книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

противоположного знака наводятся высокочастотным полем на разных витках спирали и основное направле­ ние излучения лежит в плоскости, перпендикулярной оси спирали. Если же частота настолько велика, что длина волны сравнима с длиной одного витка, т. е. ЗЯ /4<л£)< < 4А./3, то и области зарядов противоположного знака сближаются настолько, что различным по знаку зарядом обладают уже противолежащие участки одного витка. При таком продольном (аксиальном) виде колебаний

является слабая зависимость ее входного сопротивления от частоты. Это является следствием, сильного ослабле­ ния волны, отражающейся от открытого конца спираль­ ной линии. Благодаря этому только малаячасть отра­ женной энергии возвращается ко входу антенны. На­ правленность излучения растет с увеличением длины спирали, однако при этом становятся резко выражен­ ными боковые лепестки диаграммы направленности.

Для повышения остроты" направленности целый ряд спиральных антенн объединяют в виде группы излуча­ телей. Часто спиральную антенну помещают в1фокаль? ную точку параболического зеркала;.в этом случае она служит возбудителем параболической антенны. Особен­ но удачной является так называемая логарифмическая спиральная антенна. Она отличается совершенно равно­ мерной характеристикой в частотном диапазоне с. гра­ ничными частотами, относящимися как 1:5, и пригодна поэтому для широкополосного возбуждения больших параболических антенн. Если приемная и передающая

101

антенны отличаются направлением намотки спирали, то одна из них будет характеризоваться правой круговой поляризацией, другая — левой; при этом чрезвычайно увеличивается развязка между антеннами. Воспользо­ вавшись таким приемом для антенн радиорелейных ли­ ний, можно не прибегать к преобразованию частоты.

5. Рупорные антенны

Если волновод постепенно расширяется к открытому концу (в виде воронки или рупора), то волна в волно­ воде также постепенно преобразуется в волну, харак­ терную для свободного пространства. Такая рупорная

Рис. 63. Основные формы рупорных антенн:

а —секторный рупор в плоскости Е; б —секторный рупор в плоскости Я; в — пирамидальный рупор; г —сложный рупор*

антенна может служить как направленным излучателем, так и возбудителем для параболических и линзовых антенн. В рупоре осуществляется непрерывный переход от волновода к большой открытой поверхности, который необходим как для получения хорошей направленности, так и для достижения наиболее эффективного излучения за счет хорошего согласования волновода со свободным пространством. На рис. 63 показаны основные формы рупорных излучателей. При этом используется прямо­

102

угольный волновод, возбуждаемый на волне Яю. Чтобы плоскость раскрыва рупора «высвечивалась» синфазно, т. е. фронт волны в раскрыве был бы почти плоским, рупор не должен быть слишком коротким. Для рупора с заданной длиной существует определенный оптималь­ ный угол раскрыва как в Я-направлении (рупор расши­ ряется в направлении электрических силовых линий), так и в Я-направлении (рупор расширяется в направле­ нии магнитных силовых линий); оптимальность опреде­ ляется величиной выигрыша антенны. Если угол рас­ крыва очень мал, то мала и поверхность раскрыва ру­ пора. Если он слишком велик, то возникают заметные фазовые погрешности, т. е. колебания в плоскости рас­ крыва рупора уже не будут синфазными и краевые зоны не будут содействовать образованию узкого пучка излучения. Большая поверхность раскрыва, наоборот, выгодна потому, что при этом получается хорошая широкополосность. Это связано с тем, что отражения от открытого конца рупора тем меньше, чем больше по­ верхность раскрыва.

Рупорные антенны, прежде всего, служат излучате­ лями и возбудителями параболических или линзовых антенн в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн; один из примеров их применения был приведен на рис. 56.

6. Щелевые антенны

Если в тех местах стенок волновода или объемного резонатора, где протекают токи, сделать одну или не­ сколько щелей, то в них будет возбуждаться соответ­ ствующее переменное высокочастотное поле. Это поле излучает энергию в пространство. Для того чтобы в щелях возбудилось переменное поле, они должны де­ латься пересекающими токи в стенках. Тогда устанав­ ливается такое распределение поля, когда магнитные силовые линии идут перпендикулярно щели, а электри­ ческие силовые линии во внешнем пространстве охваты­ вают их по окружности. Распределение полей таких шелевых излучателей подобно распределению полей электрического диполя, с той лишь разницей, что элек­ трические и магнитные силовые линии здесь поменялись местами. Поэтому о щелевом излучателе говорят как о

103

«магнитном диполе». Длина щели равняется половине длины волны возбуждаемого поля СВЧ.

