Антенно-волноводное устройство

 

Волновод

 

Передача СВЧ энергии между передатчиком и антенной, антенной и приёмником осуществляется специальной линией – волноводным трактом (волноводом). Это обусловлено тем, что судовые РЛС работают в диапазоне сантиметровых волн. Использование в этом диапазоне коаксиального кабеля ограничено, так как он создаёт большее затухание, чем волновод и не позволяет передавать большую мощность, особенно в диапазоне 3.2 см. Волновод обеспечивает минимизацию энергетических потерь при передаче-приёме СВЧ сигналов. Конструктивно он представляет металлическую трубу прямоугольного (реже круглого) сечения (рис. 13а). Внутренние поверхности трубы покрываются специальным металлом и шлифуются.

Электрические силовые линии Е в волноводах направлены параллельно вибратору (устройство ввода СВЧ-колебаний в волновод), т.е. они перпендикулярны широкой стенке волновода и уменьшаются до нуля, приближаясь к узким (рис. 13а). Магнитное поле Н имеет вид замкнутых линий, густота которых наибольшая у узкой стенки волновода (рис. 13а).

Размер широкой стенки волновода равен половине длины волны . При этом ширина узкой стенки b во избежание электрического пробоя между широкими стенками не должна быть малой и обычно равна примерно половине широкой стенки а. Распространение радиоволн в волноводе происходит при многократном отражении от стенок. Связь между волноводами может осуществляться либо с помощью тройников-ответвителей, либо с помощью щелей в боковых стенках волновода.

Ответвление от широкой стенки равносильно последовательному подключению к двухпроводной линии двух участков (рис. 13б). Ответвление от узкой стенки равносильно параллельному подключению двух участков к двухпроводной линии (рис. 13в).

Соединение волноводов при помощи щелей в боковых стенках называется щелевым мостом (рис. 13г). Использование щелевого моста основано на двух свойствах преобразования СВЧ волн при прохождении его:

1. Равномерное деление всего потока энергии на две составляющие.

2.  Получение фазового сдвига 90°.

Волноводная линия передач допускает изгибы, скручивания, переход от прямоугольного сечения к круглому и пр. Переход от большего сечения к меньшему осуществляется плавно на некоторой длине волновода.

Соединение отдельных волноводов осуществляется при помощи специальных дроссельных фланцев. Регулировка уровня колебаний, проходящих через волновод, осуществляется с помощью аттенюатора (ослабителя), который представляет собой диэлектрическую пластину с токопроводящим покрытием, вводимую на различное расстояние от узкой стенки внутри волновода.

При попадании внутрь волновода влаги и грязи потери в нём увеличиваются вплоть до полного прекращения передачи энергии. Поэтому волновод делают герметически закрытым и снабжают влагопоглотительными патронами с селикагелем, вмонтированными в волноводные секции через определенные расстояния.

 

 

Рис. 13. Соединения волноводов

 

Антенна

 

Основное назначение антенны РЛС – создание высокой направленности действия в горизонтальной плоскости. Направленность антенны характеризуется диаграммой направленности. Диаграмма направленности представляет собой график изменения мощности или напряженности электрического поля, создаваемого антенной в разных направлениях, но на одинаковых расстояниях.

Вид диаграммы направленности в горизонтальной плоскости показан на рис. 14а. Угол ά определят ширину диаграммы направленности. Он образован прямыми, проходящими через точки половинной мощности. Предпочтительнее является та антенна, у которой угол ά и интенсивность боковых лепестков меньше.

В современных РЛС применяются рупорные, линзовые, щелевые антенны их сочетания. Каждый тип антенн характеризуется своей шириной диаграммы направленности.

Рупорная антенна представляет собой открытый расширенный конец волновода, через который происходит излучение энергии в окружающее пространство. Она проста по конструкции, но её направленные свойства невелики.

Линзовая антенна состоит из слабо направленного излучателя и плоско-выпуклой или плоско-вогнутой линзы, которая изготавливается из диэлектрика с определенным коэффициентом преломления (действие устройства подобно прохождению оптических волн через лупу).

