книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

вращение по азимуту— ±380°, угол подъема — от — 1° до +125°. Против погодных условий антенна защищена оболочкой из синтетического материала с диаметром 49 м и высотой 39 м, поддерживаемой сжатым воздухом. Как рупорно-параболоидные, так и двухпараболоидные антенны дают возможность делать очень короткими тра­ кты, ведущие к приемнику. Это важно, поскольку позво­ ляет по возможности снизить собственные шумы прием­ ного устройства.

В систему наземной станции Райстинг в качестве мощного каскада передатчика включена 2-киловаттная лампа бегущей волны с водяным охлаждением. Прием­ ный канал состоит из молекулярного усилителя, охлаж­ даемого жидким гелием, последующего малошумящего усилителя и ЧМ-приемника с пушпульной связью. Мо­ лекулярный усилитель характеризуется шумовой тем­ пературой всего лишь 4,5° К. Эквивалентная шумовая температура всего приемного устройства для углов подъема больше 7° составляет около 55° К- ЧМ-прием- ник имеет входы для основной телефонной полосы ка­ налов телевизионного изображения и звукового сопро­ вождения. С этим приемным устройством можно при­ нимать сигналы спутников связи «Телестар», «Релей» и «Эрли берд».

Радиопередача с помощью спутников связи рождает множество проблем и вопросов. Так, связь между двумя наземными станциями возможна только в то время, пока спутник виден из обеих точек одновременно. Это время, например, для связи между Европой и Америкой, относительно мало — для круговой орбиты, наклоненной к экватору под углом 45° и проходящей на высоте 6000 км над земной поверхностью, оно составляет около 30 минут. Поэтому для обеспечения непрерывной радио­ связи необходимо было бы иметь от 30 до 40 спутников и по два передатчика и приемника на каждой наземной станции. Оба приемо-передающих устройства во избе­ жание взаимного влияния должны быть разнесены. В то время как спутник, с которым поддерживает связь один из приемо-передатчиков, начинает скрываться за гори­ зонтом, второй приемо-передатчик должен уже нацели­ ваться на другой спутник, который только появляется над горизонтом. Это дает возможность при пропадании из виду первого спутника переключиться на второе

141

приемо-передающее устройство, не прерывая ведущуюся передачу.

С точки зрения дополнительной коррекции проще использовать так называемые синхронные спутники. Под ними подразумевают спутники связи, которые запущены в космос на такую высоту, что при своем полете они остаются все время над одной точкой земной поверх­ ности. Правда, из-за большой высоты синхронного спут­ ника над Землей (около 42 000 км) время прохождения туда радиосигнала уже довольно велико и при передаче могут возникать искажения, связанные с задержкой во времени. В какой степени такие помехи ограничивают возможность применения синхронных спутников, будет видно тогда, когда будут проведены подробные иссле­ дования.

д) Возмоотые применения в будущем

Радиопередача с помощью спутников связи находит­ ся сейчас на самом начальном уровне; ее состояние можно сравнить с началом развития радио в двадцатых годах. Новые и далеко идущие перспективы могут от­ крыться, как только появится возможность существенно увеличить мощность передатчиков на спутниках. Это — в первую очередь проблема источников питания. Сейчас максимально достижимая мощность передатчика радио­ релейной станции на спутнике лишь около 10 вт. Путем использования ядерной энергии в дальнейшие годы мо­ жно будет повысить электрическую мощность питания спутников до 30 ч-60 кет. Тогда появится возможность применять на спутниках СВЧ-передатчики с выходной мощностью до нескольких киловатт. Благодаря таким высоким уровням мощности передатчиков трансляцию телевизионных программ со спутников будут в состоянии принимать непосредственно телеабоненты. В современ­ ные телевизоры для этого придется добавить только малошумящие усилители (параметрические). Вместо существующих необходимо будет применять направлен­ ные антенны, ориентированные вертикально. В качестве несущей частоты для такой новой техники телевизион­ ной передачи наиболее целесообразно использовать частоты в области 1000ч-750 Мгц. В ближайшие годы представляется актуальным и вполне реальным осу­

142

ществление такого международного и межконтиненталь­ ного телевизионного вещания.

