3.6 Направляючі системи електромагнітних хвиль
Основними елементами хвилеводного тракту є хвилеводні лінії передачі електромагнітної енергії, антенний перемикач, зчленовування, що обертається. До складу хвилеводного тракту входять також пристрої, що погоджують, фазообертачі, направлені відгалужувачі, дільники потужності, хвилевідно-коаксіальні переходи, вентилі і інші елементи СВЧ.
Невід’ємною складовою частиною приймально-передаючих трактів станцій радіолокації є направляюча система (НС), призначена для передачі енергії електромагнітних хвиль (ЕМХ).
НС називають діелектричний канал, обмежений однією або декількома поверхнями, під час переходу через які міняється стрибком хоча б один з параметрів середовища розповсюдження: абсолютні діелектричні і магнітні проникності, а також її провідність. Направляючу систему часто називають хвилеводом.
Основною функцією НС в однопозиційному локаторі є передача сигналу із заданою енергією і параметрами модуляції, носієм якого є ЕМХ, від передавача до передаючої антени і від приймальної антени до приймача.
У багатопозиційному локаторі НС додатково виконує функцію лінії зв'язку між пунктами прийому або пунктами прийому і центром обробки інформації. В зв'язку з цим зрозуміло, що разом з енергетичними важливі і інформаційні характеристики НС.
3.6.1 Направляючі системи
Функції передачі енергії від передавача до антени і від антени до приймача виконує хвилеводний тракт.
До основних технічних характеристик хвилеводного тракту відносяться: ступінь узгодження хвилеводного тракту з навантаженням; втрати енергії в хвилеводному тракті; максимальна передавана потужність.
Ступінь узгодження хвилеводного тракту з навантаженням характеризується коефіцієнтом хвилі (КБХ), що біжить, або зворотною йому величиною - коефіцієнтом стоячої хвилі напруги - КСХН. Величина КСХН показує, наскільки режим роботи хвилеводного тракту відрізняється від режиму хвиль, що біжать. Практично вважається, що навантаження добре узгоджене з лінією передачі, якщо КСХН < 1,2, і узгоджене задовільно, якщо КСХН = 1,2...2,0.
Втрати енергії в хвилеводному тракті обумовлені тепловими втратами в металевих провідних поверхнях і діелектричними втратами ліній передачі. Величину втрат прийнято характеризувати коефіцієнтом поглинання. Для ліній передач користуються величиною погонного ослаблення, вираженої в децибелах на один метр довжини.
Для хвилеводів значення погонного ослаблення складає 0,01...0,05 дБ/м, для смугових і коаксіальних ліній передачі - 0,05...0,5 дБ/м. Втрати реальних трактів РЛС - 0,5...1 дБ на передачу і 2...3 дБ на прийом.
Максимальна передавана потужність в хвилеводному тракті обмежується можливістю електричного пробою і допустимим нагрівом діелектрика лінії передачі. Вибір елементів СВЧ тракту визначається довжиною хвилі, величиною передаваної потужності, схемними і конструктивними особливостями тракту.
У РЛС сантиметрового діапазону хвилеводні тракти виконуються на прямокутних хвилеводах, поперечні розміри яких повинні забезпечувати задану діапазонність і рівень передаваної потужності.
У РЛС дециметрового діапазону використовуються жорсткі коаксіальні лінії з повітряним заповненням, в РЛС метрового діапазону - коаксіальні лінії з діелектричним заповненням.
Гнучкі зчленовування забезпечують можливість механічного з'єднання тракту з підсилювальними або генераторними приладами, а також з'єднання нерухомої і рухомої частин тракту. Хвилеводні переходи забезпечують можливість з'єднання відрізків хвилеводів різного перетину. Наприклад, магнетрони, що мають круглий вихідний хвилевід, підключаються до прямокутного хвилеводу через хвилеводний перехід, який є плавним переходом, що не відображає, від круглого до прямокутного перетину. При передачі електромагнітної енергії від генератора до навантаження необхідне узгодження окремих ділянок тракту між собою, забезпечуюче задані діапазонність, КСВН і втрати в тракті. З цією метою використовуються різні елементи, що погоджують: у коаксіальних лініях передачі - четвертьхвильові трансформатори, що погоджують шлейфи, вентилі; у хвилеводних лініях - індуктивні і місткості діафрагми, фазові трансформатори.
Необхідність почергового перемикання передавача на декілька антен або еквівалент, електричне сканування променя ДНА зажадали розробки і створення швидкодійних електрично керованих перемикачів, комутаторів, фазообертачів, циркуляторів. Ці пристрої розроблені на основі використовування властивостей феритів в постійному магнітному полі.
Виходячи з функціонального призначення РЛС до НС можуть пред'являтися наступні вимоги.
1. Забезпечення передачі сигналу із заданою потужністю не менш заданої (що вимагається).
