3.2. Принцип действия антенн авиационных рэс различного назначения

Любая антенна, применяемая в авиационных РЭС, состоит из первичных и вторичных излучателей. Первичным излучателем называется элемент антенны, связанный с линией передачи. Излучающий элемент, не связанный с ней и возбуждаемый полем первичного излучателя, называется вторичным.

Вибраторные антенны.

В авиационных радиостанциях широко используются антенны, состоящие из линейных проводников. Их еще называют проволочными антеннами. Они состоят из множества элементов, простейшими из которых являются симметричный (полуволновый) и несимметричный (четвертьволновый) вибраторы.

Полуволновой вибратор состоит из двух прямолинейных проводников, симметрично расположенных на одной линии ОZ, с небольшим промежутком между ними, рис. 4.

Внутренние (срединные) концы проводников, к которым подключают генератор высокой частоты (ГВЧ), называют клеммами. Подключенный к клеммам проводников ГВЧ является причиной формирования в них переменной ЭДС. Под действием последней свободные электроны начинают совершать колебательное движение, создавая электромагнитное излучение в окружающем пространстве.

Вообще симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180⁰ (рисунок 5).

Благодаря этому токи в симметричных относительно клемм точках Zi и –Zi равны и направлены в одну сторону (рисунок 4). Распределение тока I(z) вдоль проводников симметрично (рис. 4).

Для получения максимального тока в проводах вибратора (и соответственно максимального уровня излучения) должно быть выполнено условие резонанса. Т.е. когда длина волны колебаний ГВЧ совпадает с длиной волны собственных колебаний вибратора ( ).

Рис. 4. Полуволновый вибратор

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в симметричном вибраторе.

Присоединим оба проводника вибратора к источнику постоянной ЭДС (рисунок 6,а). После того как распределенные емкости проводов зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания накоротко замкнем обе половины перемычкой (рис. 6, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. При этом наибольший электрический заряд протекает через отрезки проводов вибратора расположенных у середины вибратора и поэтому разрядный ток в них больше. К концам проводника ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно. Знак потенциала относительно средней точки по обе стороны от нее различен, т.к. в одной половине вибратора ток течет к ней, а в другой – от нее.

По мере разряда распределенной емкости ток в проводе нарастает и достигает максимума, когда она полностью разрядится. При этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостью, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей. И если вначале индуктивность проводов вибратора препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его уменьшению.

Р

ис. 6. Свободные колебания в симметричном вибраторе

Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее направление (рис. 6,г). За счет этого происходит перезаряд распределенной емкости. Когда ток спадает до нуля, емкости оказываются перезаряженными (рис. 6,д). После этого процесс протекает в обратном направлении (рис.6, е-и). Таким образом, в вибраторе возникают свободные электрические колебания. При этом при включении ГВЧ в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряжения, причем вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Следовательно длина волны собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины , поэтому он и называется полуволновым.

Известно, что излучающие свойства антенны зависят от характера распределения тока в излучающем проводе.

Поэтому диаграмма излучения полуволнового вибратора (рис. 7, а, в) имеет максимум в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

Рис. 7. Диаграммы направленности полуволнового вибратора:

а – пространственное изображение, б – в горизонтальной плоскости,

в – в вертикальной плоскости

С уменьшением угла интенсивность излучения падает и в направлении оси вибратора становится равной нулю. В плоскости, перпендикулярной оси вибратора, вследствие симметричности антенны излучение по всем направлениям одинаково, и диаграмма имеет вид окружности.

Линейные вибраторы использу­ются как самостоятельно, так и в качестве элементов более слож­ных антенн.

Волноводные и рупорные антенны.

Простейшей антенной с излучающим раскрывом является волноводная антен­на, представляющая собой открытый конец волновода. Волновод­ные антенны имеют широкую ДНА и плохо согласованы с внеш­ним пространством.

Более узкую ДНА имеет рупорная антенна, выполненная в виде волновода с плавно расширяющимся попе­речным сечением в сторону открытого конца (рис. 8).

В

олноводные и рупорные антенны используются как самостоя­тельно, так и в качестве облучателей антенн оптического типа и элементов антенных решеток.

Рис. 8. Рупорная антенна с прямоугольным (а) и круглым (б) сечением

Антенны оптического типа.

В диапазоне СВЧ при­меняются зеркальные и линзовые антенны.

В зеркальных антеннах (ЗА) формирование ДН осуществ­ляется в результате отражения ЭМВ первичного источника (об­лучателя) от отражателя (зеркала). В качестве облучателя зеркальной антенны может использоваться полуволновый вибратор или рупор (рис. 9, а). Обычно облучатель устанавливается в фокусе зерка­ла и излучает сферические ЭМВ. Зеркало изготовляется из метал­лических листов или сеток. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной ДНА.

Наиболее распро­страненными являются зеркала в виде параболоида вращения или усеченного параболоида (ПЗА), и параболического цилиндра (ПЦЗА) или цилиндра специального профиля. С помощью пара­болоида падающая сферическая волна облучателя преобразуется в плоскую. ДНА зеркальной антенны показана на рис. 9, б.

Рис. 9. Зеркальная антенна (а) и ее диаграмма направленности (б)

Зеркала в виде параболоидов вращения используются для создания игольчатых диаграмм направленности (ДН), а в виде параболического цилиндра - веерных ДН.

Зеркальные антенны находят применение в радиолокации, радиосвязи, радиоуправлении в диапазоне СВЧ.

Линзовые антенны (ЛА) применяются в диапазоне СВЧ для создания узких ДНА.

Линзовая антенна состоит (рис. 10) из первичного излу­чателя и радиолинзы (РЛ).

Радиолинза представляет собой прозрачное для ЭМВ ограниченное двумя поверхностями тело. Показатель пре­ломления радиолинзы п_л отличается от показателя преломления сре­ды п_с. По виду материала РЛ разделяются на диэлектрические (рис. 10,а) и металлопластинчатые (рис. 10,б). С помощью РЛ сферический фронт ЭМВ облучателя преобразуется в плоский.

В качестве облучателей в РЛ часто ис­пользуются рупоры, которые помещаются в фокусе.

Управление положени­ем главного лепестка осуществляется преимущественно перемеще­нием облучателя в фокальной плоскости. На практике широко используется РЛ Люнеберга. Она имеет форму шара, показатель преломления которого плавно убывает от центра к его.

Рис. 10. Линзовые антенны: диэлектрическая (а); металлопластинчатая (б)

Доцент кафедры

Д. Корабейников

11