книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

Р А З Д Е Л II

УСТРОЙСТВО РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

Г л а в а 1

АНТЕННЫ И ФИДЕРНО-ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

Антеннами называются радиотехнические устройства, пред­ назначенные для излучения и приема электромагнитных волн. Передающая антенна может принимать энергию в соответствую­ щем частотном диапазоне. Это свойство, называемое обратимо­ стью антенны, при работе РЛС в импульсном режиме позволя­ ет использовать одну антенну при передаче и приеме сигналов. Переключение режимов работы антенны производится антен­ ными переключателями.

Основными характеристиками антенны являются рабочий диапазон частот, ширина диаграммы направленности, коэффи­ циент направленного действия, коэффициент усиления, входное сопротивление. В зависимости от длины рабочей волны и такти­ ко-технических характеристик существуют различные конструк­ ции и типы антенн (рис. 164).

Любая антенна состоит из излучателя электромагнитной энергии и системы формирования диаграммы направленности нужной конфигурации.

§ I. Понятие об излучении антенны

Простейшим излучателем является симметричный полуволно­ вой вибратор, называемый иначе диполем. Он представляет со­ бой четвертьволновую разомкнутую линию, провода которой раз­ вернуты на 1>80° (рис. 165, а, б). Вибратор сохраняет свойства двухпроводной линии. В нем создаются стоячие волны, при этом на концах провода всегда получаются узлы тока и пучности на­ пряжения. Напряжения и ток в вибраторе находятся в проти­ вофазе и изменяются по знаку каждые полпериода. То же са­ мое происходит с электрическим и магнитным полями, которые вместе образуют электромагнитное поле .(рис. 165, в, г).

Процесс образования электромагнитных волн в пространст­ ве, окружающем вибратор, называется излучением.

Обратный процесс — индуцирование переменного электриче­ ского тока в вибраторе, помещенном в электромагнитном поле,

называется радиоприемом.

171

Рис. 164. Типы антенн

Силовые линии

П

(~ )

1-«-.А /4-Н

U

аб

172

Электромагнитные волны всегда имеют определенную поля­ ризацию. Принято поляризацию радиоволн определять по на­ правлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально, то волна поляризована вертикально, так как элек­ трические силовые линии расположены в вертикальной плоско­ сти. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучае­ мые им волны имеют горизонтальную поляризацию.

Точечный излучатель обеспечивает излучение электромагнит­ ной энергии по всем направлениям одинаково. Все реальные антенны имеют более или менее направленное излучение. На­ правленность излучения антенны определяется характеристикой (диаграммой) направленности, углом излучения и коэффициен­ том направленного действия.

Диаграмма направленности (ДН) показывает зависимость плотности потока мощности П или амплитуды напряженности поля антенны Е от направления в пространстве для равноуда­ ленных точек наблюдения. Так как она характеризует интенсив­ ность излучения антенны в различных направлениях, то для пол­ ной характеристики излучения антенны ее рассматривают отдель­ но в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Различные фор­ мы диаграмм направленности показаны на рис. 166. На графи­ ках эта зависимость изображается кривыми линиями в полярной или прямоугольной системе координат.

Рис. 166. Типы диаграмм направленности:

а —• косекансная; б — лопаточная; в — игольчатая; г — веерная; д — торо­ идальная

173

В полярной системе координат за начало их принимается точ­ ка расположения антенны (рис. 167). Отрезки прямых линий, проведенных из начала координат до пересечения с характери­ стикой (Оа, Об, Ов и т. д.), в определенном масштабе обозна­ чают напряженности поля или плотности потока энергии в соот­ ветствующих равноудаленных точках (А, Б, В п т. д.). Острые

ДН удобнее строить в прямоугольной системе координат, так как масштаб градусных делений горизонтальной оси может быть любым. На рис. 168, а в прямоугольной системе координат показаны те же характеристики, что и на рис. 167. Для'нагляд­ ного сравнения диаграмм направленности различных антенн удобно строить их в относительных единицах (рис. 168, б).

Рис. 168. Характеристика направленности антенны?

в ^ в прямоугольных координатах; б г-, в относительных еди­ ницах

В этом случае на диаграммах откладываются не абсолютные зна­ чения напряженности поля Е или потока мощности П, а относи­ тельные их значения, под которыми понимаются Е/Емак0 и П!Пмакс. По ДН антенны в данной плоскости можно определить угол излучения аИзл — угол между двумя прямыми, вдоль кото­ рых Е = 0,/07 Дмакс ИЛИ П —0,5 77макс.

