Глава 1. Характеристики антенн и устройств СВЧ радиосистем

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН И УСТРОЙСТВ СВЧ РАДИОСИСТЕМ

§ 1. 1. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА В РАДИОСИСТЕМАХ

Антенно-фидерное устройство является неотъемлемой частью всякой радиотехнической системы. Все области применение радиоволн (радиолокация, радиосвязь, телевидение, радионавигация, радиоуп­равление, радиоастрономия и др. ) не могут осуществляться без ан­тенн - устройств для излучения и приема электромагнитных волн. В любой радиолинии имеется передающая и приемная станции, связь между которыми осуществляется электромагнитными волнами (рис. 1. 1).

Поясним роль основных элементов, входящих в радиосистему. Передающая антенна преобразует подведенную фидером энергию высо­кой частоты (ВЧ), выработанную передатчиком, в энергию электро­магнитных волн и обеспечивает излучение в заданном направлении.

Рис. 1. 1. Схема линии радиосвязи:

I- передающая антенна; 2 - приемная антенна;

3- передающий фидер; 4- приемный фидер

Приемная антенна улавливает и преобразует энергию приходя­щих свободных электромагнитных волн в энергию направляемых элек­тромагнитных волн, передаваемых фидером в приемник.

Фидер является устройством, канализирующим энергию ВЧ, т. е. передает энергию от передатчика к передающей антенне или от при­емной антенны к приемнику. Поэтому фидер в ряде случаев называют линией передачи ВЧ или СВЧ (сверхвысокой частоты).

Передающая или приемная антенна преобразует энергию одного вида в другой, являясь своего рода " генератором", и поэтому об­ладает свойством обратимости, т. е. передающая антенна может быть приемной и наоборот. Между свойствами приемной и передающей антенн, как будет показано ниже, существует тесная связь, что позволяет рассматривать основные характеристики антенн, не акценти­руя внимания на том, является ли она приемной или передающей. Эти характеристики антенно-фидерных устройств определяются назначением радиосистемы, техническими требованиями, предъявляемыми к ней, а также условиями размещения, работы и эксплуатации.

§ 1. 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

Проектирование и разработка антенно-фидерных устройств любой радиотехнической системы ведутся на основании технических требований, в которых определены основные характеристики создаваемого устройства. Кроме того, знание основных характеристик антенно-фидерного устройства и возможностей их реализации необходимо также разработчикам радиотехнических систем, так как ряд важнейших па­раметров систем предопределяется антенными устройствами. Так, на­пример, в радиолокации разрешающая способность и точность определения угловых координат, время и сектор обзора пространства, помехозащищенность, дальность действия и другие параметры РЛС опре­деляются исключительно характеристиками антенны или в значительной степени зависят от них.

Остановимся на основных характеристиках антенно-фидерных устройств. Направленность действия является основной характеристикой антенн, которая определяет неодинаковость излучения (или приема) антенн в различных направлениях. Рассмотренный в курсе теории электромагнитного поля элементарный электрический излучатель (диполь Герца) уже обладал направленностью действия. Для оценки направленности действия всех существующих антенн в теории вводится понятие абсолютно ненаправленной антенны - изотропного излучателя (гипотетический излучатель), который излучает электромагнитную энергию равномерно во все стороны.

Все существующие антенны обладают той или иной направленностью действия. Напряженность электрического поля Е, создаваемая произвольной излучающей антенной в некоторой точке пространства , будет зависеть от координат точки  и подводимой мощности Р (или тока ), т. е. . При  откуда  где  - характеристика направленности - зависимость поля излучения от направления при неизменном расстоянии от точки наблюдения до антенны и неизменной подводимой мощности.

Характеристикой направленности приемной антенны является функция, характеризующая зависимость э. д. с., снимаемой с выход­ных клемм приемной антенны, от направления прихода радиоволн при неизменной поляризации и интенсивности поля. Графическое изобра­жение характеристики направленности называется диаграммой направленности (ДН). Пространственная диаграмма направленности может быть изображена в виде некоторой поверхности. Радиус-вектор, про­веденный от центра до некоторой точки поверхности, пропорционален полю излучения в данном направлении. Сечения пространственной ди­аграммы направленности плоскостями, проходящими через центр, называются диаграммами направленности в соответствующей плоскости.

В качестве примера можно привести пространственную диаграмму направленности элементарного вибратора, представляющую собой тороид вращения (рис. 1. 2, а); диаграммы направленности в меридиональ­ной и экваториальной плоскостях (рис. 1. 2, б, в) имеют при этом соот­ветственно форму восьмерки и круга.

