Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

пересечения диаграмм в вертикальной и горизонтальной плоскостях называется осью диаграммы направленности.

В судовых НРЛС наибольшее распространение получили рупорно-щелевые и линзовые антенны.

В более ранних моделях НРЛС использовались так называемые рупорнопараболические антенны (первые модели НРЛС “Донец”, “Океан”).

В таких антеннах в качестве отражателя используется конструкция,

представляющая собой усеченную параболу, в фокусе которой размещен выход волновода, заканчивающегося рупором.

Достоинство рупорно-параболических антенн - их простота и хорошие технические данные.

Недостаток – большая парусность, габариты и масса.

5.1. Щелевые и линзовые антенны

Если в любой стенке волновода определенным образом прорезать узкую щель на расстоянии друг от друга около λ/2 (в морских НРЛС – в узкой стенке, см. рис.5.2), то она может излучать (принимать) СВЧ колебания.

По своим свойствам она аналогична полуволновому симметричному вибратору [1,9]. Только в щелевом излучателе вектор

магнитного поля H ориентирован вдоль щели, а вектор электрического

поля Er - перпендикулярно щели. Антенна с такой щелью называется щелевой.

Однако антенна с одной щелью является маломощной и обладает слабой

направленностью. Поэтому, для того, чтобы антенна могла излучать необходимую мощность и обладала хорошими техническими параметрами, в стенке волновода (обычно в узкой) создают N щелей, расположенных друг относительно друга под

разным наклоном (угол 10°…15°.

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости такой антенны

компенсируется, то в антенне увеличивается интенсивность боковых лепестков, то есть ухудшается направленностьr антенны в горизонтальной плоскости.

Для подавления ЕB , в волноводе, на расстоянии d = λkpum / 2 размещаются

фильтры (перегородки), сквозь которые ЕГ проходит без существенных потерь, а ЕB

излучаться не сможет, так как эти фильтры для этой составляющей представляют

большое сопротивление.

На практике применяют так называемые рупорно-щелевые антенны [3]. На рис.

5.3 показан практический чертеж антенного блока НРЛС «Наяда-5» [29].

Антенный блок осуществляет формирование СВЧ-энергии в виде радиолуча (диаграммы направленности) требуемой формы, направленное излучение энергии в пространство и ее направленный прием после отражения от облучаемых объектов.

Несущей частью конструкции блока является литой кронштейн, к которому крепится щелевая антенна. Щелевая антенна (рис.5.3) представляет собой

32

секториальный рупор 2, в вершине которого помещен волноводный излучатель бегущей волны 4 с решеткой фильтров 3.

Излучатель формирует диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости формируется

рупором 2.

Рис.5.3. Чертеж антенного блока НРЛС «Наяда-5»

Вкачестве излучателя использован латунный волновод сечением 28,5x12,6 мм

спрорезанными на узкой стенке наклонными щелями 7. В конце излучателя установлен поглощающий клин 5 из ферроэпоксида. В раскрыве щелевого излучателя расположен фильтр паразитной поляризации 3. Пластины фильтра, установленные между щелями, образуют предельные волноводы для подавления вертикальной составляющей поля, излучаемого наклонными щелями.

Рупор антенны герметизируется радиопрозрачным диэлектриком 6,

изготовленным из стеклопластика с проволочной сеткой для компенсации отраженной от диэлектрика СВЧ-энергии.

Максимум диаграммы направленности в горизонтальной плоскости отклоняется от нормали к раскрыву антенны приблизительно на 6° в сторону поглощающего

клина.

Для регулировки в заводских условиях диаграммы направленности в горизонтальной плоскости имеются регулировочные винты 1, которые фиксируются гайками после регулировки. Во время эксплуатации НРЛС регулировка диаграммы направленности антенны не производится.

Вмоделях НРЛС (например, НРЛС “Печора-2” [12]) используется линзово-

щелевая антенна. Она состоит из слабо направленного облучателя 1 (см. рис.5.4) и линзы 2 (плосковыпуклой “а” или плосковогнутой “б”).

Линза изготавливается из диэлектрического радиопрозрачного материала (полистирол, фторопласт). С помощью линзы электромагнитная волна облучателя

преобразуется в плоскую волну, формирующую заданную диаграмму направленности.

Фокусное расстояние f, на котором располагается облучатель от плоскости линзы, f ≈ 0.5D .

На практике находят применение комбинированные линзово-щелевые антенны.

В этом типе антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

33

формируется, как обычно, прорезанными в узкой стенке волновода щелями, а в вертикальной плоскости – с помощью линзовой диэлектрической антенны.