174

Направленная антенна концентрирует излучаемую энергию в определенном направлении, что дает выигрыш в мощности по сравнению с мощностью излучения ненаправленной антенны. Коэффициентом направленного действия антенны (КНД) в дан­ ном направлении называется отношение плотности потока мощ­ ности Я в этом направлении к среднему (по всем направлени-

ям) значению плотности потока мощности: 0 = —^— .

•*'С р

Поверхность земли оказывает существенное влияние па ди­ аграмму направленности антенны. Когда антенна расположена на небольшой высоте над землей, значительная часть излучае­ мой ею энергии падает на землю и отражается от ее поверхно­ сти. Вследствие интерференции прямых и отраженных волн диаграмма направленности антенны принимает новую форму. Точный учет влияния земли на ДН антенны затруднителен, что обусловлено сложной зависимостью коэффициента отражения от электрических свойств почвы, длины волны, угла падения и поляризации волн.

, § 2, Антенны метрового и дециметрового диапазонов

Основными типами антенн метрового и дециметрового диа­ пазонов являются симметричный полуволновой вибратор и его сложные комбинации.

Полуволновой вибратор является простейшей направленной антенной. Пространственная ДН его (рис. 169) представляет собой поверхность тороида с внутренним радиусом, равным ну­ лю. Такая форма ДН обусловлена распределением тока в ви­ браторе.

Рис. 169. Характеристика направленности поля полуволнового вибратора:

а — в плоскости И: б — в плоскости Е

Полуволновой вибратор имеет малое сопротивление излуче­ ния ( —75 Ом), что требует применения согласующих устройств, так как большинство линий передачи энергии обладает боль­ шим волновым сопротивлением. Поэтому в антенных системах в качестве излучателя чаще используется петлевой вибратор. Он состоит из двух параллельно расположенных одиночных виб­

175'

раторов, соединенных на концах (рис. 170, а). Расстояние меж­ ду вибраторами должно быть много меньше их длины. Посколь­ ку в минимумах ток стоячей волны изменяет фазу на 180°, токи в обоих вибраторах совпадают по направлению. Такая антенна эквивалентна одному вибратору с удвоенным током. Мощность излучения Ризл и входное сопротивление RBX петлевого вибрато­ ра будут в четыре раза больше, чем у одиночного вибратора:

Для двойного петлевого вибратора (рис. 1170, б) величины Ртл и RBX соответственно будут в девять раз больше, чем у оди­ ночного вибратора. Петлевой вибратор можно соединять с вы­ сокоомными линиями без согласующих устройств. ДН петлевого вибратора такая же, как и у одиночного вибратора.

Для улучшения направленности излучения антенны применя­ ются комбинации полуволновых вибраторов.

На рис. 171, а показана ДН в плоскости Н двух параллель­ ных вибраторов, которые расположены друг от друга на расстоя­ нии Х/2 и имеют токи, совпадающие по фазе. Такие вибраторы называются синфазными. В этом случае вместо ДН в виде ок­ ружности, характерной для одиночного вибратора (показана штрихом), получается сплющенная восьмерка. В направлениях ОА и ОБ волны обоих вибраторов совпадают по фазе и поля их складываются. Суммарная напряженность поля в этих направле­ ниях Дмакс при равенстве токов в вибраторах получается удвоен­ ной. В направлениях ОБ и ОГ волны вибраторов идут с проти­ воположными фазами, так как волны от каждого вибратора в сторону второго вибратора проходят дополнительно путь, рав­ ный Х/2. Поэтому в этих направлениях излучения нет. В других направлениях волны обоих вибраторов имеют некоторый сред­ ний между 0 и 180° сдвиг фаз и суммарная напряженность по­ ля оказывается соответственно средней между Д = £ мако и £ = 0.

Два противоположно направленных максимума излучения часто нежелательны. В этом случае применяется система двух вибраторов, расположенных друг от друга на расстоянии чет­ верти длины волны. На рис. 171, б показана ДН двух таких виб­ раторов, у которых ток вибратора 1 отстает по фазе на 90° от

176

тока вибратора 2. В направлении ОА волна вибратора 2 отста­ ет по фазе на 90° от волны вибратора 1, так как проходит до­ полнительно путь, равный Х/4. Но волна вибратора 1 начинае'т движение с отставанием по фазе на 90°, так как она создается током вибратора 1, отстающего по фазе на 90° от тока вибра­ тора 2. Поэтому в направлении ОА волны обоих вибраторов сов­ падают и складываются, а напряженность поля удваивается {Еыйкс= 2Ех) . В обратном направлении ОБ волна от вибратора/ излучается с отставанием по фазе на 90° и дополнительно от­ стает по фазе еще на 90° из-за лишнего пути в Х/4. В резуль­ тате волны вибраторов взаимно уничтожаются и излучение от­ сутствует (£ = 0). По направлению ОВ и ОГ волны от вибрато-

Рис. 171. Диаграммы направленности:

ров имеют сдвиг по фазе на 90° (за счет токов), а суммарная напряженность поля получается равной 1,4 Е\. ДН таких вибра­ торов называется кардиоидой и показывает, что максимум излу­ чения направлен в сторону вибратора 1 с током, отстающим по фазе.

