Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов.—М.: Высш. шк., 1988.—432 с: ил. ISBN 5—06—001149—6


Учебник состоит из двух частей. В первой части изложены основные понятия, расчетные методы и принципы конструктивной реализации современных антенных устройств СВЧ и трактов питания антенн. Изложение ведется с использованием матричного описания цепей СВЧ, ориентированного на применение ЭВМ и овладение современными методами проектирования с использованием САПР. Во второй части изложены основные понятия, расчетные методы и конструктивные схемы современных антенных устройств. Особое внимание уделено сканирующим фазированным антенным решеткам и апертурным антеннам.
Основной целью изучения дисциплины «Антенны и устройства СВЧ» является усвоение теоретических понятий, расчетных методов и 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. Т. 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 [5, 6], а также к гл.15— 16 учебника [1].
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 при работе над книгой и благодарит читателей, приславших замечания и предложения по ранее вышедшим книгам «Антенны» и «Устройства СВЧ».
Отзывы и предложения следует направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа». Неотъемлемыми составными частями современных радиотехнических средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ. Чтобы понять роль и значение антенн и трактов, рассмотрим обобщенную структурную схему радиотехнической системы, показанную на рис. В.1. Назначение передающей антенны состоит в преобразовании направляемых электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линиям передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.
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 электромагнетизма 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 (или 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 минимальными 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 понимания особенностей функционирования антенн в 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 «Электродинамика 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.1), 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 и сушке изделий, в медицине и Др. Поэтому в более широком смысле под трактом СВЧ понимают совокупность 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, невзаимные устройства с ферритами, коммутирующие устройства. В подавляющем большинстве случаев как антенны, так и 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 магнитодиэлектриков.
В последние годы в антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работой (рис. В.1), особенно в антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны, называемые фазированными антенными решетками (ФАР), обычно строятся в 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» и «Радиоавтоматика» 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 — 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. Оказывается, что строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов или щелевых излучателей) и типовых элементов трактов (например, скачков размеров линий передачи, диафрагм в волноводах, разветвлений) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей от трех пространственных координат. Однако в большинстве случаев при разработке антенн или трактов не обязательно воссоздавать полную картину электромагнитного поля в любой точке простран ства. Важно уметь определять и обеспечивать в разрешенных допусках требуемые характеристики антенны (диаграммы направленности, входные сопротивления и т. д.) и ответные реакции тракта на заданные воздействия.
При расчете электрических характеристик антенн или трактов
наряду со строгим решением граничных задач с успехом используются и более простые инженерные подходы. Здесь в первую очередь следует отметить общую теорию цепей СВЧ, базирующуюся на матричном аппарате линейной алгебры, теории функции комплексного переменного и некоторых других разделах математики. Одной из центральных идей общей теории цепей СВЧ является возможность замены любых линий передачи электромагнитных волн эквивалентными длинными линиями с распределенными параметрами. Другим элементам тракта или элементам антенн (стыкам волноводов, нагрузкам, диафрагмам, излучающим щелям, наборам вибраторов и т. д.) ставятся в соответствие эквивалентные многополюсники. Эти многополюсники описываются либо матрицами параметров (матрицы рассеяния, сопротивления или передачи), либо схемами замещения той или иной степени сложности. Параметры эквивалентных многополюсников или их схем замещения устанавливаются из условий соответствия найденных по схеме замещения электрических характеристик конкретного элемента в нужной полосе частот точным результатам, полученным путем строгого решения соответствующей граничной задачи электродинамики либо из прецизионных измерений.
Когда в распоряжении разработчика антенн и трактов оказывается достаточно широкий набор схем замещения стандартных узлов, именуемых базовыми элементами, дальнейшая работа по анализу и синтезу сложных антенн и трактов может производиться с помощью алгоритмов объединения базовых элементов в общую схему. Подробности поведения электромагнитных полей в отдельных устройствах оказываются при этом уже ненужными, а сам алгоритм объединения реализуется с помощью ЭВМ по заранее составленным и отлаженным программам вычислений. Набор таких программ вместе с банком характеристик базовых элементов составляет ядро системы автоматизированного проектирования антенных устройств и трактов определенного класса.
Наряду с общей теорией цепей СВЧ при проектировании современных антенн и трактов широко применяются и другие приближенные теории, среди которых следует отметить геометрическую оптику, физическую оптику, скалярную теорию дифракции, геометрическую теорию дифракции.
Исторический обзор. Истоки современной теории и техники антенн и трактов СВЧ восходят к XIX в. Возникновение первых серьезных научных представлений об электромагнитном поле принято связывать с известными экспериментами М. Фарадея (1791—1867). Строгую математическую основу электромагнетизма заложил 1864 г. Д. К. Максвелл (1831—1879) в виде системы универсальых уравнений. Вслед за этим наиболее значительные теоретические и экспериментальные исследования структуры полей элементарного диполя и других простейших излучателей электромагнитах волн были выполнены Г. Герцем (1857—1894), не усмотревшим, однако, практического значения в наблюдаемых им явлениях. И только в 1895 г. нашим великим соотечественником А. С. Поповым (1859—1906) были созданы первые технически оформленные антенны: излучающая (в виде квадратных металлических листов, закрепленных на концах герцевского вибратора) и приемная (в виде вертикального проводника и системы заземления). Теоретическая трактовка вибраторной антенны как совокупности диполей принадлежит немецкому ученому М. Абрагаму, сформулировавшему в 1900 г. понятие о сопротивлении излучения антенны.
