Устройства СВЧ и антенны Семестр 1. Введение. Линия радиосвязи. История развития антенн. Классификация антенн. Классификация линий передачи СВЧ. 1 Лекции Практические занятия Лабораторные работы Итоговая аттестация – зачет (часть 1) и экзамен (часть 2). В курсе изучаются функциональные блоки фидерного тракта и антенная система. 2 Рекомендуемая литература 1. Воскресенский Д.И., Гостюхин А.В., Максимов В. М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника. 2016. 2. Методические указания к практическим занятиям по исследованию длинных линий и симметричного вибратора с согласующими устройствами / Под ред. Е.Н. Воронина. М.: МАИ. 1998. 3. Учебное пособие по лабораторным работам по курсу «Устройства СВЧ и антенны» «Вибраторные антенны» / Под ред. Л.И. Пономарева. М.: МАИ. 2016. 4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Учебник для радиотехнич. спец. ВУЗов. М.: Высшая школа. 1988. 3 4 5 • Передающая антенна преобразует подведенную фидером энергию высокочастотных колебаний в энергию электромагнитных волн и обеспечивает излучение в заданном направлении. • Приемная антенна преобразует энергию свободных электромагнитных волн в энергию направляемых электромагнитных волн, передаваемых фидером в приемник. • Фидер (линия передачи) передает энергию от передатчика к передающей антенне и от приемной антенны к приемнику. 6 Схема линии радиосвязи : 1 – передающая антенна; 2– приемная антенна ; 3 – передающий фидер ; 4 – приемный фидер. Антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот. Фидер является устройством, канализирующим энергию ВЧ, т.е. передает энергию от передатчика к передающей антенне или от приемной антенны к приемнику. Поэтому фидер в ряде случаев называют линией передачи ВЧ или СВЧ (сверхвысокой частоты). Термин фидер наиболее широко распространен в радиосвязи. В радиолокации, радионавигации и радиоуправлении использующих диапазон СВЧ взамен термина фидер используют понятие тракт СВЧ. 7 Передача сигнала от передающего устройства к приемному 8 Схема линии радиосвязи: 1 – передающая антенна; 2– приемная антенна; 3 – передающий фидер; 4 – приемный фидер. Требования: 1) передать энергию от ПРД к антенне без потерь (или от антенны к ПРМ) => хорошее согласование (убирает отраженные волны); 2) антенне – создать требуемую диаграмму направленности (распределить энергию) => требуется распределитель энергии. Излучение антенны – объем (линия), на которой можно выделить реальные, эквивалентные и фиктивные токи: D e rot H g t rotE B g м t D B , эквивалентные токи; g e физический (реальный ток); g м фиктивный ток t t 9 Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Между свойствами приемной и передающей антенн существует тесная связь, что позволяет рассматривать основные характеристики антенн, не акцентируя внимание на том, является ли она приемной или передающей. Эти характеристики антенно-фидерных устройств определяются назначением радиосистемы, техническими требованиями, предъявляемыми к ней, а также условиями размещения, работы и эксплуатации. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. 10 Основные задачи теории антенн можно разделить на два класса – задачи анализа и задачи проектирования, причем и те, и другие, как правило, решаются применительно к передающему режиму. В конструктивном отношении антенны представляют собой устройства или сооружения, выполненные в общем случае из металла, диэлектрика (магнитодиэлектрика) и характеризуются размерами, выраженными обычно в длинах волн. Если геометрия антенны полностью известна и известны электрические параметры образующих ее проводников и диэлектриков, то задача анализа заключается в нахождении электрических характеристик антенны. Эта задача, в свою очередь, сводится к определению электромагнитного поля во всех точках пространства, окружающего антенну, что позволяет в конечном счете получать такие основные характеристики, как диаграмма направленности, входное сопротивление (или уровень согласования антенны с питающим фидером) и др. Задача анализа решается исходя из следующих условий: искомые поля должны удовлетворять уравнениям Максвелла, граничным условиям на поверхности раздела при переходе из одной среды в другую и условиям излучения (поле на большом расстоянии от антенны должно представлять расходящуюся бегущую волну, амплитуда которой с увеличением расстояния убывает как 1/r). 11 В подобной строгой постановке решение задачи анализа встречает серьезные математические трудности и получено в настоящее время только для некоторых частных случаев. Более распространены приближенные методы решения задач анализа, согласно которым расчет антенн разделяется на две части: «внутреннюю» задачу и «внешнюю» задачу. Внутренняя задача состоит в определении токов в антенне (реальных или эквивалентных). Внешняя задача заключается в том, что по известному распределению токов определяется поле излучения антенны, при этом широко используется метод суперпозиции, сводящийся к разбиению антенны на элементарные излучатели (элементарный электрический вибратор, элементарный магнитный вибратор или элемент Гюйгенса) и последующему суммированию их полей. Задачей проектирования является нахождение геометрических размеров конструкции, обеспечивающей требуемые электрические характеристики. Важным вопросом в процессе проектирования является выбор типа антенны. Если он заранее не оговорен, то его выбор на этапе структурной оптимизации обычно проводится путем сравнения нескольких разновидностей антенн на основе опыта предшествующих разработок. При традиционном проектировании после выбора типа антенны расчет ее ведется методом последовательных приближений, т.