сопротивление такого отрезка линии равно нулю, то в волноводном стыке создается короткое замыкание и энергия без заметного отражения будет переходить из одной секции волновода в другую.
На рис. 7.6 показано устройство дроссельных фланцев.
При работе судовой РЛС в режиме кругового обзора антенна вращается, а приемопередатчик неподвижен.
Вследствие этого возникает необходимость в наличии в антенно-волноводном тракте вращающегося перехода.
Широкое распространение на практике получила схема волноводно-коаксиального вращающегося перехода (рис 7.7).
Волноводная линия судовой РЛС может иметь различный профиль в зависимости от размещения антенны и приемопередатчика.
|
|
Для поворотов волноводной линии применяют волноводные уголко-вые секции (рис. 7.8) или секции с плавным изгибом линии (рис 7.9), включаемые между прямыми участками волноводной линии.
Чтобы изгиб не давал значительных отражений энергии от места поворота волноводной линии, радиус закругления должен быть больше lВ.
Для измерения плоскости поляризации применяют скрученные на 90° волноводные секции (рис 7.10). Поскольку при скручивании форма поперечного сечения волновода сохраняется, конфигурация поля и длина волны в волноводе остаются без изменений.
|
|
В судовых РЛС для повышения электрической прочности волновых линий обычно применяют не ступенчатые, а плавные переходы (рис 7.13),
|
На рис. 7.14 представлена волноводная линия судовой РЛС в собранном виде. Линия содержит почти все рассмотренные элементы: фланцевые соединения, повороты, скрученную секцию, плавный переход разного сечения и пр.
Особенностью современных судовых навигационных РЛС является то, что генератор СВЧ, а также СВЧ тракты приемника конструктивно располагаются в антенном блоке (иногда называемом сканером).
При такой конструкции антенного блока исключается применение громоздких волноводных устройств, и соответственно исключаются потери мощности при передаче и приеме отраженных СВЧ сигналов в волноводах.
Передача уже преобразованных ВЧ сигналов может осуществляться по коаксиальным линиям передачи энергии
7.3. ОСОБЕННОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ АНТЕНН
В связи со спецификой работы судовых навигационных РЛС к антеннам этого типа предъявляются следующие требования:
- возможность обзора по азимуту в пределах 360°;
- высокая направленность действия;
- широкая полоса пропускания частот;
- минимальная интенсивность боковых лепестков;
- достаточная механическая прочность и жесткость в сочетании с минимальной массой, размерами и парусностью.
Диаграмма направленности антенны представляет собой график относительного изменения мощности или напряженности поля, создаваемых антенной в разных направлениях, но на одинаковом от антенны расстоянии. Она может быть построена как в прямоугольных, так и полярных координатах. На рис. 7.15 показана диаграмма по мощности, построенная в по- лярных координатах.
Угол a называется углом раствора диаграммы направленности.
Он характеризует собой ширину диаграммы в определенной плоскости, например, горизонтальной или вертикальной.
Углом раствора диаграммы направленности по мощности называется угол между прямыми, проходя- щими через точки половинной мощности (на уровне 0,5).
Наибольшее распространение в РЛС получили:
- рупорные,
- щелевые,
- линзовые антенны и их сочетание.
Если конец волновода, по которому передается энергия, открыт с одной стороны, то энергия будет излучаться в окружающее пространство. Однако эффективность излучения в этом случае будет недостаточной, поскольку из-за несогласованности волнового сопротивления волновода и волнового сопротивления свободного пространства часть энергии будет отражаться обратно в волновод. Для согласования волновых сопротивлений на конце волновода создается расширение, образующее рупор или рупорную антенну (рис. 7.16).
Кроме согласования волновых сопротив- лений на конце волновода создается рас- ширение, образующее рупор или рупорную антенну (рис. 7.16). Кроме согласования, рупорная антенна создает и большую направленность, чем открытый конец волновода.
Угол направленности в плоскости широкой стенки волновода a° = 68l/ d /, в плоскости узкой стенки этот угол q =50 l/d.
|
|
7.4. ЩЕЛЕВЫЕ И ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ
Если на широкой или узкой стенке волновода определенным образом вырезать щель длиной около половины длины волны (l/ 2), то такая щель способна излучать и принимать радиосигналы аналогично полуволновому симметричному вибратору.
