§ 1. 3. Особенности расчета и конструирования антенно-фидерных устройств

Рассмотренные ранее в предшествующих курсах методы расчета электрических и радиотехнических цепей непригодны для расчета ан­тенн и канализирующих устройств. Это объясняется необходимостью рассматривать цепи, размеры которых соизмеримы или значительно больше (в большинстве случаев) длины волны. При расчете антенн необходимо учитывать интенсивный процесс излучения в цепи и реак­цию излученной электромагнитной энергии на процессы в излучателе. Эти два обстоятельства значительно усложняют теорию и инженерные методы расчета, так как для определения поля излучения надо знать распределение излучающих токов (полей) в антенне, которое, в свою очередь, зависит от поля излучения. Кроме того, эта реакция излу­ченной электромагнитной энергии на антенну в процессе работы может меняться, как, например, в электрически сканирующей антенне.

Отличительной особенностью современных антенно-фидерных уст­ройств является сложность их теории: определение поля в пространстве сводится к решению векторных волновых уравнений в комплекс­ной форме при сложных граничных и начальных условиях. К этому следует добавить, что в устройствах используют электрически уп­равляемые полупроводниковые приборы и гиротропные среды (ферриты, газоразрядную плазму, сегнетоэлектрики), магнитная µ или диэ­лектрическая проницаемость ε которых является тензорной величи­ной. Прямые электродинамические методы решения этих краевых задач (решение уравнений Максвелла) в принципе позволяют получить стро­гие решения задач, но требуют для большинства случаев применения различных методов решения математической физики (векторного, тен­зорного, матричного, вариационного исчислений, уравнений с част­ными производными, интегральных уравнений, специальных функций и др. ). Применение этих методов ограничено, так как из-за математических трудностей решение не всегда удается завершить, а если и удается, то для инженерных расчетов оно мало пригодно вследствие громоздкости и сложности использования, даже при применении современных вычислительных средств.

Поэтому в теории широко применяют второй метод расчета, использующий телеграфные уравнения (теорию линий с распределенными параметрами), дающий приближенные результаты, пригодные в инженерной практике. Кроме того, для расчета различных устройств широко используют метод эквивалентных схем, при котором реальное устройство представляется некоторой эквивалентной схемой: колебательным контуром, двухпроводной эквивалентной линией, двух-, четырех-, восьмиполюсником и т. д. или другой электрической цепью с некоторыми эквивалентными параметрами.

Остановимся кратко на особенностях конструирования антенно-фидерных устройств. Размеры современных антенн (от единиц миллиметров до километров) зависят от рабочего диапазона и назначения устройства. Конструкция антенн также весьма различна: это либо сложные инженерные сооружения, занимающие по площади квадратные километры и имеющие по высоте сотни метров, либо весьма простые- антенны в виде щели или отверстия в металлическом экране летательного аппарата (ДА). Материалы, применяемые для изготовления антенн и фидеров, самые различные: проводники (серебро, медь, алюминий и др. ), диэлектрики (полистирол, тефлон, феррит и др. ), полупроводники и плазма. При конструировании приходится учитывать действие всевозможных факторов: влияние проводящей поверхности ЛА на характеристики антенны, действие сил инерции в механических сканирующих антеннах, увеличение температуры от скоростного напора воздуха, парусный эффект антенны, влияние гололеда, температурные деформации, технологические возможности изготовления, возможности контроля характеристик и работоспособности и т. д.

С развитием радиотехники многие антенны претерпели существенные изменения - из простых устройств превратились в системы, состоящие из десятков тысяч элементов, управление которыми осуществляется специальными ЭВМ. Разработки таких антенных систем ведутся крупными коллективами ученых и инженеров различных специальностей. Радиоинженер, который ведет расчет основных электрических характеристик, вырабатывает требования к отдельным элементам и руководит всей разработкой антенной системы, должен учитывать возможности реализации различных устройств и влияние различных факторов, т. е. должен обладать широкими знаниями не только в своей области, но и в области математики, физики, технологии, экономики, технической механики и т. д.

В рамках настоящего курса, естественно, невозможно охватить весь комплекс вопросов. В связи с этим будут рассмотрены лишь общие вопросы теории и расчета антенно-фидерных устройств (часть I), а также основы расчета и конструирования по диапазонам волн (часть II). Особое внимание будет уделено антенно-фидерным устройствам СВЧ применительно к радиолокации, радиоуправлению и другим вопросам построения радиоустройств на самолетах и других ЛА.