е. путем изменения параметров – размеров антенны и ее элементов (этап параметрической оптимизации) и 12 сравнения электрических характеристик с требуемыми. Задачи теории антенн Задача анализа Внутренняя Задача синтеза Внешняя 13 Современное состояние теории антенн позволяет в некоторых случаях, минуя этап параметрической оптимизации, основанный на многократном переборе параметров, непосредственно, путем некоторой однократной процедуры связать электрические характеристики, в частности, форму ДН и геометрические параметры антенн, т.е. решить задачу синтеза антенн. Известны две постановки задачи синтеза: классическая задача синтеза и задача конструктивного синтеза. Классическая задача синтеза из них заключается в отыскании амплитуднофазового распределения тока (или поля), соответствующего заданным электрическим характеристикам. При решении этой задачи тип антенны особого значения не имеет, достаточно, чтобы была известна форма излучающей части антенны. Решение классической задачи синтеза еще не позволяет определить конструкцию антенны, которая воспроизводит найденное распределение тока. Задача конструктивного синтеза сводится к определению полной геометрии антенны по заданным электрическим характеристикам, причем исходным параметром при решении этой задачи обычно является амплитуднофазовое распределение, найденное в результате решения классической задачи синтеза. С теоретической точки зрения задача конструктивного синтеза существенно сложнее, чем классическая задача синтеза, поэтому часто ее приходится решать приближенно. 14 Решение основных задач теории антенн, особенно в строгой постановке, требует, как правило, применения ЭВМ. При этом ЭВМ используются в качестве расчетного инструмента не только для быстрого получения характеристик исследуемых антенн, но и для ускорения и повышения качества проектирования антенно-фидерных устройств, что достигается применением систем автоматизированного проектирования (САПР). 15 История развития антенн Первые антенны были созданы в 1888 г. Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны. В первый период существования радиотехники использовались СДВ и ДВ диапазоны волн, и применяемые антенны относительно к длине волны малых размеров рассматривались по аналогии с колебательными контурами как системы с сосредоточенными постоянными. Такие антенны с их теорией можно условно назвать “точечными антеннами”. С середины 1920-х гг. радиотехника переходит к средним и коротким волнам. Начали применяться антенны, состоящие из вибраторов, длины которых стали сравнимы с рабочей длинной волны, хотя поперечные размеры оставались малыми по сравнению с ней. Этот этап развития можно условно назвать “линейными антеннами”. Для этого класса антенн потребовалось развитие теории, основанной на теории длинных линий и теории излучения комбинации линейных токов. Существенным фактором этого периода явилась возможность создания остронаправленного излучения. 16 Освоение СВЧ-диапазона, начавшееся в 1950-е гг., связано с применением антенн, все три измерения которых велики по сравнению с длиной волны. Этот класс можно условно назвать “объемными антеннами”, а их теорией стала теория антенн СВЧ. Этой теории в настоящем курсе и будет уделено основное внимание. Развитие ракетно-космической техники привело к возникновению в 1960-х гг. электрически сканирующих антенн, позволяющих осуществлять быстрый (безынерционный) обзор пространства, сопровождение целей, обнаружение и т.д. Этот этап развития привел к появлению фазированных антенных решеток (ФАР). Он может быть условно назван ”класс ФАР”. Последний период развития теории и техники антенн, который захватывает и наши дни, может быть условно назван “класс активных антенн“. Этот период характеризуется использованием антенных систем (приемных и передающих) с активными элементами, адаптивных антенных систем, многофункциональных, самонастраивающихся и др. В таких системах одновременно может происходить пространственно-временная обработка сигнала с целью существенного улучшения характеристик всей радиотехнической системы по сравнению с применением обычной ФАР. 17 Область применения Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники – связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а такие в системах инструментальной посадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиовзрывателей, радиотелеметрии и др. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многом связаны с достижениями антенной техники СВЧ. В последние годы намечаются новые области использования СВЧ антенной техники, например для передачи СВЧ-энергии на большие расстояния. Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т.е. обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн - фазированных антенных решеток (ФАР). 18 Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн (ЭМВ) в окружающем пространстве. Дальнейшее улучшение характеристик радиотехнических систем с ФАР, таких как разрешающая способность, быстродействие, пропускная способность, дальность обнаружения, помехозащищенность и др., можно обеспечить, совершенствуя методы обработки. При этом антенна служит первичным звеном обработки и в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. Применяемые на практике антенны из простых устройств превратились в сложнейшие системы, имеющие более десятков тысяч излучателей, активных элементов, фазовращателей, управление которыми обеспечивается специальной ЭВМ. Сложная конструкция таких антенн в основном определяет габаритные размеры и стоимость всей радиосистемы. Стремление сократить время создания новой техники, увеличить производительность труда, оптимизировать параметры создаваемых систем привело к необходимости автоматизации проектирования. Однако автоматизация проектирования антенн и СВЧ устройств существенно отличается от автоматизации проектирования в микроэлектронике, системотехнике и радиоэлектронике и включает разработку, вопервых, физических, математических и электродинамических моделей разного уровня сложности, адекватных реальным устройствам; во-вторых, численных методов решения краевых задач электродинамики; в-третьих, алгоритмов и программ решения систем операторных уравнений. 