Устройства СВЧ и антенны

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 

 
УСТРОЙСТВА   
СВЧ  И  АНТЕННЫ 

 

 

Допущено Министерством обороны Российской Федерации  
в качестве учебника для студентов военных кафедр 
и курсантов учебных военных центров Военно-воздушных 
сил, обучающихся по военно-учетной специальности 
«Эксплуатация и ремонт радиолокационных комплексов 
противовоздушной обороны Военно-воздушных сил» 
(рег. № 491 от 11.12.2013) 

 

 

Под редакцией доктора технических наук доцента 
А. А. Филонова 
 

 

 

 

 

 
Красноярск 
СФУ 
2014 

УДК 621.396.76(07) 
ББК 32.845я73 
 
У825 

 
Авторы:  
А. А. Филонов, А. Н. Фомин, Д. Д. Дмитриев, В. Н. Тяпкин, Ю. Л.Фатеев,  
Е. Н. Гарин, В. Н. Ратушняк, И. В. Лютиков, В. А. Леусенко  
 

У825       Устройства СВЧ и антенны : учебник / А. А. Филонов, А. Н. Фомин, Д. Д. Дмитриев [и др.] ; ред. А. А. Филонов. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2014. – 492 с. 
ISBN 978-5-7638-3107-8 
 
Учебник состоит из двух разделов: «Устройства сверхвысоких частот» и «Антенны». 
В первом изложены основные понятия, расчетные методы и принципы реализации 
современных антенных устройств СВЧ и трактов питания антенн. Приведены инженерные сведения о наиболее распространенных линиях передачи СВЧ, их параметрах 
и конструктивных элементах; рассмотрены основные способы выполнения волноводных, коаксиальных и полосковых разветвляющих схем, фазовращателей, управляющих 
устройств с ферритами и др. 
Во втором изложены вопросы общей теории приемных и передающих антенн, приведены основные их параметры и характеристики, схемы современных антенных устройств. Подробно рассмотрены апертурные антенны СВЧ и сканирующие антенные 
решетки.  
Предназначен для студентов военных кафедр и курсантов учебных военных центров 
Военно-воздушных сил, обучающихся по военно-учетной специальности «Эксплуатация 
и ремонт радиолокационных комплексов противовоздушной обороны Военно-воздушных 
сил», а также может быть использован студентами вузов укрупненной группы специальностей 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (спец. 210304.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы») и всеми интересующимися вопросами становления, 
развития и современного состояния устройств СВЧ и антенн. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК  621.396.6(07) 

358.23:528.716.2(07) 
ББК  32.84я73 
 
 
ISBN 978-5-7638-3107-8 
© Сибирский федеральный университет, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 

ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 10 
 

Раздел 1. УСТРОЙСТВА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ................................. 13 

Глава 1. ВЗАИМНЫЕ НЕРЕГУЛЯРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  
И УСТРОЙСТВА ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА .............................. 14 

1.1. Типовой волноводный тракт. Типовые узлы и элементы .................................... 14 
1.1.1. Назначение трактов СВЧ и требования,  
предъявляемые к ним .................................................................................................. 14 
1.1.2. Типовой тракт импульсной РЛС ................................................................................. 15 
1.1.3. Особенности конструкций и эксплуатации трактов СВЧ ........................................ 18 

1.2. Взаимные нерегулярные элементы и устройства  
волноводного тракта .................................................................................................... 20 
1.2.1. Многополюсники СВЧ. Электрические модели  
и методы их описания ................................................................................................. 20 
1.2.2. Волноводные сочленения, разветвления и изгибы ................................................... 23 
1.2.3. Жесткие сочленения ..................................................................................................... 23 
1.2.4. Гибкие сочленения ....................................................................................................... 27 
1.2.5. Вращающиеся сочленения .......................................................................................... 29 
1.2.6. Волноводные изгибы ................................................................................................... 32 
1.2.7. Волноводные разветвления и тройники ..................................................................... 35 
1.2.8. Устройства связи волновода с генератором и нагрузкой ......................................... 37 

1.3. Взаимные нерегулярные многополюсники СВЧ, конструкции,  
принципы функционирования .................................................................................. 45 
1.3.1. Двойной волноводный тройник .................................................................................. 45 
1.3.2. Волноводно-щелевой мост .......................................................................................... 48 
1.3.3. Сравнительный анализ двойного волноводного тройника  
и волноводно-щелевого моста .................................................................................... 53 
1.3.4. Кольцевой волноводный мост .................................................................................... 54 

