• Prevajanje

Članek za prevod je predlagal alessandro893. Gradivo je vzeto iz obsežnega referenčnega mesta, ki opisuje predvsem principe delovanja in zasnovo radarjev.

Antena je električna naprava, ki pretvarja električno energijo v radijske valove in obratno. Antena se ne uporablja samo v radarjih, ampak tudi v motilnikih, sistemih za opozarjanje na sevanje in komunikacijskih sistemih. Med oddajanjem antena koncentrira energijo radarskega oddajnika in oblikuje žarek, usmerjen v želeno smer. Pri sprejemu antena zbira vračajočo se radarsko energijo, ki jo vsebujejo odbiti signali, in jo prenaša na sprejemnik. Antene se pogosto razlikujejo po obliki žarka in učinkovitosti.

Na levi je izotropna antena, na desni je usmerjena antena

Dipolna antena

Dipolna antena ali dipol je najpreprostejši in najbolj priljubljen razred anten. Sestavljen je iz dveh enakih vodnikov, žic ali palic, običajno z dvostransko simetrijo. Pri oddajnih napravah se vanj dovaja tok, pri sprejemnih napravah pa sprejema signal med obema polovicama antene. Obe strani podajalnika pri oddajniku ali sprejemniku sta povezani z enim od vodnikov. Dipoli so resonančne antene, to pomeni, da njihovi elementi služijo kot resonatorji, v katerih stoječi valovi prehajajo z enega konca na drugega. Torej je dolžina dipolnih elementov določena z dolžino radijskega valovanja.

Usmerjevalni vzorec

Dipoli so vsesmerne antene. Zaradi tega se pogosto uporabljajo v komunikacijskih sistemih.

Antena v obliki asimetričnega vibratorja (monopol)

Asimetrična antena je polovica dipolne antene in je nameščena pravokotno na prevodno površino, vodoravni odbojni element. Usmerjenost monopolne antene je dvakrat večja od dipolne antene z dvojno dolžino, ker pod horizontalnim odbojnim elementom ni sevanja. V zvezi s tem je učinkovitost takšne antene dvakrat višja in je sposobna nadaljevati prenos valov z isto močjo prenosa.

Usmerjevalni vzorec

Antena valovnega kanala, antena Yagi-Uda, antena Yagi

Usmerjevalni vzorec

Kotna antena

Vrsta antene, ki se pogosto uporablja na oddajnikih VHF in UHF. Sestavljen je iz obsevalnika (lahko je dipol ali niz Yagi), nameščenega pred dvema ravnima pravokotnima odsevnima zaslonoma, povezanima pod kotom, običajno 90°. Pločevina ali rešetka (za nizkofrekvenčne radarje) lahko deluje kot reflektor, kar zmanjša težo in odpornost proti vetru. Kotne antene imajo širok razpon, dobiček pa je približno 10-15 dB.

Usmerjevalni vzorec

Vibratorska logperiodična (logaritmično periodična) antena ali logperiodični niz simetričnih vibratorjev

Log-periodična antena (LPA) je sestavljena iz več polvalovnih dipolnih oddajnikov s postopno naraščajočo dolžino. Vsak je sestavljen iz para kovinskih palic. Dipola sta pritrjena tesno, drug za drugim, in vzporedno povezana na podajalnik z nasprotnimi fazami. Ta antena je podobna anteni Yagi, vendar deluje drugače. Dodajanje elementov anteni Yagi poveča njeno usmerjenost (ojačanje), dodajanje elementov LPA pa poveča njeno pasovno širino. Njena glavna prednost pred drugimi antenami je izjemno širok razpon delovnih frekvenc. Dolžine elementov antene so med seboj povezane po logaritemskem zakonu. Dolžina najdaljšega elementa je 1/2 valovne dolžine najnižje frekvence, najkrajšega pa 1/2 valovne dolžine najvišje frekvence.

Usmerjevalni vzorec

Helix antena

Spiralna antena je sestavljena iz prevodnika, zavitega v spiralo. Običajno so nameščeni nad horizontalnim odsevnim elementom. Podajalnik je povezan z dnom spirale in vodoravno ravnino. Delujejo lahko v dveh načinih - normalnem in aksialnem.

Normalni (prečni) način: Dimenzije vijačnice (premer in naklon) so majhne v primerjavi z valovno dolžino oddane frekvence. Antena deluje na enak način kot kratkostični dipol ali monopol z enakim vzorcem sevanja. Sevanje je linearno polarizirano vzporedno z osjo spirale. Ta način se uporablja v kompaktnih antenah za prenosne in mobilne radijske sprejemnike.

Aksialni način: dimenzije spirale so primerljive z valovno dolžino. Antena deluje kot usmerjena in oddaja žarek s konca spirale vzdolž njene osi. Oddaja radijske valove krožne polarizacije. Pogosto se uporablja za satelitsko komunikacijo.

Usmerjevalni vzorec

Rombična antena

Diamantna antena je širokopasovna usmerjena antena, sestavljena iz ene do treh vzporednih žic, pritrjenih nad tlemi v obliki diamanta, podprtih na vsakem oglišču s stolpi ali drogovi, na katere so žice pritrjene z izolatorji. Vse štiri strani antene so enako dolge, običajno vsaj enake valovne dolžine ali daljše. Pogosto se uporablja za komunikacijo in delovanje v območju dekametrskih valov.

Usmerjevalni vzorec

Dvodimenzionalni antenski niz

Večelementni niz dipolov, ki se uporablja v HF pasovih (1,6–30 MHz), sestavljen iz vrstic in stolpcev dipolov. Število vrstic je lahko 1, 2, 3, 4 ali 6. Število stolpcev je lahko 2 ali 4. Dipoli so vodoravno polarizirani, za nizom dipolov pa je nameščen odsevni zaslon, ki zagotavlja ojačan žarek. Število dipolnih stebrov določa širino azimutnega žarka. Za 2 stolpca je širina sevalnega vzorca približno 50°, za 4 stolpce pa 30°. Glavni žarek je mogoče nagniti za 15° ali 30° za največjo pokritost 90°.

Število vrst in višina najnižjega elementa nad tlemi določata višinski kot in velikost oskrbovane površine. Niz dveh vrstic ima kot 20°, niz štirih pa ima kot 10°. Sevanje iz dvodimenzionalnega niza se običajno približa ionosferi pod rahlim kotom in se zaradi nizke frekvence pogosto odbije nazaj na zemeljsko površje. Ker se lahko sevanje večkrat odbije med ionosfero in tlemi, delovanje antene ni omejeno na obzorje. Posledično se taka antena pogosto uporablja za komunikacijo na dolge razdalje.

Usmerjevalni vzorec

Horn antena

Antena roga je sestavljena iz razširljivega kovinskega valovoda v obliki roga, ki zbira radijske valove v žarek. Horn antene imajo zelo širok razpon delovnih frekvenc, lahko delujejo z 20-kratno vrzeljo v svojih mejah - na primer od 1 do 20 GHz. Ojačenje se giblje od 10 do 25 dB in se pogosto uporabljajo kot viri za večje antene.

Usmerjevalni vzorec

Parabolična antena

Ena najbolj priljubljenih radarskih anten je parabolični reflektor. Dovod se nahaja v žarišču parabole, radarska energija pa je usmerjena na površino reflektorja. Najpogosteje se kot dovod uporablja rožna antena, lahko pa se uporabljata tako dipol kot spiralna antena.

Ker je točkovni vir energije v žarišču, se pretvori v valovno fronto s konstantno fazo, zaradi česar je parabola zelo primerna za uporabo v radarju. S spreminjanjem velikosti in oblike odsevne površine lahko ustvarimo žarke in sevalne vzorce različnih oblik. Usmerjenost paraboličnih anten je veliko boljša kot pri Yagi ali dipolu; ojačanje lahko doseže 30-35 dB. Njihova glavna pomanjkljivost je, da zaradi velikosti ne zmorejo nizkih frekvenc. Druga stvar je, da lahko obsevalnik blokira del signala.

Usmerjevalni vzorec

Cassegrainova antena

Cassegrainova antena je zelo podobna običajni parabolični anteni, vendar uporablja sistem dveh reflektorjev za ustvarjanje in fokusiranje radarskega žarka. Glavni reflektor je paraboličen, pomožni reflektor pa hiperboličen. Obsevalnik se nahaja v enem od dveh žarišč hiperbole. Radarska energija oddajnika se odbija od pomožnega reflektorja na glavnega in se fokusira. Energijo, ki se vrača od tarče, zbira glavni reflektor in odbije v obliki žarka, ki se v eni točki steka na pomožnega. Nato se odbije s pomožnim reflektorjem in zbere na točki, kjer je nameščen obsevalec. Večji kot je pomožni reflektor, bližje je lahko glavnemu. Ta oblika zmanjša aksialne dimenzije radarja, vendar poveča senčenje zaslonke. Majhen pomožni reflektor, nasprotno, zmanjša senčenje odprtine, vendar mora biti nameščen stran od glavnega. Prednosti v primerjavi s parabolično anteno: kompaktnost (kljub prisotnosti drugega reflektorja je skupna razdalja med obema reflektorjema manjša od razdalje od dovoda do reflektorja parabolične antene), manjše izgube (sprejemnik lahko postavite blizu do oddajnika hupe), zmanjšane stranske motnje za zemeljske radarje. Glavne pomanjkljivosti: žarek je močneje blokiran (velikost pomožnega reflektorja in dovoda je večja od velikosti dovoda običajne parabolične antene), ne deluje dobro s širokim razponom valov.

Usmerjevalni vzorec

Antena Gregory

Na levi je Gregoryjeva antena, na desni pa Cassegrainova antena

Gregoryjeva parabolična antena je po strukturi zelo podobna anteni Cassegrain. Razlika je v tem, da je pomožni reflektor ukrivljen v nasprotni smeri. Gregoryjeva zasnova lahko uporablja manjši sekundarni reflektor v primerjavi z anteno Cassegrain, zaradi česar je manj žarka blokiranega.

Offset (asimetrična) antena

Kot že ime pove, sta oddajnik in pomožni reflektor (če gre za anteno Gregory) offset antene zamaknjena od središča glavnega reflektorja, da ne blokirata žarka. Ta zasnova se pogosto uporablja na paraboličnih in Gregory antenah za povečanje učinkovitosti.

Cassegrainova antena z ravno fazno ploščo

Druga oblika, zasnovana za boj proti blokiranju žarka s pomožnim reflektorjem, je ravna plošča Cassegrainova antena. Deluje ob upoštevanju polarizacije valov. Elektromagnetno valovanje ima 2 komponenti, magnetno in električno, ki sta vedno pravokotni druga na drugo in smer gibanja. Polarizacija valovanja je določena z usmerjenostjo električnega polja, lahko je linearna (navpično/vodoravno) ali krožna (krožna ali eliptična, zasukana v smeri ali nasprotni smeri urnega kazalca). Zanimiva stvar pri polarizaciji je polarizator ali postopek filtriranja valov, pri čemer ostanejo samo valovi, polarizirani v eno smer ali ravnino. Običajno je polarizator izdelan iz materiala z vzporedno razporeditvijo atomov ali pa je lahko mreža vzporednih žic, katerih razdalja je manjša od valovne dolžine. Pogosto se domneva, da mora biti razdalja približno polovica valovne dolžine.

Pogosta napačna predstava je, da elektromagnetno valovanje in polarizator delujeta na podoben način kot nihajni kabel in deskasta ograja – to pomeni, da mora na primer vodoravno polarizirano valovanje blokirati zaslon z navpičnimi režami.

Pravzaprav se elektromagnetni valovi obnašajo drugače kot mehanski valovi. Mreža vzporednih vodoravnih žic popolnoma blokira in odbija vodoravno polariziran radijski val ter oddaja navpično polariziranega - in obratno. Razlog je naslednji: ko je električno polje ali val vzporeden z žico, vzbuja elektrone po dolžini žice, in ker je dolžina žice večkrat večja od njene debeline, se lahko elektroni zlahka premikajo in absorbirajo večino energije valovanja. Gibanje elektronov bo povzročilo pojav toka, tok pa bo ustvaril lastne valove. Ti valovi bodo izničili prenosne valove in se obnašali kot odbiti valovi. Po drugi strani pa, ko je električno polje valov pravokotno na žice, bo vzbujalo elektrone po širini žice. Ker se elektroni na ta način ne bodo mogli aktivno premikati, se bo odbilo zelo malo energije.

Pomembno je omeniti, da čeprav imajo na večini ilustracij radijski valovi samo 1 magnetno polje in 1 električno polje, to ne pomeni, da nihajo strogo v isti ravnini. Pravzaprav si lahko predstavljamo, da sta električna in magnetna polja sestavljena iz več podpolj, ki se vektorsko seštevajo. Na primer, za navpično polariziran val iz dveh podpolj je rezultat seštevanja njunih vektorjev navpičen. Ko sta dve podpolji v fazi, bo nastalo električno polje vedno stacionarno v isti ravnini. Če pa je eno od podpolj počasnejše od drugega, se bo nastalo polje začelo vrteti okoli smeri, v katero se premika val (to se pogosto imenuje eliptična polarizacija). Če je eno podpolje počasnejše od ostalih za točno četrtino valovne dolžine (faza se razlikuje za 90 stopinj), potem dobimo krožno polarizacijo:

Za pretvorbo linearne polarizacije valovanja v krožno polarizacijo in nazaj je potrebno eno od podpolj upočasniti glede na druga za točno četrtino valovne dolžine. Za to se najpogosteje uporablja rešetka (četrtvalovna fazna plošča) vzporednih žic z razdaljo med njimi 1/4 valovne dolžine, ki se nahaja pod kotom 45 stopinj glede na vodoravno.
Pri valovanju, ki gre skozi napravo, se linearna polarizacija spremeni v krožno, krožna pa v linearno.

Cassegrainova antena z ravno fazno ploščo, ki deluje na tem principu, je sestavljena iz dveh enako velikih reflektorjev. Pomožna naprava odbija le horizontalno polarizirane valove in oddaja vertikalno polarizirane valove. Glavni odseva vse valove. Pomožna reflektorska plošča se nahaja pred glavno. Sestavljen je iz dveh delov - plošče z režami, ki potekajo pod kotom 45°, in plošče z vodoravnimi režami, širokimi manj kot 1/4 valovne dolžine.

Recimo, da vir prenaša val s krožno polarizacijo v nasprotni smeri urinega kazalca. Val prehaja skozi četrtvalovno ploščo in postane vodoravno polariziran val. Odbija se od vodoravnih žic. Ponovno prehaja skozi četrtvalovno ploščo na drugi strani in zanjo so žice plošče že zrcalno usmerjene, to je kot zasukane za 90°. Prejšnja sprememba polarizacije se obrne, tako da val ponovno postane krožno polariziran v nasprotni smeri urnega kazalca in potuje nazaj do glavnega reflektorja. Reflektor spremeni polarizacijo iz nasprotne smeri urinega kazalca v smer urinega kazalca. Brez upora prehaja skozi vodoravne reže pomožnega reflektorja in odhaja v smeri tarč, vertikalno polariziran. V načinu prejemanja se zgodi nasprotno.

Režna antena

Čeprav imajo opisane antene glede na velikost odprtine dokaj veliko ojačenje, imajo vse skupne slabosti: visoko občutljivost na bočne režnje (občutljivost za moteče odboje od zemeljskega površja in občutljivost na tarče z nizko efektivno površino sipanja), zmanjšan izkoristek zaradi blokiranje snopa (majhni radarji, ki se lahko uporabljajo na letalih, imajo problem z blokiranjem; veliki radarji, kjer je problem z blokiranjem manjši, se ne morejo uporabljati v zraku). Posledično je bila izumljena nova zasnova antene - režna antena. Izdelan je v obliki kovinske površine, običajno ravne, v kateri so izrezane luknje ali reže. Ko je obsevana z želeno frekvenco, se iz vsake reže oddajajo elektromagnetni valovi - to pomeni, da reže delujejo kot posamezne antene in tvorijo niz. Ker je žarek, ki prihaja iz vsake reže, šibek, so tudi njihovi stranski režnji zelo majhni. Za antene z režami je značilno visoko ojačenje, majhni stranski režnji in majhna teža. Morda nimajo štrlečih delov, kar je v nekaterih primerih njihova pomembna prednost (na primer pri namestitvi na letalo).

Usmerjevalni vzorec

Pasivni fazni antenski niz (PFAR)

Radar z MIG-31

Od zgodnjih dni razvoja radarjev je razvijalce pestila ena težava: ravnovesje med natančnostjo, dosegom in časom skeniranja radarja. Nastane, ker radarji z ožjo širino žarka povečajo natančnost (večjo ločljivost) in doseg pri enaki moči (koncentracija moči). Toda manjša kot je širina žarka, dlje radar skenira celotno vidno polje. Poleg tega bo radar z visokim ojačenjem zahteval večje antene, kar je neprijetno za hitro skeniranje. Za doseganje praktične natančnosti pri nizkih frekvencah bi radar potreboval tako velike antene, da bi jih bilo mehansko težko vrteti. Za rešitev tega problema je bila ustvarjena pasivna fazna antena. Ne temelji na mehaniki, ampak na interferenci valov za nadzor žarka. Če dva ali več valov iste vrste niha in se srečata na eni točki v vesolju, se skupna amplituda valov sešteva približno tako, kot se seštevajo valovi na vodi. Odvisno od faz teh valov jih lahko interferenca okrepi ali oslabi.

Žarek je mogoče oblikovati in krmiliti elektronsko z nadzorom fazne razlike skupine oddajnih elementov – s čimer nadzorujete, kje pride do motenj ojačenja ali slabljenja. Iz tega sledi, da mora imeti letalski radar vsaj dva oddajna elementa za krmiljenje žarka od strani do strani.

Običajno je radar PFAR sestavljen iz 1 napajalnika, enega LNA (nizkošumni ojačevalnik), enega razdelilnika moči, 1000–2000 oddajnih elementov in enakega števila faznih prestavnikov.

Oddajni elementi so lahko izotropne ali usmerjene antene. Nekaj ​​tipičnih tipov prenosnih elementov:

Na prvih generacijah bojnih letal so bile največkrat uporabljene patch antene (trakaste antene), ker jih je bilo najlažje razviti.

Sodobni aktivni fazni nizi uporabljajo utorne oddajnike zaradi svojih širokopasovnih zmogljivosti in izboljšanega ojačanja:

Ne glede na vrsto uporabljene antene povečanje števila sevalnih elementov izboljša karakteristike usmerjenosti radarja.

Kot vemo, za enako radarsko frekvenco povečanje zaslonke vodi do zmanjšanja širine žarka, kar poveča domet in natančnost. Toda za fazne nize ni vredno povečati razdalje med oddajnimi elementi, da bi povečali zaslonko in zmanjšali stroške radarja. Kajti če je razdalja med elementi večja od delovne frekvence, se lahko pojavijo stranski režnji, ki znatno poslabšajo delovanje radarja.

Najpomembnejši in najdražji del PFAR so fazni prestavljalci. Brez njih je nemogoče nadzorovati fazo signala in smer žarka.

Na voljo so v različnih vrstah, na splošno pa jih lahko razdelimo na štiri vrste.

Fazni prestavljalniki s časovnim zamikom

Najenostavnejša vrsta faznih prestavnikov. Potreben je čas, da signal potuje po prenosnem vodu. Ta zakasnitev, enaka faznemu zamiku signala, je odvisna od dolžine prenosnega voda, frekvence signala in fazne hitrosti signala v oddajnem materialu. S preklapljanjem signala med dvema ali več prenosnimi linijami določene dolžine je mogoče nadzorovati fazni zamik. Stikalni elementi so mehanski releji, pin diode, poljski tranzistorji ali mikroelektromehanski sistemi. Pin diode se pogosto uporabljajo zaradi svoje visoke hitrosti, nizke izgube in preprostih prednapetostnih vezij, ki zagotavljajo spremembe upora od 10 kΩ do 1 Ω.

Zakasnitev, s = fazni zamik ° / (360 * frekvenca, Hz)

Njihova pomanjkljivost je, da se fazna napaka povečuje z naraščajočo frekvenco in povečuje velikost z padajočo frekvenco. Tudi fazna sprememba se spreminja s frekvenco, zato niso uporabne za zelo nizke in visoke frekvence.

Reflektivni/kvadraturni fazni premik

Običajno je to kvadraturna spojna naprava, ki razdeli vhodni signal na dva signala, ki sta za 90° zamaknjena od faze, ki se nato odbijeta. Nato se na izhodu združijo v fazi. To vezje deluje, ker so lahko odboji signala od prevodnih linij v nefazi glede na vpadni signal. Fazni zamik se spreminja od 0° (odprto vezje, ničelna kapacitivnost varaktorja) do -180° (kratek stik, neskončna kapacitivnost varaktorja). Takšni fazni prestavljalci imajo široko območje delovanja. Vendar fizikalne omejitve varaktorjev pomenijo, da lahko fazni zamik v praksi doseže le 160°. Toda za večji premik je možno kombinirati več takih verig.

Vektorski IQ modulator

Enako kot odsevni fazni premik je tudi tukaj signal razdeljen na dva izhoda s faznim zamikom za 90 stopinj. Nepristranska vhodna faza se imenuje I-kanal, kvadratura z 90-stopinjskim odmikom pa Q-kanal. Vsak signal se nato prenese skozi bifazni modulator, ki lahko spremeni fazo signala. Vsak signal je fazno zamaknjen za 0° ali 180°, kar omogoča izbiro katerega koli para kvadraturnih vektorjev. Oba signala se nato ponovno združita. Ker je mogoče nadzorovati slabljenje obeh signalov, se ne krmili le faza, ampak tudi amplituda izhodnega signala.

Fazni zamik na visoko/nizkoprepustnih filtrih

Izdelan je bil za rešitev problema faznih prestavnikov s časovnim zamikom, ki ne morejo delovati v širokem frekvenčnem območju. Deluje tako, da preklaplja signalno pot med visokoprepustnimi in nizkoprepustnimi filtri. Podobno kot fazni premik s časovnim zamikom, vendar uporablja filtre namesto prenosnih vodov. Visokofresovni filter je sestavljen iz serije induktorjev in kondenzatorjev, ki zagotavljajo fazno napredovanje. Takšen fazni premik zagotavlja stalen fazni premik v delovnem frekvenčnem območju. Prav tako je veliko manjši od prejšnjih naštetih faznih prestavljalcev, zato se najpogosteje uporablja v radarskih aplikacijah.

Če povzamemo, bodo glavne prednosti PFAR v primerjavi z običajno odbojno anteno: visoka hitrost skeniranja (povečanje števila sledenih ciljev, zmanjšanje verjetnosti, da postaja zazna opozorilo o sevanju), optimizacija časa, porabljenega za cilj, visoko ojačanje in majhni stranski režnji (težko jih je motiti in zaznati), naključno zaporedje skeniranja (težje motiti), zmožnost uporabe posebnih modulacijskih in detekcijskih tehnik za pridobivanje signala iz šuma. Glavne pomanjkljivosti so visoki stroški, nezmožnost skeniranja širšega od 60 stopinj v širino (vidno polje stacionarnega faznega niza je 120 stopinj, mehanski radar ga lahko razširi na 360).

Aktivni fazni antenski niz

Zunaj je AFAR (AESA) in PFAR (PESA) težko razlikovati, znotraj pa sta si radikalno različna. PFAR uporablja enega ali dva visokozmogljiva ojačevalnika za prenos enega samega signala, ki se nato razdeli na tisoče poti za tisoče faznih prestavnikov in elementov. Radar AFAR je sestavljen iz več tisoč sprejemnih/oddajnih modulov. Ker se oddajniki nahajajo neposredno v samih elementih, nima ločenega sprejemnika in oddajnika. Razlike v arhitekturi so prikazane na sliki.

V AFAR je večina komponent, kot so ojačevalnik šibkega signala, ojačevalnik visoke moči, duplekser in fazni premik, zmanjšane velikosti in sestavljene v enem ohišju, imenovanem oddajno/sprejemni modul. Vsak od modulov je majhen radar. Njihova arhitektura je naslednja:

Čeprav AESA in PESA uporabljata motnje valov za oblikovanje in odklon žarka, edinstvena zasnova AESA zagotavlja veliko prednosti pred PFAR. Na primer, majhen ojačevalnik signala je nameščen blizu sprejemnika, pred komponentami, kjer se del signala izgubi, zato ima boljše razmerje med signalom in šumom kot PFAR.

Poleg tega ima AFAR z enakimi zmogljivostmi zaznavanja nižji delovni cikel in konično moč. Ker se posamezni moduli APAA ne zanašajo na en sam ojačevalnik, lahko oddajajo signale na različnih frekvencah hkrati. Posledično lahko AFAR ustvari več ločenih žarkov in razdeli niz na podnize. Zmožnost delovanja na več frekvencah prinaša večopravilnost in možnost namestitve elektronskih sistemov za motenje kjer koli glede na radar. Toda oblikovanje preveč hkratnih žarkov zmanjša domet radarja.

Dve glavni pomanjkljivosti AFAR sta visoka cena in omejeno vidno polje na 60 stopinj.

Hibridni elektronsko-mehanski fazni antenski nizi

Zelo visoka hitrost skeniranja faznega niza je združena z omejenim vidnim poljem. Da bi rešili ta problem, sodobni radarji postavijo fazne nize na premični disk, kar poveča vidno polje. Ne zamenjujte vidnega polja s širino žarka. Širina žarka se nanaša na radarski žarek, vidno polje pa na celotno velikost območja, ki ga skenirate. Za izboljšanje natančnosti in dosega so pogosto potrebni ozki žarki, vendar ozko vidno polje običajno ni potrebno.

Oznake: dodajte oznake

nastane kratkostični četrtvalovni odsek dvožilnega voda. Ker ima visoko vhodno upornost, ne dovoljuje, da bi se tokovi odcepili na zunanjo lupino podajalnika. Ker je upor med točkama "a" in "b" velik, so kraki vibratorja na frekvenci sevanja kljub galvanski povezavi med njimi električno izolirani. Robovi rež so običajno razširjeni, da se zagotovi ujemanje valovne impedance podajalnika z vhodno impedanco vibratorja.

			λ /2					U-komolec (slika 3.20). to
								ukrivljen	koaksialni podajalnik
								dolžina λ /2,	notranjemu pro-
								katerih voda je priključena
								ramena z vibratorjem. Zunanji
								napajalni pladenj za hranjenje plečk ni
								uporabljen in ozemljen. na-
								napetosti in tokovi v točkah "a" in
			λ /2					"b" sta enaki velikosti in nasprotni
								so v nasprotni fazi, kot je potrebno
								na voljo za simetrično
napajanje iz zraka. Razen							simetrija		U-koleno zmanjša

Vhodna impedanca vibratorja je 4-kratna. V zvezi s tem je priročno uporabiti za napajanje zanke vibratorja Pistelkors, katerega vhodna impedanca je 300 Ohmov, s standardnim podajalnikom z ρ f = 75 Ohmov.

3. 2. Antene z režami

3.2.1. Vrste režnih anten. Značilnosti njihove zasnove

Antena z režo je ozka reža, vrezana v kovinsko površino zaslona, ​​lupine resonatorja ali valovoda. Širina reže d<<λ , длина обычно близка к половине волны. Щели прорезаются так, чтобы они пересекали линии поверхностного тока, текущего по внутренней стенке волновода или резонатора (рис. 3.21). Возможны различные положения щелей (см. рис. 3.21): поперечная (1), продольная (2), наклонная (3), и разнообразные их формы: прямолинейные, уголковые, гантельные, крестообразные (рис. 3.22).

Visokofrekvenčni površinski tok, ki prečka režo, inducira izmenične naboje (napetost) vzdolž njenih robov in na hrbtni (zunanji) strani

Tokovi se ne vzbujajo na površini. Električno polje v reži in tokovi na površini so viri sevanja in oblike v prostoru

		elektromagnetno polje.
			Najenostavnejši
		so
		različne velikosti z režo,
		režo za resonator
		in valovodno režo
			Vzbujanje
		polvalovne reže v ex-
			izvedeno v
		meter		obseg
		z uporabo simetričnega
		dvožilni vod in

in v decimetru - z uporabo koaksialnega prenosnega voda. V tem primeru je zunanji vodnik povezan z enim robom reže, notranji vodnik pa z drugim. Za ujemanje prenosnega voda z anteno je točka napajanja premaknjena od sredine reže do njenega roba. Takšna antena lahko seva v obe polobli. V centimetrskem območju in sosednjem delu decimetrskega območja se uporabljajo resonatorske in valovodno-režne antene (glej sliko 3.21, 3.22). V koaksialnih valovodih so vzbujene samo prečne ali nagnjene reže; v pravokotnih valovodih so možne različne možnosti postavitve rež (glej sliko 3.21).

Širina reže vpliva na aktivni in reaktivni del vhodnega upora. Obe komponenti se povečata z večanjem širine reže. Zato je za kompenzacijo Xin potrebno zmanjšati dolžino reže (jo skrajšati). Povečanje Rin vodi do razširitve pasovne širine režne antene. Običajno je širina reže d izbrana v območju (0,03...0,15)λ. Za nadaljnjo razširitev pasovne širine se uporabljajo reže za dumbbell in posebne zasnove vznemirljivih naprav.

Na izbiro širine reže poleg razpona vpliva pogoj za zagotavljanje električne trdnosti. Koncentracija električnih nabojev na robovih reže povzroči lokalne prenapetosti in pojav električnega

kjer je E ü max jakost električnega polja na antinodi. Če vzamemo E ü max = E μ (probojna napetost, za suh zrak E μ = 30 kV/m), ugotovimo

d min= U ы max/ E pr.

V praksi izberite d ≥ K rezervni d min, kjer je K rezervni =2…4 koeficient rezerve

Reže bolj zapletenih oblik kot pravokotne se lahko obravnavajo kot kombinacije preprostih. Uporabljajo se za proizvodnjo elektromagnetnih valov z zahtevanimi polarizacijskimi lastnostmi. Na primer, reža v obliki križa vam omogoča, da dobite anteno z eliptično in krožno polarizacijo. Smer vrtenja je odvisna od smeri odmika reže od osi široke stene valovoda.

Režne antene odlikujejo preprosta zasnova, visoka zanesljivost in odsotnost štrlečih delov, kar omogoča njihovo uporabo v letalskih in zemeljskih antenskih sistemih kot samostojne antene, dovode za kompleksne antenske sisteme in elemente antenskih nizov.

3.2.2. Enojna reža. Pistelkorsovo načelo dvojnosti

Razmislimo o značilnostih in parametrih tako imenovane idealne režne antene, tj. ena sama reža, zarezana v popolnoma prevoden ploski zaslon. Izračun polja takšne antene z uporabo enačb elektrodinamike predstavlja precejšnje težave. Močno je poenostavljeno, če uporabimo načelo dvojnosti, ki ga je oblikoval Pistelkors leta 1944. Ta princip temelji na permutacijski dualnosti Maxwellovih enačb, znani iz teorije elektromagnetnega polja. Za vrzel imajo te enačbe obliko:

Če zaslon odstranimo in režo nadomestimo z idealnim ravnim vibratorjem enakih dimenzij kot reža (slika 3.23) in z enako porazdelitvijo toka, kot je porazdelitev napetosti vzdolž reže (enakovreden vibrator, odrezan od zaslona do tvorijo režo), nato pa polje oddaja tudi bu-

bo zadostil Maxwellovim enačbam

rotHr B = iωε 0 EB ,

rotEB = − iωμ 0 H B ,

vendar pod drugimi robnimi pogoji:

namesto zaslona - E τ

≠ 0, H τ = 0 ; na vibratorju - E τ B = 0, H τ B ≠ 0. (3,29)

Če primerjamo robne pogoje reže (3.27) in ekvivalentnega vibratorja (3.29), lahko preverimo, da strukturi električnega polja v bližini reže in magnetnega polja v bližini vibratorja sovpadata. Robne pogoje za ekvivalentni vibrator dobimo iz robnih pogojev za režo s preureditvijo E ↔ H. Ob upoštevanju zgoraj navedenega lahko za celotno polje v celotnem prostoru zapišemo:

E r = C 1 H B , H = C 2 E B ,

kjer sta C 1 in C 2 konstantna koeficienta.

V praksi se običajno uporabljajo polvalovne reže. V tem primeru je ne glede na način vzbujanja amplituda električnega polja v reži največja v središču in se zmanjšuje proti robom, tj. ustreza zakonu porazdelitve toka v polvalovnem vibratorju. Za ozko režo (tanek vibrator) lahko robne pogoje in s tem konstantne koeficiente izrazimo kot

napetost v središču reže U 0 in tok v središču vibratorja I 0 (glej sliko 3.23):

	U 0, H				Od kod prihaja C = 2 U 0.

Potem bo prvi izraz v (3.31) prepisan kot:

E =			H B.

Tako je načelo dvojnosti, ki se uporablja za režne antene, formulirano takole: električno polje režne antene do konstantnega faktorja sovpada z magnetnim poljem dodatnega vibratorja enakih dimenzij kot reža in z enakim porazdelitev amplitude.

To pomeni, da sta EMF reže in enakovrednega vibratorja različna

med seboj samo z vrtenjem ustreznih vektorjev E r ы in E B za 90°,

H r sch in H B .

Z uporabo načela dvojnosti lahko za vzorce sevanja zapišemo:

F u (θ) H = F B (θ) E;

F u(θ) E = F B (θ) H,

kjer F sch (θ ) H , F sch (θ ) E - normalizirane vrzeli DN v ustreznih ravninah H in E

odgovorno; F B (θ ) H , F B (θ ) E so ustrezni normalizirani vzorci polvalovnega vibratorja.

Ko merimo kot θ od normale do ravnine reže, bo sevalni vzorec polvalovne reže zapisan v skladu z enačbo (3.33) v obliki:

	cos(π sinθ )
F y(θ ) H =				F y (θ )E = 1.y				zaslonski ukrepi obstajajo
					obrazec DN in njihove pod-
					popraviti
					letala.

Upornost reže, kot tudi vibratorja, je kompleksna in odvisna od njegovih dimenzij (dolžine 2l in širine d). Vrednosti Rw in X w in so izračunane za različne vrednosti l / λ in so podane v obliki grafov v referenčni in izobraževalni literaturi. Reaktivna komponenta vrzeli je po naravi kapacitivna. Razmik pa je mogoče prilagoditi tudi s skrajšanjem. Količina skrajšanja se izračuna po formuli:

							ln(2λ π d )

Kot izhaja iz (3.35), se širše reže skrajšajo za večjo količino.

Vhodni upor reže je povezan z vhodnim uporom vibratorja, ki ga dopolnjuje. Bolj priročno je to razmerje izraziti v smislu prevodnosti kompleksne vhodne vrzeli:

Z inv

(60π )2

Tako je vhodna prevodnost reže določena z izrazom

(60π )2

kjer je ρ A = 120 ln

− 0,577

Valovna impedanca reže.

π d

Kompleksna vhodna prevodnost polvalovne reže

v superkritičnem načinu, ko se širijo med vzporednimi kovinskimi ploščami, je mogoče določiti razdaljo med štrlinami; d 0 (slika 5.12), njihova dolžina je 1 (/in debelina - \ - ., \ ^

Na sl. 5.13 in 5.14 prikazujeta primere zasnove neresonančne valovodne reže

antene z nagnjenimi režami na ozki steni valovoda, ko je antena napajana s pravokotnim valovodom (slika 5.13) in z vzdolžnimi režami na široki steni, če je napajana s koaksialnim kablom (slika 5.14).

Primer zasnove valovodne režne antene z elektromehanskim nihanjem žarka (z odstranljivo zgornjo steno reže) je prikazan na sl. 5.15. Na isti sliki je prikazan namen posameznih elementov antene.

Na sl. 5.1-6a prikazuje eno od variant dvodimenzionalne valovodno-režne antene [L 11], sestavljeno iz osmih vzporednih aluminijastih valovodov, v vsakem od katerih je vrezanih deset dumbbell rež. Reže Dumbbell imajo večjo pasovno širino kot običajne pravokotne reže [LO 9]. Posebnost antene je, da se sodi in lihi valovod napajata z različnih strani s pomočjo delilnikov moči in se celotna odprtina uporabi za oblikovanje štirih žarkov, katerih prostorska razporeditev je prikazana s pikčasto črto na sl. 5.16.6 Takšne antene se uporabljajo na primer * v Dopplerjevih avtonomnih navigacijskih napravah letal, namenjenih določanju hitrosti in kota zanašanja letala.

Niz več linearnih * valovodno-režnih anten, nameščenih vzdolž generatric stožčastega dela letala (slika 5.17) / se lahko uporabi za oblikovanje zahtevane oblike sevalnega vzorca [LO 7].

Za zaščito pred atmosferskimi padavinami in prahom mora biti odprtina valovodno-režne antene prekrita z dielektrično ploščo ali pa je treba celoten sevalni sistem namestiti v radiotransparentni kupol /у.-"-; ;7 ";;>■-■

5.9. Približni postopek za izračun valovodne reže

Pri razvoju ali oblikovanju režnih anten so lahko začetni podatki:

Širina vzorca v dveh glavnih ravninah ali v eni

20q 5 in nivo stranskega režnja;

Smerni koeficient £) 0 ;

Amplituda: ali amplitudno-fazna porazdelitev po anteni in število oddajnikov N; Frekvenčni razpon

Oglejmo si postopek izračuna za naslednji dve možnosti:

Možnost 1. Določena je porazdelitev amplitude po odprtini antene in število oddajnikov N.

Možnost 2. Določena je širina vzorca sevanja v eni ali dveh glavnih ravninah in raven stranskega sevanja.

Najprej se izbere vrsta valovodno-režne antene. Če je določen kotni položaj glavnega maksimalnega DN 0 GL in mora antena zagotavljati delovanje v frekvenčnem pasu, se izbere neresonančna antena Če je po konstrukcijskih navodilih antena ozkopasovna, mora imeti visoka vrednost učinkovitosti, je zaželena resonančna antena.

Možnost 1. Za dani zakon spreminjanja amplitude glede na odprtino antene se najprej določi razdalja med sevalci d v valovodu danega frekvenčnega območja, izbranega za konstrukcijo antene: V resonančni anteni z režami s spremenljivo fazo V neresonančne antene, lahko vrednost d izberete na dva načina. Če je podan položaj glavnega maksimuma vzorca v prostoru 6 št., se zahtevana vrednost rf najde s formulo (5.26). Če kotni kot ni naveden, je razdalja med oddajniki izbrana d^\"k B /2 in poleg tega tako, da pri skrajnih frekvencah danega območja ni resonančnega vzbujanja antene [formula (5.22 )]: Nato se izračun izvede v naslednjem vrstnem redu.

Ts Ob upoštevanju splošnega ekvivalentnega vezja antene (glej sliko 5.8.6) se izračunajo ekvivalentne normalizirane prevodnosti g n (ali upornost g n) vseh N rež antene (glej § 5.4).

2. Poznavanje vrednosti gv ali g p / po: tabeli s formulami. 5.1 (§ 5.2) določite premik središča rež glede na sredino široke stene valovoda ali kot njihovega naklona 6 v stranski steni.

P 3. Po izračunu prevodnosti sevanja reže v valovodu (tj. zunanje prevodnosti), f iz znane vrednosti moči na vhodu, (v primeru oddajne antene) določite napetost na antinodi reže U m [formula (5.3)] in s tem širino reže di [formula (5.4)].

4. Glede na znano lokacijo rež na steni valovoda in njihovo širino, glede na podatke v § 5.2, poiščite resonančno dolžino rež v valovodu.

5. Izračunajte vzorec antene (glejte § 5.7) ^ njen k.n. d. in k.u.

Možnost 2. Najprej poiščite razdaljo med oddajniki, podobno prvi možnosti izračuna. Nato se izbere porazdelitev amplitude po anteni, ki zagotavlja

10* 147 začetni vzorec z dano stopnjo stranskih rež. Nato se z uporabo zdaj znane porazdelitve amplitude najde dolžina antene (in s tem število oddajnikov), ki zagotavlja zahtevano širino vzorca na ravni 0,5 moči (formule v tabeli 5.2 § 5.7). Nadaljnji izračun sovpada z odstavki. 1-5 prejšnje možnosti izračuna.

Poleg električnega izračuna same antene se izračunata napajalni vod in vzbujevalnik, izbere zahtevana vrsta rotacijskega spoja, ko to zahteva projektna specifikacija, in določijo njegove glavne značilnosti.

Literatura

G. Kyu n PV mikrovalovne antene. TTur. Z; nemški uredil M. P. Dolukhanova. Založba "Ladjedelništvo", 1967.

"2. Pietol'kor z A.A. Splošna teorija difrakcijskih anten. ZhTP, 1944, letnik XIV, št. 12, ZhTF, 1946, zvezek XVI, (Nb 1.

3. "Priročnik za načrtovanje tečajev anten." VZEIS, 1967.

4. Yatsuk L.P., Smirnova N.! B. Notranje prevodnosti neresonančnih rež v pravokotnem valovodu. "Novice univerz", Radiotehnika, 1967, letnik X, 4.

"5. Veshch"Nikova I.E., Evetroiyov G.A. Teorija usklajenih oddajnikov rež. "Radijska tehnika in elektronika", 1965, letnik X, št

6. E v s t r. o i o in G. A., Ts a r a p k i n S. A. Študija valovodno-režnih anten: z enakimi resonančnimi oddajniki. "Radijska tehnika in elektronika", 1965, letnik X, št.

7. Evstropov G.A., Tsarailkin S. “A: Izračun anten z dnom valov ob upoštevanju interakcije oddajnikov vzdolž osnovnega vala. “Radijska tehnika in elektronika”, 1966, letnik XI, št.

8. Shubarin Yu V. Antene ultravisokih frekvenc. Harkovska univerzitetna založba, 1960.

9. "Mikrovalovni skenirajoči antenski sistemi", vol. I. Prev. iz angleščine, ur. G. T. Markov in A. F. Chaplin. Založba "Sovjetski radio", 1966.

10. Shyrman Ya. D. Radijska vlakna in volumetrični resonatorji. Svyazizdat, 1959.

11. Reznikov G. B. Letalske antene. Založba "Sovjetski radio", 1962.

ROGOVE ANTENE

6.1. Glavne značilnosti rogovnih anten

Antene z valovnim rogom so najpreprostejše antene v območju centimetrskih valov.

Lahko tvorijo sevalne vzorce s širino od 100-140° (pri odprtju posebne oblike) do 10-520° v piramidnih rogovih. Možnost nadaljnjega zoženja vzorca rogov je omejena s potrebo po močnem povečanju njegove dolžine.

Antene z valovodnimi rogi so širokopasovne naprave in zagotavljajo približno en in pol obsega pokritosti. Možnost spreminjanja delovne frekvence v še večjih mejah je omejena z vzbujanjem in širjenjem višjih tipov valov v dovodnih valovodih. Učinkovitost hupe je visoka (približno 100%). Rogove antene je enostavno izdelati. Relativno majhen zaplet (vključitev faznega odseka v valovodno pot) zagotavlja ustvarjanje polja s krožno polarizacijo.

Slabosti rogovih anten so: a) zajetno oblikovanje, ki omejuje možnost pridobivanja ozkih vzorcev sevanja; b) težave pri uravnavanju amplitudno-fazne porazdelitve polja v zaslonki, ki omejujejo možnost zmanjšanja ravni stranskih rež in ustvarjanja vzorcev sevanja posebne oblike.

Horn radiatorji se lahko uporabljajo kot samostojne antene ali, kot odprti konci valovodov, kot elementi bolj zapletenih antenskih naprav. Kot samostojne antene se hupe uporabljajo v radijskih relejnih linijah, v meteoroloških postajah, zelo široko v radijski merilni opremi, pa tudi v nekaterih postajah za posebne namene. Široko - uporabljajo se majhni rogovi. in odprti konci valovodov kot viri

parabolična zrcala in leče. Napajalnike v obliki linij rogov ali odprtih koncev valovodov je mogoče uporabiti za oblikovanje posebno oblikovanih vzorcev sevanja, kontroliranih vzorcev ali na primer z uporabo istega paraboloida za ustvarjanje vzorcev sevanja svinčnika in kosekansa. Oddajnik s štirimi ali osmimi rogi se lahko uporablja za: Monopulzno metodo iskanja smeri. Za isti namen se lahko uporabljajo sektorske hupe z višjimi toni. : vrste valov (#yu, Nsch #zo). Za oblikovanje ozkih vzorcev sevanja je mogoče uporabiti dvodimenzionalne nize, narejene iz odprtih koncev valovodov ali majhnih rogov. Možno je izdelati ravne ali konveksne fazne nize.

Odstavki 6.2-6.9 so namenjeni obravnavi metod. izračun oddajnikov rogov. Odstavki 6.10–6.12 opisujejo nekatere značilnosti zasnove faznih nizov valovodnih rogov.

6.2. Metoda izračuna

Izračun rogovnih anten temelji na rezultatih njihove analize, torej so na začetku okvirno določene; " geometrijske dimenzije antene in nato določite njene električne parametre. Če so dimenzije neuspešne, se izračun znova ponovi.

Polje sevanja rogovne antene; kot vse mikrovalovne antene, se določi s približno metodo. Bistvo pristopa; je, da kljub povezavi med poljem znotraj in zunaj roga notranji problem rešuje zunanji in pridobljen iz. to

reševanje vrednosti polja v ravnini odprtine hupa se uporablja za rešitev zunanjega problema [DO 1, LO 13].

Predpostavlja se, da je amplitudna porazdelitev polja v odprtini hupe enaka kot v valovodu, ki ga napaja. Na primer,. ko je vzbujen.;, rog s pravokotnim VALOVODOM Z valom #10, vzdolž osi X (prehaja skozi ravnino H) je porazdelitev amplitude polja kosinusna, vzdolž osi Y (prehaja skozi ravnino E) pa amplituda porazdelitev je enakomerna. Ker valovna fronta v rogu ne ostane ravna, ampak se pri sektorskem rogu preoblikuje v valjasto, pri piramidnem in stožčastem pa v sferično, se faza polja vzdolž odprtine spreminja glede na kvadratni zakon.

Opisane amplitudne in fazne porazdelitve polja vzdolž odprtine so približne. Nekaj ​​pojasnil je zagotovljeno z upoštevanjem odboja od odprtine vsaj samo glavne vrste valov. Upoštevati je treba, da koeficient refleksije G pada z večjo zaslonko.

Sevalni vzorec antene roga na podlagi znanega polja v odprtini se lahko izračuna z metodo valovne optike, ki temelji na Huygensovem principu in Kirchhoffovi formuli [LO 13, JIO 11, J10 1]. Uporaba Kirchhoffove formule za elektromagnetno polje ni stroga. Številni avtorji so podali pojasnila, ki upoštevajo značilnosti elektromagnetnega polja antene. Zaradi tega je v literaturi za izračun sevalnega vzorca več različnih, a podobnih formul, ki dajejo podobne rezultate. Formule za izračun bodo navedene spodaj v § 6.5. Z izrazom za vzorec sevanja je mogoče najti koeficient smeri antene, odvisnost širine vzorca sevanja od velikosti odprtine in druge značilnosti antene.

6.3. Izbira geometrijskih dimenzij hupe in valovodnega oddajnika

Horn antena (slika 6.1) je sestavljena iz roga I, valovoda in vznemirljive naprave 3

Če ima generator, ki napaja anteno * koaksialni izhod, se valovod antene 2 najpogosteje vzbuja s čepom, ki se nahaja pravokotno na široko steno valovoda j; vzbujanje se na zatič dovaja s koaksialnim kablom. Če ima generator, ki napaja anteno, valovodni izhod, potem je napajalna pot običajno izdelana v obliki pravokotnega valovoda z valom H 10. Napajalnik valovoda neposredno prehaja v valovod 2 in vzbuja hupo. Izračun vzbujalne naprave v obliki; asimetrični zatič bo podan v naslednjem odstavku.

Izbira velikosti valovoda

Izbira dimenzij prečnega prereza pravokotnega valovoda a in b je narejena iz pogoja širjenja samo glavne vrste valov #у v valovodu:

Razmerje (6.1) je predstavljeno v grafu na sl. 6.2, ki ga lahko uporabimo za iskanje dimenzij a. Dimenzija b mora izpolnjevati pogoj b

Predstavimo nekaj premislekov za izračun prenosa sonde (glej sliko 6.3).

Vhodna impedanca zatiča v valovodu, kot tudi asimetričnega vibratorja v prostem prostoru, je v splošnem primeru kompleksna količina. Aktivni del vhodnega upora je odvisen: predvsem od dolžine zatiča, reaktivni del - od dolžine in debeline. V nasprotju s prostim prostorom je vhodna impedanca zatiča v valovodu odvisna od strukture polja v valovodu blizu zatiča.

Izračun; reaktivna komponenta vhodnega upora daje netočne rezultate in ni smiselna. Za zagotovitev ujemanja mora biti reaktivna komponenta vhodnega upora enaka nič. Aktivna komponenta vhodnega upora se lahko šteje za enako uporu sevalnega zatiča v valovodu. bodi enak!

Odpornost na sevanje čepa v pravokotnem valovodu v načinu potujočega vala je določena z naslednjim razmerjem:

Če je v pravokotnem valovanju odbit val; valovodu se upor nožice nekoliko spremeni: -

valovna impedanca podajalnika.

reaktivni deli prevodnosti desno in levo od zatiča, in sicer:

V danih formulah so sprejete naslednje oznake: a in bSh sta dimenziji prečnega prereza valovoda; X\ - položaj zatiča na široki steni valovoda, pogosteje; Skupaj se zatič nahaja na sredini široke stene, tj. Xi = a/2; Zi.-- razdalja od čepa do kratkostične stene valovoda; dsh je razdalja od nožice do najbližjega napetostnega vozlišča; k.b. V. - koeficient potujočega vala v valovodu; X^f je valovna dolžina v valovodu; r in -4 valovodna impedanca

/g d - efektivna višina zatiča v valu

voda, katere geometrijska višina je /, je določena s formulo

Glede na vrednosti x\ in z uporabo formul (6.18), (6.19) in (6.21) lahko najdemo višino zatiča /, pri kateri je zahtevana /? V x.

Za popolno usklajenost morajo modeli predvideti dva prilagoditvena elementa. Na primer, lahko prilagodite višino zatiča / in položaj stene kratkega stika v valovodu U (glej sliko 6.3) ali dimenziji k in S (glejte sliko 6.4,6). V nekaterih primerih so za poenostavitev zasnove omejeni na enega; nastavitev in dovolite nekaj* neusklajenosti v napajalnem koaksialnem.

6.5. Izračun odbojnega koeficienta

Odboj v anteni roga se pojavi v dveh delih: v odprtini roga (1\) in v njenem vratu (G 2).

Na kratko razmislimo o vsakem od refleksijskih koeficientov. Koeficient odboja od zaslonke T\ je kompleksna vrednost; njen modul in faza sta odvisna od velikosti odprtine. Stroga rešitev problema za odprt konec valovoda, stisnjenega med dve neskončni ravnini, ki jo je izvedel L. A. Weinstein; nam omogoča, da ugotovimo, da se modul odbojnega koeficienta zmanjšuje z naraščajočo velikostjo odprtine, faza pa se približuje ničli.

Približno modul koeficienta odboja od odprtine za glavno vrsto valov lahko določimo iz razmerja

Konstanta širjenja v pravokotnem valovodu, katerega presek je enak odprtini roga;/" d*// r: . ? \ ^

Konstanta širjenja v krožnem valovodu, katerega premer je enak premeru odprtine stožčastega roga.

