Антенно-волноводное устройство РЛС JFS32R

Канализация энергии СВЧ между передатчиком и антенной осуществля­ется специальной волноводной линией передач. Излучение и прием электромагнитных колебаний производит попе­ременно одна и та же направленная антенна. Подключение передатчика и приемника к антенне в соответствую­щие промежутки времени осуществля­ет антенный переключатель, конструк­тивно располагаемый в блоке СВЧ приемопередатчика. В построении всех этих устройств имеется много общего, поскольку в их основе использован волновод.

Волноводы. Электромагнитная энер­гия от передатчика к антенне и от ан­тенны к приемнику должна переда­ваться с возможно меньшими потерями в линии передачи.

Рис.2. Волноводное устройство: а) вид электрического и магнитного полей; б) вход (выход) колебаний СВЧ в волноводе

В диапазоне сантиметровых волн для передачи энергии применяют ис­ключительно волноводы, представляю­щие собой металлические трубы пря­моугольного или круглого сечения. При соответствующих размерах сечения волновода и хорошо обработанной внутренней поверхности волноводы по­зволяют передавать электромагнитные колебания как большой, так и малой мощности с незначительными потеря­ми.

Электрические силовые линии в волноводах (рис. 2) направлены па­раллельно вибратору, с помощью кото­рого в волновод вводятся (или выво­дятся) колебания, т. е. векторы поля Еперпендикулярны широкой стенке вол­новода и уменьшаются до нуля, при­ближаясь к узким стенкам. Магнитное поле имеет вид замкнутых силовых ли­ний, направленных в каждой точке по вектору λ, густота силовых линий наибольшая у узкой стенки волновода.

Так как электрическое и магнитное поля сосредоточены внутри волновода, то излучение отсутствует и электро­магнитная энергия распространяется по волноводу от одного конца к дру­гому.

Токи высокой частоты протекают только по внутренней поверхности сте­нок волновода, занимая сравнительно большое сечение, поэтому при хорошей электрической проводимости стенок и отсутствии в них неровностей потери на активном сопротивлении невелики.

Длина волны генератора, при кото­рой размер широкой стенки волновода а равен половине длины волны (а = λ/2), называется критической: λкр = 2а.

По волноводу при данном размере широкой стенки могут быть переданы без потерь и все другие колебания длиной волны меньше критической (λ<λ_кр). Так как потери в волноводе уменьшаются при увеличении размера его широкой стенки, то рабочую волну выбирают несколько меньше критиче­ской (или ширину стенки а делают не­сколько больше, чем λ/2). При этом ши­рина узкой стенки b во избежание электрического пробоя между широ­кими стенками не должна быть малой и обычно равна приблизительно поло­вине широкой стенки а.

Распространение радиоволн в вол­новоде происходит при многократном отражении их от стенок, т. е. отлича­ется от характера распространения ра­диоволн в свободном пространстве. Поэтому длина волны в волноводе λ_в не равна длине волны колебаний, по­ступающих в волновод, и определяет­ся из соотношения:

Рис.3. Ответвление энергии в волноводе

В связи с тем что передача энергии по волноводу возможна только при ус­ловии λ< λ _кр, длина волны в волноводе всегда больше длины волны в генера­торе, питающем волноводе.

Связь между волноводами, т. е. ответвление энергии от одного волно­вода к другому, может осуществляться либо с помощью тройников-ответвителей, либо с помощью отверстий и ще­лей в боковых стенках волновода (рис. 3).

Ответвление от широкой стенки (рис. 3, а) равносильно последова­тельному подключению к двухпровод­ной линии двух участков. В этом слу­чае в точках, находящихся на одинако­вых расстояниях от разветвления, на­пряженности электрического поля противоположны по фазе. Ответвление от узкой стенки (рис. 3, б) равносильно параллельному подключению двух уча­стков к двухпроводной линии, поэто­му на обеих сторонах на одинаковых расстояниях от разветвления напря­женности электрического поля совпа­дают по фазе.

В тех случаях, когда возникает не­обходимость подавать энергию в вол­новод через ответвления обоих типов, применяют двойной тройник (рис. 3, в), полностью развязывающий от взаимного влияния ответвления А и Б.

