Бортовые АФУ. Лекция 4

1.

Лекция 4. Бортовые АФУ
Рассматриваемые вопросы:
Основные характеристики и параметры антенн. Классификация бортовых антенн.
Обеспечение передачи энергии радиосигналов фидерами и согласование в антеннофидерных устройствах.
1

2.

4.1. Основные характеристики и параметры антенн
Антенной называется РТ устройство, служащее для излучения ЭМВ в пространство или для приема ЭМВ
из пространства. Слово «антенна» происходит от латинского antennae, которым называется орган осязания у
насекомых в виде усиков. Антенна является составной частью радиолокационных, телевизионных, связных и
ряда других РЭС и в значительной степени определяет их технические характеристики. Антенны
осуществляют непосредственный контакт с окружающим пространством и поэтому не должны
экранироваться.
Физические явления возбуждения и распространения ЭМВ обосновал Д. Максвелл в виде двух
фундаментальных положений:
– всякое изменение во времени магнитного поля вызывает появление вихревого (т.е. замкнутого)
электрического поля;
– всякое изменение во времени электрического поля приводит к появлению вихревого магнитного поля.
Иными словами, в природе существуют только переменное электромагнитное поле. Основные положения
теории электромагнитного поля Д. Максвелл выразил четырьмя связанными между собой уравнениями
электродинамики. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме имеют вид:
D
rot H
, (4.1)
t
rot E
B
, (4.2)
t
div D , (4.3)
div B 0.
(4.4)
Уравнение (4.1)описывает закон полного тока, связывающий циркуляцию магнитного поля по контуру с
током, охватывающим этот контур. Правая часть уравнения (4.1) представляет собой плотность полного тока
и состоит из суммы токов смещения ∂ /∂t и проводимости . Появление тока неизбежно порождает
магнитное поле, причем роли токов смещения и проводимости в этом процессе совершенно одинаковы,
магнитное поле может возбуждаться изменением потока индукции.
2

3.

Второе уравнение Максвелла (4.2) является законом индукции, который определяет скорость изменения
магнитной индукции B через пространственную производную (rot) напряженности электрического поля E. Из
этого уравнения видно, что всякое изменение магнитного поля (∂B/∂t≠0) вызывает появление электрического
поля и наоборот.
Третье уравнение Максвелла (4.3) является уравнением непрерывности, которое показывает, что
расходимость (div) электрической индукции равна объемной плотности зарядов.
Четвертое уравнение Максвелла (4.4) говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и о
непрерывности линий магнитной индукции, не имеющих начала и конца. Это линии, уходящие в
бесконечность, или, как обычно, замкнутые линии.
Основными характеристиками и параметрами любой антенны являются:
радиотехнические,
конструктивные,
эксплуатационные,
экономические.
Освоение чрезвычайно широкого диапазона частот ЭМВ и широкое применение радиотехнических
устройств обусловили создание большого количества типов антенно-фидерных устройств. В авиации
освоены и применяются практически все диапазоны частот ЭМВ, соответственно применяются почти все
типы разработанных к настоящему времени антенн. Антенны классифицируются на излучающие провода
(используемые на частотах до 1 ГГц) и излучающие поверхности (используемые, в основном, на частотах
выше 1 ГГц). В своем большинстве антенны реализуют принцип двойственности: одну и ту же антенну
можно использовать как на передачу, так и на прием ЭМВ.
В целях количественной оценки качества функционирования антенн и антенных систем используют
радиотехнические показатели, которые подразделяются на характеристики и параметры.
3

4.

Радиотехнические характеристики – функциональные зависимости амплитуды, фазы и коэффициента
поляризации от направления на точку наблюдения в равноудаленных точках дальней зоны.
1. Характеристика направленности (ХН) – зависимость амплитуды напряженности поля или плотности
потока мощности от направления на точку наблюдения в равноудаленных от антенны точках дальней зоны.
ХН обусловливает свойства антенны, заключающиеся в распределении электромагнитной энергии в
окружающее пространство.
2. Фазовая характеристика – зависимость фазы излучаемого антенной поля в дальней зоне от
направления в пространстве при постоянном расстоянии от фазового центра антенны до точки наблюдения.
3. Поляризационная характеристика – зависимость параметров поляризационного эллипса от
направления. В плоскости, нормальной к направлению распространения электромагнитной волны, за период
частоты конец вектора Е описывает эллипс, который принято называть поляризационным эллипсом.
К радиотехническим параметрам антенн относятся:
1. Излучаемая мощность РΣ – это полная мощность, которую излучает антенна в пространство,
определяемая путем интегрирования плотности потока мощности П по поверхности сферы S произвольного
радиуса, окружающего антенну
P П dS
(4.5)
s
2. Сопротивление излучения RΣ – такое активное сопротивление, которое как бы присутствует в антенне и
на котором рассеивается мощность, излучаемая антенной в пространство
2 P
.
(4.6)
2
I
3. Коэффициент направленного действия (КНД) представляет собой отношение плотности потока
R
мощности П, излучаемого данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности П 0, 4

5.

который излучался бы абсолютно ненаправленной антенной в любом направлении при условии равенства
общей излучаемой мощности в обеих антеннах
D
П
П0
при P P 0 , R const.
4. Коэффициент полезного действия (КПД) η – отношение мощности излучения антенны к мощности,
подводимой к ее входу
P
PA
5. Коэффициент усиления (КУ) G показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую
к антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к абсолютно ненаправленной антенне, КПД которой
считается равным единице, чтобы напряженность поля в точке наблюдения оставалась неизменной.
Коэффициент усиления дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию
энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с другой – уменьшение
излучения вследствие потерь мощности в антенне. Численно коэффициент усиления можно найти как
G D.
(4.7)
6. Диапазон рабочих частот антенны определяется полосой пропускания антенны по уровню 3 дБ по
мощности. Полоса пропускания антенны выражается в процентах в соответствии с выражением
f
f f min
f f min
max
100%, где f cp max
f cp
f cp
2
(4.8)
При 10%-ой полосе антенна называется узкополосной, при 50%-ой полосе – широкополосной, 100%-ой
полосе – сверхширокополосной. При полосе пропускания более 100 % антенна называется диапазонной, для
таких антенн вводится понятие перекрытия по частоте KП=fmax/fmin.
5

6.

7. Шумовая температура антенны TA создается внутренним сопротивлением антенны и оценивается по
PША kTA F ,
формуле
(4.9)
где PША – мощность шумов антенны; k=1,38*10-23 Вт/Гц – постоянная Больцмана; ΔF – полоса частот.
8. Электрическая прочность антенны определяется максимальной напряженностью поля между
токонесущими элементами антенны, начиная с которой происходит пробой (обычно для антенны выбирают
мощность в 4 раза меньше предельно допустимой).
9. Входное сопротивление антенны – это сопротивление, на которое нагружена линия передачи,
UA
питающая антенну
ZA
.
(4.10)
IA
10. Действующая длина (высота) антенны hД – это длина некоторой линейной антенны с равномерным
распределением тока, на которую нужно умножить амплитуду тока на клеммах, чтобы получить площадь тока
S I I АП hД ,
реальной антенны
(4.11)
где IАП – амплитуда тока в пучности.
Для определения характеристик и параметров антенны все окружающее ее пространство разбивают на
определенные зоны, называемые ближней и дальней. Ближняя зона – это часть пространства,
непосредственно прилегающая к антенне. Расстояние до ее внешней границы можно определить с помощью
L 1
L
выражения
RБЗ 3 ,
(4.12)
2 2
где L – линейный размер антенны; λ– длина волны.
В настоящее время теория расчета антенн в ближней зоне не завершена, т.к. в ней не работают основные
уравнения теории Максвелла.
6

7.