1.4. Частотные фильтры и фильтры типов волн ........................................................... 58 
1.4.1. Направленные ответвители ......................................................................................... 58 
1.4.1.1. Характеристики направленного ответвителя ......................................................... 59 
1.4.1.2. Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи  
в узкой стенке волновода ......................................................................................... 59 
1.4.1.3. Направленный ответвитель крестообразной формы ............................................. 60 
1.4.1.4. Крестообразный направленный ответвитель  
с одним отверстием связи ........................................................................................ 62 
1.4.2. Фильтры типов волн .................................................................................................... 66 
1.4.2.1. Трансформаторы типов волн ................................................................................... 66 
1.4.2.2. Разновидности и особенности конструкции  
фильтров типа волн .................................................................................................. 69 

Оглавление 

4 

1.4.3. Частотные фильтры СВЧ, аналитические методы их расчета ................................. 76 
1.4.3.1. Полосовые частотные фильтры ............................................................................... 76 
1.4.3.2. Расчет многокамерных полосовых фильтров  
с непосредственной связью ..................................................................................... 86 
1.4.3.3. Фильтры в коаксиальном исполнении .................................................................... 89 
1.4.4. Заграждающие фильтры .............................................................................................. 91 

Глава 2. НЕВЗАИМНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ........ 94 

2.1. Элементы техники СВЧ на ферритах ....................................................................... 94 

2.2. Волноводные устройства с продольно-намагниченным ферритом.  
Конструкции, принципы функционирования ........................................................ 98 
2.2.1. Вращатель плоскости поляризации ............................................................................ 98 
2.2.2. Циркулятор поляризационного типа .......................................................................... 99 

2.3. Волноводные устройства с поперечно-намагниченным ферритом.  
Конструкции, принципы функционирования ...................................................... 103 
2.3.1. Невзаимный фазовращатель ...................................................................................... 103 
2.3.2. Фазовый циркулятор .................................................................................................. 106 
2.3.3. Вентили ....................................................................................................................... 110 
2.3.3.1. Резонансные вентили .............................................................................................. 111 
2.3.3.2. Вентили, построенные на смещении поля ............................................................ 113 
2.3.4. Y-циркулятор .............................................................................................................. 114 

2.4. Антенные переключатели ......................................................................................... 118 
2.4.1. Механические антенные переключатели ................................................................. 119 
2.4.2. Газоразрядные антенные переключатели ................................................................ 121 
2.4.3. Полупроводниковые переключатели ....................................................................... 126 
2.4.4. Полупроводниковые фазовращатели ....................................................................... 127 
2.4.5. Волноводные поглощающие нагрузки ..................................................................... 133 
2.4.6. Волноводные аттенюаторы ....................................................................................... 135 
2.4.7. Волноводные фазовые трансформаторы ................................................................. 139 
2.4.8. Механические фазовращатели .................................................................................. 141 
2.4.9. Диэлектрические фазовращатели ............................................................................. 142 
2.4.10. Фазовращатели с электронным управлением ........................................................ 143 

2.5. Колебательные системы сверхвысоких частот ..................................................... 152 
2.5.1. Колебательные системы резонансного типа ........................................................... 152 
2.5.2. Колебательные системы нерезонансного типа  
(замедляющие системы)............................................................................................ 155 
2.5.3. Разновидности и параметры замедляющих систем ................................................ 156 
2.5.4. Структура поля в зондирующих системах............................................................... 156 
2.5.5. Дисперсионные характеристики ............................................................................... 160 
 
 

Оглавление  

5 

Раздел 2. АНТЕННЫ ............................................................................................ 163 

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН ................................................................. 164 

3.1. Характеристики и параметры передающей антенны.......................................... 164 
3.1.1. Назначение передающей антенны ............................................................................ 164 
3.1.2. Классификация антенн. Краткие сведения об антеннах  
различных типов ........................................................................................................ 165 
3.1.3. Характеристики и параметры направленности передающей антенны ................. 169 
3.1.3.1. Характеристика (диаграмма) направленности по полю  
и мощности .............................................................................................................. 169 
3.1.3.2. Фазовая характеристика направленности ............................................................. 173 
3.1.3.3. Поляризационная характеристика направленности ............................................ 174 
3.1.3.4. Коэффициент направленного действия, коэффициент  
полезного действия и коэффициент усиления ..................................................... 175 
3.1.3.5. Сопротивление излучения, входное сопротивление,  
допустимая величина излучаемой мощности ...................................................... 178 
3.1.3.6. Рабочий диапазон частот ........................................................................................ 179 

