Радиоволны направленно излучаемые антенной радиолокатора отразившись. Радиоволны и распространение радиоволн. Антенна волновой канал
*Радиолока ция - область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов на расстоянии, основанных на использовании радиоволн.
*Радиолокация (от «радио» и латинского слова lokatio – расположение) – область науки и техники, занимающаяся наблюдением различных объектов в воздухе, на воде, на земле и определением их расположения, а так же расстояния до них при помощи радио. *Всем хорошо знакомо эхо: мы дважды слышим звук – когда говорим и когда он возвращается после отражения от стены здания или утёса. В радиолокации происходит то же самое, правда с одной разницей: вместо звуковых волн действуют радиоволны.
Радиолокация основана на свойствах электромагнитных волн: vотражение от преграды; v прямолинейное распространение; vпостоянство скорости км/с. распространения С 0 = 300000
В 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн. В опытах он использовал источник электромагнитного излучения (вибратор) и удалённый от него приёмный элемент (резонатор), реагирующий на это излучение. Французский изобретатель Э. Бранли повторил в 1890 г. эксперименты Герца, применив более надёжный элемент для обнаружения электромагнитных волн – радиокондуктор. Английский учёный О. Лодж усовершенствовал приёмный элемент и назвал его когерером. Он представлял собой стеклянную трубку, наполненную железными опилками.
Следующий шаг был сделан русским учёным и изобретателем Александром Степановичем Поповым. Его прибор имел кроме когерера электрический звонок с молоточком, который встряхивал трубку. Это давало возможность принимать радиосигналы, несущие информацию, азбуку Морзе. По сути, с приёмника Попова началась эра создания средств радиотехники, пригодных для практических целей. Радиоприёмник Попова. 1895 г. Копия. Политехнический музей. Москва. Схема радиоприёмника Попова
А. С. Попов в 1897 году во время опытов по радиосвязи между кораблями обнаружил явление отражения радиоволн от борта корабля. Радиопередатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа» , стоявшем на якоре, а радиоприемник - на крейсере «Африка» . Во время опытов, когда между кораблями попадал крейсер «Лейтенант Ильин» , взаимодействие приборов прекращалось, пока суда не сходили с одной прямой линии В сентябре 1922 г. в США, Х. Тейлор и Л. Янг проводили опыты по радиосвязи на декаметровых волнах (3 -30 МГц) через реку Потомак. В это время по реке прошел корабль, и связь прервалась - что натолкнуло их тоже на мысль о применении радиоволн для обнаружения движущихся объектов. В 1930 году Янг и его коллега Хайленд обнаружили отражение радиоволн от самолета. Вскоре после этих наблюдений они разработали метод использования радиоэха для обнаружения самолета.
История создания радара (RADAR - аббревиатура Radio Detection And Ranging, т. е. радиообнаружение и измерение дальности) Роберт Уотсон-Уатт (1892 - 1973 гг.) Шотландский физик Роберт Уотсон-Уатт первый в 1935 г. построил радарную установку, способную обнаружить самолеты на расстоянии 64 км. Эта система сыграла огромную роль в защите Англиии от налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. В СССР первые опыты по радиообнаружению самолётов были проведены в 1934. Промышленный выпуск первых РЛС, принятых на вооружение, был начат в 1939 г.
Радиолокация – обнаружение, точное определение местонахождения и скорости объектов с помощью радиоволн. Сигнал радиоволны – электрические колебания сверхвысокой частоты, распространяемой в виде электромагнитных волн. Скорость радиоволн, то где R – расстояние до цели. Точность измерения зависит от: Формы зондирующего сигнала Вида сигнала Энергии отражённого сигнала Длительности во времени сигнала
* Минимальное расстояние, на котором можно обнаружить цель (время распространения сигнала туда и обратно должно быть больше или равно длительности импульса) -длительность импульса Максимальное расстояние, но котором можно обнаружить цель (время распространения сигнала туда и обратно не должно быть больше периода следования импульсов) Т-период следования импульсов
* * Радиоволны отражаются землёй, водой, деревьями и другими предметами. Наилучшее отражение происходит тогда, когда длина излучаемых радиоволн меньше отражающего их предмета. Поэтому радиолокаторы работают в диапазоне ультракоротких волн.
* * Радиолокатор посылает импульс радиоволн в сторону объекта и принимает его после отражения. Зная скорость распространения радиоволн и время прохождения импульса до отражающего объекта и обратно, нетрудно определить расстояние между ними. * Любой радиолокатор состоит из радиопередатчика, радиоприёмника, работающего на той же волне, направленной антенны и индикаторного устройства. * Передатчик радиолокатора посылает в антенну сигналы короткими очередями – импульсами.