Особенностями ближней зоны являются: наличие у векторов напряженности электрического Е и
магнитного Н полей кроме поперечных составляющих еще и продольных составляющих; быстрое
уменьшение амплитуды поля с удалением от антенны; комплексность вектора Пойнтинга П; превышение
реактивной составляющей мощности поля над активной.
Дальняя зона – это пространство, которое окружает антенну, начиная с внешней границы до
бесконечности. Внешнюю границу можно определить из условия
R
2 L2
.
(4.13)
Расчет радиотехнических характеристик и параметров антенн осуществляется только в дальней зоне.
Одной из наиболее важных характеристик антенны является диаграмма направленности (ДН) G(α, β) –
графическое изображение зависимости напряженности поля излученной волны (интенсивности ЭМВ) в
дальней зоне от углов α (азимут) и β (угол места). Традиционно все антенны делятся на приемные и
передающие. Во многих случаях одна и та же антенна выполняет функции как излучения, так и приема, т.е.
является приемопередающей антенной (реализуется принцип двойственности). При этом в подавляющем
большинстве случаев передающая и приемная ДН антенны (ДНА) совпадают.
7

8.

4.2. Классификация бортовых антенн.
Классификация антенн:
1.Линейные:
1.Вибраторные;
2.Щелевые;
3.Штыревые;
4.Рамочные;
5.Спиральные;
6.Микрополосковые (печатные).
2.Апертурные:
1.Волноводные;
2.Рупорные;
3.Зеркальные;
4.Линзовые;
5.Параболические;
6.Конформные;
7.Уголковые.
3.Антенные решетки:
1.Многолучевые антенные решетки;
2.Активная фазированная антенная решетка;
3.Пассивная фазированная антенная решетка.
8

9.

4.3. Обеспечение передачи энергии радиосигналов фидерами и согласование в
антенно-фидерных устройствах
Рассмотрим особенности некоторых антенн.
1.1. Вибратор – это излучатель в виде тонкого проводника (электрический вибратор) или узкой длинной
щели в металлическом экране (щелевой вибратор).
Симметричный вибратор – линейная антенна, состоящая из двух одинаковых по длине отрезков провода,
соизмеримых с длиной волны и подключенных к источнику возбуждения или к приемнику в средних точках.
В диапазонах СДВ, ДВ и СВ часто применяются несимметричные вибраторы, которые называются Г-, Т- и Побразными антеннами.
Вибраторные антенны относятся к классу линейных антенн. Различают два вида вибраторных антенн:
симметричные и несимметричные.
Симметричные антенны состоят из двух одинаковых по размерам и форме проводников, называемых
вибраторами. Каждое плечо антенны имеет длину, равную четверти длины волны, поэтому такую антенну
называют симметричным полуволновым вибратором. Вибратор является резонансной системой и в нём
происходят колебания тока и напряжения. Входное сопротивление такого вибратора, как и четвертьволновой
разомкнутой линии, чисто активное. Сопротивление излучения Rизл, связывающее мощность излучения
антенны Ризл с действующим значением тока в данной точке антенны IА, зависит от геометрических размеров
антенны и от длины волны высокочастотных колебаний
Pизл питающего генератора. Его определяют следующим
Rизл 2 .
образом
(4.14)
IA
Для полуволновой вибраторной антенны Rизл= 73,1 Ом.
9

10.

Пространственная диаграмма направленности, показанная на рисунке 4.1, представляет собой
поверхность торроида с внутренним размером, равным радиусу вибратора. Такая форма диаграммы
обусловлена распределением тока в вибраторе. В плоскости перпендикулярной оси вибратора и проходящей
через его середину (плоскость Н) напряжённость поля вибратора во всех равноудалённых точках одинакова и
максимальна (рис. 4.2а)
E
1.
(4.15)
Emax
Вибратор в этой плоскости не обладает
Рисунок 4.1
направленными свойствами. Иногда эту плоскость
Пространственная
называют экваториальной плоскостью. В плоскости
диаграмма излучения
Е, в которой расположен вибратор, напряжённость
полуволнового
поля определяется выражением
вибратора (торроид).
E
cos .
Emax
(4.16)
и у вибратора проявляются свойства направленного
излучения (или приёма) (рис. 1.83,6). Вдоль своей оси он
не излучает, а в направлении перпендикулярном оси
излучение
максимальное.
Ширина
диаграммы
направленности полуволновой вибраторной антенны θ =
78,2°, а КНД = 1,65.
Рисунок 4.2. Диаграммы направленности вибраторной
антенны.
10

11.

Рисунок 4.3. Распределение тока
в несимметричном вибраторе
Рисунок 4.4. Диаграммы
направленности несимметричного
вибратора
Несимметричной называют вибраторную антенну, у которой одно плечо по размерам или по форме
отличается от другого. Если вертикальный вибратор длиной λ/4 расположить близко к хорошо проводящей
земной поверхности или к металлическому корпусу какого-либо объекта (например, самолёта, автомобиля,
корабля и т.п.), то он вместе со своим зеркальным изображением образует подобие симметричного диполя
(рис. 4.3). Поле излучения и диаграммы направленности такой антенны в плоскости Н (рис.4.4,а) и в
плоскости Е (рис.4.4,б) аналогичны полю и диаграммам полуволнового симметричного вибратора, нижняя
половина характеристики которого срезана проводящей поверхностью. Такую антенну часто называют
четвертьволновым вибратором. Нижний конец такого вибратора присоединяют к одному выходному зажиму
питающего генератора Г, а другой зажим генератора соединяют с проводящей поверхностью, землёй или
корпусом объекта (рис. 4.3).
Существенным достоинством такой антенны является её малая резонансная длина и проста устройства.
Это особенно выгодно при работе на относительно длинных волнах.
Отличие работы такой антенны от работы симметричного полуволнового вибратора заключается в том,
что разность потенциалов между нижним и верхним концами антенны всегда вдвое меньше, чем у
симметричного вибратора. Следовательно, сопротивление излучения четвертьволнового вибратора также
11
будет в два раза меньше и составит R ≈ 37 Ом.

12.

Многовибраторные антенны.
Для увеличения направленных свойств вибраторных антенн и для получения однонаправленного
излучения применяют антенны, состоящие из двух и более вибраторов, расположенных на небольшом
расстоянии друг от друга. Такие вибраторы заметно влияют друг на друга, поэтому их называют связанными.
Взаимодействие связанных вибраторов аналогично взаимодействию связанных колебательных контуров с
сосредоточенными параметрами. Поле одного вибратора наводит в другом некоторую ЭДС, что эквивалентно
изменению входного сопротивления вибратора. Поле, создаваемое системой вибраторов, является
результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учётом фаз этих полей, которые
определяются разностью хода лучей и разностью фаз токов в излучателях.
Вибраторы, подключённые к питающему генератору высокой частоты, называют активными, а
вибраторы, в которых протекают токи под действием поля активного вибратора, но не подключённые к
питающему генератору, называют пассивными.
Рисунок 4.5 Антенная
система из двух вибраторов
Рисунок 4.6. Диаграмма
направленности антенны из двух
вибраторов
12

13.