3.2. Характеристики и параметры приемной антенны .............................................. 181 
3.2.1. Принцип взаимности в теории приемной антенны.  
Эквивалентная электрическая схема. Сочетание методов  
электродинамики и теории цепей СВЧ ................................................................... 181 

3.3. Характеристики и параметры направленности приемной антенны ............... 184 
3.3.1. Диаграмма направленности. Мощность, отдаваемая антенной  
в нагрузку. Эффективная площадь, коэффициент использования  
площади ...................................................................................................................... 184 
3.3.2. Коэффициент направленного действия,  
коэффициент полезного действия и коэффициент усиления ................................ 186 
3.3.3. Шумовая температура антенны ................................................................................ 187 

3.4. Влияние параметров антенн и устройств СВЧ  
на тактико-технические характеристики  
радиолокационных станций ..................................................................................... 188 

Глава 4. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ АНТЕНН  
КАК СИСТЕМЫ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ................................................... 190 

4.1. Антенна как система излучателей ........................................................................... 190 
4.1.1. Понятие об антенне как системе излучателей ......................................................... 190 
4.1.2. Поле антенны как система излучателей в дальней зоне ......................................... 192 
4.1.3. Правило перемножения диаграмм направленности.  
Множитель системы .................................................................................................. 194 
4.1.4. Множитель линейной системы непрерывно расположенных  
излучателей ................................................................................................................ 197 

4.2. Линейные системы непрерывно расположенных излучателей ......................... 199 
4.2.1. Влияние амплитудного распределения  
на направленные свойства антенны ......................................................................... 199 

Оглавление 

6 

4.2.1.1. Система с равномерным амплитудным распределением .................................... 200 
4.2.1.2. Система с косинусоидальным амплитудным распределением .......................... 206 
4.2.1.3. Спадающие амплитудные распределения ............................................................ 209 
4.2.2. Влияние фазового распределения на направленные свойства антенны ............... 212 
4.2.2.1. Система с линейным фазовым распределением .................................................. 212 
4.2.2.2. Система с квадратичным фазовым распределением ........................................... 215 
4.2.2.3. Система с кубичным фазовым распределением................................................... 218 
4.2.3. Выбор амплитудно-фазового распределения для обеспечения  
заданных направленных свойств антенны .............................................................. 220 

4.3. Двумерные системы излучателей ............................................................................ 220 
4.3.1. Примеры двумерных систем.  
Общая формула для множителя системы ............................................................... 220 
4.3.2. Плоский прямоугольный раскрыв ............................................................................ 221 
4.3.3. Круглый синфазный раскрыв .................................................................................... 225 

4.4. Линейные решетки излучателей .............................................................................. 229 
4.4.1. Понятие о решетке излучателей ............................................................................... 229 
4.4.2. Эквидистантная синфазная линейная решетка  
с равномерным амплитудным распределением ..................................................... 230 

4.5. Решетка с линейным фазовым распределением.  
Принцип электрического качания диаграммы направленности.  
Способы обеспечения единственности главного максимума ............................ 236 

4.6. Способы уменьшения уровня боковых лепестков  
в системах излучателей ............................................................................................. 240 

Глава 5. ВИБРАТОРНЫЕ И ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ ................................. 244 

5.1. Симметричный вибратор. Параметры и характеристики ................................. 244 
5.1.1. Симметричный вибратор и его диаграмма направленности .................................. 244 
5.1.2. Сопротивление излучения, коэффициент направленного действия  
и входное сопротивление симметричного вибратора ............................................ 248 

5.2. Согласование вибратора с фидерным трактом.  
Понятие о диапазонных и несимметричных вибраторах ................................... 250 
5.2.1. Подключение симметричного вибратора к фидерному тракту ............................. 250 
5.2.2. Понятие о несимметричных и диапазонных вибраторах ....................................... 253 

5.3. Многовибраторные антенны. Аналитические и численные методы  
расчета основных параметров направленности ................................................... 255 
5.3.1. Система из активных вибраторов ............................................................................. 255 
5.3.2. Система из активного и пассивного вибраторов ..................................................... 257 
5.3.3. Директорная антенна ................................................................................................. 261 
5.3.4. Турникетная антенна ................................................................................................. 265 

5.4. Микрополосковые антенны ...................................................................................... 270 

5.5. Щелевые антенны. Конструкция, принципы функционирования ................... 275 
5.5.1. Щелевые излучатели. Принцип двойственности Пистолькорса ........................... 275 

