3.6 Направляющие системы электромагнитных волн

Основными элементами волноводного тракта являются волноводные линии передачи электромагнитной энергии, антенный переключатель, вращающееся сочленение. В состав волноводного тракта входят также согласующие устройства, фазовращатели, направленные ответвители, делители мощности, волноводно-коаксиальные переходы, вентили и другие элементы СВЧ.

Неотемлемой составной частью приемо-передающих трактов радиолокационных станций является направляющая система (НС), предназначенная для передачи энергии электромагнитных волн (ЭМВ).

НС называют диэлектрический канал, ограниченный одной или несколькими поверхностями, при переходе через которые меняется скачком хотя бы один из параметров среды распространения: абсолютные диэлектрические и магнитные проницаемости, а также ее проводимость. Направляющую систему часто называют волноводом.

Основной функцией НС в однопозиционном локаторе является передача сигнала с заданной энергией и параметрами модуляции, носителем которого является ЭМВ, от передатчика к передающей антенне и от приемной антенны к приемнику.

В многопозиционном локаторе НС дополнительно выполняет функцию линии связи между пунктами приема или пунктами приема и центром обработки информации. В этой связи понятно, что наряду с энергетическими важны и информационные характеристики НС.

3.6.1 Направляющие системы

Функции передачи энергии от передатчика к антенне и от антенны к приемнику выполняет волноводный тракт.

К основным техническим характеристикам волноводного тракта относятся: степень согласования волноводного тракта с нагрузкой; потери энергии в волноводном тракте; максимальная передаваемая мощность.

Степень согласования волноводного тракта с нагрузкой характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ) или обратной ему величиной – коэффициентом стоячей волны напряжения – КСВН. Величина КСВН показывает, насколько режим работы волноводного тракта отличается от режима бегущих волн. Практически считается, что нагрузка хорошо согласована с линией передачи, если КСВН < 1,2, и согласована удовлетворительно, если КСВН = 1,2...2,0.

Потери энергии в волноводном тракте обусловлены тепловыми потерями в металлических проводящих поверхностях и диэлектрическими потерями линий передачи. Величину потерь принято характеризовать коэффициентом поглощения. Для линий передач пользуются величиной погонного ослабления, выраженной в децибелах на один метр длины.

Для волноводов значение погонного ослабления составляет 0,01...0,05 дБ/м, для полосковых и коаксиальных линий передачи – 0,05...0,5 дБ/м. Потери реальных трактов РЛС – 0,5...1 дБ на передачу и 2...3 дБ на прием.

Максимальная передаваемая мощность в волноводном тракте ограничивается возможностью электрического пробоя и допустимым нагревом диэлектрика линии передачи. Выбор элементов СВЧ тракта определяется длиной волны, величиной передаваемой мощности, схемными и конструктивными особенностями тракта.

В РЛС сантиметрового диапазона волноводные тракты выполняются на прямоугольных волноводах, поперечные размеры которых должны обеспечивать заданную диапазонность и уровень передаваемой мощности.

В РЛС дециметрового диапазона используются жесткие коаксиальные линии с воздушным заполнением, в РЛС метрового диапазона - коаксиальные линии с диэлектрическим заполнением.

Гибкие сочленения обеспечивают возможность механического соединения тракта с усилительными или генераторными приборами, а также соединение неподвижной и подвижной частей тракта. Волноводные переходы обеспечивают возможность соединения отрезков волноводов различного сечения. Например, магнетроны, имеющие круглый выходной волновод, подключаются к прямоугольному волноводу через волноводный переход, который является плавным неотражающим переходом от круглого к прямоугольному сечению. При передаче электромагнитной энергии от генератора к нагрузке необходимо согласование отдельных участков тракта между собой, обеспечивающее заданные диапазонность, КСВН и потери в тракте. С этой целью используются различные согласующие элементы: в коаксиальных линиях передачи – четвертьволновые трансформаторы, согласующие шлейфы, вентили; в волноводных линиях – индуктивные и емкостные диафрагмы, фазовые трансформаторы.

Необходимость поочередного переключения передатчика на несколько антенн или эквивалент, электрическое сканирование луча ДНА потребовали разработки и создания быстродействующих электрически управляемых переключателей, коммутаторов, фазовращателей, циркуляторов. Эти устройства разработаны на основе использования свойств ферритов в постоянном магнитном поле.

Исходя из функционального назначения РЛС к НС могут предъявляться следующие требования.

1. Обеспечение передачи сигнала с заданной мощностью не менее заданной (требуемой).

2. Обеспечение передачи в нагрузку возможно большей доли мощности сигнала, поступившей на вход.