19 Отличительной особенностью современных антенно-фидерных устройств является сложность их теории: определение поля в пространстве сводится к решению векторных волновых уравнений в комплексной форме при сложных граничных и начальных условиях. К этому следует добавить, что в устройствах используют электрически управляемые полупроводниковые приборы и гиротропные среды (ферриты, газоразрядную плазму, сегнетоэлектрики), магнитная или диэлектрическая проницаемость которых является тензорной величиной. Прямые электродинамические методы решения этих краевых задач (решение уравнений Максвелла) в принципе позволяют получить строгие решения задач, но требуют для большинства случаев применения различных методов решения математической физики (векторного, тензерного, матричного, вариационного исчислений, уравнений с частными производными, интегральных уравнений, специальных функций и др.). Применение этих методов ограниченно, так как из-за математических трудностей решение не всегда удается завершить, а если и удается, то для инженерных расчетов оно мало пригодно вследствие громоздкости и сложности использования, даже при применении современных вычислительных средств. 20 Классификация антенн c f 10 м -> 30 МГц; 1 см -> 30 ГГц. В теории антенн при рассмотрении их основных характеристик и методов расчета независимо от диапазона работы принято выделять классы антенн: •остронаправленные; •диапазонные и сверхширокополосные; •электрически сканирующие; •слабонаправленные, устанавливаемые на борту ЛА, в которых учитывается явление дифракции на наружной поверхности ЛА. 21 22 Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны (начало) Границы диапазон ов Диапазон частот Длина волны 3-30 Гц Крайне низкие (КНЧ) 105-104 км Декамегаметр овые 30-300 Гц Сверхнизкие (СНЧ) 104-103 км Мегаметровы е 0,3-3 кГц Инфранизкие (ИНЧ) 1000100 км Гектокиломет ровые 3-30 кГц Очень низкие (ОНЧ) 100-10 км Мириаметров ые 30-300 кГц Низкие частоты (НЧ) 10-1 км Километровы е Длинные волны (ДВ) 0,3-3 МГц Средние частоты (СЧ) 1-0,1 км Гектометровы е Средние волны (СВ) 3-30 МГц Высокие частоты (ВЧ) 100-10 м Декаметровые Короткие волны (КВ) Диапазон волн Область применения и особенности распространения Связь с подводными лодками, геофизические исследования Сверхдлинн ые волны (СДВ) Связь с подводными лодками Дальность связи – несколько тысяч км. Радиовещание, радиосвязь Дальность связи – несколько тысяч км. Распространение – земная и ионосферная волны. Радиовещание, радиосвязь, рации, подвижная связь Дальность связи – до нескольких тысяч км. Распространение – ионосферная волна. 23 Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны (продолжение) Границы диапазон ов Диапазон частот 30-300 МГц Очень высокие (ОВЧ) 10-1 м Метровые Телевидение, радиовещание, радиосвязь, рации Дальность связи – до нескольких сотен км. Распространение – пространственная волна, тропосферное рассеяние, дифракция. 0,3-3 ГГц Ультравысокие (УВЧ) 1-0,1 м Дециметро вые Телевидение, радиосвязь, Мобильные телефоны, рации, микроволновые печи, спутниковая связь Дальность связи – ≤ 100 км; земля-космос. Распространение – пространственная волна, тропосферное рассеяние, дифракция, в пределах прямой видимости. Длина волны Диапазон волн 3-30 ГГц Сверхвысокие (СВЧ) 10-1 см Сантиметр овые 30-300 ГГц Крайне высокие (КВЧ) 10-1 мм Миллиметр овые Ультра короткие волны (УКВ) Область применения и особенности распространения Радиолокация, спутниковое телевидение, радиосвязь, беспроводные компьютерные сети, спутниковая навигация Дальность связи – ≤ 30 км; земля-космос. Распространение – в пределах прямой видимости. Радиоастрономия, высокоскоростная радиорелейная связь, метеорологические радиолокаторы, спутниковая связь Дальность связи – ≤ 20 км; земля-космос. Распространение – в пределах прямой видимости. 24 Деление диапазона радиоволн на поддиапазоны (окончание) Границы диапазоно в Диапазон частот Длина волны Диапазон волн 0,3-3 ТГц Гипервысокие (ГВЧ) 1-0,1 мм Децимиллиметровые 0,3 ТГц – 429 ТГц Инфракрасное излучение 1 мм 780 нм 429 ТГц 750 ТГц Видимое (оптическое) излучение 780380 нм 7,5×1014 Гц - 3×1016 Гц Ультрафиолет овое 380 10 нм Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. 3×1016 6×1019 Гц Рентгеновские 10 5×10−3 нм Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. более 6×1019 Гц Гамма менее 5×10−3 н м Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. Область применения и особенности распространения Регистрация изображения в длинноволновом ИК (которое излучается теплокровными организмами, но, в отличие от более коротковолнового ИК, не задерж. диэлектрическими материалами). Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. 