Оглавление  

7 

5.5.2. Характеристики и параметры полуволновой щели ................................................ 278 
5.5.3. Волноводно-щелевые антенны ................................................................................. 281 

Глава 6. АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ (поверхностной) ВОЛНЫ ....................... 287 

6.1. Устройство и принцип функционирования антенн бегущей волны.  
Общие свойства ........................................................................................................... 287 

6.2. Диэлектрические стержневые антенны бегущей волны.  
Аналитические и численные методы их расчета ................................................. 290 

6.3. Спиральные антенны ................................................................................................. 294 

6.4. Широкополосные антенны ....................................................................................... 300 
6.4.1. Принципы построения частотно-независимых антенн .......................................... 300 
6.4.2. Частотно-независимые спиральные антенны .......................................................... 302 
6.4.3. Логопериодические антенны .................................................................................... 307 

Глава 7. АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ ............................................................... 312 

7.1. Волноводные и рупорные антенны ......................................................................... 312 
7.1.1. Общие сведения. Апертурный метод расчета.  
Методы решения внутренней и внешней задачи теории антенн .......................... 312 

7.2. Излучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода .................... 313 

7.3. Типы рупорных излучателей .................................................................................... 318 
7.3.1. Н-секториальный рупор ............................................................................................. 319 
7.3.2. Е-секториальный рупор ............................................................................................. 325 
7.3.3. Пирамидальный рупор ............................................................................................... 328 
7.3.4. Конический рупор ...................................................................................................... 330 

7.4. Способы создания остронаправленных рупорных антенн ................................. 331 

7.5. Волноводные антенны с ортогональной  
и вращающейся поляризацией ................................................................................ 334 
7.5.1. Области применения антенн с вращающейся поляризацией ................................. 334 
7.5.2. Рупорные антенны с ортогональной поляризацией ................................................ 335 
7.5.3. Рупорные антенны с вращающейся поляризацией ................................................. 337 
7.5.4. Поляризаторы ............................................................................................................. 342 

7.6. Согласование рупоров ................................................................................................ 345 

7.7. Линзовые антенны ...................................................................................................... 347 
7.7.1. Конструкции и принцип функционирования линзовых антенн ............................ 347 
7.7.2. Профиль и конструктивные параметры линзы. Зонирование линз.  
Аналитические методы расчета основных параметров ......................................... 350 
7.7.2.1. Профиль линзы ........................................................................................................ 350 
7.7.2.2. Толщина линзы ........................................................................................................ 351 
7.7.2.3. Зонирование линзы ................................................................................................. 353 

7.8. Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве линзы. Численные методы 
расчета характеристик и параметров направленности линзовых антенн ...... 356 

7.9. Линзы с переменным коэффициентом преломления .......................................... 359 

Оглавление 

8 

7.10. Зеркальные антенны ................................................................................................ 361 
7.10.1. Конструкция, принцип функционирования  
и основные типы зеркальных антенн ...................................................................... 361 
7.10.2. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения .............................................. 363 
7.10.2.1. Конструктивные параметры и основные геометрические соотношения ......... 363 
7.10.2.2. Облучатели параболоида вращения и требования к ним .................................. 365 
7.10.2.3. Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве зеркала.  
Методика расчета диаграмм направленности .................................................... 365 
7.10.2.4. Коэффициент направленного действия  
и коэффициент использования площади антенны ............................................. 368 
7.10.2.5. Теневой эффект облучателя.  
Реакция зеркала на облучатель ........................................................................... 370 
7.10.3. Зеркальные антенны с веерной диаграммой направленности ............................. 372 
7.10.3.1. Антенны с зеркалом в виде усеченного параболоида  
вращения .................................................................................................................. 372 
7.10.3.2. Антенны с зеркалом в виде параболического цилиндра ................................... 375 
7.10.4. Зеркальные антенны с диаграммой направленности  
специальной формы .................................................................................................. 378 
7.10.5. Двухзеркальные антенны ........................................................................................ 380 
7.10.6. Сканирующие антенные системы ........................................................................... 383 
7.10.6.1. Задачи и виды сканирования. Основные параметры сканирования ................ 383 
7.10.6.2. Электромеханические сканирующие устройства .............................................. 387 
7.10.6.3. Секторное сканирование смещением  
точечного облучателя .......................................................................................... 387 
7.10.6.4 . Секторное сканирование перемещением линейного облучателя .................... 393 

