Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (Устройства СВЧ и антенны. редакция Д.И. Воскресенский)

Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев Устройства СВЧ и антенны Под редакцией Д. И. Воскресенского Издательство «Радиотехника» Мосхва 2006 3)4Иббйбе396з67 ИВВ. 3 - ЗР и ББК 32.84$бои Учебник Рецензенты В. В. Чебытее— докт. техн. паук, проф., зав. кафедрой азтехиическая электрадинамнка и автенныи Масковстио птуларственпого университета связи н информатики (МТУСИ); В. А Кашун— докт.

техн. наук, проф., зав. кафедрой «Радиотехнические устройства и снсгемыв Москавшого гоаударствеинага открмтого упиаерсишта (МГОУ) Воскресенский Д.И« Гостюхин В,Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. В76 Устройства СВЧ н антенны / Под ред. У2 И. Воскресеискоеа. Изд. 2-е, доп н перераб. — Мз Радиотехника, 2006. — 376 си ил. !ВВР) 5-88070-086-0 Рассмотрены основные разделы теории и техники антенио-фидерных устройств, изломаны основы теории линий передачи и представлены различные устройства СВЧ а использованием матричного описания их внешних характеристик.

Освешеиы вопросы настроения и расчета различных типо» антенн и аитениых решеток, особое заикание уделено антеннам СВЧ н основам проектирования антенных систем с пространственно-временной обработкой сигнала. Дли студеитае радиотехнических сиеииаиьнастей емстиз Зтебимз заведений. )ВВР) 5-88070-086-0 УДК 62К396.67 ББК 32.845.4 67 Авторы, 2006 Ю Издательство «Радиотехника», 2006 ПРЕДИСЛОВИЕ Одной из наиболсс быстро развивающихся областей радиоэлектроники является техцика антенн и устройств СВЧ. уровень се развития во многом определяет состояние телекомуникацнонных систем, радиолокации, навигации, связи, радиауправлсния, телеметрии, радиоастрономии. Современные достижения в технике антенн н СВЧ-устройств бюируются на последних разработках электроники, полупроводниковой техники, технической кибернетики, когерентиой радиооптики и т.д. Новые характеристики радиоэлектронных систем во многих случаях достигаотся благодаря органическому слиянию антенны с передающими, приемными устройствами и системой пространственно-временной обработки сигналов.

Увеличение числа одновременно работающих радиосистем приводит к насыщенности окружающего пространства радиосигналами, что вызывает необходимость электромагнитной совместимости (ЗМС) этих систем. Для решения этого вопроса создаются антенные системы, способныс адаптироваться в окружающей обстановке. Различные объекты, например летательные аппараты, имеют десятки антенн риных диапазонов и назначений, и обеспечение их ЭМС ва многом зависит от характеристик антенн. Настоящая книга является учебником для студентов технических университетов, обучающихся по радиотехническим специальностям. Изложение материала ведется в предположении, что читатель знаком с общими разделами высшей математики, теории Радиотехнических цепей и сигналов, электродинамики и распространения радиоволн а рамках существующих программ. К настоящему времени издано достаточно много удачных монографий, учебных пособий и учебников по теории (анализу и синтезу), проектиРованию (включая автоматизированное) и практическому примененюо антенн и устРойств СВЧ (по отдельным направлениям испольювания, диапазонам волн и тд ).

Однако эти книги, изланиые десятилетие назад, нс удовлетворяют современным требованиям, так как содержат нс все разделы современного курса. В настоящем учебнике материал излагается без привлечения дополнительных рюделов математики и фюнки и прелназначен Лдя читателя, впервые знакомвщегося с данной технической дисциплиной. Второе излание учебника написано на основе многолетнего опыта чтения курса «Антенны и устройства СВЧэ в МАИ. Вму предшествовшю издание болыпого числа конспектов лекций и учебных пособий.

Основная цель данного учебника — дать общее, полное пРедставление курса, избегая перегрузки современной математической (достаточно сяожной) теорией антенн и устройств СВЧ. Авторы также не включили многие «онструкторско-технологические вопросы антенно-волноаодной техники, считая, что . онн изучаются во время курсового проектирования. Материалы учебника распределяются межлу авторами слелующим обрюом. )ьИ. Воскресенским написаны гл.

1, п. 12.! — 129, !44, гл. !8, п. 20.1, 20.2; ВЛ. Гостюхиным — гл. 10,11, п. 12,10, 12.11, 14.1-143, 145 — 148, гл. 17, п 202 — 204; В,М. Максимовым — гл. 2 — 9, 19; Л.И. Пономареаъгм — гл. 13, 15, 16, л. 20.5 Подготовка специалиста лля даииой области радиоэлектроники после изучения зтаго курса продолжается зиакамством с диспиплинами, устанавливаемыми Советом института а рамках существующих соепивлизапий (например, кМикроволиовые техника и аитеииы>г).