Для уменьшения габаритов, двой­ного волноводного тройника его сим­метричные отростки могут быть отог­нуты под углом 90° в одной плоскости с ответвлением Б (рис. 3, г).

Иногда энергию ответвляют через щели, прорезанные в боковых стенках волновода (рис. 3, д, е) так, чтобы они располагались в месте наибольше­го сгущения магнитных силовых ли­ний, которые должны быть направле­ны вдоль щели.

Волноводная линия передачи не всегда прямолинейна. На некоторых участках она может иметь изгибы, скручивания и т. д. При большой про­тяженности волноводной линии для уменьшения потерь в ней желательно иметь большое сечение волновода. Для уменьшения габаритов аппаратуры це­лесообразно используются волноводы малого сечения. От волновода больше­го сечения к меньшему сечению или наоборот переходят путем плавного уменьшения (или увеличения) стенок волновода на некоторой его длине. Возможен переход от прямоугольного к круглому сечению и наоборот. Такая конструкция позволяет осуществлять вращающийся переход в антенном устройстве.

Соединение отдельных волноводов друг с другом осуществляют с помо­щью специальных дроссельных флан­цев, благодаря которым предотвраща­ется утечка энергии в месте соедине­ния отдельных секций волновода.

Регулировка уровня колебаний, проходящих через волновод, осущест­вляется с помощью аттенюатора (осла­бителя), который представляет собой диэлектрическую пластину с токопроводящим покрытием, вводимую на раз­личное расстояние от его узкой стенки внутри волновода. Для существенного ослабления отводимых от волновода колебаний их выводят через неболь­шие отверстия (предельные аттенюа­торы).

При попадании в волновод влаги и грязи увеличиваются потери в нем вплоть до полного прекращения передачи энергии, появляется коррозия внутренней поверхности. Поэтому волновод мон­тируют герметически закрытым и он снабжен устройством для его осушки. Если волноводные соединения должны быть жесткими, то для герме­тизации между ними в специальных пазах укладывают резиновые кольца, а сами фланцы стягивают винтами. Во вращающихся волноводных соединени­ях между секциями оставляют зазор, но всю конструкцию закрывают кожу­хом.

Выходы волновода для герметиза­ции закрыты полистироловыми плас­тинками. Для осушки волновода при­меняют влагопоглотительные патроны с селикагелем, вмонтированные в вол­новодные секции небольшой длины.

Антенна. В РЛС JFS32R применяется щеле­вая антенна, обладающая при сравни­тельно небольших габаритах хороши­ми направленными свойствами.

Щелевая антенна (рис. 4) пред­ставляет собой волновод, в стенке ко­торого прорезано несколько одинаковых щелей на равном расстоянии друг от друга. Длину щелей делают прибли­зительно равной половине длины вол­ны излучаемых колебаний. Щели расположены так, что при излучении, они излучают колебания, совпадающие по фазе.

Для получения наиболее эффектив­ного излучения щель расположена вдоль магнитных сило­вых линий волновода на участке с наи­большей напряженностью магнитного поля.

На широкой стенке (рис. 4, а) ще­ли могут располагаться либо поперек волновода на расстоянии друг от дру­га, равном λ_в, т. е. длине волны в вол­новоде, либо на расстоянии λ_в/2 при расположении их в шахматном поряд­ке вдоль оси волновода и смещении от средней линии к стенке.

На узкой стенке могут располагать­ся продольные щели на расстоянии между центрами, равном λ_в, и наклон­ные щели через расстояния, равные λ_в/2. Угол наклона щели относительно оси волновода ≈ 70°.

Щели располагают с наклоном в разные стороны. Они занимают часть широкой стенки, так как размер узкой стенки меньше λ/2. Щели, про­резанные в волноводе таким образом, дают синфазное излучение (плоский фронт волны); такой волновод являет­ся направленной антенной.

Направленность щелевой антенны в плоскости, проходящей через ось вол­новода перпендикулярно его излучаю­щей стенке, тем больше, чем больше количество щелей в волноводе, т. е. чем больше его длина.

При длине волновода не более 3... 3,5 м диаграмма направленности в горизонтальной плоскости на 3,2-сантиметровой волне не уже 0,7°.

