Trakty mikrofalowe

W opisach technicznych radarów zazwyczaj niewiele miejsca poświęca się elementom pośredniczącym w przesyłaniu energii mikrofal z nadajnika do anteny i z anteny do odbiornika. Tym niemniej są to elementy bardzo istotne, ponieważ ważnym zagadnieniem w radarze jest odseparowanie odbiornika od nadajnika. Radary impulsowe z reguły wykorzystują wspólną antenę do nadawania i odbioru, co oznacza, że tor nadawczy i odbiorczy w pewnym punkcie toru przesyłającego energię łączą się. Należało znaleźć metodę uodpornienia odbiornika na duże moce sygnałów generowanych przez nadajnik. Gdyby nie wynaleziono specjalnych układów przełączających, uległby on fizycznemu zniszczeniu pod wpływem bardzo dużej mocy sygnałów wytwarzanych w nadajniku.

Zasadnicze układy traktów mikrofalowych

trakt mikrofalowy

Trakty mikrofalowe dawniejszych radarów były bardzo proste i składały się w zasadzie z prowadnicy falowej oraz przełącznika antenowego N-O (nadawanie-odbiór), który dzięki zastosowaniu w nim tzw. zwieraków gazowanych oraz odcinków linii długiej umożliwiał pracę nadajnika i odbiornika z jedną anteną. Obecnie trakty znacznie się rozbudowały, np. trakt mikrofalowy typowej jednokanałowej stacji radiolokacyjnej można przedstawić w postaci schematu blokowego, pokazanego na rysunku.

Trakt taki składa się z następujących elementów mikrofalowych:

Wszystkie wymienione wyżej elementy połączone są w funkcjonalny zespół za pomocą odcinków prowadnic falowych. Ważniejsze z nich opisałem poniżej.

Prowadnice falowe

Do przesyłania energii mikrofalowej w radarach służą tzw. prowadnice falowe. W radiolokacji stosuje się następujące ich typy:

Linia współosiowa jest znana z życia codziennego, choćby jako przewód antenowy do odbiornika TV. Stosowanie linii współosiowych w radiolokacji jest jednak ograniczone ze względu na duże tłumienie energii przy przesyłaniu sygnałów bardzo wysokich częstotliwości oraz niewystarczającą wytrzymałość na duże moce sygnałów. Dlatego zastosowania linii współosiowych ograniczają się do urządzeń małej mocy, połączeń między blokami odbiorników, radiolokacji wtórnej oraz układów pomiarowych.

Linie paskowe pojawiły się w technice mikrofal w związku z miniaturyzacją aparatury mikrofalowej, a szczególnie rozwojem obwodów drukowanych. Konstrukcję typowej linii paskowej przedstawia rysunek. Jak widać, składa się ona z dwóch przewodów, tj. z wąskiego paska przewodzącego i przewodzącej płaszczyzny, nad którą znajduje się przewodnik. Szerokość tej płaszczyzny może być rzędu 3 do 5 szerokości paska przewodzącego. Podobnie jak w zwykłej linii dwuprzewodowej, w linii paskowej rozchodzą się fale poprzeczne (TEM), tzn. wektory natężenia składowych pól elektrycznego i magnetycznego są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. W takiej linii przekazywana energia jest skupiona w pobliżu paska.

prowadnice falowe

Linie paskowe mogą przenosić ograniczoną moc, mają też straty na promieniowanie energii, natomiast ich zaletami są prostota konstrukcji, małe wymiary i możliwość wykonywania ich jako fragmentów obwodów drukowanych, dlatego znalazły zastosowanie w częściach odbiorczych radarów oraz w układach pomiarowych.

Największe zastosowanie w radiolokacji znalazły falowody. Są to rury wykonane z materiału przewodzącego o przekroju prostokątnym lub kołowym. Rury takie nazywane są falowodami prostokątnymi i falowodami cylindrycznymi. Obecnie prawie powszechnie w stacjach radiolokacyjnych stosowane są falowody prostokątne. Zaletami falowodów jest małe tłumienie energii elektromagnetycznej oraz wytrzymałość na dużą moc sygnałów. Dlatego tam, gdzie trzeba przesłać silne impulsy sondujące, nieodzowny jest falowód.