Применение на спутниках более мощных передатчи­ ков откроет новые возможности и для других видов радиопередач, включая многочисленные коммерческие и военные применения. Так, будет возможно осущест­ вление радиосвязи между спутником и наземной стан­ цией, которая снабжена лишь небольшой направленной антенной (например, параболической антенной с диа­ метром порядка 1 Л(). При этом можно представить себе небольшие передвижные наземные приемные стан­ ции, а также станции, которые могут устанавливаться на судах и самолетах. Возможности, которые откроются в будущем благодаря активным спутникам связи, во всяком случае, весьма велики.

5.Межпланетная радиосвязь

Спродолжением освоения космического простран­ ства, начало которого мы сейчас переживаем, приобре­ тет значение радиосвязь между Землей и искусствен­ ными космическими «островками» или с другими пла­ нетами. Осуществление радиопередач по космическим трассам рождает новые проблемы, которые мы и будем здесь обсуждать.

Основная трудность при установлении радиосвязи в

космосе заключается в большом времени прохождения сигнала, из-за которого уменьшается скорость обмена информацией и ограничивается количество информации. По теореме Шеннона, информационная емкость канала связи дается выражением

a S/N — отношение «сигнал/шум». Максимальное коли­ чество информации, которое может быть передано по одному каналу, есть

ние, на которое ведется передача, с — скорость передачи

143

сигнала, равная скорости света). С учетом этого инфор­ мационная емкость определяется как

C = T ^ B l o g 2(l + - f ) = aB l0&i(l + J - ) , (109)

где а — коэффициент, лежащий между нулем и едини­ цей. Величина информационной емкости С, характери­ зующая радиопередачу на Земле или на околоземные объекты, т. е. в условиях, когда время прохождения электромагнитных сигналов очень мало по сравнению с длительностью информации, уменьшается при передаче на астрономические расстояния до значения аС. В табл. 2 даны времена, необходимые для передачи сигналов при допустимом уменьшении информационной емкости на 50% и на 20% по межпланетным трассам.

Т а б л и ц а 2

Времена, необходимые для передачи сигналов на планеты солнечной системы при допустимом 5096- и 20%-ном уменьшении информационной емкости

Необходимое время передачи при уменьшении информа­

ционной емкости

Планета

Из-за быстрого движения друг относительно друга обеих конечных точек космической линии радиосвязи возникают аберрация (отклонение) и допплер-эффект. Добиваясь направленности генерируемой наземным пе­ редатчиком волны, следует учитывать, что Земля дви­ жется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км!сек и к тому же вращается вокруг своей оси. Если проделать расчет, то можно показать, что направ­ ление луча претерпевает при этом отклонение примерно на 20 сек. Для космических линий радиосвязи, в которых используются большие параболические антенны и очень короткие длины волн, пренебрегать этой величиной уже

144

нельзя. Отсюда следует, что из-за больших времен про­ хождения сигнала (от минут до часов) для направления излучения необходимо задавать определенное угловое опережение. Направленные антенны космических линий связи должны иметь возможность поэтому ориентиро­ ваться в различных направлениях. Эта проблема пра­ вильной ориентации может быть решена только с по­ мощью специальной техники автоматического управле­ ния антеннами.

Допплер-эффект приводит к сдвигу частоты относи­ тельно частоты /о передатчика:

с

(110)

здесь v — относительная скорость конечных точек линии связи, г — расстояние между ними и с — скорость света. При радиосвязи между Землей и Венерой максимальный допплеровский сдвиг составляет ±0,0216%; на длине волны ?i= 3 см это соответствует сдвигу частоты на 2,16 Мгц. Конечные точки космической линии радио­ связи должны всегда работать на отличающихся друг от друга частотах. Даже при осуществлении связи с близкими к Земле искусственными спутниками необхо­ димо учитывать допплер-эффект; чтобы принять сигнал, приемник здесь должен делаться с соответственно боль­ шей шириной полосы частот.