3. Обеспечение минимальных потерь энергии при передаче, т.е. максимального КПД НС.

4. Обеспечение минимальных фазовых (частотных) искажений передаваемого сигнала.

5. Возможность встраивания устройств управления параметрами распространяющегося ЭМП (амплитуды или мощности, фазой, вектором фазовой скорости, поляризацией).

6. Обеспечение требуемых массо-габаритных характеристик. Рассмотрим с точки зрения реализации этих требований различные типы НС.

Наибольшее распространение в РЛС различного диапазона длин волн и целевого назначения получили однородные регулярные волноводы.

Волновод называют регулярным, если ось его – прямая линия, а геометрическая форма, размеры, параметры диэлектрика неизменны по длине.

Волновод, в любой точке поперечного сечения которого параметры диэлектрика неизменные, называют однородным.

Важной характеристикой связанных волн, т.е. волн, распространяющихся в НС, является фазовая скорость V_ф, которая характеризует скорость перемещения фронта волны. В зависимости от соотношения скорости распространения подаваемой на НС волны V и фазовой скоростью V_ф различают НС «быстрых» (V_ф > V) и «медленных» волн (V_ф < V).

НС «быстрых» волн. К ним относятся следующие волноводы: односвязные, которые образованы одной поверхностью, и многосвязные, образованные двумя или более поверхностями.

На практике широко применяются следующие односвязные волноводы: волновод с прямоугольным поперечным сечением – прямоугольный волновод; волновод с круглым поперечным сечением – круглый волновод (см. рис 3.28,а и б).

Из многосвязных волноводов чаще всего применяются: коаксиальный кабель; полосковые линии; щелевые и компланарные линии (см.рис.3.28,в-е).

В прямоугольном волноводе может распространяться множество типов волн Е_m,n H_m,n, отличающиеся распределением поля в поперечном сечении волновода. Анализ показывает, что волна распространяется в волноводе лишь для частот  > _кр или длин волн  < _кр.

Рис.3.28. Примеры линий передач.

Критическая длина волны _кр определяется по формуле

где a, b – размеры волновода по широкой и узкой стенке соответственно, m – число полуволн, укладывающихся по широкой стенке, а n – по узкой стенке волновода.

Основной волной в НС называют ту, у которой критическая длина волны максимальна. Для прямоугольного волновода основной волной является волна Н₁₀ (_кр=2а), ближайшей волной высшего типа – волна Н₂₀ (_кр = а) (см.рис.3.29).

Для обеспечения требуемой диапазонности размеры волновода выбирают из условия

а = l/1.4, b = (0.47-0.5) a.

Волновод с таким сечением называют стандартным.

Для прямоугольного волновода с воздушным заполнением предельная мощность в режиме бегущей волны равна

P_{пред,Вт} ~ 1.08^.10⁹·l².

Увеличение P_пред достигается заполнением волновода инертными газами, повышением или уменьшением давления внутри волновода.

|Область высших типов| Одноволновая область |

-------------------------------- |

| Н_{11 ,} Е₁₁ | | |

------------|------------------| |

| Н₀₁ | |

------------------------------------------------------------------

| Н₂₀ | Н₁₀ |

---------------------------------------------------------------------------------------

_кр=а _кр=2а 

Рис.3.29. Основная и высшие типы волн в прямоуголльном волноводе.

В режиме бегущих волн (РБВ) наилучшим образом выполняются требования 1 и 2. Однако на практике трудно получать РБВ, поскольку не всегда волновое сопротивление линии равно сопротивлению нагрузки. Поэтому возникают отраженные волны и распределение амплитуд полей Е и Н вдоль волновода становится неравномерным и характеризуется наличием периодически следующими вдоль продольной оси волновода максимумов и минимумов.

Для количественной характеристики отличий такого режима (режим смешанных волн) от РБВ вводят коэффициент стоячей волны напряжения

К_СВ = Е_max/Е_min.

Для обеспечения требования 2 оказывается необходимо согласование волновода с нагрузкой. С этой целью используют специальные устройства, обеспечивающие либо компенсацию, либо поглощение отраженных волн. На практике приемлемым считается согласование для которого К_СВ =1.2-1.5.

Фазовая скорость в волноводе определяется по формуле

(3.12)

Из формулы (3.12) видно, что скорость перемещения фронта волны в волноводе зависит от частоты (длины волны) ЭМП. Это явление известно как явление дисперсии. Наличие дисперсии накладывает ограничения на ширину амплитудно-частотного спектра передаваемого сигнала.

Коаксиальный кабель. В коаксиальном кабеле, кроме волны типа Е и Н могут распространяться поперечные волны (волны типа Т или ТЕМ), у которых продольные составляющие электрического и магнитного полей отсутствуют.