25 Рекомендация МСЭ-R V.431-8 (08/2015) https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/v/R-REC-V.431-8-201508-I!!PDF-R.pdf 26 Некоторые диапазоны частот иногда обозначаются с помощью букв. Такие обозначения состоят из заглавных букв, рядом с которыми могут стоять индексы (обычно строчная буква). В настоящее время нет стандартного соответствия между буквами и рассматриваемыми диапазонами частот, и одна и та же буква может 27 использоваться для обозначения нескольких различных диапазонов. Распространение радиоволн Имеется много методов моделирования потерь распространения сигнала. Методы моделирования отличаются, но все они используют расстояние между передатчиком и приемником как основной параметр. Потери распространения сильно зависят от расстояния между передатчиком и приемником. Другие эффекты могут также учитываться в дополнение к основному фактору. Например, в спутниковой связи атмосферные эффекты и поглощение за счет осадков являются доминирующими в определении мощности принимаемого сигнала. Традиционная модель распространения радиоволн в свободном пространстве основана на концепции расширяющегося сферического фронта волны при излучении сигнала от точечного источника в пространстве. Эта модель используется, в основном, в спутниковых системах связи дальнего космоса, где сигналы распространяются сквозь «свободное пространство». Например, в системе мобильной связи появляются дополнительные потери изза препятствий и другие помехи, поэтому необходимы более сложные модели, чтобы предсказать потери при распространении. 28 Специфика распространения радиоволн Для свободного пространства (без учета влияния земной поверхности, атмосферы и других факторов) затухание сигнала (на это указывает знак «-») составит L0 R 20 lg 4 R где λ – длина волны; R - расстояние. L0 R 32,44 20 lg f 20 lg R где f - рабочая частота, МГц; R - расстояние, км. Наклон данной характеристики составляет ≈20 дБ на декаду. 29 Инструменты для планирования радиотрассы Главное, что нужно учесть при планировании радиотрассы на открытой местности - это расстояние между точкой-клиентом и базовой станцией (точкойбазой). Однако существуют и другие важные факторы - к примеру, зона Френеля. Зона Френеля - это область, окружающая линию прямой видимости, которая соединяет две точки беспроводной сети. Для хорошего качества сигнала различные препятствия на местности (элементы рельефа, строения, деревья) не должны пересекать не только линию прямой видимости, но и зону Френеля. Объекты в ней значительно ухудшают сигнал, вызывая фазовые отражения. 30 Если линию прямой видимости провести довольно просто визуально, то с расчетом зоны Френеля все обстоит сложнее. Например, имеется программное обеспечение AirLink (http://airlink.ubnt.com), которое в сочетании с плагином Google Earth дает возможность заранее проверить жизнеспособность радиотрассы. AirLink учитывает расстояние, высоту мачты, параметры используемого оборудования, расположение зоны Френеля и в качестве выводов предоставляет расчетную производительность соединения. 31 Профиль высот между двумя точками http://www.rk1at.ru/v/v.html 32 Затухание, вызванное осадками (гидрометеорами) на трассе длиной 1 км: 1,3,6 – туман или облачность (0,032; 0,32; 2,3 г/м3); 2 – моросящий дождь (0,25 мм/г); 4 – слабый дождь (1 мм/г); 5 – умеренный дождь (4 мм/г); 7 – сильный дождь (16 мм/г); 8 – ливень (100 мм/г). 33 Способы распространения радиоволн Дифракция волн - явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении радиоволн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия, т.е. проникновение волны в область геометрической тени. За прямой видимостью и при нормальных условиях эффекты дифракции обычно доминируют там, где обнаруживаются значительные уровни сигнала. Дифракционный прогноз должен достаточно точно учитывать округлость Земли, естественные и искусственные препятствия на трассе распространения радиосигнала. Тропосферное рассеяние. Этот механизм определяет уровень фоновой помехи для трасс протяженностью более 100…150 км, когда дифракционное поле становится очень слабым. Тем не менее, за исключением некоторых специальных случаев (земные станции спутниковых систем связи и станции радиолокационных систем), помеха из-за тропосферного рассеяния будет на достаточно низком уровне. 34 Способы распространения радиоволн Отражение и преломление поднимающимися слоями. Отражение и/или преломление от слоев на высотах до нескольких сот метров имеет большое значение как механизма распространения, обусловливающего при благоприятной геометрии трассы уровни радиосигнала выше, чем при распространении за счет дифракции. Кроме того, влияние данного механизма распространения может быть существенным на очень больших расстояниях (вплоть до 250…300 км). Рассеяние гидрометеорами может являться потенциальным источником помех между передатчиками наземных линий связи и земными станциями из-за фактически всенаправленного характера переизлучения радиоволн и может, следовательно, оказывать мешающее влияние по трассам, лежащим вне плоскости большого круга. Уровни таких помех могут быть значительны так же, как и при тропосферном рассеянии, только в специфических случаях (земные станции спутниковых систем связи или станции радиолокационных систем). Экранирование локальными неоднородностями (строения, деревья и т.п.). Этот фактор при распространении радиосигналов играет защитную роль, поскольку в определенной степени понижает уровни помехового сигнала в точке их приема. 35 Способы распространения радиоволн Поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы; Пространственные – распространяющиеся через верхние слои атмосферы (2) и с отражением от ионосферы (3). 