Разница будет лишь в том, что магнитная составляющая поля Н оказывается ориентированной вдоль щели, а электрическая Е – поперек. Антенна с такой щелью называется щелевой.
Питание щели осуществляется поверхностным током СВЧ, протекающим по внутренней стенке волновода. Ширина щели выбирается исходя из требования обеспечить диэлектрическую прочность щелевого промежутка, т.е. зависит от передаваемой мощности.
Волноводная щель обладает слабой направленностью. Поэтому для получения узкой диаграммы направленности вырезается не одна, а несколько щелей. В этом случае ширина диаграммы направленности щелевой антенны будет зависит от количества щелей и определяется по формуле:
,
где N – количество щелей.
Расположение щелей и расстояние между ними выбираются таким образом, чтобы электромагнитное поле у всех щелей изменялось синфазно. (совпадало по фазе).
Для подавления составляющей поля 
применяется волноводный фильтр.
На практике получили большое распространение комбинированные рупорно-щелевые антенны (АРЩ), обеспечивающие получение диаграммы направленности антенны, имеющей веерную форму (узкую в горизонтальной плоскости и широкую – в вертикальной).
Щелевой излучатель рупорно-щелевой антенны (рис.7.18) формирует диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, а рупор – формирует диаграмму направленности в вертикальной плоскости. В целях герметизации рупор закрывается диэлектрической вставкой из радиопрозрачного материала.
Наряду с рупорными и щелевыми в настоящее время получили распространение в РЛС антенны другого типа, называемые линзовыми.
Линзовая антенна состоит из:
- слабо направленного излучателя 1
- линзы, плоско-выпуклой или плоско-вогнутой формы (рис. 7.19).
Линза изготовляется обычно из диэлектрического радиопрозрачного материала (полистирола, фторопласта).
С помощью линзы электромагнитная волна облучателя преобразуется в плоскую волну, формирующую заданную диаграмму направленности.
Размер линзы зависит от:
длины волны РЛС,
заданной ширины диаграммы направленности в той или иной плоскости.
Например, высота D, определяющая ширину диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, равна:
,
где q° - заданная ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
Толщина линзовой антенны d выбирается исходя из соотношения
d = (0,15 ¸ 0,2)× D.
Фокусное расстояние f, на котором располагается облучатель от плоскости линзы,
f» 0,5× D.
На практике находят применение комбинированные линзово-щелевые антенны.
В этом типе антенны диаграмма направленности:
в горизонтальной плоскости формируется, как обычно, волноводным щелевым излучателем,
в вертикальной плоскости – с помощью линзовой диэлектрической антенны.
Антенна этого типа имеет меньшую массу и парусность при тех же размерах раскрыва в горизонтальной плоскости, что и рупорно-щелевая антенна.
7.5. АНТЕННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
При использовании в судовых навигационных РЛС одной антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов, обязательно наличие антенного переключателя (АП).
Переключатель осуществляет:
- коммутацию антенны с передачи на прием и обратно,
- защищает вход приемника от проникновения чрезмерно большой мощности СВЧ.
Источник этой мощности – собственный передатчик, а также им могут быть соседние РЛС, работающие на одной и той же частоте.
К антенным переключателям предъявляются следующие требования:
- в момент передачи мощность, просачивающаяся на вход приемника, должна быть как можно меньше и не превышать 0,1 Вт;
- АП должен быть быстродействующим, время срабатывания не должно превышать сотых долей микросекунды;
потери мощности при передаче (особенно при приеме отраженных импульсов) должны быть минимальными.
Применяемые в настоящее время в судовых навигационных РЛС антенные переключатели условно можно разделить на:
- коммутационные,
- балансные,
- ферритовые.
Упрощенная схема АП с ферритовым циркулятором (рис 7.20) работает следующим образом.
Мощные радиоимпульсы СВЧ, вырабатываемые магнетроном, через направленный ответвитель НО и ферритовый циркулятор ФЦ по волноводной линии передаются в антенну.