Большинство используемых антенн - остронаправленные, т. е. концентрируют излучение в небольшом телесном угле и имеют ДН игольчатые (или " карандашного" типа) (рис. 1. 2, г), веерные (рис. 1. 2, д) и др. Для наземных устройств принято называть антенну не­направленной, если она имеет в горизонтальной плоскости круговую (равномерную) ДН.

При рассмотрении направленности действия необходимо учиты­вать поляризационную характеристику антенны, которая определяет поляризацию излучаемых и принимаемых ею волн. Антенна может из­лучать поле с вертикальной, горизонтальной, круговой или эллип­тической (вращающейся) поляризацией, причем в зависимости от на­правления вращения поля волны могут быть как право -, так и лево- поляризованными.

Для сравнения направленности действия различных антенн и расчета их характеристик вводят ряд параметров, определяемых из ДН. Не менее важными являются энергетические характеристики, оп­ределяющие значения и изменение в процессе работы ряда величин, характеризующих максимально допустимую мощность излучения, при которой обеспечиваются электрическая прочность и допустимый теп­ловой режим, мощность СВЧ потерь в антенно-фидерном тракте, мощ­ность шумов, развиваемую на входе приемника, мощность, требуемую для управления положением луча в пространстве, и т. д.

Рис. 1. 2. Диаграммы направленности элементарного вибратора и остронаправленных антенн:
а - вид пространственной диаграммы; б, в - диаграммы направленности элементарного вибратора соответственно в ме­ридиональной и экваториальной плоскостях; г, д - вид ди­аграмм направленности остронаправленных антенн (игольчатого и веерного типа)

Величины этих мощностей характеризуются к. п. д., шумовой температурой, входным сопротивлением антенны, волновым сопротивлением фидера, согласованием в питающем фидере и другими параметрами.

Частотные характеристики определяют изменение основных параметров антенн от частоты. Так, с изменением частоты меняются на­правленность действия антенны и энергетические характеристики. При рассмотрении частотных характеристик антенно-фидерных устройств следует различать требования, предъявляемые к рабочему диапазону и полосе частот. Требуемая полоса частот определяется спектром передаваемого антенной сигнала, т. е. условием одновремен­ного излучения или приема антенной заданного спектра частот. Диапазон частот определяется условием работы антенны последовательно во времени на различных участках этого диапазона волн, т. е. допускает в принципе при изменении рабочей частоты радиосистемы синхронное изменение некоторых параметров антенны.

Характеристики управления антенно-фидерных устройств показывают изменение направленных и других свойств антенн л процессе ра­боты. Так, например, остронаправленные антенны с движением луча для обзора пространства (сканирующие антенны) характеризуются сек­тором обзора, временем обзора (темпом), точностью установки луча в заданную точку пространства и т. д. Одна и та же антенна, работающая поочередно в режиме передачи и приема, имеет в фидерном тракте специальное устройство, называемое антенным переключателем. Это устройство характеризуется временем переключения с передачи на прием и, наоборот, величиной развязки приемника от передатчика и т. д. К характеристикам управления следует также отнести возни­кающие в ряде случаев требования к изменению при работе поляри­зации поля излучения или формы ДН антенны.

В антеннах с механическим сканированием, в которых движение луча осуществляется поворотом антенны, характеристики управления не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяю­щими при проектировании механизмов вращения. И наоборот, в элек­трически сканирующих антеннах, в которых меняется положение луча в пространстве с помощью электрически управляемых устройств при неподвижной антенне, характеристики управления являются исходными при ее проектировании.

Антенно-фидерное устройство, как и любое инженерное сооруже­ние, имеет ряд общетехнических и экономических характеристик, та­ких, как сложность или простота устройства, вес и габариты (особо важны в бортовой аппаратуре), надежность работы, механическая прочность, стоимость, простота и удобство эксплуатации, контроля, ремонта и т. д. Эти требования общего характера при разработке ан­тенно-фидерного устройства являются в ряде случаев не менее важ­ными, чем требования к электрическим характеристикам. Выполнение их достигается не только соответствующими конструктивными решени­ями, технологией изготовления, применением специальных материалов, но и выбором соответствующей схемы построения устройства, режима работы, способа сканирования и т. д.

Основные требования к характеристикам разрабатываемого ан­тенно-фидерного устройства в каждом конкретном случае весьма раз­личны и зависят от назначения. С увеличением объема обрабатывае­мой информации радиосистемы (например, с ростом дальности дейст­вия, разрешающей способности, точности определения координат, бы­стродействия, помехозащищенности и др. ) возрастают требования к характеристикам антенно-фидерных устройств. Взаимосвязь между ха­рактеристиками антенно-фидерных устройств и характеристиками ра­диосистем приводится в соответствующих курсах радиолокации, радиоуправления, навигации и т. д.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: