книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

объясняется следующим. Электромагнитное поле, излу­ чаемое антенной, вызывает в обшивке самолета высоко­ частотные токи. Они обусловливают образование нового электромагнитного поля, которое изменяет излучаемое ею первичное электромагнитное поле. Это влияние в значительной степени определяется конфигурацией са­ молета, его размерами, длиной волны и местом распо­ ложения антенны на самолете. Таким образом, излучае­ мое антенной электромагнитное поле является резуль­ татом сложения электромагнитных полей (излучаемого антенной и создаваемого за счет поверхностных токов в обшивке самолета). Вследствие этого характеристика направленности в горизонтальной плоскости самолетной штыревой антенны диапазона УКВ получается изрезан­ ной (с провалами).

До последнего времени использовались жесткие са­ молетные антенны, представляющие собой стальную или медную проволоку, натянутую между мачтой, располо­ женной в носовой части фюзеляжа, и килем самолета (иногда мачту не ставят и провод антенны натягивают между килем самолета и проходным изолятором в но­ совой части фюзеляжа).

С увеличением скоростей полета все большее приме­ нение находят антенны с малым аэродинамическим со­ противлением. Конструкции таких антенн могут быть различными. На цельнометаллических самолетах при­ меняются антенные устройства, использующие в качест­ ве излучателей корпус самолета или его части. В корот­ коволновом диапазоне целесообразно использовать киль самолета, так как размеры вертикального киля совре­ менных самолетов сравнимы с длиной коротких волн. Возбуждение такого антенного устройства может быть осуществлено различными способами. Один из способов (наиболее простой) заключается в возбуждении киля самолета при помощи шлейфовой антенны. Схематиче­ ски вид такого антенного устройства приведен на рис. 1.27. При помощи шлейфовой антенны можно воз­

самолета. Размеры шлейфовых антенн определяются экспериментально установленными соотношениями:

і = ~ ~ , £ = ~ И d ^ o , o i V K

70

шлейфовую антенну во всем диапазоне коротких волн невозможно, так как с изменением длины волны резко

Рис. 1.27. Схема возбуждения киля самолета при помощи шлейфовой антенны:

меняется реактивная составляющая входного сопротивления. Поэтому шлейфовую антенну делят на секции, каждая из которых имеет отводы с возможностью зако­ рачивания их с помощью реле на массу самолета. Шлей­ фовая антенна может располагаться в специальной нише, не выступая за обшивку самолета, вследствие чего она не создает дополнительного аэродинамического сопротивления. Таким образом, антенное устройство, со­ стоящее из шлейфовой антенны и из элементов самолета или всего самолета, имеет существенные преимущества перед жесткой антенной, заключающиеся в малом аэродинамическом сопротивлении (практически равном нулю) и малом изменении входного сопротивления при секционировании шлейфовой антенны. Но такие антен­ ны по сравнению с жесткими антеннами имеют мень­ шую эффективность.

На некоторых самолетах в диапазоне УКВ приме­ няются поверхностные антенны, расположенные на киле самолета и выполненные из металлической сетки или токопроводящей краски, нанесенной на верхней изоли­

71

рованной части киля в соответствии с его формой. Ме­ таллическую сетку наклеивают на изолированную верх­ нюю вставку киля с обеих сторон.

Вкачестве самолетных антенн могут использоваться

ищелевые антенны, т. е. вырезы определенной длины

вобшивке самолета, так как щель в металлическом ли­ сте, в которой соответствующим образом возбуждаются электромагнитные колебания, является излучающей си­ стемой. Более подробно работа щелевых антенн описана

в«Учебнике механика ВВС. Радиолокационное обору­

дование».

5. СПОСОБЫ ПИТАНИЯ АНТЕНН

Эффективное излучение электромагнитной энергии антенной возможно лишь тогда, когда имеется хорошее согласование ее входа с линией передачи энергии (фи­ дером).

В самолетных диапазонных заземленных вибраторах согласование достигается настройкой антенны на рабо­ чую волну передающего устройства. Для этого допол­ нительно в антенную цепь (последовательно с катушкой связи) включается катушка переменной индуктивности или конденсатор переменной емкости (рис. 1.28, а). В случае автоматического перехода с одной волны на другую в антенную цепь подключаются различные ка­ тушки или конденсаторы с фиксированными значениями своих параметров.

В самолетных станциях из условий аэродинамиче­ ской прочности иногда используют не полуволновый, а четвертьволновый вибратор, размещенный непосредст­ венно на обшивке самолета (рис. 1.28,6). Питание к та­ кой антенне подводится обычно коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление, равное входному со­ противлению вибратора.

Для согласования фидера с антенной часто приме­ няют специальные устройства, получившие название трансформаторов согласования.

На рис. 1.28, в в качестве примера показано включе­ ние между антенной и фидером четвертьволнового транс­ форматора согласования, представляющего собой отре­ зок двухпроводной линии длиной Х/4. Если этот отрезок нагрузить сопротивлением, в данном случае сопротив­

72

лением антенны RA, то входное сопротивление ZBX в точках а—б будет равно

где W, — волновое сопротивление четвертьволнового от­ резка линии.