Oglądając odcinek falowodu prostokątnego można łatwo ocenić, na jakiej długości fali pracuje radar. Falowodem, którego szersza ścianka ma szerokość wewnętrzną a, można przesłać fale o długości od 1,05a do 1,6a. Wynika to z właściwości pola elektromagnetycznego oraz jego rozkładu w falowodzie. Rozkład pola w falowodzie fachowo nazywa się rodzajem fal lub rodzajem falowodowym. Istnieje wiele rodzajów fal i dla ich rozróżnienia opisuje się je, np. H01, H10, H11, itp.

tłumienie fal

Jednym ze specyficznych parametrów falowodu jest tzw. krytyczna długość fali, jaka przy danym rodzaju fali może się „zmieścić” w falowodzie. Na rysunku przedstawione są wykresy charakteryzujące wartość tłumienia w falowodzie prostokątnym oraz, dla porównania, w kablu współosiowym. Z wykresu widać, że dla mniejszych częstotliwości tłumienie w falowodzie szybko rośnie, ze względu na zbliżanie się do krytycznej długości fali. Dla częstotliwości większych tłumienie stopniowo wzrasta. Z rysunku wynika, że istnieje pewien zakres częstotliwości (długości fal), dla których tłumienie w falowodzie jest najmniejsze. Dla ścisłości należy też wspomnieć, że najmniej w falowodzie tłumione są fale rodzaju H01. Jest to rodzaj, który zapewnia również minimalne wymiary poprzeczne falowodu. Z tego względu jest najczęściej stosowany w falowodach prostokątnych.

Izolatory ferrytowe

Nadajnik radaru generuje energię pola elektromagnetycznego o bardzo dużej mocy, która przesyłana jest traktem mikrofalowym do anteny. Niestety nie cała wygenerowana energia jest emitowana w przestrzeń. Na skutek wzajemnego niedopasowania elementów traktu (różnice tzw. impedancji falowych), część tej energii odbija się od tych elementów, co może zakłócić pracę nadajnika.

Jako układy separujące nadajniki mikrofalowe od zakłócającego wpływu traktów mikrofalowych stosuje się izolatory ferrytowe. Przyrządy tego typu charakteryzują się małym tłumieniem dla fali wytwarzanej przez nadajnik, natomiast mają duże tłumienie zaporowe, pozwalające stłumić falę odbitą od anteny i od traktu mikrofalowego. Izolatory ferrytowe powinny również przenosić sygnały o dużym poziomie mocy zarówno impulsowej, jak i średniej.

Izolator ferrytowy składa się z płytki ferrytowej umieszczonej w falowodzie w stałym polu magnetycznym, wytwarzanym zwykle przez umieszczenie na falowodzie magnesu. W ferrycie wytraca się niewielka część mocy wyjściowej nadajnika oraz w praktyce cała moc odbita. Wskutek pochłaniania energii izolator ferrytowy nagrzewa się. Aby uniknąć cieplnego uszkodzenia izolatora, zaopatrzony jest on w układy chłodzenia powietrznego lub cieczowego, które odprowadzają nadmiar ciepła z ferrytów.

Przełączniki nadawanie – odbiór

Radar impulsowy wykorzystuje wspólną antenę do nadawania i odbioru, co oznacza, że tor nadawczy i odbiorczy w pewnym punkcie spotykają się. Powstaje problem, jak spowodować, żeby impuls sondujący o bardzo dużej mocy trafił z nadajnika do anteny, a nie do wejścia odbiornika, co spowodowałoby jego całkowite zniszczenie. Następnym zagadnieniem do rozwiązania jest przesyłanie bardzo słabych sygnałów echa (o mocy rzędu 10-12W) odbieranych przez antenę do wejścia odbiornika w taki sposób, ażeby nie tracić lub tracić niewiele z ich i tak już bardzo słabej mocy. Zatem istotną problemem w konstrukcji radarów jest odseparowanie od siebie nadajnika i odbiornika oraz bardzo szybkie przełączanie anteny na przemian do wyjścia nadajnika lub wejścia odbiornika.

W radiolokacyjnych stacjach impulsowych stosowane są przełączniki antenowe, zwane też przełącznikami nadawanie – odbiór (N-O). Służą one do kolejnego przełączania anteny wraz z prowadzącym do niej odcinkiem linii przesyłowej do nadajnika podczas generowania przezeń impulsu sondującego, a następnie do wejścia odbiornika podczas odbioru sygnałów echa. Przełączanie takie powinno odbywać się w takt częstotliwości powtarzania, a więc najczęściej od kilkudziesięciu do kilku tysięcy razy na sekundę, a w przypadku radarów pokładowych nawet kilkaset tysięcy razy na sekundę. Czas przełączania powinien być bardzo krótki, rzędu 10-7sekundy.

cyrkulator ferrytowy

Ze względu na tak ostre wymagania nie jest możliwe stosowanie do tego celu jakichkolwiek przełączników mechanicznych. Dlatego w charakterze przełączników antenowych stosuje się tzw. zwieraki gazowane instalowane w odcinkach linii przesyłowej lub, w nowszych konstrukcjach radarów, elementy mikrofalowe zwane cyrkulatorami ferrytowymi. Dla wyjaśnienia zasady pracy przełączników N-O na bazie zwieraków, niezbędna jest znajomość teorii linii długich, są one też coraz rzadziej stosowane, dlatego nie będę ich szczegółowo omawiał. We współczesnych radarach rolę przełącznika N-O spełnia najczęściej curkulator ferrytowy. Jest to trójramienny element, w którym dzięki właściwościom materiału ferrytowego umieszczonego w jego środku, fala elektromagnetyczna może przemieszczać się tylko w jednym kierunku, tak jak pokazuje to strzałka na rysunku. Po doprowadzeniu impulsu dużej mocy z nadajnika do ramienia nr 1 może on trafić tylko do ramienia nr 2, które prowadzi do anteny. Z kolei sygnał echa z anteny, dochodzący do ramienia nr 2, znajduje drogę tylko do ramienia nr 3, czyli do odbiornika. W ten sposób cyrkulator samoczynnie wybiera właściwą drogę sygnału podczas nadawania i odbioru nie wymagając żadnego sterowania.

