Антенны АРЭО. Основные типы антенн используемых в бортовой радиоаппаратуре. Линии передачи СВЧ энергии

В наши дни радио получило широкое распространение и теперь каждый человек с детства знает об радио, антенных и прочих уст­ройствах довольно много, а в то же время практически ничего, если рассматривать вопрос чисто профессионально. Что же такое антенна?

Антенной называется радиотехническое устройство, которое служит для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию высокочастотного электромагнитного поля и для обратного преоб­разования.

В зависимости от вида преобразования энергии антенны могут быть передающими, приемными и универсальными. Универсальные ан­тенны служат и для приема и для передачи сигналов. Этот тип ан­тенн в авиационной радиотехнике применяется наиболее часто.

Ко всем антеннам применимо правило обратимости. Оно заклю­чается в том, что все характеристики антенн сохраняются постоянными и не зависят от того, работает ли антенна в режиме “передача” или в режиме “прием”.

В связи со спецификой условий применении радиотехнического оборудовании на ЛА конструкция антенн, устанавливаемых на них, может сильно отличаться от аналогичных антенн наземной аппара­туры.

С началом установки на ЛА приемо-передающих устройств возникла необходимость в разработке, установке и эксплуатации соответствующих АФУ. Отличительной чертой антенн ЛА являются некоторые повышенные требовании к габаритам, весу, обтекаемости и конструк­ции антенн. Антенны ЛА должны обеспечивать прием сигналов доста­точной мощности на заданных расстояниях, хорошо согласовываться с приемо-передающим трактом и, по возможности, не выступать за кор­пус (фюзеляж) ЛА.

Из курса физики вы знаете, что такое колебательный контур. Это замкнутая колебательная цепь, обладающая “сосредоточенными” параметрами L и C. Действительно, размеры катушки индуктивности и конденсатора очень малы по сравнению с длиной собственной волны контура, в то же время магнитное поле, сосредоточенное вокруг витков катушки, занимает практически малое пространство, а электрическое поле, ограниченное пластинами конденсатора, занимает еще меньшее пространство. Системы с сосредоточенными параметрами успешно применяются в схемах, предназначенных для генерации и усиления колебаний высокой частоты. Но эти системы не могут с достаточным успехом осуществить основные задачи радиотехники — излучения энергии в пространство и извлечения ее из него. Эти задачи выполняются колебательными цепями открытого типа, имеющими “распределенные” параметры L и C. Разновидностями открытых цепей и являются передающие и приемные антенны.

Рассмотрим принцип работы антенны на примере симметричного вибратора, представляющего собой провод, изолированный на концах и служащий примером открытой колебательной цепи. Само название вибратор говорит о том, что эта система обладает колебательными свойствами (рис. 8).

Разделим вибратор на 2 равные части и соединим их с зажимами батареи. Половины вибратора получат заряды противоположных знаков. После этого батарею отключим. Заряд, полученный вибратором, создает электрическое поле между его половинами в окружающем пространстве. Представим себе, что энергия этого заряда распределена в элементарных емкостях, которые образуют между собой отдельные частицы верхней и нижней половины вибратора. Конечно, чем меньшую частицу провода мы возьмем, тем меньше окажет­ся ее емкость, но количество частиц велико и общая емкость составит заметную величину (6-7 пф на 1 м). Предположим, что половины зараженного вибратора соединены между собой, тогда из верхней воловины в нижнюю пойдет ток разряда, при этом энергия электрического поля будет превращаться в энергию магнитного волн. Каждая частица провода обладает индуктивностью, причем, слагаясь между собой, эти элементарные индуктивности образуют заметную величину (2 мкГн на 1 м). Именно такую распределенную индуктивность мы и должны считать накопителем магнитной энергии.

В тот момент, когда заряд половин вибратора будет израсходован полностью, сила тока будет достигать максимума, а затем будет уменьшаться; исчезающее магнитное поле создает Э.Д.С. самоиндукции, которая перезарядит половины вибратора. Дальше процесс будет протекать в той же последовательности, т.е. вокруг вибратора будет представлять затухающее во времени колебание. Затухание объясняется активными потерями на нагрев провода, диэлектрическими потерями в изоляторах, потерями на излучение и в земле. Но это должно рассматриваться специальным вопросом.

Рассмотрим основные параметры антенны:

1. Коэффициент полезного действия.

КПД называется отношение мощности, которую антенна излучает в пространство ко всей подводимой к ней мощности.

КПД характеризует свойства антенны, как преобразователя антенны.

2. Направленность.

Это свойство антенны излучать (принимать) электромагнитную энергию в одном из направлений больше, чем в других. Направленность антенны может быть охарактеризована коэффициентом направленного действия (КНД).

КНД называется отношение мощности, излучаемой антенной в направлении максимума излучения к средней излучаемой мощности.

Для остронаправляющих антенн КНД составляет величину в несколько сотен (тысяч) единиц. КНД характеризует направленные свойства антенны только в одном направлении. Для более полной характерис­тики направленности применяются понятии диаграммы направленнос­ти и ширины диаграммы направленности. Диаграмма направленности является графическим выражением функций или (рис. 9).