Глава 8. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ И АНТЕННЫ  
С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА ............................................................. 396 

8.1. Антенные решетки с электрическим управлением  
диаграммой направленности .................................................................................... 396 
8.1.1. Способы электрического сканирования диаграммы направленности .................. 396 
8.1.2. Конструкции и принципы функционирования решетки  
с частотным управлением и оценка ее эффективности.  
Способы повышения углочастотной чувствительности ........................................ 398 
8.1.3. Система питания (распределения ВЧ-мощности)  
фазированной антенной решетки ............................................................................. 402 

8.2. Фазированные антенные решетки. Конструкции и принципы  
функционирования ..................................................................................................... 406 
8.2.1. Излучающие системы фазированных антенных решеток ...................................... 406 
8.2.1.1. Период и необходимое число излучателей плоской  
фазированной антенной решетки .......................................................................... 407 
8.2.1.2. Требования к излучателям фазированных антенных решеток ........................... 410 
8.2.1.3. Влияние взаимной связи излучателей на диаграмму  
сканирования фазированной антенной решетки ................................................. 411 
8.2.2. Система управления фазовым распределением ...................................................... 414 

Оглавление  

9 

8.2.2.1. Строчно-столбцевые системы фазирования ......................................................... 414 
8.2.2.2. Многоуровневые фазированные антенные решетки  
с матричным фазированием ................................................................................... 419 
8.2.3. Гибридные и конформные фазированные антенные решетки............................... 421 
8.2.4. Аналитические и численные методы расчета  
основных параметров фазированных антенных решеток ..................................... 423 

8.3. Антенны с обработкой сигнала ................................................................................ 429 
8.3.1. Устройство и классификация антенн с обработкой сигналов ............................... 429 
8.3.2. Антенны моноимпульсных РЛС ............................................................................... 430 
8.3.2.1. Антенны для амплитудной моноимпульсной пеленгации .................................. 433 
8.3.2.2. Антенны для фазовой моноимпульсной пеленгации .......................................... 441 
8.3.3. Адаптивные антенны ................................................................................................. 444 
8.3.3.1. Самофокусирующиеся и самофазирующиеся антенны....................................... 445 
8.3.3.2. Переизлучающие антенны ...................................................................................... 446 
8.3.3.3. Адаптивные антенные решетки с экстремальной настройкой ........................... 448 

Глава 9. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
И ЭКСПЛУАТАЦИИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ............................... 452 

9.1. Влияние повреждений на характеристики  
и параметры зеркальных антенн ............................................................................ 452 
9.1.1. Влияние повреждений зеркала на диаграмму направленности ............................. 453 
9.1.2. Влияние повреждений облучателя на амплитудную  
диаграмму направленности зеркальной антенны ................................................... 457 
9.1.3. Влияние повреждений и отказов фазированной антенной решетки  
на характеристики и параметры антенн .................................................................. 460 
9.1.3.1. Отказы фазовращателей ......................................................................................... 461 
9.1.3.2. Отказы усилителей .................................................................................................. 462 
9.1.3.3. Характеристики и параметры фазированной антенной решетки  
при наличии отказов ............................................................................................... 462 

9.2. Проблемы электромагнитной совместимости и способы ее решения .............. 463 

9.3. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ и антенн ...................... 466 
9.3.1. Общая характеристика процесса проектирования антенн ..................................... 466 
9.3.2. Основные принципы автоматизации проектирования ........................................... 469 
9.3.3. Средства автоматизации проектирования ............................................................... 472 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... 478 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 481 

ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................... 482 

Приложение 1. Контрольные вопросы по учебному курсу  
для проверки качества усвоения учебного материала ................................. 483 
Приложение 2. Список сокращений ................................................................. 488 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебная дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» состоит из двух 
разделов: раздел 1 «Устройства СВЧ»; раздел 2 «Антенные системы радиоэлектронной техники». 
Дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» входит в профессиональный цикл (базовая часть) специальности 210601.65 «Радиоэлектронные 
системы и комплексы» Федерального государственного образовательного 
стандарта высшего профессионального образования. 
Научную основу дисциплины составляют теория электромагнитного 
поля в волноводном тракте, методы синтеза и анализа излучающих систем. 
Целью преподавания дисциплины является обучение курсантов теории и технике сверхвысоких частот (СВЧ) и антенн применительно к системам радиотехнического вооружения, используемым в Военно-воздушных силах (ВВС), в соответствии с квалификационными требованиями к военно- 
профессиональной подготовке офицера-выпускника по специальности 
«Радиоэлектронные системы и комплексы» в объеме, необходимом для 
исполнения должностей предназначения. 
Изучение данной дисциплины способствует формированию и развитию у курсантов профессиональных качеств, ответственности и чувства 
долга защитника Отечества, готовности к военной службе в условиях мирного и военного времени, научного мировоззрения, творческого мышления, инженерной культуры, навыков обучения подчиненных, целеустремленности, самостоятельности и инициативы. 
Конечным результатом обучения считается готовность курсантов 
к изучению устройств СВЧ и антенн конкретных образцов радиотехнических систем вооружения, ознакомление курсантов с различными СВЧустройствами и антеннами, широко используемыми в радиотехнике, радиолокации и радионавигации. 
Дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» основана на знании  
курсов: 
«Высшая математика» (дифференциальное и интегральное исчисление, линейная алгебра, дифференциальные и интегральные уравнения, 
теория функций комплексного переменного, операции с комплексными 
числами, ряды, преобразования Лапласа и Фурье, матричное исчисление, 
математическая статистика); 
«Физика» (основные законы электричества и магнетизма, свойства электромагнитного поля, основные законы оптики и принципы построения устройств оптического диапазона); 
«Информатика» (методы прикладной математики, методы и средства численных расчетов и программирования с использованием вычисли

Введение  

11 

тельной техники и соответствующих информационных технологий, включая элементы, приемы и средства мультимедийных технологий); 
«Основы теории цепей» (основные законы электрических цепей, 
способы и методы представления различных устройств в виде их эквивалентных схем, методы расчета электрических цепей, колебательные контуры, фильтры и другие радиотехнические и электротехнические устройства, синтез и анализ двухполюсников, четырехполюсников и много- 
полюсников); 
«Электроника и микроэлектроника» (физические принципы построения и свойства различных устройств, используемых в радиотехнике 
и электронике, включая принципы построения и конструкции приборов на 
основе тех или иных свойств полупроводников, различных процессов 
и явлений в системах с вакуумным заполнением – электронные лампы, 
применяемые для генерации, усиления и формирования различных сигналов, особенно в области высоких частот); 
«Электродинамика и распространение радиоволн» (законы распространения, возбуждения, приема электромагнитных волн, в том числе 
в свободном пространстве и средах с особыми свойствами, влияние электродинамических свойств различных сред на свойства распространяющихся в них сигналов, методы возбуждения и приема электромагнитных волн, 
включая оптический диапазон). 
Дисциплина «Устройства СВЧ и антенны» является базовой для изучения далее таких системных дисциплин, как «Устройства генерирования 
и формирования сигналов»; «Устройства приема и преобразования сигналов», «Радиоприемные устройства СВЧ», «Радиотехнические системы»; 
«Радиолокационные системы».  
Предмет и задачи учебной дисциплины 
Предмет дисциплины – теория электромагнитного поля в волноводном тракте; физические процессы в устройствах СВЧ, элементарных 
и сложных излучающих системах. 
Основные задачи изучения дисциплины: 
• создание у курсантов представления о классе СВЧ-устройств, 
предназначенном для обработки СВЧ-сигналов в волноводных системах 
радиолокационных станций радиотехнических войск (РЛС РТВ), формирования поля излучения требуемой структуры и преобразования поля распространяющихся электромагнитных волн в волноводные волны; 
• выработка у курсантов понятия о физических принципах, лежащих 
в основе конструкций антенн, элементов и узлов СВЧ-техники; 
• выработка представления о методах расчета характеристик антенн 
и волноводных систем, методах разработки устройств с требуемыми свойствами; 

Введение 

12 

• создание навыков расчета и проектирования конкретных СВЧантенн и устройств; 
• ознакомление курсантов с современной методикой автоматизированного анализа и проектирования СВЧ-устройств на основе применения 
ЭВМ. 
При написании учебника авторы ставили цель – дать общее полное 
представление о дисциплине, не допуская перегрузки современной математической (достаточно сложной) теорией антенн и устройств СВЧ.  
Помимо основного учебного материала, излагаемого на лекциях 
в рамках учебной программы, в учебнике приведен ряд дополнительных 
сведений, которые рекомендуются курсантам для самостоятельного изучения и использования в процессе курсового и дипломного проектирования. 
Предназначен для студентов военных кафедр и курсантов учебных 
военных центров Военно-воздушных сил, обучающихся по военноучетной специальности «Эксплуатация и ремонт радиолокационных комплексов противовоздушной обороны Военно-воздушных сил», а также 
может быть использован студентами вузов укрупненной группы специальностей 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (спец. 
210304.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы») и всеми интересующимися вопросами становления, развития и современного состояния 
устройств СВЧ и антенн. 
 