Наконец, важно знать, какая мощность передатчиков потребуется, чтобы сделать возможными радиопередачи на межпланетные расстояния. Качественные оценки по­ казывают, что на сантиметровых волнах при мощности передатчика порядка 1000 кет в принципе возможна радиопередача на расстояния до десяти световых лет при условии применения направленных передающих ан­ тенн с величиной выигрыша от 103 до 104 [15].

Радиопередачи на упомянутые расстояния пока прак­ тического значения не имеют. Они представляют в пер­ вую очередь чисто гипотетический интерес. Достаточно обоснованными являются предположения о том, что в космосе существует много планет, на которых, как и на Земле, развивается цивилизация разумных живых су­ ществ. Возможность вступить в контакт с этими

далекими жителями космоса — это, конечно, ослепитель­ нейшая мысль и волнующая перспектива, открываемая радиотехникой. В США в 1960 г. в течение трех месяцев предпринималось систематическое наблюдение с по­ мощью большого радиотелескопа радиосигналов от оби­ тателей далеких планет (проект «Озма»). Поисковый прием проводился на частоте 1420,4 Мгц. На этой ди­ скретной частоте излучает в космическом пространстве атомарный водород. В основу поисков были положены соображения о том, что обитатели космоса логически должны выбирать для радиопередачи именно эту спек­ тральную линию. Отрицательный результат этих опытов не удивителен. В конце концов, слишком невероятно, чтобы предполагаемые жители далеких планет захотели вступить с нами в радиосвязь в этот самый, ожидаемый, момент времени, когда у нас в результате исторического развития впервые появились предпосылки для осуще­ ствления беспроволочного приема сигналов. Много ве­ роятнее, что эти гипотетически существовавшие разум­ ные существа давно отказались от попыток установить с нами связь, поскольку на их сигналы никогда не при­ ходили ответы от жителей Земли. По современным дан­ ным, другие планеты нашей солнечной системы (Марс, Меркурий, Венера, Юпитер) необитаемы. Ближайшая звезда Альфа Центавра удалена от солнечной системы на расстояние лишь около четырех световых лет. Ве­ роятность того, что она обладает планетами, населен­ ными разумными существами, которые могут принять наши сигналы и ответить, исчезающе мала. Только то­ гда, когда мы сможем перекрывать расстояния порядка 1000 световых лет, появится надежда на то, что наши сигналы кто-то примет. Пока же реализация установле­ ния радиосвязи на такие гигантские расстояния с имею­ щимися передающими устройствами лежит за преде­ лами возможного.

6.Радиопередача по полым волноводам

Вто время как во всех рассматривавшихся выше случаях техника радиопередачи основывалась на рас­ пространении волн СВЧ в свободном пространстве, в последние годы стал приобретать значение и другой вид дальней передачи, использующий распространение мил-

146

лиметровых волн в полых круглых волноводах [16]. При этом работают на сверхвысоких частотах в области от 30 Ггц (Я= 10 мм) до 300 Ггц (Я=1 мм).

Как было сказано в разделе II. 2а, волна tf0i в круг­ лом волноводе характеризуется, в отличие от других ти­ пов волн, той особенностью, что ее затухание с ростом частоты уменьшается. Электрические силовые линии волны #oi в круглом волноводе (см. рис. 12) представ­ ляют собой замкнутые окружности. Магнитные силовые линии располагаются перпендикулярно электрическим