Основное внимание в курсе улелеио изучению аитеии СВЧ как устройств, иаибо. лее распространенных и соответствующих теиденпияи современного развития радиозлекгроиики, Две составиые части курса (устройства СВЧ и антенны), хотя и тесно связаны между собой, допускают различный порядок их изучения. Отступление ог прииятого в учебнике порядка иъзожеиия во многом зависит от проводимого параллельио цикла лабораториых работ. Ааторм Часть! ВВЕДЕНИЕ В КУРС «УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ». ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ СВЧ Глава 1 Основныв характеристики антенн и устройств СВЧ 1.1.

Антенны н устройства СВЧ в радиосистемах Антенно-фидерное устройство является неотьемлемой частью всякой радиотехнической системы Все области применения радиоволн (радиоэокация, радиосвязь, телевидение, радионавигация, радиоуправленне, радиоастрономия и др ) не могут оыть реализованы без антенн — устройств для излучения и приема электромагнитных волн. В любой радиолииии имеются передающая и приемная станции, связь между которыми осуществляется электромагнитными волнами (рис. !.

!). Рис. !.!. Схема тнннн радиосвязи ! - мнлаюшм аюсана,з — аашннм юп»нн», 3 — перел»юшия филер, 4- »р~юм»на фюср Поясним роль основных элементов, вхоляших в радиосистему. Переломи!ля антенна преобразует подведенную фидером эцергию высокой частоты (ВЧ), выработанную передатчиком, в энергию электромагнитных волн н обеспечивает излучение в заданном направлении. Прививая антенна улавливает и преобразует энергию прихоляших свободных электромагнитных волн в энергию направляемых электромагнитных волн, перелавасмых фндером в приемник. Фидер является устройсгвом, канализирующим энергщо ВЧ, т.е.

передающим Энергию от передатчика к передающей антенне или от приемной антенны к приемнику Поэтому филер в ряде случаев нюывают линией передачи ВЧ или СВЧ (сверхвысокой частоты). Термин кфндер» наиболее широко распространен а рааиосвязи. В ралиолокации, ралионавигшпии и радноуправленни, использующих диапюон СВЧ. вместо термина кфилер» используют понятие ктракт СВЧш Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных воли свободного пространства в энергию электромагнитных воли направляемых фидером, являясь своего рода в генератором», и поэтому обладает свойством обратимости, т.е.

приемная антенна может быть передающей, и наоборот. Между свойствамн приемной н передающей антеян, как будет показано ниже, существует теснаа связь, что позволяет рассматривать основные характеристики антенн, не акцентируя внимание иа том, ящшется она приемной или передающей. Эти характеристики антенно-фидериых устройств опредеящотся яазначением радиосистемы, техническими требованиями, предьявляемыми к ней, а также условиями размещения, рабаты и эксплуатации. Анжелло фидерное ус»йюйсжво, обеспечивающее излучение и прием ралиаволн,— неотьемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д.

Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозашишениостн, частотных, энергетических и других характеристик антеин во многом зависит от рабочего диапазона воли. Хотя в радиотехнических системах используют разные диапазоны частот, сверхвысокие частоты (СВЧ) получают все более широкое применение. Это объясняется вазможностями реализации в антеннах СВЧ-характеристик, влияющих иа важнейшие показатели качества всей радиосистемы. Так, в диапазоне СВЧ антенны могут созлавать остронаправленное излучение с лучом шириной до долей градуса н усиливать сигнал в десятки и сотни тысяч раз. Э ю позволяет использовать антенну не только для излучения и приема радиоволн иа большие расстояния, ио и для пеленгации, борьбы с помехами, обеспечения ЭМС систем и ряда других зааач. Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники — связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а такие в системах инструментальной посалки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиоазрыватслей, радиотелеметрии и лр Успешное развитие радиоастрономии н освоение космоса во многом связаны с достижениями антенной техники СВЧ.

В последние годы иамечаютсл новые области использования СВЧ антенной техники, например для передачи СВЧ энергии иа большие расстояния. Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабоиаправлеиных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет ие только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния различных олновременио работающих систем, т.е. обеспечивать нх электромагнитную совместимость (ЭМС).

Прн этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость лвижения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн — фазированных антенных решеток (Пгдр). Пр е ние бгАР лля ос роения сканируюш сцэона равле ант позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения элек- тромагннтных волн (ЭМВ) в окружыошем пространстве.