Антенна направляет радиоволны в атмосфере Радиопередатчик превращает электрические сигналы в радиоволны Микрофон преобразовывает звуковые волны в электромагнитные сигналы Радиоантенна принимает радиосигналы, преобразовывает их в электрические сигналы Динамик в радиоприёмнике превращает электрические сигналы в звуковые волны, которые мы слышим
* * Антенна радиолокатора, обычно имеющая форму выгнутого прожекторного зеркала, фокусирует радиоволны в узкий луч и направляет его на объект. Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается, то к передатчику, то к приёмнику.
Для радиолокации используются антенны в виде параболических металлических зеркал, в фокусе которых расположен излучающий диполь. За счет интерференции волн получается остронаправленное излучение. Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается то к передатчику, то к приёмнику.
* * В промежутках между излучениями импульсов радиопередатчика работает радиоприёмник. Он принимает отражённые радиоволны, а имеющиеся на его входе индикаторное устройство показывает расстояние до объекта. * Роль индикаторного устройства выполняет электронно – лучевая трубка. * Электронный луч перемещается по экрану трубки с точно заданной скоростью, создавая движущуюся светящую линию. В момент посылки радиопередатчиком импульса светящаяся линия на экране делает всплеск.
* Передатчик вырабатывает короткие импульсы переменного тока СВЧ (длительность импульсов 10 -6 с, промежуток между ними в 1000 раз больше), которые через антенный переключатель поступают на антенну и излучаются. * В промежутках между излучениями антенна принимает отраженный от объекта сигнал, подключаясь при этом ко входу приемника. Приёмник выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны. Современный радар включает в себя компьютер, который обрабатывает принятые антенной сигналы и отображает их на экране в виде цифровой и текстовой информации.
* Передающее устройство РЛС излучает энергию не непрерывно, а кратковременно, строго периодически повторяющимися импульсами, в паузах между которыми происходит приём отражённых импульсов приёмным устройством той же РЛС. Таким образом, импульсная работа РЛС даёт возможность разделить во времени мощный зондирующий импульс, излучаемый передатчиком и значительно менее мощный эхо-сигнал. Измерение дальности до цели сводится к измерению отрезка времени между моментом излучения импульса и моментом приёма, то есть временем движения импульса до цели и обратно.
*
* *На сегодняшний день радиолокация применяется во всех сферах человеческой деятельности. *Радиолокация занимает большое место в военной и космической областях, стоит отметить, что только благодаря радиолокации мы можем представить себе рельеф дальних планет
Применение радиолокации Авиация По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов контролируют движение самолётов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полёта и очертания местности, могут ориентироваться ночью и в сложных метеоусловиях.
Основное применение радиолокации – это ПВО. Главная задача наблюдать за воздушным пространством, обнаружить и вести цель, в случае необходимости навести на нее ПВО и авиацию.
* Крылатая ракета (беспилотный летательный аппарат однократного запуска) Управление ракетой в полете полностью автономное. Принцип работы её системы навигации основан на сопоставлении рельефа местности конкретного района нахождения ракеты с эталонными картами рельефа местности по маршруту ее полета, предварительно заложенными в память бортовой системы управления. Радиовысотомер обеспечивает полет по заранее заложенному маршруту в режиме огибания рельефа за счет точного выдерживания высоты полета: над морем - не более 20 м, над сушей - от 50 до 150 м (при подходе к цели - снижение до 20 м). Коррекция траектории полета ракеты на маршевом участке осуществляется по данным подсистемы спутниковой навигации и подсистемы коррекции по рельефу местности.
Самолёт - невидимка «Стелс» -технология уменьшает вероятность того, что самолет будет запеленгован противником. Поверхность самолёта собрана из нескольких тысяч плоских треугольников, выполненных из материала, хорошо поглощающего радиоволны. Луч локатора, падающий на нее, рассеивается, т. е. отражённый сигнал не везвращается в точку, откуда он пришёл (к радиолокационной станции противника).
Радар для измерения скорости движения транспорта Одним из важных методов снижения аварийности является контроль скоростного режима движения автотранспорта на дорогах. Первыми гражданскими радарами для измерения скорости движения транспорта американские полицейские пользовались уже в конце Второй мировой войны. Сейчас они применяются во всех развитых станах.
Метеорологические радиолокаторы для прогнозирования погоды. Объектами радиолокационного обнаружения могут быть облака, осадки, грозовые очаги. Можно прогнозировать град, ливни, шквал.
* Применение в космосе В космических исследованиях радиолокаторы применяются для управления полётом и слежения за спутниками, межпланетными станциями, при стыковке кораблей. Радиолокация планет позволила уточнить их параметры (например расстояние от Земли и скорость вращения), состояние атмосферы, осуществить картографирование поверхности.
