Введение. 
Антенны и устройства (свч): расчет и измерение характеристик

В данном учебном пособии объединен многолетний опыт проведения лабораторных работ и накопленные преподавателями кафедры высокочастотных средств радиосвязи и телевидения института радиоэлектроники и информационных технологий — РТФ — знания по дисциплинам «Устройства СВЧ и антенны», «Микроволновые устройства», «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн».

Теория устройств СВЧ и антенн разрабатывается с начала прошлого века как в отечественных университетах, научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях, так и за рубежом. Большая часть устройств, о которых идет речь в этом пособии, была изобретена, описана и исследована задолго до его написания. Однако алгоритмы расчета, программное обеспечение, измерительное оборудование и технологии производства непрерывно изменялись все это время. Предыдущее учебно-методическое пособие авторов было посвящено большей частью измерениям параметров антенн в безэховых камерах [ 1 ]. В этом же пособии предпринята попытка отражения актуальных изменений в теории и технике устройств СВЧ и описания их экспериментальных исследований в среднестатистической университетской лаборатории.

Изучаемые здесь устройства обычно сами по себе не применяются. Они используются в составе радиолокаторов, высокоскоростных, а значит и высокочастотных систем передачи данных по радиоканалу, радиовысотомеров и других радиотехнических систем. В современном сотовом телефоне тоже есть такие устройства, только они очень малы в размерах и для того, чтобы их рассмотреть, потребовалось бы разобрать его. В учебной же лаборатории подобные устройства значительно крупнее. Их можно взять в руки, рассмотреть, присоединить к другим приборам, исследовать.

Первая часть пособия посвящена исследованию устройств, выполненных на основе прямоугольных волноводов. Часто бывает так, что нужно проконтролировать сигнал, идущий, например, от передатчика к антенне. Для этого используют направленные ответвители. Название говорит о том, что они некоторую часть передаваемой мощности из линии передачи извлекают и передают в заданном направлении. В каком? Это можно будет узнать из первой главы. В этой же главе описаны мостовые устройства. Забегая вперед, можно сказать, что они забирают из основной линии ровно половину мощности, поэтому их можно назвать и делителями мощности. Однако ограничиться только таким названием будет не совсем верно. В нашей лаборатории придется иметь дело с частотами порядка нескольких гигагерц (ГГц). А если, например, 10 гигагерц перевести в длину волны, получится всего 3 сантиметра. Это значит, что на расстоянии 3 см фаза волны меняется на целых 360° (перед прочтением пособия желательно повторить материал по дисциплинам «Электродинамика и распространение радиоволн» или «Электромагнитные поля и волны»). Исследуемые устройства заметно больше по своим размерам. Поэтому сдвиг волны по фазе, а проще — некоторую задержку во времени, при распространении волн в устройствах нужно учитывать. Для этого существует специальный математический аппарат, основанный на использовании матриц рассеяния. Они позволяют легко связывать амплитуды и фазы (задержки при прохождении) волн на различных входах устройств. В теоретической части работы описаны матрицы рассеяния, направленные ответвители и мостовые устройства, порядок расчета их характеристик. Перед выполнением экспериментальных исследований, как правило, нужно выполнить определенные расчеты. Иначе не с чем будет сравнивать результаты измерений.

Иногда для решения практических задач, например при подключении одной антенны к приемнику и передатчику, да еще так, чтобы мощность передатчика уходила в антенну, не попадая в приемник, а он в свою очередь мог принимать слабые сигналы, да еще и одновременно, применяют невзаимные устройства. Внутри таких устройств находятся особые материалы — анизотропные среды. Они позволяют создавать приборы с разными законами передачи мощности в различных направлениях: вентили, циркуляторы и коммутаторы. Исследованию таких устройств посвящена вторая глава.

Техника сверхвысоких частот имеет много особенностей по сравнению с традиционной низкочастотной. Например, необходимо выполнять условие согласования элементов и устройств. Если антенна не согласована с линией питания, то далеко не вся подводимая к антенне мощность будет излучаться в пространство. Для согласования используются специальные методы, которые рассматриваются в третьей главе. В практической части этой главы предлагается не только рассчитать элементы конструкции согласующих устройств, но и изготовить их, а затем и проверить полученные устройства с помощью специальных приборов.

Для предотвращения попадания ненужных сигналов и помех в приемник применяются фильтры. Из курса «Основы теории цепей» известно, что фильтры состоят из индуктивностей и емкостей. Они бывают полосно-пропускающие, заграждающие, а также верхних и нижних частот в зависимости от их характеристики передачи. В диапазоне СВЧ изготовить элементы фильтра с нужными величинами крайне сложно. Широко применяются фильтры, изготовленные подругой технологии — из отрезков линий передачи. По прочтении четвертой главы вновь представится возможность самостоятельно рассчитать, изготовить, а потом и экспериментально измерить характеристики фильтра.

Вторая часть этого пособия посвящена антеннам. Некоторые из них можно увидеть на крышах домов, например телевизионные вибраторные антенны. Антенны как излучают электромагнитную энергию (передающие), так и извлекают ее из пространства (приемные). Размеры элементов вибраторных антенн достаточно просто рассчитываются. Есть специальные компьютерные программы, позволяющие быстро сконструировать антенну и оценить ее характеристики. Одной из них таких программ и предлагает научиться пользоваться пятая глава. Проверкой расчетов будут результаты экспериментальных измерений.

Исследуемые в шестой главе рупорные и линзовые антенны встречаются реже. Например, в качестве приемных модулей зеркальных антенн («тарелок»), принимающих телевизионные сигналы со спутников. Так как размеры излучающих поверхностей для хорошей направленности должны составлять несколько длин волн, рупорные и линзовые антенны используются в основном в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн.

Еще сложнее увидеть волноводно-щелевые антенные решетки, изучаемые в седьмой главе. Это антенны, выполненные на основе использования прямоугольного волновода, в котором по определенному закону прорезаны узкие отверстия, и электромагнитная энергия излу чается наружу. Если отверстия прорезаны правильно, то можно сформировать достаточно узконаправленное излучение в нужном направлении. Такие антенны чаще всего используются в радиолокационных системах с большими уровнями излучаемой мощности, хотя и в режиме приема они так же хорошо работают.

Особый интерес для использования в системах связи, радиолокации и радионавигации представляют полосковые антенны и антенные решетки. Почему? Это можно узнать из восьмой главы. Этот класс антенн появился относительно недавно, когда появились специальные диэлектрические материалы с малым значением тепловых потерь. В практической части главы предлагается рассчитать параметры антенн, а затем из результатов измерений проверить, удалось ли это сделать правильно.

Успешное выполнение расчетно-экспериментальных частей глав позволит читателю не только лучше усвоить лекционный материал, но и приобрести навыки компьютерного моделирования СВЧустройств, а также научиться корректно выполнять измерения их характеристик. Полученные знания пригодятся, если придется иметь дело с такими системами связи, как сотовая, спутниковая, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, с навигационными системами GPS и ГЛОНАСС. Кроме того, необходимо понимать, что все современные процессоры и модули с высокой тактовой частотой создаются на основе технологии СВЧ, и знание такой технологии для современного специалиста просто обязательно.