Направленность в плоскости, пер­пендикулярной оси волновода, незна­чительна — фронт волны почти сфери­ческий, поэтому щелевую антенну конструируют совместно с го­ризонтально расположенным рупором (рис. 4, б), сжимающим диаграмму направленности в вертикальной плос­кости до 17°.

В антенне РЛС JFS32R щели отделены друг от друга металлическими перего­родками, образующими своеобразную решетку снаружи волновода. Эти пе­регородки, будучи расположены друг от друга на расстоянии, меньшем кри­тического для данной длины волны, устраняют вертикальную составляю­щую электрического поля излучаемой волны.

Наклонные щели создают некото­рое рассогласование в волноводе и приводят к внутреннему отражению волны. Для согласования в волноводе на конце его размещают поглотитель. Другой конец волновода через фланец соединен с вращающимся волноводным переходом, связанным с приемопере­датчиком. Для герметизации рупор за­крывают с торцов металлическими стенками и на раскрыве — высокоча­стотным диэлектриком.

Вращение антенны осуществляется через замедляющий редуктор от элек­тродвигателя, получающего питание от бортовой сети. В цепи питания элек­тродвигателя предусматривается за­щита от перегрузки или обрыва фазы питающей сети. Включение и выключение вращения антенны производятся с панели управления индикатора.

В антенном устройстве, помимо са­мой антенны, вращающегося волноводного перехода и двигателя с редук­тором, размещаются вращающиеся трансформаторы или другие типы уг­ловых датчиков для передачи курсово­го угла антенны в индикатор и контак­ты отметки курса собственного судна. Для просушки всех устройств, разме­щенных в корпусе антенного устройст­ва, и облегчения работы редуктора при низкой температуре в нем предусмотре­ны спирали подогрева, включаемые по мере надобности из индикатора РЛС.

Антенные переключатели выполня­ются на газонаполненных разрядни­ках и специальных волноводных сек­циях, которые перекрываются или от­крываются под действием импульса передатчика. Благодаря этому энергия СВЧ колебаний направляется (цирку­лирует) в определенную цепь. В связи с этим иногда антенные переключате­ли называют антенными циркуляторами.

Газонаполненный разрядник — это двухэлектродный прибор, наполненный смесью водорода и водяных паров. Электроды имеют форму конусов, расположенных в разряднике с не­большим зазором между ними. При отсутствии напряжения между элек­тродами газ внутри разрядника не ионизирован, прибор имеет большое со­противление, обеспечивая размыкание цепи. При подаче на электроды доста­точно высокого напряжения происхо­дит ионизация газа, разрядник зажи­гается, в результате чего сопротивле­ние прибора резко падает, обеспечивая практически короткое замыкание це­пи. После снижения напряжения про­исходит деионизация газа и цепь раз­рядника вновь разрывается.

Для увеличения чувствительности разрядника и уменьшения времени срабатывания до нескольких сотых до­лей микросекунды он объединен с объемным резонатором, настроенным на используемую в РЛС JFS32R частоту коле­баний СВЧ.

Для устранения короткого замыка­ния источника, питающего поджига­тельный электрод, и для уменьшения тока в поджигающей цепи (что дает возможность увеличить срок работы разрядника) последовательно с под­жигающим электродом включают ог­раничительное сопротивление.

Подключение разрядника к волно­воду осуществляют либо с помощью специальной волноводной секции, либо через щель в объемном резонаторе, подсоединяющую его к узкой или ши­рокой стенке волновода.

Ферритовый антенный переключа­тель представляет собой два прямо­угольных волновода, состоящих из не­скольких секций, связанных между со­бой по узкой стенке, в сочетании с од­ним газонаполненным приемным раз­рядником (рис. 5). Ферритовый пе­реключатель включает: щелевой мост (ЩМ); ферритовую секцию (ФС); двойной свернутый волноводный трой­ник (ДСВТ); поглотитель (на рисунке не показан); газовый разрядник (ГР).

Рис.5. Ферритовый антенный переключатель

Щелевой мост представляет собой отверстие в общей стенке волноводов, регулируемое при помощи специально­го винта при наладке антенного пере­ключателя. Мост обладает следующи­ми свойствами: при поступлении вол­ны из канала 1 мощность ее делится поровну между каналами 3 и 4. Вол­на, идущая по каналу 4, при этом от­стает по фазе на 90° от волны канала 3, так как разность пройденного пути равна λ/4. В канал 2 ответвляется нич­тожно малая доля (несколько сотых) всей мощности канала 1. При подводе энергии по любому из остальных трех каналов вследствие симметрии получа­ется аналогичная картина.