* Основное применение радиолокации – это военное. С их помощью возможно наведение истребителей на вражеские бомбардировщики. * Возможно использование бортовых самолётных радиолокаторов для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника. * В космических исследованиях радиолокаторы применяются для управления полётом ракет – носителей и слежения за спутниками и межпланетными станциями. * Радиолокатор намного расширил наши знания о Солнечной системе и её планетах. * По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов контролируют движение самолётов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полёта и очертания местности, по которой летят. * Радиолокаторы, имеющиеся на судах, позволяют установить картину береговой линии, «прощупать» водные просторы, они предупреждают о приближении других судов и плавающих айсбергов.
*Также радиолокация широко используется в устранениях экологических катастроф. С помощью радиолокации можно проследить направление утечек при катастрофах. *В широких масштабах радиолокация применяется для прогнозирования погоды. Национальная метеорологическая служба использует специально оборудованные самолёты, оснащённые радиолокаторами, для отслеживания всех метеопараметров.
Закрепление. Что называется радиолокацией? Какие явления лежат в основе радиолокации? Почему передатчик радиолокационной установки должен излучать волны кратковременными импульсами через равные промежутки? Чем достигается острая излучения радиолокатора? Чем определяется минимальное и максимальное расстояние, на котором может работать радиолокатор? направленность
Закрепление. Решение задач 1. Чему равно расстояние от Земли до Луны, если при её радиолокации отражённый радиоимпульс возвратился на Землю через 2, 56 с от начала его посылки? 2. Определите длительность испускаемого импульса, если минимальное расстояние, на котором может работать данная радиолокационная станция 6 км. 3. Продолжительность радиоимпульса при радиолокации равна 10 -6 с. Сколько длин волн составляет один импульс, если частота волны 50 МГц?
Рафаилов А. Как излучать радиоволны? //Квант. - 1991. - № 11. - С. 33-35.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Прежде чем излучать радиоволны - электромагнитные колебания определенной частоты, нужно эти колебания получить. Это можно сделать при помощи генератора незатухающих колебаний. А вот как добиться того, чтобы о наличии колебаний можно было узнать вдали от генератора,- это и есть тема заметки.
Сформулируем задачу конкретнее: что нужно подключить к выходу генератора незатухающих колебаний, чтобы от него побежала электромагнитная волна? Вопрос этот не простой, зато можно легко догадаться, какие элементы на роль излучающей антенны явно не подходят. Вот, например, резистор. Если мы подключим его к выходу генератора, то вся энергия, которую он от генератора получит, полностью перейдет в тепло. Не подходит на роль антенны и конденсатор - средняя мощность, которую он получает от генератора, в точности равна нулю (сдвиг фаз между напряжением и током равен четверти периода). Значит, ему просто нечего излучать - ведь при излучении электромагнитных волн энергия должна передаваться от источника по всем направлениям. То же самое справедливо и для катушки индуктивности.
Таким образом, для того чтобы мощность отнималась от генератора, нужно изменить сдвиг фаз между током и напряжением - он не должен составлять четверть периода. Этого можно добиться, например, соединив последовательно конденсатор и резистор. Однако ничего полезного для нас при этом не произойдет: теперь цепь нагрузки (конденсатор и резистор) отнимает от генератора энергию, но вся эта энергия полностью переходит в тепло. Попробуйте в этом убедиться самостоятельно - для такой простой цепи это не вызовет трудностей. Оказывается, и для произвольных LCR -цепей (например, как на рисунке 1) выполняется это правило: вся мощность, которую цепь получает от источника, переходит в тепло. При этом зависимость мгновенной мощности от времени имеет вид
\(~p = u(t) \cdot i(t) = U_0 \cos \omega t \cdot I_0 \cos (\omega t + \varphi)\) ,
где φ - сдвиг фаз между током и напряжением. После простых тригонометрических преобразований легко найти среднюю мощность, потребляемую от источника за период (а значит, и за большой промежуток времени):
\(~P_{cp} = \frac 12 U_0 I_0 \cos \varphi = U I \cos \varphi\) .
Это и есть в точности мощность, переходящая в тепло.
Заметим, кстати, что максимальное значение мгновенной мощности больше значения P cp , причем при сдвигах фаз, близких к 90°,- во много раз. Это означает, что источник должен быть в состоянии развивать мгновенную мощность существенно более высокую, чем та, которую в среднем от него отнимают. Такое положение возникает часто в практической электротехнике - при подключении ламп дневного света, электродвигателей и т. п. С лампами дневного света это происходит потому, что ток через лампу задается последовательным подключением катушки индуктивности и сдвиг фаз получается близким к 90° (рис. 2). Излишняя нагрузка для электросети крайне нежелательна, так как приводит к дополнительным потерям в виде тепла и вынуждает применять провода с большим сечением. Положение можно поправить, подключив параллельно конденсатор подходящей емкости (тут нужна настройка в резонанс!). При этом катушка и конденсатор обмениваются между собой энергией во время всего периода - «лишняя» энергия перекачивается между ними, а сеть - источник поступающей в нагрузку энергии - отдает только то количество энергии, которое переходит в тепло.
Итак, цепи такого рода (LCR -цепи) не годятся на роль антенны. Проблема состоит в том, чтобы сделать сдвиг фаз между током и напряжением в цепи отличным от 90°, но не за счет выделения тепла, т. е. без резисторов. Оказывается, если размеры компонентов цепи нагрузки малы по сравнению с длиной волны, ничего нельзя сделать. А вот при больших размерах элементов нагрузки дополнительный сдвиг фаз можно получить за счет запаздывания распространения волны.
Пусть в качестве нагрузки использован конденсатор, сопротивление которого (для переменного тока заданной частоты) оптимально для данного генератора. Теперь начнем увеличивать запаздывание, изменяя габариты конденсатора. Но нельзя просто увеличить размеры пластин конденсатора - его емкость станет больше. Для сохранения емкости придется увеличить и расстояние между пластинами. Строго говоря, конденсатор больших размеров - это уже не конденсатор. Сдвиг фаз теперь соответствует другой цепи, и от генератора потребуется мощность, хотя резисторов тут нет и тепло не выделяется. Следовательно, энергия от генератора должна куда-то уходить, а именно - излучаться в пространство.
Для получения наибольшей излучаемой мощности нужно довести размеры и конфигурацию антенны до оптимума. Если такая антенна состоит, например, из двух стержней - длинных и тонких, то оптимальная длина каждого из них должна быть равна четверти длины волны, стержни нужно направить вдоль одной прямой, а выводы генератора незатухающих колебаний подключить так, как показано на рисунке 3. Такие антенны часто применяют в качестве приемных для телевизоров. В сущности приемные и передающие антенны не отличаются друг от друга (только для очень мощных передатчиков нужно делать специальные передающие антенны, с учетом высоких напряжений и больших токов, подаваемых на антенну для передачи).
Бели размеры антенны выбраны правильно, то не создается «лишней» нагрузки для генератора радиопередатчика и отнимаемая от него энергия излучается в пространство. Однако эти пожелания легко удовлетворить только для стационарных радиопередатчиков и не очень низких частот передачи (для которых не слишком велика длина волны). Для переносных радиостанций это не всегда возможно - антенна получается намного короче, чем нужно для оптимального согласования с генератором.
В таком случае можно «облегчить участь» генератора, подключив последовательно с антенной катушку индуктивности (ее так и называют - удлинительной)- емкостное сопротивление короткого антенного провода будет скомпенсировано индуктивным сопротивлением катушки. Антенна может состоять и из нескольких проводников - выбирая длину и положение этих проводников и подавая в них токи от генератора в нужных фазах, можно добиться того, чтобы излучение происходило преимущественно в заданном направлении («направленная» антенна). Это - пример использования интерференции в технических целях. Кстати, вовсе не обязательно подключать все проводники к генератору - вполне достаточным для наших целей может оказаться тот ток, который возникает в проводнике из-за того, что он находится в электромагнитном поле основной антенны. Все это относится и к приемной антенне, которая чаще всего включает основной проводник - «вибратор» (происхождение этого термина должно быть ясным) и несколько дополнительных, ни к чему не подключенных проводников строго определенных размеров и местоположения (их называют «директор» и «рефлектор», от их числа и точности подбора зависит направленность антенны).
Оказывается, можно подобрать конфигурацию сложной антенны так, чтобы она работала удовлетворительно не только на строго определенной частоте, но и в целом диапазоне частот. Это совершенно необходимо, например, для приема телевидения - ведь не очень удобно иметь для каждого канала свою антенну. Однако, если частоты каналов сильно разнесены или антенна находится очень далеко от телецентра, приходится использовать несколько отдельных, хорошо настроенных антенн.
Излучение радиоволн — процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн (См. Антенна).
Излучение радиоволн.
Рис. 1. Виток катушки индуктивности.
Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны λ, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1), существует другой участок В, удалённый от А на расстояние, меньшее, чем λ/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает Колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем λ/2. Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с λ/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с λ < 10 км.
Излучатели.
Рис. 2. Электрический диполь.
Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А и В прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO’ двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис. 2). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О’ равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, — окружности (рис. 3).
Рис. 3. Структура электрического Е и магнитного H полей вблизи диполя: пунктир — силовые линии электрического поля; тонкие линии — силовые линии магнитного поля; О — точка наблюдения.
Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4).
Рис. 4. Мгновенные картины электрических силовых линий вблизи диполя для промежутков времени, отстоящих друг от друга на 1/8 периода Т колебаний тока.
Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е волны в точке наблюдения О (рис. 3) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r, проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости.
Переменное электромагнитное поле возникает во всём пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида (рис. 5).
Рис. 5. Пространственная диаграмма направленности электрического диполя.
Рис. 6. Несимметричный вибратор; Г — генератор электрических колебаний.
Полная мощность, излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l и длиной волны λ. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с λ/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника, подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения Rи, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность. Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда — единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости.
Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью μ, на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7, а, б), что обусловлено принципом двойственности.
Рис. 7. Сопоставление электрического диполя (а), магнитного (6) и щелевого (в, г) излучателей; 1 — проводник с током; 2 — стержень из материала с высокой магнитной проницаемостью; 3 — металлический экран, в котором прорезана щель; 4 — проводники, идущие от генератора высокочастотных электрических колебаний; 5 — силовые линии электрического поля; 6 — силовые линии магнитного поля.
На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140—250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50—80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15—20 К.
О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна .
Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. — Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1950. Под редакцией Л. Д. Бахража.
Во время Великой Отечественной войны радиолокация помогала нашим воинам своевременно обнаруживать вражеские самолеты и корабли и наносить по ним сокрушающие удары. Сейчас она - верный страж границ нашей Родины.
Радиолокация является средством обнаружения и определения местоположения различных объектов в воздухе, на воде, на земле, в космосе при помощи радиоволн. Она основана на свойстве радиоволн отражаться от предметов, встречающихся на их пути. Это явление было открыто немецким ученым Г. Герцем. Отражение волн от больших объектов наблюдал изобретатель радио А. С. Попов еще в 1897 г. во время опытов по радиосвязи на Балтийском море. Однако бурное развитие радиолокации началось лишь в период Великой Отечественной войны.
В чем сущность радиолокации?
Ты, конечно, знаешь, что эхо - явление отражения звука. Его можно наблюдать в больших пустых аудиториях, в горах. Оно может быть использовано для определения расстояния до предмета, препятствия. Вот конкретный, близкий тебе пример. Ты отправился с товарищами в поход. На вашем пути оказалось ущелье, а за ним - почти отвесная скала. Можно ли, не сходя с места, определить расстояние до скалы? Можно! Для этого надо только иметь точный секундомер. Крикни громко и отрывисто. Через некоторое время ты услышишь отголосок созданного тобой звука.
Это звуковое эхо. Короткая очередь звуковых волн долетела до скалы, отразилась от нее и вернулась к тебе. Допустим, что время, которое прошло с момента выкрика до момента прихода эха, оказалось равным 6 с. Звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью . За 6 с они прошли путь от тебя до скалы и обратно. Длина этого пути . Значит, расстояние до скалы .
Явление эха используется также для измерения глубин морей и океанов. Для этого существуют специальные аппараты-эхолоты. В днище корпуса судна укреплены излучатель мощных ультразвуковых волн, имеющий направленное действие, и устройство для приема этих волн после отражения их от морского дна (рис. 410). Излучатель включают на очень короткие промежутки времени. Возбужденный им импульс волн ультразвуковой частоты пронизывает толщу воды и, отразившись от дна, возвращается к приемному устройству. Скорость распространения ультразвуковых волн в воде известна: она равна - почти в 5 раз больше, чем в воздухе. Если эту скорость, выраженную в метрах, умножить на время между моментами излучения и приема отраженного сигнала, а произведение разделить на 2, то результат и будет глубиной моря в метрах.
Рис. 410. Измерение глубины моря с помощью эхолота
Так, например, если эхолот зарегистрировал время прохождения сигнала 0,8 с, то глубина моря в этом месте равна .
В природе есть живые существа, которые при своем движении пользуются явлением отражения волн. Это, например, летучие мыши. Летучую мышь можно пустить в совершенно темную комнату с веревочной паутиной, и она, летая в комнате, ни разу не натолкнется на веревку. Природа наградила летучую мышь чувствительным органом приема ультразвуковых волн, излучателем которых является она сама. Если на пути полета мыши имеется какой-то предмет, то он отразит излучаемые ею волны, что явится для нее сигналом о препятствии - надо повернуть. Если чувствительный орган мыши не улавливает отраженные волны, значит, впереди препятствия нет - можно продолжать путь в том же направлении.
Радиоволны отражаются и рассеиваются различными предметами в разные стороны. Отраженные радиоволны - это радиоэхо. Они могут быть уловлены радиоприемником. Зная скорость распространения и время прохождения импульса радиоволн от его источника до отраженного предмета и обратно, нетрудно определить длину его пути. На этом и основана радиолокация.