и замыкаются вокруг них, образуя компоненты, парал­ лельные оси трубы. Волна #oi в круглом волноводе мо­ жет быть возбуждена с помощью перехода от прямо­ угольного волнозода с волной #ю, как это в принципе демонстрируется рис. 82. Из-за изменения формы сече­ ния полого волновода постепенно изменяется и картина распределения силовых линий, так что волна #ю прямо­ угольного волновода плавно превращается в волну #ot в круглом волноводе. Трудно добиться, однако, чтобы волна #oi была единственной, т. е. чтобы одновременно не возбуждались другие типы волн. Даже незначитель­ ные дефекты в изготовлении круглого волновода приво­ дят к возбуждению других типов, которые отбирают «на себя» часть энергии и увеличивают тем самым по­ тери при передаче волны #оь Технически изящный путь подавления паразитных типов волн заключается в при­ менении полого спирального кабеля. Такой «кабель»

(волновод) состоит из свитого в спираль изолирован* ного провода толщиной в десятые доли миллиметра. По­ верхность провода покрыта диэлектриком, обладающим потерями. Важным свойством спирального полого вол­ новода является хорошая электрическая проводимость вдоль окружности и большое электрическое сопротивле­ ние в осевом направлении. Поскольку волны в волно­ воде связаны с высокочастотными токами, текущими по внутренним стенкам либо вдоль волновода, либо по окружности, то могут существовать только те формы волн, которым соответствуют токи текущие по направ­ лениям с достаточно малым сопротивлением.

В случае волны Н01 в стенках волновода возникают только поперечные круговые токи, продольные же токи, параллельные оси трубы, отсутствуют; поэтому при ма­ лом затухании такая волна в спиральном трубчатом волноводе возбуждаться может. Большинство же других типов волн связано с продольными токами во внутрен­ них стенках волновода. Эти паразитные волны в спи­ ральном волноводе будут сильно затухать.

Существует и другая возможность подавления пара­ зитных волн — с помощью волноводных фильтров. Они могут состоять, например, из отдельных металлических шайб, толщина которых мала по сравнению с длиной волны. Внутренний диаметр этих шайб делают равным диаметру трубы; друг от друга они изолируются. На практике используется как эта, так и описывавшаяся выше возможность подавления паразитных волн.

Волноводы для дальних линий передач должны иметь диаметр, больший длины волны, потому что затухание с увеличением диаметра падает. Необходимо также, чтобы были малы искажения, связанные со временем распространения, которые определяются дисперсией волн в волноводах. Поскольку каждый волновод имеет граничную частоту, ниже которой распространение волн уже невозможно, диамегр трубы должен выбираться еще и из тех соображений, чтобы граничная частота была много меньше частоты передаваемого сигнала. Граничная длина волны круглого полого волновода с диаметром D для типа tf0i равна примерно Хс=0,82D,

148

VI

РАДИОЛОКАЦИЯ

Другой важной областью применения СВЧ-техники являются обнаружение объектов и определение их уда­ ленности с помощью радиоволн, т. е. радиолокация. Хотя принципы радиолокации были высказаны Хюльсмайером (Hulsmeier) уже в 1904 г., лишь с помощью СВЧ-техники они впервые приобрели практическое зна­ чение. В наши дни общеизвестны применения СВЧ, основанные на принципах радиолокации, используемые в навигации как вспомогательное средство для управле­ ния и наблюдения на воздушных и морских трассах, для прецизионного измерения дальности и скорости, а также в метеорологии и геофизике. Если в начале раз­ вития радиолокации преобладали военные применения, то в последние годы центр тяжести переносится на граж­ данский сектор воздушного и морского флота. В этой части книги обсуждаются основы радиолокации, по­ скольку они представляют интерес для вытекающих от­ сюда многих проблем техники сверхвысоких частот.

1. Принципы радиолокации

Принцип радиолокации основывается на известном из акустики явлении — эхо, который заключается в сле­ дующем. Электромагнитные волны, излученные радио­ передатчиком, встретив какое-либо препятствие, отра­ жаются от него и частично возвращаются к источнику излучения, где они и улавливаются приемником радио­ волн. Время движения волны от передатчика к цели и обратно к приемнику есть

( " о

где г — расстояние «передатчик — цель» (или равное ему расстояние «цель — приемник») и с ~ скорость распро­

151)