AFU_Lektsii

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

В.В. Чистюхин

Антенно-фидерные устройства

Учебное пособие

Рекомендовано государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Московский технический университет связи и информатики" к использованию в качестве учебного пособия в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы высшего профессионального образования по направлению "Радиотехника"

Москва 2010

1

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

УДК 621.396.67 Ч68

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Н.П. Чубинский; канд. техн. наук, доц. Г.В. Сбитнев

Чистюхин В.В.

Ч68 Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие. - М.: МИЭТ, 2010. - 200 с.: ил.

ISBN 978-5-7256-0592-1

Изложены основные понятия, расчетные методы и принципы конструктивной реализации современной элементной базы СВЧ, трактов возбуждения антенн и антенных устройств. Особое внимание уделяется наиболее перспективным направлениям техники СВЧ - активным фазированным, адаптивным и цифровым антенным решеткам. Это связано с тем, что сведения в современной литературе по данной тематике носят разрозненный характер. Достаточно подробно освещаются вопросы проектирования многолучевых антенн, рассматриваются классические диаграммообразующие схемы, такие как матрицы Бласса и Батлера.

Рассчитано на студентов специальности "Радиоэлектронные системы", направления "Радиотехника". Представляет интерес для специалистов в области антенно-фидерных устройств.

2

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Введение

Предмет и содержание курса "Антенно-фидерные устройства". Неотъемлемыми составными частями современных радиотехнических средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ. Чтобы понять роль и значение антенн и трактов, рассмотрим обобщенную структуру радиотехнической системы (РТС), показанную на рис.В1.

Ионосфера

Рис.В1. Обобщенная структура радиотехнической системы

Назначение передающей антенны состоит в преобразовании электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линии передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна, наоборот, преобразует падающие на нее из свободного пространства волны в направляемые по линиям передачи волны, поступающие в приемный тракт. Принципиальной разницы между устройствами передающих и приемных антенн нет. Согласно известному из теории электромагнетизма принципу взаимности, любая антенна может использоваться и для радиопередачи, и для радиоприема. Поэтому в ряде радиосистем функции излучения и приема радиоволн могут осуществляться одной и той же антенной.

К антеннам современных радиосистем предъявляется много требований, среди которых решающее значение имеют два:

1)направленность действия;

2)минимальные потери электромагнитной энергии (высокое значение КПД). Направленность действия означает распределение электромагнитной мощности в

пространстве (или реакция на приходящее электромагнитное поле при приеме) по

4

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

определенному закону. Требования могут быть абсолютно разные (от равномерного обзора всего пространства до способности излучать в очень узком секторе углов). Для создания узких лучей требуются большие размеры антенны. Проблемы достижения высоких значений КПД особенно остро стоят при создании антенн с размерами, меньшими длины волны λ .

Огромную роль в понимании работы радиосистем играет среда, в которой распространяется радиоволна. Однако этот вопрос достаточно подробно рассматривается в курсе "Электродинамика". Поэтому мы в основном ограничимся рассмотрением работы радиосистем в свободном пространстве.

Весьма важное значение в функционировании радиосистем имеют тракты СВЧ, соединяющие антенну с передающей и приемной радиоаппаратурой. Тракт осуществляет канализацию электромагнитных волн, обеспечивает правильный режим работы входных и выходных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутационные цепи и вращающиеся сочленения, устройства управления лучом в пространстве и поляризации радиоволн, устройства функционального контроля системы. Под трактом СВЧ понимают совокупность устройств СВЧ, сочлененных между собой для достижения поставленных целей. Наиболее распространенными элементами тракта являются отрезки линии передачи, переходные и стыковочные узлы, согласующие элементы, ответвители и поглотители мощности, фильтры, фазовращатели, коммутаторы, вентили, циркуляторы и т.д. В подавляющем большинстве случаев это пассивные линейные устройства.

В последние годы в антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работой, особенно в антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны обычно строятся в виде системы большого числа отдельных излучателей, фазы высокочастотного возбуждения которых регулируются независимо друг от друга с помощью быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств по командам ЭВМ. Вопросы создания управляющих систем подробно рассматриваются в курсах "Радиотехнические системы" и "Радиоавтоматика", но в данном курсе будут рассмотрены возможности и способы управления положением луча в пространстве, а также технические средства для регулирования амплитуд и фаз возбуждения излучателей антенных решеток.

Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн и трактов чаще всего не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Оказывается, что строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (уединенных вибраторов или щелевых излучателей) и типовых

5

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

элементов трактов (например, скачков размеров линий передачи, разветвлений) приводят к слишком сложным векторным функциям электрических и магнитных полей от трех пространственных координат. При проектировании антенн или их трактов совсем не обязательно знать полную картину распределения электромагнитного поля во всем объеме, а достаточно уметь определить отклик на сигнал в определенных сечениях.

Поэтому при расчете электрических характеристик антенн или трактов наряду со строгим решением граничных задач с успехом используются и более простые инженерные подходы. В первую очередь следует отметить общую теорию цепей СВЧ, базирующуюся на матричном аппарате линейной алгебры, теории функций комплексных переменных и другие разделы математики.

Антенны в современной радиоэлектронике. Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории и техники антенн. Развитие основных областей применения радиоэлектроники - связи, телевидения, радиолокации, радиоуправления, радиоастрономии, системы определения государственной принадлежности, системы посадки, радиоэлектроники противодействия, телеметрии и других - невозможно без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенны часто превращаются из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи элементов.