E — напряженность поля, создаваемого антенной; — мощность, излучаемая антенной;

— угол между осью отсчета и направлением излучения.

Для большего удобства используются нормализованные диаграммы по напряженности поля и по мощности .

На рисунке приведены диаграммы направленности ненаправленной и направленной антенн в прямоугольной и полярной системах координат. Последние используются более часто, т.к. обладают большей наглядностью.

Для характеристики диаграмм направленности введено понятие “ширина диаграммы направленности”, под которым понимают угол, образованный двумя радиус-векторами, проводимыми по уровню 0,707 (0,5), если строит­ся диаграмма по напряженности поля (по мощности). “Ширина диаграммы направленности” обозначается .

3. Коэффициент усиления антенны.

Эта характеристика учитывает как направленные свойства, так и КПД антенны, то есть наиболее полно характеризует антенну как преобразователь энергии.

4. Входное сопротивление антенны.

Антенна, как и всякое радиотехническое устройство, обладает некоторым входным сопротивлениям. В общем случае входное сопротивление имеет активную и реактивную составляющие:

Если антенна настроена в резонанс, то и входное сопротив­ление антенны чисто активное:

Мощность излучения и потерь можно охарактеризовать соответствующими сопротивлениями

,

.

Тогда с учетом этих формул

.

5. Действующая высота антенны (рис. 10).

Величина Э.Д.С., наводимой в антенне электромагнитным полем, зависит от высоты антенны и от ее конструкция. Чтобы объединить эти две характеристики, вводится понятие “действующая высота” антенны .

Это высота такой фиктивной антенны, которая имеет равномерное по всей длине распределение тока с амплитудой, равной максимальному распределению тока данной антенны при равных мощностях излучения. Для увеличения применяются антенны с горизонтальной частью различной формы. Действующая высота таких антенн увеличивается вследствие изменения распределения тока вдоль антенны.

Параметр антенн “действующая высота” в настоящее время при расчетах применяется довольно редко.

Рассмотрим антенные устройства ДВ, СВ, КВ и УКВ диапазонов.

К настоящему времени на ЛА устанавливаются или могут быть установлены различные по конструкции, по характеристикам и по области применения антенны.

Однако их все разновидности можно классифицировать по определенным признакам:

1. По направленности отличают:

— ненаправленные антенны;

— направленные антенны.

2. По конструктивному исполнению. Здесь существует очень больное разнообразие антенн:

для ДВ и СВ

— рамочные

— И и Н образные

— антенны поверхностных волн

— вибраторные

—

для КВ (часть УКВ)

директорные

— спиральные

— зеркальные

—

для УКВ (ДМВ, СМВ и ниже)

целевые

— рупорные

— линзовые

— антенные фазированные решетки (КВ и УКВ).

3. По типу материала, используемого для изготовления антенн различают диэлектрические антенны и из проводящих электрический ток материалов (металлические и металлодиэлектрические).

4. В авиации также принято разделение антенн по типу или месту применении. И здесь различают антенны самолетных радиопеленгаторов, антенны бортовых РЛС перехвата и прицеливания и т.д. Необходимо отметить, что и внутри данной классификации можно провести еще дополнительное разделение. Так в направленных антеннах можно выделить:

— апертурные антенны или излучающие через отверстие — апертуру (щелевые, рупорные);

— симметричные антенны (различного рода вибраторы — цилиндрический, петлевой Пистолькорса и др.);

- несимметричные антенны (вибраторы, провода, башни, мачты и др.

В ненаправленных антеннах можно выделить шлейфовые, фонарные и килевые антенны.

Рассмотрим основные типы бортовых антенных устройств.

При рассмотрении антенн ЛА можно отметить, что применяются как несимметричные, таи и симметричные антенны.

Из несимметричных антенн ЛА можно выделить:

а) наружные антенны (рис. 11), которые представляют собой различные варианты несимметричных вибраторов. Так на дозвуковых самолетах успешно и сейчас применяют в диапазонах СВ и КВ проволочные антенны (1) и штыревые (2) антенны, исполненные в виде мачты четвертьволновой длины. На скоростных самолетах широко применяются согнутые мачтовые антенны (3);

б) несимметричные линейные антенны, которые применяются в аппаратуре радиосвязи, радионавигации, радиотелеметрии, радиотелеуправлении;

в) невыступающие антенны (рис. 12).

Типичными представителями невыступающих антенн являются антенны с емкостным и кондуктивным возбуждением. Антенны с емкостным возбуждением получили название колпачковых антенн (рис. 12) и представляют собой изолированные от самолета отдельные части киля (1) или крыла (2).

Антенны с кондуктивным возбуждением получили название шлейфовых антенн и представляют собой трубки, расположенные параллельно корпусу самолета. Один конец трубки подсоединяется к передатчику сигналов, а другой на корпус самолета. Различают шлейфы замкнутые (4), разомкнутые (5) и комбинированные (6). Шлейфовые антенны широко используются в СВ и КВ диапазонах. В УКВ диапазоне применяется плоскостная антенна (3), представляющая собой четвертьволновый несимметричный излучатель, который встраивается в законцовку киля.