Антенны такого типа имеют меньшую массу и парусность при тех же размерах раскрыва в горизонтальной плоскости, что и у рупорно-щелевых антеннах.

Угловая скорость вращения антенн Ω обычно составляет 16…24 об/мин, а на быстроходных судах от 30 до 48 об/мин.

Например, в НРЛС серий FAR21x7, FAR 28x7 (x=1,2,3) фирмы Furuno имеется

два стандарта угловой скорости: для Х – диапазона -24 об/мин и 42 об/мин, а для S-

диапазона - 24 об/мин и 45 об/мин; Simrad RA 41,42 - 24 об/мин и 42 об/мин; «Bridge

Master» серии Е фирмы Decca - 28 об/мин и 45 об/мин.

Лекция №10

5.2. Антенные переключатели

При использовании в РЛС одной общей антенны, как для передачи, так и для

приема радиолокационных сигналов, обязательным является наличие антенного переключателя (АП). Переключатель осуществляет коммутацию антенны с передачи

на прием и обратно и защищает вход приемника от проникновения чрезмерно

большой мощности сверхвысокой частоты. Источником этой мощности является собственный передатчик РЛС, а также могут быть соседние РЛС, работающие на

одной и той же частоте. Влияние соседних РЛС может сказываться как при

включенной, так и при полностью выключенной собственной РЛС.

Кантенным переключателям предъявляются следующие требования:

-в момент передачи мощность, просачивающаяся на вход приемника, должна быть как можно меньше. На волнах сантиметрового диапазона, где применяются смесители на полупроводниковых диодах, величина попадающей на вход мощности не должна превышать 0,1 Вт. При большей мощности диод может выйти изстроя;

-АП должен быть быстродействующим. Время срабатывания не должно превышать

сотых долей микросекунды. В противном случае сильно увеличивается

просачивающаяся на вход приемника мощность и возрастает минимальная дальность РЛС из-за увеличения времени восстановления чувствительности

приемника;

-потери мощности при передаче и, особенно при приеме отраженныхсигналов должныбытьминимальными.

Применяемые в настоящее время в судовых РЛС антенные переключатели можно условно разделить на ферритовые (ФАП) и коммутационные или ответвительные (ОАП) [1,9,28].

Схема антенного переключателя типа ФАП показана на рис. 5.5.

Вантенных переключателях типа ФАП используются необратимые элементы — ферриты, поэтому их часто называют

ферритовыми антенными переключателями. Феррит представляет собой

ферромагнитный полупроводник, обладающий электрическими свойствами диэлектрика и магнитными свойствами ферромагнитного металла.

34

Малая электропроводность обеспечивает значительное уменьшение потерь энергии на вихревые токи, что позволяет применять ферриты в диапазоне

сверхвысокой частоты.

Используя ферриты в волноводах, можно создать устройство с различными

характеристиками для передаваемой по волноводу электромагнитной энергии в зависимости от направления последней.

Ферритовый антенный переключатель (рис.5.5) состоит из двух симметричных

щелевых мостов ЩМ-1 и ЩМ-2 и двухканальной волноводной секции с помещенными внутри каждого канала ферритами Ф-1, Ф-2, выполняющими роль ферритовых

фазовращателей.

На внешней части волноводной секции находится постоянный магнит, поле которого воздействует на ферриты. Кроме того, имеются фазосдвигающая секция

(ФСС), поглотитель (поглощающая нагрузка - ПН) и разрядник защиты приемника (РЗП). Ферриты регулируются так, чтобы при распространении энергии со стороны

передатчика феррит Ф-2 создает отставание фазы электромагнитного поля на 90° по отношению к фазе поля, проходящего через феррит Ф-1. При распространении же энергии со стороны антенны и поглощающей нагрузки феррит Ф-1 создает

отставание поля по фазе на 90° по отношению к фазе поля, проходящего через феррит Ф-2.

Фазосдвигающая секция представляет собой двухканальный волноводный переход, устроенный так, что путь, проходимый волной по каналу 3, короче на четверть волны, чем путь по каналу 4. При этом волна канала 4 будет отставать по

фазе на 90° от волны, идущей по каналу 3.

При передаче зондирующих импульсов переключатель работает следующим образом. Энергия из передатчика, распространяясь по каналу 1 щелевого моста ЩМ- 1, делится пополам между каналами 3 и 4. В приемник энергия не попадает, так как канал 2 приемника с помощью РЗП развязан от канала передатчика. Волна, входящая в канал 4, через щелевой мост ЩМ-1 будет отставать по фазе на 90° относительно волны, распространяющейся через канал 3. При прохождении через феррит Ф-2 фаза волны в канале 4 получит дополнительное отставание по фазе на

угол 90° относительно волны в канале 3. Таким образом, на выходе

фазосдвигающей секции волна канала 4 отстает по фазе относительно канала 3 на угол, равный 270°.

