Конструкции отдельных элементов РЛС

5. Конструкции отдельных элементов РЛС .

М

L

+ Ea

C

ВЧ

V1

V2

ощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диапазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как правило, триодах. Но колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни мегагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощностью колебаний. Поэтому катушка вырождается в отрезок двух

проводной линии, выполненной из толстых медных трубок. Линия на

страивается передвижным короткозамкнутым мостиком. Симметричная линия лучше всего совмещается с двухтактным генератором :

Конденсатора в контуре нет - его роль выполняют междуэлектродные емкости ламп. Через них осуществляется и обратная связь. Часть переменного анодного напряжения через емкость анод - катод возбуждает другой контур - линию, включенную между катодами ламп. Ее настройкой подбирают нужную для возбуждения колебаний фазу напряжения обратной связи. Сетки ламп заземляют по высокой частоте. Отбор мощности ВЧ колебаний осуществляют петлей связи, расположенной вблизи анодной линии. Напряжение анодного питания подают на короткозамкнутый мостик этой линии через ВЧ дроссель (катушку индуктивности), изолирующий источник питания от ВЧ колебаний. Генератор будет работать в импульсном режиме, если его питать не постоянным анодным напряжением, а мощными высоковольтными импульсами. Они генерируются в устройстве с тиратроном - газоразрядной лампой, поджигаемой управляющим импульсом. Пока тиратрон погашен, накопительный конденсатор С заряжается через дроссель с большой индуктивностью L от высоковольтного источника. Ток заряда невелик, а время заряда может достичь периода повторения импульсов. Короткий запускающий импульс поджигает тиратрон, и генератор ВЧ оказывается подключенным к накопительному конденсатору, заряженному до высокого потенциала (десятки киловольт). Генерируется очень короткий радиоимпульс, причем анодный ток ВЧ генератора может достичь десятков ампер. Заряд конденсатора расходуется в течение нескольких микросекунд или даже долей микросекунды, генерация прекращается, и тиратрон гаснет. Конденсатор С снова начинает медленно заряжаться через дроссель L. Если бы ВЧ генератор работал при такой мощности несколько дольше, то электроды лампы неминуемо расплавились бы , выгорели или испарились. Только благодаря краткости импульсов ничего этого не происходит, а средняя мощность генератора оказывается для него невысокой и вполне безопасной.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с ним - и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце; например, может использоваться отрезок коаксиального кабеля. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е. отношению его анодного напряжения к анодному току. В момент поджигания тиратрона вдоль длинной линии пойдет волна напряжения, разряжающая линию. Процесс закончится, когда волна напряжения, отразившись от разомкнутого конца линии, вернется к аноду тиратрона. Линия будет разряжена полностью, и тиратрон погаснет. Таким образом, длительность импульса определяется длинной линии и равна отношению удвоенной длины линии к скорости распространения волн в ней. Генераторы модулирующих импульсов с искусственными длинными линиями получили самое широкое распространение в радиолокационной технике.

Для перехода к дециметровым и сантиметровым волнам ВЧ генератор с двухпроводными линиями оказался непригодным, поскольку длина линии составляет менее четверти длины волны. Кроме того, время пролета электрона в лампе оказывается больше периода колебаний , что полностью нарушает работоспособность триода. Выход был найден в использовании объемного резонатора . Объемный резонатор - ограниченный объем, внутри которого могут возбуждаться электромагнитные колебания. Обычно объемный резонатор - замкнутая полость с проводящими стенками, форма и размеры которой определяют частоту колебаний и конфигурацию электрических и магнитных полей, бывают прямоугольные, цилиндрические, тороидальные и др. форм. Объемным резонатором является также объем, заполненный средой с др. электрическими и магнитными свойствами. Применение объемных резонаторов позволило повысить резонансную частоту ВЧ контура , не уменьшая его размеров.

В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принципиально новых генераторов сантиметровых волн - клистронов и магнетронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как это происходит в электронно - лучевой трубке. Луч проходит последовательно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же частоту. Если к первому резонатору подвести СВЧ колебания, луч окажется промодулированным по скорости. Электроны, пролетевшие резонатор за один полупериод колебаний, ускоряются, поскольку электрическое поле разгоняет их, а электроны, пролетевшие за второй полупериод, замедляются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшается. По пути ко второму резонатору электроны сгруппировываются в «пакеты» , поскольку быстрые электроны догоняют медленные. На еще большем расстоянии пакеты электронов снова рассеиваются. В том месте, где происходит группировка электронов стоит второй резонатор и возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного заряда. Энергия колебаний , отдаваемая электронами во второй резонатор, оказывается намного больше энергии , затраченной на модуляцию электронного луча. По такому принципу действует клистрон - усилитель. Его нетрудно превратить в генератор: достаточно часть энергии из второго резонатора направить обратно, в первый. В отражательном клистроне генерация осуществляется несколько иначе. Он содержит только один резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются обратно специальным электродом - отражателем, на который подан отрицательный потенциал. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны долгие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках. Большую колебательную мощность отдает магнетрон - многорезонаторное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезерованными в нем резонаторами. Каждый резонатор открывается в сторону катода щелью. Вся конструкция помещается между полюсами мощного электромагнита так, чтобы магнитное поле было направлено по оси катода. На анод должно подаваться высокое положительное напряжение. Магнетроны дали возможность генерировать очень большие импульсные мощности на сантиметровых волнах, благодаря чему резко повысилась дальность действия и точность РЛС.

Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее распространение получил супергетеродин с кристаллическим смесителем (СМ) на выходе . Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью р - п перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного гетеродина , собранного на маломощном отражательном клистроне. Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых импульсов на значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота выбирается в диапазоне 30...100 МГц, т.е. там, где сравнительно несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов.

Гетеродин

УПЧ

Детектор

Видеоусилитель

Смеситель

Супергетеродинный приемник РЛС

Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ . Оно может достигать 10^6. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой , различные системы автоматической регулировки усиления. На входе приемника сильные сигналы от близких объектов и и слабые от далеких целей могут различаться на 100...120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20...30 дБ, и тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Последними элементами структурной схемы приемника являются детектор и усилитель видеоимпульсов.

Технические характеристики РЛС во многом зависят от конструкции приемо - передающей антенны. Энергию волн из волновода в открытое пространство можно передать посредством рупорной антенны. Хорошая рупорная антенна должна быть длинной , поскольку любые неоднородности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как раз и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности , поле в раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают относительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти, или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными. Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны , а рупор используют в качестве облучателя зеркала . Чем больше размеры антенны , тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы направленности  связана с размером антенны формулой =/D , где угол  выражается в радианах.

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС : у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см^2).

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму ( наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий.

Радиолокация

15