В конце XIX в. Дж. Дж. Томсоном (1893) и Рэлеем (1897) были также высказаны соображения о теоретических перспективах передачи электромагнитных волн по металлическим трубам, однако практическая реализация этих идей задержалась почти на 35 лет.
Подлинное становление антенной техники и техники устройств СВЧ произошло в 40—50-е годы нашего столетия. Условно можно выделить следующие основные периоды развития антенн и высокочастотных трактов.
1. Период проволочных антенн длинноволнового и средневолнового диапазонов (1900—1925). Размеры антенн были малы по сравнению с применявшимися рабочими длинами волн, и основная трудность состояла в обеспечении приемлемого КПД излучения. В наиболее совершенных антеннах того времени использовались мачты высотой до 150 м и разветвленные системы заземления. Очень плодотворной оказалась идея Александерсена о построении вертикальной антенны с несколькими синфазно настроенными снижениями и развитой горизонтальной частью. В 1917—1918 гг. М. В. Шулей-киным был разработан и опубликован метод расчета емкости и индуктивности сложных длинноволновых радиосетей.
2. Период коротковолновых антенн (1920—1935). С освоением диапазона коротких волн размеры антенн стали не только соизмеримыми, но и могли существенно превышать рабочую длину волны. Поэтому появились возможности реализовать направленное действие антенн. Среди многих достижений антенной техники этого периода следует отметить появление многовибраторных синфазных антенн (прообраз современных антенных решеток), созданных под руководством М. А. Бонч-Бруевича и В. В. Татаринова (радиолиния Москва—Ташкент, 1926 г.).
3. Начало освоения УКВ связано у нас с работами Б. А. Введенского и А. И. Данилевского и относится к 1921 г. Однако периодом становления антенн УКВ и трактов их питания следует считать десятилетие с 1930 по 1940 гг. В этот период появились эффективные источники непрерывных колебаний дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, что дало мощный импульс практической реализации волноводов и стимулировало поиски технических решений различных элементов волноводного тракта. Развитие техники телевидения и УКВ-вещания привело к необходимости построения широкополосных антенн. Зародилась техника рупорных антенн и антенн квазиоптичесого типа — зеркальных и линзовых.
4 Революционизирующее влияние на антенную технику и технику устройств СВЧ периода 1940—1960 гг. оказало стремительное внедрение радиолокационных систем сантиметрового и дециметрового диапазонов. Именно в это время были заложены теоретические основы инженерных расчетов наиболее распространенных остронаправленных антенн: зеркальных, рупорных, линзовых. Особо следует отметить широкое внедрение разнообразных щелевых антенн (резонаторных и в виде решеток на прямоугольных волноводах) и появление сверхширокополосных излучателей (логопериоди-ческие и логоспиральные антенны). В 1950—1960 гг. получила определенное завершение и теория пассивных элементов тракта на прямоугольных и коаксиальных волноводах, появились невзаимные ферритовые устройства и управляемые ферритовые фазовращатели. Зарождалась техника полосковых линий передачи и диэлектрических волноводов.
5. Совершенствование и развитие антенн и устройств СВЧ в настоящий период оказались тесно связанными со следующими ключевыми событиями: выходом человека в космическое пространство, немыслимым без соответствующего радиотехнического обеспечения; бурным прогрессом вычислительной техники на основе достижений интегральной технологии; быстрым освоением области миллиметровых волн и волн оптического диапазона; созданием технологии полосковых, микрополосковых и волоконно-оптических линий передачи, что привело к миниатюризации и улучшению качественных показателей трактов СВЧ и соответствующих антенн.
Наиболее значительными достижениями этого периода в области антенной техники являются практическая реализация фазированных антенных решеток с быстрым электрическим сканированием луча (время перемещения луча порядка единиц и долей микросекунды), создание развертываемых в космосе остронаправленных зеркальных антенн и решеток, предназначенных для глобальных систем радиосвязи и радиовещания и для систем исследования природных ресурсов Земли, создание гигантских наземных полноповоротных антенн с диаметром зеркал 60—100 м для радиоастрономических исследований и радиосвязи с объектами в глубоком космосе.
Становление современной теории и техники устройств СВЧ и антенн потребовало усилий многих тысяч инженеров и ученых разных стран. Мы можем гордиться вкладом нашей страны в этой области. Еще в 1927 г. чл.-корр. АН СССР А. А. Пистолькорсом была создана основополагающая теория однопроводных и многопроводных линий передачи. Эта теория в 1930—1940 гг. была существенно развита проф. В. В. Татариновым, предложившим наиболее распространенный метод измерения комплексных входных сопротивлений в линиях передачи по продольному распределению напряжения или тока и создавшим ряд классических схем согласования нагрузок с линией передачи.