2. Забезпечення передачі в навантаження можливе більшої частки потужності сигналу, що поступила на вхід.
3. Забезпечення мінімальних втрат енергії при передачі, тобто максимального ККД НС.
4. Забезпечення мінімальних фазових (частотних) спотворень передаваного сигналу.
5. Можливість вбудовування пристроїв управління параметрами ЕМП (амплітудою або потужністю, фазою, вектором фазової швидкості, поляризацією).
6. Забезпечення необхідних масо-габаритних характеристик.
Розглянемо з погляду реалізації цих вимог різні типи НС.
Найбільше розповсюдження в РЛС різного діапазону довжин хвиль і цільового призначення одержали однорідні регулярні хвилеводи.
Хвилевід називають регулярним, якщо вісь його - пряма лінія, а геометрична форма, розміри, параметри діелектрика незмінні по довжині.
Хвилевід, в будь-якій точці поперечного перетину якого параметри діелектрика незмінні, називають однорідним.
Важливою характеристикою зв'язаних хвиль, тобто хвиль, що розповсюджуються в НС, є фазова швидкість Vф, яка характеризує швидкість переміщення фронту хвилі. Залежно від співвідношення швидкості розповсюдження подається на НС хвилі V і фазовою швидкістю Vф розрізняють НС «швидких» (Vф > V) і «повільних» хвиль (Vф < V).
НС «швидких» хвиль. До них відносяться наступні хвилеводи: однозв'язні, які утворені однією поверхнею, і багатозв'язні, утворені двома або більш поверхнями.
На практиці широко застосовуються наступні однозв'язні хвилеводи: хвилевід з прямокутним поперечним перетином - прямокутний хвилевід; хвилевід з круглим поперечним перетином - круглий хвилевід (див. рис 3.28,а і б).
З багатозв'язних хвилеводів найчастіше застосовуються: коаксіальний кабель; смугові лінії; щілисті і компланарні лінії (див.рис.3.28,в-е).
У прямокутному хвилеводі може розповсюджуватися безліч типів хвиль Еm,n Hm,n, відмінні розподілом поля в поперечному перетині хвилеводу. Аналіз показує, що хвиля розповсюджується в хвилеводі лише для частот w > wкр або довжин хвиль l < lкр.
Рис.3.28. Приклади ліній передач.
Критична довжина хвилі lкр визначається по формулі
де а, b - розміри хвилеводу по широкій і вузькій стінці відповідно, m - число напівхвиль, що укладаються по широкій стінці, а n - по вузькій стінці хвилеводу.
Основною хвилею в НС називають ту, у якої критична довжина хвилі максимальна. Для прямокутного хвилеводу основною хвилею є хвиля Н10 (lкр=2а), найближчою хвилею вищого типу - хвиля Н20 (lкр = а) (см.рис.3.29).
Для забезпечення потрібної діапазонності розміри хвилеводу вибирають з умови
а = l/1.4, b = (0.47-0.5) а.
Хвилевід з таким перетином називають стандартним.
Для прямокутного хвилеводу з повітряним заповненням гранична потужність в режимі хвилі, що біжить, рівна
Pпред,Вт ~ 1.08.109·l2.
Збільшення Pпред досягається заповненням хвилеводу інертними газами, підвищенням або зменшенням тиску усередині хвилеводу.
Рис.3.29. Основна і вищі типи хвиль в прямокутному хвилеводі.
У режимі хвиль (РБХ), що біжать, найкращим чином виконуються вимоги 1 і 2. Проте на практиці важко одержувати РБХ, оскільки не завжди хвильовий опір лінії рівний опору навантаження. Тому виникають відображені хвилі і розподіл амплітуд полів Е і Н уздовж хвилеводу стає нерівномірним і характеризується наявністю періодично наступними уздовж подовжньої осі хвилеводу максимумів і мінімумів.
Для кількісної характеристики відмінностей такого режиму (режим змішаних хвиль) від РБХ вводять коефіцієнт стоячої хвилі напруги
КСХ = Еmax/Еmin.
Для забезпечення вимоги 2 виявляється необхідне узгодження хвилеводу з навантаженням. З цією метою використовують спеціальні пристрої, що забезпечують або компенсацію, або поглинання відображених хвиль. На практиці прийнятним вважається узгодження для якого КСХ =1.2-1.5.
Фазова швидкість в хвилеводі визначається по формулі
(3.12)
З формули (3.12) видно, що швидкість переміщення фронту хвилі в хвилеводі залежить від частоти (довжини хвилі) ЕМП. Це явище відоме як явище дисперсії. Наявність дисперсії накладає обмеження на ширину амплітудно-частотного спектру передаваного сигналу.
Коаксіальний кабель. У коаксіальному кабелі, окрім хвилі типа Е і Н можуть розповсюджуватися поперечні хвилі (хвилі типа Т або ТИМ), у яких подовжні складові електричного і магнітного полів відсутні.