Рассмотрим работу антенной системы состоящей из двух активных вибраторов А и С, расположенных
параллельно на расстоянии d один от другого (рис. 4.5).
Расстояние d называют базой антенны. Пусть токи в обоих вибраторах равны по величине и ток
вибратора С опережает ток вибратора А на некоторый угол φ. Найдём характеристику направленности
антенны в экваториальной плоскости (в плоскости Н). Каждый из вибраторов в этой плоскости, как это было
показано ранее, является ненаправленным. Однако антенна из двух вибраторов обладает направленностью,
которая обусловлена интерференцией радиоволн, излучаемых каждым вибратором.
Рассмотрим в качестве примера, как будет выглядеть характеристика направленности антенной системы
из двух активных вибраторов, расположенных параллельно на расстоянии λ/4 друг от друга (рис. 4.6).
Питание антенны от генератора высокой частоты будем осуществлять так, чтобы ток вибратора А отставал по
фазе на 90° от тока вибратора С. Определим суммарную напряжённость поля в равноудалённых от антенны
точках, расположенных в дальней зоне.
В направлении 0Х волна от вибратора С проходит лишний путь, равный λ/4, и у неё получается
отставание по фазе на 90° от тока вибратора А. Но, так как эта волна излучается вибратором, в котором ток
изначально опережает по фазе на 90° ток вибратора А, то волны обоих вибраторов, движущихся вдоль оси 0Х
совпадают по фазе и напряжённость поля удваивается
Emax=2E1.
(4.17)
где Е1 – напряжённость поля одного вибратора.
В обратном направлении 0X волна от вибратора А излучается с отставанием по фазе на 90° относительно
тока вибратора С и дополнительно отстаёт по фазе на 90° из-за лишнего пути в λ/4. Таким образом, она
отстаёт по фазе на 180° от волны, излучаемой вибратором С и в результате обе волны взаимно уничтожаются.
Излучение в этом направлении отсутствует и напряжённость поля равна нулю. Получается, что вибратор C
как бы отражает волны, излучаемые вибратором А. Поэтому вибратор С называют рефлектором.
13

14.

По другим направлениям суммарная напряжённость поля определяется как векторная сумма
напряжённости ЕА, создаваемой вибратором А, и напряжённости ЕС, создаваемой вибратором С.
E E A2 EC2 .
(4.18)
В частности, по направлениям OZ и OZ1 расстояния до любой точки каждого вибратора одинаковы и
суммарная напряжённость поля EΣ=1,41E1.
Диаграмма направленности такой антенны в плоскости Н представляет собой кардиоиду и показывает,
что имеется только один максимум излучения в том направлении, в котором расположен вибратор с током,
отстающим по фазе от тока другого вибратора. Для сравнения на рисунке 4.6 пунктирной линией показана
характеристика направленности одиночного вибратора в плоскости Н.
Возбуждение каждого из двух связанных вибраторов токами, сдвинутыми по фазе, усложняет систему
питания. Поэтому в большинстве случаев используют системы, в которых активным является только один
вибратор. Если антенная система состоит из двух вибраторов, то возможны два варианта: вибратор А активный, а вибратор С - пассивный, и наоборот - вибратор А - пассивный, а С - активный.
1.2. Щелевая антенна или дифракционная представляет собой узкую щель, прорезанную в стенке
волновода, резонатора, коаксиального кабеля или полосковой линии. Обычно ширина щели составляет
0,03...0,05 λ, длина – около полуволны. Щели прорезают так, чтобы они пересекали линии поверхностного
тока, текущего по внутренней стенке волновода или резонатора.
Для пояснения принципа работы щелевой антенны представим себе, что в тонкой безграничной
проводящей поверхности вырезана прямоугольная щель (рис. 4.7), длина которой l=λ/2,а ширина d<<λ.
14

15.

Рисунок 4.7 Щелевая
антенна в безграничной
проводящей плоскости
Рисунок 4.8 Распределение: а) тока I; 6) напряжения U и
электрического поля Е вдоль щелевой антенны.
К краям щели в её середине (точки «а» и «а1») подключена двухпроводная линия, соединяющая её с
генератором высокой частоты. Края щели можно рассматривать как двухпроводную короткозамкнутую
линию, в середине которой включён источник переменного напряжения. Е1о краям щели, как по кратчайшему
пути от точки «а» к точке «a1», потечёт ток, который имеет пучности накоротко-замкнутых концах линии и
узлы в точках «а» и «а1»), т.е. ток будет распределён вдоль щели по синусоидальному закону (рис. 4.8а).
Напряжение и электрическое поле будут распределены вдоль щели по косинусоидальному закону, как и вдоль
двухпроводной короткозамкнутой линии длиной λ/2(рис. 4.8б).
Токи смещения, возникающие в щели, продолжаются в виде токов проводимости в металлическом
экране. Распределение магнитного поля вдоль щели отличается от распре­деления его вдоль двухпроводной
линии. Магнитные силовые линии не могут охватить края щели, как линейные проводники с током. Этому
препятствует проводящая поверхность. Поэтому в щели и около неё существует продольное магнитное поле
(Рис. 4.9). Таким образом, в щели существует поперечное электрическое и продольное магнитное поля, и в
15

16.

Рисунок 4.9 Распределение
магнитного поля в щелевой
антенн
Рисунок 4.10. Диаграммы
направленности щелевой
антенны в экваториальной
а) и мередиальной
плоскостях б)
Если сравнить по электрическим характеристикам щелевую антенну с симметричным полуволновым
вибратором, одинаковых со щелью размеров, то можно увидеть, что распределение электрического поля
вдоль щели подобно распределению магнитного поля вдоль вибратора, а распределение магнитного поля по
длине щели подобно распределению электрического поля по длине вибратора.
Диаграммы направленности щелевой и вибраторной антенн также соответствуют друг другу (рис. 4.10).
Для щелевой антенны в экваториальной плоскости X0Z, т.е. в плоскости, в которой лежат электрические
силовые линии, диаграмма направленности представляет собой окружность (рис. 4.10 а) также, как и
аналогичная диаграмма направленности у вибратора. Только у вибраторной антенны в этой плоскости лежат
не электрические, а магнитные силовые линии. В мередианальной плоскости диаграмма направленности
антенны будет выглядеть в виде двух соприкасающихся окружностей в виде восьмёрки (рис. 4.10б).
Характеристики, показанные на рисунках, относятся к щели, вырезанной в проводящей плоскости и
излучающей в обе стороны от этой плоскости.
16

17.

В реальных условиях щель получает энергию из
внутреннего объёма, например волновода или объёмного
резонатора, а излучает её во внешнее пространство, т.е.
только в одну сторону от проводящей плоскости.
Следовательно, у рассмотренных диаграмм направленности
фактически существует только одна половина (рис. 4.11). В
диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для
получения узких диаграмм направленности широко
используются
многощелевые
волноводные
антенны.
Характеристика направленности такой антенны подобна
характеристике направленности многовибраторной антенны,
т.е. имеет один главный и несколько боковых лепестков.
Рисунок 4.11 Диаграммы направленности
пиленой антенны одностороннего
излучения: а)экваториальная и б)
мередиальная плоскости.
Щелевые антенны компактны и механически прочны и, в отличие от вибраторных, являются
невыступающими антеннами. Это преимущество обуславливает, в частности, широкое применение их на
самолётах и других летательных аппаратах, так как они не нарушают аэродинамику объектов, на которых эти
антенны установлены. Однако, прорезание щели в корпусе объекта может ослабить прочность его
конструкции. Поэтому щелевые антенны используются в основном в сантиметровом и дециметровом
диапазонах волн, где их длина невелика. Сама полость щели может быть заполнена диэлектриком.
К недостаткам щелевых антенн относят сложность начальной настройки антенны, так как размеры щели
критичны к длине рабочей волны. Поэтому щелевая антенна может хорошо работать только в узком диапазоне
волн.
17

18.