Благодаря наличию разрядника Р защиты приемника и ФЦ вход приемника оказывается изолированным от воздействия мощных радиоимпульсов магнетрона.
Принимаемые отраженные сигналы через ФЦ и разомкнутый разрядник Р будут поступать на вход приемника и не будут попадать через ФЦ в магнетронный генератор.
Рассмотрим более подробно работу ферритового антенного переключателя, принцип действия которого основан на явлении невзаимного фазового сдвига в прямоугольных волноводах, содержащих ферритовую пластину, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода.
Волны, распространяющиеся в таком волноводе в противоположных направлениях, имеют различные фазовые скорости.
Отрезок волновода с ферритовой пластиной и постоянным магнитом получил название невзаимного фазовращателя.
Ферритовый антенный переключатель – фазоферритовый циркулятор (рис. 7.21) состоит из:
двух симметричных щелевых мостов ЩМ1 и ЩМ2;
двухканальной волновой секции с помещенными внутри каждого канала ферритами;
фазосдвигающей секции ФСС;
поглотителя и разрядника защиты приемника РЗП.
|
Энергия СВЧ от передатчика поступает в плечо 1 циркулятора и делится первым щелевым мостом ЩМ1 на две равные части, причем волна, возбуждаемая в нижнем волноводе, оказывается сдвинутой по фазе на 90° относительно волны в верхнем волноводе.
Проходя через невзаимный ферритовый фазовращатель слева направо, волна в нижнем волноводе получает дополнительный фазовых сдвиг на 90°.
В ФСС сдвиг фаз между волнами в нижнем и верхнем волноводах увеличивается до 270°.
При прохождении через ЩМ2 сдвиг фаз увеличивается еще на 90°.
Суммарный сдвиг фаз волны, прошедшей через нижний волновод при входе в плечо 4, составляет 360°,
а при входе в плечо 3 – 270°.
Волна, прошедшая по верхнему волноводу, на входе плеча 4 оказывается синфазной с волной нижнего волновода, а при входе плеча 3 – противофазной волне нижнего волновода.
Поэтому вся излучаемая энергия поступает в плечо 4, ведущее к антенне, и не попадает в плечо 3.
При приеме отраженных сигналов, т.е. при движении справа налево по невзаимному фазовращателю, волна в верхнем волноводе будет задерживаться по фазе на 90° по сравнению с волной в нижнем волноводе и, пройдя через все элементы циркулятора, окажется синфазной с волной нижнего волновода на входе плеча 2. На входе плеча 1 волны будут противофазны.
Таким образом, вся энергия пойдет на вход приемника (плечо 2).
На входе плеча 2 стоит резонансный разрядник для защиты приемника от мощных сигналов, просачивающихся через ЩМ1 во время передачи, либо отраженных от несогласованной нагрузки волноводного тракта, а возможно, и от другой РЛС.
Один из главных элементов АП любого типа – высокочастотный газовый разрядник.
В судовых навигационных РЛС применяются разрядники широкополосного типа, имеющие постоянную фиксированную настройку, отчего упрощается регулировка РЛС в судовых условиях.
Разрядник выполняется в виде герметизированного прямоугольного волновода 2 длиной около 3/4 lВ и стандартным сечением (рис. 7.21).
Разрядник сдержит 2 пары электродов 3 конусной формы, расположенных на расстоянии l В / 4 один от другого.
Пара электродов, находящихся ближе к выходному окну 6, снабжена дополнительным поджигающим электродом 4, на котором подается напряжение отрицательной полярности.
Включается разрядник в волновую линию с помощью соединительных фланцев 1, 5. Для уменьшения времени срабатывания разрядник наполняется смесью водорода и паров воды под небольшим давлением.
При воздействии зондирующего импульса передатчика первой из-за быстрой ионизации газа замыкается пара электродов, снабженная поджигающим электродом.
Затем отраженная волна от короткозамкнутой пары электродов создает высокое пробивное напряжение на первой паре.
При коротком замыкании первой пары электродов и достаточной входной мощности образуется электрический разряд на входном окне 7.