36 Радиосигнал может распространяться как в естественной среде, так и по проводному каналу (фидерному тракту). Для обеспечения качественной радиосвязи необходимо знать не только параметры радиолинии, но и параметры РЭС в точках приема и передачи. Одной из важнейших характеристик РЭС является антенна и ее параметры. 37 Типы антенн По режиму работы: передающие и приемные. Одна и та же антенна может работать как на передачу, так и на прием, и это часто используется на практике. Основные электрические характеристики каждой антенны в режимах работы на передачу и на прием совпадают. Необходимые расчетные соотношения проще получить при исследовании антенн в режиме передачи. Поэтому классификация антенн и их анализ проводятся в учебнике в основном для режима передачи. По геометрии: линейные антенны и апертурные антенны. Кроме того, широко применяются более сложные антенные системы — так называемые антенные решетки, элементами которых являются либо линейные, либо апертурные излучатели. В свою очередь, линейные и апертурные антенны могут быть представлены как непрерывные системы, состоящие из элементарных излучателей: линейных или апертурных. 38 Линейные антенны Линейная антенна — это тонкий металлический провод, в котором возбужден переменный электрический ток, а также узкая щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное электрическое напряжение. По теореме эквивалентности электрическое поле в щели по своему действию на внешнее пространство эквивалентно некоторым переменным магнитным токам, текущим вдоль щели. Таким образом, линейными антеннами называются любые излучающие системы малого (по сравнению с длиной) поперечного размера и с переменными токами, текущими вдоль оси системы. У линейных антенн размер поперечного сечения токонесущих элементов много меньше длины волны. Характерным для линейных антенн является то, что распределение тока вдоль их оси мало зависит от конфигурации провода. Поэтому к линейным антеннам относятся не только прямолинейные антенны, но также искривленные, изогнутые и свернутые провода и щели, если их поперечные размеры много меньше продольных и меньше длины волны. К линейным антеннам относятся симметричные и несимметричные вибраторы и антенны, различные рамочные антенны, проволочные антенны бегущей волны, в том числе спиральные, а также тонкие щелевые антенны стоячих и бегущих волн. 39 Самолетная двухдиапазонная широковещательной антенна из U-образного и прямого симметричных вибраторов Антенна-мачта средневолновой радиостанции 40 41 Апертурные антенны Апертурные антенны характеризуются тем, что у них можно определить некоторую ограниченную воображаемую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии. Эта поверхность называется апертурой, или раскрывом, и часто представляется в виде плоскости. Размеры раскрыва обычно много больше длины волны. К классу апертурных относятся линзовые антенны, открытые излучающие концы волноводов, а также антенны поверхностных волн. Пирамидальная рупорная антенна: 1 - рупор; 2 - питающий волновод; 3 - раскрыв (апертура) Зеркальная параболическая антенна 42 43 44 45 46 Примеры использования антенн 47 Антенна, подключённая к чипу - крохотной чёрной точке вверху. Чип содержит процессор, флеш-память, радиомодуль, модуль питания. Турникет излучает радиоволны на частоте 13,56 МГц. Антенна билета принимает эти радиоволны, а чип одновременно использует их для своего питания и "общается" с турникетом, принимая и передавая цифровые данные по этому радиоканалу. Антенна нужна для питания чипа электричеством с помощью электромагнитной индукции. В момент прикладывания билета к валидатору турникета антенна билета попадает в электромагнитное поле и начинает вырабатывать слабый электрический ток. Чип «просыпается» и начинает по радиоканалу передавать информацию о своём номере, количестве поездок, сроке действия. Информация сверяется с базой данных, и, если всё сходится, с карты списывается поездка и дверцы турникета открываются. 48 49 50 Samsung Galaxy A50 Samsung S9+ 51 HAARP HAARP (англ. High Frequency Active Auroral Research Program — программа исследования ионосферного рассеяния высокочастотных радиоволн) — американский научно-исследовательский проект по изучению взаимодействия ионосферы с мощным электромагнитным излучением. Проект запущен весной 1997 года, в Гаконе, штат Аляска. 52 Состав HAARP В состав HAARP входят антенны, радар некогерентного излучения с антенной диаметром 12 см, лазерные локаторы, магнитометры, компьютеры для обработки сигналов и управления антенным полем из 180 антенн (ФАР на площади 13 га). Летом 2007 года была завершена установка 360 коротковолновых передатчиков мощностью 10 кВт каждый. Рабочая частота 2,8…10 МГц (длина волны 30…107 м). Передатчики, управляемые специальной ЭВМ, питают фазированную антенную решетку, развернутую на горизонтальной площадке размером 366х305 м (географические координаты площадки 62°23' с.ш.; 145°03'з.д.). В отличие от радиовещательных станций, многие из которых имеют передатчики в 1 МВт, но слабонаправленные антенны, HAARP и подобные ему системы используют остронаправленные передающие антенны, обычно фазированные антенные решётки, способные фокусировать почти всю излучённую энергию в узком луче и, следовательно, на небольшом участке пространства. 