Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988)

Д.М.Сазонов АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА допущено йниистерствои высшего и среднего щециельного обрезоввния СССР г качестве учебника тли студентов вузов, обучввщихся ~о сиеннилъности еРвлиотехиикаь ® . МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛАе 1988 ВВК 32.845 С14 УДК 621.396.67 Рецензенты: кафедра антенно-фидериых устройств Московского института радиотехники, злектроники и автоматики (зан. кафедрой д-р техн. наук, проф. Б. Б. Никольский); кафедра технической електродинаынки и антенн Ленинградского электротехнического института связи им. М.

А. Бонч-Бруевича (зав. кафедрой д-р техн наук, проф. Б. И. Машконнен) Сазонов Д. М. С14 Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич спец. вузов.— М.: Высш. шк., 1988.— 432 с.: ил. !ЯВИ 5 — 06 — 001149 — 6 Учебник состоит нв двух честей. В первой части ивложеиы основные понятия. Расчетные методы н приюипы конструктивной Рееливвнни современных антенных устройств СВЧ и трактов питание витеян.

Ивложенне ведетси с испольэоввинеи матричного описания испей СВЧ. орнентвроввниого ме прямеиеиие ЭВЫ н овлеление совреиенвымн иегодеий проекгнооввння с нсполыоввинем САПР. Во второй части изложены основные понятия. Расчетные методы . н конструктивные скеиы современных антенных устройств. Особое внимание уделено сквннрукинни Фввнровемиым антенным режсисеи в апеотурныи антеннам.

ББК 32.648 8Ф2.12 С 2402020000(4307000000) — 101 184 — 88 001(01) — 86 1ЬВ)т) 5 — 06 — 001149 — 6 ф) Издательство «высшая школа», 1988 ПРЕДИСЛОВИЕ Основной целью изучения дисциплины «Антенны и устройства СВЧ» является усвоение теоретических понятий, расчетных методов н принципов конструирования современных антенных систем и трактов их питания, включая подготовку к пользованию существующими и разрабатываемыми системами автоматизированного проектирования.

Предполагается знание общих 'разделов высшей математики, основ теории цепей, уравнений Максвелла. Из курса электродинамики читателям должны быть известны характеристики электромагнитных волн в линиях передачи и в неограниченном пространстве, а также основополагающие принципы взаимности, двойственности, эквивалентности и энергетическая теорема Умова— Пойнтинга.

В порядке напоминания соответствующие сведения в кратком виде даны в приложении к учебнику. Материал настоящего учебника сохраняет преемственность с учебником Г. Х. Маркова, Д. М. Сазонова «Антенны» (1975) и учебным пособием Д. М. Сазонова, А. Н. Гридина, Б. А. Мишустина «Устройства СВЧ» (1981). В отличие от указанных книг здесь теоретические вопросы и примеры конструкций антенн и устройств СВЧ рассматриваются параллельно, без разделения материала на две отдельные части. Из-за ограниченности объема не выделены разделы, посвященные измерению характеристик антенн и устройств СВЧ, а также антеннам коротких, средних и длинных радиоволн.

Однако соответствующие теоретические предпосылки по данным вопросам содержатся в других главах книги в объеме, соответствующем программе курса. Для углубленного изучения этих вопросов рекомендуем обратиться к работам 15, 61 а также к гл.15— 16 учебника 111. Автором с глубокой благодарностью приняты и учтены критические замечания и советы уважаемых рецензентов: профессоров В. В. Никольского и А.

3, Фрадина, доцентов В. Б. Брауде и В. М. Гончаренко. Автор также выражает признательность коллегам по кафедре «Антенные устройства и распространение радиоволн» Московского энергетического института (зав. кафедрой— д-р техн. наук, проф. Е. Н. Васильев) за постоянное внимание и поддержку прн работе над книгой н благодарит читателей, приславших замечания и предложения по ранее вышедшим книгам «Антенны» и «Устройства СВЧ». Отзывы и предложения следует направлять по адресу: 1О!430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д.

29/14, издательство «Высшая школа». Д. М. Сазонов Неотъемлемыми составными частями современных радиотехниееских средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ. Чтобы понять роль и значение антенн и трактов, рас=мотрим обобщенную структурную схему радиотехнической системы, показанную на рис. В.1. Назначение передающей антенны со:тоит в преобразовании направляемых электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линиям передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства Иииесрееа Ы"<рЕ. ~ еаримииияие ибиекац исмииииии иаме» уемие Рнс. Вд. Структурная схема радисснстемы Приемная антенна, напротив, преобразует падающие на нее свободные пространственные волны в направляемые по линиям передачи волны, поступающие в приемный тракт.