1.3 Конструктивно штыревая антенна представляет собой штырь длиной около 0,25λ, которому для
снижения аэродинамического сопротивления придана обтекаемая форма и который состоит из двух частей:
«земляной» проводник фидера и возбудитель, изолированный с помощью диэлектрической втулки от корпуса
самолета.
На рисунке 4.12 приведена диаграмма направленности штыревой антенны (ДНА имеет некоторые
провалы в азимутальной плоскости).
Масса антенн находится в
пределах 0,5…1,5 кг, угол
наклона штыревой антенны не
должен превышать 30...40о, так
как при его увеличении падают
действующая высота антенны и
излучаемая мощность (уже при
наклоне
40о
мощность
уменьшается на 15% ).
На рисунке 4.13 приведены
Рисунок 4.12.
различные виды штыревых
Диаграмма направленности
УКВ-антенн.
штыревой антенны
Рисунок 4.13 Внешний вид распространенных штыревых УКВ-антенн
18

19.

Рисунок 4.14. Антенна штыревого типа.
Штыревая антенна типа АШС состоит из
металлического основания 1, изоляционной вставки 2 и
металлического излучателя 4. Излучатель металлической
вставкой 3 соединяется с контактом 5, к которым
подключается кабель 6 приемопередатчика и согласующий
шлейф 7 (отрезок замкнутого на конце кабеля длиной λ/4).
Разъем 8 служит для подключения внешнего кабеля.
Общая высота антенны 300мм, длина горизонтальной
части 500мм, ширина основания у фланца 185мм. Масса
антенны 1,5кг.
Штыревые антенны, подобные АШС, применяются на
самолетах со скорость полета до 0,98М. На самолетах,
имеющих малую скорость, и на вертолетах возможно
применение антенн, излучатель которых устанавливается
под углом 60о к горизонтальной поверхности фюзеляжа.
При этом возрастают действующая высота антенны и
излучаемая мощность.
19

20.

1.4. Рамочные антенны. Такие антенны представляют собой один или несколько последовательно
соединённых витков провода, имеющих круглую квадратную или многоугольную форму. На рисунке 4.15
показана рамочная антенна, произвольно ориентированная в пространстве. Рассмотрим её работу в режиме
приёма.
Рисунок 4.16 Диаграмма направленности рамочной антенны а) в
плоскости рамки, б) в плоскости X0Z
Рисунок 4.15 Рамочная
антенна
Если вертикально поляризованная волна E1, Н1, Р1 приходит с направления 0Х, перпендикулярного
плоскости рамки (или с противоположного направления 0Х1 ), то расстояния до вертикальных сторон рамки
ab и cd в любой момент времени будут одинаковыми и поле волны воздействует на эти стороны рамки в
одинаковой фазе. В рамке появляются две равные ЭДС е1 и е2, находящиеся в одинаковой фазе, но
действующие навстречу друг другу. Поэтому результирующая ЭДС равна нулю и волна, пришедшая с
указанных направлений, не создаёт в рамке тока.
20

21.

Если же вона Е2, Н2, Р2 приходит с направления 0Z. лежащего в плоскости рамки (или с
противоположного направления 0Z1), то до противолежащих вертикальных сторон рамки ab и cd она
приходит с некоторой разностью хода, что вызовет сдвиг по фазе между е1 и е2. Эти ЭДС, действующие
навстречу в противолежащих сторонах рамки, уже не компенсируют друг друга и в рамке возникает ток.
Направление тока определяет знак разностной ЭДС.
То же самое можно сказать и о двух других направлениях OY и OY1, лежащих в плоскости рамки. Волна,
пришедшая с этих направлений, создаёт сдвинутые по фазе ЭДС в противолежащих сторонах рамки ad и bс.
Если рамка имеет форму квадрата, то она одинаково принимает волны, пришедшие с направлений 0Y и 0Y1
или 0Z и 0Z1,а также волны приходящие с любого направления, лежащего в плоскости рамки. В этой
плоскости рамка обладает всенаправленностью и диаграмма направленности антенны в этой плоскости имеет
форму круга (рис. 4.16a).
Волны, приходящие с других направлений, не лежащих в плоскости рамки, она принимает тем хуже, чем
ближе направление приёма к перпендикуляру к плоскости рамки. Следовательно, в этой плоскости рамка
обладает направленными свойствами. Диаграмма направленности антенны в этой плоскости представляет
собой две соприкасающиеся окружности в виде цифры восемь с двумя, явно выраженными направлениями
нулевого приёма, совпадающими с перпендикуляром к плоскости рамки (рис. 4.16б) Фаза наводимой в рамке
ЭДС изменяется на обратную при изменении направления приёма волны на 180°. ЭДС, действующая на
выходе рамочной антенны, так же, как и для любых других антенн, равна произведению напряжённости поля
в точке приёма Е на действующую высоту приёмной антенны hд
2 NS
еΣ = Е*hд.
(4.19)
(4.20)
hд
,
Действующая высота рамочной антенны равна
21

22.

где N – количество витков антенны; S – площадь витка; λ – длина волны.
Так как действующая высота рамочной антенны весьма мала, то и сопротивление излучения и КПД также
малы. По этой причине рамочные антенны редко применяют в качестве передающих. Для увеличения
действующей высоты рамочной антенны применяют многовитковые рамки, а также используют магнитодиэлектрические сердечники. Материалы для таких сердечников обладают высокой магнитной
проницаемостью и малой проводимостью (ферриты, альсифер и др.) Рамки с такими сердечниками называют
магнитными антеннами. Они широко применяются в качестве внутренних антенн малогабаритных
приёмников.
Если сопротивления противоположных сторон рамки неодинаковы, то при приходе волны с «нулевого»
направления наводимые в них одинаковые ЭДС вызывают неравные токи I1 и I2. В связи с этим в рамке
устанавливается некоторый результирующий ток
Ip = I1 – I2
(4.21)
и на выходе рамки возникает разность потенциалов, т.е. имеет место эффект приёма. Такое явление называют
антенным эффектом рамки. В результате антенного эффекта диаграмма направленности антенны искажается,
исчезают направления «нулевого» приёма и вместо них появляются неглубокие минимумы. Если рамочная
антенна используется для пеленгации, то антенный эффект приводит к ошибкам при определении
местоположения объекта.
Для устранения антенного эффекта стороны рамки и провода линии питания должны быть совершенно
симметричны относительно земли и окружающих предметов.
22

23.

1.5. При изготовлении печатных антенн используются современные технологии печатного монтажа.
Одна из таких антенн (в разрезе) представлена на рисунке 4.17.
На рис рисунке 4.17 обозначено: 1 – внутренние диэлектрические пластины; 2, 6 – зоны, покрытые
проводящим слоем; 3 – проводящая соединительная полоска; 4 – внутренний провод коаксиального фидера; 5
– внешние диэлектрические пластины; 7 – основание. Излучателем данной антенны являются тонкие (около
0,12 мм) проводящие слои меди (2 и 6), нанесенные методом фольгирования на диэлектрические пластины 1
и 5 (их толщина около 3 мм). Медная полоска 3 соединяет внутренний провод 4 питающего коаксиального
кабеля с элементом 2 излучателя. Металлическая оплетка коаксиального кабеля контактирует с проводящим
основанием 7 и медными слоями 6.
Антенна покрывается специальным лаком и закрывается диэлектрическим обтекателем, который
предохраняет антенну от механических и климатических воздействий.
К достоинствам печатной антенны следует отнести незначительное
аэродинамическое сопротивление, компактность, малую массу, хорошую
излучательную способность, небольшие потери.
Рисунок 4.17 Конструктивные
элементы печатной антенны
23

24.