Рис.5. Ферритовый антенный переключатель

Ферритовая секция содержит вну­три ферритовые пластинки, прикреп­ленные к спаянным узким стенкам вол­новода, и имеет снаружи постоянный магнит.

Феррит является магнито-диэлектриком, обладающим высокой магнит­ной проницаемостью и малой электро­проводностью. Под действием попереч­ного внешнего магнитного поля проис­ходит намагничивание ферритовой пластинки, в результате чего фаза про­ходящей через нее электромагнитной волны изменяется. Величина фазового сдвига зависит от напряженности поля постоянного магнита, размеров ферри­та и от направления распространения электромагнитной волны.

В ферритовом антенном переклю­чателе величина и направление поля постоянного магнита, расположение ферритов подобраны так, что при дви­жении волн по каналам 3, 5 и 4, 6 сле­ва направо волна в точке 5 опережает по фазе на 90° волну в точке 6.

При обратном движении, справа налево, волна канала 3 отстает по фа­зе от волны канала 4 тоже на 90°. Это необратимое свойство ферритов, про­являющееся в действии их на фазу проходящей волны, играет основную роль в работе ферритового переклю­чателя. Изменяя направление внешне­го магнитного поля на обратное, мож­но изменить знак фазового сдвига на противоположный.

Двойной свернутый волноводный тройник (см. рис. 5 и 3, г) характе­ризуется тем, что волны, поступающие в фазе из точек 5 и 6, суммируются в ответвителе 7, если же они в противофазе, то суммируются в ответвителе 8. При поступлении волны из точки 7 справа энергия делится поровну меж­ду каналами 5, 3 и 6, 4, не попадая в ответвитель 8.

Поглотитель, подключенный в от­ветвителе 8, поглощает без отражения всю попадающую в него энергию вол­ны.

Газовый разрядник — обычный ши­рокополосный не настраивающийся разрядник с поджигающим электро­дом, предназначенный для защиты ка­нала приемника.

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, идет полно­стью в антенну, практически не потребляясь в ответвителях 2 и 8. В точках 5 и 6 фазы колебаний при этом совпада­ют, так как феррит в канале 3 — 5 ком­пенсирует отставание по фазе в кана­ле 2 — 3. Разрядник ГР, находящийся в зажженном состоянии, предохраняет приемник от выхода из строя попада­нием в канал 2 части энергии импуль­са передатчика. Энергия отраженного импульса из антенны в точке 7 развет­вляется на два равновеликих по мощ­ности потока, обеспечивая в точках 5 и 6 одинаковую их фазу колебаний. От­ставание колебаний по фазе на 90° в канале 5 — 3 (относительно канала 6 — 4) и в канале 4 —1 (относительно канала 3 —1) обеспечивает при погас­шем разряднике подачу к приемнику всей энергии отраженного импульса. В канал 2 энергия отраженного им­пульса не поступает, поскольку 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 импульса от концов волноводного тракта. Эти отраженные мощные импульсы вызывают зажигание приемного разрядника, пе­рекрывая вход приемника на время приема импульсов, отраженных от ближних объектов, т. е. увеличивают мертвую зону РЛС JFS32R.

Импульс энергии, отразившейся от разрядника из канала 1, получает та­кой сдвиг фаз колебаний в обоих кана­лах, что в точках 5 и 6 они оказывают­ся в противофазе. Следовательно, мощ­ность этого импульса полностью погасится в ответвителе 8. Многократного отражения в волноводном тракте не будет и разрядник погаснет, как только окончится импульс, отразившийся от него.

В антенном переключа­теле РЛС JFS32R чувствительность приемного га­зового разрядника резко снижается при снятии с него поджигающего на­пряжения, что происходит при выклю­чении РЛС JFS32R. Поэтому, в выключенной РЛС JFS32R волновод автоматически пере­крывается заслонкой, не допускающей попадания импульсов соседней РЛС JFS32R в приемник.

Дата добавления: 2015-07-20