Возникающая при разряде плазма, обладая высокой проводимостью, закорачивает входное окно и защищает приемник от проникновения мощных импульсов передатчика.
7.6. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСИ И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН
СОВРЕМЕННЫХ СУДОВЫХ РЛС
На рис. 7.22 изображен внешний вид антенных устройств одно и двух канальной автоматизированной радиолокационной станции «Ряд» (3,5 и 10 см диапазона волн).
|
Рис 7.22 Внешний вид антенных устройств автоматизированной РЛС «Ряд»
Радиолокационная станция "Ряд" является дальнейшим развитием известной навигационной РЛС типа "Океан", которой было поставлено более тысячи комплектов, как судовых, так и береговых модификаций данной станции.
Табл. 7.3.
| Параметры | А3266 | А3233 | А1035 |
| Диапазоны частот, МГц Усиление, дБ Ширина диаграммы направленности - в горизонтальной плоскости, град - в вертикальной плоскости, град Размах излучателя, мм Скорость обзора, об/мин Потребляемая мощность, Вт | 8880-9250 0,35 8, 16 | 9400-94609(Х) 0,75 8, 10, 12, 16, 20, 24 | 3030-3090(S) 2,25 8, 10, 12, 16, 20, 24 |
В таблице 7.3 приведены основные параметры антенн 3см (X) и 10 см (S) диапазона, устанавливаемых в навигационных РЛС данной модификации.
Шестиметровые антенны в такой РЛС запитываются СВЧ-энергией в центре, что позволяет получить высокую разрешающую способность по дальности при длительности импульса 50 – 70 нс и устранять зависимость направления излучения от несущей частоты импульсов.
Питание привода антенн осуществляется напряжением 220/380 В (частота 50 Гц).
На рис. 7.23 показан внешний вид антенных устройств, применяемых в РЛС серии «Наяда» («Наяда-34МЕ», «Наяда-34М», «Наяда-25М1», «Наяда-25МЕ», «Наяда-25М1Р»), которые являются дальнейшим развитием известной и хорошо зарекомендовавшей себя судовой навигационной РЛС «Наяда-5».
|
| ||||
|
Рис. 7.23
Антенные устройства навигационных РЛС
серии «Наяда»
а) - Х-диапазон (3 см), размах 3,0 м
б) – Х диапазон (3см), размах 1,6 м
в) – S-диапазон (10 см)
В антенные устройства навигационных РЛС серии «Наяда» входят приемопередатчики, т.е. они представляют собой антенно-передающие-приемные устройства. В этих устройствах обеспечивается быстросъемность модуля приемопередатчика, других устройств, а также ремонт методом агрегатной замены. Включение и выключение питания таких модулей обеспечивается дистанционным способом. Встроенные средства контроля включают допусковый контроль излучаемой мощности и чувствительности приемника; контроль сигналов в узловых точках по вызову
Основные технические параметры антенных устройств навигационных РЛС серии «Наяда» приведены в табл. 7.4.
Табл. 7.4.
| Параметры | Х-диапазон (3 см), 3,0 м | Х диапазон (3см), 1,6 м | S-диапазон (10 см) |
| Усиление, дБ Ширина диаграммы направленности - в горизонтальной плоскости, град - в вертикальной плоскости, град Скорость обзора, об/мин Поляризация Потребляемая мощность, Вт Скорость ветра (макс), узлы Рабочая температура, °С Масса, кг | 0,8 23 или 46 горизонтальная – 40 ¸ + 55 | 1,6 23 или 46 горизонтальная – 40 ¸ + 55 | 2,1 вертикальная – 40 ¸ + 55 |
На рис. 7.24 представлено антенное устройство навигационной РЛС «Галс», предназначенной для обеспечения нави- гации и повышения безопасности плава- ния судов валовой вместимостью до 150 тонн. Антенное устройство с входящим в его состав приемопередатчиком обладает небольшими габаритными размерами, ма- лой потребляемой мощностью и высокой надежностью. Длина волны – 3 см. Размер антенны в колпаке составляет всего лишь 60 см, а вес – 9,8 кг.
Рис. 7.24.
Антенное и индикаторное
устройство навигационной РЛС «Галс»