1.6 Особенностью поверхностных антенн является их практически нулевое аэродинамическое
сопротивление. Эти антенны устанавливаются на законцовке киля самолета или на хвостовых шайбах
вертолета.
На рисунке 4.18 показаны две поверхностные антенны, расположенные на законцовке самолетного киля.
На рисунке 4.18 обозначено: 1 – диэлектрическая вставка киля; 2 – металлические сетки; 3 –
коаксиальный кабель; 4 – внутренний провод коаксиального кабеля; 5 – основание киля. Верхняя часть 1 киля
выполнена из механически прочного, радиопрозрачного диэлектрика (например, из фольгированного
стеклотекстолита, пластмассы или стеклоткани).
Излучатель антенны создается путем металлизации отдельных участков этой части киля – применяются
наклеенные на диэлектрик медные сетки 2. ВЧ радиосигнал подается к сеткам при помощи коаксиального
кабеля 3, внутренний провод 4 которого соединен с этими сетками. Длина излучателя обычно выбирается
несколько меньшей, чем λ/4. Достоинством поверхностных антенн являются их механическая прочность,
вибростойкость и устойчивость характеристик к влиянию окружающей среды.
Из невыступающих антенн РСБС
наибольшее
распространение
получили
килевые
антенны,
размещаемые на законцовке киля
самолета
(подобные
антенны
располагают
и
на
хвостовом
оперении вертолетов).
Рисунок 4.18 Упрощенная
Рисунок 4.19. Килевая антенна.
24
конструкция поверхностной антенны.

25.

Часть киля 1, где помещается антенна (или две антенны), выполняется из диэлектрика, например,
формованного стеклотекстолита. На текстолитовое основание наклеивается одна или две сетки 2 и 3,
являющиеся излучателями антенн. Излучатель с помощью разъема 4 соединен с кабелем 6, идущим через
трубку 7 к приемопередатчику. Для доступа к разъемам в обшивке киля предусматривает лючки 5. Длина
излучателей несколько меньше λ/4. При расположении на киле двух антенн расстояние между ними должно
быть не менее 500мм.
2.1. Волноводные антенны. В апертурных антеннах, в отличии от вибраторных антенн, излучение
формируется поверхностью (апертурой), которая ограничена площадью S, зависящей от геометрических
размеров. Простейшей апертурной антенной является открытый конец волновода.
Такие антенны применяют в сантиметровом диапазоне волн, когда не требуется узкой направленности
излучения. Часто их используют в качестве облучателей зеркальных антенн. Основным недостатком таких
антенн является то, что при переходе от волновода к открытому (свободному) пространству резко меняются
условия распространения электромагнитной волны и значительная часть энергии, распространяющаяся по
волноводу, отражается от открытого конца. Это явление эквивалентно включению какой-либо
неоднородности в линию передачи. Волновод оказывается плохо согласованным со свободным
пространством. Для улучшения согласования необходимо плавно увеличивать линейные размеры открытого
конца волновода, т.е. перейти к рупору.
2.2 Рупорные антенны. Улучшить направленные свойства волновода можно путем плавного,
постепенного увеличения размеров поперечного сечения волновода, придания ему формы рупора. Антенны,
имеющие такой плавный переход, получили название рупорных антенн (пирамидальная, секториальная,
коническая, с параболической образующей поверхности рупора).
25

26.

Основным типом волны, распространяющейся в волноводе, является волна типа H10. Структура
электромагнитного поля такой волны показана на рисунке 4.20.
Рисунок 4.21 Рупор а) E-секториальный; б) H-секториальный; в)
пирамидальный; г) конический
Рисунок 4.20 Структура
поля в прямоугольном
волноводе
В соответствии с такой структурой при расширении узкой стенки волновода рупор называют Есекториальным (рис. 4.21а). При расширении широкой стенки волновода рупор называют Н-секториальным
(рис. 4.21б). Если у волновода плавно изменяются оба размера, рупор называют пирамидальным (рис. 4.21в).
Круглый волновод при плавном увеличении сечения переходит в конический рупор (рис. 4.21г).
В рупорах возбуждаются волны того же типа, что и в волноводе. Характеристика направленности
рупорной антенны зависит от её геометрических размеров: длины R, высоты LЕ, ширины LH и угла раствора
φ (рис. 4.22).
26

27.

Рисунок 4.22 Пояснение к
определению длины рупора.
Рассмотрим, как влияет конструкция H-секториального
рупора на его характеристику направленности в горизонтальной
плоскости, т.е. в плоскости Н. Форму характеристики определяют
размеры выходного отверстия рупора и распределение в нём фаз
и амплитуд поля. Распределение амплитуд поля влияет главным
образом на величины максимумов главного и боковых лепестков
диаграммы направленности. Ширина главного лепестка и
количество лепестков определяют в основном распределение фаз
и размеры выходного отверстия рупора.
Характеристика будет узкой, если во всех точках плоскости выходного отверстия фаза поля одна и та же и
размеры отверстия значительно превышают длину волны. Иначе говоря, фронт волны в выходном отверстии
рупора должен быть плоским. В действительности фронт волны в отверстии рупора отличается от плоского
тем больше, чем больше его угол раствора φ и короче длина рупора (рис. 4.22).
Так как фронт волны в рупоре имеет сферическую форму, то поле в его раскрыве отличается от
синфазного. Длина центрального луча равна R, а периферийного –
RП R 0,5LH .
2
2
(4.22)
Разность хода лучей ΔR = RП + R будет уменьшаться при увеличении длины рупора и фронт волны в
выходном отверстии рупора будет приближаться к плоскому, а диаграмма направленности антенны будет
сужаться. Следовательно, диаграмма направленности рупорной антенны будет острой лишь в том случае,
если сам рупор имеет малый угол раствора и большую длину.
27

28.

Влияние других размеров различных типов рупоров на их характеристики направленности будет таким
же, как и в рассмотренном случае. Пирамидальный рупор можно рассмотреть в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях Е и Н как секториальные рупоры.
Коэффициент направленного действия рупорной антенны можно рассчитать по формуле
D
4 Sэф
2
,
(4.23)
где Sэф = Sгυ – эффективная площадь раскрыва рупора (площадь апертуры); Sг=LЕLH – геометрическая
площадь раскрыва рупора; υ – коэффициент использования площади раскрыва; λ - длина волны.
Основные достоинства рупорных антенн заключаются в следующем: 1. простота устройства; 2.
Широкий диапазон частот.
2.3. Зеркальные (параболические) антенны – антенны, у которых поле в раскрыве формируется в
результате отражения ЭМВ от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником
ЭМВ обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае
облучателем зеркала или просто облучателем.
Рисунок 4.23 Антенна
с зеркалом виде части
параболоида
вращения:
Рисунок 4.24
Антенна с зеркалом
в виде
части
параболического
цилиндра
28

29.

По числу отражающих зеркал различают одно- и двухзеркальные антенны, по взаимной ориентации
зеркал и облучателей антенны могут быть симметричными и осенесимметричными.
Таким образом, зеркальная антенна конструктивно состоит из двух основных частей: рефлектора и
облучателя. Зеркальные антенны позволяют получить достаточно узкие диаграммы направленности с
большими коэффициентами усиления. Существуют различные типы зеркальных антенн. Наибольшее
распространение получили антенны с параболическим зеркалом в виде части параболоида вращения (рис.
4.23) или в виде части параболического цилиндра (рис. 4.24). На рисунках обозначено: 1 - рефлектор; 2 облучатель.
Рассмотрим физическую сущность формирования радиолуча с помощью параболической передающей
антенны (рис. 4.25). Облучатель 2, помещённый в фокусе такой антенны и получающий высокочастотную
энергию от передатчика через фидерный тракт, создаёт сферическую волну, которая отражается от
рефлектора 1 и проходит через плоскость раскрыва АБ антенны. Плоскость раскрыва это плоскость,
проходящая через крайние перпендикулярная его оси.
Рисунок 4.26
Рисунок 4.25
Принцип
Принцип действия
действия
передающей
приемной
зеркальной
зеркальной
антенны
антенны
29

30.