 

••• Раздел  1 

 
УСТРОЙСТВА 
СВЕРХВЫСОКИХ 
ЧАСТОТ 

•••    Глава  1 
ВЗАИМНЫЕ  НЕРЕГУЛЯРНЫЕ   
ЭЛЕМЕНТЫ  И  УСТРОЙСТВА   
ВОЛНОВОДНОГО  ТРАКТА 
 
 
 
1.1.  ТИПОВОЙ  ВОЛНОВОДНЫЙ  ТРАКТ.  
ТИПОВЫЕ  УЗЛЫ  И  ЭЛЕМЕНТЫ 
 
1.1.1. Назначение трактов СВЧ  
и требования, предъявляемые к ним 

 
Тракты СВЧ радиолокационных станций предназначены для передачи электромагнитной энергии от одного блока к другому. Например, 
в РЛС электромагнитная энергия передается к антенне, от антенны к приемнику, от приемника к индикаторам и т. д. 
Тракты СВЧ характеризуются следующими основными параметрами: волновое сопротивление тракта ρ; постоянная распространения ЭМВ 
в тракте γ; входное сопротивление тракта Zвх; коэффициент стоячей волны 
тракта Kс; электрическая прочность тракта.

Волновое сопротивление тракта ρ определяется волновым сопротивлением линии передачи с учетом всех неоднородностей. Как правило, 
СВЧ-тракт РЛС строится на нескольких типах линий передачи. Кроме того, однотипные линии могут иметь различные параметры, поэтому отдельные узлы тракта могут иметь различные входные сопротивления. В этом 
случае для соединения узлов используются устройства, согласующие отдельные участки тракта. 
Постоянная распространения тракта γ определяется двумя коэффициентами: 
 
j
γ =α+ β, 
(1.1) 

где α – характеризует затухание ЭМВ в тракте; β – коэффициент фазы 
(волновое число). 
Коэффициенты α и β определяются: параметрами линии передачи; 
типами распространяющихся ЭМВ; параметрами сред, заполняющих линии передачи. 

Глава 1. Взаимные нерегулярные элементы и устройства волноводного тракта 

15 

Входное сопротивление Zвх тракта зависит не только от параметров 
линии передачи, но и от сопротивления подключаемых к нему нагрузок. 
Определение входного сопротивления Zвх в ряде случаев представляет 
трудную задачу. Например, входное сопротивление сканирующей антенны 
РЛС изменяется в значительных пределах. 
Состояние согласования тракта характеризуется коэффициентом Kc 
стоячей волны, который является непосредственно измеряемым параметром. 
Электрическая прочность тракта определяется размерами а и b поперечного сечения волноводов и параметрами диэлектрика.  
В тракте РЛС обычно существует тракт высокого уровня мощности 
и тракт низкого уровня мощности. Тракт высокого уровня мощности канализирует ЭМЭ большой мощности (n·10…n·100 кВт) от передатчика РЛС 
в антенну. К нему предъявляются повышенные требования по электрической прочности. Линии передачи этого тракта имеют большие размеры  
узкой b стенки волновода. В ряде случаев волноводы заполняют специальным газом, именуемым элегазом. Эта мера позволяет повысить электрическую прочность волновода в 2…3 раза. 
Тракт низкого уровня мощности передает ЭМЭ отраженного от цели 
сигнала, принятого антенной, на вход приемника. 
К трактам СВЧ РЛС предъявляются следующие основные требования: обеспечивать заданный диапазон частот РЛС с учетом перестройки 
частоты и помехоустойчивость РЛС; вносить минимальные потери; выдерживать высокие уровни мощности; иметь простую конструкцию и высокую эксплуатационную надежность, малые габариты и массу. 
 
1.1.2. Типовой тракт импульсной РЛС 

 
Состав тракта СВЧ зависит от типа РЛС и ее характеристик. Эти 
факторы определяют, например, количество каналов передачи энергии, наличие или отсутствие антенного переключателя и устройств защиты и др. 
Рассмотрим типовой тракт СВЧ импульсной РЛС зенитно-ракетного комплекса (ЗРК), схема которого представлена на рис. 1.1. 
Антенны А1 и А2 обеспечивают излучение ЭМЭ в направлении на 
цель и прием сигналов, отраженных от цели и наводимой на цель ракеты. 
Эти антенны имеют различную ширину диаграммы направленности (ДН), 
что необходимо для обеспечения работы РЛС в различных условиях боевой обстановки. Излучение энергии и прием отраженных сигналов могут 
осуществлять как антенна А1, так и антенна А2. Кроме того, возможен режим, когда излучение производится одной антенной, а прием – другой. 
Вращающиеся сочленения ВС1 и ВС2 обеспечивают связь вращающихся антенн с неподвижной частью СВЧ-тракта.  