Любая радиолокационная станция, называемая также радиолокатором, или сокращенно РЛС, содержит радиопередатчик, радиоприемник, антенну и индикаторы, позволяющие обнаруживать цели и определять их текущие координаты. Передатчик, работающий на постоянной частоте, излучает в пространство радиоволны. Если на их пути встречается какое-то препятствие, например самолет, оно отражает и рассеивает радиоволны во все стороны, в том числе и в сторону РЛС. Чувствительный приемник, настроенный на частоту передатчика, принимает отраженные волны, а включенный на его выходе индикатор дальности показывает расстояние до предмета.
Но мало знать, что отражающий радиоволны самолет находится на таком-то расстоянии. Надо знать еще и направление. Чтобы определить, в каком месте находится данный предмет, антенна РЛС должна посылать радиоволны не во все стороны, как радиовещательная станция, а направленным, сравнительно узким пучком, подобным световому лучу прожектора.
В этом случае приемник радиолокатора зафиксирует сигналы, отраженные только тем самолетом, который находится в направлении излучения радиоволн.
Наилучшее отражение радиоволн происходит, когда их длина соизмерима с размерами предмета. Поэтому радиолокаторы работают на метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волнах, т. е. на частотах свыше 600 МГц. Энергию радиоволн таких длин, кроме того, легче концентрировать в узкий пучок, что имеет немаловажное значение для «дальнобойности» радиолокатора и точности определения места нахождения того или иного объекта.
Каким же образом радиолокатор обнаруживает объект, если он излучает энергию радиоволн узким направленным пучком? Антенна его передатчика может вращаться, а также изменять угол наклона, посылая волны в различных направлениях. Она же является и приемной антенной.
Наиболее простая антенна РЛС, работающая в метровом диапазоне, показана схематически на рис. 411, а. Принципиально она имеет такую же конструкцию, как многоэлементные телевизионные приемные антенны, только снабжена еще механизмом вращения и наклона. Длина вибратора равна приблизительно половине длины излучаемой волны. Ток высокой частоты подводится к активному вибратору. Такая антенна посылает радиоволны довольно узким направленным пучком в сторону директоров.
Рис. 411. Антенны направленного излучения и приема
Она же и принимает отраженные сигналы, которые идут со стороны директоров.
Другая конструкция антенны наземной РЛС метрового диапазона показана на рис. 411,б. Она имеет большое число излучаемых вибраторов, расположенных в одной плоскости. Металлическая конструкция, на которой смонтированы вибраторы, выполняет роль рефлектора антенны. Чем короче радиоволна станции, тем меньше размеры излучаемого вибратора и рефлектора и общие размеры антенны. Так, например, рефлекторная антенна станции миллиметрового диапазона может иметь размеры, не превышающие размеров тарелки.
Передатчики РЛС работают, как правило, в импульсном режиме; импульсами излучают радиоволны и их антенны. При импульсном режиме передатчик в течение очень короткого промежутка времени создает «очередь» радиоволн, после чего наступает сравнительно продолжительный перерыв - пауза, в течение которой он «отдыхает». Во время перерыва происходит прием отраженных волн. Затем снова излучается такой же импульс, за ним опять следует пауза и т. д. При таком режиме антенна передатчика как бы «стреляет» в пространство короткими очередями радиоволн.
Допустим, что каждый импульс РЛС длится и за каждую секунду излучается 500 таких очередей радиоволн. Следовательно, паузы между импульсами равны т.е. почти в 200 раз продолжительнее, чем импульсы.
Получается, что передатчик за сутки в общей сложности работает всего не больше нескольких минут. А мощность импульса достигает десятков, сотен и даже тысяч киловатт. Она во много раз больше мощности, потребляемой радиолокатором от источника питания. Объясняется это тем, что во время паузы в передатчике накапливается электрическая энергия, которая затем в течение очень короткого промежутка времени преобразуется в колебания радиочастоты и излучается антенной.
Расстояние до объекта определяют, как я уже говорил, временем между моментом посылки импульса и возвращением «радиоэха». Радиоволны распространяются со скоростью (точнее, . Это значит, что от самолета, находящегося, например, на расстоянии 150 км, радиоэхо вернется через 0,001 с, а при расстоянии до него 300 км - через 0,002 с. Для измерения таких коротких промежутков времени не годятся даже самые лучшие секундомеры, ибо неточность в отсчете времени даже дает ошибку, равную десяткам километров.
В РЛС отсчет времени ведется при помощи электронного секундомера, роль которого обычно выполняет электронно-лучевая трубка. В простейшем виде она, подобно трубке осциллографа, представляет собой стеклянный баллон с электродами и сильным разрежением воздуха внутри (рис. 412,а).