53 HAARP – воздействие на атмосферу Антенна вызывает нагревание атмосферы до 1600С и более. Излучение системы превышает мощность естественного излучения солнца в диапазоне 10 МГц на 5…6 порядков, то есть и наносимый ущерб будет тоже больше во столько же раз. Известно, что наша земля представляет собой сферический конденсатор, у которого одна часть представляет собой проводящую ионосферу, а между ними лежит диэлектрик – это атмосферные слои, и еще ниже – проводящий слой, то есть поверхность земли. В том случае, если в этом сферическом конденсаторе вызвать волновой процесс, то за счет воздействия солнечного излучения при определенных условиях он может быть усилен при наложении волн, что приводит к самогенерации за счет подкачки энергией со стороны солнца. В ионосфере возникает достаточно мощный волновой процесс, который может оказать значительное влияние на погодообразование. 54 HAARP и аналоги Система HAARP не уникальна. В США есть две другие станции: одна в Пуэрто-Рико, и другая (HIPAS) – на Аляске, недалеко от города Фэрбанкс. В Европе также установлены два комплекса мирового класса по исследованию ионосферы, и оба находятся в Норвегии: более мощный радар EISCAT (англ. European Incoherent Scatter radar site) расположен недалеко от города Тромсё, менее мощный SPEAR (англ. Space Plasma Exploration by Active Radar) — на архипелаге Шпицберген. Аналогичные комплексы и станции расположены: • в Васильсурске (Россия) – «СУРА»; • несколько комплексов активного воздействия в Томске на базе ионосферной станции Сибирского физико-технического института и Института оптики атмосферы, ныне большая часть расформирована; • ~5 км от Змиёва, Харьковской области (Украина) – радиоастрономический комплекс «УРАН-1»; • в Душанбе (Таджикистан) – радиотехническая система «Горизонт» (2 вертикальные прямоугольные антенны). 55 HAARP и аналоги Первичной целью всех этих систем является изучение ионосферы, а также большинство из них имеет возможность стимулировать небольшие, локализированные участки ионосферы. Мощности излучения: HAARP (США) — предположительно до 4,8 МВт (в 2009 г. было 3,6 МВт); Сура — около 200 МВт; EISCAT (Норвегия, Тромсё) — 1,2 МВт; SPEAR (Норвегия, Лонгйир) — 288 кВт. 56 Сура "Сура" – на площади 9 гектар стоят ровные ряды двадцатиметровых антенн, поросших снизу кустарником. В центре антенного поля расположен огромный рупор-излучатель величиной с деревенскую избу, с помощью которого изучаются акустические процессы в атмосфере. На краю поля здание радиопередатчиков и трансформаторная подстанция, чуть вдалеке лабораторный и хозяйственный корпуса. "Сура" строилась в конце семидесятых годов и была введена в эксплуатацию в 1981 году. На этой совершенно уникальной установке были получены крайне интересные результаты поведения ионосферы, в том числе открыт эффект генерации низкочастотного излучения при модуляции ионосферных токов, названный позднее по имени основателя стенда эффектом Гетманцева. Установка представляет собой фазированную антенную решётку, состоит из трёх передатчиков мощностью по 250 кВт и антенного поля 300 × 300 м, на котором расположены 144 дипольные антенны. Частотный диапазон установки нагрева — от 4,5 до 9,3 МГц. В середине диапазона достигается максимальное усиление в зените, равное примерно 260 (~24 дБ), эффективная излучаемая мощность установки составляет 190 МВт (~83 дБВт). 57 Сура 58 Методы расчета антенн Известны различные методы расчета антенн, отличающиеся сложностью и, соответственно, точностью результатов. На стадии предварительного проектирования необходимы приближенные методы, позволяющие специалистам, знакомым лишь с общей теорией антенн и практикой их использования, определять основные характеристики новых типов антенн. Это привело к созданию инженерных методик расчета с введением ряда приближений и упрощений, что повлияло на точность расчета характеристик и ограничение пределов их применимости. Наряду с этим интенсивно развиваются строгие методы расчета, позволяющие оптимизировать проектируемое устройство по тому или иному критерию с использованием ЭВМ. Характеристики антенн, найденные с помощью приближенных инженерных методик, могут быть уточнены строгими методами. При расчете и проектировании антенных систем решение общей задачи приходится искусственно разделять на ряд отдельных частных задач. Решение этих задач с учетом их взаимосвязи дает возможность рассчитывать характеристики сложных антенных систем и искать вариант антенны, наиболее соответствующий поставленным требованиям. 59 Разработка (синтез) антенны с заданными характеристиками является неоднозначной, нетривиальной и часто сложной задачей. Поэтому при проектирование антенн идут на компромисс, так как антенна должна не только обеспечить требуемую диаграмму направленности и заданные электрические параметры, её конструкция должна быть ещё и прочной, недорогой, технологичной, стойкой к воздействию окружающей среды, ремонтопригодной и т.д. Для упрощения расчетов используют программное обеспечение ЭВМ, использующее численные методы решения задач электродинамики для анализа электрических параметров антенн: CST Microwave Studio Ansoft HFSS FEKO Microwave Office MMANA-GAL Диаграммы направленности элементарного вибратора и остронаправленных антенн: а – вид пространственной диаграммы; б,в – диаграммы направленности элементарного вибратора соответственно в меридиональной и экваториальной плоскостях; г,д – вид диаграмм направленности остронаправленных антенн (игольчатого и веерного типа) 60 Платное ПО Mathcad Бесплатное ПО 1. SMath Studio Cloud http://smath.info/cloud 2. SMath Studio http://ru.smath.info 3. Mas.Exponenta.ru (онлайн-сервис) http://mas.exponenta.ru/about 4. Graph Online http://graphonline.ru Примечание Математический пакет для расчётов, построения графиков, расчёта интегралов, решения уравнений. 