Свойства параболической формы зеркала обеспечивают одинаковую длину пути для всех лучей, идущих
от облучателя до зеркала и после отражения - до плоскости раскрыва. Это приводит к тому, что все лучи
придут к плоскости раскрыва с одинаковой фазой, т.е. плоскость раскрыва будет являться синфазной
плоскостью. Кроме того, все лучи после отражения будут параллельны оси зеркала.
При использовании такой антенны в приёмном тракте (рис. 4.26) облучатель 2 является уже не
источником электромагнитного излучения, а приёмником, который принимает сфокусированный рефлектором
сигнал, приходящий из окружающего пространства в виде параллельного пучка лучей, и передаёт его с
помощью фидерного тракта на вход приёмного канала.-Геометрические размеры рефлектора во многом
определяют электрические характеристики зеркальной антенны. Чем больше соотношение между диаметром
рефлектора и длиной волны, тем в меньшей степени наблюдается явление дифракции радиоволн у краёв
зеркала, лучше направленность антенны, выше её коэффициент усиления, и наоборот, чем меньше это
соотношение, тем сильнее радиоволны огибают края зеркала, расширяя главный лепесток диаграммы
направленности и увеличивая уровень бокового и заднего излучения. Таким образом, при одних и тех же
геометрических размерах на более коротких волнах зеркальная антенна может обеспечить более высокие
характеристики направленности и усиления.
Искажения диаграммы направленности может происходить ещё из-за того, что облучатель, помещённый
в фокусе зеркала, имеет обычно значительные размеры и волны проходят разные пути от различных точек
облучателя до площади раскрыва зеркала, что нарушает синфазность электромагнитного поля на выходе
антенны, расширяет диаграмму направленности, уменьшает усиление антенны. Чем меньше размеры
облучателя, тем меньше разность хода волн до площади раскрыва зеркала, тем острее диаграмма
направленности антенны, больше коэффициент её усиления.
30

31.

Рефлекторы зеркальных антенн выполняют из материала с хорошей проводимостью: алюминия или его
сплавов или из стеклопластика с металлизированной отражающей поверхностью. Для предотвращения
коррозии поверхность рефлектора окрашивают.
Иногда для уменьшения массы антенны рефлектор делают перфорированным. В этом случае рефлектор
представляет собой зеркало, по всей поверхности которого расположены отверстия. Если размеры отверстий
много меньше длины волны, то они практически не оказывают влияния на электрические характеристики
отражающей поверхности рефлектора. Кроме того, такие рефлекторы могут выдерживать большие ветровые
нагрузки и в меньшей степени задерживать влагу на своей поверхности.
На электрические характеристики зеркальной антенны в значительной степени влияет отклонение
реальной формы рефлектора от идеальной. Электромагнитное поле в раскрыве антенны оказывается не
синфазным, вследствие чего расширяется главный лепесток диаграммы направленности, уменьшается
коэффициент усиления антенны и увеличивается уровень боковых лепестков. Так для антенны, работающей в
диапазоне сантиметровых волн, отклонение формы поверхности рефлектора на два миллиметра приводит к
снижению коэффициента усиления антенны примерно на 10%.
В качестве облучателей в зеркальных антеннах применяют простейшие излучатели электромагнитной
энергии в виде вибраторов, рупоров, щелевых антенн, открытого волновода. Чтобы облучатель не искажал
характеристику направленности антенны, он должен обладать односторонней направленностью и всё его
излучение должно попадать на поверхность рефлектора. Другими словами, ширина главного лепестка
диаграммы направленности облучателя должна быть согласована с углом раскрыва параболического
рефлектора и, в идеальном случае, они должны быть равны.
Облучатель располагают так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе рефлектора. Важно также,
чтобы облучатель создавал минимум тени на пути радиолуча, отражённого от рефлектора.
31

32.

Для этого размеры облучателя должны быть минимально возможными. Смещение облучателя из фокуса
перпендикулярно оси параболоида, вызывает отклонение максимума диаграммы направленности антенны в
противоположную сторону.
Рупорно-параболическая антенна является одним из вариантов зеркальной антенны с вынесенным
облучателем: облучающий рупор и параболическое зеркало составляют единое целое, что практически
устраняет утечку энергии за края зеркала.
2.4. Применяемая на СВЧ линзовая антенна по принципу действия идентична оптической линзе и
состоит из собственно линзы и облучателя, установленного в ее фокусе. Линза трансформирует
сферический или цилиндрический фронт волны облучателя в плоский. Линзовая антенна, ДН которой
формируется за счет разности фазовых скоростей распространения ЭМВ в воздухе и материале линзы,
применяется в РЛС и измерительных устройствах сантиметрового диапазона.
Частный случай линзовой антенны – рупорно-линзовая антенна, состоящая из рупора с большим углом
раствора (60...70о) и вставленной на его выходе линзы. При смещении облучателя линзы из фокуса в
плоскости, проходящей через фокус и перпендикулярной оси линзы, фронт волны на ее выходе
поворачивается на определенный угол. Соответственно поворачивается и направление максимального
излучения, это свойство используется в РЛС при сканировании ДН.
2.5. Уголковая антенна состоит из уголкового зеркала (рефлектора), образованного двумя плоскими
металлическими пластинами, и вибратора, расположенного в плоскости биссектрисы угла зеркала.
32

33.

3.1. В общем случае термин «антенная решетка» (АР) охватывает весьма широкий круг антенных систем
– от простейших двухэлементных излучателей до самых современных антенных комплексов. АР называется
система одинаковых излучающих элементов, идентично ориентированных в пространстве и расположенных
по определенному закону. По способу управления ДН различают частотные и фазированные АР (ЧАР и
ФАР).
Частотный метод реализуется путем изменения частоты генератора, в этом случае не требуются никакие
управляющие элементы.
Фазовый метод осуществляется с помощью фазовращателей, включенных в цепи питания излучателей.
Изменять фазовый сдвиг можно последовательным, параллельным или смешанным способами.
По взаимному расположению элементов АР разделяют на эквидистантные (расстояние между
элементами всегда остается постоянным) и неэквидистантные (расстояние между элементами может
изменяться по определенному закону).
По размещению АР на несущей конструкции выделяют конформные (в точности повторяют форму
объекта, на котором они расположены) и неконформные АР.
По геометрии расположения излучателей в пространстве различают одномерные (линейные, кольцевые,
дуговые), двумерные (поверхностные) и трехмерные АР.
Также АР классифицируются по типу используемых излучателей, по методу сканирования пространства
– механические АР и АР с электронным сканированием.
Высокую направленность излучения или приёма радиоволн можно получить с помощью антенны,
составленной из большого числа слабонаправленных излучателей. В зависимости от частотного диапазона в
качестве излучателей могут быть использованы линейные вибраторы, волноводные щели, рупоры, открытые
33
концы волноводов и др.

34.

Получение направленного излучения с помощью таких систем объясняется интерференцией полей,
создаваемых отдельными излучателями. Вследствие этого диаграмма направленности всей антенной системы
зависит как от типа излучателей, так и от их расположения, от расстояния между ними, от длины волны и от
соотношения между амплитудами и фазами токов в излучателях.
3.2. Соответствующим расположением излучателей и возбуждением в них токов определённой
амплитуды и фазы можно получить синфазное сложение полей отдельных излучателей в требуемом
направлении. Такие антенные системы получили название фазированных антенных решёток (ФАР).
В зависимости от расположения элементарных излучателей различают линейные, плоские и объёмные
ФАР.
Линейная ФАР, схема которой приведена на рисунке 4.27, является простейшей антенной системой такого
типа. Излучающие элементы в линейной ФАР расположены вдоль прямой MN, называемой осью решётки, на
равных расстояниях друг от друга. Расстояние между фазовыми центрами излучателей d называют шагом
решётки. Линейная ФАР позволяет сформировать направленное излучение только в одной плоскости,
проходящей через ось решётки.
Плоская ФАР, схема которой показана на рис. 4.28, даёт возможность сконцентрировать излучение в
узкий пучок в двух плоскостях. Форма такой ФАР может быть прямоугольной, круглой, многоугольной и
определяется как требованиями, предъявляемыми к форме диаграммы направленности, так и
конструктивными особенностями системы. В ряде случаев тип решётки определяется формой элемента
конструкции объекта, на котором размещается антенная система (крыло, фюзеляж, хвостовое оперение
самолёта, часть поверхности космического аппарата и т.п.).
34

35.