Рис. 412. Устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки
Экраном служит плоская широкая часть трубки, покрытая с внутренней стороны тонким слоем люминофора полупрозрачного вещества, светящегося под ударами электронов. Катод электронно-лучевой трубки подобен подогревному катоду электронной лампы. Он окружен металлическим цилиндром с небольшим отверстием посередине, через которое вылетают излучаемые катодом электроны. Это управляющий электрод трубки. Неподалеку от него расположен первый анод, имеющий форму полого цилиндра. На него относительно катода подается положительное напряжение, под действием которог о электроны, излучаемые катодом, получают ускорение. За первым анодом находится второй. Это может быть полый цилиндр или токопроводящее покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность горловины трубки. На него подается еще более высокое положительное напряжение, чем на первый анод. Электроны, пролетая его, приобретают еще большую скорость движения к экрану. Напряжения на электродах трубки подбирают так, что между ними образуется электрическое поле, обладающее свойством собирать электроны, летящие к экрану, в узкий пучок - луч.
Под действием ударов электронов люминофор светится - на экране появляется светящаяся точка (рис. 412,б). Она тем ярче, чем больше электронов в луче и чем больше их скорость. Управляющий электрод изменяет плотность электронного луча и, следовательно, яркость светящейся точки на экране.
Всю систему, состоящую из катода, управляющего электрода и анодов, называют электронным прожектором электронно-лучевой трубки.
Между анодами и экраном трубки размещены еще четыре пластины, носящие название отклоняющих. Они образуют два плоских конденсатора, электрические поля которых перпендикулярны друг другу. Подавая напряжение на пару вертикально расположенных пластин, электронный луч можно отклонить влево или вправо и таким образом перемещать светящуюся точку на экране по горизонтали. Это пластины горизонтального отклонения луча. Вторая пара пластин, расположенных горизонтально, образует конденсатор, позволяющий электронный луч и светящуюся точку на экране перемещать по вертикали. Это - пластины вертикального отклонения луча.
Используя электронно-лучевую трубку в качестве электронного секундомера, на ее пластины горизонтального отклонения луча подают от специального генератора переменное напряжение пилообразной формы (рис. 412, в), называемое напряжением горизонтальной развертки . От обычного синусоидального напряжения пилообразное отличается главным образом тем, что оно уменьшается значительно быстрее, чем возрастает, причем изменение напряжения происходит не по кривым, а по прямым линиям. При этом электронный луч чертит на экране трубки прямую горизонтальную светящуюся линию (рис. -линию горизонтальной развертки. Она-то и выполняет роль шкалы такого прибора радиолокатора. Если на пластины вертикального отклонения луча подать импульс отраженного сигнала, он вызовет на этой шкале отметку в виде всплеска.
На пластины горизонтального отклонения луча прибора подают пилообразное напряжение развертки той же частоты, с которой происходит излучение зондирующих пачек радиоволн, например 1000 Гц. При такой частоте электронный луч 1000 раз в 1 с прочеркивает экран, образуя на нем прямую светящуюся линию. Общая длина линии на экране при этом соответствует в масштабе отрезку времени длительностью 0,001 с, т. е. . Она может быть отградуирована в километрах.
Луч на экране трубки начинает двигаться слева направо от нулевого деления шкалы в тот момент, когда происходит излучение импульса. Момент посылки импульса отмечается выбросом линии у нулевого деления шкалы трубки. Пластины вертикального отклонения луча трубки включены на выходе приемника. Если в приемник не поступают отраженные импульсы, то остальная часть линии развертки на экране трубки имеет вид прямой. Но как только начинают поступать отраженные импульсы, на светящейся линии получается второй выброс. Для случая, показанного на рис. 413, видно, что расстояние до объекта, отразившего радиоволны, 70 км.
Как операторы РЛС определяют текущие координаты обнаруженного объекта, например самолета? По его азимуту, т. е. по углу между направлением на север и направлением на самолет, и по углу места - углу, образуемому горизонтальной линией и наклонной линией, направленной на самолет (рис. 414). Эти данные фиксируют индикаторы по положению антенны. А когда известны азимут, угол места и наклонная дальность, то нетрудно рассчитать высоту полета и место, где в данный момент находится обнаруженный самолет. В РЛС все эти расчеты производятся, разумеется, автоматически.
Рис. 413. Выброс светящейся линии на экране электронно-лучевой трубки указывает расстояние до цели
Рис. 414. Определение направления и высоты полета самолета
Рис. 415. Структурная схема радиолокационной станции
Рис. 416. Индикатор кругового обзора
Очевидно, что если РЛС находится на земле или установлена на корабле и предназначена для наблюдения за наземными или плавающими по воде кораблями, нет необходимости измерять угол места.