Получается, что вибратор 2 как будто-отражает волны, излу­ чаемые вибратором 1. Поэтому вибратор 1 принято называть ан­ тенной, а вибратор 2 — зеркалом или рефлектором. Рефлектор называется активным, если к нему подводится энергия по фи­ дерной линии, и пассивным, если энергия не подводится.

Система из двух вибраторов, в которой пассивный длиннее активного и отстоит от него на четверть длины волны, обладает однонаправленным излучением в сторону активного вибратора. Пассивный вибратор 2, выполняющий роль рефлектора, полу­ чает энергию от электромагнитных волн, излучаемых вибрато­ ром 1 (рис. 171, в). Эти волны проходят путь в Х/4, благодаря чему создается их отставание по фазе на 90°. Электродвижущая сила, индуцируемая в рефлекторе 2, отстает по фазе еще на 90° от создающего его электромагнитного поля. Так как длина рефлектора больше активного вибратора, то его сопротивление

177

имеет индуктивный характер (подобно разомкнутой линии с длиной большё четверти длины волны) и ток в нем отстает от э. д. с. еще на 90°. В результате ток в рефлекторе 2 отстает от тока в антенне 1 на 270°, что равносильно опережению на 90°, а это есть условие получения максимума излучения в сторону антенны (рпс. 171, б). Естественно, что в пассивном рефлекторе наводится ток меньше, чем в антенне, и сдвиг фаз не точно ра­ вен 90°. Поэтому в направлении максимального излучения удво­ енная напряженность поля не получается, излучение в обратную сторону полностью не уничтожается, а ДН отличается от кардио­ иды. На практике подбором длины рефлектора и расстояния между ним и антенной добиваются наименьшего излучения в сторону рефлектора и наибольшего в сторону антенны.

Если пассивный вибратор 2 выбрать короче антенны 1, то его сопротивление будет иметь емкостной характер и ток в нем будет опережать э. д. с. на 90°. Поэтому, применяя предыдущие рассуждения к данному случаю, можно доказать, что ДН полу­ чается подобной изображенной на рпс. 17ll, в, по имеющей мак­ симум излучения в сторону пассивного вибратора, называемого в этом случае директором.

Директорная антенна — многовибраторная (рис. 172). Она является однонаправленной: рефлектор и директоры направля­ ют излучаемую энергию от вибратора в одну сторону. Поэтому ДН директорной антенны имеет один главный максимум и не­ сколько боковых лепестков (рис. 173, а, б). В направлении реф­ лектора антенна почти не излучает. Угол излучения ее зависит от числа и размеров рефлекторов и директоров, а также от вза­ имного их расположения. Начиная с пятого директора каждый последующий директор незначительно сужает ДН. При опти­ мальных размерах угол излучения директорной антенны состав­ ляет 20—25°. ДН директорной антенны с учетом влияния земли получается многолепестковой (рис. 173, в). Число лепестков равно числу полуволн, укладывающихся по высоте антенны. С увеличением высоты нижний наибольший максимум излучения приближается к земле. Это используется при обнаружении низ­ колетящих самолетов на большом расстоянии. Директорная ан­ тенна проста по конструкции и питанию. Недостатками ее явля­ ются сложность первоначальной настройки и узкодиапазонность. Небольшое изменение частоты питающего генератора (на 5—6%) приводит к расстройке антенны.

Значительное распространение на УКВ получила рамочная или квадратная антенна (рис. 174). В нижней и верхней сторо­ нах квадрата токи совпадают по фазе, и поэтому максимум из­ лучения получается в направлении, перпендикулярном плоско­ сти квадрата. А от вертикальных сторон квадрата, в которых токи находятся в противофазе, излучение в этом направлении отсутствует. Направленное действие квадратной антенны в два раза больше, чем петлевой. Еще большее направленное дейст-

178

вие получается при применении пассивного рефлектора, также имеющего вид квадрата. Такая антенна называется двойным квадратом и по своему направленному действию не уступает пя­ тиэлементной директорией антенне.

Рис. 173. Характеристики направленности директорией антенны

179