Иногда применяются невыступающие антенны, выполненные из фольги, которые наклеиваются на остекление кабины или на обтека­тель антенн радиолокационных станций.

Среди симметричных антенн выделим следующие антенны:

— рамочные антенны. К ним относятся электрически малые рамки, рамки с магнитным сердечником и рамки, размер которых сравнимы с длиной волны;

— многовибраторные антенны. Разновидности: директорные, логопериодические, турникетные и др.;

— проволочные антенны бегущей волны. К ним относятся ромбические, однопроводные, цилиндрические, спиральные, плоские спиральные и конические спиральные антенны;

— щелевые и волноводно-щелевые антенны. Эти антенны наиболее часто применяются на ЛА в УКВ диапазоне. Они могут бить ненаправленными, слабонаправленными и остронаправленными;

— рупорные антенны. Существует большое разнообразие рупорных ан­тенн,

— секториальные, которые разделяются на Е и Н- плоскостные, конические, пирамидальные, биконические, комбинированные и др.;

— линзовые антенны. Их может быть три разновидности: фокусирующие, осесимметричные и цилиндрические. В зависимости от материала изготовления как раз они и разделяются на диэлектрические, металлодиэлектрические, металлопластинчатые и др.;

— зеркальные антенны. Этому типу антенн свойственно большое разнообразие по конструктивному исполнению:

а) параболические;

б) цилиндропараболические;

б) вырезки из параболоида вращения...

— антенны поверхностных волн;

— фазированные антенные решетки, представляющее собой совокупность большого числа однотипных вибраторов, соединенных между собой таким образом, чтобы сигналы, принимаемые этими вибраторами, имели определенные фазовые соотношения между собой. Этот тип антенн а настоящее время представляет большой практический инте­рес, а среди них в первую очередь антенны с управлением (скани­рованием) положением главного лепестка диаграммы направленности.

По виду сканирования различают ФАР электромеханические и электрические. У последних нет подвижных частей, а измерение фа­зового распределении сигналов в раскрыве антенны происходит чисто электрически: путем изменения токов или напряжений на управляющих устройствах.

Опытным путем установлено, что электрическое сканирование удобно осуществить с помощью многоэлементных антенн (решеток). ФАР по способу осуществлении сканировании разделяются на:

— ФАР с фазовым сканированием, в которых использующей специальные устройства — фазовращатели;

— ФАР с частотным сканированием, где фазовое распределение сигна­лов в раскрыве антенны изменяется путем перестройки рабочей частоты;

— ФАР многолучевые;

У наших вероятных противников есть 3-4 таких антенны в Гренландии, Англии, на острове Шемия и Тихом океане. Последний называется “Кобра Дейн” и имеет около 90 тыс. элементов. Ее технические характеристики примерно такие: 400 лепестков Д.Н., управляемые ЭВМ, ведет до 800 объектов.

Рассмотрим линии передачи СВЧ энергии:

— двухпроводная линия передачи состоит из двух параллельных металлических проводов, расстояние между которыми r много меньше длины волны , а диаметр d проводов много меньше расстояния между ними (рис.13).

Рис. 13

Двухпроводные линии нашли широкое применение в РЭС, длина рабо­та волны которых , при этом коэффициент затухания не превышает 0,01...0,04 Дб/м. Применение двухпроводных линий на более коротких волнах ограничивается резким увеличением потерь вследствие излучения. Кроме того, из-за требования , нарушается условие пропускания заданной мощности.

— коаксиальная линия представляет собой металлическую трубу диаметром r, внутри которой соосно с ней расположен цилиндрический провод из металла диаметром d (рис. 14). Оба проводника разделены между собой диэлектриком.

Коаксиальные линии рекомендуется применять в диапазоне длин волн от 10 см до 100 м. При этом коэффициент затухания не превышает 0,05…0,4 Дб/В.

Отечественная промышленность выпускает коаксиальные линии со следующими величинами волновых сопротивлений: 50, 75, 100, 2000. В диапазоне сантиметровых волн в коаксиальных линиях заметно возрастают потери в диэлектрике. Для того чтобы уменьшить потери необходимо выполнить условия:

,

По коаксиальным линиям нельзя передать сигналы большой мощности в сантиметровом диапазоне волн.

— волноводы — это полые металлические трубы используемые в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Они обеспечивают полное экранирование электромагнитного поля и имеет ничтожные потери на нагревание.

Наибольшее распространение получили прямоугольные волноводы (рис. 15).

Вдоль волновода могут распространяться только волны с длиной волны . Для прямоугольного волновода . Обычно на практике размеры волновода выбирают равными: , .

Круглые волноводы обладают большим затуханием, но имеют симметричную относительно оси структуру электро-магнитного поля. Они применяются в качестве вращающихся сочленений антенно-волновых устройств РЭС. Волноводные линии передач авиационных РЭС герметизируют и поддерживают в них давление, немного превышающее нормальное атмосферное, что обеспечивает поддержание предельной напряженности поля, т.е. устойчивую работу РЭС.