Powyższy opis działania cyrkulatora jest nieco wyidealizowany. W rzeczywistym cyrkulatorze niewielka część mocy nadajnika z ramienia nr 1 przenika do ramienia nr 3. W typowych warunkach jest to około 1% mocy generowanej przez nadajnik. Ponadto do odbiornika dochodzi z ramienia nr 2 część mocy odbita od anteny jako niedoskonale dopasowanego obciążenia. Dlatego sam cyrkulator nie stanowi dostatecznego zabezpieczenia odbiornika przed niepożądaną dużą mocą i potrzebny jest dodatkowy ogranicznik mocy na wejściu samego odbiornika.

Złącza obrotowe

Złącze obrotowe umożliwia przenoszenie energii z nieruchomego nadajnika do ruchomej, najczęściej obrotowej anteny. Najprostsze konstrukcyjnie, jednokanałowe złącze wykorzystuje odcinek falowodu cylindrycznego umożliwiającego obroty. Służy ono do przesyłania energii elektromagnetycznej z nieruchomego prostokątnego odcinka falowodu do drugiego, podobnego odcinka.

Obecnie w związku ze stosowaniem radarów o bardziej złożonych funkcjach istnieje konieczność stosowania złącz o większej liczbie kanałów. Wymagania stawiane złączom obrotowym są bardzo wysokie, a sprowadzają się do tego, by było ono prawie „niezauważalne” na drodze transmisji fal, czyli nie powodowało tłumienia energii. Dlatego są to elementy o bardzo precyzyjnej konstrukcji mechanicznej.

Polaryzatory mikrofalowe

Pojęcie polaryzacji fal elektromagnetycznych jest bardzo istotne w technice antenowej i propagacji fal. Polaryzację fali określa figura geometryczna zakreślana w czasie przez koniec wektora natężenia pola elektrycznego na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali. Jeżeli koniec wektora natężenia pola elektrycznego zakreśla odcinek prostej, to mówimy, że fala jest spolaryzowana liniowo, przy czym w zależności od tego, czy zakreślany odcinek jest usytuowany poziomo, czy pionowo w stosunku do powierzchni ziemi, mamy do czynienia odpowiednio z polaryzacją poziomą lub pionową.

Istnieją możliwości techniczne rozdzielenia pola elektrycznego na dwie, wzajemnie do siebie prostopadłe składowe o jednakowych natężeniach. Jeżeli fazy drgań tych składowych są przesunięte względem siebie o 90°, to wektor wypadkowego pola elektrycznego zatacza okrąg w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali. Falę taką nazywamy falą spolaryzowaną kołowo. Wektor pola elektrycznego może wirować w prawo lub lewo. Mówimy, że fala ma polaryzację kołową prawoskrętną, jeżeli patrząc w stronę oddalającej się od nas fali jej wektor Ē wiruje w prawo, czyli zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Wektor pola elektrycznego fali o polaryzacji kołowej lewoskrętnej będzie wirował w odwrotnym kierunku.

Okazuje się, że w procesie odbicia fali o polaryzacji kołowej, np. prawoskrętnej, od obiektów o kształcie kulistym, zmienia się kierunek wirowania wektora pola elektrycznego fali odbitej, czyli w tym przypadku fala odbita będzie falą lewoskrętną. Antena promieniująca fale o polaryzacji kołowej, dobrze odbiera fale o takim samym kierunku wirowania pola, natomiast tłumi fale o kierunku przeciwnym. Ponieważ chmury i deszcz składają się z kulek wody, to fale od nich odbite zmieniają kierunek wirowania wektora pola elektrycznego, echa radarowe pochodzące od nich będą więc mocno tłumione przez antenę.

Polaryzatory mikrofalowe są urządzeniami umożliwiającymi kołowe spolaryzowanie fali wypromieniowanej przez antenę, dzięki czemu zmniejsza się właśnie szkodliwy wpływ chmur i deszczu na zobrazowanie radarowe. Najczęściej stosowanymi są polaryzatory umieszczane w części mikrofalowej linii antenowych. Zasada działania polaryzatora polega na dzieleniu fali padającej na dwie składowe, wzajemnie do siebie ortogonalne (prostopadłe), a następnie przesunięciu fazy pomiędzy składowymi o kąt 90°.