Odbojni koeficient vzdolž dolžine roga od odprtine do vratu se ne spreminja samo v fazi, ampak tudi v amplitudi. Z odprtinami različnih dolžin

Eksperimentalno izmerjen odbojni koeficient fi od odprtega konca pravokotnega valovoda (23X10) mm 2 pri valovni dolžini 3,2 cm je enak

Upoštevajmo koeficient odboja od grla hupe G2.

Pri določanju koeficienta G2 se predpostavlja, da

v rogu se je vzpostavil potujoči val. Problem je rešen z združevanjem polj >na stičišču valovoda

Izbira velikosti rogov

Mere odprtine piramidnega ali sektorskega roga a p in b p (glej sliko 6.1) se izberejo glede na zahtevano širino sevalnega vzorca v ustrezni ravnini ali glede na k.n. d.

Širina sevalnega vzorca je povezana z dimenzijama odprtine a v in b v z naslednjimi razmerji:

Teoretični del

1. Namen in značilnosti valovodnih režnih anten

Antena z valovodno režo (WSA) spada v razred linearnih (ploskih) večelementnih anten. Sevalni elementi takšnih anten so reže, vrezane v stene valovodov, votlih resonatorjev ali kovinskih podstavkov trakastih vodov. V praksi se uporablja VSCHA z usmerjenim vzorcem (DP), fiksiranim v prostoru, ter VSCHA z mehanskim, elektromehanskim in električnim skeniranjem.

Prednosti VSCHA vključujejo:

Odsotnost štrlečih delov, kar omogoča, da se njihova sevalna površina kombinira z zunanjo površino trupa letala, ne da bi pri tem povzročila dodaten aerodinamični upor;

Razmeroma preprosta vznemirljiva naprava in enostavna za upravljanje.

Glavna pomanjkljivost VSCHA je omejen obseg lastnosti. Ko se frekvenca spremeni v VSC brez skeniranja, žarek odstopa od določenega položaja v prostoru, kar spremlja sprememba širine vzorca in kršitev koordinacije antene z dovodom.

2. Osnovni parametri reže v valovodu

Reža, vrezana v valovod, bo vzbujena, če njena široka stran prečka tokove, ki tečejo vzdolž notranjih sten. Pri izdelavi VSC na osnovi pravokotnega valovoda z glavnim valom H 10 je treba upoštevati, da so v široki steni valovoda vzdolžne in prečne komponente površinskega toka, v ozki steni pa samo prečne. Reže lahko izrežete v široke in ozke stene valovoda.

Oglejmo si režo, ki se nahaja na široki steni valovoda vzdolžno glede na aksialno (srednjo) črto široke stene (slika 1).

Takšna vrzel se vzbuja s prečno komponento toka, če se premakne glede na središčnico za razdaljo x 1. Pri x 1 =0 ni sevanja iz reže. S spreminjanjem velikosti pomika reže x 1 je mogoče prilagoditi intenzivnost njenega sevanja.

Ko režo vzbujajo tokovi, ki tečejo vzdolž notranjih sten valovoda, se elektromagnetna energija oddaja tako v zunanji prostor kot v valovod. Za analizo delovanja reže sta uvedena koncepta zunanje in notranje prevodnosti reže, ki ju določata zunanje in notranje sevanje reže. Če poznamo vrednosti teh prevodnosti, je mogoče določiti resonančno frekvenco rež različnih dolžin in izslediti njeno odvisnost od lokacije na steni valovoda.

Kot je znano, reža, ki je vrezana v valovodu, moti njegov način delovanja, kar povzroči odboj energije: del se oddaja, preostanek gre naprej po valovodu. Tako lahko štejemo, da reža služi kot obremenitev za valovod, na katerem se razprši del moči, ki je enak moči sevanja. Zato lahko za poenostavitev analize zamenjate valovod z enakovrednim dvožičnim vodom, v katerega so bremena povezana vzporedno ali zaporedno, odvisno od vrste reže (vzdolžna reža je enakovredna vzporedni povezavi, prečna reža je enakovredna serijski povezavi).

3. Sorte VSCHA

Glede na princip, na katerem temelji delovanje VSC, ločimo resonančne in neresonančne valovodne režne antene.

Pri resonančnih antenah je razdalja med sosednjima režama enaka l B (reže so v fazi, povezane z valovodnim poljem) ali l B /2 (reže so v fazi, povezane z valovodnim poljem), kjer je l B valovna dolžina v valovod, na koncu valovoda pa namestite kratkostični bat. Tako so resonančne antene v fazi in zato smer njihovega največjega sevanja sovpada z normalo na vzdolžno os antene. Sinfazno vzbujanje vzdolžnih rež, ki se nahajajo na različnih straneh glede na središčnico, je zagotovljeno z dodatnim faznim premikom za 180 °, ki ga povzročajo nasprotni tokovi na obeh straneh aksialne črte široke stene valovoda.

Resonančno anteno je mogoče dobro uskladiti z napajalnim podajalnikom v dokaj ozkem frekvenčnem pasu. Ker vsaka reža ni ločeno usklajena z valovodom, se vsi valovi, ki se odbijajo od rež, seštejejo na vhodu antene v fazi in koeficient refleksije sistema postane velik. Zato običajno opustijo skupno vzbujanje posameznih rež in izberejo razdaljo med njimi d¹l V /2.

Značilnost tako pridobljene neresonančne valovodno-režne antene (NVSA) je širši frekvenčni pas, znotraj katerega je dobro ujemanje, saj so posamezni odboji z velikim številom sevalcev skoraj v celoti kompenzirani. Vendar pa razlika med razdaljo med režami in l B /2 vodi do njihovega nefaznega vzbujanja z vpadnim valom in odstopanja smeri glavnega maksimuma sevanja od normale na os antene. Za odpravo odboja od konca valovoda je običajno nameščena zaključna obremenitev.

Kot je navedeno zgoraj, ima NVShchA dobro koordinacijo s podajalnikom v precej širokem razponu. Izjema je primer, ko je d»l B /2; v tem primeru se odbiti valovi seštevajo v fazi in koeficient potujočega vala (TWC) v valovodu močno pade. Ta vrsta spremembe BV, ko se razdalja med režama približuje vrednosti l B /2, se imenuje normalni učinek.

Slabosti NVSA so njegova nižja učinkovitost kot pri resonančnih antenah (za povečanje je treba povečati intenzivnost vzbujanja rež) in nepopravljiva amplitudna popačenja (za njihovo zmanjšanje je treba zmanjšati intenzivnost vzbujanja rež). Na podlagi tega je treba na podlagi kompromisa izbrati intenzivnost vzbujanja.

4. Lastnosti anten za Dopplerjevo merjenje hitrosti letala in kota odnašanja (antene DISS)

Nalogo določanja prave lokacije letala v vesolju, ko je izpostavljen meteorološkim dejavnikom, je mogoče rešiti, če sta znani vzdolžna in prečna komponenta njegove hitrosti. Te količine običajno določimo posredno z merjenjem Dopplerjevih frekvenc. Znano je, da radijski signal s frekvenco f, ki se odbije od predmeta (na primer od letala), ki se giblje v prostoru s hitrostjo V, prejme dodaten prirastek frekvence

,

kjer je a kot med vektorjem hitrosti in radialno smerjo na letalu. Predznak Dopplerjevega prirastka je pozitiven, če se predmet premika proti radijskemu viru, in negativen, če se predmet od njega oddaljuje.

Antene DISS omogočajo z merjenjem Dopplerjevih komponent določanje vzdolžne in prečne hitrosti letala ter hitrosti njegovega gibanja v navpični smeri. Takšne antene tvorijo štiri žarke, kot je prikazano na sliki 2.

Ker imajo Dopplerjeve komponente, ki jih povzroča gibanje letala z določeno hitrostjo v sprednjem in zadnjem žarku, različne predznake, naključne (interferenčne) komponente v njih pa so približno enake, potem z odštevanjem signalov iz drugega para žarkov iz signalov prvega para je mogoče doseči kompenzacijo motenj in posledično povečanje natančnosti merjenja hitrosti letala.

Antene za Dopplerjevo merjenje hitrosti letala in kota odnašanja so pogosto zgrajene na osnovi nizov VSCHA. Za zaščito pred padavinami in prahom se odprtina antenskih nizov pokrije z dielektrično ploščo ali pa se celoten sevalni sistem namesti v radiotransparentni kupon.

antena valovod reža Doppler

5. Izračun VShchA

5.1 Izračun široke stene valovoda

Rešimo sistem enačb, iz katerega najdemo a in lcr.

in je treba izbrati tako, da je valovna dolžina v valovodu 0,9 kritične valovne dolžine.

5.2 Izračun razdalje med režama d, vzemimo μmax = -20 stopinj, d bomo našli z rešitvijo enačbe.

Radijska revija, številka 9, 1999.