Чтобы ты имел более полное представление о РЛС, разберем ее работу по упрощенной структурной схеме, изображенной на рис. 415. На ней показаны только основные устройства и их взаимосвязь.
Антенна, излучающая импульсы радиоволн и принимающая отраженные радиоволны, обладает острой направленностью. При помощи электродвигателей она, нащупывая цель, может вращаться вокруг своей оси и изменять угол наклона. С механизмом вращения и наклона антенны связаны приборы, показывающие азимут и угол места самолета, на который в данный момент она направлена. Генератор передатчика и приемник имеют с антенной не прямую связь, а через переключатель, роль которого выполняют электронные приборы. Во время посылки импульсов радиоволн антенна подключена к передатчику, а во время пауз - к приемнику. Принятые отраженные сигналы после усиления и детектирования подаются на электронно-лучевую трубку указателя дальности. Горизонтальное движение луча этой трубки осуществляется пилообразным напряжением генератора развертки. Новым для тебя на этой схеме является хронизатор-устройство, согласующее работу генератора передатчика, антенного переключателя и генератора развертки трубки дальномера. Через строго определенные промежутки времени он вырабатывает пусковые импульсы, действующие на генераторы развертки электронно-лучевой трубки. Хронизатор обеспечивает слаженность работы всех приборов и устройств РЛС.
Современные РЛС имеют, как правило, не три, как на структурной схеме, а два основных электронных индикатора: индикатор кругового обзора и индикатор высоты цели. Электронно-лучевая трубка индикатора кругового обзора (рис. 416) имеет радиальную развертку, светящаяся линия которой перемещается по кругу синхронно с вращением антенны. На обрамление экрана трубки нанесены метки градусов азимутальной шкалы. На самом экране электронным методом создают концентрические масштабные отметки наклонной дальности (на рис. 416 - через 50 км).
На экране такого индикатора фиксируются все объекты, находящиеся в зоне действия, видны их азимуты и Наклоны дальности. Например, для случая, показанного на рис. 416, азимут объекта а 90°, наклонная дальность , а для объекта б соответственно 230° и 375 км.
Угол места определяют по индикатору высоты цели с помощью так называемого гониометра - устройства, изменяющего диаграмму направленности антенны. Таким образом, эти два индикатора позволяют оперативно, за 10-15 с определять и следить за текущими координатами всех целей, находящихся в зоне обнаружения РЛС.
Ты вправе задать вопрос: а как же узнать, свой или чужой самолет обнаружен? На самолетах устанавливают небольшие передатчики, которые автоматически включаются при облучении их радиоволнами запросчика своей РЛС и посылают ответные опознавательные сигналы. Ответные сигналы своего самолета видны на экране индикатора кругового обзора. Если ответных сигналов нет - значит, самолет чужой.
Достаточно полное представление о РЛС тебе даст рис. 417, на котором изображена развернутая подвижная наземная РЛС, рассчитанная главным образом на обнаружение и определение координат самолетов и крылатых ракет. Все оборудование и имущество станции размещено в кузовах двух автомобилей с повышенной проходимостью.
Рис. 417. Радиолокационная станция П-10: 1 - аппаратная машина; 2 - силовая машина; 3 - антенна РЛС; 4 - антенна запросчика
В кузове одного автомобиля находятся агрегаты питания, а кузове второго - радиолокационная аппаратура. Неподалеку от них установлена антенна запросчика. При размещении такой станции на ровной площадке радиусом около дальность обнаружения самолетов - бомбардировщиков, летящих на высоте , достигает 180-200 км.
Конструкция, габаритные размеры и «профессия» PЛC весьма разнообразны. Сейчас трудно назвать род Вооруженных Сил, где бы в той или иной степени не использовалась радиолокационная аппаратура. Без нее невозможно наиболее эффективно использовать быстрокрылые истребители-перехватчики, зенитно-ракетные установки, самолеты-ракетоносцы, корабли различного назначения и другую военную технику.
Советская Армия и Военно-Морской Флот получают на вооружение все более совершенную технику. И чтобы она всегда была в боевой готовности, ее надо хорошо знать и в совершенстве управлять ею. Вот почему сейчас молодежь начинает изучать эту технику на учебных пунктах, на курсах радиошкол ДОСААФ еще до призыва в Вооруженные Силы нашей Родины.
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны
- преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование - электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности - графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название - антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 - фидер, 2 - рефлектор, 3 - директоры, 4 - активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор - активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Направленность - двулепестковая
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность - рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 - это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация - это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный - горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