Щелевые антенны в технике СВЧ делаются таким образом, что целый ряд синфазно возбуждаемых щелей прорезается в узкой стенке прямоугольного волновода с типом волны Ню (рис. 64). Расстояние между сосед­ ними щелями равняется половине длины волны. Щели отклоняются от перпендикулярного направления на угол а влево или вправо. Это делается потому, что в местах расположения соседних щелей токи в стенках имеют противоположные направления и только таким

способом можно обеспечить синфазное возбуждение. Выбором соответствующей величины угла наклона мож­ но варьировать связь щелей с волноводом. Для согласо­ вания входа линии на расстоянии от последней щели, равном четверти длины волны в волноводе, волновод должен быть замкнут накоротко. Щелевые антенны ис­ пользуются в самолетной и судовой аппаратуре, посколь­ ку им легко придать хорошо обтекаемую форму. В от­ дельных случаях они могут применяться в сочетании с рефлектором в форме сегмента параболического цилинд­ ра (в-качестве возбудителя).

7, Диэлектрические антенны (стержневые излучатели)

Диэлектрический стержень соответствующей длины может играть роль излучателя, если в нем'возбуждается необходимый тип волны- В отличие от обычного метал­ лического волновода в случае диэлектрическрго стержня Поле волны концентрируется в пространстве, окружаю­ щем диэлектрическую среду; поэтому и становится воз-

1 04

V

РАДИОСВЯЗЬ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Основной областью применения техники СВЧ яв­ ляется радиосвязь. Благодаря очень высокой несущей частоте в диапазоне СВЧ могут быть реализованы чрез­ вычайно широкополосные каналы связи с большой ин­ формационной емкостью, соответственно. С этой точки зрения понятно стремление использовать в технике связи все более и более высокие частоты.

Другая особенность связана с тем, что на очень ко­ ротких волнах СВЧ-диапазона излучение может кон­ центрироваться относительно малыми направленными антеннами и передаваться в совершенно определенных задаваемых направлениях. Эта возможность исполь­ зуется в линиях направленной связи.

В основном можно выделить четыре различные об­ ласти применения сверхвысоких частот в технике радио­ связи:

1) ретрансляторная направленная радиосвязь (ра­ диорелейные линии);

2)связь с искусственными спутниками;

3)радиосвязь с другими искусственными космиче­ скими объектами и планетами;

4)волноводные линии передачи на миллиметровых волнах.

Предпосылки для реализации СВЧ-радиосвязи в пе­ речисленных областях применения очень различны и по­ этому необходимо говорить о каждой из них в отдель­ ности.

1. Распространение СВЧ-радиоволн

а) Распространение в пределах оптической зоны

Электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве от гипотетического точечного излучателя, имеют сферическую форму. Напряженность

106

поля волны обратно пропорциональна расстоянию от из­ лучателя, плотность мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния. Эту форму распространения волны называют «пространственной волной». На распростра­ няющуюся электромагнитную волну оказывают влияние поверхность Земли и атмосфера; это влечет за собой существенное видоизменение характера распростра­ нения.

Рассмотрим прежде всего распространение в преде­ лах оптической зоны (рис. 65). Под этим подразуме­ вается такое расстояние между передатчиком S и прием­ ником Я, когда они мо­ гут быть соединены вооб­ ражаемой прямой линией, касающейся поверхности земного шара*). Это рас­ стояние вычисляется по формуле

D[кл/] = D] + £>2 =

=3,55 (У~Н + УТ). (76)

(в метрах). Но при распространении волн сверхвысо­ ких частот это соотношение не определяет дальность распространения. Оно только разграничивает область оптической зоны и область, лежащую вне этой зоны. При этих рассуждениях предполагалось, что излучение СВЧ распространяется почти прямолинейно как свето­ вые лучи.

Внутри оптической зоны излучение может переда­ ваться как по прямой, так и по более сложному пути, попадая в точку приема после отражения от поверх­ ности Земли. Напряженность поля, создаваемого пере­ датчиком в точке приема, зависит поэтому от обеих этих волн, которые накладываются друг на друга (интерфе­ рируют). Результат зависит от вида отражающего участка земной поверхности, коэффициента отражения

*) Точное определение оптической зоны связано с определе­ нием так называемой «зоны Френеля» (раздел V. Зв).