61 Платное ПО 1. CST STUDIO (www.cst.com), 2. AWR Microwave Office, 3. FEKO (www.feko.info), 4. Ansoft HFSS (www.ansys.com), 5. Keysight EMPro (www.keysight.com) Бесплатное ПО Примечание 1. CST STUDIO SUITE Student Edition (https://www.cst.com/academia/studentedition) 2. Microwave Office Student Edition at Software Informer (http://softwaretopic.informer.com/micro wave-office-student-edition) 3. FEKO LITE (http://www.feko.info) 4. Ansoft HFSS (https://www.ansys.com/academic/freestudent-products) 5. Keysight (https://connectlp.keysight.com/StudentL icense) 6. MMANA-GAL (http://gal-ana.de/basicmm/ru) Программы для электродинамического расчета и анализа антенн. 62 В теории широко применяют метод расчета, использующий телеграфные уравнения (теорию линий с распределенными параметрами), дающий приближенные результаты, пригодные в инженерной практике. Кроме того, для расчета различных устройств широко используют метод эквивалентных схем, при котором реальное устройство представляется некоторой эквивалентной схемой: колебательным контуром, двухпроводной эквивалентной линией, двух-, четырех-, восьмиполюсником и т.д. или другой электрической цепью с некоторыми эквивалентными параметрами. Размеры современных антенн (от единиц миллиметров до километров) зависят от рабочего диапазона и назначения устройства. Конструкции антенн также весьма различны: это либо сложные инженерные сооружения, занимающие по площади квадратные километры и имеющие по высоте сотни метров, либо весьма простые антенны в виде щели или отверстия в металлическом экране летательного аппарата (ЛА). Материалы, применяемые для изготовления антенн и фидеров, самые различные: проводники (серебро, медь, алюминий и др.), диэлектрики (полистирол, тефлон, феррит и др.), полупроводники и плазма. При конструировании приходится учитывать действие всевозможных факторов: влияние проводящей поверхности ЛА на характеристики антенны, действие сил инерции в механических сканирующих антеннах, увеличение температуры от скоростного напора воздуха, парусный эффект антенны и т.д. 63 Линии передачи СВЧ Линией передачи СВЧ называется устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Направление распространения определяется взаимным расположением источника электромагнитных колебаний и нагрузки в линии передачи. Источником электромагнитных колебаний может служить, например, генератор, подключенный к линии передачи, приемная антенна или устройство возбуждения линии передачи, отбирающее часть электромагнитной энергии от другой линии передачи или какого-либо устройства СВЧ. Нагрузкой линии передачи может служить устройство, преобразующее электромагнитную энергию, например, в тепло, излучающая (передающая) антенна, входные цепи приемника и т.п. К СВЧ-устройствам относятся линии передач и преобразователи СВЧэнергии, ответвители, фильтры, вентили и т.д. Совокупность СВЧ-устройств, сочлененных определенным образом, образует тракт СВЧ. 64 Классификация линий передачи СВЧ 65 Различают регулярные и нерегулярные линии передачи. У регулярной линии передачи в продольном направлении неизменны поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих сред. Если одно из условий регулярности отсутствует, то такая линия является нерегулярной. Линия передачи, заполненная однородной однородной. В противном случае - неоднородной. средой, называется Линии передачи классифицируются по типам используемых волн: линии передачи с поперечной электромагнитной волной (с Т-волной); линии передачи с магнитной волной (с Н-волной); линии передачи с электрической волной (с Е-волной); линии передачи с гибридной волной. Направив ось z прямоугольной системы координат вдоль линии передачи, каждый тип волны можно определить условиями, представленными в таблице и накладываемыми на продольные Ez и Hz составляющие векторов электрического и магнитного полей соответственно. 66 Из таблицы следует, что в Т-волне векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения; в Н-волне вектор напряженности магнитного поля имеет продольную и поперечную составляющие, а вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую; в Е-волне вектор напряженности электрического поля имеет продольную и поперечные составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости поперечного сечения линии передачи; в гибридной волне векторы напряженности электрического и магнитного полей имеют и продольные, и поперечные составляющие. 67 Классификация линий передачи СВЧ по типу волны Т-волны имеют только два провода, следовательно можно найти разность потенциалов (токов). Примеры ФТ: двухпроводная, коаксиальный волновод, частично полосковая линия. Металлические волноводы – только один провод => нет чисто обратной волны. В роли их выступают продольные компоненты волны (Н- и Е-волны). Оптоволоконные линии передачи – гибридные типы волн. 68 ЛИНИИ С ВОЛНОЙ ТИПА Т Т или ТЕМ – волна (transverse electromagnetic wave) – поперечная электромагнитная волна: λ>м λ = см…м Ez 0 H z 0 λ = дм…мм 69 ЛИНИИ С ВОЛНОЙ ТИПА Н или Е • H-волны: E z • E-волны: 0 Hz 0 Ez 0 H z 0 λ = см…мм 70 ЛИНИИ С ГИБРИДНЫМ ТИПОМ ВОЛНЫ Гибридные волны: Ez 0 H z 0 λ = см…мм 2 Ez1 1 Ez1 1 2 Ez1 2 2 k1 E z1 0 2 2 r r r r 2 H z1 1 H z1 1 2 H z1 2 2 k1 H z1 0 2 2 r r r r a E a z1 z2 H a H a z1 z2 E E1 a E 2 a H1 a H 2 a 71 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ Обозначение корня 1 кр 2 a 1 p 1m 1m J k a 0 1 1 1 кр 2 a 1 p 0m 0m J k a 0 0 1 p 11 p 01 p 12 p 02 p 13 p 03 0 2,41 3,83 5,52 7,02 8,65 Величина корня Волна HE11 - основная волна в диэлектрическом волноводе кр 72 Рассмотрим кратко наиболее распространенные типы линий передачи 73 Линия передачи, конструкция которой не допускает упругого пластичного изгиба, называется жесткой. В противном случае - гибкой. или Волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Если такой проводящий контур отсутствует, то линия передачи называется открытой. 