Рис. 1.28. Способы питания и согла­ сования антенн с линиями передачи высокочастотной энергии

Изменением величины №т можно подобрать входное сопротивление ZBX, равное волновому сопротивлению фидерной линии.

Четвертьволновые трансформаторы могут быть при­ менены также для согласования фидерных линий между собой.

73

§ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, распространяются в пространстве между точками излу­ чения и приема, которые находятся либо на земной по­ верхности, либо в околоземном пространстве. Поэтому для уяснения физической сущности процесса распро­ странения радиоволн между передающим и приемным пунктами необходимо выяснить условия их распростра­ нения, определяемые свойствами атмосферы и земной поверхности.

Радиоволны, распространяющиеся вдоль поверхно­ сти Земли, получили название поверхностных волн, а волны, распространяющиеся под различными углами к горизонту, называются пространственными.

1. СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера, окружающая земной шар, представляет собой слой газа толщиной приблизительно 1000— 2000 км. Нижние слои ее, до высот 15—18 км, образуют тропосферу, а более высокие — стратосферу.

Тропосферу и нижние слои стратосферы можно рас­ сматривать как хороший диэлектрик. Верхние слои ат­ мосферы ионизированы и образуют так называемую ионосферу. Ионизацией называется процесс расщепле­ ния атомов молекул газов на положительно и отрица­ тельно заряженные частицы — ионы и электроны. Об­ разование ионизированного слоя объясняется дейст­ вием различных ионизирующих факторов, главным из которых являются солнечные лучи (солнечная радиа­ ция). По высоте степень ионизации различна. В верх­ них слоях атмосферы ионизация незначительна из-за сильной разреженности газов. По мере проникновения солнечных лучей в толщу атмосферы ионизация увели­ чивается и достигает наибольшей концентрации. Затем в нижних слоях атмосферы, у земли, солнечные лучи оказываются ослабленными, ионизация снова умень­ шается.

Ионосфера состоит из трех ионизированных слоев: слоя F, расположенного на высоте 200—400 км, слоя £, расположенного на высоте 90—120 км, и слоя Д, по-

74

являющегося днем на высоте 60—70 км. Ионизация в слое F в течение суток меняется незначительно. В жар­ кие летние дни слой F расщепляется на два слоя — Ft и F2 - Слой Е образован в основном ультрафиолетовыми лучами солнца. Степень ионизации и положение слоя Е зависят от интенсивности солнечных лучей. Днем и ле­ том слой Е делается толще и как бы опускается ниже. Ночью и зимой вследствие воссоединения ионов и элек­ тронов в нейтральные молекулы слой. Е становится тон­ ким и может совсем исчезнуть. Таким образом, в атмо­ сфере на высоте 60—500 км имеются проводящие иони­ зированные слои.

2. ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Предположим, что передающая антенна, излучаю­ щая радиоволны во всех направлениях, расположена в точке А земной поверхности (рис. 1.29, а).

Воднородной среде, т. е. среде, где электрическая s

имагнитная р, проницаемости постоянны, радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоро­

По достижении электромагнитной волной границы раздела неионизированных слоев воздуха с ионосферой, которая характеризуется электрической проницаемостью меньше единицы ( е< 1 ) , в общем случае происходит от­ ражение и преломление падающей волны. При этом угол отражения равен углу падения а, а угол прелом­ ления ß связан с углом падения а соотношением

где п — показатель преломления.

Так как п меньше единицы (п<1), то ß больше а.

'При увеличении угла падения волны а увеличивается и угол преломления ß.

75

Рассмотренная картина отражения радиоволн пред­ полагает существование резкой границы между неионизированными слоями атмосферы и ионосферы. В дейст­ вительности резкого перехода в ионосферу не сущест­ вует, да и сама ионосфера состоит как бы из нескольких слоев, в которых электрическая проницаемость непре­ рывно изменяется от слоя к слою. Поэтому отражение

Рис. 1.29. Влияние ионосферы на распространение радиоволн

радиоволн от ионосферы происходит в результате углу­ бления луча в ионизированные слои, сопровождаемого постепенным преломлением его этими слоями, пока не наступит отражение луча (рис. 1.29,6).

При прохождении радиоволн в ионосфере их энергия поглощается. Интенсивность поглощения зависит от проходимого в ионосфере пути, проводимости ионо­ сферы и длины волны радиоволн.

76

Степень преломления радиоволн в ионосфере и спо­ собность отражения их от нее также зависят от длины волны. Этим и обусловливаются особенности распро­ странения радиоволн различных диапазонов.

3. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Раньше существовало мнение, что электромагнитные волны распространяются вблизи земной поверхности прямолинейно. Однако многочисленные опыты по орга­ низации связи между двумя наземными пунктами, рас­ положенными на расстояниях, значительно превышаю­ щих дальность прямой видимости, позволили устано­ вить, что радиоволны обладают свойством огибания сферической поверхности Земли и различных препятст­ вий на ней (например, гор).