Рисунок 4.30 Плоская
ФАР с односторонним
излучателей
Излучатели в плоских ФАР располагают в узлах сетки. Примерная форма
диаграммы направленности плоской ФАР показана на рис. 4.29. Излучение в
нежелательное полупространство устраняют либо выбором однонаправленных
излучающих элементов, либо с помощью экрана, как это показано на рисунке
4.30. На рисунках обозначено: 1- ФАР: 2- главный лепесток диаграммы
направленности ФАР; 3- сечение главного лепестка; 4- боковые лепестки
диаграммы направленности; 5- экран.
Рисунок 4.27 Рисунок 4.28 Плоская
Линейная ФАР
ФАР
Рисунок 4.29 Диаграмма
направленности плоской
ФАР
35

36.

Одной из актуальных задач антенной техники является создание антенн с управляемой диаграммой
направленности. При этом в большинстве практических случаев необходимо, чтобы острая направленность
антенны сочеталась с высокой скоростью перемещения луча в пространстве, с движением его по любой
заданной программе, с автоматическим управлением движения луча и т.д. Эти требования наилучшим
образом выполняются в ФАР с электронным управлением диаграммой направленности. Такое управление
осуществляется изменением фазовых сдвигов между токами в соседних излучателях на одну и ту же
величину.
Управление может быть выполнено фазовым или частотным методами. При фазовом методе используют
электронно-управляемые фазовращатели с последовательной или параллельной схемам включения. В
последовательных схемах используют идентичные фазовращатели. Если необходимо отклонить антенный луч
на некоторый угол, то следует изменить электрическую длину всех фазовращателей на одну и ту же величину,
соответствующую этому отклонению.
К недостаткам последовательной схемы относят достаточно высокие требования к системе управления, к
стабильности работы фазовращателей, большие энергетические потери, а так же неравномерное
распределение мощности между фазовращателями.
Через ближайшие к питающему генератору высокой частоты фазовращатели проходит почти вся
мощность, подводимая к антенной решётке, а к последним – доходит лишь незначительная её часть.
В параллельной схеме включения через каждый фазовращатель проходит лишь небольшая часть
мощности, поэтому требования к допустимой мощности фазовращателей оказываются более низкими.
Коэффициент полезного действия всей схемы примерно соответствует коэффициенту полезного действия
одной параллельной ветви и, как правило, получается более высоким, чем в последовательной схеме. Кроме
того, параллельная схема не требует высокой стабильности характеристик фазовращателей.
36

37.

К недостаткам параллельной схемы можно отнести сложность системы управления, обусловленную тем,
что требуется применение фазовращателей с различными диапазонами фазовых сдвигов. Например, если
сдвиг по фазе между токами в соседних излучателях И1 и И 2 должен быть равен φ, то в последующих
фазовращателях сдвиги должны быть равны 2 φ, З φ ....nφ.
При частотном управлении изменяется частота питающего решётку генератора. Это приводит к
изменению сдвигов по фазе между токами в излучателях решётки, в результате чего изменяется положение
антенного луча в пространстве. Частотное управление является наиболее простым с точки зрения
технической реализации, но требует перестройки частоты питающего генератора в достаточно широких
пределах (не менее 6% от несущей частоты).
Если в тракт каждого излучателя антенной решётки включить активный элемент (генератор, усилитель),
то получим активную ФАР (АФАР). Активные элементы в АФАР располагают в непосредственной близости
от излучателей или встраивают в излучатели. В этом случае конструктивное объединение излучателя,
активного элемента и элемента управления образует модуль АФАР. Преимуществом передающей АФАР
является отсутствие общего такта, по которому передаётся суммарная мощность, и то, что сложение
мощностей многих передающих модулей осуществляется в одном пространственном луче. Это снимает
вопросы, связанные с возможностью электрического пробоя в тракте. Приёмные АФАР имеют меньший
уровень шума, чем пассивные ФАР.
Конструкция модулей АФАР, кроме требуемых электрических характеристик, должна обеспечить
минимальные габариты и массу, хорошую повторяемость, низкую стоимость и т.д. Этим требованиям в
наибольшей степени удовлетворяют модули, выполненные на основе полосковых линий.
37

38.

Общим требованием к авиационным антеннам является
следующее – антенна обязана эффективно работать при
любых режимах работы и в достаточно неблагоприятных
условиях:
на больших высотах – когда резко ухудшаются
изоляционные свойства воздуха, в результате чего
уменьшается сопротивление между элементами антенны и
корпусом самолета; при этом появляется дополнительный ток
проводимости, снижающий как полезный ток в антенне, так и
излучаемую ей мощность, что ведет к снижению дальности
действия системы;
при нагреве антенны (в случае высокой скорости
полета) –ухудшаются изоляционные свойства некоторых
диэлектриков, отделяющих антенну от корпуса самолета, что
в конечном итоге снижает излучаемую антенной мощность;
при обледенении антенны – возникает дополнительная
нагрузка на элементы антенны, могут измениться ее
электрические характеристики;
при ионизации воздуха – наличие факела реактивного
двигателя, вызывающего ионизацию, приводит к затуханию
радиоволн на 3…5 дБ, из-за чего эффективность килевых
антенн на активном участке снижается.
Рисунок 4.31 Конструкция
типовой антенны с элементом
грозозащиты
38

39.

Особенности конструкции и размещения самолётных антенн
Требования, предъявляемые к конструктивному выполнению и размещению самолётных антенн,
обусловлены специфическими условиями их работы при значительных механических и климатических
воздействиях и при наличии радиопомех. Антенны по возможности должны быть невыступающими или
слабовыступающими; занимать минимальную площадь на обшивке и малый объём внутри самолёта; не
нарушать его силовую конструкцию; обладать устойчивостью против вибраций и обледенения; сохранять
работоспособность при полётах на больших высотах, при повышенной влажности, высоких и низких
температурах; не воспринимать радиопомехи, возникающие при электризации, при работе
электрооборудования, радиотехнических систем и других источников излуче­ний, размещённых на самолёте.
Конструкция и размещение антенн должны обеспечивать минимальную электромагнитную связь между
ними, высокую механическую прочность и малое аэродинамическое сопротивление.
Электромагнитное поле создаётся токами, протекающими как в самой антенне, так и в элементах
конструкции самолёта, т.е. корпус самолёта участвует в излучении радиоволн наравне с антенной.
Вследствие этого диаграмма направленности, входное сопротивление и другие параметры самолётной
антенны могут сильно отличаться от параметров такой же антенны, расположенной в свободном
пространстве. Влияние самолёта на радиотехнические параметры зависит от типа антенны и места её
установки, размеров, формы самолёта и рабочей длины волны. Наиболее сильно корпус самолёта влияет на
слабо аправленные антенны, что связано с облучением ею значительной части корпуса. Если же антенна
имеет узкую диаграмму направленности и основное излучение направленно в зону свободную от элементов
конструкции самолёта, то влияние корпуса на её параметры будет значительно меньше.
39

40.