Это преобразование свободных электромагнитных волн в связанные неизбежно сопровождается некоторым обратным излучением. Поле обратного излучения приемной антенны накладывается на первичное поле передающей антенны таким образом, что общая переносимая на бесконечность мощность этих двух полей оказывается уменьшенной на извлеченную приемной антенной из падающего на нее поля мощность.

Принципиальной разницы между устройством передающей и приемной антенн нет. Согласно известному из теории электро- магнетизма принципу взаимности, любая антенна может использоваться и для радиопередачи, и для радиоприема. Поэтому в ряде радиосистем функции излучения и приема радиоволн могут успешно осуществляться одной и той же антенной.

К антеннам современных радиосистем предъявляется много требований, среди которых решающее значение имеют два. Первое требование — направленность действия, т. е. распределение электромагнитной мощности в пространстве (иля реакция на приходящее электромагнитное поле при радиоприеме) по определенному закону. В одних случаях желательно обеспечить равномерность действия антенны по всем направлениям, в других требуется концентрировать излучение или осуществлять радиоприем в пределах достаточно узкого углового сектора — так называемого луча.

Для формирования узкого луча размеры антенны должны во много раз превышать рабочую длину волны радиосистемы. Второе требование — излучение или радиоприем должны сопровождаться минимальнымн потерями электромагнитной мощности на нагрев проводников и диэлектриков антенны, т. е. антенна должна иметь высокий КПД. Проблема достижения высокого КПД особенно остро проявляется при создании антенн, размеры которых малы в сравнении с длиной волны. Для цонимания особенностей функционирования антенн з реальных условиях, правильного выбора рабочих частот радиосистемы и параметров антенн большое значение имеют свойства среды, в которой распространяются электромагнитные волны.

Однако эти вопросы составляют содержание отдельного курса «Электродннамнка и распространение радиоволн». Поэтому по установившейся традиции в данном учебнике характеристики антенн изучаются в идеализированных условиях свободного пространства, а свойства среды и условия внешнего окружения антенны могут быть учтены затем методами теории распространения волн. Весьма важное значение в функционировании радиосистем имеют тракты СВЧ (рис.

В.!), соединяющие антенны с передающей или приемной радиоаппаратурой, Тракт осуществляет канализацию электромагнитных волн, обеспечивает правильный режим работы выходных и входных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и вращающиеся сочленения, устройства управления положением луча антенны в пространстве и поляризацией радиоволн, устройства контроля функционирования системы. Кроме антенных устройств тракты СВЧ широко используются в разнообразной измерительной аппаратуре, в частности для определения параметров различных сред, в ускорителях элементарных частиц, при нагреве СВЧ н сушке изделий, в медицине и др. Поэтому в более широком смысле под трактом СВЧ понимают соеокупнорть устройств СВЧ, сочлененных между собой определенным образом для достижения поставленных целей.

Наиболее распространенными элементами тракта являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы, согласующие элементы, ответвители и поглотители мощности, фильтры, фазовращатели, невзанмные устройства с ферритами, коммутирующие устройства. В подавляющем большинстве случаев как антенны, так н обслуживающие их тракты относятся к классу линейных и пассивных радиотехнических устройств и в конструктивном отношении представляют собой сочетание деталей и элементов, выполненных из проводников, диэлектриков и магннтодиэлектриков.

В последние годы в антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работой (рис. ВЛ), особенно в' антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны, называемые фазированными антенными решетками (ФАР), обычно строятся и виде системы большого числа отдельных излучателей, фазы высокочастотного возбуждения которых регулируются независимо с помощью быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств по командам ЭВМ.

Вопросы создания управляющих систем для антенн и трактов относятся к курсам «Радиотехнические системы» н «Радноавтоматика» и поэтому здесь не рассматриваются. Однако при изложении теории антенн будут специально обсуждены возможности и способы управления положением луча антенны в пространстве, а при рассмотрении элементов трактов СВЧ вЂ” технические средства для регулирования амплитуд и фаз возбуждения излучателей антенных решеток. Процессы излучения и приема радиоволн антеннами, а также процессы передачи электромагнитных волн в трактах СВЧ и образующих их элементах относятся к весьма сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля (электродинамика), основанная на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями. 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.