Раздел 1. Устройства сверхвысоких частот 

16 

Переключатель П1 соединяет тракт с антенной А1 либо с поглощающей нагрузкой (эквивалентом антенны). Эквивалент антенны исключает излучение ЭМЭ в пространство, чтобы не демаскировать станцию, если позволяют условия боевой обстановки. 
 

V2

V

V

НО5

УВЧ

ОР5
ОР3

V1

Ат2
Ат3
Ат4

Ат8
Ат7
Ат6

НО3
ОР4

V4

V3

Ат5

НО4
Кл1

Кл2

НО2

НО1

ВС1
А1

А2
ВС2

П1

ОР1

Ат1

Р1

Р3

Р2
П3

П2
ДВТ
ВЩМФВ
М

 
 
Рис. 1.1. Типовой тракт СВЧ импульсной РЛС 
 
Направленный ответвитель НО1 предназначен для отвода части 
энергии высокочастотного импульса передатчика к объемному резонатору 
ОР1. Это необходимо для контроля энергетического потенциала П станции, который определяется отношением мощности передатчика РПРД 
к мощности собственных шумов приемника РШ ПРМ: 
 

 

ПРД

Ш ПРМ
П
Р
Р
=
. 
 (1.2) 

 
После окончания импульса передатчика возбужденные в объемном 
резонаторе колебания через ответвитель НО1 поступают в приемный 
тракт. Длительность этих колебаний зависит как от мощности передатчика, 

Глава 1. Взаимные нерегулярные элементы и устройства волноводного тракта 

17 

так и от чувствительности приемника. Эта длительность может контролироваться либо по осциллографу, либо по индикаторам станции. Направленный ответвитель НО1 конструктивно выполнен на основе волновода 
с отверстиями связи в узкой стенке. 
Направленный ответвитель НО2 предназначен для подачи сигнала от 
генератора стандартных сигналов для измерения чувствительности приемника. Конструктивно он представляет собой направленный ответвитель 
со связью по широкой стенке волновода через одно крестообразное отверстие связи.  
Резонансные разрядники Р1 и Р2 обеспечивают защиту приемника 
от мощных зондирующих импульсов передатчика. Кроме того, в силу 
фильтрующих свойств они повышают помехозащищенность приемника 
станции.  
Резонансный разрядник Р3 подключает передатчик (магнетрон М) 
к антенне во время излучения зондирующего импульса. 
Подключение антенны на излучение производится переключателем П2. По конструкции он аналогичен переключателю П1. 
Переключение антенн при работе приемного устройства осуществляется переключателем П3. Кроме того, переключатель П3 подключает неработающий во время приема тракт к эквиваленту приемника (поглощающей 
нагрузке). 
Функцию антенного переключателя выполняет фазовый циркулятор. Он состоит из волноводного щелевого моста (ВЩМ), двухканального 
ферритового фазовращателя (ФВ) и свернутого двойного волноводного 
тройника (ДВТ). В состав антенного переключателя входят также резонансные разрядки Р1, Р2 и Р3. 
Антенный переключатель обеспечивает: защиту приемника от воздействия мощных импульсов; передачу отраженных от цели и ракеты сигналов на вход приемника с минимальными потерями; поглощение энергии 
отраженных от неоднородностей тракта волн во время работы магнетрона, 
чем достигается стабильность его работы. 
Запредельные аттенюаторы, включенные в тракт магнетрона, обеспечивают его связь с системами станции. 
Усиление сигналов, принятых антеннами А1 или А2, производится 
широкополосным усилителем высокой частоты (УВЧ), конструктивно выполненным на лампе бегущей волны (ЛБВ). Усилитель определяет чувствительность приемника и обеспечивает усиление различных по частоте 
сигналов, отраженных от цели и излученных ракетой. Кроме того, он допускает возможность перестройки РЛС по частоте. 
Разделение сигналов, отраженных от ракеты и цели, производится 
узкополосными фильтрами (УФ), конструктивно выполненными на базе