Конструктивно антенны также существенно видоизменились. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные фазированные антенные решетки (АФАР), антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции: определение угловых координат источника излучения (с возможно большей точностью и разрешающей способностью), усиление сигналов, пространственную, временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости.

С развитием техники антенн возросла их роль в радиотехнических системах, увеличилась их стоимость. В наибольшей степени это относится к ФАР, АФАР, антенным решеткам с обработкой информации. Реализуемые в настоящее время характеристики антенн предопределяют основные параметры радиосистем.

6

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Конструкция многоэлементных антенных систем оказывается весьма сложной и в основном определяет массогабаритные характеристики радиосистем. Развитие микроэлектроники и ее достижения нашли свое отражение и в антенной технике. Так, элементная база микроэлектроники применяется в антенных устройствах обработки сигнала и в системах управления лучом ФАР. Непосредственно в антеннах широко используются интегральные полосковые узлы, микрополосковые линии передачи и выполненные на их основе различные устройства СВЧ (фазовращатели, коммутаторы, смесители, усилители, фильтры и т.д.). Последнее время интенсивно разрабатываются печатные полосковые антенные решетки. Такой раздел микроэлектроники, как монолитные интегральные схемы, вообще практически создан для АФАР.

Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. На современном тяжелом самолете работают десятки антенн, а на авианосцах значительно больше. Астрономическими цифрами измеряется число действующей в армии связной, локационной и другой специальной радиоаппаратуры. Для обеспечения требуемых характеристик систем, сохранения их работоспособности в сложной помеховой непреднамеренной обстановке и при мощных импульсных воздействиях значительный вклад вносит поляризационная пространственновременная фильтрация антенных систем.

Стоимость антенных систем в больших радиотехнических комплексах может достигать до 30% стоимости всей системы. Особенно дорогостоящи АФАР. Так, один активный модуль может стоить сотни и тысячи долларов. Отсюда стоимость всей АФАР порядка сотен тысяч долларов. Аналогичные затраты делаются при разработке перспективных антенн - адаптивных и цифровых. Но в них основные затраты приходятся на систему обработки информации и процессоры, которые являются неотъемлемой частью соответствующих решеток. Этим объясняется большое внимание специалистов к решению проблем теории и техники антенн для отыскания путей их оптимального построения, снижения стоимости, более эффективного использования уже созданных радиосистем.

В заключение следует отметить еще одну особенность, связанную с развитием антенной техники в радиоэлектронике за последний период, - резкое расширение круга специалистов, работающих в данной области. Размещение радиосистем на летательных аппаратах часто требует нетрадиционного подхода к решению поставленных проблем, привлечения широкого круга специалистов в области прикладной электродинамики,

7

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

системотехники, радиотехнических устройств, электроники, автоматики, метрологии, конструирования и технологии производства. Так, в передающих или приемных АФАР передатчики или приемники перестают быть отдельными устройствами и становятся составной частью сложной антенной системы. Построение модуля - "кирпичика" такой АФАР в твердотельном исполнении требует совместной работы указанных специалистов.

Цифровая обработка сигналов, радиооптические системы, автоматизация производства - вот основные перспективные направления, требующие дополнительного привлечения широкого круга специалистов.

8

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.УСТРОЙСТВА ФИДЕРНОГО ТРАКТА СВЧ

1.1.Элементы интегральных схем СВЧ

Винтегральных схемах СВЧ различают элементы с распределенными и сосредоточенными параметрами. Элементы с сосредоточенными параметрами имеют максимальный размер l , значительно меньший, чем длина волны в линии (как правило, l / Λ < 0,1). В этом случае можно пренебречь фазовым сдвигом элемента.

При большом объеме выпуска интегральных схем элементы с сосредоточенными параметрами дешевле элементов с распределенными параметрами. Кроме того, они обладают большей широкополосностью. Однако на частотах больше 10 ГГц элементы с сосредоточенными параметрами имеют более высокие потери и низкую добротность по сравнению с элементами с распределенными параметрами, а также обладают паразитными связями. Поэтому на частотах больше 10 ГГц применяются главным образом элементы с распределенными параметрами.

Рассмотрим наиболее типичные элементы интегральных схем СВЧ. Последовательную индуктивность можно выполнить в виде отрезка

длина волны. Недостатки схемы - большие габариты, трудности при подстройке. Параллельная индуктивность - короткозамкнутый шлейф с высоким волновым

сопротивлением (рис.1.1,б). Значение индуктивности рассчитывается по формуле (1.1), длина шлейфа l . Если есть необходимость избежать короткого замыкания, надо делать разомкнутый шлейф длиной Λ / 4 < l < Λ / 2 . Малые индуктивности (до единиц наногенри) выполняются в виде прямоугольных проводников либо в виде петли или квадрата, как показано на рис.1.1,в. В качестве дросселей и контурных индуктивностей используются спиральные индуктивности

9

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рис.1.1. Элементы интегральных схем СВЧ

круглой или прямоугольной формы. Современная технология позволяет получить индуктивности от единиц до сотен микрогенри. В нижней части диапазона СВЧ используются обычные малогабаритные катушки индуктивности.

Последовательная емкость может быть образована зазором в линии передачи (рис.1.1,г). Такая емкость обычно невелика (единицы пикофарад) и может быть рассчитана по формуле

Несколько большие емкости (10 - 20 пФ) можно получить на основе гребенчатых структур (рис.1.1,д). К достоинствам таких структур можно отнести высокую добротность (~ 700) и простоту исполнения.

10

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com