7.3. Излучение и прием радиоволн

Возбуждение электромагнитных волн в пространстве осуществляется с помощью передающих антенн. Они преобразуют электрические колебания высокой частоты, вырабатываемые передатчиком, в электромагнитные волны (радиоволны).

При приеме радиосигналов происходит обратный процесс преобразования электромагнитных волн в электрические колебания с помощью приемной антенны и радиоприемного устройства.

Обратимость процессов, происходящих в антеннах при излучении и приеме, позволяет использовать одну и ту же антенну для реализации обоих режимов ее работы.

Рассмотрим физическую сущность процесса излучения электромагнитной энергии.

При работе замкнутого колебательного контура электрическое поле сосредоточивается главным образом в небольшом пространстве между обкладками конденсатора, а магнитное поле образуется вокруг катушки индуктивности на малом расстоянии от нее. Поэтому'лишь незначительная часть энергии излучается в окружающее пространство, что не позволяет практически использовать такой контур в качестве излучателя электромагнитной энергии. Для излучения требуемого количества энергии на большие расстояния необходимо применить такую колебательную систему, в которой электрическое и магнитное поля занимали бы большое пространство, т. е. необходимо преобразовать замкнутый контур в открытый. Эта задача решается антенной системой, которая, в сущности, и представляет собой открытый колебательный контур (смотреть статью под номером 7.8).

Таким образом, за один период колебаний электрическое поле отодвигается от антенны на расстояние, равное длине волны Я.

Для упрощения был рассмотрен процесс излучения антенной лишь энергии электрического поля, но это в равной мере относится и к энергии магнитного поля, так как при излучении электрического поля происходит излучение и связанного с ним магнитного поля.

Радиоволны имеют определенные направление и параметры, т. е. обладают векторными свойствами (смотреть статью под номером 7.9). Так, вектор Е электрического поля выражает собой еговеличину и направление в пространстве, вектор Н — величину и направление магнитного поля, а вектор Р — направление излучения. Подобный характер поляризации радиоволн имеет практическое значение при конструировании приемопередающих антенных устройств.

Одной из основных характеристик антенн является их направленность — свойство антенны излучать или принимать максимальную энергию в определенном направлении. Зависимость интенсивности излучения или приема антенны от направления графически выражается в виде диаграммы направленности (ДНА).

Диаграмма направленности антенны является пространственной функцией. При графическом построении ДНА обычно изображается в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. На смотреть статью под номером 7.10 представлена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости.

В большинстве случаев ДНА имеет многолепестковую структуру. Лепесток, соответствующий максимальному излучению или приему, называется главным, остальные — боковыми. Направленные свойства антенн оцениваются шириной, диаграммы направленности — углом 0, в пределах которого напряженность Ев электрического поля составляет 0,707 от ее максимальной величины Етах.

Применяемые антенны подразделяются на направленные и ненаправленные. Ненаправленные антенны излучают или принимают электромагнитную энергию практически равномерно во всех направлениях. У направленных антенн ширина ДНА не превышает 90°, а если ее величина составляет менее 20°, антенны называются остронаправлеиными.

Практически используемый в авиации спектр частот радиоволн от 3 104 до 3 10й Гц в зависимости от особенностей их распространения разбит на ряд диапазонов (смотреть статью под номером 7.1).

Высокочастотная энергия от передатчика к антенне или от антенны к радиоприемному устройству передается линиями передач, называемыми фидерами. Основным требованием к фидерам является передача энергии к радиоаппаратуре с минимальными потерями при ее работе как в режиме излучения, так и в режиме приема.

Оптимальный режим в фидере возможен при согласовании его волнового сопротивления с сопротивлением антенны и внутренним сопротивлением источника энергии, в результате чего передатчик будет отдавать, а антенна получать максимальную мощность. Это достигается согласующими устройствами.

В зависимости от диапазона частот работы аппаратуры, фидеры конструктивно выполняются в виде двухпроводных линий, коаксиальных кабелей и волноводов.