Основной волной является волна типа Т (_кр  ). Ближайшая высшая – волна Н₁₁ (_кр·(a + b)). Следовательно, ширина одноволновой области коаксиального кабеля ·(a + b) <  < .

Это позволяет применять такую НС, начиная с сантиметрового до гектометрового диапазона волн.

Коэффициент затухания в диэлектрике определяется выражением:

(3.13)

где  – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; tg – тангенс угла диэлектрических потерь – справочная величина. Анализ формулы (3.13) показывает, что из-за затухания в диэлектрике коаксиальный кабель в сантиметровом диапазоне имеет существенно большее затухание по сравнению с прямоугольным волноводом. По указанным причинам его основное применение ограничивается в дециметровом и метровом диапазонах длин волн.

Реально передаваемая по каоксиальному кабелю (допустимая) мощность много меньше предельной и зависит от типа кабеля и способа крепления внутреннего проводника. Для жесткого кабеля с воздушным заполнением и креплением с помощью четвертьволновых изоляторов P_доп P_пред/6, с креплением посредством диэлектрических опорных шайб P_доп P_пред/20. Для гибких кабелей со сплошным диэлектрическим заполнением ранее электрического наступает тепловой пробой.

В метровом и более длинноволновых диапазонах коаксиальный кабель позволяет передавать, в силу отсутствия дисперсии, сигналы с более широкими амплитудно-частотными спектрами, чем волновод.

Полосковые и микрополосковые линии. Одной из тенденций развития радиотехники вообще и техники СВЧ в частности является микроминиатюризация, т.е. уменьшение массо-габаритных параметров. Применительно к НС этого можно достичь применением новой элементной базы – полосковых линий.

Полосковой линией передачи называют линию, в которой проводник ленточного, круглого или квадратного сечений расположен не некотором расстоянии от металлического основания.

Основным типом волн в полосковых линиях являются Т-волны. Геометрические размеры полосковых линий определяются по весьма сложным формулам (полученных в результате решения электродинамических задач и уточненных в процессе натурных экспериментов), которые представляются в многочисленных справочных изданиях.

К преимуществам полосковых линий можно отнести:

• малые габариты, вес, высокую точность изготовления и, следовательно, хорошую воспроизводимость характеристик;

• широкую полосу рабочих частот, ограниченную снизу частотой f  0.1 ГГц из-за возрастания габаритов устройств, а сверху – частотами, при которых

• становится соизмеримой с поперечным размером линии;

• низкую стоимость полосовых линий и узлов из них при массовом производстве.

Недостатками полосковых линий являются:

• малая по сравнению с прямоугольными волноводами и коаксиальным кабелем предельная мощность (наименьшая в МПЛ, большая в СПЛ);

• большие, чем у коаксиального кабеля, потери, обусловленные потерями в металле, диэлектрике и дополнительными потерями на излучение;

• трудности конструирования и эксплуатации, обусловленные затрудненным доступом к центральному проводнику и излучениями.

Следует отметить, что полосковые линии практически не применяются для передачи сигналов на достаточно большие расстояния. Основное их применение – для микроминиатюризации отдельных узлов СВЧ приемника и передатчика.

Металлические и диэлектрические НС «медленных» волн. Для таких НС V_ф < c и их называют замедляющими системами (ЗС). Замедление эмв достигается изменением геометрии ЗС, введением периодических неоднородностей, заполнением полого волновода диэлектриком с большой диэлектрической проницаемостью и т.д.

Основными типами ЗС являются: спиральные ЗС (рис.3.30,а); волноводная ЗС с геометрическим заполнением «змейка» (рис.3.30,б); ЗС типа гребенки (рис.3.30,в); ЗС типа встречные штыри в прямоугольном волноводе (рис.3.30,г); ЗС – волновод круглого сечения, заполненный диэлектриком с цилиндрическим каналом вдоль оси (рис.3.30,д) и другие.

Рис.3.30. Основные типы замедляющих систем

Важнейшей характеристикой ЗС является коэффициент замедления, который определяется по формуле К_з = с/V_ф = l/l_c, где l и l_c – длина волны в свободном пространстве и ЗС соответственно.

Можно указать, по крайней мере, два основных направления использования ЗС: в так называемых антеннах бегущей волны с частотным управлением положением максимального излучения и в электронных приборах СВЧ с длительным взаимодействием.

Таким образом, в современных РЛС используются различные типы НС, выбор которых зависит от диапазона частот, величины мощности передаваемого сигнала, а также требований к величине потерь, уровню фазовых (частотных) искажений и массо-габаритных показателей.