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

_КР = 2а.

Исходя из того, что рабочая длина волны должна быть меньше  < _КР, 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;

_В – 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 R_S – поверхностное сопротивление стенок волновода;

_S – волноводное сопротивление среды, заполняющий волновод.

Волновое сопротивление воздушной среды определяется выражением

_С = 120.

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

В

Рис. 7.3. Волновод круглого сечения

олноводы 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 _В/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.

Рис 7.8. Волноводные уголковые секции

Рис. 7.9. Уголковые секции с плавным изгибом

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 _В.

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.

Рис 7.10 Скрученная на 90°

волноводная секция

Рис. 7.11. Гибкий отрезок

волновода

В судовых РЛС для повышения электрической прочности волновых линий обычно применяют не ступенчатые, а плавные переходы (рис 7.13),

Н

Рис. 7.14. Волноводная линия

в собранном виде

а 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