Проходя щелевой мост ЩМ-2, энергия из канала 4 поступает в канал 5 антенны,

куда одновременно поступает и энергия из канала 3. Поскольку при прохождении

моста ЩМ-2 энергия канала 4 получает дополнительное отставание по фазе на 90°,

то в канал антенны 5 энергия из каналов 3 и 4 поступает в фазе. Одновременно энергия волн, поступающая в канал 6 поглощающей нагрузки из каналов 3 и 4, оказывается в противофазе и компенсируется, не отражаясь. В случае появления

расфазирования в каналах 3 и 4 остаточная энергия будет затрачиваться в

поглощающей нагрузке.

При приеме отраженных сигналов энергия, выйдя из антенного канала 5 в щелевой мост ЩМ-2, делится пополам между каналами 3 и 4. Приходя в канал 4,

энергия получит отставание по фазе на угол 90° относительно энергии в канале 3. После прохождения фазосдвигающей секции энергия канала 4 дополнительно будет

отставать по фазе от энергии в канале 3 еще на угол 90°.

Одновременно энергия в канале 3, проходя через феррит Ф-1, получит

отставание по фазе относительно энергии в канале 4 на угол 90°. Тогда на входе

щелевого моста ЩМ-1 разность фаз между энергией канала 3 и энергией канала 4

оказывается равной 90°. Благодаря этому энергия принятых отраженных сигналов, проходя через щелевой мост ЩМ-1 из канала 3 в канал 2, оказывается в фазе с

энергией канала 4 и, суммируясь, поступает через РЗП на вход приемника. Энергия из

35

канала 4, проходящая в канал 1 передатчика, получив отставание по фазе на 90°, оказывается в противофазе с энергией, поступающей в канал 1 из канала 3.

Следовательно, принятые отраженные сигналы на вход передатчика не попадут.

Внекоторых НРЛС, например НРЛС серии „Наяда”, в качестве антенного

переключателя применяется фазовый ферритовый циркулятор [27].

Циркулятором называется устройство, имеющее несколько плеч и переключающее мощность электромагнитных колебаний с одного плеча на другое

[23].

Внем используются ферриты, представляющие собой магнитокерамические

материалы, состоящие в основном из окислов металлов. Они отличаются от обычных металлических магнитных материалов отсутствием электрической проводимости и незначительными потерями энергии в СВЧ диапазоне.

Взаимодействие электромагнитного поля сигнала с электронами феррита управляется с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого постоянными

магнитами. Это взаимодействие вызывает изменение магнитной проницаемости феррита и проявляется, например, в таких невзаимных свойствах, как вращение плоскости поляризации электромагнитного поля, сдвига фазы, изменение

характеристики электромагнитного поля в зависимости от направления распространения энергии через феррит и т. п.

Фазовый ферритовый циркулятор представляет собой симметричное под углом 120° разветвление волноводной линии, в центре которого находится ферритовый цилиндр, размещенный в диэлектрической втулке (рис.5.6) [28]. При работе под

действием поля постоянного магнита электроны феррита закручиваются, как

показано окружностью со стрелками. Электромагнитная энергия СВЧ,

сформированная магнетроном, из передатчика, поступающая в плечо 1 разветвления, будет распространяться в направлении плеча 2 (к антенне) и не будет попадать в плечо 3. Объясняется это тем, что

в направлении плеча 2 вектор поля вращается

навстречу электронам, и колебания здесь проходят без ослабления. В направлении же

плеча 3 электроны и магнитное поле

вращаются в одном направлении, и энергия

поглощается.

Рис.5.6. Фазовый ферритовый циркулятор Если сигнал из антенны (отраженный сигнал от цели) в разветвление поступает

через плечо 2, то по этой же причине он будет распространяться в направлении

плеча 3 (к входу приемника) и не попадает в плечо 1, которое оказывается

изолированным (развязанным) от плеча 2.

5.3. Высокочастотные газовые разрядники

Высокочастотные газовые разрядники являются одними из важных

составляющих антенных переключателей. Различают два вида высокочастотных газовых разрядника: разрядники защиты приемника (РЗП) и разрядники блокировки передатчика (РБП) [1,9].

РЗП применяется потому, что при излучении мощных СВЧ колебаний щелевые мосты антенного переключателя пропускают на приемник не более 1/1000 энергии зондирующего импульса. Однако этой энергии достаточно для повреждения

кристаллических диодов смесителя приемника. При приеме же отраженных СВЧ