Sodeč po tuji radioamaterski literaturi je skeleton-slot antena priljubljena na frekvencah nad 20 MHz. Objavljeni članek skuša odgovoriti na vprašanje, v kolikšni meri njegov smerni koeficient, naveden v literaturi, ustreza realnosti.

V knjigah o VHF antenah je bila večkrat opisana tako imenovana skeleton-slot antena in vse publikacije brez izjeme so poročale o njenih zelo visokih parametrih, velikem koeficientu usmerjenosti (DA), širokem frekvenčnem pasu in enostavnosti prilagajanja. Zamisel o anteni je predlagal J. Ramsey leta 1949, njegova zasnova je prikazana na sliki 1,izposojeno od. Aktivni element antene je sestavljen iz treh vzporednih polvalovnih dipolov, ki se nahajajo tri nivoje drug nad drugim.

Da bi zmanjšali velikost antene, sta konca zgornjega in spodnjega dipola upognjena pod pravim kotom proti srednjemu dipolu in povezana z njim. To je tisto, kar jih navduši. Srednji dipol je izdelan razcepljen in povezan z ustreznim četrtvalovnim dvožičnim vodom, ki služi tudi za montažo reflektorja. Reflektor je zasnovan kot valovni kanal v obliki enojnega vibratorja, katerega električna dolžina je nekoliko večja od pol vala. Mere antene v valovnih dolžinah in vrednosti koeficienta skrajšanja k, odvisno od premera prevodnikov (cevi) d, so prikazane na sl. 1. S premikanjem dovodne točke XX vzdolž dvožične linije lahko spremenite vhodno impedanco antene od nič (v bližini reflektorja) do približno 400 Ohmov (v točki YY blizu aktivnega elementa).

Porazdelitev toka v aktivnem elementu je prikazana na sl. 2. Vidimo, da se antinode (maksimumi) toka nahajajo točno na sredini vodoravnih delov elementa in tvorijo trinadstropni sistem v fazi. V navpičnih delih aktivnega elementa so tokovi majhni in usmerjeni drug proti drugemu. Poleg tega obstajajo štiri tokovna vozlišča, tako da ni sevanja daljnega polja iz navpičnih delov. Spomnimo se, da je v oddaljenem območju vzorec sevanja antene skoraj v celoti oblikovan. Razdalja do oddaljenega območja je več valovnih dolžin. Večja kot je učinkovitost antene, večja je.

Aktivni element antene s skeletno režo lahko obravnavamo tudi kot dva kvadrata, združena z eno stranjo in dovodnimi točkami. Vendar pa je v primerjavi z dvema kvadratoma polne velikosti obseg aktivnega elementa skeleto-režne antene nekoliko manjši, verjetno zaradi učinka skrajševanja kapacitivnosti med navpičnima vodnikoma elementa. Podobno anteno je predlagal K. Kharchenko, vendar sta v njej dva kvadrata napajana iz vogalov in kombinirana z dovodnimi točkami.

Preprosta skeletna antena ima reflektor, ki ni dovolj učinkovit. To pomanjkljivost lahko odpravimo tako, da reflektor izdelamo na popolnoma enak način kot aktivni element (v obliki iste trinadstropne strukture vibratorjev). Dvožičnih linij ni več mogoče postaviti med elemente, vendar se nihče ne trudi, da bi jih narisal v ravnini vsakega elementa do točke z ničelnim potencialom na sredini spodnjega horizontalnega vibratorja.

Kaj se zgodi po takšni spremembi je prikazano na sl. 3. Same dimenzije elementov ostajajo enake, razdalja med aktivnim elementom in reflektorjem pa se zmanjša na 0,18. Ta antena ima še eno prednost. S premikanjem kratkostičnih mostičkov vzdolž dvožilnih vodov lahko elemente nastavimo na želeno frekvenco, s premikanjem reflektorskega mostička pa enostavno nastavimo anteno na maksimalen izkoristek oziroma razmerje sevanja naprej-nazaj.

Za takšno dvoelementno anteno, opisano v [in], poročajo o nenavadno visoki učinkovitosti 14...16 dB! Če druga od omenjenih knjig ne bi bila resna publikacija, bi se vseeno dalo obupati in te številke ne jemati resno. Toda ta knjiga je na splošno zelo dobra in skoraj brez napak. Njegov avtor seveda ni mogel preizkusiti vseh številnih konstrukcij, podanih v njem. Torej, če je to napaka, potem se je pojavila prej, v nekaterih drugih publikacijah, in je zdaj težko najti izvirni vir. Povsem jasno je, da bi moral sofazni sistem vibratorjev dati večjo učinkovitost kot en sam vibrator, a vprašanje je - koliko? Čeprav na str. 100 in je navedeno, da je antena "... dejansko šestelementna, trinadstropna infazna antena," vendar sta vibratorja precej blizu drug drugemu in tudi skrajšana. To bo zagotovo zmanjšalo učinkovitost. Tako je bilo več vprašanj kot odgovorov. Poleg tega so radioamaterji, ki jih pozna avtor, nameravali zgraditi prav takšno anteno za 10-metrski obseg in so bili pripravljeni porabiti denar za material, ki dandanes ni poceni!

Za jasen in natančen odgovor na vprašanje o faktorju usmerjenosti je bil izveden poskus v območju 432 MHz. Elementi so bili upognjeni v skladu s sl. 3 kosi emajlirane bakrene žice s premerom 1,5 mm, priključki so spajkani, linijski vodniki na mestih, kjer so nameščeni zapiralni mostički in priključek kabla, so odstranjeni iz izolacije. Celotna konstrukcija je bila sestavljena na lesenem okvirju iz suhih tankih letvic. Napajalni kabel je potekal od napajalnih točk vzdolž dvožilnega vodnika, na katerega je bila priključena pletenica, navpično navzdol in priključen neposredno na izhod standardnega generatorja signala. Indikator polja je bil polvalovni dipol z detektorjem in mikroampermetrom. Nahajal se je na stojalu na razdalji nekaj metrov od antene. Tudi antena je bila nameščena na primitivnem vrtljivem stativu, ki je omogočal spreminjanje njene orientacije.

Anteno smo uglasili dokaj enostavno in hitro, samo za maksimalno sevanje v glavni smeri. Z navedenimi dimenzijami pri frekvenci 432 MHz se je izkazalo, da so razdalje zapiralnih mostičkov od podlage dvožilnih vodov za nastavljeno anteno naslednje: za reflektor - 43 mm, za aktivni element - 28 mm. mm. Razdalja do priključne točke 50-ohmskega kabla je bila 70 mm.

Ko je nastavljen na največjo usmerjenost, se zazna majhen zadnji reženj. Z nastavitvijo reflektorja ga lahko skoraj popolnoma zatremo. Ni bilo stranskega, gor ali dol sevanja.

Učinkovitost ali natančneje ojačanje antene, enako zmnožku učinkovitosti in učinkovitosti, je bilo določeno na naslednji način: raven signala, ki ga ustvari antena v glavni smeri, je bila zabeležena na indikatorju, nato pa namesto antene je bil na napajalni kabel priključen polvalovni dipol, ki se nahaja na isti točki v prostoru. Raven signala iz generatorja se je dovolj povečala, da so bili odčitki na indikatorju enaki. Sprememba nivoja signala, izmerjena z atenuatorjem generatorja, je številčno enaka ojačanju antene glede na polvalovni dipol. Za to anteno se je izkazalo, da je 7 dBd. V primerjavi z izotropnim (vsesmernim) oddajnikom bo za 2,15 dB več in bo približno 9,2 dBi.

Bodite pozorni na črki d in i pri označevanju decibelov - v literaturi o antenah je tako običajno navesti, glede na kateri oddajnik se meri usmerjenost. Širina sevalnega vzorca pri polovični moči je bila približno 60° v vodoravni ravnini (v azimutu) in približno 90° v navpični ravnini (v elevaciji). S temi podatki lahko usmeritev izračunamo še na en način: prostorski kot, v katerega seva antena, je enak zmnožku linearnih kotov, ki ustrezajo širini diagrama in so izraženi v radianih. Dobimo vrednost približno 1,5 steradiana. Istočasno izotropna antena seva v prostorski kot 4 ali 12,6 steradiana. Usmerjenost je po definiciji razmerje teh prostorskih kotov in je 12,6/1,5 = 8,4 ali 9,2 dBi.

Ko je dosegel tako dobro ujemanje vrednosti usmerjenosti, določenih z obema metodama, se je avtor odločil, da ni več kaj meriti in se z rahlim razočaranjem ponovno prepričal, da se v antenski tehniki čudeži ne dogajajo. Kljub temu se antena zelo dobro obnese in kljub majhnim dimenzijam (330x120x120 mm v območju 432 MHz) zagotavlja zelo spodobno ojačenje.