Двухпроводная линия может быть открытой (смотреть статью под номером 7.11, а) или экранированной (смотреть статью под номером 7.11, б). В связи с тем, что при больших частотах длина волны становится соизмеримой с расстоянием между проводами, двухпроводные фидеры применяются для работы в диапазоне длинных волн.

Наиболее широкое применение находят экранированные коаксиальные фидеры (смотреть статью под номером 7.11, а). В них,одним проводом служит внешняя металлическая оболочка, одновременно выполняющая и функции экрана, вторым — внутренний осевой провод. Требуемая электрическая изоляция между этими проводами обеспечивается наличием сплошного эластичного диэлектрического заполнителя или шайб из диэлектрического материала (смотреть статью под номером 7.11, г). Коаксиальные кабели применяются для передачи энергии метровых и дециметровых волн.

По мере уменьшения длины волны значительно увеличиваются потери энергии в проводниках и диэлектриках. Поэтому в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн используются волноводы прямоугольного или круглого сечения. В отличие от двухпроводных и коаксиальных фидеров, передача энергии в волноводе возможна лишь при возбуждении его колебаниями с длиной волны, меньшей так называемой критической Якр длины волны. Для волноводов прямоугольного сечения (смотреть статью под номером 7.11, д) критическая длина волны определяется величиной Ккр = 2Ь, для цилиндрических волноводов (смотреть статью под номером 7.11, ё) — Хкр = 1,71 d. Отличительной особенностью волноводов является практическое отсутствие потерь на излучение и сравнительно малая величина тепловых потерь.

Для получения наибольшей эффективности при работе радиоаппаратуры необходимо, чтобы рабочая длина радиоволн была бы соизмерима с размерами антенн, т. е. чтобы возникало явление резонанса. Поэтому длинные волны в связи с необходимостью иметь крупногабаритные антенны находят узкое применение. Рассмотрим принципиальное устройство и области применения существующих типов антенн.

Наружные слабонаправленные антенны. К этой группе относятся колпачковые, лучевые, штырьевые, вибраторные, копьевидные и другие виды антенн.

Лучевая или проволочная антенна (смотреть статью под номером 7.12) —это омедненный трос, который обычно закрепляется на пальчиковых изоляторах между фюзеляжем и килем самолета.

Антенна соединяется с радиоаппаратурой с помощью фидера снижения через проходной изолятор. В зависимости от типа самолета длина антенны может доходить до 25 м, что позволяет при наличии согласующих устройств использовать ее для работы в средневолновом диапазоне радиоволн.

Штырьевые антенны (смотреть статью под номером 7.13) представляют собой четвертьволновой металлический вибратор 7, устанавливаемый обычно через изолятор 2 на корпусе фюзеляжа самолета. Соединяется антенна с радиостанцией коаксиальным фидером, центральный провод которого присоединен к антенне, а оплетка — к корпусу фюзеляжа. С целью уменьшения аэродинамического сопротивления антенне придают обтекаемую форму, передняя кромка которой наклонена в сторону, противоположную направлению полета. Описанные антенны применяются в диапазоне ультракоротковолновых волн.

Копьевидные антенны (смотреть статью под номером 7.14), устанавливаемые на консолях крыла или на киле, позволяют сохранять аэродинамические характеристики самолета практически неизменными и использовать их в коротковолновом диапазоне. Однако они имеют ограничения по соображениям их прочности в диапазоне вибраций, возникающих в полете.

Вибраторная антенна, конструкция которой показана на смотреть статью под номером 7.15, представляет собой полуволновой вибратор, работающий на постоянной частоте. Вибраторные антенны применяются в радиовысотомерах, аппаратуре слепой посадки.

Невыступающие слабонаправленные антенны.

К ним относятся поверхностные, щелевые, фонарные, шлейфовые и другие разновидности антенн.

Поверхностные антенны представляют собой металлическую сетку, наклеиваемую на предварительно изолированную часть поверхности крыла или киля самолета. Для повышения антикоррозионной устойчивости ее поверхность покрыта радиопрозрачной краской. Такие антенны применяются при работе в ультракоротковолновом диапазоне.