В судовых условиях в основном применяются щелевые антенны, обладающие при сравнительно небольших габаритах хорошими направленными свойствами. Антенна такого типа представляет собой отрезок волновода с нарезанными на одной из его стенок щелями. Если на широкой или узкой стенке волновода определённым образом вырезать щель длиной

Рис. 14. Рупорно-щелевая антенна РЛС

 

около половины длины волны, то такая щель способна излучать и принимать радиосигналы подобно полуволновому вибратору. Но одна щель обладает слабой направленностью. Поэтому для получения узкой диаграммы направленности вырезается несколько щелей. Ширина диаграммы направленности зависит от количества щелей и определяется:

,

(33)

где N–количество щелей.

Так как количество щелей лимитируется длиной антенны, то ширина диаграммы направленности определяется длиной антенны.

В подавляющем большинстве судовых антенн РЛС используется способ нарезки наклонных щелей на узкой стенке волновода (рис. 14б, поз.3). Для обеспечения синфазности полей соседние щели имеют наклон 10–15°. При наклоне щелей вектор электрического поля имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Наличие последней нежелательно, т.к. в диаграмме направленности увеличивается интенсивность боковых лепестков. Для подавления вертикальной составляющей применяется волноводный фильтр, который состоит из металлических перегородок (рис. 14б, поз.4), отделяющих щели друг от друга.

Направленность в вертикальной плоскости у таких антенн незначительна, поэтому её сужают до 20–25° путём заключения в горизонтально расположенный рупор (рис. 14б, поз.1). По этой причине такие антенны называют также рупорно-щелевыми. В целях герметизации рупор закрывается диэлектрической вставкой из радиопрозрачного материала (рис. 14б, поз.5).

 

Антенный переключатель

 

Антенный переключатель в автоматическом режиме осуществляет направление СВЧ энергии от передатчика к антенне и от антенны к приёмнику.

Антенный переключатель представляет собой два волновода, состоящих из нескольких секций, связанных между собой по узкой стенке. Он включает в себя (рис. 15): щелевой мост (ЩМ), ферритовую секцию (ФС), двойной свернутый волноводный тройник (ДСВТ) и газовый разрядник (ГР).

Работа антенного переключателя происходит следующим образом. При поступлении импульса передатчика в канал 2 энергия колебаний делится пополам между каналами 3 и 4 и, суммируясь в ответвителе 7, идёт полностью в антенну. В точках 5 и 6 фазы колебаний при этом совпадают, т.к. феррит в канале 3–5 компенсирует отставание по фазе в канале 2–3 (второе свойство щелевого моста). Разрядник ГР, находящийся в зажжённом состоянии, предохраняет приёмник от выхода из строя при попадании в канал 1 части энергии импульса передатчика.

Энергия отраженного импульса от антенны в точке 7 разветвляется на два равновеликих потока, обеспечивая в точках 5 и 6 одинаковую фазу колебаний. Отставание по фазе на 90° в канале 5–3 (относительно канала 6–4) и в канале 4 –1 (относительно канала 3–1) обеспечивает подачу к приёмнику всей энергии отражённого импульса. Газоразрядник при этом находится в погасшем состоянии. В канал 2 энергия отражённого импульса не поступает, т.к. в точке 2 оба колебания оказываются в противофазе. При передаче энергии от передатчика в антенну, вследствие обычно имеющейся несогласованности волновода с антенной происходит многократное отражение импульсов от концов волноводного тракта.

Эти отраженные импульсы вызывают зажигание разрядника, перекрывая вход приёмника на время приёма импульсов, отражённых от ближних объектов, увеличивая мертвую зону РЛС. Для их уничтожения используется поглотитель, находящийся в ответвителе 8.

 

 

Рис. 15. Антенный переключатель РЛС

 

Во всех типах антенных переключателей чувствительность приёмного газоразрядника резко снижается при снятии с него поджигающего напряжения, что происходит при выключенной РЛС. Поэтому в выключенной РЛС волновод автоматически перекрывается заслонкой, не допускающей попадание в приёмник импульсов близко работающей РЛС.