Рассмотрим несколько примеров конструктивного выполнения и размещения на летательных аппаратах
некоторых типов антенн. Для обеспечения дальней двухсторонней связи экипажа с диспетчерскими
пунктами, спасательными службами и другими абонентами на пассажирских самолётах используют
радиостанции декаметрового диапазона. В этих станциях в качестве антенн используют несимметричные,
четвертьволновые антенны в различном конструктивном исполнении. На старых типах самолётов это могут
быть проволочные антенны 1 (рис. 4.32), которые размещаются сверху вдоль фюзеляжа и одним концом
крепятся к килю самолёта через изолятор 2.
Рисунок 4.32 Размещение
проволочной антенны
В других случаях для этих целей применяют антенны верхнего
питания с ёмкостной связью (рис. 4.33). Излучателем антенны в этом
случае является металлическая обшивка корпуса самолёта 2. В качестве
возбудителя такой антенны используют изолированный от корпуса штырь
(вибратор) 1, который установлен в передней части обтекателя
стабилизатора. Вибратор имеет коническую форму. Длина вибратора
зависит от типа самолёта и может достигать двух и более метров.
Антенной аварийно-спасательной станции является четвертьволновый
телескопический
штырь
длиной
5,5
м,
выполненный
из
металлизированного стекловолокна.
Рисунок 4.33 Антенна сверхёмкостного питания
40

41.

Для связных радиостанций УКВ диапазона используют антенны типа АСШ (антенна самолётная
штыревая), представляющая собой четвертьволновый несимметричный вибратор, конструкция которой
показана на рисунке 4.34. Антенна состоит из собственно вибратора 1, укреплённого на основании 3, и
изолированного от корпуса с помощью изолятора 2. Питание антенны осуществляется через
высокочастотный разъём 4. Антенна имеет обтекаемую форму и нижней поверхностью основания крепится к
фюзеляжу самолёта.
Рисунок 4.34 Антенна связных
радиостанций УКВ диапазона
типа АСШ
Рисунок 4.35. Шлейфовая
антенна радиокомпаса
В качестве ненаправленной антенны радиокомпаса используют однолучевые горизонтальные шлейфовые
антенны, позволяющие принимать радиосигналы с любых направлений. Конструкция такой антенны показана
на рис. 4.35. Она представляет собой ленту из посеребрённой латунной фольги 3, вклееную в
диэлектрический обтекатель 4. Обтекатель выполнен из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Для
уменьшения влияния электризации в полёте на наружную поверхность обтекателя нанесено
неэлектризующееся покрытие. Антенна размещена на фланце 1, с помощью которого она крепится к
фюзеляжу самолёта. Для предохранения антенны от эрозии, в передней части обтекателя установлен
защитный лобок из алюминиевого сплава 2. Радиосигналы, принятые антенной, поступают на вход
приёмного устройства через высокочастотный разъём 5.
41

42.

Конструктивно передающая и приёмная антенны выполнены одинаково и расположены рядом на оной
раме моноблока измерителя. Друг от друга антенны разделены поглощающей перегородкой, которая
обеспечивает развязку антенн не менее 80 дБ. Антенная система выполнена неподвижной и жёстко связанной
с корпусом летательного аппарата. Размещена антенная система в вырезе обшивки фюзеляжа или крыла (в
зависимости от типа летательного аппарата) и закрыта снаружи радиопрозрачным обтекателем.
Требования к размещению достаточно жёсткие: электрическая ось антенной системы должна совпадать с
направлением продольной строительной оси летательного аппарата с точностью не хуже ±0,15 , а наружная
плоскость моноблока, в котором расположена антенная система, должна совпадать с горизонтальной
плоскостью летательного аппарата с точностью не хуже ±0,5°. Столь высокие требования обусловлены тем,
что эти параметры являются основой измерительной части всего устройства и относительно них ведётся
отсчёт необходимой информации для определения скорости движения и угла сноса летательного аппарата.
Рисунок 4.37
Антенная система
метеонавигационной
РЛС
Рисунок 4.36 Размещение приёмных антенн системы
ближней навигации
42

43.

Антенна приёмника бортовой системы ближней навигации (рис. 4.36) представляет собой устройство из
двух несимметричных плоских сигмаобразных вибраторов 1, размещаемых внутри носового
радиопрозрачного обтекателя 2 летательного аппарата. Конструкция антенны решётчатая. Решётка
изготовляется из отрезков медной посеребрённой проволоки диаметром примерно 1,5 мм, спаянных между
собой. Геометрические размеры ячеек решётки выполнены таким образом, чтобы они не являлись преградой
для прохождения радиоволн метеонавигационной РЛС, антенный блок которой расположен внутри носового
обтекателя. Каждый вибратор приклеен к внутренней стороне обтекателя. Для подключения высокочастотных
кабелей у каждого вибратора установлена соединительная колодка.
Зеркальные антенны бортовых метеонавигационных РЛС представляют собой комбинированную
конструкцию (рис. 4.37), состоящую из параболического отражателя 1 и отражателя специальной формы 2.
Такая конструкция позволяет формировать две различные диаграммы направленности в зависимости от
режима работы станции. Параболический отражатель в зависимости от типа летательного аппарата, на
котором размещена станция, может иметь диаметр от 200 мм до 1160 мм. Выполнен такой отражатель из
металлизированной стеклоткани. В фокальной плоскости отражателя находится облучатель 5,
представляющий собой диэлектрическую антенну в виде конусообразного диэлектрического стержня,
закреплённого в открытом конце круглого волновода 3. В волноводе перед облучателем смонтирован
ферритовый вращатель плоскости поляризации излучаемого радиосигнала 4. На узком конце облучателя
установлен металлический дисковый контротражатель 6, исключающий прямое излучение и направляющий
всю СВЧ энергию в сторону отражателя при работе станции в режиме передачи и собирающий энергию
падающей на отражатель радиоволны в режиме приёма. Отражатель специальной формы 2 выполнен из
стеклоткани армированной горизонтально расположенными металлическими нитями в виде решётки.
43

44.

Антенные блоки таких РЛС размещают в негерметичном носовом отсеке летательного аппарата под
радиопрозрачным обтекателем. Один из вариантов такого размещения показан на рисунок 4.38. Во многих
случаях при размещении антенны необходимо обеспечить её работу в режиме сканирования диаграммы
направленности в секторе примерно ±(90-100°) относительно продольной оси летательного аппарата.
Антенная система самолётных радиовысотомеров состоит из
одинаковых передающей и приёмной антенн рупорного типа, с
относительно широкой диаграммой направленности порядка 40° и
коэффициентом усиления не менее 12. Антенны должны размещаться на
расстоянии не менее 1м друг от друга на нижней части фюзеляжа или
крыльев летательного аппарата. При размещении должны быть приняты
меры, обеспечивающие пространственную развязку передающей и
приёмной антенн.
Рисунок 4.38. Размещение
антенного блока
метеонавигационной станции н а
самолёте.
44

45.

Литература для самостоятельного изучения:
1. Леньшин, А.В., Тихомиров Н.М., ПоповС.А. Бортовые радиоэлектронные системы. Основы построения.
Воронеж : «Научная книга», 2021г.,486 с.
2. А.А. Сосновский, И.А. Хаймович. Радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов. Справочник
специалиста. Москва.: Транспорт, 1987г., 256с.
3. Никольский Б.А. Бортовые радиоэлектронные система – Самара: СГАУ 2013г, 417стр.
4. Яманов Д.Н. Антенны и устройства СВЧ. Учебное пособие к изучению дисциплины М.: МГТУ ГА, 2011г.
5. Колядов Д.В., Прохоров А.В., Лутин Э.А., Болелов Э.А. Системы связи и телекоммуникации. Ч. 1: Учебное
пособие. – М.: МГТУ ГА, 2017 г.
45