Свойство радиоволн огибать препятствия на поверх­ ности Земли обусловлено явлением дифракции. Иссле­ дования этого явления позволили установить, что на разных длинах волн дифракция проявляется по-разно­ му: чем больше длина волны, тем она проявляется силь­ нее.

Поверхность Земли не является идеальным провод­ ником. Поэтому поверхностные волны частично прони­ кают в толщу земли, что является причиной их затуха­ ния. Затухание поверхностных волн тем сильнее, чем короче длина волны.

4. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

Распространение длинных и средних волн

Для длинных радиоволн земная поверхность обла­ дает хорошими проводящими свойствами. Следователь­ но, они претерпевают в поверхности Земли значительно меньшее поглощение, чем средние и тем более короткие волны. Сферичность поверхности земного шара не яв­ ляется препятствием для распространения длинных радиоволн поверхностным лучом благодаря явлению дифракции, достаточно сильно проявляющемуся на этих

77

волнах. Оба эти фактора обусловливают возможность распространения длинных волн поверхностным лучом на расстояние порядка нескольких тысяч километров.

Пространственные лучи длинных волн испытывают значительное поглощение в ионосфере. Это объясняется тем, что под действием электромагнитных волн элек­ троны и ионы ионосферы приходят в колебательное дви­ жение. Электроны и ионы, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, выделяют тепло за счет энергии при­ ходящих радиоволн. Причем, чем длиннее волна, тем амплитуда колебаний электронов и ионов больше, веро­ ятность столкновений увеличивается и, следовательно, увеличиваются потери энергии.

Однако радиосвязь на длинных волнах возможна и с помощью пространственных волн за счет многократ­ ного последовательного отражения последних от ионо­ сферы и Земли.

Достоинством длинных волн является высокая устой­ чивость связи независимо от времени года и суток. Од­ нако радиостанциям указанного диапазона свойственны и недостатки:

а) передатчики должны иметь большую мощность, чтобы обеспечить связь на большие расстояния, так как достаточно велик уровень помех в этом диапазоне;

б) антенны длинноволновых станций должны иметь большие размеры;

в) в диапазоне длинных волн невозможно обеспе­ чить одновременную работу большого количества ра­ диостанций из-за взаимных помех.

Средние волны сильнее поглощаются землей, чем длинные. Ионосферой они поглощаются несколько мень­ ше. Днем, когда ионизированный слой расположен ни­ же, энергия средних волн сильно поглощается и напря­ женность поля в точке приема определяется лишь про­ хождением поверхностного луча. Зимой и ночью, когда степень ионизации уменьшается и ионосфера приподни­ мается, поглощение этих волн уменьшается и отражен­ ные лучи распространяются на большие расстояния. Следовательно, связь на средних волнах в течение суток менее устойчива, чем на длинных волнах. Недостатки средневолнового диапазона те же, что и длинноволно­ вого. Средние волны чаще применяются в радионавига­ ционных устройствах.

78

ные вследствие сильного затухания в земле обеспечи­ вают связь лишь на расстоянии нескольких десятков километров. Это объясняется тем, что короткие волны слабо поглощаются ионосферой и, отражаясь, возвра­ щаются на землю на большом удалении.

Распространение коротких волн в сильной степени зависит от интенсивности солнечной радиации, т. е. от времени суток и года. Днем, когда ионизированный слой опускается ниже, критическая волна равна 7—9 м. По­ этому связь целесообразно вести на волнах 10—20 м, которые называются дневными волнами. Ночью крити­ ческая волна равна 18—20 м, поэтому связь целесооб­ разно вести на волнах 30—70 м. Эти волны называются ночными.

При обеспечении радиосвязи на коротких волнах следует учитывать такие явления, как наличие мертвых зон, замираний и радиоэха.

Мертвой зоной называется пространство, в котором прием сигналов невозможен (рис. 1.29, в). Образование мертвой зоны между точками Б и С на поверхности Земли объясняется тем, что поверхностная волна из-за сильного поглощения в земле распространяется от точ­ ки А лишь до точки Б. Ближайшей же точкой на по­ верхности Земли, в которую придет отраженная от ионо­ сферы пространственная волна, является точка С. На участок поверхности Земли между точками Б и С про­ странственная волна от радиостанции, расположенной в точке А, прийти не может. Это обусловлено тем, что все пространственные лучи, падающие на ионизирован­ ный слой под углами, меньшими критического угла па­ дения аКр, преломляясь в этом слое, не испытывают полного внутреннего отражения, а пронизывают этот слой и уходят в космическое пространство. Ширина мертвой зоны может колебаться от нескольких тысяч до нескольких десятков километров.

Явление замирания слышимости (фединг) вызы­ вается интерференцией (наложением) двух или несколь­ ких волн, приходящих от одного и того же источника в точку приема различными по длине путями. Если они

79