Основною хвилею є хвиля типа Т (lкр ® Ґ). Найближча вища - хвиля Н11 (lкр»p·(а + b)). Отже, ширина однохвильової області коаксіального кабелю p·(а + b)< l < Ґ.
Це дозволяє застосовувати таку НС, починаючи з сантиметрового до гектометрового діапазону хвиль.
Коефіцієнт загасання в діелектриці визначається виразом:
(3.13)
де e - діелектрична проникність діелектрика; tgD - тангенс кута діелектричних втрат - довідкова величина. Аналіз формули (3.13) показує, що через загасання в діелектриці коаксіальний кабель в сантиметровому діапазоні має істотно більше загасання в порівнянні з прямокутним хвилеводом. З указаних причин його основне застосування обмежується в дециметровому і метровому діапазонах довжин хвиль.
Реально передавана по каоксиальному кабелю (допустима) потужність багато менше за граничну і залежить від типу кабелю і способу кріплення внутрішнього провідника. Для жорсткого кабелю з повітряним заповненням і кріпленням за допомогою четвертьхвильових ізоляторів Pдоп» Pпред/6, з кріпленням за допомогою діелектричних опорних шайб Pдоп» Pпред/20. Для гнучких кабелів з суцільним діелектричним заповненням раніше електричного наступає тепловий пробій.
У метровому і більш довгохвильових діапазонах коаксіальний кабель дозволяє передавати, через відсутність дисперсії, сигнали з ширшими амплітудно-частотними спектрами, ніж хвилевід.
Смугові і мікросмугові лінії. Однієї з тенденцій розвитку радіотехніки взагалі і техніки СВЧ зокрема є мікромініатюрізація, тобто зменшення массо-габаритних параметрів. Стосовно НС цього можна досягти застосуванням нової елементної бази - смугових ліній.
Смуговою лінією передачі називають лінію, в якій провідник стрічкового, круглого або квадратного перетинів розташований не деякій відстані від металевої підстави.
Основним типом хвиль в смугових лініях є Т-хвилі. Геометричні розміри смугових ліній визначаються по вельми складних формулах (одержаних в результаті рішення електродинамічних задач і уточнених в процесі натурних експериментів), які представляються в численних довідкових виданнях.
До переваг смугових ліній можна віднести:
малі габарити, вага, високу точність виготовлення і, отже, хорошу відтворність характеристик;
широку смугу робочих частот, обмежену знизу частотою f » 0.1 ГГц через зростання габаритів пристроїв, а зверху - частотами, при яких
стає сумірною з поперечним розміром лінії;
низьку вартість смугових ліній і вузлів з них при масовому виробництві.
Недоліками смугових ліній є:
мала в порівнянні з прямокутними хвилеводами і коаксіальним кабелем гранична потужність (якнайменша в МПЛ, велика в СПЛ);
більші, ніж у коаксіального кабелю, втрати, обумовлені втратами в металі, діелектриці і додатковими втратами на випромінювання;
труднощі конструювання і експлуатації, обумовлені утрудненим доступом до центрального провідника і випромінюваннями.
Слід зазначити, що смугові лінії практично не застосовуються для передачі сигналів на достатньо великі відстані. Основне їх застосування - для мікромініатюрізації окремих вузлів СВЧ приймача і передавача.
Металеві і діелектричні НС «повільних» хвиль. Для таких НС Vф < з і їх називають уповільнюючими системами (УС). Уповільнення ЕМХ досягається зміною геометрії УС, введенням періодичних неоднорідностей, заповненням порожнистого хвилеводу діелектриком з великою діелектричною проникністю і т.д.
Основними типами УС є: спіральні УС (рис.3.30,а); хвилеводна УС з геометричним заповненням «змійка» (рис.3.30,б); УС типу гребінки (рис.3.30,в); УС типу стрічні штирі в прямокутному хвилеводі (рис.3.30,г); УС - хвилевід круглого перетину, заповнений діелектриком з циліндровим каналом уздовж осі (рис.3.30,д) і інші.
Рис.3.30. Основні типи уповільнюючих систем
Найважливішою характеристикою УС є коефіцієнт уповільнення, який визначається по формулі Кз = с/Vф = l/lc, де l і lc - довжина хвилі у вільному просторі і УС відповідно.
Можна вказати, принаймні, два основні напрями використовування УС: у так званих антенах хвилі, що біжить, з частотним управлінням положенням максимального випромінювання і в електронних приладах СВЧ з тривалою взаємодією.
Таким чином, в сучасних РЛС використовуються різні типи НС, вибір яких залежить від діапазону частот, величини потужності передаваного сигналу, а також вимог до величини втрат, рівня фазових (частотних) спотворень і массо-габаритних показників.