74 К проволочным линиям передачи относятся воздушные двухпроводные и четырехпроводные линии передачи. Проводники линии могут быть покрыты диэлектриком. Основным типом волны в них является Т-волна. В четырехпроводных линиях возбуждаются попарно соединенные проводники, например вертикальные, горизонтальные или диагональные. Такие линии передачи используются в диапазонах гектометровых, декаметровых и метровых волн. 75 К полосковым линиям передачи относятся несимметричная и симметричная полосковые линии, щелевая и копланарная линии. Они применяются в диапазонах дециметровых, сантиметровых и длинноволновой части миллиметровых волн. Основной волной несимметричной и симметричной полосковых линий является Т-волна. В щелевой и копланарной линиях основной является Н-волна. 76 Различают также микрополосковые линии передачи. К ним относятся полосковые линии, у которых диэлектрическая пластина (подложка) имеет большую относительную диэлектрическую проницаемость ε (более 10) и малые потери. Вследствие этого геометрические размеры устройств, выполненных на основе таких линий, уменьшаются в √ε раз. В качестве диэлектрической подложки микрополосковых линий используются поликор, ситалл, кремний, сапфир и др. Для уменьшения потерь в полосковых линиях в качестве диэлектрика используется воздух. Такие линии называются воздушными или высокодобротными полосковыми линиями. 77 Коаксиальные волноводы представляют собой жесткие или гибкие коаксиальные кабели, основной волной в которых является Т-волна. Они используются в диапазонах от гектометровых до сантиметровых волн включительно. 78 Волноводы прямоугольного, круглого и более сложного поперечных сечений представляют собой металлические трубы соответствующих поперечных сечений. Основной волной в таких линиях передачи является низшая Н-волна. Металлические волноводы используются в диапазонах от коротковолновой части дециметровых до миллиметровых волн. 79 а) а) б) в) б) Поперечные сечения коаксиальных волноводов: а – круглого; б - прямоугольного г) д) Поперечные сечения металлических волноводов: а – прямоугольног о; б – круглого; в- П -образного; г – Н -образного; д – эллиптического. 80 С уменьшением толщины скин-слоя увеличивается затухание энергии в металлических проводниках. Этот процесс усугубляется такими технологическими дефектами проводников, как неровность краев и шероховатость поверхностей. Частично устранить отмеченные недостатки можно используя диэлектрические волноводные линии передачи. Диэлектрические линии передачи классифицируются в зависимости от формы поперечного сечения. Такие линии используются в диапазоне миллиметровых волн. Основным типом волны является гибридная НЕ-волна. При удалении от диэлектрика амплитуда волны, распространяющейся по линии, быстро убывает. Наличие металлического экрана в зеркальных диэлектрических линиях (рис. д, е, ж) позволяет сохранять поляризационную структуру поля распространяющейся волны. 81 Большая часть энергии, передаваемой по диэлектрическому волноводу, сосредоточена в области пространства внутри диэлектрического волновода с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волн. Потери энергии, связанные с наличием неидеального диэлектрика в области концентрации поля, оказываются меньше, чем в металлических волноводах, уже на частотах f= 30…40 ГГц при значении тангенса угла диэлектрических потерь tgδ=10-4. С ростом частоты при одинаковом значении tgδ соотношение потерь в диэлектрике и металле пропорционально f-0,5. Диэлектрические волноводы применяются в диапазоне миллиметровых волн, при этом используется достаточно широкая номенклатура материалов: полиэтилен (ε=2), кремний (ε=2,5), поликор (ε=9,6; tgδ=10-4), арсенид галлия и кремний (ε=12…14, tgδ=5∙10-4). Достигнутая величина потерь составляет 0,1…0,15 дБ/см при f=100 ГГц (λ=3 мм). 82 Волоконно-оптические линии передачи используются в децимиллиметровом (субмиллиметровом) и оптическом диапазонах. Они представляют диэлектрическую линию круглого поперечного сечения, выполненную из кварца, с несколькими одновременно распространяющимися типами волн. Линия передачи, в которой на данной частоте может распространяться одновременно несколько типов волн (мод), называется многомодовой. Диаметр круглого волокна составляет несколько длин волн электромагнитных колебаний. Распространение волн в волоконнооптических линиях передачи основано на эффекте полного внутреннего отражения от границы диэлектрик-воздух. Для уменьшения тепловых потерь в таких линиях используют волокна с изменяющимся в поперечном сечении коэффициентом преломления. Это приводит к уменьшению геометрического пути, который проходит луч на единицу длины линии передачи. 83 Квазиоптические (лучевые) линии передачи представляют собой нерегулярные линии, принцип работы которых основан на использовании оптических свойств радиоволн. 84 Основные требования: •малые потери; •высокая и долговременная стабильность параметров; •однородность линии передачи; •достаточная механическая прочность и влагостойкость применительно к условиям эксплуатации; •низкая стоимость. Обычно используется следующее разделение: • до 3 МГц - экранированные и неэкранированные проводные линии; • от 3 МГц до 3 ГГц - коаксиальные кабели; • от 3 ГГц до 300 ГГц - металлические и диэлектрические радиоволноводы; • свыше 300 ГГц - квазиоптические линии. 85