107

01 него и от направления поляризации волны. Если по­ ложить коэффициент отражения равным — 1 (малый угол падения, полное отражение) и возникающий при отражении сдвиг фазы равным ф=180°, то выражение для напряженности поля, создаваемого генератором, внутри оптической зоны имеет вид

Здесь D < 1— фактор, учитывающий рассеяние волны на

-Рис. 66. -Ход зависимости коэффициента отражения и сдвига фазы волны, отраженной от поверхности моря при горизонтальной и вертикальной поляризации волны (часто­ ты 100 и 3000 Мгц).

поверхности Земли, a Q= S+\|) —я (б есть фазовая раз­ ность хода прямой и отражающейся волн). В нашем слу­ чае мы приняли ф=180°; тогда й = 6 . Если выразить 6 б радианах, то Й =6=/г*я, где п — некоторое целое по­ ложительное число. Оно определяется из тех соображе­ ний, что разность хода А может быть выражена в полу­ волнах, Д=лЛ/2, т. е. л=2А Д и, следовательно,

5, . . . максимум напряженности поля. Выражение (77) справедливо для малых значений п.

108

Для волн СВЧ поверхность Земли является шерохо­ ватой, так что £)< 1. При этом отражение от земли играет второстепенную роль. В противоположность этому для водной поверхности значение D примерно равно единице. При распространении излучения над по­ верхностью воды определяющую роль играет отраже­ ние и оно должно приниматься во внимание при созда­ нии радиорелейных линий. Отражение электромагнитных волн от земной поверхности различно для вертикальной и горизонтальной поляризации. На рис. 66, а показан ход зависимостей коэффициента отражения от морской воды при обоих типах поляризации на частотах 3000 и 100 Мгц. В случае горизонтальной поляризации коэффи­ циент отражения для всех углов падения примерно ра­ вен — 1; для вертикальной поляризации, напротив, он близок к единице только при очень малых углах между направлением распространения волны и земной поверх­ ностью. В случае вертикальной поляризации коэффи­ циент отражения проходит через минимум (угол Брю­ стера); при этом сдвиг фазы меняется от значения ф=я до ф = 0 (рис. 66, б).)б

б) Дифракция

За счет дифракции электромагнитное поле волны мо­ жет проникать в «теневую» зону, по ту сторону оптиче­ ского горизонта. В зависимости от длины волны теневая зона может быть ограничена более или менее резко. Объяснение этого явления дает принцип Гюйгенса, со­ гласно которому каждая точка пространства (например, края различных препятствий), в которую приходит вол­ на, может рассматриваться как центр, исходная точка новой сферической волны. Поэтому за препятствием на­ пряженность поля,создаваемого передатчиком,не будет равной нулю, причем в зависимости от длины волны величина напряженности может быть более или менее значительной. Чем короче длина волны, тем резче огра­ ничена тень.

Напряженность поля в дифракционной зоне может быть задана через умноженную на коэффициент ослаб­ ления F напряженность поля волны, распространяю­ щейся без помех в свободном пространстве, на таком же удалении от источника. В технике связи коэффициент

109

ослабления выражается в децибелах (дб) и равняется двадцати десятичным логарифмам величины отношения напряженностей полей. Он определяется приближенной

где А и В — величины, сложным образом зависящие от различных параметров. Вообще говоря, расчет дифрак­ ции может быть проведен лишь для весьма идеализи­ рованных условий и имеет мало смысла с точки зрения практического применения. Можно сказать, что в случае касания (см. рис. 65) для всех длин волн получается дополнительное затухание примерно на 20 дб по сравне­ нию с ослаблением в свободном пространстве. Если вме­ сто гладкой земной поверхности в «поле зрения» оказы­ ваются возвышающиеся, резко очерченные препятствия (например, гора с резко выраженным профилем), то значительная часть энергии рассеивается в результате дифракции и напряженность поля на входе приемника падает почти наполовину. Дополнительное ослабление в этом случае достигает примерно 6 дб. В то же время дифракция позволяет вести прием за горными хребтами и в ущельях, куда прямое излучение не попадает. Дан­ ные об этом, однако, чрезвычайно различны и зависят от местных условий.

в) Тропосферная рефракция

Для распространения СВЧ-волн за пределами опти­ ческой зоны более важным, чем процесс дифракции на земной поверхности, является преломление (рефракция) в атмосфере. Причина его заключается в том, что ди­ электрическая проницаемость воздуха, а вместе с ней и показатель преломления, уменьшается с увеличением высоты над поверхностью Земли (случай нормальной рефракции). Показатель преломления п атмосферы за­ висит от плотности воздуха, температуры и содержания водяных паров, причем эта зависимость может быть вы­ ражена эмпирической формулой

где Т — температура воздуха в °К, р — давление воздуха в миллибарах, е — парциальное давление водяного пара также в миллибарах.

110