Пазовые антенны (смотреть статью под номером 7.16) конструктивно выполняются в виде выреза в киле или в форкиле. Ее прямоугольная щель шириной (0,03—0,05) X и длиной около 0,5А, имеет замкнутую внутреннюю сторону. Паз заполняется диэлектриком, а фидеры подсоединяются к противоположным сторонам паза. В режиме резонанса в обшивке самолета (в районе щели) возникают токи, которые создают в режиме излучения значительное электромагнитное поле излучения в коротковолновом диапазоне радиоволн.

Фонарные антенны выполняются из фольги, наклеиваемой на внутреннюю поверхность остекления кабины пилота или штурмана. Компоновка подобной антенны для глиссадного приемника системы слепой посадки самолетов на лобовом стекле штурмана показана на смотреть статью под номером 7.17.

Шлейфовая антенна (смотреть статью под номером 7.18) представляет собой вибратор 7, соединенный одним концом с корпусом самолета, а вторым —¦ с радиоаппаратурой. С целью использования такой антенны на всем эксплуатационном диапазоне радиоволн, ее конструктивно выполняют в виде секций, каждая из которых обслуживает свой диапазон. Для перестройки антенны на различные длины воли в средневолновом и коротковолновом диапазонах антенны разделены на секции, которые подключаются к радиоаппаратуре контактами реле. Для уменьшения аэродинамического сопротивления антенна закрывается радиопрозрачным обтекателем.

Остронаправленные антенны. Эта группа антенн применяется при работе аппаратуры в дециметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн. Дециметровые и сантиметровые радиоволны по своим свойствам близки к световым волнам. Поэтому и антенны принципиально схожи со световыми излучателями.

В зависимости от требуемой формы ДНА конструкция антенны имеет соответствующие направляющие поверхности в виде рефлекторов (параболические, линзовые, рупорные) или без них (дисковые, щелевые и др.).

Параболические антенны имеют рефлектор в виде части параболоида вращения (смотреть статью под номером 7.19, а) или вырезки из параболического цилиндра (смотреть статью под номером 7.19, б). Вибраторы таких антенн устанавливаются в фокусе или вдоль фокальной линии рефлектора, конструкция которого может быть сплошной или решетчатой. Такое расположение вибратора обеспечивает излучение параллельного пучка радиоволн при излучении и фокусировании приходящих сигналов при приеме. Для уменьшения аэродинамического сопротивления антенны размещаются под обтекателем из радиопрозрачного материала.

Линзовая антенна (смотреть статью под номером 7.20, а) служит для преобразования сферического или цилиндрического фронта волны в плоский (и обратно). Такое преобразование осуществляется с помощью преломляющих сред, которыми служат металлические пластины или конструктивные элементы из диэлектрических материалов (полиэтилена, полистирола, тефлона, стеанита и др.).

Рупорная антенна (смотреть статью под номером 7.20, б) представляет собой часТь Волновода с плавно увеличивающимся поперечным сечением—рупором. Такой переход увеличивает направленное действие антенны и улучшает ее согласование с окружающим пространством. В зависимости от формы рупоры подразделяются на конические, пирамидальные и секториальные. Конические и пирамидальные антенны имеют игольчатую диаграмму направленности, секториальные — веерную.

Щелевые антенны (смотреть статью под номером 7.20, в) для дециметровых и сантиметровых волн имеют конструкцию в виде части волновода с отверстиями обычно прямоугольной формы. Вследствие этого происходит нарушение экранировки, а энергия излучается в окружающее пространство. По форме диаграммы направленности такие антенны приближаются к многовибраторным антеннам с соответствующими характеристиками.

Для обеспечения углового перемещения ДНА описанные антенны могут быть подвижными и неподвижными. В неподвижных антеннах применяется электронное сканирование ДНА, управление которым по заданной программе осуществляется электронными вычислителями.